材料成形装备及自动化C2E4

材料成形装备及自动化Equipment and Automation of Materials Process凌宏江 副教授 华中科技大学材料学院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2009-2010学年第二学期目 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（2学时）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（2学时）总结复习（2学时） 2材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院第二章 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3材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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。4材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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5材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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。 6材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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 液处理都较方便； 铸型的受热条件得 到改善。但侧置式 机器结构复杂，应 用受限制。7材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院3) 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8材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院4) 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9材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院2.7.2 低压铸造的自动加压控制系统1) 气体加压原理图主要控制主要控制: : 气体的压力气体的压力 流量流量10材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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 - 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。耐压件耐压件p3p3压力压力时间时间薄件薄件厚件厚件t4t4t3t3t2t2t1t1p2p2p1p1金属型低压铸造工艺曲线金属型低压铸造工艺曲线简单件简单件11材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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。 计算机控制的低压铸造生产过程示意图低压铸造计算机控制原理图低低12材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院4) 低压铸造举例：发动机缸体低压铸造机系统13材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院14材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院15材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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。16材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院(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 区预发泡发泡成型发泡成型涂涂 料料填砂填砂振动紧实振动紧实抽真空系统抽真空系统砂处理系统砂处理系统浇浇 注注烘烘 干干组 模17材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院3) 典型的消失模铸造零件18材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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19材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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。20材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院(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. 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。21材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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。22材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院(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 23材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院一种三维振动紧实台的照片24材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院(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。双电机振动台工作原理图25材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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 26材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院(3) 消失模铸造生产线年产1500t铸件消失模铸造生产线的黑区平面布置简图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27材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院铸件消失模铸造生产线的三维视图28材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院2.9 半固态铸态铸 造成形装备备半固态铸造 成形是在液态 金属凝固的过 程中进行强烈 的搅动，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 属液，然后将 其铸成坯料或 压成铸件。29材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院汽车零件30材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院在电子产品方面的应用31材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院壳体及框架32材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院2.9.1 半固态铸造的基本原理33材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院(2) 半固态铸造方法及主要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、辅助装置等。1) 流变铸造将从液相到固 相冷却过程中的金 属液进行强烈搅动 ，在一定的固相分 数下将半固态金属 浆料压铸或挤压成 形，俗称“一步法”34材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院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”。35材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院2.9.2 半固态浆料的制备装置(1) 机械搅拌式制浆装置机械搅拌式制浆装 置示意图1-浇包 2-浇口杯 3-搅拌杆36材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院(2) 气流搅拌法制浆装置处理炉熔炼炉输液泵旋转系统热电偶、转杆和送粉管振动台升降系统预热炉37材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院2.9.3 成 形 装 备瑞士 BÜHLER 公司推出的触变压铸设备 38材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院半固态铸锻技术39材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院本节思考题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。40材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院41材料成形装备及自动化(4) 华中科技大学材料学院