本发明公开了一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置及方法。包括压铸机、压铸模具、超声振动系统和冷却系统，压铸模具安装在压铸机，压射组件穿过静模固定板与压铸模具连接，压铸模具的动模上安装连接超声振动系统，超声振动系统直接作用于动模以超声辅助进行半固态压铸成型，动模设有与超声振动系统连接的冷却系统。本发明可有效降低固相团聚程度，提高半固态金属的流动能力和充型能力，并且能细化晶粒，提高铸件的致密度，进一步提高铝合金铸件的力学性能和导热性能，为复杂薄壁类铝合金铸件制造提供一种新的成型方法。
1.一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置，其特征在于：包括压铸机、压铸模具(4、5)、超声振动系统和冷却系统(12)，压铸模具(4、5)安装在压铸机上，压铸模具包括动模(5)和静模(4)，压铸模具(4、5)的动模(5)上安装连接超声振动系统，超声振动系统直接作用于动模(5)以超声辅助进行半固态压铸成型，动模(5)设有与超声振动系统连接的冷却系统(12)；
所述的静模(4)包括第一螺栓(16)、浇口套(17)、静模模架(18)、静模模芯(19)和模具导套(20)，静模模架(18)一端通过压板组件固定在静模固定板(3)上，静模模架(18)另一端的四角开有阶梯孔，阶梯孔内装有用于动模(5)的模具导柱(23)伸入配合连接的模具导套(20)；静模模架(18)中间镶嵌有静模模芯(19)，通过第一螺栓(16)与静模模架固定，静模模芯(19)与静模模架(18)中部开有通孔，通孔内套有浇口套(17)；
所述的动模(5)包括动模模架(21)、动模模芯(22)、模具导柱(23)、动模支撑板(24)、动模模脚(25)和第二螺栓(26)，动模模架(21)、动模支撑板(24)和动模模脚(25)之间通过四角的第二螺栓(26)依次相固定连接，动模模架(21)中间镶嵌固定有动模模芯(22)，动模支撑板(24)一端面的四角设有模具导柱(23)，模具导柱(23)穿过动模模架(21)伸入到所述静模(4)的静模模架(18)的模具导套(20)中，动模支撑板(24)另一端上固定安装有超声振动系统；
所述的超声振动系统包括超声发生器(11)和超声振动器(6)，超声振动器(6)包括固定安装在法兰盘(30)上的超声换能器(33)和超声变幅杆(27)，法兰盘(30)的四角通过连接杆(28)和第一螺母(31)固定连接到所述动模支撑板(24)端面，超声变幅杆(27)的输入端通过螺栓组(36)固定连接在法兰盘(30)上并穿过法兰盘(30)的中心孔，超声变幅杆(27)输出端穿过所述动模支撑板(24)伸入到动模模芯(22)中；
超声换能器(33)通过超声连接杆(35)固定在超声变幅杆(27)输入端的端面，超声换能器(33)和超声变幅杆(27)输入端端面之间连接有压电陶瓷(32)；超声连接杆(35)端面开有出水口(34)，超声变幅杆(27)的节点位置设有进水口(29)，出水口(34)和进水口(29)与水冷系统(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置，其特征在于：所述的压铸机包括静模固定板(3)、动模固定板(7)、压铸机导柱(9)、底座(13)、压射组件和压铸机导轨(10)，压射组件与压铸模具(4、5)连接，压射组件与静模固定板(3)固定连接，静模固定板(3)固定在底座(13)上，动模固定板(7)可水平移动地活动安装在底座(13)上；压铸机导轨(10)安装在静模固定板(3)侧方的底座(13)上，动模固定板(7)底部嵌入压铸机导轨(10)；静模固定板(3)两侧固定连接有水平的压铸机导柱(9)，压铸机导柱(9)穿过动模固定板(7)中部，压铸机导轨(10)和压铸机导柱(9)相平行；动模固定板(7)沿压铸机导轨(10)和压铸机导柱(9)水平移动。
3.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置，其特征在于：所述的静模(4)和动模(5)均通过压板组件(8)分别固定在静模固定板(3)和动模固定板(7)上，静模固定板(3)端面连接有压射组件，静模(4)上设有静模浇注口，静模浇注口与压射组件的出口连接相通。
