專利名稱：半固態(tài)合金射注成型方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半固態(tài)金屬材料射注成型方法和設(shè)備，其特征是不需要常規(guī)的擠壓套筒或活塞而是利用一根無枝晶合金原料棒將由其自身端部轉(zhuǎn)化而成的半固態(tài)合金漿料射注到一模腔內(nèi)。
背景技術(shù)：
射注成型是一種新的金屬成型技術(shù)；其工藝過程是先將合金原料轉(zhuǎn)化成一種在連續(xù)液相金屬中彌散著球形金屬顆粒的半固態(tài)漿料，然后再將此漿料射注到一模腔內(nèi)。與傳統(tǒng)的高壓壓鑄工藝相比，經(jīng)射注成型的零件具有如下的優(yōu)點(diǎn)1)無氣孔，因?yàn)榘牍虘B(tài)漿料具有非牛頓粘性(即粘性與切變速率成反比)；2)收縮率小，因?yàn)闈{料中含有固相成分且充模溫度較低。由於半固態(tài)漿料的腐蝕性要比液態(tài)金屬小，射注成型還可以增加諸如模具，活塞，和套筒等工具部件的使用壽命。一般來說，射注成型要比傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)更適用于制造具有更高強(qiáng)度，更好韌性和更高尺寸精度的優(yōu)質(zhì)模鑄件。近年來，射注成型已經(jīng)在多種工業(yè)部門中獲得日益廣泛的應(yīng)用，特別是用來制造各類鎂合金制品。事實(shí)上，美國金屬協(xié)會(huì)已于最近將射注成型技術(shù)列為制造鎂合金制品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一(R.D.Carnahan，“ThixotropicMoldingSemisolid Injection Molding of Magnesium Alloys”，Magnesium and MagnesiumAlloys，ASM Specialty Handbook，Eds.M.M.Avedesiam and H.Baker，ASMInternational，pp.90-97，1999)。
在本發(fā)明之前，射注成型是借助于一種在美國專利號(hào)5040589中所描述的與普通尼龍注塑機(jī)結(jié)構(gòu)相類似的設(shè)備來完成的。在此工藝過程中，屑狀原料被投放到一內(nèi)部安裝有一旋轉(zhuǎn)螺桿的外熱式套筒中并在那里被加熱到其固相線和液相線之間的某一溫度。處于半融狀態(tài)的原料在被旋轉(zhuǎn)螺桿邊攪拌邊推進(jìn)的同時(shí)也被轉(zhuǎn)化為含有退化樹枝晶粒的半固態(tài)漿料并被收集在射注噴嘴和螺桿頂端之間的空間內(nèi)。當(dāng)收集的漿料足夠多時(shí)，螺桿被快速推進(jìn)并將漿料射注進(jìn)一模腔內(nèi)。
盡管現(xiàn)有的射注成型方法和設(shè)備已被成功地使用著，它們還是具有下述的不足和缺陷1.成本昂貴的螺桿和套筒。螺桿和套筒必須要使用昂貴的合金材料來制造才能承受所處的嚴(yán)酷工作條件-半固態(tài)漿料的腐蝕，高操作溫度，高射注壓力，高磨損，和熱及機(jī)械疲勞等。例如，射注鎂合金要使用馬氏體時(shí)效鋼和鈷基合金(美國專利號(hào)5996679)；射注鋁或鋅合金要使用鈮基合金(美國專利號(hào)5819839)。這些合金材料的加工性亦都很差(美國專利號(hào)5996679)。所有這些都意味著傳統(tǒng)射注機(jī)上的螺桿和套筒會(huì)顯著增加設(shè)備成本。同時(shí)，因?yàn)槟p導(dǎo)致的螺桿定期更換也增加了設(shè)備的維護(hù)成本。據(jù)美國專利號(hào)6059012披露，一枝裝有鈷基內(nèi)襯的鎳基合金制600噸套筒的材料成本就高達(dá)150,000美元。
