本實(shí)用新型涉及一種金屬材料半固態(tài)成形領(lǐng)域，尤其是涉及了一種復(fù)雜薄壁類鋁合金件超聲輔助半固態(tài)壓鑄成型裝置。

背景技術(shù)：

近年來，隨著信息技術(shù)和通訊產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，復(fù)雜薄壁類鋁合金鑄件在電子通訊產(chǎn)業(yè)中有著廣泛需求，例如：手機(jī)外殼、LED燈散熱器、通訊基站殼體等，如圖1所示。該類零件通常具有復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)和薄壁特征，其壁厚通常<4.0mm，局部區(qū)域壁厚<0.5mm。此外，該類鋁合金鑄件往往由多個(gè)大的平面或曲面組成，采用傳統(tǒng)壓鑄成形或切削加工方式難以實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前，薄壁類鋁合金鑄件的常用制造工藝為普通壓力鑄造。普通壓力鑄造工藝在鋁合金鑄件生產(chǎn)中占有主導(dǎo)地位，約占鋁合金鑄件總量的60％，該工藝也可用于部分薄壁鑄件的成形制造。然而，在嚴(yán)格控制壓鑄工藝的基礎(chǔ)上，目前薄壁類鋁合金鑄件的壓鑄成品率約為80％，常見缺陷包括欠鑄、拐角開裂、組織疏松、冷隔和花紋等，這些缺陷造成了大量的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。由于在薄壁類鑄件中易產(chǎn)生的缺陷以及壓鑄工藝的局限性，因此，普通壓力鑄造工藝難以滿足特征壁厚<1.0mm的復(fù)雜薄壁類鋁合金鑄件的制造加工。

為改進(jìn)鋁合金壓鑄工藝、提高鋁合金鑄件的力學(xué)性能，半固態(tài)壓鑄成形工藝在近年來受到了廣泛關(guān)注。半固態(tài)金屬成形是介于鑄造和鍛造之間的一種工藝過程，是針對(duì)固、液態(tài)共存的半熔化或半凝固金屬進(jìn)行成形加工的工藝方法的總稱，主要包括觸變成形和流變成形兩種工藝。半固態(tài)金屬坯料具有一定的固液比，和液態(tài)金屬相比粘度較高，成形時(shí)可避免噴濺、紊流及卷氣等問題，成形件比液態(tài)鑄件性能好；它和固體鍛造相比，低變形抗力和良好的流動(dòng)性使得更易形成微細(xì)特征結(jié)構(gòu)，且成形載荷較低。因此，和傳統(tǒng)成形工藝相比，半固態(tài)金屬成形較好地綜合了固態(tài)模鍛與液態(tài)壓鑄成形的優(yōu)點(diǎn)，可批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜、高性能和高精度的微型零部件。

在半固態(tài)金屬成形過程中，金屬材料流動(dòng)應(yīng)力不僅受到固相率的直接影響，也受到固相團(tuán)聚程度的顯著影響。固相團(tuán)聚程度較高時(shí)，將明顯提高半固態(tài)金屬表觀粘度和流動(dòng)應(yīng)力，從而降低其對(duì)于薄壁型腔的填充能力，限制了鋁合金半固態(tài)壓鑄技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。

中國(guó)實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)?00810058112.7)公開了一種過共晶鋁硅合金 鑄件半固態(tài)流變擠壓鑄造工藝及裝置。該裝置采用擠壓鑄造，實(shí)現(xiàn)過共晶鋁硅合金制品的半固態(tài)連續(xù)流變擠壓鑄造，提高了材料的利用率，減少加工余量，但是其仍然存在成形力大、成形效果不好等問題，難以滿足復(fù)雜薄壁類零件的成型需求。

