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1、材料成形装备及自动化 Equipment and Automation of Materials Process,材料成形及控制工程专业核心课程 材料学院材料成形装备及自动化教案,2015-2016学年第二学期,吕 书 林,华中科技大学材料学院,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,2,目 录,第一章 绪 论（2学时） 第二章 金属液态成形装备及自动化（10学时） 第三章 金属塑性成形装备及自动化（8学时） 第四章 金属连接成形装备及自动化（10学时） 第五章 高分子材料成形设备及自动化（2学时） 第六章 快速成形装备及控制（8学时） 第七章 其它材料成形装备（3学时）
2、第八章 热处理工业炉及其控制（2学时） 第九章 材料加工中的环境保护装备（3学时）,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,3,第二章 金属液态成形装备及自动化,2.1 概述 2.2 金属熔化及浇注装备 2.3 造型设备及自动化生产线 2.4 砂处理装备及自动检测系统 2.5 铸件清理自动化 2.6 压力铸造装备及自动化 2.7 低压铸造装备及自动化 2.8 消失模精密铸造装备及生产线 2.9 半固态成形装备,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,4,2.7 低压铸造装备及自动化,低压铸造是金属液体在（气）压力作用下由下而上地充填型腔并在压力下凝固成形
3、的一种方法，由于所用的压力较低（通常0.020.06 MPa)，故称之为低压铸造。 低压铸造装备一般由保温炉及其附属装置、模具开合机构、气压系统和控制系统组成。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,5,低压铸造工艺流程图,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,6,2.7.1 低压铸造机的类型及构造,按模具与保温炉的连接方式，可分为顶置式低压铸造机和侧置式低压铸造机。,1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖；6-浇道；7-型腔；8-铸型,顶置式低压铸造机,侧置式低压铸造机,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,
4、7,1) 顶置式低压铸造机,特点： 结构简单，制造容易，操作方便；但生产效率较低，因保温炉上只能放置一付模具，操作均在炉上进行，故一个周期内，保温炉一半时间空闲。 其次，下模受保温炉炉盖的热辐射影响，冷却缓慢，使铸件凝固时间延长；且下模不能设置顶杆装置，给模具设计增加不便。此外，保温炉的密封、保养和合金处理均不方便。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,8,2) 侧置式低压铸造机,特点： 将铸型置于保温炉的侧面，铸型和保温炉由升液管联结。 一台保温炉上同时可为两付以上的模型提供金属液，生产效率提高。 装料、扒渣和合金液处理等操作方便；铸型的受热条件得到改善。但侧置式机器
5、结构复杂，应用受限制。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,9,3) 低压铸造保温炉,一般采用坩埚式电阻炉，其优点是结构简单，温控方便。,电阻式坩埚炉（用于顶置式） 1-.炉体 2-排铝孔 3-炉壳 4-电阻元件 5-铸铁坩锅 6-升液管 7-密封盖,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,10,4) 低压铸造装备,主液压缸,侧液压缸,金属模具,保温炉,控制系统,液压系统,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,11,2.7.2 低压铸造的自动加压控制系统,1) 气体加压原理 主要控制: 气体的流量 气体的压力,EAMP 材料成形
6、装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,12,典型数字组合阀结构,8通道数字组合阀原理图,每组通道由一个电磁阀、一个节流阀和一个截止阀组成。电磁阀控制通道的开启或闭合，节流阀控制流量，截止阀常开。一个通道即对应一种流量，可获得256 种不同的充型速率。响应和调节速度快，两种不同状态之间的切换时间仅80ms。,1) 气体加压原理,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,13,2) 简单的低压铸造液面加压工艺曲线,加压工艺曲线的数学模型,式中： d(i)/dt -气体升压速度； -第i段压差值； - 液体金属密度； A - 坩埚截面积； Ai - 型腔第i段处截面积； Vi
7、- 型腔第i段上要求的液体金属充型速度； - 气体升压速度补偿系数，由实验确定； g - 重力加速度。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,14,3) 低压铸造计算机控制原理,计算机控制系统采用实时控制，对整个生产工艺过程进行闭环控制。为了便于编制程序和简化起见，采用块程序结构形式，即每一块程序完成一个特定的功能。程序之间的联系有跳转、调用和建立公用参数区三种方式。 该系统的主控制程序包括引导工作程序、开关量状态检测程序和中断服务程序等。,低,低,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,15,4) 低压铸造举例,发动机缸体低压铸造机系统,EAMP 材
8、料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,16,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,17,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,18,2.8 消失模精密铸造装备及生产线,基本原理： 采用泡沫塑料模样代替普通模样紧实造型，造好铸型后不取出模样、直接浇入金属液，在高温金属液的作用下，泡沫塑料模样受热气化、燃烧而消失，金属液取代原来泡沫塑料模样占据的空间位置，冷却凝固后即获得所需的铸件。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,19,2) 典型的消失模铸造零件,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,20,(
9、2) 主要装备,泡沫塑料模样的成形加工装备，造型装备及型砂处理装备，涂料的制备及烘干装备。,白 区,黄 区,黑 区,预发泡,发泡成型,涂 料,填砂,抽真空系统,浇 注,沙处理系统,烘 干,组 模,动紧实,振,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,21,2.8.1 泡沫塑料模样的成形装备,模样制作的方法有两种：一是发泡成形；二是利用机床加工（泡沫模样板材）成形。 前者主要设备有：预发泡机、成形发泡机等。 (1) 预发泡机,间隙式蒸汽预发泡工艺流程 a)称量 (b)加料 (c)预发泡 (d)卸料 1称量传感器 2原珠粒 3光电管 4蒸汽,EAMP 材料成形装备及自动化(4)
10、华中科技大学材料学院,22,间歇式蒸汽预发泡机,该设备的关键是： 蒸汽进入不宜过于集中，压力和流量不能过大，以免造成结块、发泡不均，甚至部分珠粒因过度预发而破坏； 因为珠粒直接与蒸汽接触，预发泡珠粒中水的质量分数高达10%左右，因此卸料后必须经过干燥处理。 这种预发泡不是通过时间而是通过预发泡的容积定量（即珠粒的预发泡密度定量）来控制预发泡质量，控制方便、效果良好。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,23,(a) 立式成形机 (b) 卧式成形机 1.固定工作台 2.定模 3.动模 4.移动工作台 5.导杆 6.液压缸,(2) 成形发泡机,简易型成形机 成型过程： a.