2.螺桿的使用不僅提高了設(shè)備的制造和維護(hù)成本，而且會(huì)造成漿料回漏等工藝問題。美國專利號(hào)6474399指出，在高射注壓力的作用下，半固態(tài)漿料可以通過套筒內(nèi)壁和螺桿之間的間隙回漏到螺桿軸套，甚至螺桿的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處，對(duì)其造成侵蝕破壞。
3.變換加工合金種類時(shí)必須打開和清洗套筒。這對(duì)鎂合金的加工來說是不安全的，因?yàn)殒V合金半固態(tài)漿料暴露在空氣中時(shí)會(huì)燃燒或爆炸。
4.套筒內(nèi)需要使用保護(hù)氣體來防止?jié){料氧化。但射注過程中此氣體卻可能會(huì)被包裹到模鑄件中而成為氣孔的來源(美國專利號(hào)5501266)。
5.半固態(tài)漿料是直接由枝晶屑料生成的(也稱“一步”法，參見美國專利號(hào)4694882)。但是在攪拌不足，屑料中的枝晶太過完整，或漿料中的固相成分太高的情況下，枝晶可能會(huì)退化的不充分。這會(huì)導(dǎo)致在模鑄件中，特別是在薄壁件中，生成縮孔缺陷。
除了傳統(tǒng)射注機(jī)所采用的一步法外，半固態(tài)槳料也可以通過另一所謂的“兩步”法來獲得。此方法涉及到先制備一非枝晶(觸變)合金，然后將其加熱到其固相線和液相線之間的某一溫度來直接轉(zhuǎn)化為半固態(tài)漿料而無需經(jīng)過機(jī)械攪拌(Flemings，M.C.，Riek，R.G.andYoung，K.P.，“Rheocasting”，Materials Science and Engineering，vol.25，pp.103-117，1976)。兩步法已被廣泛地應(yīng)用在觸變鑄造(thixocasting)工藝中。
有兩種方法可以被用來制備兩步法所需用的非枝晶(觸變)合金。第一種是美國專利號(hào)3902544，3948650，3954455，4229210和4310352所給出的劇烈攪動(dòng)法，即在凝固過程中對(duì)處于半固態(tài)狀態(tài)的合金施以劇烈的力學(xué)或電磁攪拌來阻止樹枝狀晶粒的生長。第二種是美國專利號(hào)4415374，5133811和6120625所給出的變形誘發(fā)和熔化激活法(SIMA)，即使用劇烈變形和隨后的再結(jié)晶來消除合金中原存的樹枝狀組織結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是克服傳統(tǒng)射注成型機(jī)的上述缺陷和不足。
為達(dá)成以上目標(biāo)，本發(fā)明的首要目的是提供一種半固態(tài)合金射注成型方法和設(shè)備，其特點(diǎn)是機(jī)制簡單，不使用通常的擠壓螺桿或活塞。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能將一根非枝晶原料棒端部給定長度段熔化成半固態(tài)漿料的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述原料棒的固體部分作為一次性擠壓活塞將上述漿料射注進(jìn)一模具腔內(nèi)的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠自動(dòng)地和周期性地將套筒加熱區(qū)密封起來的方法從而不使用保護(hù)氣體也能防止槳料氧化。
本發(fā)明的另一目的是提供一種無需開啟和清洗擠壓套筒即可完成射注合金種類變換的方法。
上述諸目的是通過提供一種包含下述步驟的新型射注成型方法來實(shí)現(xiàn)的將一根非枝晶原料棒送入一擠壓套筒，將該原料棒端部給定長度段加熱到其固相線和液相線之間的某一溫度生成半固態(tài)槳料，推動(dòng)該原料棒的固態(tài)部分使其像一次性活塞一樣將位于其前方的半固態(tài)槳料射注進(jìn)一模具腔內(nèi)。
