专利名称：一种脉冲放电辅助压铸装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种放电等离子体压铸装置及方法，属于压铸技术领域。
背景技术：
随着科技的发展，人们对材料和能源的需求越来越大，一方面需要我们开发新能源和开采原材料，从可持续发展的角度，更需要从如何节约能源，和如何更充分利用原材料的角度来寻求新的解决办法。试想如果能够将用过的材料，例如铝做的可乐罐，加工后残留的切削屑，能够回收再利用，则能够有效应对以上问题。传统的压铸エ艺是采用熔化的金属在冲头的作用下进入型腔后凝固成形，对于废金属就需要重新熔化，这就会因其氧化和材料损失。同时压铸时，需要对熔体进行保温，这就需要消耗较多的能量，如果能够将废金属屑直接熔化或制成半固态压铸，则能够更大限度的利用材料。采用传统加热方式将金属屑加热，存在加热时间长，效率低，所制备材料致密度低，氧化严重等问题。这些金属屑如果重熔，由于具有较大的比表面积，在加热时会发生严重的氧化，一不利于合金成分的控制，会引入杂质，另外也造成了材料的浪费。脉冲放电过程除具有热压烧结的焦耳热和塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，并有效利用了粉体颗粒间放电产生的自发热作用。因而产生了一些脉冲放电过程所特有的有利于加热的现象。第一，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散。粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末的快速熔化；第三，On-Off快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的加热能够均匀化。然而对实际生产来说，由于脉冲放电时温度的不均匀分布，此外，由于该过程中加载的压カ为轴向单方向，或双方向压力，压カ不均匀，难以制备形状复杂的零部件，束缚了该技术的应用，需要对设备进行改迸，以消除烧结时样品中温度和压カ分布不均的现象；需要増加其多功能性和脉冲电流的容量，以满足制备大尺寸产品的需要；由于目前应用脉冲放电进行粉末烧结时受到压力，模具的限制，难于制备ー些大型，形状复杂材料；也需要研制比目前使用的模具材料石墨强度更高、重复使用率更好的新型模具材料，以提高模具的承载能力和降低模具的费用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有压铸技术能耗高、所制备材料致密度低、脉冲放电烧结技术中脉冲放电温度和压カ的不均匀导致不能制备复杂部件的问题，本发明提供了一种脉冲放电辅助压铸装置及方法。一种脉冲放电辅助压铸装置，它包括进料杆、料斗盖、料斗、石墨模具、石墨电极、辅助模具、模具、导管，所述的料斗盖与料斗为轴连接，所述的辅助模具设有腔体、出料口和进料ロ，在所述腔体内设置有石墨电极，所述石墨电极为带有通孔的平板结构，该石墨电极能够在腔体内上下移动，所述辅助模具的侧壁上固定有铜电极，该铜电极与石墨电极始終电连接，辅助模具固定在模具的进料ロー侧，且辅助模具的出料ロ与模具的进料ロ连通；所述导管的一端插入辅助模具的进料口内、且与辅助模具固定连接，所述导管的一端内壁上嵌入固定有圆筒形的石墨模具，该石墨模具沿导管轴向的长度为LI，导管的侧壁上固定有料斗，且料斗的底部与导管的内腔连通，该料斗临近辅助模具的一侧与该辅助模具之间的直线距离大于LI，所述进料杆的一端带有石墨压头，进料杆的另一端为铜电极，带有石墨压头的一端插入导管内，辅助模具的腔体与料斗的内腔通过真空管连通，模具的型腔、辅助模具的腔体、料斗的内腔与导管的内腔形成连通的空间。所述的石墨电极位于辅助模具的进料ロ与出料ロ之间，用于隔离所述进料口和出料ロ。所述的石墨电极的通孔位于辅助模具的进料ロ与出料ロ之间，使得辅助模具的进料ロ与出料ロ连通。所述辅助模具的进料ロ的内径小于出料ロ的内径。所述的石墨电极的通孔的两端分别与辅助模具的进料口和其出料ロ相対，且该通孔与进料ロ相邻的一端的内径与所述进料ロ的内径相同，该通孔与出料ロ相邻的一端的内径与所述出料ロ的内径相同。