一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备

摘要

本发明公开了一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备，属于半固态金属铸造设备技术领域。该成形设备包括：流变制浆机构包括搅拌桶、安装支架、分流锥、多个剪切棒和第一驱动装置，搅拌桶外壁通过第一轴承与安装支架连接，每个剪切棒一端固连于搅拌桶内壁，每个剪切棒另一端与分流锥侧壁连接，分流锥的底面连接有挡液伞，挡液伞的边缘与搅拌桶内壁留有间隙，第一驱动装置用于驱动搅拌桶转动；挤压机构，连接有成型模具，挤压机构能将流变制浆机构制成的半固态连续流变金属挤压进成型模具中。本发明的成形设备通过完高效且连续的半固态浆料制备过程能够制备出均匀细晶、夹渣稀少的线材和棒材等。

说明书

技术领域

本发明涉及半固态金属铸造设备技术领域，具体涉及一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备。

背景技术

半固态金属(SSM)铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。搅动铸造工艺是在液态金属的凝固过程中进行强烈的搅拌，使普通铸造易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制成半固态金属液，然后将其压铸成坯料或铸件。采用该技术生产的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，与普通液态铸造相比具有许多明显的特点：铸件的凝固收缩减小、铸件尺寸精度高、外观质量好、机械加工量少、生产率高以及力学性能好。

但在半固态金属(SSM)铸造过程中容易产生卷入性缺陷和晶间偏析，卷入性缺陷和晶间偏析严重影响着材料的力学性能。卷入性缺陷主要产生在半固态浆料的制备过程中，而晶间偏析发生在半固态浆料凝固成形过程中。卷入性缺陷和晶间偏析的起因均与半固态浆料制备有关。

传统流变金属大塑性变形挤压成形设备在制备半固态浆过程中，通过反复的机械搅拌散热将熔融态金属浆料降温变为半固态金属浆料。但反复的搅拌容易将表层与空气接触并发生氧化反应的的金属氧化物卷入金属浆料之中，不可避免的产生了卷入性缺陷；传统流变金属大塑性变形挤压成形设备，半固态金属浆料制备和成形加工分开进行，容易造成制备好的半固态金属浆料在进行成形加工前二次氧化，进一步造成卷入性缺陷。而且制备的浆料未经细晶强化和过冷处理，在经挤压成形设备成形过程中容易产生晶间偏析的问题，制造出来的材料力学性能较差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备。

本发明提供了一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备，包括：

流变制浆机构，包括搅拌桶、安装支架、分流锥、多个剪切棒和第一驱动装置，所述搅拌桶外壁通过第一轴承与所述安装支架连接，所述第一轴承能够承受轴向力和径向力，搅拌桶设有出料口，所述分流锥设于搅拌桶内，每个剪切棒一端固连于搅拌桶内壁，每个剪切棒另一端与分流锥侧壁连接，多个剪切棒高低错落布置于搅拌桶内，分流锥的底面连接有挡液伞，所述挡液伞的边缘与搅拌桶内壁留有间隙，所述第一驱动装置固连于所述安装支架上，第一驱动装置用于驱动搅拌桶绕自身轴线转动，第一驱动装置与电源模块电连接；

挤压机构，与搅拌桶的出料口密封连接，所述挤压机构连接有成型模具，所述挤压机构能将流变制浆机构制成的半固态连续流变金属挤压进所述的成型模具中。

较佳地，所述挤压机构包括进料漏斗、旋挤腔体、基座、旋转挤压轴和第一轴承座，所述进料漏斗的漏斗口与所述搅拌桶的出料口连通且二者密封连接，所述旋挤腔体固连于所述基座上，旋挤腔体设有进料口，所述进料漏斗通过进料口与所述旋挤腔体的内腔连通，所述旋转挤压轴一端设有螺旋挤压杆，所述螺旋挤压杆设有螺旋槽，旋转挤压轴的螺旋挤压杆从旋挤腔体一端插入旋挤腔体的内腔，旋挤腔体的另一端与所述成型模具固连，所述成型模具内设有通料孔，所述旋挤腔体的内腔与所述通料孔连通，旋转挤压轴轴身通过第二轴承与所述第一轴承座连接，旋转挤压轴另一端通过第三齿轮连接有第二驱动装置，所述第二驱动装置与电源模块电连接。