對(duì)原料棒的推送是由一對(duì)無助偏心輪來完成的。該對(duì)偏心輪向前運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)抱緊原料棒并將其推入擠壓套筒；后退時(shí)則會(huì)自動(dòng)松開并沿原料棒表面自由滑回。
對(duì)原料棒端部給定長度的加熱是在位于套筒前部的加熱區(qū)內(nèi)完成的。該加熱區(qū)由數(shù)個(gè)安裝在套筒外表面上的帶狀電阻加熱器形成。緊鄰加熱區(qū)的是一個(gè)由一冷卻環(huán)所形成的冷卻區(qū)。每次射注過后，加熱區(qū)將被在冷卻區(qū)內(nèi)和射注噴嘴內(nèi)凝固的槳料自動(dòng)密封。因此，無需在擠壓套筒內(nèi)使用保護(hù)氣體來防止槳料氧化。
與現(xiàn)有半固態(tài)射注成型方法和設(shè)備相比，本發(fā)明可大大降低設(shè)備的制造成本和維護(hù)費(fèi)用，因?yàn)?)減免了擠壓螺桿及其驅(qū)動(dòng)裝置，2)降低了擠壓套筒所需的建造材料，3)無需使用保護(hù)氣體，4)簡化了工藝操作，和5)簡化了更換射注合金品種的方法。
除了必須使用非枝晶原料棒這一點(diǎn)外，本發(fā)明保留了傳統(tǒng)射注成型機(jī)的大多數(shù)特點(diǎn)。雖然非枝晶原料棒的使用對(duì)射注廢料的回收利用造成某些不便，但是它所產(chǎn)生的半固態(tài)槳料卻因?yàn)榫哂懈?xì)化的固態(tài)顆粒和更大的固態(tài)成份而更適用于生產(chǎn)無縮孔高精度的優(yōu)質(zhì)零件。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明之射注成型機(jī)實(shí)施例之一的俯視圖(部分剖面)。
圖2是示於圖1的射注成型機(jī)的正視圖。
圖3是擠壓套筒的剖視圖。
圖4是加熱裝置的剖視圖。
圖5是圖4 A-A剖視圖。
圖6是圖4 B-B剖視圖。
圖7是原料棒溫度沿其軸線方向的分布示意圖。
圖8a是一次性活塞形成于射注開始瞬間的示意圖。
圖8b是一次性活塞在射注過程中運(yùn)動(dòng)的示意圖。
圖9是還原棒接續(xù)裝載過程中頭尾對(duì)齊的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所提供的射注成型方法與現(xiàn)存方法的主要區(qū)別在于其不使用常規(guī)擠壓螺桿或活塞。這樣，在保留了傳統(tǒng)射注機(jī)的大部分特點(diǎn)的同時(shí)，可以大大降低設(shè)備和操作成本。
該方法通過下述步驟實(shí)現(xiàn)將一根非枝晶原料棒送入一擠壓套筒，將該原料棒端部給定長度段加熱到其固相線和液相線之間的某一溫度生成半固態(tài)槳料，利用該原料棒的固態(tài)部分使其像一次性活塞一樣將位于其前方的半固態(tài)槳料射注進(jìn)一模具腔內(nèi)。
上述步驟可以利用如圖1所示的射注成型機(jī)(10)來完成。該射注機(jī)(10)包括一個(gè)前端裝有一個(gè)射注噴嘴(12)的擠壓套筒(11)。該噴嘴(12)通過一分合模具(50)上的澆口套(52)與模腔(51)相連。該模具(50)可以是任意適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)并包括一個(gè)被固定到一個(gè)固定平臺(tái)(54)上的固定半模(53)和一個(gè)被固定到一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)(56)上的移動(dòng)半模(55)。