中國(guó)實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)?01410087101.7)公開了一種高硅鋁合金封裝外殼半固態(tài)的連續(xù)成形方法。該實(shí)用新型利用半固態(tài)擠壓成形中液相與固相偏析和分離的特征，制備加工高性能薄壁復(fù)雜形狀高硅鋁合金電子封裝殼體，但該實(shí)用新型工藝制作多為簡(jiǎn)單殼體零件，難以滿足高深寬比的復(fù)雜薄壁類鋁合金鑄件加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了降低半固態(tài)金屬中的固相團(tuán)聚程度，進(jìn)一步提高薄壁類鋁合金鑄件的壓鑄成形性能和質(zhì)量，提出了一種復(fù)雜薄壁類鋁合金件超聲輔助半固態(tài)壓鑄成型裝置，在壓鑄過程中引入超聲能場(chǎng)，能有效降低固相團(tuán)聚程度，進(jìn)而提高半固態(tài)金屬的流動(dòng)能力和充型能力，降低半固態(tài)金屬與型腔壁的摩擦阻力，同時(shí)超聲振動(dòng)可細(xì)化晶粒，提高鑄件的成形質(zhì)量。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型包括壓鑄機(jī)、壓鑄模具、超聲振動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，壓鑄模具安裝在壓鑄機(jī)，壓射組件穿過靜模固定板與壓鑄模具連接，壓鑄模具的動(dòng)模上安裝連接超聲振動(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)直接作用于動(dòng)模以超聲輔助進(jìn)行半固態(tài)壓鑄成型，動(dòng)模設(shè)有與超聲振動(dòng)系統(tǒng)連接的冷卻系統(tǒng)。

所述的壓鑄機(jī)包括底座、壓射組件、靜模固定板、動(dòng)模固定板、壓鑄機(jī)導(dǎo)柱和壓鑄機(jī)導(dǎo)軌，壓射組件與靜模固定板固定連接，靜模固定板固定在底座上，動(dòng)模固定板可水平移動(dòng)地活動(dòng)安裝在底座上；壓鑄機(jī)導(dǎo)軌安裝在靜模固定板側(cè)方的底座上，動(dòng)模固定板底部嵌入壓鑄機(jī)導(dǎo)軌；靜模固定板兩側(cè)固定連接有水平的壓鑄機(jī)導(dǎo)柱，壓鑄機(jī)導(dǎo)柱穿過動(dòng)模固定板中部，壓鑄機(jī)導(dǎo)軌和壓鑄機(jī)導(dǎo)柱相平行；動(dòng)模固定板沿壓鑄機(jī)導(dǎo)軌和壓鑄機(jī)導(dǎo)柱水平移動(dòng)。

所述的壓鑄模具包括動(dòng)模和靜模，靜模和動(dòng)模均通過壓板組件分別固定在靜模固定板和動(dòng)模固定板上，靜模固定板端面連接有壓射組件，靜模上設(shè)有靜模澆注口，靜模澆注口與壓射組件的出口連接相通。

所述的靜模包括第一螺栓、澆口套、靜模模架、靜模模芯和模具導(dǎo)套，靜模模架一端通過壓板組件固定在靜模固定板上，靜模模架另一端的四角開有階梯孔，階梯孔內(nèi)裝有用于動(dòng)模的模具導(dǎo)柱伸入配合連接的模具導(dǎo)套；靜模模架中間鑲嵌有靜模模芯，通過第一螺栓與靜模模架固定，靜模模芯及靜模模架中 部開有通孔，通孔內(nèi)套有澆口套。

所述的動(dòng)模包括動(dòng)模模架、動(dòng)模模芯、模具導(dǎo)柱、動(dòng)模支撐板、動(dòng)模模腳和第二螺栓，動(dòng)模模架、動(dòng)模支撐板和動(dòng)模模腳之間通過四角的第二螺栓依次相固定連接，動(dòng)模模架中間鑲嵌固定有動(dòng)模模芯，動(dòng)模支撐板一端面的四角設(shè)有模具導(dǎo)柱，模具導(dǎo)柱穿過動(dòng)模模架伸入到所述靜模的靜模模架的模具導(dǎo)套中，動(dòng)模支撐板另一端上固定安裝有超聲振動(dòng)系統(tǒng)。

所述的超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲發(fā)生器和超聲振動(dòng)器，超聲振動(dòng)器包括固定安裝在法蘭盤上的超聲換能器和超聲變幅桿，法蘭盤的四角通過連接桿和第一螺母固定連接到所述動(dòng)模支撐板端面，超聲變幅桿的輸入端通過螺栓組固定連接在法蘭盤上并穿過法蘭盤的中心孔，超聲變幅桿輸出端穿過所述動(dòng)模支撐板伸入到動(dòng)模模芯中；超聲換能器通過超聲連接桿固定在超聲變幅桿輸入端的端面，超聲換能器和超聲變幅桿輸入端端面之間連接有壓電陶瓷；超聲連接桿端面開有出水口，超聲變幅桿的節(jié)點(diǎn)位置設(shè)有進(jìn)水口，出水口和進(jìn)水口與水冷系統(tǒng)連接。

