一种半固态浆料制浆头的制作方法

技术领域

本发明涉及一种半固态浆料制浆头。

背景技术：

半固态金属成形技术是一种介于固态成形与液态成形之间的金属成形技术，其具有液态成形流动应力低，成形速度快，可成形复杂形状零部件的优点，目前受到学术界、制造业等领域广泛的关注和研究。而半固态金属成形技术中，最关键的技术就在于如何制备性能优异的半固态浆料。

目前，半固态浆料在制备的过程中普遍采用方法是，先采用机械搅拌棒进行搅拌，然后再对搅拌棒进行冷却或者加入相同材料的固态材料。这样的制浆方式存在搅拌棒磨损快、成本高、搅拌时间长、冷却时间长等缺点，影响生产节拍与效率，处理后的金属液存在温度不均和晶体结构不均匀等缺陷，严重影响生产成本、生产效率及产品质量。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种新型制浆方式的半固态浆料制浆头。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种半固态浆料制浆头，所述制浆头包括用于插入待制备浆料中的制浆棒、设于所述制浆棒顶部的联接座，所述联接座与所述制浆棒之间形成封闭内腔，所述制浆棒的至少下部棒体上密布地设置有具有透气功能的微孔，所述联接座上或所述制浆棒的上部还开设有与所述封闭内腔相连通的介质入口。

优选地，所述制浆棒包括与所述联接座相连接的连接杆部、位于所述连接杆部下方的制浆杆部，所述制浆杆部上密布地设置有所述的微孔。

进一步地，所述制浆杆部由陶瓷、石墨、氮化硅、碳化硅材料或不锈钢材料制成。

优选地，所述制浆棒的下部还固定地设置有搅拌叶轮。

优选地，所述制浆头还包括固设于所述封闭内腔中的导流管，所述导流管的上部与所述介质入口相接且所述导流管向下伸入所述封闭内腔的下部。

进一步地，所述介质入口开设在所述联接座上，所述导流管的上部固定连接在所述联接座上并与所述介质入口相接。

优选地，所述介质入口处设有用于选择通入介质的控制阀，所述制浆棒的上部或所述联接座上还开设有与所述封闭内腔相连通的介质出口。

优选地，所述制浆棒的上部与所述联接座相对固定地设置，或者所述制浆棒可绕自身轴心线旋转地连接在所述联接座上。

优选地，所述制浆头还包括冷却环，所述冷却环固定地套设在所述联接座的外侧或所述制浆棒的上部外侧，所述冷却环上开设有用于对所述制浆棒的外侧周壁进行吹气冷却的环状吹气孔。

进一步地，所述冷却环套设在所述制浆棒的上部外侧并固定地位于所述联接座的下方，所述环状吹气孔的出风口朝向所述制浆棒的外侧周壁。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：采用本发明的半固态浆料制浆头进行制浆工作时，通过向制浆头的封闭内腔中持续通入如氮气的惰性气体，使得惰性气体经制浆棒上密布的微孔渗入浆料溶液中而与浆料溶液之间发生激烈碰撞反应并迅速带走热量，对金属溶液进行急冷，从而达到出渣、除气、细化和改变材料内部的晶体组织以及换热的效果，使得浆料内部的温度均匀及内部晶体组织更均匀，所制备的浆料经压铸后获得的产品金相组织更均匀，同时还可显著地缩短制浆时间，尤其适用于铝合金、镁合金、铝—镁合金溶液半固态制浆。

附图说明

附图1为本实施例的制浆头的结构示意图；

附图2为附图1的制浆头上搅拌叶轮的俯视图；

附图3为附图1的制浆头在冷却环通入冷却介质后的示意图；

附图4为本实施例的制浆机的整体结构示意图；

附图5为制浆头未制浆工作前铝合金溶液的金相图；

附图6为采用本实施例的制浆头进行制浆后铝合金溶液的金相图；

其中：10、制浆头；1、联接座；11、介质入口；12、介质出口；2、制浆棒；21、连接杆部；22、制浆杆部；22a、叶轮安装部；3、导流管；4、搅拌叶轮；41、叶片；5、冷却环；51、环状吹气孔；52、吹气介质入口；6、温度传感器；20、机座；201、底座；202、立柱；203、横梁、204、支座；205、调节座；206、第一手轮；207、第二手轮；30、支架；40、旋转马达（旋转驱动件）；50、气控系统；60、盛汤容器。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见图1、图3所示的半固态浆料制浆用制浆头10，包括用于插入待制备浆料中的制浆棒2、设于制浆棒2顶部的联接座1，联接座1与制浆棒2之间形成封闭内腔。具体地，制浆棒2具有开口朝上的中空内腔，联接座1设于制浆棒2的顶部并封闭其开口而使得联接座1与制浆棒2之间形成封闭内腔。

制浆棒2的至少下部棒体上密布地设置有具有透气功能的微孔，该微孔的孔径为0.5μm—25μm之间，孔隙率在45%-55%，这样可使得通入上述封闭内腔中具有一定压力的惰性气体能够经该微孔溢出，这样，当制浆头10插设在待制备浆料中进行制浆工作时，向上述封闭内腔中通入惰性气体时，该惰性气体可通过制浆棒2上的微孔均匀地渗入浆料溶液中而与之发生激烈的碰撞反应并迅速带走热量，对金属溶液进行急冷，从而达到出渣、除气、细化和改变材料内部的晶体组织以及换热的效果。