套筒(11)內(nèi)裝載著一根由一適當(dāng)?shù)慕饘俸辖鹬瞥傻姆侵г习?13)。在套筒(11)前部的加熱區(qū)(61)內(nèi)，該原料棒(13)端部被加熱到其液相線和固相線之間的某一溫度并被轉(zhuǎn)化為半固態(tài)漿料(16)。加熱區(qū)(61)是由數(shù)個(gè)安裝在套筒(11)外表面上的帶狀電阻加熱器(15)形成的。以絕熱片(17)與該加熱區(qū)(61)相隔的是一由一內(nèi)部通有冷卻液(如水)的“兩半”冷卻環(huán)(18)(示于圖1的僅是其下部半環(huán))所生成的冷卻區(qū)。冷卻環(huán)(18)上的管口(19)被用于冷卻液循環(huán)。在冷卻區(qū)內(nèi)，從加熱區(qū)泄漏出來的漿料將凝固生成一個(gè)能有效防止空氣通過套筒(11)內(nèi)壁與原料棒(13)之間間隙進(jìn)入加熱區(qū)的密封(20)。另外，噴嘴(12)內(nèi)的殘留漿料亦將凝固生成一防止空氣經(jīng)由噴嘴進(jìn)入加熱區(qū)的密封塞(14)。這樣，無需在套筒(11)內(nèi)使用保護(hù)氣體就可避免加熱區(qū)內(nèi)漿料的氧化。
套筒(11)的后部由兩只固定支架(41)支撐；而其前部由一系列的“兩半”支撐圈(63)(示于圖1的僅是其下部半圈)支撐。支架(41)和支撐圈(63)都被固定在一套筒箱體(40)上。該套筒箱體(40)由一對(duì)水平滑桿(未示出)支撐。兩只油缸(42)也被安裝在套筒箱體(40)上。它們的功用是通過活塞桿(43)來驅(qū)動(dòng)裝有一對(duì)偏心輪(45)的夾具(44)做往返運(yùn)動(dòng)。當(dāng)該夾具(44)被拉向套筒(11)時(shí)，偏心輪(45)會(huì)自動(dòng)抱緊原料棒(13)并將其推入套筒。反之，當(dāng)夾具被推離套筒(11)時(shí)，偏心輪(45)會(huì)自動(dòng)松開原料棒(13)然后沿原料棒表面自由滑回。
圖2是射注機(jī)(10)的正視圖。
射注機(jī)(10)的操作首先涉及利用帶狀電阻加熱器(15)所產(chǎn)生的熱量將位于套筒(11)加熱區(qū)(61)內(nèi)的原料棒(13)的端部轉(zhuǎn)化為半固態(tài)漿料(16)。當(dāng)足夠的漿料完成轉(zhuǎn)化后，液壓油缸(42)通過夾具(44)拉動(dòng)原料棒(13)快速移向射注噴嘴(12)導(dǎo)致漿料(16)內(nèi)部壓力急劇升高。該壓力首先把噴嘴(12)內(nèi)的固體密封塞(14)沖出并隨后將漿料(16)射注進(jìn)模腔(51)內(nèi)。沖出的密封塞將陷落在澆口套(52)內(nèi)，并隨后與射注廢料一起被回收。隨著射注過程的完成，原料棒(13)前部與射注沖程等長的一段被自動(dòng)地送入加熱區(qū)(61)；在那里被熔化并恰好補(bǔ)充了剛剛消耗的漿料。停留一段給定的時(shí)間等待模腔(51)內(nèi)的漿料充分凝固后，油缸(42)帶動(dòng)夾具(44)返回并卸載壓力。與此同時(shí)，噴嘴(12)內(nèi)的殘留漿料凝固形成一新的固體密封塞來阻止?jié){料的泄漏和空氣進(jìn)入套筒(11)。當(dāng)零件被取出而且模具(50)被重新關(guān)閉后，射注機(jī)(10)的下一次射注操作就準(zhǔn)備好了。
不同于傳統(tǒng)射注機(jī)上的套筒，套筒(11)僅在其前半段才接觸具腐蝕性的半固態(tài)漿料(16)并處于高溫高壓的工作環(huán)境。所以，為減少制造成本，套筒(11)可被設(shè)計(jì)成如圖3所示的由三種金屬材料制造的合成構(gòu)件，即將一“雙金屬”段(22)和一“單金屬”段(25)套筒通過焊鋒(26)連接而成。雙金屬段套筒(22)由外套(23)及與其熱壓配合的內(nèi)襯套(24)構(gòu)成。外套(23)賦予套筒(11)高溫強(qiáng)度和蠕變抗力；內(nèi)襯(24)賦予其抗?jié){料(16)腐蝕的能力。制造外套(23)和內(nèi)襯(24)的材料需要根據(jù)所射注的合金種類來選用。表1列出的是用來制造適用于加工鋁，鎂和鋅合金的“雙金屬”段套筒(22)的材料。對(duì)於“單金屬”段套筒(23)來說，因?yàn)樗床唤佑|半固態(tài)漿料(16)又不承受高溫高壓，所以可以使用任何合適的材料來制造。