所述的壓射組件包括壓射桿和壓射管道，壓射桿伸入到壓射管道一端內(nèi)，壓射管道側(cè)壁連接進(jìn)料口，壓射管道內(nèi)形成壓射腔，壓射管道另一端穿過靜模固定板與靜模連接，使得靜模上的靜模澆注口與壓射腔出口同心對(duì)齊。

由于壓鑄過程屬于高溫高壓，為了防止超聲換能器由于過熱而損壞，在超聲系統(tǒng)上設(shè)置水冷系統(tǒng)12。所述的水冷系統(tǒng)包括水泵和水箱，進(jìn)水口經(jīng)水泵和水箱連接，出水口直接與水箱連接。

本實(shí)用新型裝置通過上述超聲振動(dòng)系統(tǒng)在壓鑄模具上施加超聲波，通過壓射組件在壓射腔內(nèi)進(jìn)行處理，不僅可改善鋁合金半固態(tài)熔體的流動(dòng)性和充型性能，還可以提高壓鑄件的力學(xué)性能。

本實(shí)用新型所述復(fù)雜薄壁類鋁合金鑄件為特征尺寸為0.5mm～1.5mm壁厚的鋁合金鑄件。

本實(shí)用新型具有的有益效果是：

1、本實(shí)用新型將超聲波引入到鋁合金半固態(tài)壓鑄成型加工過程中，通過連接桿結(jié)合法蘭結(jié)構(gòu)將超聲系統(tǒng)直接與動(dòng)模模芯接觸，并保持一定的預(yù)壓力，保證超聲波以最大的效率傳導(dǎo)到半固態(tài)溶體，

一方面利用超聲波振動(dòng)有效降低固相團(tuán)聚程度，進(jìn)而提高半固態(tài)金屬的流動(dòng)能力和充型能力，降低半固態(tài)金屬與型腔壁的摩擦阻力，

另一方面超聲振動(dòng)也可細(xì)化晶粒，提高鑄件的致密度，從而進(jìn)一步鋁合金鑄件的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能；

2、超聲發(fā)生器能夠自動(dòng)進(jìn)行頻率掃描匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模具進(jìn)行頻率掃描和匹配，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性；

3、將冷卻系統(tǒng)設(shè)置在變幅桿節(jié)點(diǎn)位置，直接隔斷了模具熱量傳導(dǎo)，提高了冷卻效率，同時(shí)不對(duì)超聲系統(tǒng)工作頻率產(chǎn)生影響。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的整體裝配結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2是本實(shí)用新型合模過程的原理圖。

