一種高溫物料流動(dòng)控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高溫物料流動(dòng)控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫物料成形分為金屬液態(tài)成形和非金屬液態(tài)成形。金屬的液態(tài)成形又稱為鑄 造，其原理：將固態(tài)物料加熱到液態(tài)，使其符合一定的化學(xué)成分要求，并具有一定的流動(dòng)能 力，然后澆入到鑄型中，在重力場(chǎng)或外力場(chǎng)的作用下冷卻、結(jié)晶凝固后獲得具有一定形狀和 性能要求的鑄件或鑄錠的一種熱加工方法。非金屬液態(tài)成形，如：陶瓷注射成型，將陶瓷粉 料與熱塑性樹脂、石蠟、增塑劑、溶劑等加熱混勻后進(jìn)入注射成型機(jī)中經(jīng)加熱熔融后獲得塑 性，在一定的壓力下從噴嘴高速噴注人金屬模腔內(nèi)，在極短時(shí)間內(nèi)冷卻固化而得以成型。
[0003] 液態(tài)成形是制造業(yè)的重要分支，使用范圍廣，可以生產(chǎn)出各種形狀和大小的零件， 尺寸精度較高、成本低廉。澆注成型作為液態(tài)成形技術(shù)的一種，一般采用傾覆式澆注或底部 開孔澆注。前者是轉(zhuǎn)動(dòng)高溫熔煉爐，熔煉爐內(nèi)熔融態(tài)物料流出，通過澆口杯進(jìn)入模具內(nèi)澆鑄 成型；后者是當(dāng)熔煉完成后，將熔煉爐下端的塞桿移出，使熔融態(tài)物料從熔煉爐底部流入模 具內(nèi)澆鑄成型。
[0004] 無論哪一種方式，在成形過程中，重力或外力作用于熔融態(tài)物料，精確的流量、流 速控制是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，一般采用高溫閥芯控制，這種接觸式的機(jī)械閥 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高溫密封性能差，操作不方便。與熔融態(tài)物料直接接觸，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，污染 原材料。熔融態(tài)物料流經(jīng)閥芯，有殘留，凝固后易堵塞閥芯，清理不方便，使用壽命短。
[0005] 作為高溫液態(tài)金屬成形重要應(yīng)用領(lǐng)域之一的熔融態(tài)金屬3D打印，其利用熔融沉 積成型法中金屬微滴熱沉技術(shù)作為基礎(chǔ)，通過外力迫使金屬熔液以均勻微滴的形式從噴嘴 中噴射出來，通過控制金屬微滴的堆積軌跡，進(jìn)行逐點(diǎn)、逐層堆積，直至成型出微小零件。其 主要挑戰(zhàn)在于熔融態(tài)物料的精確流動(dòng)控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種高溫物料流動(dòng)控制裝置及方 法。通過氣體壓力差控制高溫物料流動(dòng)的啟動(dòng)與停止、流速快慢、流量大小的控制方法，廣 泛應(yīng)用于高分子材料、各種高溫金屬、合金和陶瓷流動(dòng)及成形的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高溫物料流動(dòng)的 非接觸式、高精度控制。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種高溫物料流動(dòng)控制裝置，包括氣密室、熔煉爐、密封蓋、氣密室氣體壓力控制 單元、恪煉爐氣體壓力控制單元、氣體溫度控制單元；所述恪煉爐處于氣密室內(nèi)，所述密封 蓋與熔煉爐頂部密封連接，熔煉爐底部開有底孔；所述氣密室下部側(cè)面開有氣密室下進(jìn)氣 口、氣密室下出氣口，所述氣密室下進(jìn)氣口、氣密室下出氣口連接氣密室氣體壓力控制單 元；所述氣密室頂部開有氣密室上進(jìn)氣口、氣密室上出氣口，所述氣密室上進(jìn)氣口、氣密室 上出氣口上端連接熔煉爐氣體壓力控制單元，所述密封蓋開有密封蓋進(jìn)氣口和密封蓋出氣 