該“單金屬”段套筒(25)上的兩個(gè)切槽(31)是用來將套筒(11)固定在支架(41)上的。通過焊縫(21)與外套(23)相連的法蘭盤(27)是用來安裝噴嘴(12)的。另一法蘭盤(28)則用來安放一橡膠密封圈(29)，其功用是防止空氣通過套筒內(nèi)壁與原料棒(13)之間的間隙進(jìn)入套筒(11)，從而避免原料棒(13)上鄰近加熱區(qū)(61)的高溫部位被氧化。在射注機(jī)停機(jī)一段時(shí)間后，應(yīng)在重新啟動(dòng)之前使用管口(30)導(dǎo)入保護(hù)氣體將套筒(11)內(nèi)的殘存空氣排出，以進(jìn)一步增強(qiáng)上述的防氧化效果。此種做法對(duì)啟動(dòng)后最初幾次的射注質(zhì)量至關(guān)重要。外套(23)的壁厚通常為10毫米。此一厚度可能不足以承受射注壓力。因此，支撐圈(63)被用來為套筒(11)提供額外的強(qiáng)度。
表1-可用來制造外套(23)和內(nèi)襯(24)的金屬材料

示于圖4的是加熱裝置(60)的實(shí)施例之一；它包含一個(gè)加熱區(qū)(61)和一個(gè)冷卻區(qū)(62)。如前述，加熱區(qū)(61)是由數(shù)個(gè)安裝在套筒(11)外壁上的帶狀電阻加熱器(15)組成的。冷卻區(qū)(62)則是由一個(gè)內(nèi)部通有冷卻液(72)的“兩半”冷卻環(huán)(18)形成的。分隔加熱區(qū)和冷卻區(qū)的是隔熱片(17)。每一電阻加熱器(15)均座落在一個(gè)支撐圈(63)內(nèi)表面上的凹槽(64)內(nèi)。該凹槽(64)兩側(cè)的凸緣則與套筒外壁接觸用來幫助套筒(11)承受射注壓力。
如圖5所示，支撐圈(63)包含上圈(63a)和下圈(63b)并通過螺栓(65)被固定在套筒箱體(40)的底板上。在上圈(63a)的中間留有一電線通道(66)用來穿過帶狀加熱器(15)與位于加熱裝置(60)上蓋(69)上的接線板(68)之間的纜線。在上圈(63a)兩側(cè)面的中間位置各切出一垂直槽；其在兩鄰近支撐圈之間將形成一熱電偶通道(70)(見圖4)。通過該熱電偶通道(70)，一或數(shù)只熱電偶可被直接安置到套筒(11)的外表面上以實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)控。上圈(63a)和下圈(63b)均可以使用與外套(23)同樣的材料來制造。
圖6顯示的是冷卻環(huán)(18)的實(shí)施例之一。它包含上環(huán)(18a)和下環(huán)(18b)并通過螺栓(71)被固定在套筒箱體(40)的底板上。冷卻環(huán)(18)被由管口(19)導(dǎo)入的冷卻液(72)有效冷卻。該冷卻環(huán)(18)通過一隔熱片(17)與加熱區(qū)(61)分隔。上環(huán)(18a)和下環(huán)(18b)應(yīng)使用具高導(dǎo)熱系數(shù)的材料來制造。
同時(shí)顯示在圖4上的還有被通過螺釘固定在套筒(11)上的噴嘴(12)。其三個(gè)梯形表面上各安裝了一個(gè)與加熱區(qū)所用類似的帶狀電阻加熱器(15)用來保持噴嘴的溫度與加熱區(qū)相同。噴嘴(12)可以使用與內(nèi)襯(24)同樣的材料來制造。
圖7(示意圖)顯示的是射注前溫度沿原料棒(13)(包括由其轉(zhuǎn)變而成的漿料(16))軸線上的分布。加熱區(qū)(包括噴嘴)被保持在原料合金的液相線和固相線之間的某一給定溫度。對(duì)于一給定合金，該溫度決定了半固態(tài)漿料(16)中固相所占的比例。因?yàn)樵趪娮炜诓课粵]有安裝加熱器，那里的溫度將低于固相線溫度，導(dǎo)致一固態(tài)密封塞(14)的生成。另外，溫度在冷卻區(qū)內(nèi)迅速被降低到固相線以下，導(dǎo)致固態(tài)密封(20)的生成。在冷卻區(qū)外，原料棒溫度逐漸降低到室溫。