圖3是本實(shí)用新型半固態(tài)漿料澆注過程的原理圖。

圖4是本實(shí)用新型壓鑄保壓過程的原理圖。

圖5是本實(shí)用新型開模取件過程的原理圖。

圖6是本實(shí)用新型的靜模裝配結(jié)構(gòu)圖。

圖7是本實(shí)用新型的動(dòng)模裝配結(jié)構(gòu)圖。

圖8是本實(shí)用新型的超聲系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)圖。

圖9是本實(shí)用新型的壓板組件示意圖。

圖10是圖9的局部放大圖。

圖中：1.壓射桿，2.進(jìn)料口，3.靜模固定板，4.靜模，5.動(dòng)模，6.超聲振動(dòng)器，7.動(dòng)模固定板，8.壓板組件，9.壓鑄機(jī)導(dǎo)柱，10.壓鑄機(jī)導(dǎo)軌，11.超聲發(fā)生器，12.水冷系統(tǒng)，13.底座，14.半固態(tài)熔體，15.鑄件，16.第一螺栓，17.澆口套，18.靜模模架，19.靜模模芯，20.模具導(dǎo)套，21.動(dòng)模模架，22.動(dòng)模模芯，23.模具導(dǎo)柱，24.動(dòng)模支撐板，25.動(dòng)模模腳，26.第二螺栓，27.超聲變幅桿，28.連接螺桿，29.進(jìn)水口，30.法蘭盤，31.第一螺母，32.壓電陶瓷，33.超聲換能器，34.出水口，35.超聲連接桿，36.螺栓組，37.壓板塊，38.第二螺母，39.滑軌螺栓，40.第三螺栓。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型包括底座13、壓鑄機(jī)、壓鑄模具4、5、超聲振動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)12，壓鑄機(jī)安裝在底座13上，壓鑄模具4、5安裝在壓鑄機(jī)，壓射組件安裝在壓鑄機(jī)上并與壓鑄模具4、5連接，壓鑄模具4、5的動(dòng)模5上安裝連接超聲振動(dòng)系統(tǒng)，超聲振動(dòng)系統(tǒng)直接作用于動(dòng)模5以超聲輔助進(jìn)行半固態(tài)壓鑄成型，動(dòng)模5設(shè)有與超聲振動(dòng)系統(tǒng)連接的冷卻系統(tǒng)12。

如圖1所示，壓鑄機(jī)包括靜模固定板3、動(dòng)模固定板7、壓鑄機(jī)導(dǎo)柱9和壓鑄機(jī)導(dǎo)軌10，靜模固定板3固定在底座13上，動(dòng)模固定板7可水平移動(dòng)地活動(dòng)安裝在底座13上；壓鑄機(jī)導(dǎo)軌10安裝在靜模固定板3側(cè)方的底座13上，動(dòng)模 固定板7底部嵌入壓鑄機(jī)導(dǎo)軌10；靜模固定板3兩側(cè)固定連接有水平的壓鑄機(jī)導(dǎo)柱9，壓鑄機(jī)導(dǎo)柱9穿過動(dòng)模固定板7中部，壓鑄機(jī)導(dǎo)軌10和壓鑄機(jī)導(dǎo)柱9相平行；動(dòng)模固定板7沿壓鑄機(jī)導(dǎo)軌10和壓鑄機(jī)導(dǎo)柱9水平移動(dòng)。

壓鑄模具包括動(dòng)模5和靜模4，靜模4和動(dòng)模5均通過壓板組件8分別固定在靜模固定板3和動(dòng)模固定板7上，靜模固定板3端面連接有壓射組件，靜模4上設(shè)有靜模澆注口，靜模澆注口與壓射組件的出口連接相通。

如圖6所示，靜模4包括第一螺栓16、澆口套17、靜模模架18、靜模模芯19和模具導(dǎo)套20，靜模模架18一端通過四角的第一螺栓16固定在靜模固定板3上，靜模模架18另一端的四角開有盲孔，盲孔內(nèi)裝有用于動(dòng)模5的模具導(dǎo)柱23伸入配合連接的模具導(dǎo)套20；靜模模架18中間鑲嵌固定有靜模模芯19，靜模模芯19中部開有通孔，通孔內(nèi)套有澆口套17，澆口套17一端為靜模澆注口。

如圖7所示，動(dòng)模5包括動(dòng)模模架21、動(dòng)模模芯22、模具導(dǎo)柱23、動(dòng)模支撐板24、動(dòng)模模腳25和第二螺栓26，動(dòng)模模架21、動(dòng)模支撐板24和動(dòng)模模腳25之間通過四角的第二螺栓26依次相固定連接，動(dòng)模模架21中間鑲嵌固定有動(dòng)模模芯22，動(dòng)模支撐板24一端面的四角設(shè)有模具導(dǎo)柱23，模具導(dǎo)柱23穿過動(dòng)模模架21伸入到所述靜模4的靜模模架18的模具導(dǎo)套20中，動(dòng)模支撐板24另一端上固定安裝有超聲振動(dòng)系統(tǒng)的超聲振動(dòng)器6，超聲振動(dòng)器6直接作用于動(dòng)模模芯22。

如圖8所示，超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲發(fā)生器11和超聲振動(dòng)器6，超聲振動(dòng)器6包括固定安裝在法蘭盤30上的超聲換能器33和超聲變幅桿27，法蘭盤30的四角通過連接桿28和第一螺母31固定連接到所述動(dòng)模支撐板24端面，超聲變幅桿27的輸入端通過螺栓組36固定連接在法蘭盤30上并穿過法蘭盤30的中心孔，超聲變幅桿27輸出端穿過所述動(dòng)模支撐板24伸入到動(dòng)模模芯22中；

