基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法及设备

摘要

本发明公开一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法及设备，其方法是对金属熔体同时施加功率超声波和压力，通过压力和功率超声的协同耦合作用改变金属熔体的物理结构，然后在对模具型腔进行冷却的同时，通过数据采采集相应的实验数据并处理；其设备包括模具型腔、保温加热器、冲头、功率超声发生器、模具冷却系统和数据采集器，模具型腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器设于从具型腔的侧面，模具型腔外周设有模具冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔壁外侧连接。本发明原理简单，可提高挤压铸造的效率和速率，有效改善金属熔体的组织形态和性能，也为后续的实验搭建了平台，实时测量的数据可以帮助深入实验分析。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，特别涉及一种基于功率超声与压力耦 合的挤压铸造方法及设备。

背景技术

金属制品(如铸锭、铸件等产品)的质量直接取决于金属熔体的质量，因 此在金属材料的加工过程中，金属熔体的成形工艺以及处理方法就显得尤为重 要。挤压铸造成形工艺与其他铸造成形方法相比，所得到的铸件组织具有均匀 致密、力学性能优良、表面光洁度和尺寸精度高等优点，因此被广泛应用于机 械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域。

超声波通常是指频率高于2×10⁴Hz的声波，按其用途可分为检测超声、功 率超声和医学超声。超声波在媒质中的传播效应主要可以归结为：空化效应、 声流效应、热效应和衰减效应，其中空化效应和声流效应占据主导作用。研究 表明，使用功率超声处理金属熔体，可以细化晶粒，促进金属熔体中的气体形 成气泡并长大上浮，可以促进夹杂物的团聚从而上浮，也有研究认为可以将夹 杂物进行破碎实现弥散分布，以上原理都有助于提高金属熔体的质量。

目前已有的研究方法都集中于将超声波工具杆浸入待处理的金属熔体进 行超声处理，采用该方法可以从一定程度上改善金属熔体的质量，但这种方法 仅仅是对金属熔体进行单一物理场作用，并没有结合挤压铸造的加工工艺展开 研究，因此金属熔体的质量尚有提升的空间。

功率超声导入金属熔体的方式也分为直接导入和间接导入两种，直接导入 的方式受制于空间尺寸、可能会带来污染等因素制约；间接导入超声是将功率 超声施加于固定介质，再通过介质作用于金属熔体，这样导入，可能会引起超 声能量的损耗。目前有研究是将电流通过线圈产生电磁力，通过电磁力使得超 声波工具杆吸附在盛有金属熔体的坩埚表面，采用该方法可以将功率超声间接 导入金属熔体，但超声的衰减规律比较复杂，无法进行定量分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于功率超声与压力耦 合的挤压铸造方法，该方法原理简单，可有效改善金属熔体的组织和性能。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的基于功率超声与压 力耦合的挤压铸造设备，该设备为后续的实验搭建了平台，实时测量的数据可 以帮助深入实验分析，得到更为准确的结论。

本发明的技术方案为：一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法，包 括以下步骤：

(1)预热挤压铸造设备的模具型腔；

(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中，同时开启保温加 热器，对模具型腔进行保温；

(3)开启功率超声发生器，产生的超声波对金属熔体进行功率超声振动， 同时，液压机的冲头向金属熔体施加压力，功率超声和压力协同耦合作用，直 至金属熔体完全凝固，形成金属固体；

(4)开启模具冷却系统和数据采集器，通过模具冷却系统对模具型腔进 行冷却，同时，数据采集器在模具型腔腔壁的外侧面上采集相应的实验数据并 处理。

所述步骤(1)中，模具型腔的预热温度为250℃；

所述步骤(2)中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范 围；保温加热器对模具型腔进行保温时，模具型腔内侧面的温度保持在 500～550℃。

所述步骤(3)中，功率超声发生器从模具型腔的侧面插入金属熔体中， 对金属熔体进行功率超声振动，超声波频率为20KHz，超声波功率为 0～2200W；

液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头直接与金属熔体相接 触，挤压比压为0～75MPa，挤压速度为0.03～0.06m/s，保压时间为30s。

