连续制备金属粉末半固态浆料的制造设备的制作方法

[0001]
本发明涉及固态浆料成形领域，具体地涉及一种连续制备金属粉末半固态浆料的制造设备。


背景技术：

[0002]
固态成形的零件使用性能好，但需要较多加工工序，且受到加工设备的限制，只能生产形状不太复杂的零件；液态成形时，生产复杂的零件只需要较少的工序，但其使用性能却不如固相成形的零件可靠，且难以避免铸造缺陷。半固态成形技术兼有液态和固态金属成形的优良特性，而半固态粉末成形同时具有粉末冶金和半固态成形的优点，打破了传统的枝晶凝固模式，其所制备的成品材料具有晶粒微小、尺寸均匀、变形抗力小、成形工艺流程短等显著优点。作为一种先进的金属加工方法，半固态加工技术可以制造复杂的零件，而且其使用性能可以和锻造零件相媲美。金属材料在半固态状态下就像触变的流体，具有粘塑性特征。在无剪切应力作用时，浆料近似于固体；但在剪切应力作用时，浆料粘度开始降低，具有剪切稀化效应。因此制备半固态组织的关键是获取球形或近球形、均匀分布于液相中的固相颗粒浆料。


技术实现要素：

[0003]
为了克服现有的传统半固态成形技术的局限，提高半固态成形技术从浆料的制备和生产加工成具体产品的效率，本专利提供一种金属粉末半固态浆料连续制备设备，其能够生产出晶粒度小、晶粒分布均匀和固相分数可控的高质量半固态浆料，并且可以在制备好浆料的第一时间通过自带的传送结构送入加工成形设备中，使得从半固态浆料的制备和成形一步到位，并且半固态浆料的制备是连续的，保证了成形加工设备的高效率生产。
[0004]
具体地，本发明提供一种连续制备金属粉末半固态浆料的制造设备，其包括机架、花键电机、第一液压缸、过渡轴、变螺距螺杆、浆料制备筒、直角转接筒、半固态浆料储备缸、电磁加热搅拌器以及第二液压缸；
[0005]
所述花键电机、第一液压缸以及过渡轴借助于固定支架固定在机架上，所述花键电机的输出轴借助于过渡轴和第一液压缸的双头活塞连接所述变螺距螺杆的第一端，所述变螺距螺杆的第二端的外部设置所述浆料制备筒，所述浆料制备筒的第二端借助于所述直角转接筒连接所述半固态浆料储备缸的入口端，所述半固态浆料储备缸连通用于二次搅拌并保温的电磁加热搅拌器的第一端，所述电磁加热搅拌器的第二端连接第二液压缸的活塞，所述半固态浆料储备缸的出口端连接成形加工设备，所述半固态浆料储备缸的出口端设置有阻止浆料流出的金属熔体轴向阀；
[0006]
双头活塞为空心结构，双头活塞的两端伸出第一液压缸，双头活塞的两端加工有用于安装活塞端盖的外螺纹，所述过渡轴为中间部分粗两端细的阶梯轴，所述过渡轴的第一端设置有用于借助刚性联轴器与变螺距螺杆连接的销钉孔，所述过渡轴的第二端设置有用于与花键电机连接传递扭矩的花键，所述过渡轴安装在第一液压缸的双头活塞内，所述
过渡轴的两端分别安装有角接触球轴承，并在活塞端盖的作用下限定其相对于双头活塞的轴向移动自由度；
[0007]
所述浆料制备筒靠近第一端的外壁上设置有一个用于安装金属粉末料斗的空心的第一圆柱凸台，所述浆料制备筒第一端与空心端盖螺纹连接起到封闭作用，浆料制备筒第二端设置有一个曲面和圆柱面相结合的第二圆柱凸台，第二圆柱凸台与直角转接筒螺纹连接，所述浆料制备筒的外壁上均匀包覆有用来控制粉末温度和固液状态的电磁加热搅拌器；
[0008]
所述变螺距螺杆外圈设置有螺纹段，所述螺纹段的前段、中段以及后段分别设置有螺距不同的螺纹，螺距不同的螺纹用于给处于不同融化阶段的金属粉末施加不同程度的搅拌并完成输送功能，所述变螺距螺杆的第一端设置有与刚性联轴器连接的销孔，所述变螺距螺杆的第二端设置有锥形头，所述锥形头上开设有用于挤出浆料的槽，所述锥形头和螺纹段之间设置有一个台阶，所述台阶整体为锥形，台阶靠近锥形头的部分为圆柱结构，台阶靠近螺纹段的部分为锥面，所述变螺距螺杆安装有防止浆料回流的止回阀；所述止回阀为圆柱结构，所述止回阀的第一端设置有与变螺距螺杆的台阶的锥面配合的锥形孔，所述止回阀的第二端设置有圆孔，圆孔直径大于变螺距螺杆台阶圆柱结构的直径，从而使浆料向变螺距螺杆锥形头方向输送时推动止回阀向前通过锥形头周向的槽流出，而当浆料储备缸的活塞推动浆料流向成形加工设备时，止回阀反向移动，止回阀的锥形孔与变螺距螺杆的锥形台阶接触进而限制浆料的回流；