参见图1、图3所示，本实施例中，制浆棒2包括与联接座1相连接的连接杆部21、位于连接杆部21下方的制浆杆部22，制浆杆部22上密布地设置有上述的微孔结构。具体地，该制浆杆部22可采用陶瓷、石墨、氮化硅或碳化硅、不锈钢等材料制成，采用上述材料制作制浆杆部22时，分子间的间隙便形成了密布的毛细微孔结构而使得制浆杆部22具有透气功能。

连接杆部21此处采用不透气的材料制成，这样可在制浆过程中减少通入的惰性气体的损失。当然，在某些设置方式中，也可以将整个制浆棒2制成整体均具有毛细微孔结构的棒体。

参见图1、图3所示，联接座1上或者制浆棒2的上部还开设有与上述封闭内腔相连通的介质入口11与介质出口12，此处，介质入口11与介质出口12均开设在联接座1上。

介质入口11处通过电磁控制阀连接有惰性气体源与冷却介质源，通过电磁控制阀的工作状态切换而可选择地向制浆头10的封闭内腔中通入惰性气体或者冷却介质；介质出口12可打开或关闭。该制浆头10在制浆工作时，介质出口12关闭而介质出口11与惰性气体源相连通以持续地向封闭内腔中供入惰性气体；当制浆头10制浆结束后，介质出口12开启而介质入口11与冷却介质源相连通以向封闭内腔中供入冷却介质，以快速地对封闭内腔进行换热，使得制浆头10快速冷却，该冷却介质源优选地采用压缩空气。

参见图1、图3所示，该制浆头10还包括固设于封闭内腔中的导流管3，该导流管3的上部固定连接在联接座1上并与介质入口11相连接，该导流管3向下伸入封闭内腔的下部，这样，当向介质入口11通入惰性气体或其他介质时，通入的介质可经导流管3流入制浆棒2的下部从而使得通入的介质快速地在封闭内腔中均匀分布。

该制浆头10在插入待制备浆料中进行制浆操作时可同时进行搅拌操作，从而使得待制备浆料溶液内部的温度及晶体组织分布更均匀。参见图1、图3所示，该制浆头10还包括固定地设置在制浆棒2下部的搅拌叶轮4，该搅拌叶轮4的外侧周部上均匀间隔地设有多个叶片41，如图2所示。制浆棒2的制浆杆部22的下部还设有环状的叶轮安装部22a以用于安装该搅拌叶轮4。

该制浆头10还包括冷却环5，该冷却环5固定地套设在联接座1的外侧或制浆棒2的上部外侧，冷却环5上开设有用于对制浆棒2的外侧周壁进行吹气冷却的环状吹气孔51、与环状吹气孔51相连通的吹气介质入口52，在本实施例中，参见图1、图3所示，该冷却环5套设在制浆棒2的上部外侧并固定地位于联接座1的下方，环状吹气孔51的出风口朝向制浆棒2的外侧周壁。这样，在制浆头10完成制浆工作后，该可通过向环状吹气孔51中通入高压力冷气，以对制浆棒2的外侧周壁进行清理以及快速冷却。

该制浆头10上还设有用于对封闭内腔中环境温度进行检测的温度传感器6， 以使得制浆头10的封闭内腔中的环境温度控制在设定的温度范围内。

参见图4所示的制浆机，其包括机座20、设于机座20上的支架30，制浆头10安装在支架30上进行制浆使用。该制浆头10可以相对固定地设置在支架30上，也可以相对摆动或者绕自身轴心线旋转地设于支架30上，以在制浆的过程中同时进行搅拌操作。

在本实施例中，参见图4所示，制浆头10可绕自身轴心线旋转地设置在支架30上，该制浆机还包括用于驱使制浆头10绕自身轴心线旋转的旋转驱动件，此处，旋转驱动件采用的为设置在支架30上的变频马达40，其可根据需要来控制制浆头10按照预设的转速进行旋转搅拌。在其他某些实施例中，还可以将制浆棒2的上部与联接座1之间进行动密封连接，而后采用旋转驱动件直接驱使制浆棒2旋转，也可以实现如上述的搅拌操作。

参见图4所示，本实施例的机座20包括底座201、自底座201向上竖起且可进行高度调节的立柱202、通过调节座205位置可调地设于立柱202上部且沿水平方向延伸的横梁203、固设于横梁203一端的支座204，机座20上还设有用于调整立柱202高度的第一手轮206、用于调整横梁203水平位置的第二手轮207，以及用于调整横梁203相对立柱202旋转角度的第三手轮（图中未示出）。