口；所述密封蓋進(jìn)氣口與氣密室上進(jìn)氣口通過氣體管路連接，所述密封蓋出氣口與氣密室 上出氣口通過氣體管路連接，所述氣體溫度控制單元安裝在氣密室下進(jìn)氣口上，實(shí)時(shí)檢測(cè) 并調(diào)節(jié)流入氣密室下進(jìn)氣口的氣體溫度；所述氣密室氣體壓力控制單元、氣密室下進(jìn)氣口、 氣密室、熔煉爐的物料下部、氣密室下出氣口組成第一氣體回路，第一氣體回路產(chǎn)生向上的 力作用于物料下部；所述熔煉爐氣體壓力控制單元、氣密室上進(jìn)氣口、熔煉爐的物料上部、 氣密室上出氣口組成第二氣體回路，第二氣體回路產(chǎn)生向下的力作用于物料上部。
[0009] 所述熔煉爐可以是石墨坩堝、水冷坩堝、金屬坩堝、石英坩堝或陶瓷坩堝。
[0010] -種高溫物料流動(dòng)控制方法，使用上述的裝置，具有如下步驟：
[0011] (a)在熔煉前，抽去裝置內(nèi)的雜質(zhì)氣體，使氣密室和熔煉爐內(nèi)處于真空狀態(tài)：熔煉 前，取下密封蓋，將物料加入熔煉爐中，蓋好密封蓋；此時(shí)，物料與熔煉爐之間有空隙，第一 氣體回路與第二氣體回路連通；氣密室氣體壓力控制單元關(guān)閉氣密室下進(jìn)氣口和氣密室下 出氣口；熔煉爐氣體壓力控制單元關(guān)閉氣密室上進(jìn)氣口，開啟氣密室上出氣口；熔煉爐氣 體壓力控制單元控制第二氣體回路的抽氣速率，第一氣體回路中的氣密室通過第二氣體回 路與熔煉爐共同形成真空狀態(tài)；
[0012] (b)在熔煉過程中，熔融態(tài)物料在熔煉爐內(nèi)處于被托舉狀態(tài)，不會(huì)流出熔煉爐底 孔：熔煉過程中，熔融態(tài)物料與熔煉爐完全接觸，第一氣體回路與第二氣體回路不連通；氣 密室氣體壓力控制單元開啟氣密室下進(jìn)氣口、關(guān)閉氣密室下出氣口；熔煉爐氣體壓力控制 單元開啟氣密室上出氣口、關(guān)閉氣密室上進(jìn)氣口；氣體溫度控制單元控制第一氣體回路氣 體溫度；調(diào)整第一氣體回路和第二氣體回路的氣體壓力大小，使得物料所受的合力為零，在 熔煉過程中物料處于被托舉狀態(tài)，不會(huì)流出熔煉爐底孔；
[0013] (cl)熔煉結(jié)束噴射過程中，實(shí)現(xiàn)熔融態(tài)物料噴射啟動(dòng)控制：噴射過程中，第一氣 體回路與第二氣體回路仍不連通；氣密室氣體壓力控制單元開啟氣密室下出氣口、關(guān)閉氣 密室下進(jìn)氣口；熔煉爐氣體壓力控制單元開啟氣密室上進(jìn)氣口、關(guān)閉氣密室上出氣口；調(diào) 整第一氣體回路和第二氣體回路的氣體壓力大小，使得物料所受的合力大于零、方向向下， 驅(qū)動(dòng)物料從熔煉爐底孔流出，實(shí)現(xiàn)噴射啟動(dòng)。
[0014] (c2)熔煉結(jié)束噴射過程中，實(shí)現(xiàn)熔融態(tài)物料噴射流量和流速控制：噴射過程中， 第一氣體回路與第二氣體回路仍不連通；氣密室氣體壓力控制單元開啟氣密室下出氣口、 關(guān)閉氣密室下進(jìn)氣口；熔煉爐氣體壓力控制單元開啟氣密室上進(jìn)氣口、關(guān)閉氣密室上出氣 口；調(diào)整第一氣體回路和第二氣體回路的氣體壓力大小，使得物料所受的合力大于零、方向 向下，并調(diào)整物料上下部壓力差的大小，精確控制物料的噴射流速和流量。
[0015] (c3)熔煉結(jié)束噴射過程中，實(shí)現(xiàn)熔融態(tài)物料噴射停止控制：噴射過程中，第一氣 體回路與第二氣體回路仍不連通；氣密室氣體壓力控制單元開啟氣密室下進(jìn)氣口、關(guān)閉氣 密室下出氣口；熔煉爐氣體壓力控制單元開啟氣密室上出氣口、關(guān)閉氣密室上進(jìn)氣口；氣 體溫度控制單元控制第一氣體回路氣體溫度；調(diào)整第一氣體回路和第二氣體回路的氣體壓 力大小，從而控制物料上下部壓力差的大小，使得物料所受的合力大于零、方向向上，使物 料的流速減小直至為零，物料噴射停止。