[0009]
在生产时，金属粉末由金属粉末料斗进入浆料制备筒并在电磁加热搅拌器的作用下融化，处于不同融化阶段的金属粉末施加不同程度的搅拌并完成输送，一边熔化一边搅拌的金属粉末开始变成半固态并在变螺距螺杆螺纹的作用下输送到直角转接筒的第一端，此时改变第一液压缸内的油压推动双头活塞沿轴向移动进而推动变螺距螺杆并结合在变螺距螺杆锥形头端安装的止回阀将半固态浆料从直角转接筒的第一端推入半固态浆料储备缸，止回阀阻止浆料回流入浆料制备筒，金属熔体轴向阀阻止浆料流出半固态浆料储备缸，电磁加热搅拌器以半固态温度区间内的一定温度搅拌，经过一定时间搅拌后开始保温使浆料的组织均匀结晶，最后，改变第二液压缸的油压使第二液压缸提供的压力大于金属熔体轴向阀的阻力，推动第二液压缸的活塞将半固态浆料经过金属熔体轴向阀进入成形加工设备。
[0010]
优选地，所述直角转接筒的第一端设置有锥面和圆柱面相结合的凸台，凸台周向设置有等距分布的用于将直角转接筒与浆料制备筒连接的螺孔，凸台的内部靠近端面部分为圆柱孔，圆柱孔的直径等于浆料制备筒的内径，与圆柱孔相邻部分为与变螺距螺杆锥形头尺寸一致的锥孔，直角转接筒内部设置有多个与锥孔连接的圆形流道孔，直角转接筒的第二端设置有一个圆台，所述圆台轴向分布有四个用于与浆料储备缸连接的螺孔。
[0011]
优选地，所述半固态浆料储备缸的内部是用于储放半固态浆料的空心结构，所述半固态浆料储备缸的出口端设置有一个圆柱凸台，所述圆柱凸台的内部为与缸体内部连通的圆孔，圆柱凸台在上部以及两个侧部设置有分别与金属熔体止回阀连接、与直角转接筒连接以及与浆料储备缸端盖连接的螺纹孔；
[0012]
所述浆料储备缸的内部安装有活塞，活塞的推杆部分的端部设置有一个与第二液压缸的活塞螺纹连接的圆柱凸台。
[0013]
优选地，所述金属熔体轴向阀包括阀门外壳、滚珠花键套、花键塞、阀门入口挡套、导向杆以及弹簧；
[0014]
所述阀门外壳的两端各自设置有一个圆柱凸台，圆柱凸台的轴向设置有等距分布的螺纹孔，圆柱凸台的一端与浆料储备缸相连接，圆柱凸台的第二端将半固态浆料输送到成形加工设备的管道相连接；阀门外壳的第一端内部设置有三个周向分布的矩形支撑杆，三个矩形支撑杆相交于阀门外壳的圆心，圆心相交位置设置有一个第三圆柱凸台，第三圆柱凸台内部是一个贯穿的螺纹孔；
[0015]
所述滚珠花键套的内部周向设置有三个花键，滚珠花键套的一端内部底部设置有一个用于限定弹簧摆动的圆形凹槽，所述滚珠花键套的外底面设置有一个外部是螺纹结构且内部空心贯穿花键套的螺杆，所述螺杆与所述阀门外壳的第三圆柱凸台配合连接，第三圆柱凸台的两侧各安装一个螺母于花键套的凸台螺杆上，所述螺母用于定位所述螺杆与阀门外壳三个支撑杆上的圆柱凸台的相对位置，从而通过改变弹簧的弹力大小来改变花键塞的阻力；
[0016]
所述花键塞的主体结构是花键轴，所述花键塞的第一端为曲面和圆柱面形状组合而成凸台，所述花键塞的第二端的中心部位设置有用于安装导向杆的螺纹孔，并设置有一个带凹槽的用于限定弹簧摆动的凸台；
[0017]
所述阀门入口挡套的的第一端为凸出的薄挡圈，薄挡圈周向分布等距的螺纹孔，安装于阀门外壳上，底部设置有一个空心的用于与花键塞配合控制浆料的进出的曲面凹槽；
[0018]