所述功率超声发生器中，通过超声波导入杆的杆尖插入金属熔体中，插入 的深度为2～5mm；功率超声发生器使用前，超声波导入杆的杆尖处涂抹脱模 剂。

所述数据采集器中采集并处理实验数据时，先通过压力传感器和温度传感 器采集相应的压力值和温度值，然后通过数据采集卡将各压力值和温度值送至 主控单元进行数据处理，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲 线。

本发明一种用于上述方法的基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，包 括模具型腔、保温加热器、冲头、功率超声发生器、模具冷却系统和数据采集 器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于 模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插 入金属熔体中，模具型腔外周设有模具冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔 壁外侧连接。

所述功率超声发生器包括依次连接的超声波换能器、超声波变幅杆和超声 波导入杆，超声波导入杆的末端带有杆尖，杆尖穿过模具型腔的腔壁后，从模 具型腔的侧面插入金属熔体中。

所述超声波导入杆与模具型腔腔壁的相接处设有密封机构，通过端盖固定 于模具型腔的腔壁上，密封机构包括模具侧静环、模具侧动环组件、大气侧静 环、大气侧动环组件、动环座和密封盖，模具侧静环和大气侧静环分别位于密 封设备的两端，模具侧静环的外端面与端盖相连接，模具侧静环的外圆柱面和 大气侧静环的外圆柱面分别与密封盖相连接，模具侧静环、大气侧静环和密封 盖之间形成密封空间，密封空间内设有模具侧动环组件、大气侧动环组件和动 环座，模具侧动环组件和大气侧动环组件分别设于动环座两端。

密封机构中，动环座通过销钉固定于超声波导入杆上，模具侧静环的内侧 面和大气侧静环的内侧面分别通过静环O型圈与超声波导入杆相连接，模具 侧静环的外端面通过防转销与端盖固定连接；

密封盖包括固定连接的左盖和右盖，左盖压紧于大气侧静环的外周，右盖 压紧于模具侧静环的外周，右盖的外端面与端盖相接，右盖上设有泄压孔；

模具侧动环组件包括动环、轴套和弹簧，动环一端与模具侧静环的内端面 相接触，动环另一端通过弹簧与动环座相连接，超声波导入杆外周与弹簧的相 接面上设有轴套，动环内侧面通过动环O型圈与超声波导入杆相连接；

大气侧动环组件的结构与模具侧动环组件的结构对称。

所述模具冷却系统为水冷系统，包括冷却水循环通道和板式水冷换热器， 模具型腔的腔壁外周设有冷却水循环通道，冷却水循环通道的进水口和出水口 分别与板式水冷换热器连接。

所述数据采集器包括压力传感器、温度传感器、数据采集卡和单片机，模 具型腔的腔壁外侧开有多个数据采集通道，压力传感器和温度传感器分别设于 数据采集通道内，压力传感器通过数据采集卡与单片机连接，温度传感器通过 数据采集卡与单片机连接；单片机上设有串行通讯接口。其中，单片机可通过 串行通讯接口扩展程序存储器和数据存储器；多个数据采集通道在模具型腔的 腔壁外侧呈圆周分布，各数据采集通道位于超声波导入杆杆尖所在水平面上。

上述基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法及设备中，通过对金属熔体 同时施加功率超声波和压力，利用二者对金属熔体凝固组织的作用是互补和耦 合增强的关系，从而改善金属材料的组织形态和性能；同时，在金属熔体冷却 后，通过数据采集器采集其温度参数、压力参数并进行数据处理，为后续的实 验搭建了平台，奠定基础。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法原理简单，但可提高挤压铸造 的效率和速率，有效改善金属熔体的组织形态和性能，解决了单一物理场下处 理金属熔体效率不明显的问题。在挤压铸造工艺中开辟了新思路，尤其是复合 场的处理技术在挤压铸造技术上具有潜在的广阔前景，通过该方法，可以同时 处理大量金属熔体，是一种适合工业化的规模处理方法，具有积极的技术推广 与应用价值。

