可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置

摘要

本发明关于一种可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其包括环状模具和离心雾化器，所述环状模具包括旋转底板和多个能够可拆卸固定在该旋转底板不同圆周上的环状挡板，且所述旋转底板具有供离心雾化器穿过的中心孔。本发明可以丰富离心喷射成形环状结构坯料的尺寸规格，克服了铸造业因工件规格尺寸改变随之对模具进行更换的问题，同时可以有效改善劳动者的工作环境，降低劳动强度，节省工装制造费用，同时，该方法具有近净成形、结构紧凑、操作方便、适应场合多、安全高效等优点。

权利要求

1.一种可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其包括环状模具和离心雾化器，其特征在于：所述环状模具包括旋转底板和多个能够可拆卸固定在该旋转底板不同圆周上的环状挡板，且所述旋转底板具有供离心雾化器穿过的中心孔；所述离心雾化器包括离心盘和连接套，所述离心盘用于承载金属液体的盘面下方形成有空腔；所述连接套用于将驱动装置的动力传递至离心盘并具能够使离心盘的空腔内充满流动的冷却水，且当金属液体在盘面上凝固形成的固体层厚度达到设定值时，空腔内的冷却水能够与固体层上方的金属液体建立稳态热传导；当冷却水与金属液体建立稳态热传导时，离心盘和固体层之间存在以下关系：其中，k金为固体层金属的热导率，k盘为离心盘的热导率，H金为固体层金属的设定厚度，H盘为离心盘盘面厚度，T熔为金属熔点温度，T固为固体层与离心盘盘面之间温度，T水为冷却水的最高温度。

2.根据权利要求1所述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其特征在于：其中所述旋转底板上沿圆周方向分布有多个沿径向延伸的定位槽，所述环状挡板通过其底部伸出的固定部与定位槽配合实现与旋转底板之间的固接。

3.根据权利要求2所述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其特征在于：其中所述固定部穿过定位槽由旋转底板下方伸出，旋在该固定部下方的固定螺母将该固定部与旋转底板锁紧。

4.根据权利要求2所述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其特征在于：所述定位槽两侧还设有显示其所在圆周直径的调整刻线，所述固定部两侧还设有用于与该调整刻线配合实现环状挡板精准定位的标识线。

5.根据权利要求4所述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其特征在于：所述环状挡板为由扇形挡板和支撑立柱拼接而成的分体式结构，所述支撑立柱包括上固定部、下固定部和支撑部，其中下固定部穿过定位槽并通过固定螺母与旋转底板固接，支撑部与扇形挡板通过凹凸结构配合连接，旋紧在上固定部上的固定螺母压在扇形挡板上。

6.根据权利要求5所述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其特征在于：所述支撑部两侧设有用于与该调整刻线配合实现环状挡板精准定位的标识线。

7.根据权利要求5所述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其特征在于：所述定位槽为一侧敞开的通槽。

8.根据权利要求1所述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其特征在于：所述连接套上设有用于向离心盘空腔输送冷却水的一个进水孔和用于将离心盘内冷却水排出的多个排水孔，且所述进水孔位于连接套中间，排水孔绕进水孔均布。

说明书

可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置

技术领域

[0001] 本发明属于金属喷射沉积领域，尤其是涉及一种可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置。

背景技术

[0002] 近年来，随着我国机械行业、风电行业等工业的发展，旋转部件在其中的应用越来越多且径向规格尺寸多样，并作为关键核心部件存在，其性能优劣直接决定了设备使用寿命和运行安全，所以对旋转部件中环状结构的加工工艺关注度较高，而目前环状结构需要通过空心锻件加工得到，空心锻件所需的坯料一般由铸造得到，由于铸造依靠金属液体的流动，熔体在凝固时还会出现坯料的缩松、缩孔缺陷，坯件性能较差，尤其大型环状构件强度低、寿命短、制造周期长，且在锻造过程中，内壁易出现裂纹、凹坑等缺陷。

[0003] 针对空心锻件坯料易出现的问题，采用离心喷射成形法解决现有问题，该方法是一种介于铸造冶金和粉末冶金之间的工艺，它将熔融金属或合金在惰性气氛中借助机械离心雾化形成颗粒，并直接喷到较冷的模具上，产生撞击、粘接、凝固而形成沉积物，沉积物可通过各种致密化加工得到晶粒细小、成分均匀性能优异的材料。由于离心喷射成形凝固时不发生液体金属的流动法，不会出现铸造条件下因凝固收缩引起的缩松、缩孔，所以该方法获得的工件性能高于传统铸造制备的环状坯料，且具有良好的后续加工性能，甚至可获得超塑性。