所述导向杆的第一端设置有与花键塞的螺纹孔配合的外螺纹，所述导向杆的第二端安装时插入花键套的螺纹杆内部，导向杆的轴向安装有具有一定弹性系数的弹簧，当阀门工作时浆料的压力足够时流进阀门入口压缩花键塞，花键塞沿着轴向在花键套内压缩弹簧，进而实现浆料的流出，当浆料压力不够时弹簧向恢复原状的方向运动推动花键塞使阀门关闭；调节花键套上的螺杆及其上装配的两个螺母能够改变相对于阀门外壳三个支撑杆上的圆柱凸台的相对位置，进而可以改变阀门对浆料的阻力。
[0019]
优选地，所述花键的两端封闭中间由保持架固定，并且由连续的滚珠组成。
[0020]
优选地，所述浆料制备筒第一端的周向上以及第二圆柱凸台的周向上均设置有等距分布的螺纹孔。
[0021]
优选地，所述电磁加热搅拌器的加热温度根据具体金属粉末的热力学参数决定。
[0022]
与现有技术相比，本发明的效果如下：
[0023]
(1)本发明的半固态浆料的质量受固相分数、晶粒度、晶粒的形状等影响，直接决定着生产出的产品性能的高低。传统的半固态成形技术需要先生产半固态坯料然后再运送去二次加热后才送入成形加工设备制造产品，这大大降低了半固态成形技术的生产效率。连续制备高质量的金属粉末半固态浆料，并将生产的浆料及时送入成形加工设备提高生产率是本发明专利主要解决的技术问题。
[0024]
(2)本发明的第一道工序为利用变螺距螺杆和浆料筒外围的电磁加热搅拌器对金属粉末充分均匀搅拌加热，实现半固态浆料的第一次搅拌加热。经过第一道工序后，进入第二道工序，浆料被挤入配备有电磁加热搅拌器的浆料储备缸对浆料进行二次搅拌和一定时间的保温，半固态浆料内部的枝晶在第二道工序中会被球化成均匀分布的球状晶，最后利
用金属熔体轴向阀和液压缸将浆料送入成形加工设备。
附图说明
[0025]
图1是本发明的整体结构示意图；
[0026]
图2是本发明的第一液压缸及其配件的爆炸图；
[0027]
图3是本发明的变螺距螺杆的立体结构示意图；
[0028]
图4a是本发明的浆料制备筒及其配件的结构示意图；
[0029]
图4b是图4a的a-a剖视图；
[0030]
图5是本发明的浆料制备筒的半剖示意图；
[0031]
图6是本发明的半固态浆料二次搅拌保温部件装配体的轴侧图；
[0032]
图7是本发明的金属熔体轴向阀的爆炸视图；
[0033]
图8是本发明的金属熔体轴向阀的半剖轴侧图。
具体实施方式
[0034]
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0035]
图1是本发明的整体结构示意图，其主要包括两个部分，第一部分包括花键电机7、第一液压缸5以及与双头活塞18配合的过渡轴6、变螺距螺杆2以及与螺杆配合的止回阀19、浆料制备筒1以及外壁的电磁加热搅拌器9和粉末供料漏斗8。第二部分包括第二液压缸16、半固态浆料储备缸12、活塞14、电磁加热搅拌器13和金属熔体轴向阀11。两个部分借助于机架17进行安装并借助于直角转接筒10将半固态浆料从第一部分的浆料制备筒1转移到第二部分的半固态浆料储备缸12。花键电机7、第一液压缸5以及与双头活塞18配合的过渡轴6借助于一个支架进行安装，支架包括竖直部和横向的支板，竖直部通过螺栓固定在机架17上，花键电机7、第一液压缸5以及与双头活塞18配合的过渡轴6放置在横板上。
[0036]
图2是第一液压缸及其配件的爆炸图的爆炸图，此结构用于提供变螺距螺杆向前的推力，包括第一液压缸5、双头活塞18、角接触球轴承27、双头活塞端盖4和装配于双头活塞孔内的过渡轴6。双头活塞是空心的两端伸出液压缸，两端加工有外螺纹用于安装双头活塞端盖。过渡轴是中间部分粗两端细的阶梯轴，一端设计有销钉孔用于借助刚性联轴器与变螺距螺杆连接，另一端设计有花键用于与花键电机7连接传递扭矩。过渡轴6装在双头液压缸活塞内，两端装有角接触球轴承27，并在双头活塞端盖4的作用下限定其相对于双头活塞18的轴向移动自由度，这样的设计能够让液压缸提供给活塞的轴向力使活塞、过渡轴和与过渡轴配合的变螺距螺杆都能轴向移动进而推动半固态粉末，且当花键电机7提供扭矩时带动过渡轴6和变螺距螺杆2转动而双头活塞18不转动。