较佳地，所述搅拌桶外壁与所述安装支架间还设有安装板和第二轴承座，所述安装板与安装支架固连，安装板设有通孔，所述搅拌桶的出料口穿过所述通孔向下延伸，所述第二轴承座固定安装于安装板上表面通孔处，所述搅拌桶外壁固连有凸缘，所述凸缘通过所述第一轴承与第二轴承座连接。

较佳地，所述第一驱动装置包括传动轴和动力源，所述传动轴通过第二轴承连接于所述安装支架一侧，传动轴一端通过第一齿轮与动力源齿接，所述动力源与电源模块电连接，搅拌桶外壁还固连有盘齿轮，所述盘齿轮通过第二齿轮与传动轴另一端齿接。

较佳地，所述第一驱动装置还包括同步轴，所述同步轴一端通过第四齿轮齿接于盘齿轮与第二齿轮相对的一侧处，同步轴轴身通过第三轴承连接于安装支架与传动轴相对的一侧处。

较佳地，所述流变制浆机构还包括轴承保护套和防护网罩，所述轴承保护套边缘扣接在所述第二轴承座上，所述搅拌桶外壁的凸缘和所述第一轴承设于轴承保护套之内，所述防护网罩固连于轴承保护套上表面，所述搅拌桶设于防护网罩之内。

较佳地，所述搅拌桶外壁还固连有导风罩。

较佳地，所述盘齿轮为人字齿或斜齿盘齿轮，

较佳地，所述第一轴承能够承受轴向力和径向力。

较佳地，所述成型模具的通料孔，所述通料孔设有拐角，通料孔的入口至拐角处通道长40mm，拐角处至通料孔的出口处通道长25mm，两通道间夹角为130°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备旨在利用剪切棒将大量浆料分成连续的小量浆液，并将小量浆液依次打碎并甩至搅拌桶侧壁快速冷却，避免为降温而反复的搅拌金属浆料而造成的卷入性缺陷。而且，经剪切棒打碎小量浆液，起到细晶强化的作用，经打碎的小量浆液能被搅拌桶侧壁快速冷却，进而在挤压成形过程中能有效降低晶间偏析的含量，半固态金属熔体在旋挤腔体的内腔受到螺旋挤压杆的摩擦、挤压和剪切等作用，可以起到进一步细化晶体的作用，其内部温度和压力不断升高，高温高压的环境对解决晶间偏析问题有积极作用。本发明的设备具有结构紧凑、通用性强、扩展性好、集成度高、节能环保和生产效率高等优点。使用本设备能够在一道工序内连续的进行半固态制浆以及大塑性变形挤压加工，通过挤压机构与搅拌桶的出料口密封连接，能有效防止空气进入造成半固态金属浆料二次氧化，进而有效降低卷入性缺陷比例。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明流变制浆机构的局部剖视图；

图3为本发明挤压机构的结构示意图；

图4为本发明挤压机构的局部剖视图。

附图标记说明：

1.防护网罩，2.第一轴承，3.安装板，4.传动轴，5.同步轴，6.挡液伞，7.导风罩，8.剪切棒，9.分流锥，10.搅拌桶，11.进料漏斗，12.旋挤腔体，13.成型模具，14.基座，15.第三齿轮，16.第一轴承座，17.旋转挤压轴，18.进料口，19.通料孔，20.螺旋挤压杆，21.轴承保护套，22.第二轴承座，23.第一齿轮，24.螺旋槽。