[0016] 所述物料可以是高分子材料、高溫金屬、合金或陶瓷。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 本發(fā)明提供的一種高溫物料流動(dòng)的控制方法及裝置，對(duì)于高溫的熔融態(tài)物料流動(dòng) 控制，基于熔煉爐內(nèi)物料上部和下部的氣體壓力差與物料重力相平衡的原理，實(shí)現(xiàn)熔融態(tài) 物料高溫下流動(dòng)的啟動(dòng)、停止、流量、流速等非接觸式控制。氣密室能夠提供正壓，有助于改 善凝固過程中微觀組織，還能起到當(dāng)熔煉爐突發(fā)意外情況時(shí)保護(hù)人身安全的作用。本發(fā)明 無機(jī)械式流動(dòng)控制閥門，具有高精度的流動(dòng)控制，無污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無管道堵塞、使用壽命 長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供可使用的熔煉爐范圍廣泛，例如石墨坩堝、水冷坩 堝、金屬坩堝、石英坩堝或陶瓷坩堝。本發(fā)明爐料不僅適合于粉狀物料、絲狀物料、塊狀物 料，也適于各種高溫難熔物料及金屬，具有廣泛的適用性。通過氣體溫度控制單元控制充入 氣密室下進(jìn)氣口的氣體溫度達(dá)到調(diào)節(jié)物料凝固成型的過冷度。
【附圖說明】
[0019] 圖1為一種高溫物料流動(dòng)的控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2為熔煉前的第一氣體回路和第二氣體回路示意圖。
[0021] 圖3為熔煉過程中的第一氣體回路示意圖。
[0022] 圖4為熔煉過程中的第二氣體回路示意圖。
[0023]圖5為熔煉過程中物料的受力圖。
[0024] 圖6為噴射過程中的第一氣體回路示意圖。
[0025] 圖7為噴射過程中的第二氣體回路示意圖。
[0026] 圖8為噴射過程中物料的受力圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0028] 如圖1所示，一種高溫物料流動(dòng)控制裝置，包括氣密室1、熔煉爐2、密封蓋3、氣密 室氣體壓力控制單元4-1、恪煉爐氣體壓力控制單元4-2、氣體溫度控制單元5 ;所述恪煉爐 2處于氣密室1內(nèi)，所述密封蓋3與熔煉爐2頂部密封連接，熔煉爐2底部開有底孔；所述氣 密室1下部側(cè)面開有氣密室下進(jìn)氣口 1-1、氣密室下出氣口 1-2,所述氣密室下進(jìn)氣口 1-1、 氣密室下出氣口 1-2連接氣密室氣體壓力控制單元4-1 ;所述氣密室1頂部開有氣密室上 進(jìn)氣口 1-3、氣密室上出氣口 1-4,所述氣密室上進(jìn)氣口 1-3、氣密室上出氣口 1-4上端連接 熔煉爐氣體壓力控制單元4-2,所述密封蓋3開有密封蓋進(jìn)氣口 3-1和密封蓋出氣口 3-2 ; 所述密封蓋進(jìn)氣口 3-1與氣密室上進(jìn)氣口 1-3通過氣體管路連接，所述密封蓋出氣口 3-2 與氣密室上出氣口 1-4通過氣體管路連接，所述氣體溫度控制單元5安裝在氣密室下進(jìn)氣 口 1-1上，實(shí)時(shí)檢測(cè)并調(diào)節(jié)流入氣密室下進(jìn)氣口 1-1的氣體溫度；所述氣密室氣體壓力控制 單元4-1、氣密室下進(jìn)氣口 1-1、氣密室1、熔煉爐2的物料下部、氣密室下出氣口 1-2組成第 一氣體回路，第一氣體回路產(chǎn)生向上的力作用于物料下部；所述熔煉爐氣體壓力控制單元 4-2、氣密室上進(jìn)氣口 1-3、熔煉爐2的物料上部、氣密室上出氣口 1-4組成第二氣體回路，第 二氣體回路產(chǎn)生向下的力作用于物料上部。
[0029] 所述熔煉爐是石墨坩堝、水冷坩堝、金屬坩堝、石英坩堝或陶瓷坩堝。
[0030] 如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8所示，如下：一種高溫物料流動(dòng)控制方法， 使用上述的裝置，具有如下步驟：
[0031] (a)在熔煉前，抽去裝置內(nèi)的雜質(zhì)氣體，使氣密室1和熔煉爐2內(nèi)處于真空狀態(tài)： 熔煉前，取下密封蓋3,將物料加入熔煉爐2中，蓋好密封蓋3 ;此時(shí)，物料與熔煉爐2之間有 空隙，第一