本基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备中，功率超声通过工具杆直接 作用于金属熔体，使得导入的超声能量无损失，避免间接导入引起的能量损耗；

通过保温加热器和模具冷却系统的作用，可以使得模具型腔内壁的温度可 控，避免金属熔体浇注后过快凝固，同时也保证了实验效果的准确性；

通过数据采集器可以在实验过程中实时得到丰富的实验数据，可以帮助完 善实验计划以及后续的实验分析。

本基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备结构简单，成本低较低，为后 续的实验搭建了实验平台，同时在挤压铸造方面开辟了新的研究思路；功率超 声处理和挤压铸造成形工艺二者的结合具有潜在的广阔前景，可用于金属加工 处理，机械制造等领域；可同时大量处理金属熔体，适合工业化规模的应用， 具有积极的技术推广和应用价值。

本基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备中，在超声波导入杆和模具型 腔的连接处设置专用的密封机构，可有效提高密封效果，特别是在高温高压的 工作环境下，可有效保证模具型腔的密封性，防止金属熔体发生喷溅和泄漏的 现象，大大提高设备的安全性和稳定性；同时，密封盖上所设的泄压孔可外接 废气排放管道，避免实验对环境造成的污染。

附图说明

图1为本基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备的原理示意图。

图2为超声波导入杆和模具型腔之间的密封机构的半剖结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实 施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法，包括以下步骤：

(1)预热挤压铸造设备的模具型腔，至模具型腔腔壁的内侧面温度达到 250℃；模具型腔的材料为H13钢，采用石墨机油润滑；

(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中，同时开启保温加 热器，对模具型腔进行保温(其保温时间为功率超声和压力协同耦合作用的整 个过程，直至金属熔体凝固形成金属固体为止，一般可为10s～60s)；

其中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；保温加 热器对模具型腔进行保温时，模具型腔内侧面的温度保持在500～550℃；

(3)开启功率超声发生器，产生的超声波对金属熔体进行功率超声振动， 同时，液压机的冲头向金属熔体施加压力，功率超声和压力协同耦合作用，直 至金属熔体完全凝固，形成金属固体；

其中，液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头的压力由1000kN 四柱液压机提供，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为75MPa，挤压速 度为0.06m/s，保压时间为30s；

功率超声发生器从模具型腔的侧面插入金属熔体中，对金属熔体进行功率 超声振动，超声波频率为20KHz，超声波功率为0～2200W；功率超声发生器 中，通过超声波导入杆的杆尖插入金属熔体中，插入的深度为2～5mm；功率 超声发生器使用前，超声波导入杆的杆尖处涂抹脱模剂；

超声波变幅杆的长度是超声波在金属熔体内传播的纵波的半波长的整数 倍，超声波变幅杆由钛合金材料制得，其长度为127mm；超声波变幅杆在使 用前需要预热一段时间，超声波换能器在使用的过程中可外接超声波空气冷却 系统(如图1中的标号18)进行冷却，防止超声波换能器过热；

(4)开启模具冷却系统和数据采集器，通过模具冷却系统对模具型腔进 行冷却，同时，数据采集器在模具型腔腔壁的外侧面上采集相应的实验数据并 处理；

数据采集器中采集并处理实验数据时，先通过压力传感器和温度传感器采 集相应的压力值和温度值，然后通过数据采集卡将各压力值和温度值送至主控 单元进行数据处理，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线。

实施例2

本实施例一种用于实施例1所述方法的基于功率超声与压力耦合的挤压 铸造设备，如图1所示，包括模具型腔1、保温加热器2、冲头3、功率超声 发生器、模具冷却系统和数据采集器20，金属熔体置于模具型腔中，模具型 腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模 具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中，模具型腔外周设有模具 冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔壁外侧连接。

功率超声发生器包括依次连接的超声波换能器5、超声波变幅杆6和超声 波导入杆7，超声波导入杆的末端带有杆尖，杆尖穿过模具型腔的腔壁后，从 模具型腔的侧面插入金属熔体中。