具体实施方式

下面结合附图1-4，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-4所示，本发明提供的一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备，包括：流变制浆机构和挤压机构，流变制浆机构包括流变制浆机构包括搅拌桶10、安装支架、分流锥9、多个剪切棒8和第一驱动装置，所述搅拌桶10外壁通过第一轴承2与所述安装支架连接，所述第一轴承2能够承受轴向力和径向力，搅拌桶10设有出料口，所述分流锥9设于搅拌桶10内，每个剪切棒8一端固连于搅拌桶10内壁，每个剪切棒8另一端与分流锥9侧壁连接，多个剪切棒8高低错落布置于搅拌桶10内，分流锥9的底面连接有挡液伞6，所述挡液伞6的边缘与搅拌桶10内壁留有间隙，所述第一驱动装置固连于所述安装支架上，第一驱动装置用于驱动搅拌桶10绕自身轴线转动，第一驱动装置与电源模块电连接；挤压机构与搅拌桶10的出料口密封连接，所述挤压机构连接有成型模具13，所述挤压机构能将流变制浆机构制成的半固态连续流变金属挤压进所述的成型模具13中。

如图3和4所示，其中，所述挤压机构包括进料漏斗11、旋挤腔体12、基座14、旋转挤压轴17和第一轴承座16，所述进料漏斗11的漏斗口与所述搅拌桶10的出料口连通且二者密封连接，所述旋挤腔体12固连于所述基座14上，旋挤腔体12设有进料口18，所述进料漏斗11通过进料口18与所述旋挤腔体12的内腔连通，所述旋转挤压轴17一端设有螺旋挤压杆20，所述螺旋挤压杆20设有螺旋槽24，旋转挤压轴17的螺旋挤压杆20从旋挤腔体12一端插入旋挤腔体12的内腔，旋挤腔体12的另一端与所述成型模具13固连，所述成型模具13内设有通料孔19，所述旋挤腔体12的内腔与所述通料孔19连通，旋转挤压轴17轴身通过第二轴承与所述第一轴承座16连接，旋转挤压轴17另一端通过第三齿轮15连接有第二驱动装置，所述第二驱动装置与电源模块电连接。

现简述实施例1的工作原理：

开启电源，启动第一驱动装置和第二驱动装置，将金属熔体倾倒至流变制浆机构的搅拌桶10内。第一驱动装置驱动搅拌桶10转动，金属熔体被分流锥9分开，在搅拌桶10的带动下剪切棒8开始转动，被分开的金属熔体被旋转的剪切棒8反复捶打剪切，能够起到破碎枝晶和细化晶粒的效果。经捶打剪切后的金属熔体受重力影响落至挡液伞6表面，受到离心力影响被甩至搅拌桶10内壁。由于搅拌桶10外壁受到风冷作用，搅拌桶10桶壁降温，因此搅拌桶10内壁上的金属流体会迅速传导降温至半固态。半固体金属熔体受到重力的影响流出出料口，并流入至连续大塑性成形模块的进料漏斗11内，挤压机构与搅拌桶10的出料口密封连接，能有效防止空气进入造成半固态金属浆料二次氧化，进而有效降低卷入性缺陷比例，经由进料口18流进旋挤腔体12的内腔。第二驱动装置驱动旋转挤压轴17转动，旋转挤压主轴将半固体金属熔体卷入至螺旋槽24内。期间半固态金属熔体在旋挤腔体12的内腔受到螺旋挤压杆20的摩擦、挤压和剪切等作用，可以起到进一步细化晶体的作用，其内部温度和压力不断升高，高温高压的环境对解决晶间偏析问题有积极作用，随后高温高压的金属被挤至大塑性成型模具13，在模具内经历大塑性变形后被挤出成型模具13，成为显微组织优良、高质量和高强度的金属型材。