支架30可沿竖直方向升降地设于支座204上，支架30与支座204之间设有升降驱动机构。具体地，支座204上设有沿上下方向延伸以提供支架30以上下滑动导向的导轨（图中未示出），升降驱动机构采用的为设于支座204与支架30之间的丝杠—螺母驱动机构，这样可实现制浆头10的精准升降。具体可将螺母固定在支架30上，螺杆可绕自身轴心线旋转地设于支座204上，采用电机驱使螺杆旋转便可使得螺母沿螺杆直线运动，从而使得支架30相对支座204上下升降。具体设置时，可将支架30设置为具有水平板部与竖直板部而呈L型的结构，制浆头10的联接座1安装在水平板部的底部，其竖直板部与支座204之间相对滑动连接。当然，上述的升降驱动机构也可以采用气缸、齿轮齿条等结构。

本实施例中，该制浆机还包括用于向介质入口11供入低温惰性气体的第一气源装置、用于向介质入口11供入换热用低温压缩空气的第二气源装置，惰性气体优选地采用氮气、氩气。机座20上还设有气控系统50以控制介质入口11、介质出口12的开闭状态、供气状态，以及吹气介质入口52的供气状态等。

以下以铝合金半固态铸造的制浆为例来说明本实施例的具体工作过程：

参见图4所示，盛汤容器60盛取铝合金浆料后移动至制浆头10的下方，制浆机启动且气控系统50先工作而使得制浆头10的封闭内腔内充盈具有一定压力的氮气，然后再驱使支架30沿支座204下降以使得制浆头10的下部插设在盛汤容器60的铝合金溶液中。在制浆的过程中，第一气源装置持续地向封闭内腔内通入低温氮气，同时变频马达40驱使制浆头10绕自身轴心线旋转以对铝合金溶液进行搅拌。这样通入封闭内腔中的氮气经制浆棒2棒体上的微孔可均匀地渗入浆料溶液中，而使得浆料中产生若干个微型气泡而与铝合金溶液发生激烈碰撞反应并迅速带走热量，对金属溶液进行急冷，从而使得盛汤容器60内浆料溶液的内部晶体结构发生从树枝状晶体组织（枝晶组织）到颗粒状球形晶体组织（非枝晶组织）的变化，如图5、图6所示，进而提高材料组织的机械强度和延伸率等综合机械性能，最终达到所需制浆的目的。同时，在制浆过程中制浆棒2实施的剧烈搅拌操作，还能够进一步剪切和打碎浆料的所有树枝晶体组织结构，从而形成球形初生晶粒的组织结构，这样能够进一步使得惰性气体在浆料中均匀混合，使得浆料溶液中的球形晶体组织结构和温度更加均匀，能够迅速降低浆料温度使制浆时间能大幅缩短，制备得到的浆料的性能更为理想。

在制浆完成后，支架30上升而使得制浆头10从浆料中提起，然后向冷却环5通入冷却用气体使得制浆头10的外壁快速降温，同时介质出口12打开并向介质入口11通入压缩空气，以对制浆头10的封闭内腔进行快速换热，这样可使得制浆头10整体快速降温冷却。盛汤容器60内的浆料则被送至压铸机进行压铸处理。

以铝合金牌号为375-T6的机箱产品为例，采用本实施例的制浆头与制浆方法来进行半固态成型，获取产品的抗拉强度≥260MPa，屈服强度≥214MPa，同时其延伸率能够达到8.2%以上，以及模具寿命为100000模次，成型过程中金属溶液保温用电能耗仅为11 KW/h，成型后的产品加工时切削加工量也仅为0.13kg左右。

而采用常规的压铸成型方式，获取的产品的抗拉强度仅能达到189 MPa，屈服强度为148MPa，延伸率为2.6%，模具寿命也仅为60000模次，成型过程中金属溶液保温用电能耗仅为22KW/h，成型后的产品加工时切削加工量达到0.48kg以上。

可见，本实施例采用的半固态压铸成型具有以下优点：

（1）便于成型，且成型速度快；

（2）成型时浆料不飞溅，提高了致密性，且减少了空气掺杂；

（3）不存在宏观偏析，提高了材料的综合机械性能；

（4）金属溶液保温温度低，节约了能源；

（5）在成型过程中可方便地加入增加相；

（6）便于实现高度自动化、提高生产率；

（7）改善环境、操作安全；

（8）显著地提高了成形件的质量与可靠性；

（9）半固态压铸件可以热处理（T5、T6）；

（10）半固态成型应力显著降低，大大减少对成形模具的热冲击，提高模具寿命；

（11）成形精度高，大幅度减少零件毛胚的加工量，减少成本。

综上，本发明的半固态浆料制浆头，其在制浆工作时，通过向制浆头10的封闭内腔中持续通入如氮气的惰性气体，使得惰性气体经制浆棒2上密布的微孔渗入浆料溶液中而与浆料溶液之间发生激烈碰撞反应与热交换，从而可达到出渣、除气、细化材料内部晶体结构及换热的效果，使得浆料内部的温度均匀及内部晶体组织更均匀，所制备的浆料经压铸后获得的产品金相组织更均匀。

该制浆头10结构简单，操作方便，其安装在制浆机上进行制浆使用时，制浆过程可实现自动化控制，具有过程短、速度快、周边配套设备少、能耗低等多重优点，尤其适用于铝合金、镁合金、铝—镁合金溶液半固态制浆。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。