[0037]
图3是变螺距螺杆2的结构示意图，图4a和图4b是浆料制备筒的结构示意图及剖面图，半固态浆料的前期制备主要依赖于与过渡轴6通过刚性联轴器3连接的变螺距螺杆2，变螺距螺杆2的外圈加工有在前段、中段和后段螺距各不相同的螺纹200，用于给处于不同融化阶段的金属粉末施加不同程度的搅拌并完成输送功能，变螺距螺杆2一端加工有销孔用于与刚性联轴器3装配，另一端设计有锥形头201，锥形头201上设计有四个槽202用于挤出浆料，锥形头和螺纹之间设计有一个台阶203，台阶靠近锥形头的部分为圆柱形，靠近螺纹部分为锥面，用于安装止回阀19使得浆料在向下层结构挤出和浆料储备缸向加工成形设备
输出浆料时不回流。与变螺距螺杆2相配合的止回阀19外形是圆柱结构，一端设计有锥形孔与变螺距螺杆的锥形台阶配合，另一端设计有圆孔直径大于变螺距螺杆2的圆柱台阶，且略大与变螺距螺杆2锥形头底面直径，这种止回阀19的结构使得当浆料向变螺距螺杆2锥形头方向输送时推动止回阀19向前通过锥形头周向的开孔流出，而当浆料储备缸12的活塞推动浆料流向成形加工设备时，止回阀19右移，其锥形孔与变螺距螺杆2的锥形台阶接触进而限制浆料的回流。
[0038]
图5为浆料制备筒的半剖轴侧图，浆料制备筒1安装于变螺距螺杆2外，其材料应当具有较好的耐高温强度，可选用耐高温钢h11、h13、h21或陶瓷材料等。靠近右端面部位的外壁上设计有一个空心的圆柱凸台，用于安装金属粉末料斗8，右端面周向设计有等距分布的螺纹孔，与空心端盖15连接起到封闭作用。左端设计有一个曲面和圆柱面相结合的凸台，圆柱凸台直径较大并在周向设计有等距分布的螺孔，用于与将半固态浆料转移到下部储备缸的直角转接筒10连接。浆料制备筒1的外壁上均匀布置了电磁加热搅拌器9用来控制伴随变螺距螺杆2搅拌运输的粉末的温度和固液状态。与浆料制备筒1相连接的直角转接筒10的一端设计有锥面和圆柱面相结合的凸台，圆柱凸台周向设计有等距分布的螺孔用于将其与浆料制备筒1连接，凸台的内部靠近端面部分为圆柱孔，直径等于浆料制备筒1的内径，与其相邻部分为与变螺距螺杆2锥形头尺寸一致的锥孔，浆料转接头的其余内部结构都是一定尺寸的圆形流道孔。直角转接筒10的另一端设计有一个圆台，轴向分布有四个螺孔，用于与浆料储备缸12连接。
[0039]
图6为半固态浆料二次搅拌保温部件装配体轴侧图，半固态浆料储备缸12的内部是空心结构用于储放半固态浆料，其一端设计有一个圆柱凸台，内部是圆孔与缸体内部连通，其周向等距分布有螺纹孔用于与金属熔体止回阀连接，靠近左端面的缸体外壁设计有一个圆柱凸台，其内部是圆孔与缸体内部连通，周向等距分布有螺纹孔用于与直角转接筒10连接。右端面周向设计有螺纹孔与同样在周向设计有螺纹孔中心是圆柱孔的浆料储备缸端盖19与止回阀连接。浆料储备缸的内部安装有活塞，活塞的推杆部分的端部设计有一个圆柱凸台，凸台的内部设计有螺纹孔，用于与推动浆料储备缸活塞的液压缸活塞相连接，进而在液压缸活塞的作用下推动浆料储备缸活塞将半固态浆料挤出到半固态成形加工设备。半固态浆料储备缸12的外部安装有电磁加热搅拌器13，用于二次搅拌经由变螺距螺杆2加热搅拌后的半固态浆料，充分打碎枝状晶体，并通过提供热源给半固态浆料储备缸12对半固态浆料进行适当的保温。
[0040]