采用所述的脉冲放电辅助压铸装置实现压铸的方法，所述压铸的方法的过程为，首先使石墨电极的通孔位于辅助模具的进料ロ与出料ロ之间，使得石墨电极隔离辅助模具的进料口和出料ロ；通过料斗向导管的内腔添加物料，然后将料斗盖盖严，对模具的型腔、辅助模具的腔体、其出料ロ、料斗的内腔和导管的内腔组成的连通空间抽真空，使得真空达到0.1MPa 10_2Pa，此时，物料位于石墨压头、石墨模具和石墨电极形成的密闭空间中；在石墨模具、石墨电极和石墨压头间通脉冲电流，加热物料，当物料全部熔化后，保持电流不变，0 10分钟之后移动石墨电极，使石墨电极的通孔位于辅助模具的进料ロ与出料ロ之间，使得辅助模具的进料口和出料ロ连通；推动进料杆将熔融的金属液通过石墨电极的通孔以及辅助模具的出料孔进入到模具的型腔内，在推动进料杆的过程中控制进料杆的压力在0 200Mpa，等待模具的型腔内的熔融的金属液凝固后，完成压铸。所述脉冲电流的脉冲频率是5 200Hz，脉冲电流的电流大小是200 8000A的直流脉冲电。本发明是在传统压铸的基础上添加石星ホ旲具、石星电极、铜电极和石星压头进打脉冲放电。原料采用加工残余的金属屑，或废旧金属碎片，将物料放入料斗后，推入石墨模具中，抽真空，两端施加强脉冲电流使物料融化，然后将熔融金属挤压入模具型腔成型。本发明实现了压铸法节约能耗15% 30%，能制备复杂构件，制备的材料密度提高2% 10%、性能好。
图1是本发明所述的ー种脉冲放电辅助压铸装置的结构示意图；图2是具体实施方式
六所述的压铸方法进行对物料加热的过程中，物料加热时的状态不意图；图3是具体实施方式
六所述的压铸方法进行对物料加热后，将物料熔化后保持电流不变时的物料状态不意图；图4是具体实施方式
六所述的压铸方法将熔化后物料推入模具后固定成形时的物料状态示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一參见图1说明本实施方式，本实施方式所述的ー种脉冲放电辅助压铸装置，它包括进料杆1、料斗盖2、料斗3、石墨模具5、石墨电极6、辅助模具7、模具8、导管12，所述的料斗盖2与料斗3为轴连接，所述的辅助模具7设有腔体9、出料ロ 10和进 料ロ，在所述腔体9内设置有石墨电极6，所述石墨电极6为带有通孔的平板结构，该石墨电极6能够在腔体9内上下移动，所述辅助模具7的侧壁上固定有铜电极1-1，该铜电极1-1与石墨电极6始终电连接，辅助模具7固定在模具8的进料ロー侧，且辅助模具7的出料ロ10与模具8的进料ロ连通；所述导管12的一端插入辅助模具7的进料口内、且与辅助模具7固定连接，所述导管12的一端内壁上嵌入固定有圆筒形的石墨模具5，该石墨模具5沿导管12轴向的长度为LI，导管12的侧壁上固定有料斗3，且料斗3的底部与导管12的内腔连通，该料斗3临近辅助模具7的一侧与该辅助模具7之间的直线距离大于LI，所述进料杆I的一端带有石墨压头1-2,进料杆I的另一端为铜电极1-1，带有石墨压头1-2的一端插入导管12内，辅助模具7的腔体9与料斗3的内腔通过真空管连通，模具8的型腔、辅助模具7的腔体9、料斗3的内腔与导管12的内腔形成连通的空间。
具体实施方式
ニ 本实施方式与具体实施方式
一所述的ー种脉冲放电辅助压铸装置的区别在于，所述的石墨电极6位于辅助模具7的进料ロ与出料ロ 10之间，用于隔离所述进料口和出料ロ 10。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一所述的ー种脉冲放电辅助压铸装置的区别在于，所述的石墨电极6的通孔位于辅助模具7的进料ロ与出料ロ 10之间，使得辅助模具7的进料ロ与出料ロ 10连通。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一所述的ー种脉冲放电辅助压铸装置的区别在于，所述辅助模具7的进料ロ的内径小于出料ロ 10的内径。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
三所述的ー种脉冲放电辅助压铸装置的区别在于，所述的石墨电极6的通孔的两端分别与辅助模具7的进料口和其出料ロ 10相对，且该通孔与进料ロ相邻的一端的内径与所述进料ロ的内径相同，该通孔与出料ロ 10相邻的一端的内径与所述出料ロ 10的内径相同。
具体实施方式