11、 加入预发珠粒； b. 通入蒸汽发泡成形； c. 通水冷却定形； d. 开模取件。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,24,2.8.2 造型装备及生产线,主要装备有：雨淋加砂器、振动紧实台、真空系统、旧砂冷却除尘系统、输送辊道、浇注设备等。其中关键设备是：振动紧实台。,消失模铸造采用干沙振动造型，而不是粘土砂造型。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,25,(1) 振动紧实台,振动紧实台分为一维紧实台、二维紧实台、三维紧实台及多维紧实台。,三维振动紧实台结构示意图 1砂箱 2夹紧装置 3振动台体 4振动电机5空气弹簧 6底座,一维振动紧实台结构
12、示意图 1砂箱 2振动台体 3振动电机4橡胶弹簧 5高度限位杆 6空气弹簧 7底座,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,26,一种三维振动紧实台的照片,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,27,(2) 双电机振动紧实,双电机驱动可产生垂直方向圆振动的紧实台，由于有着独特的干砂充填性能，近年来应用逐渐扩大，有取代三维紧实台的趋势。,1）不同相位的双电机驱动 相位差能使在砂箱各处形成相同振幅、相同振动加速度即均匀一致的垂直面圆振动，从而使型砂具有良好的 流动充填性能。 主要控制参数为： 振幅：0.30.5mm； 振动加速度：9.811.76m/s2。
13、,双电机振动台工作原理图,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,28,2) 双电机振动模型,双电机反向转动 双电机同向转动 单电机转动,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,29,(3) 消失模铸造生产线,消失模自动化生产线布置图 1风力输送器 2砂冷却装置 3翻转式落砂机 4砂箱及辊道 5，7振动台 6，8砂斗 9浇注 10除尘器 11真空系统,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,30,消失模铸造生产线黑区三维视图,(3) 消失模铸造生产线,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,31,2.9 半固态铸造
14、成形装备,半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行搅拌（可强可弱），使普通铸造凝固易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属浆料，然后将其铸成坯料或压成铸件。,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,32,2.9.1 半固态铸造的基本原理,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,33,制造汽车零部件,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,34,制造电子产品,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,35,壳体及框架,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,36
15、,(2) 半固态铸造方法及装备,按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸造装备和触变铸造装备。半固态铸造成形装备主要包括：半固态浆料制备装备、半固态成形装备（压铸、挤压铸造机）、辅助装置等。,1) 流变铸造 将半固态金属浆料压铸或挤压成形，俗称“一步法”,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,37,2) 触变铸造,是先由连铸等方法制得的具有半固态组织的锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，然后再压铸或挤压成形，俗称“二步法”。,(2) 半固态铸造方法及装备,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,38,2.9.2 半固态浆料的制备装置,(1) 机械搅拌
16、式制浆装置,单螺杆制浆装置示意图,双螺杆制浆装置示意图,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,39,(2) 电磁搅拌制浆装置,压射室电磁搅拌制浆装置,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,40,(3) 低过热度制浆装置,机械搅拌能够制备出优良的半固态浆料，但搅拌工具寿命受限且容易污染金属。为避免这些问题，近年来出现了低过热度弱搅拌制浆技术，从晶粒的形核、长大热力学和动力学条件上着手，营造合适的凝固条件（如浇注温度和冷却速率等）来提高形核率并促使晶核以球状方式生长。,SSR流变成形,NRC流变成形,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料
17、学院,41,(4) 气流搅拌制浆装置,气流搅拌制浆原理图,气流复合振动制浆装置图,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,42,(5) 超声波制浆装置,超声制浆装置示意图 1.超声发生控制器；2.电炉；3.变幅杆；4.换能器； 5. 支撑架；6.样杯； 7.升降杆；8.支撑台； 9. 温控仪.,超声制浆装置实物图,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,43,超声波制浆效果,无超声,超声后,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,44,2.9.3 成 形 装 备,触变压铸设备,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,45,我校半固态成形研究进展,半固态铸锻技术,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,46,铝基纳米复合材料流变挤压技术,nano-SiC/Al复合材料的流变挤压技术,EAMP 材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院,47,本节思考题,1、简述低压铸造机的类型及构造 2、消失模精密铸造有哪些主要装备？简述各自的作用。 3、简述半固态铸造成形方法及主要装备类型与作用。 4、简述金属半固态注射成形与塑料注射成形装备在结构及材料上的区别。,