4.根据权利要求2所述的一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置，其特征在于：所述的压射组件包括压射杆(1)和压射管道，压射杆(1)伸入到压射管道一端内，压射管道侧壁连接进料口(2)，压射管道内形成压射腔，压射管道另一端穿过静模固定板(3)与静模(4)连接，使得静模(4)上的静模浇注口与压射腔出口同心对齐。
5.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置，其特征在于：所述的水冷系统(12)包括水泵和水箱，进水口(29)经水泵和水箱连接，出水口(34)直接与水箱连接。
6.一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型方法，其特征在于采用权利要求
(1)半固态金属浆料制备：采用制浆设备将坯料加热到590℃，并在保温炉中进行保温储存；
(2)将压铸模具预热至150～250℃并表面喷涂脱模剂，然后进行合模；
(4)利用保温定量杯从保温炉中盛取半固态浆料，浇入注射腔后，压射杆以1～5m/s的压射速度以比压40MPa的压力进行压铸，然后保压5～10s，压铸过程中超声振动系统和冷却系统持续工作；
7.根据权利要求6所述的一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型方法，其特征在于：所述超声振动系统施加超声振动的功率为200W、频率为20KHz和幅值为10μm。
复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种金属材料半固态成形领域，尤其是涉及了一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置及方法。
背景技术
[0002] 近年来，随着信息技术和通讯产业的迅猛发展，复杂薄壁类铝合金铸件在电子通讯产业中有着广泛需求，例如：手机外壳、LED灯散热器、通讯基站壳体等，如图1所示。该类零件通常具有复杂腔体结构和薄壁特征，其壁厚通常<4.0mm，局部区域壁厚<0.5mm。此外，该类铝合金铸件往往由多个大的平面或曲面组成，采用传统压铸成形或切削加工方式难以实现。
[0003] 当前，薄壁类铝合金铸件的常用制造工艺为普通压力铸造。普通压力铸造工艺在铝合金铸件生产中占有主导地位，约占铝合金铸件总量的60％，该工艺也可用于部分薄壁铸件的成形制造。然而，在严格控制压铸工艺的基础上，目前薄壁类铝合金铸件的压铸成品率约为80％，常见缺陷包括欠铸、拐角开裂、组织疏松、冷隔和花纹等，这些缺陷造成了大量的资源浪费和经济损失。由于在薄壁类铸件中易产生的缺陷以及压铸工艺的局限性，因此，普通压力铸造工艺难以满足特征壁厚<1.0mm的复杂薄壁类铝合金铸件的制造加工。
[0004] 为改进铝合金压铸工艺、提高铝合金铸件的力学性能，半固态压铸成形工艺在近年来受到了广泛关注。半固态金属成形是介于铸造和锻造之间的一种工艺过程，是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成形加工的工艺方法的总称，主要包括触变成形和流变成形两种工艺。半固态金属坯料具有一定的固液比，和液态金属相比粘度较高，成形时可避免喷溅、紊流及卷气等问题，成形件比液态铸件性能好；它和固体锻造相比，低变形抗力和良好的流动性使得更易形成微细特征结构，且成形载荷较低。因此，和传统成形工艺相比，半固态金属成形较好地综合了固态模锻与液态压铸成形的优点，可批量生产形状复杂、高性能和高精度的微型零部件。
[0005] 在半固态金属成形过程中，金属材料流动应力不仅受到固相率的直接影响，也受到固相团聚程度的显著影响。固相团聚程度较高时，将明显提高半固态金属表观粘度和流动应力，从而降低其对于薄壁型腔的填充能力，限制了铝合金半固态压铸技术的进一步应用和推广。
[0006] 中国发明专利(申请号200810058112.7)公开了一种过共晶铝硅合金铸件半固态流变挤压铸造工艺及装置。该装置采用挤压铸造，实现过共晶铝硅合金制品的半固态连续流变挤压铸造，提高了材料的利用率，减少加工余量，但是其仍然存在成形力大、成形效果不好等问题，难以满足复杂薄壁类零件的成型需求。