六參见图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式
一所述的脉冲放电辅助压铸装置实现压铸的方法，所述压铸的方法的过程为，首先使所述的石墨电极6的通孔位于辅助模具7的进料ロ与出料ロ 10之间，使得石墨电极6隔离辅助模具7的进料口和出料ロ 10 ；通过料斗3向导管12的内腔添加物料，然后将料斗盖2盖严，对模具8的型腔、辅助模具7的腔体9、其出料ロ 10、料斗3的内腔和导管12的内腔组成的连通空间抽真空，使得真空达到0.1MPa 10_2Pa，此时，物料位于石墨压头1_2、石墨模具5和石墨电极6形成的密闭空间中；在石墨模具5、石墨电极6和石墨压头1-2间通脉冲电流，加热物料，当物料全部熔化后，保持电流不变，0 10分钟之后移动石墨电极6，使石墨电极6的通孔位于辅助模具7的进料ロ与出料ロ 10之间，使得辅助模具7的进料口和出料ロ 10连通；推动进料杆I将熔融的金属液通过石墨电极6的通孔以及辅助模具7的出料孔进入到模具8的型腔内，在推动进料杆I的过程中控制进料杆I的压カ在0 200Mpa，等待模具8的型腔内的熔融的金属液凝固后，完成压铸。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
六所述的ー种脉冲放电辅助压铸方法的区别在于，所述脉冲电流的脉冲频率是5 200Hz，脉冲电流的电流大小是200 8000A的直流脉冲电。本实施方式中，除了在石墨压头1-2间施加压カ外，还施加了直流脉冲放电，此过程中除了焦耳热和加压造成的塑性变形促进烧结过程外，还在粉末颗粒间产生直流脉冲电压，在脉冲电流作用下颗粒间产生放电，激发等离子体，通过有效利用粉体颗粒间放电产生的自发热作用，该装置产生了ー些特有的有利于粉末快速熔化的现象。第一，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下的要大得多，从而达到粉末快速熔化；第三，On-Off快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件，都会快速移动，使粉末的加热能够均匀化。使脉冲集中在晶粒结合处是直流脉冲电施加过程的ー个特点。直流脉冲电施加过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至I万度的局部高温，从而加速颗粒的熔化，综合来看，该装置的实施过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的結果。脉冲放电过程中，颗粒之间放电时，会瞬时产生高达几千度至I万度的局部高温，在颗粒表面引起蒸发和熔化；在颗粒接触点形成颈部，由于热量立即从发热中心传递到颗粒表面和向四周扩散，颈部快速冷却而使蒸汽压低于其他部位；晶粒受脉冲电流加热和垂直单向压力的作用、体扩散、晶界扩散都得到加强，加速了致密化过程。本发明将压铸技术和脉冲放电烧结技术相结合，利用脉冲放电使得金属屑快速加热达到熔化或半固态的状态，利用压铸技术将熔融或半固态的金属液加压成型。这样可以实现废物利用，例如加工后剰余的切削屑，使用后的金属，等作为原材料；实现节能减排，由于脉冲放电的效率高，可以降低金属熔化的能耗；制备性能优良的材料，由于脉冲放电所制备的材料具有组织均匀，晶粒细小从而使得材料的性能得到提高；制备结构复杂的零部件，脉冲放电烧结由于受到压カ和模具的限制不能制备复杂构件，但利用压铸可以将脉冲放电后的金属压カ下成型来制备复杂件，并实现连续生产。
权利要求
1.一种脉冲放电辅助压铸装置，其特征在于，它包括进料杆(I)、料斗盖(2)、料斗(3)、石墨模具(5)、石墨电极(6)、辅助模具(7)、模具(8)、导管(12)，所述的料斗盖⑵与料斗(3)为轴连接，所述的辅助模具(7)设有腔体(9)、出料口(10)和进料口，在所述腔体(9)内设置有石墨电极(6)，所述石墨电极(6)为带有通孔的平板结构，该石墨电极(6)能够在腔体(9)内上下移动，所述辅助模具(7)的侧壁上固定有铜电极(1-1)，该铜电极(1-1)与石墨电极(6)始终电连接，辅助模具(7)固定在模具(8)的进料口一侧，且辅助模具(7)的出料口(10)与模具(8)的进料口连通；所述导管(12)的一端插入辅助模具(7)的进料口内、且与辅助模具(7)固定连接