[0004] 但现有的离心喷射成形装置中，同一成形装置仅能够满足一种径向尺寸环状坯件的成形需求，当需要制作不同径向尺寸的环状坯件时，需要使用不同的成形装置，由此使得设备需求量增多，不仅占用空间，而且还增加耗资。

发明内容

[0005] 鉴于现有离心喷射成形技术的不足，本发明的目的在于提供一种可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，使其能够组装形成不同规格的环状模具，以实现环状坯件的径向尺寸的调节，满足模具径向规格尺寸多样的需求。

[0006] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其包括环状模具和离心雾化器，所述环状模具包括旋转底板和多个能够可拆卸固定在该旋转底板不同圆周上的环状挡板，且所述旋转底板具有供离心雾化器穿过的中心孔。

[0007] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

[0008] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其中所述旋转底板上沿圆周方向分布有多个沿径向延伸的定位槽，所述环状挡板通过其底部伸出的固定部与定位槽配合实现与旋转底板之间的固接。

[0009] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其中所述固定部穿过定位槽由旋转底板下方伸出，在该固定部下方的固定螺母将该固定部与旋转底板锁紧。

[0010] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，所述定位槽两侧还设有显示其所在圆周直径的调整刻线，所述固定部两侧还设有用于与该调整刻线配合实现环状挡板精准定位的标识线。

[0011] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，所述环状挡板为由扇形挡板和支撑立柱拼接而成的分体式结构，所述支撑立柱包括上固定部、下固定部和支撑部，其中下固定部穿过定位槽并通过固定螺母与旋转底板固接，支撑部与扇形挡板通过凹凸结构配合连接，旋紧在上固定部上的固定螺母压在扇形挡板上。

[0012] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，所述支撑部两侧设有用于与该调整刻线配合实现环状挡板精准定位的标识线。

[0013] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，所述定位槽为一侧敞开的通槽。

[0014] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，所述离心雾化器包括离心盘和连接套，所述离心盘用于承载金属液体的盘面下方形成有空腔；所述连接套用于将驱动装置的动力传递至离心盘并具能够使离心盘的空腔内充满流动的冷却水，且当金属液体在盘面上凝固形成的固体层厚度达到设定值时，空腔内的冷却水能够与固体层上方的金属液体建立稳态热传导。

[0015] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，其中所述的连接套上设有用于向离心盘空腔输送冷却水的一个进水孔和用于将离心盘内冷却水排出的多个排水孔，且所述进水孔位于连接套中间，排水孔绕进水孔均布。

[0016] 前述的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置，当冷却水与金属液体建立稳态热传导时，离心盘和固体层之间存在以下关系：

[0017]

[0018] 其中，k金为固体层金属的热导率，k盘为离心盘的热导率，H金为固体层金属的设定厚度，H盘为离心盘盘面厚度，T熔为金属熔点温度，T固为固体层与离心盘盘面之间温度，T水为冷却水的最高温度。

[0019] 本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

[0020] 本发明可以丰富离心喷射成形环状结构坯料的尺寸规格，克服了铸造业因工件规格尺寸改变随之需要整体更换模具甚至更换装置的问题，同时可以有效改善劳动者的工作环境，降低劳动强度，节省工装制造费用，同时，该方法具有近净成形、结构紧凑、操作方便、适应场合多、安全高效等优点。

附图说明

[0021] 图1为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的使用示意图；

[0022] 图2为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的模具组成示意图；

[0023] 图3为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的旋转底板结构示意图；

[0024] 图4为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的支撑立柱示意图；

[0025] 图5为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的环状挡板示意图；

[0026] 图6为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的离心盘示意图；

[0027] 图7为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的连接套的结构示意图；

[0028] 图8为为图7的仰视图；

[0029] 图9为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的离心雾化器使用状态示意图。

[0030] 【主要元件符号说明】

[0031] 1：旋转底板

[0032] 2：扇形挡板

[0033] 3：支撑立柱

[0034] 4：螺母

[0035] 5：定位槽

[0036] 6:离心盘

[0037] 7：连接套

[0038] 8：固体层

[0039] 9：进水孔

[0040] 10：排水孔

[0041] a:坯件

[0042] b：离心雾化器

[0043] c：导管

具体实施方式

[0044] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

[0045] 请参阅图1‑9，其为本发明可调整环状坯件径向尺寸的离心喷射成形装置的各部分结构示意图，该装置包括环状模具和位于该环状模具中的离心雾化器b，所述环状模具通过驱动装置同时做旋转运动和轴向往复运动，所述离心雾化器也在对应的驱动装置驱动下在环状模具内做旋转运动，从而将雾化金属液滴喷射至环状模具的内壁上，形成坯件a。