圖8a(示意圖)顯示的是射注開始瞬間一次性活塞形成的情景。在那一刻，在加于原料棒上的推力和密封(20)與套筒(11)內(nèi)壁之間摩擦力的雙重作用下，原料棒(13)內(nèi)部的壓應(yīng)力迅速增高。該應(yīng)力首先超過原料棒(13)中最軟的固體部位，即與漿料(16)接觸的原料棒端部，的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致腰鼓(80)的形成。在原料棒(13)連同其端部形成的腰鼓(80)被繼續(xù)強(qiáng)制推進(jìn)時(shí)，它們的作用就如同一個(gè)一次性活塞一樣使其前方的漿料(16)內(nèi)的壓力急劇升高并最終將噴嘴(12)內(nèi)的密封塞(14)沖出。隨后，在它們被快速推向套筒噴嘴端的同時(shí)，漿料也被射注進(jìn)模腔內(nèi)(見圖8b)。射注完成后，與沖程等長的一段原料棒(包含其上的腰鼓)也被自然地送入套筒(11)的加熱區(qū)并隨后被轉(zhuǎn)化成供下一次射注使用的漿料。
原料棒(13)與套筒(11)內(nèi)壁之間的間隙通常為1毫米。原料棒表面應(yīng)足夠光潔以保證其與橡膠密封圈(29)的良好接觸。使用連鑄機(jī)或擠壓機(jī)生產(chǎn)的原料棒應(yīng)可滿足此項(xiàng)要求。原料棒(13)的長度通常為2-3米，但也可在操作空間允許的條件下將其加長。一般來說，原料棒越長，一次裝載所能射注的零件就越多，生產(chǎn)率也就越高。使用中的原料棒縮短到一定長度后可以由裝在夾具(44)上的一個(gè)感應(yīng)器(未示出)探測(cè)出來。此時(shí)射注機(jī)會(huì)暫停以便裝載新原料棒。如圖9所示，裝載方法是將新棒(13b)前端的凸面(82)對(duì)準(zhǔn)舊棒(13a)尾端的凹面(81)后，重新啟動(dòng)射注機(jī)。隨著下一次射注周期的完成，新原料棒(13b)就被夾具(44)自動(dòng)咬入了。
由於套筒(11)制造成本的下降，每臺(tái)射注機(jī)可以配備多個(gè)套筒。這樣，變換射注合金品種就等同于卸下現(xiàn)用套筒再裝上另一只載有不同合金原料棒的套筒這樣一個(gè)簡單的過程。卸下套筒的步驟為1)打開加熱裝置(60)的上蓋(69)，2)松開所有套筒支撐圈(63)，3)松開冷卻環(huán)(18)，4)拔下加熱區(qū)內(nèi)所有帶狀電阻加熱器(15)接線板上的電源線，5)松開套筒支架(41)。裝上套筒的步驟為1)緊固套筒支架(41)，2)為加熱區(qū)內(nèi)所有帶狀電阻(15)加熱器插上電源線，3)緊固所有套筒支撐圈(63)，4)緊固冷卻環(huán)(18)，6)關(guān)上加熱裝置(60)的上蓋(69)。因?yàn)橐源朔N方法變換射注合金品種不涉及到開啟和清洗套筒的問題，所以它比用于傳統(tǒng)射注機(jī)上的常規(guī)方法(如日本專利號(hào)09155524 A)更簡單，更安全，更省時(shí)。
套筒(11)內(nèi)漿料(16)的體積決定了射注機(jī)(10)所能生產(chǎn)的單件產(chǎn)品的最大重量。該體積與套筒(11)的內(nèi)徑和加熱區(qū)(61)的長度有關(guān)。配備有一只內(nèi)徑為50毫米和加熱區(qū)長為400毫米的套筒的標(biāo)準(zhǔn)射注機(jī)可產(chǎn)出最大為1.39公斤的鎂合金零件，2.12公斤的鋁合金零件，或5.6公斤的鋅合金零件。更大型零件的生產(chǎn)可以通過增加套筒直徑和/或加熱區(qū)長度來實(shí)現(xiàn)。但過大的套筒直徑會(huì)增加將原料棒端部轉(zhuǎn)化為半固態(tài)漿料所需的加熱時(shí)間，從而拉長射注周期。
加熱區(qū)(61)的長度可以通過改變所使用的支撐圈(63)的數(shù)量，即帶狀電阻加熱器(15)的數(shù)量來控制。該數(shù)量可以在1和一個(gè)由加熱裝置(60)的長度所限定的最大值之間變化。每個(gè)支撐圈(63)的寬度通常為2英寸；其所對(duì)應(yīng)的帶狀電阻加熱器的寬度為1.5英寸。