[0007] 中国发明专利(申请号201410087101.7)公开了一种高硅铝合金封装外壳半固态的连续成形方法。该发明利用半固态挤压成形中液相与固相偏析和分离的特征，制备加工高性能薄壁复杂形状高硅铝合金电子封装壳体，但该发明工艺制作多为简单壳体零件，难以满足高深宽比的复杂薄壁类铝合金铸件加工。
发明内容
[0008] 本发明的目的是为了降低半固态金属中的固相团聚程度，进一步提高薄壁类铝合金铸件的压铸成形性能和质量，提出了一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置及方法，在压铸过程中引入超声能场，能有效降低固相团聚程度，进而提高半固态金属的流动能力和充型能力，降低半固态金属与型腔壁的摩擦阻力，同时超声振动可细化晶粒，提高铸件的成形质量。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0010] 一、一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型装置：
[0011] 本发明包括压铸机、压铸模具、超声振动系统和冷却系统，压铸模具安装在压铸机，压射组件穿过静模固定板与压铸模具连接，压铸模具的动模上安装连接超声振动系统，超声振动系统直接作用于动模以超声辅助进行半固态压铸成型，动模设有与超声振动系统连接的冷却系统。
[0012] 所述的压铸机包括底座、压射组件、静模固定板、动模固定板、压铸机导柱和压铸机导轨，压射组件与静模固定板固定连接，静模固定板固定在底座上，动模固定板可水平移动地活动安装在底座上；压铸机导轨安装在静模固定板侧方的底座上，动模固定板底部嵌入压铸机导轨；静模固定板两侧固定连接有水平的压铸机导柱，压铸机导柱穿过动模固定板中部，压铸机导轨和压铸机导柱相平行；动模固定板沿压铸机导轨和压铸机导柱水平移动。
[0013] 所述的压铸模具包括动模和静模，静模和动模均通过压板组件分别固定在静模固定板和动模固定板上，静模固定板端面连接有压射组件，静模上设有静模浇注口，静模浇注口与压射组件的出口连接相通。
[0014] 所述的静模包括第一螺栓、浇口套、静模模架、静模模芯和模具导套，静模模架一端通过压板组件固定在静模固定板上，静模模架另一端的四角开有阶梯孔，阶梯孔内装有用于动模的模具导柱伸入配合连接的模具导套；静模模架中间镶嵌有静模模芯，通过第一螺栓与静模模架固定，静模模芯及静模模架中部开有通孔，通孔内套有浇口套。
[0015] 所述的动模包括动模模架、动模模芯、模具导柱、动模支撑板、动模模脚和第二螺栓，动模模架、动模支撑板和动模模脚之间通过四角的第二螺栓依次相固定连接，动模模架中间镶嵌固定有动模模芯，动模支撑板一端面的四角设有模具导柱，模具导柱穿过动模模架伸入到所述静模的静模模架的模具导套中，动模支撑板另一端上固定安装有超声振动系统。
[0016] 所述的超声振动系统包括超声发生器和超声振动器，超声振动器包括固定安装在法兰盘上的超声换能器和超声变幅杆，法兰盘的四角通过连接杆和第一螺母固定连接到所述动模支撑板端面，超声变幅杆的输入端通过螺栓组固定连接在法兰盘上并穿过法兰盘的中心孔，超声变幅杆输出端穿过所述动模支撑板伸入到动模模芯中；超声换能器通过超声连接杆固定在超声变幅杆输入端的端面，超声换能器和超声变幅杆输入端端面之间连接有压电陶瓷；超声连接杆端面开有出水口，超声变幅杆的节点位置设有进水口，出水口和进水口与水冷系统连接。
[0017] 所述的压射组件包括压射杆和压射管道，压射杆伸入到压射管道一端内，压射管道侧壁连接进料口，压射管道内形成压射腔，压射管道另一端穿过静模固定板与静模连接，使得静模上的静模浇注口与压射腔出口同心对齐。
[0018] 由于压铸过程属于高温高压，为了防止超声换能器由于过热而损坏，在超声系统上设置水冷系统12。所述的水冷系统包括水泵和水箱，进水口经水泵和水箱连接，出水口直接与水箱连接。
[0019] 本发明装置通过上述超声振动系统在压铸模具上施加超声波，通过压射组件在压射腔内进行处理，不仅可改善铝合金半固态熔体的流动性和充型性能，还可以提高压铸件的力学性能。
[0020] 二、一种复杂薄壁类铝合金件超声辅助半固态压铸成型方法：