[0046] 所述环状模具包括旋转底板1和多个能够可拆卸固定在该旋转底板1上不同圆周上的环状挡板，其中不同的环状挡板具有不同的内径，由此使得上述环状挡板能够与旋转底板1配合组成不同内径规格的环状模具。

[0047] 所述旋转底板1底部与驱动装置连接，中间具有供离心雾化器b穿过的中心孔11，即该旋转底板1为环状结构，该旋转底板1沿周向分布有多个沿径向延伸的定位槽5，所述环状挡板通过其底部伸出的固定部与定位槽5的配合实现与旋转底板1之间的固接。较佳的，所述环状挡板底部伸出的固定部具有外螺纹，该固定部穿过定位槽5并与固定螺母4配合锁紧，该固定螺母4与旋转底板1下表面配合实现环状挡板在旋转底板1上的固定定位。

[0048] 为实现模具尺寸的精准调整，本发明定位槽5两侧还设有调整刻线51，该调整刻线51用于显示其所在圆周的直径，能够精准定位不同规格的环状挡板在旋转底板上的位置。

[0049] 在本发明实施例中，所述环状挡板包括支撑立柱3和扇形挡板2，每个环状挡板均由多个支撑立柱3和扇形挡板2拼接而成，由此使得对应不同环状挡板的支撑立柱3和扇形挡板2均具有不同的尺寸规格。

[0050] 在本发明实施例中，所述支撑立柱3的数量与定位槽5的数量一致，每个定位槽5内固定一个支撑立柱3，同时与支撑立柱3配合组成环状挡板的扇形挡板2底部支撑在旋转底板1上，实现径向和轴向一个方向的定位。固定在支撑立柱3上端的紧固件压紧在扇形挡板2上端面上，实现扇形挡板2在轴向另一方向的定位，由此，实现环状模具的可靠装配。

[0051] 在本发明实施例中，所述支撑立柱3沿轴向依次为上固定部31、支撑部32以及下固定部33，其中上固定部31和下固定部33外周均设有用于与固定螺母4配合锁紧的螺纹。所述上固定部31和下固定部33的外径均小于支撑部32的外径，由此使得上固定部31与支撑部32之间以及下固定部33与支撑部32之间均形成有挡止面301。其中该支撑立柱3在固定时，下固定部33穿过定位槽5且由旋转底板1底部伸出，支撑部32与下固定部33之间形成的挡止面与旋转底板1上表面挡止限位，旋紧在该下固定部33下端的固定螺母4与旋转底板1下表面配合实现支撑立柱3在旋转底板1上的固定定位。

[0052] 所述扇形挡板2与所述支撑立柱3配合，共同组成支撑在旋转底板1上的环形挡板，所述扇形挡板2周向两侧均被对应的支撑立柱3限位，该扇形挡板2还被旋紧在支撑立柱3上固定部31上的固定螺母压紧在旋转底板上，以防喷射成形过程中出现局部运动，影响环状坯件质量。

[0053] 在本发明实施例中，所述扇形挡板2与支撑立柱3之间通过凹凸结构的配合实现定位。较佳的，所述支撑立柱3支撑部32上具有导向凹槽321，所述扇形挡板2上相应位置则设有导向凸起21，该支撑立柱3和扇形挡板2之间通过导向凸起和导向凹槽的配合实现装配导向和定位。较佳的，所述导向凸起为T型凸起，所述导向凹槽为T型槽，但并不限定于此。

[0054] 为便于定位支撑立柱3的位置，实现环状挡板的快速定位，所述支撑立柱3两侧的中间位置还设有用于与定位槽5两侧的调整刻线51配合定位的标识线34，当该支撑立柱3两侧的标识线34与定位槽5上的调整刻线51某一数值对齐时，即表明该支撑立柱3在该位置与对应的扇形挡板组成的环状挡板的直径即为该数值。