超聲換能器33通過超聲連接桿35固定在超聲變幅桿27輸入端的端面，超聲換能器33和超聲變幅桿27輸入端端面之間連接有壓電陶瓷32；超聲連接桿35端面開有出水口34，超聲變幅桿27的節(jié)點(diǎn)位置設(shè)有進(jìn)水口29，出水口34和進(jìn)水口29與水冷系統(tǒng)12連接。

超聲發(fā)生器11采用頻率自動(dòng)掃描設(shè)計(jì)，可適應(yīng)不同模具。超聲換能器33為壓電式換能器，壓電陶瓷材料為PZT-4，所述超聲發(fā)生器11，采用采用全橋逆變的拓?fù)洌訢SP作為系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)掃描，保證換能器可以以最大的輸出功率輸出，來匹配不同模具。

如圖9和圖10所示，壓板組件8包括壓板塊37、第二螺母38、滑軌螺栓39和第三螺栓40，壓板塊37上開有條形槽，第二螺母38穿過條形槽連接滑軌 螺栓39，滑軌螺栓39嵌入到靜模固定板3或者動(dòng)模固定板7的凹槽內(nèi)，壓板塊37一端嵌入到所述動(dòng)模5的動(dòng)模模腳25側(cè)壁條形槽或者所述靜模4的靜模模架18側(cè)壁條形槽中，壓板塊37另一端通過第三螺栓40頭部支撐到到靜模固定板3或者動(dòng)模固定板7上，調(diào)節(jié)第三螺栓40伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度匹配模具側(cè)壁條形槽高度，再旋緊第二螺母38進(jìn)行壓緊。

壓射組件包括壓射桿1和壓射管道，壓射桿1伸入到壓射管道一端內(nèi)，壓射管道側(cè)壁連接進(jìn)料口2，壓射管道內(nèi)形成壓射腔，壓射管道另一端穿過靜模固定板3與靜模4連接，使得靜模4上的靜模澆注口與壓射腔出口同心對(duì)齊。

水冷系統(tǒng)12包括水泵和水箱，進(jìn)水口29經(jīng)水泵和水箱連接，出水口34直接與水箱連接。冷卻系統(tǒng)12采用水冷方式，相對(duì)于風(fēng)冷、油冷等冷卻方式具有，冷卻效率高，裝置簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。冷卻系統(tǒng)12設(shè)置于超聲變幅桿27上，有效阻隔了壓鑄模具熱量往超聲換能器32傳遞，同時(shí)進(jìn)水口在節(jié)點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)，減少對(duì)變幅桿頻率的影響。

本實(shí)用新型的具體實(shí)施過程如下：

1)半固態(tài)金屬漿料制備：采用制漿設(shè)備將鋁合金A356的胚料加熱到590℃，并在保溫爐中進(jìn)行保溫儲(chǔ)存；

2)如圖2所示，將動(dòng)模和靜模的壓鑄模具預(yù)熱至150～250℃并表面噴涂脫模劑，然后在模具導(dǎo)柱23和模具導(dǎo)套20的幫助下進(jìn)行準(zhǔn)確合模；

3)打開所述超聲振動(dòng)系統(tǒng)和所述冷卻系統(tǒng)，施加超聲振動(dòng)的功率為200W、頻率為20KHz和幅值為10μm。

4)如圖3、圖4所示，利用保溫定量杯被從保溫爐中盛取半固態(tài)漿料，澆入注射腔后，當(dāng)半固態(tài)熔體14完全進(jìn)入注射腔，壓射桿以1～5m/s的壓射速度以比壓40MPa的壓力進(jìn)行壓鑄，然后保壓5～10s，壓鑄過程中超聲振動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)持續(xù)工作；

5)如圖5所示，打開模具，取去壓鑄好的鑄件15，并準(zhǔn)備進(jìn)行下一次壓鑄。

本實(shí)用新型裝置通過將超聲波振動(dòng)直接作用于壓鑄模具模芯，克服了常規(guī)壓鑄方法所存在的成形質(zhì)量不高，難以生產(chǎn)高性能要求的復(fù)雜薄壁類零件等問題，解決了目前高深寬比復(fù)雜薄壁類鋁合金鑄件成型技術(shù)在鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面存在的問題和局限性。