图7为金属熔体轴向阀装配体的爆炸视图，图8为金属熔体轴向阀11的半剖轴侧图，金属熔体轴向阀11包括阀门外壳20、滚珠花键套25、花键塞22、阀门入口挡套21、导向杆23和弹簧24。阀门外壳20的两端各设计有一个圆柱凸台，凸台的轴向设计有等距分布的螺纹孔，凸台的第一端与半固态浆料储备缸12相连接，其第第二端与将半固态浆料输送到最终成形设备的管道相连接。阀门外壳20的一端内部设计有三个周向分布的矩形支撑杆，三个支撑杆相交于阀门外壳20的圆心，并在圆心相交部分设计有一个圆柱凸台，凸台内部是一个贯穿的螺纹孔。滚珠花键套25的内部周向是三个花键251，花键的两端封闭中间由保持架固定，并且由连续的滚珠组成，滚珠花键套25的另一端内部底面设计有一个圆形凹槽用于用于限定弹簧的摆动，外底面设计有一个外部是螺纹结构、内部空心贯穿滚珠花键套的螺杆26，此部分与阀门外壳20三个支撑杆上的圆柱凸台配合连接，阀门外壳20三个支撑杆
上的圆柱凸台的两侧各安装一个螺母于滚珠花键套的凸台螺杆上，用于定位螺杆与阀门外壳20三个支撑杆上的圆柱凸台的相对位置，从而通过改变弹簧的弹力大小来改变花键塞22的阻力。花键塞22的主体结构是花键轴，花键轴的第一端设计有曲面和圆柱面形状组合而成凸台，其第二端的中心部位设计有螺纹孔用于安装导向杆，并有一个带凹槽的凸台用于限定弹簧的摆动。阀门入口挡套21的一端设计有凸出的薄挡圈，周向分布等距的螺纹孔，安装于阀门外壳上，底部设计有一个空心的曲面凹槽，用于与花键塞22配合控制浆料的进出，是阀门的入口。导向杆的第一端设计有外螺纹与花键塞22的螺纹孔配合，导向杆的第二端安装时插入滚珠花键套的螺纹杆内部，导向杆的轴向装配具有一定弹性系数的弹簧，当阀门工作时浆料的压力足够时流进阀门入口压缩花键塞22，花键塞沿着轴向在花键套内压缩弹簧，进而实现浆料的流出，当浆料压力不够时弹簧向恢复原状的方向运动推动花键塞使阀门关闭。调节花键套上的螺杆及其上装配的两个螺母可以改变相对于阀门外壳三个支撑杆上的圆柱凸台的相对位置，进而可以改变阀门对浆料的阻力。
[0041]
下面对本发明的工作原理做进一步说明：
[0042]
金属粉末由粉末供料漏斗8进入浆料制备筒1，电磁加热搅拌器9加热内部的粉末同时花键电机7以一定的速度转动(具体加热温度和电机转速视具体的金属粉末的性能而定)，连接花键电机输出端并贯穿于双头活塞18的过渡轴6在电机驱动下转动，并带动变螺距螺杆2转动双头活塞和过渡轴6及其上的零部件。这种结构的设计和布置使得双头活塞不转动不会影响第一液压缸5内部的油压，利用变螺距螺杆2的外圈加工的前、中和后端螺距各不相同的螺纹，给处于不同融化阶段的金属粉末施加不同程度的搅拌并完成输送功能，一边熔化一边搅拌的金属粉末开始变成半固态，并在变螺距螺杆螺纹的作用下输送到直角转接筒10的前端，此时改变第一液压缸5内的油压推动双头活塞18沿轴向移动，进而推动变螺距螺杆2并结合在变螺距螺杆2锥形头端安装的止回阀19，将半固态浆料从直角转接筒10的前端推入半固态浆料储备缸12，止回阀19可以阻止浆料回流入浆料制备筒1，金属熔体轴向阀11利用其内部的机械阻力阻止浆料流出浆料储备缸12，电磁加热搅拌器13开始以一定温度搅拌，经过一定时间搅拌后开始保温使浆料的组织均匀结晶。最后，改变第二液压缸16的油压使其提供的压力大于金属熔体轴向阀11的阻力，推动活塞14将半固态浆料经过金属熔体轴向阀11推出到具体的半固态成形加工设备。
[0043]
在具体制备过程中，不同的金属粉末具有不同的固液相线，同系合金因为一种或几种组元的百分比的变化都会导致固液相线的显著变化，金属粉末半固态浆料制备设备的加热温度、保温时间和螺杆的推动力及搅拌力都应根据不同金属粉末的固液相线、半固态温度区间和不同温度时的液相粘度等物化性质和热力学参数共同决定，应结合不同金属粉末材料在实际加工实验的工艺性能来设定该设备具体的制备参数，因该专利是结构设计专利，对具体的工艺性能参数需要将该设备制造出来后详细研究。
[0044]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。