本发明的一种离心剪切冷壁半固态连续流变金属塑性挤压成形设备旨在利用剪切棒8将大量浆料分成连续的小量浆液，并将小量浆液依次打碎并甩至搅拌桶10侧壁快速冷却，避免为降温而反复的搅拌金属浆料而造成的卷入性缺陷。而且，经剪切棒打碎小量浆液，起到细晶强化的作用，经打碎的小量浆液能被搅拌桶侧壁快速冷却，进而在挤压成形过程中能有效降低晶间偏析的含量。本发明的设备能够制备出均匀细晶、夹渣稀少的线材和棒材。本发明的设备通过模块化设计具有结构紧凑、通用性强、扩展性好、集成度高、节能环保和生产效率高等优点，能够在一道工序内连续的进行半固态制浆以及大塑性变形挤压加工，有效防止间断性进行半固态制浆及大塑性变形挤压加工所造成的半固态金属浆料表面二次氧化，进而造成的卷入性缺陷。

实施例2：

在实施例1的基础上，为了获得足够大的扭矩，进一步细化传动装置及第一驱动装置。

如图1和2所示，其中，所述搅拌桶10外壁与所述安装支架间还设有安装板3和第二轴承座22，所述安装板3与安装支架固连，安装板3设有通孔，所述搅拌桶10的出料口穿过所述通孔向下延伸，所述第二轴承座22固定安装于安装板3上表面通孔处，所述搅拌桶10外壁固连有凸缘，所述凸缘通过所述第一轴承2与第二轴承座22连接。

如图1和2所示，其中，所述第一驱动装置包括传动轴4和动力源，所述传动轴4通过第二轴承连接于所述安装支架一侧，传动轴4一端通过第一齿轮与动力源齿接，所述动力源与电源模块电连接，搅拌桶10外壁还固连有盘齿轮，所述盘齿轮通过第二齿轮与传动轴4另一端齿接。

动力源通过第一齿轮驱动传动轴4，传动轴4通过第二齿轮和盘齿轮驱动搅拌桶10转动，安装支架通过安装板3支撑第二轴承座22，第二轴承座22通过第一轴承2支撑搅拌桶10。通过齿轮传动，能够传输足够大的扭矩，还能提升传动效率和响应速度。

实施例3：

在实施例2的基础上，由于平衡传动轴4在传动过程中会对搅拌桶10施加水平方向的单侧压力，为了防止旋转搅拌桶10在单侧压力下造成震动。

如图1和2所示，其中，所述第一驱动装置还包括同步轴5，所述同步轴5一端通过第四齿轮齿接于盘齿轮与第二齿轮相对的一侧处，同步轴5轴身通过第三轴承连接于安装支架与传动轴4相对的一侧处。

由于同步轴5固连在安装支架上与传动轴4相对的一侧，因此同步轴5通过第四齿轮齿对搅拌桶10起到支撑作用，以平衡传动轴4在传动过程中对搅拌桶10施加的水平方向的单侧压力，从而能够防止旋转搅拌桶10在单侧压力下造成震动。

作为一种优选方案，如图1和2所示，其中，所述流变制浆机构还包括轴承保护套21和防护网罩1，所述轴承保护套21边缘扣接在所述第二轴承座22上，所述搅拌桶10外壁的凸缘和所述第一轴承2设于轴承保护套21之内，所述防护网罩1固连于轴承保护套21上表面，所述搅拌桶10设于防护网罩1之内。轴承保护套21和防护网罩1能够对操作者起到很好的保护作用。

作为一种优选方案，如图1和2所示，其中，所述搅拌桶10外壁还固连有导风罩7。通过导风罩7能更高效将气流导向之搅拌桶10外壁，从而提升搅拌桶10桶壁的散热效率。

作为一种优选方案，如图1和2所示，其中，所述盘齿轮为人字齿或斜齿盘齿轮。人字齿或斜齿盘齿轮传动更为稳定，能有效防止搅拌桶10上下窜动。

作为一种优选方案，如图1和2所示，其中，所述第一轴承2能够承受轴向力和径向力。能够同时承受轴向力和径向力的第一轴承2能防止搅拌桶10转动时发生振动。

作为一种优选方案，如图3和4所示，其中，所述成型模具13的通料孔19，所述通料孔19设有拐角，通料孔19的入口至拐角处通道长40mm，拐角处至通料孔19的出口处通道长25mm，两通道间夹角为130°。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。