用于加熱區(qū)(61)和噴嘴(12)上的帶狀電阻加熱器(15)可以被單獨(dú)，分組或作為一個(gè)整體來控制。單獨(dú)或分組控制更有利于獲得較均勻的溫度分布。一般來說，因?yàn)樘淄?11)的薄壁結(jié)構(gòu)，射注機(jī)(10)可提供較傳統(tǒng)射注機(jī)為佳的溫度控制效果。
為保證模鑄件質(zhì)量，射注間隔時(shí)間應(yīng)該總是等于或長于用來生成足夠填充模腔(51)所需的半固態(tài)漿料的時(shí)間(以tP表示)。tP可以通過嘗試法或使用下面的公式得到，tp=tuWπρr2L]]>公式1這里，tU是原料棒(13)端部一給定長度段從進(jìn)入到加熱區(qū)(61)開始到達(dá)到徑向溫度均勻化所需要的時(shí)間，W是模鑄件總重量(包括澆道材料)，ρ是原料合金密度，r是套筒(11)的內(nèi)徑，L是加熱區(qū)(61)的長度；所有的參數(shù)均為SI單位。借助于有限元或有限差分法，tU可以通過解下面的公式來得到∂T∂t=κ(∂2T∂r2+1r∂T∂r)]]>公式2這里，T是溫度，t是時(shí)間，κ是原料棒的導(dǎo)熱系數(shù)。
射注沖程(S)可以由下式算出S=Wπρr2]]>公式3射注過程中，原料棒(13)應(yīng)首先被迅速加速到其最高允許速度并保持在此最高速度；但在接近沖程終點(diǎn)時(shí)，它應(yīng)該被減速以減小模腔(51)在被注滿漿料后所產(chǎn)生的撞擊和回彈。
權(quán)利要求
1.一種半固態(tài)合金射注成型方法，其步驟是將一根非枝晶合金原料棒送入一擠壓套筒，在套筒的加熱區(qū)內(nèi)將該原料棒端部一給定長度段加熱到其固相線和液相線之間的某一溫度使其轉(zhuǎn)變成半固態(tài)槳料，推動(dòng)該原料棒的固態(tài)部分使其像一次性活塞一樣將前述半固態(tài)槳料射注進(jìn)一模具腔內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的方法不需要常規(guī)擠壓螺桿和活塞來進(jìn)行半固態(tài)合金射注成型。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的方法中所述的擠壓套筒僅在其前部的加熱區(qū)范圍內(nèi)才接觸所述的半固態(tài)漿料和高溫高壓工作環(huán)境。
4.根據(jù)權(quán)力要求1所述的方法中所述的原料棒既是所述半固態(tài)漿料的來源又同時(shí)起著將所述漿料射注出去的一次性活塞的作用。
5.根據(jù)權(quán)力要求1所述的方法中所述的加熱區(qū)可以在每次射注完成后被在冷卻區(qū)和噴嘴口自然凝固的漿料自動(dòng)密封，從而無需在所述的套筒內(nèi)使用保護(hù)氣體來防止所述的漿料被氧化。
6.一種能夠根據(jù)權(quán)力要求1所述的方法進(jìn)行生產(chǎn)的半固態(tài)合金射注成型機(jī)，其構(gòu)造包括如下部分a.一個(gè)前端裝有一個(gè)射注噴嘴的擠壓套筒；b.一種能將一根無枝晶原料棒送入所述的擠壓套筒并繼續(xù)推其向所述的噴嘴端移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。c.一種能在所述的擠壓套筒上生成一加熱區(qū)用以將所述的原料棒端部給定長度段加熱到其固相線和液相線之間某一溫度的加熱裝置。d.一種能在所述的擠壓套筒上生成一冷卻區(qū)用以將從所述的加熱區(qū)泄漏而來的半固態(tài)漿料凝固成一個(gè)密封的冷卻裝置。e.一種能幫助所述的擠壓套筒抵抗其所承受的射注壓力的支撐裝置。
7.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的擠壓套筒是一個(gè)由三種合金材料組成的復(fù)合構(gòu)件，具體來說，它是由一“雙金屬”段和一“單金屬”段套筒通過焊接而成。