[0021] 1)半固态金属浆料制备：采用制浆设备将胚料加热到590℃，并在保温炉中进行保温储存；
[0022] 2)将压铸模具预热至150～250℃并表面喷涂脱模剂，然后进行合模；
[0023] 3)打开所述超声振动系统和所述冷却系统；
[0024] 4)利用保温定量杯被从保温炉中盛取半固态浆料，浇入注射腔后，压射杆以1～5m/s的压射速度以比压40MPa的压力进行压铸，然后保压5～10s，压铸过程中超声振动系统和冷却系统持续工作；
[0025] 5)压铸完成后开模取件。
[0026] 所述超声振动系统施加超声振动的功率为200W、频率为20KHz和幅值为10μm。
[0027] 所述复杂薄壁类铝合金铸件为特征尺寸为0.5mm～1.5mm壁厚的铝合金铸件。
[0028] 本发明具有的有益效果是：
[0029] 1、本发明将超声波引入到铝合金半固态压铸成型加工过程中，通过连接杆结合法兰结构将超声系统直接与动模模芯接触，并保持一定的预压力，保证超声波以最大的效率传导到半固态溶体，
[0030] 一方面利用超声波振动有效降低固相团聚程度，进而提高半固态金属的流动能力和充型能力，降低半固态金属与型腔壁的摩擦阻力，
[0031] 另一方面超声振动也可细化晶粒，提高铸件的致密度，从而进一步铝合金铸件的力学性能和导热性能；
[0032] 2、超声发生器能够自动进行频率扫描匹配，实现对不同模具进行频率扫描和匹配，提高了系统的适应性；
[0033] 3、将冷却系统设置在变幅杆节点位置，直接隔断了模具热量传导，提高了冷却效率，同时不对超声系统工作频率产生影响。
附图说明
[0034] 图1是本发明的整体装配结构原理图。
[0035] 图2是本发明合模过程的原理图。
[0036] 图3是本发明半固态浆料浇注过程的原理图。
[0037] 图4是本发明压铸保压过程的原理图。
[0038] 图5是本发明开模取件过程的原理图。
[0039] 图6是本发明的静模装配结构图。
[0040] 图7是本发明的动模装配结构图。
[0041] 图8是本发明的超声系统装配结构图。
[0042] 图9是本发明的压板组件示意图。
[0043] 图中：1.压射杆，2.进料口，3.静模固定板，4.静模，5.动模，6.超声振动器，7.动模固定板，8.压板组件，9.压铸机导柱，10.压铸机导轨，11.超声发生器，12.水冷系统，13.底座，14.半固态熔体，15.铸件，16.第一螺栓，17.浇口套，18.静模模架，19.静模模芯，20.模具导套，21.动模模架，22.动模模芯，23.模具导柱，24.动模支撑板，25.动模模脚，26.第二螺栓，27.超声变幅杆，28.连接螺杆，29.进水口，30.法兰盘，31.第一螺母，32.压电陶瓷，33.超声换能器，34.出水口，35.超声连接杆，36.螺栓组，37.压板块，38.第二螺母，39.滑轨螺栓，40.第三螺栓。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0045] 如图1所示，本发明包括底座13、压铸机、压铸模具4、5、超声振动系统和冷却系统12，压铸机安装在底座13上，压铸模具4、5安装在压铸机，压射组件安装在压铸机上并与压铸模具4、5连接，压铸模具4、5的动模5上安装连接超声振动系统，超声振动系统直接作用于动模5以超声辅助进行半固态压铸成型，动模5设有与超声振动系统连接的冷却系统12。
[0046] 如图1所示，压铸机包括静模固定板3、动模固定板7、压铸机导柱9和压铸机导轨10，静模固定板3固定在底座13上，动模固定板7可水平移动地活动安装在底座13上；压铸机导轨10安装在静模固定板3侧方的底座13上，动模固定板7底部嵌入压铸机导轨10；静模固定板3两侧固定连接有水平的压铸机导柱9，压铸机导柱9穿过动模固定板7中部，压铸机导轨10和压铸机导柱9相平行；动模固定板7沿压铸机导轨10和压铸机导柱9水平移动。
[0047] 压铸模具包括动模5和静模4，静模4和动模5均通过压板组件8分别固定在静模固定板3和动模固定板7上，静模固定板3端面连接有压射组件，静模4上设有静模浇注口，静模浇注口与压射组件的出口连接相通。