超声波导入杆与模具型腔腔壁的相接处设有密封机构8，通过端盖19固 定于模具型腔的腔壁上，如图2所示，密封机构包括模具侧静环9、模具侧动 环组件10、大气侧静环11、大气侧动环组件12、动环座13和密封盖14，模 具侧静环和大气侧静环分别位于密封设备的两端，模具侧静环的外端面与端盖 (图2中为示出)相连接，模具侧静环的外圆柱面和大气侧静环的外圆柱面分 别与密封盖相连接，模具侧静环、大气侧静环和密封盖之间形成密封空间，密 封空间内设有模具侧动环组件、大气侧动环组件和动环座，模具侧动环组件和 大气侧动环组件分别设于动环座两端。

密封机构中，动环座15通过销钉固定于超声波导入杆7上，模具侧静环 的内侧面和大气侧静环的内侧面分别通过静环O型圈16与超声波导入杆相连 接，模具侧静环的外端面通过防转销与端盖固定连接；

密封盖包括固定连接的左盖14-1和右盖14-2，左盖压紧于大气侧静环的 外周，右盖压紧于模具侧静环的外周，右盖的外端面与端盖相接，右盖上设有 泄压孔14-3；

模具侧动环组件包括动环10-1、轴套10-2和弹簧10-3，动环一端与模具 侧静环的内端面相接触，动环另一端通过弹簧与动环座相连接，超声波导入杆 外周与弹簧的相接面上设有轴套，动环内侧面通过动环O型圈10-4与超声波 导入杆7相连接；

大气侧动环组件的结构与模具侧动环组件的结构对称‘即大气侧动环组件 的各组成部件与模具侧动环组件的各组成部件相同(包括尺寸大小、材质等参 数)，大气侧动环组件各组成部件之间的连接关系与模具侧动环组件相比，呈 对称设置。

上述结构的密封机构中，模具侧动环组件中的动环和大气侧动环组件中的 动环均采用WC硬质合金，模具侧静环和大气侧静环均采用石墨环材质，各 动环、模具侧静环和大气侧静环的平面度均控制在0～0.003mm，不允许有崩边 和划伤的现象。密封盖中，左盖与大气侧静环相接触的一面设有石墨层，右盖 与模具侧静环相接触的一面设有石墨层。超声波导入杆和轴套之间设有 0.03～0.05mm的过盈距离。其中，动环O型圈可采用耐高温的有机硅树脂材料 制得，0.03～0.05mm的过盈距离可保证超声波导入杆和轴套之间力矩的可靠传 递和良好的追随性。

如图1所示，模具冷却系统为水冷系统，包括冷却水循环通道21和板式 水冷换热器(图1中未示出)，模具型腔的腔壁外周设有冷却水循环通道，冷 却水循环通道的进水口和出水口分别与板式水冷换热器连接。

数据采集器20包括压力传感器、温度传感器、数据采集卡和单片机，模 具型腔的腔壁外侧开有多个数据采集通道，压力传感器和温度传感器分别设于 数据采集通道内，压力传感器通过数据采集卡与单片机连接，温度传感器通过 数据采集卡与单片机连接；单片机上设有串行通讯接口。其中，单片机可通过 串行通讯接口扩展程序存储器和数据存储器；多个数据采集通道在模具型腔的 腔壁外侧呈圆周分布，各数据采集通道位于超声波导入杆杆尖所在水平面上 (各数据通道所设的位置如图1中的标号a、b、c所示)。其中，单片机作为 数据采集器的主控单元，可采用89C51单片机；串行通讯接口采用RS232串 行通讯接口。

上述基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备中，通过对金属熔体同时施 加功率超声波和压力，利用二者对金属熔体凝固组织的作用是互补和耦合增强 的关系，从而改善金属材料的组织形态和性能；同时，在金属熔体冷却后，通 过数据采集器采集其温度参数、压力参数并进行数据处理，为后续的实验搭建 了平台，奠定基础。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例， 并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰， 都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。