[0055] 在本发明实施例中，所述定位槽5为一侧敞开的通槽，由此使得通过该定位槽5定位的环状挡板具有最大直径和最小直径。较佳的，所述定位槽5远离旋转挡板中心一侧敞开。

[0056] 本发明环状模具在工作时，首先根据需要加工的坯件的尺寸选取相应的支撑立柱3和扇形挡板2，然后使用固定螺母4将支撑立柱3预固定到旋转底板1上，通过旋转底板1上的调整刻度使支撑立柱3位于所需直径的圆周上，然后将扇形挡板2通过支撑立柱3侧面的导向结构装配到位，确保扇形挡板2与支撑立柱3形成环状结构，最后使用固定螺母4将扇形挡板2上端固定，并拧紧下端预定的固定螺母4。

[0057] 工作时，已知旋转底板1能调整的最大直径Dmax、最小直径Dmin，为满足环状坯件a的直径D要求(Dmin≤D≤Dmax)，仅需选取相应尺寸的支撑立柱和扇形挡板，并调整支撑立柱3上的刻线与旋转底板1上直径为D的刻线对正，然后预紧旋转底板1支撑立柱3下面的固定螺母4，再把将扇形挡板2上凸出的T型导向沿着支撑立柱3上凹进去的T型导向装配到位，使用固定螺母4将扇形挡板2上端固定，下端通过旋转底板1固定，拧紧支撑立柱3下端的固定螺母
4,以防离心喷射成形设备在工作中由于振动等原因造成直径D值发生变化。工件a的直径D调整好之后，离心雾化器b通过旋转底板1上的中心孔进入扇形环状挡板2与支撑立柱3组成的环状结构内，离心雾化器b开始旋转,然后熔融金属从导流管c中流到离心雾化器b的表面，在离心雾化器b表面上的熔融金属在离心力作用下喷射到做既可做旋转运动又可上下往复运动的扇形挡板2与支撑立柱3组成的环状结构内，并在环状结构上产生撞击、粘接、凝固而形成环状坯件a，喷射成形结束后，离心雾化器b通过旋转底板1上的中心孔退出扇形挡板2与支撑立柱3组成的环状结构，并将支撑立柱3上下两端的固定螺母4松开，将扇形挡板2和支持立柱3从旋转底板1上拆卸下来，取出环状坯件a，喷射成形工作结束。

[0058] 在本发明实施例中，所述离心雾化器b包括离心盘6和连接套7，其中所述离心盘6包括盘体61和支撑杆62，所述盘体61包括用于承载金属液体的盘面65和形成于该盘面下方的第一空腔63，所述支撑杆62内具有沿轴向延伸且与所述第一空腔63连通的第二空腔64，连接套7伸入该支撑杆62的第二空腔64内并与该支撑杆62固接。该连接套7能够向第一腔体63和第二腔体64内输送冷却水，并能够在盘面65上表面形成有设定厚度的金属固体层时与该固体层表面的液态金属建立稳态热传导，使得该固体层厚度保持不变。

[0059] 在该实施例中，所述支撑杆62与连接套7之间通过螺纹实现连接固定；所述盘体61和支撑杆62一体成型。所述离心盘6和连接套7同轴设置，所述连接套7通过其他装置与旋转电机连接，从而实现离心盘6的旋转驱动。

[0060] 所述连接套7通过其上的进水孔9将新鲜冷却水送入第二空腔64和第一空腔63，对盘面65进行冷却，该连接套7上还设有用于将第一空腔63和第二空腔64内的冷却水排出，实现冷却水更换和循环的排水孔10。即该连接套7能够为离心盘6提供稳定可靠的水冷系统，且在盘面65表面形成的金属固体层8的厚度达到设定值时，该水冷系统与离心盘6表面承载的液态金属建立稳态热传导，使得离心盘6表面由液态金属形成的固体层8能够保持在设定的厚度，由液态金属形成的金属液膜底部与固定层8顶面处的温度维持在金属的熔点，此时，金属液膜顶部表面的温度可保持在浇注温度，由此使得固定层8厚度不会增加，也不会重新融化，使得该离心盘6表面始终具有合适厚度的保护层，从而实现喷射高温金属或连续喷射的目的。较佳的，所述固体层的设定厚度为0.1‑2mm。

[0061] 在该实施例中，所述进水孔9有一个，位于连接套7中间位置且沿轴向延伸，所述排水孔10有多个，其绕进水孔9均匀分布，且沿轴向延伸，且进水孔9的直径远大于排水孔10的直径，进水孔9的直径等于所有排水孔10直径的和。