[0048] 如图6所示，静模4包括第一螺栓16、浇口套17、静模模架18、静模模芯19和模具导套20，静模模架18一端通过四角的第一螺栓16固定在静模固定板3上，静模模架18另一端的四角开有盲孔，盲孔内装有用于动模5的模具导柱23伸入配合连接的模具导套20；静模模架18中间镶嵌固定有静模模芯19，静模模芯19中部开有通孔，通孔内套有浇口套17，浇口套17一端为静模浇注口。
[0049] 如图7所示，动模5包括动模模架21、动模模芯22、模具导柱23、动模支撑板24、动模模脚25和第二螺栓26，动模模架21、动模支撑板24和动模模脚25之间通过四角的第二螺栓26依次相固定连接，动模模架21中间镶嵌固定有动模模芯22，动模支撑板24一端面的四角设有模具导柱23，模具导柱23穿过动模模架21伸入到所述静模4的静模模架18的模具导套
20中，动模支撑板24另一端上固定安装有超声振动系统的超声振动器6，超声振动器6直接作用于动模模芯22。
[0050] 如图8所示，超声振动系统包括超声发生器11和超声振动器6，超声振动器6包括固定安装在法兰盘30上的超声换能器33和超声变幅杆27，法兰盘30的四角通过连接杆28和第一螺母31固定连接到所述动模支撑板24端面，超声变幅杆27的输入端通过螺栓组36固定连接在法兰盘30上并穿过法兰盘30的中心孔，超声变幅杆27输出端穿过所述动模支撑板24伸入到动模模芯22中；
[0051] 超声换能器33通过超声连接杆35固定在超声变幅杆27输入端的端面，超声换能器33和超声变幅杆27输入端端面之间连接有压电陶瓷32；超声连接杆35端面开有出水口34，超声变幅杆27的节点位置设有进水口29，出水口34和进水口29与水冷系统12连接。
[0052] 超声发生器11采用频率自动扫描设计，可适应不同模具。超声换能器33为压电式换能器，压电陶瓷材料为PZT-4，所述超声发生器11，采用采用全桥逆变的拓扑，以DSP作为系统的控制核心，实现频率自动扫描，保证换能器可以以最大的输出功率输出，来匹配不同模具。
[0053] 如图9所示，压板组件8包括压板块37、第二螺母38、滑轨螺栓39和第三螺栓40，压板块37上开有条形槽，第二螺母38穿过条形槽连接滑轨螺栓39，滑轨螺栓39嵌入到静模固定板3或者动模固定板7的凹槽内，压板块37一端嵌入到所述动模5的动模模脚25侧壁条形槽或者所述静模4的静模模架18侧壁条形槽中，压板块37另一端通过第三螺栓40头部支撑到到静模固定板3或者动模固定板7上，调节第三螺栓40伸长的长度匹配模具侧壁条形槽高度，再旋紧第二螺母38进行压紧。
[0054] 压射组件包括压射杆1和压射管道，压射杆1伸入到压射管道一端内，压射管道侧壁连接进料口2，压射管道内形成压射腔，压射管道另一端穿过静模固定板3与静模4连接，使得静模4上的静模浇注口与压射腔出口同心对齐。
[0055] 水冷系统12包括水泵和水箱，进水口29经水泵和水箱连接，出水口34直接与水箱连接。冷却系统12采用水冷方式，相对于风冷、油冷等冷却方式具有，冷却效率高，装置简便的优点。冷却系统12设置于超声变幅杆27上，有效阻隔了压铸模具热量往超声换能器32传递，同时进水口在节点位置的设计，减少对变幅杆频率的影响。
[0056] 本发明的具体实施过程如下：
[0057] 1)半固态金属浆料制备：采用制浆设备将铝合金A356的胚料加热到590℃，并在保温炉中进行保温储存；
[0058] 2)如图2所示，将动模和静模的压铸模具预热至150～250℃并表面喷涂脱模剂，然后在模具导柱23和模具导套20的帮助下进行准确合模；
[0059] 3)打开所述超声振动系统和所述冷却系统，施加超声振动的功率为200W、频率为20KHz和幅值为10μm。
[0060] 4)如图3、图4所示，利用保温定量杯被从保温炉中盛取半固态浆料，浇入注射腔后，当半固态熔体14完全进入注射腔，压射杆以1～5m/s的压射速度以比压40MPa的压力进行压铸，然后保压5～10s，压铸过程中超声振动系统和冷却系统持续工作；
[0061] 5)如图5所示，打开模具，取去压铸好的铸件15，并准备进行下一次压铸。
[0062] 本发明装置通过将超声波振动直接作用于压铸模具模芯，克服了常规压铸方法所存在的成形质量不高，难以生产高性能要求的复杂薄壁类零件等问题，解决了目前高深宽比复杂薄壁类铝合金铸件成型技术在铸件质量、生产效率等方面存在的问题和局限性。