8.根據(jù)權(quán)力要求7所述的擠壓套筒中所述的“雙金屬”段套筒是由一個(gè)使用高溫高強(qiáng)材料制成的外套和一個(gè)被熱壓配合其內(nèi)的使用抗?jié){料腐蝕材料制造的內(nèi)襯所構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的擠壓套筒尾端安裝有一個(gè)橡膠密封圈用來防止空氣經(jīng)由其內(nèi)壁與所述的原料棒之間的間隙進(jìn)入其內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的擠壓套筒具有較薄的壁厚有利于降低生產(chǎn)成本和溫度的精密控制。
11.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的驅(qū)動(dòng)裝置包括一對(duì)無助偏心輪，其特征是前行時(shí)能自動(dòng)抱緊所述的原料棒并將其推入所述的套筒，返回時(shí)能自動(dòng)松開所述的原料棒并自由地沿其表面滑回。
12.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的加熱裝置由安裝在所述的擠壓套筒外壁上的一系列帶狀電阻加熱器所組成。
13.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的加熱區(qū)的長度可以通過安裝不同數(shù)目的帶狀電阻加熱器來改變。
14.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的冷卻裝置是一個(gè)內(nèi)部通有冷卻液的“兩半”冷卻環(huán)。
15.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的支撐裝置是一系列“兩半”支撐圈，其特征是每一支撐圈的內(nèi)表面都有一個(gè)用來安置一個(gè)帶狀電阻加熱器的凹槽，該凹槽兩側(cè)的凸緣則與所述的套筒外壁接觸用來平衡射注壓力。
16.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的擠壓套筒，所述的驅(qū)動(dòng)裝置，所述的加熱裝置，所述的冷卻裝置，和所述的支撐裝置均被安裝在一個(gè)套筒箱體內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)力要求6所述的射注機(jī)中所述的擠壓套筒可以被容易地從所述的套筒箱體內(nèi)拆卸下來或安裝上去。
18.一種變換射注合金種類的方法，其特征是不需要開啟和清洗套筒，僅涉及將在用套筒從套筒箱體內(nèi)卸下然后將另一載有不同合金原料棒的套筒裝上。
全文摘要
一種半固態(tài)合金射注成型方法和設(shè)備。該方法包含下述步驟將一根非枝晶合金原料棒送入一擠壓套筒，在套筒的加熱區(qū)內(nèi)將該原料棒端部的一給定長度段加熱到其固相線和液相線之間的某一溫度使其轉(zhuǎn)變成半固態(tài)漿料，推動(dòng)該原料棒的固態(tài)部分使其像一次性活塞一樣將前述半固態(tài)漿料射注進(jìn)一模具腔內(nèi)。實(shí)施該方法的射注成型設(shè)備不使用常規(guī)的擠壓螺桿或活塞而是借助于同一根原料棒將其自身端部材料轉(zhuǎn)化而成的半固態(tài)漿料射注到一模腔內(nèi)。
文檔編號(hào)B22D17/00GK1520952SQ20041000075
公開日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2004年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月27日
發(fā)明者劉偉杰 申請(qǐng)人:劉偉杰