，所述导管(12)的一端内壁上嵌入固定有圆筒形的石墨模具(5)，该石墨模具(5)沿导管(12)轴向的长度为LI，导管(12)的侧壁上固定有料斗(3)，且料斗(3)的底部与导管(12)的内腔连通，该料斗(3)临近辅助模具(7)的一侧与该辅助模具(7)之间的直线距离大于LI，所述进料杆(I)的一端带有石墨压头(1-2)，进料杆(I)的另一端为铜电极(1-1)，带有石墨压头(1-2)的一端插入导管(12)内，辅助模具(7)的腔体(9)与料斗(3)的内腔通过真空管连通，模具(8)的型腔、辅助模具(7)的腔体(9)、料斗(3)的内腔与导管(12)的内腔形成连通的空间。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲放电辅助压铸装置，其特征在于，所述的石墨电极(6)位于辅助模具(7)的进料口与出料口(10)之间，用于隔离所述进料口和出料口(10)。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲放电辅助压铸装置，其特征在于，所述的石墨电极(6)的通孔位于辅助模具(7)的进料口与出料口(10)之间，使得辅助模具(7)的进料口与出料口(10)连通。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲放电辅助压铸装置，其特征在于，所述辅助模具(7)的进料口的内径小于出料口(10)的内径。
5.根据权利要求3所述的一种脉冲放电辅助压铸装置，其特征在于，所述的石墨电极(6)的通孔的两端分别与辅助模具(7)的进料口和其出料口(10)相对，且该通孔与进料口相邻的一端的内径与所述进料口的内径相同，该通孔与出料口(10)相邻的一端的内径与所述出料口(10)的内径相同。
6.采用权利要求1所述的一种脉冲放电辅助压铸装置实现压铸的方法，其特征在于，所述压铸方法的过程为首先使所述的石墨电极(6)位于辅助模具(7)的进料口与出料口(10)之间，使得石墨电极(6)隔离辅助模具(7)的进料口和出料口(10)； 通过料斗(3)向导管(12)的内腔添加物料，然后将料斗盖(2)盖严，对模具(8)的型腔、辅助模具⑵的腔体(9)、其出料口(10)、料斗(3)的内腔和导管(12)的内腔组成的连通空间抽真空，使得真空达到O.1MPa 10_2Pa，此时，物料位于石墨压头(1_2)、石墨模具(5)和石墨电极(6)形成的密闭空间中； 在石墨模具(5)、石墨电极(6)和石墨压头(1-2)间通脉冲电流，加热物料，当物料全部熔化后，保持电流不变，O 10分钟之后移动石墨电极(6)，石墨电极(6)的通孔位于辅助模具⑵的进料口与出料口(10)之间，使得辅助模具(7)的进料口和出料口(10)连通； 推动进料杆(I)将熔融的金属液通过石墨电极(6)的通孔以及辅助模具(7)的出料孔进入到模具(8)的型腔内，在推动进料杆(I)的过程中控制进料杆(I)的压力在O 200Mpa，等待模具(8)的型腔内的熔融的金属液凝固后，完成压铸。
7.根据权利要求6所述的一种脉冲放电辅助压铸方法，其特征在于，所述脉冲电流的脉冲频率 是5 200Hz，脉冲电流的电流大小是200 8000A的直流脉冲电。
全文摘要
一种脉冲放电辅助压铸装置及方法，涉及一种放电等离子体压铸装置及方法，属于压铸技术领域；本发明的目的是为了解决现有压铸技术能耗高、所制备材料致密度低、脉冲放电烧结技术中脉冲放电温度和压力的不均匀导致不能制备复杂部件的问题；本发明包括进料杆、料斗盖、料斗、石墨模具、石墨电极、辅助模具、模具、导管，本发明是在传统压铸的基础上添加石墨模具、石墨电极、铜电极和石墨压头进行脉冲放电，原料采用加工残余的金属屑，或废旧金属碎片，将物料放入料斗后，推入石墨模具中，抽真空，两端施加强脉冲电流使物料融化，然后将熔融金属挤压入模具型腔成型；本发明主要应用在压铸技术领域中，有效利用废旧原料，以达到绿色环保的目的。
文档编号B22D17/04GK103008601SQ20131002504
公开日2013年4月3日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者曹国剑, 刘东戎, 张一思, 黄鹰航, 冯义成, 王丽萍, 郭二军 申请人:哈尔滨理工大学