[0062] 下面对离心盘稳态建立过程进行计算，根据一维稳态问题的传热过程可知：

[0063]

[0064] 上式中，k金为凝固层金属的热导率，k盘为离心盘的热导率，H金为金属凝固形成的固体层的设定厚度，一般为0.1‑2mm，H盘为离心盘盘面的厚度，T熔为金属熔点温度，T固为固体层与离心盘盘面之间温度，一般比金属熔点低100℃，T水为冷却水的最高温度，一般为75‑95℃。

[0065] 通过一维稳态问题的传热过程可求得离心盘厚度H盘。

[0066] 在获得离心盘厚度后，根据导热公式对冷却水的流量进行量化。

[0067]

[0068] 上式中，ρ水为冷却水的密度，c水为冷却水的比热容，Q水为冷却水的流量，T0为冷却水的初始温度，一般为25℃，S盘为离心盘的表面积。

[0069]

[0070] 上式中，d盘为离心盘直径。

[0071] 在得到冷却水Q水的流量，可计算在流速一定的情况下，冷却水进水孔尺寸。

[0072] Q水＝v水S进

[0073]

[0074] 上式中，S进为进水孔9截面积，d进为进水孔9直径。

[0075]

[0076] 上式中，n为排水孔10的数量，d出为单个排水孔10的直径。

[0077] 在获得冷却水流量后，对通过导流管c流向离心盘6的金属流量进行量化，假设液态金属热损为过热度的一半，等于冷却水带走的热量，那么可知液态金属的流量可由下式获得。

[0078] 0.5ρ金c金Q金△T＝ρ水c水Q水(T水‑T0)

[0079] 上式中，ρ金为金属的密度，c金为金属的比热容，Q金为金属的流量，△T为金属的过热度，一般为100℃。

[0080] 基于上述计算，本发明能够通过冷却水的流量控制离心盘表面凝固的固体层的厚度，进而对离心喷射的金属流量进行量化，在冷却水流量、金属流量、离心盘厚度之间建立一个平衡过程来达到保护离心盘的目的，同时为设计离心盘尺寸、冷却水进出口尺寸提高了量化依据。

[0081] 以下是一个具体的实施案例，说明冷却水流量、金属流量、离心盘厚度、进水孔尺寸、排水孔尺寸的计算方式。

[0082] 已知离心盘6的直径60mm；冷却水流速为0.4m/s；离心盘材质为纯铜，金属液流为铝液。

[0083] 根据一维稳态问题的传热过程可知：

[0084]

[0085] 上式中，k金为固体层金属的热导率，值为237W/(m·k)；k盘为离心盘的热导率，值为401W/(m·k)；H金为固体层金属设定厚度，取值为1mm，H盘为离心盘盘面部分的厚度，T熔为金属熔点温度，值为660℃，T固为凝固层与离心盘之间温度，值为560℃，T水为冷却水的最高温度，值为90℃。

[0086] 根据公式可求得离心盘厚度

[0087]

[0088] 离心盘表面积：

[0089]

[0090] 根据一维稳态导热，求得冷却水流量。

[0091]

[0092] 上式中，ρ水为水的密度，值为998kg/m3，c水为水的比热容，值为4200J/kg·℃，Q水为‑3 2水的流量，T0为水的初始温度，值为25℃，S盘离心盘的表面积，值为2.826×10 m。

[0093] 冷却水流量：

[0094]

[0095] 液态金属流量：

[0096]

[0097] 冷却水进口尺寸：

[0098]

[0099]

[0100] 为了便于后续零件加工和计算，取冷却水进孔直径为30mm，

[0101] 选取排水孔数量为6个，那个每个排水孔直径为5mm

[0102]

[0103] 综上计算，直径为60mm的离心盘，冷却水流速为0.4m/s的情况下，在金属液体的流‑4 3量为5.36×10 m/s，离心盘厚度应为8mm,冷却水进孔为30mm，排水孔数量为6个，排水孔直径为5mm，可以在离心盘表面形成稳定的1mm厚的固体层，有效保护离心盘不受烧蚀损坏，且能保证高效喷射成形。

[0104] 在本发明实施例中，所述液态金属由导流管进入离心盘表面的同时冷却水由连接套7进入离心盘6的腔体内，对离心盘进行冷却。

[0105] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。