一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置
技术领域
本发明属于金属半固态加工成型技术领域，特别涉及一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置。
背景技术
新型铝合金浆料半固态成形技术已经从理论探索时代进入到了工业应用阶段。但在半固态金属成形过程中，如何获得晶粒均匀、球形度高的半固态金属浆料，成为半固态加工工艺的重点问题。目前半固态金属材料的制备方法中的机械搅拌法，装置简单而且可以控制过程参数，例如搅拌温度、搅拌速度和冷却速度，但同时也存在相应的局限性,容易的产生空气混入等缺陷，其次搅拌机和合金熔体直接接触，容易发生污染，并且搅拌器和容器之间存在搅拌死区，使得搅拌不够充分，影响搅拌质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置，包括机架、第一动力系统、料桶旋转振动装置、料桶Y向振动装置、搅拌旋转装置、第二动力系统、双蜗轮蜗杆机构、料桶和搅拌棒；第一动力系统设置在机架底部，第一动力系统的输出端连接料桶旋转振动装置，料桶设置在料桶旋转振动装置上，料桶内底部设置料桶Y向振动装置，料桶Y向振动装置与料桶旋转振动装置连接；第二动力系统设置在机架的顶部，第二动力系统的输出端连接双蜗轮蜗杆机构，双蜗轮蜗杆机构输出端连接搅拌旋转装置，搅拌旋转装置位于料桶的开口处，搅拌棒位于料桶内部，且搅拌棒设置在搅拌旋转装置的底部。
进一步的，料桶旋转振动装置包括滑动板、连接轴、旋转盘、盘型凸轮和底盘；底盘与旋转盘通过螺栓连接，旋转盘中部设置有滑槽，滑动板放置在滑槽内；盘型凸轮的凸轮轴通过键连接与第一动力系统输出端相连接，带动盘型凸轮的旋转；两个连接轴一端固定连接在滑动板上，盘型凸轮设置在两个连接轴的中心位置，两个连接轴的另一端通过键连接与料桶底部相连接。
进一步的，料桶Y向振动装置包括过滤盘、主动锥齿轮、从动锥齿轮、主动轴、从动转轴和滑块；料桶内侧下半部分固定设置有过滤盘，过滤盘下方的料桶内侧壁设置有圆形滑槽，滑块设置在圆形滑槽内；主动轴上端通过轴承设置在过滤盘的中心；主动轴下端与料桶旋转振动装置相连接，主动锥齿轮设置在主动轴上，在主动轴侧面沿径向方向固定连接有从动转轴，从动锥齿轮通过键连接与从动转轴相连接，主动锥齿轮和从动锥齿轮啮合，滑块偏心固定在从动锥齿轮上。
进一步的，搅拌旋转装置包括犁爪盘、连杆、行星架、中心轮和行星轮；双蜗轮蜗杆机构的输出端通过键连接与中心轮相连接，同时犁爪盘通过套筒连接在双蜗轮蜗杆机构的输出端上，犁爪盘外圆与行星架固定连接；若干行星轮与中心轮及行星架啮合；连杆一端偏心连接在行星轮上，另一端设置有滑块，犁爪盘上设置有环形滑槽，滑块放置在犁爪盘的环形滑槽内，搅拌棒连接在连杆与行星轮相连接的位置上。
进一步的，双蜗轮蜗杆机构包括主传动轴、主动直齿轮、从动直齿轮、主动涡轮、主动蜗杆、从动轴、从动涡轮和从动蜗杆；主传动轴一端与第二动力系统输出端相连接，另一端通过轴承连接在机架上，主动直齿轮通过键连接与主动轴连接；从动轴一端与从动直齿轮通过键连接，另一端与搅拌旋转装置相连接；主动蜗杆设置在主动轴上，从动蜗杆设置在从动轴上，主动涡轮与主动蜗杆啮合，从动涡轮与从动蜗杆相啮合，同时主动涡轮与从动涡轮通过连杆机构偏心连接。
进一步的，第一动力系统和第二动力系统结构相同，第一动力系统包括电机、第一锥齿轮、第二锥齿轮和输出轴；电机输出轴连接第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮设置在输出轴上。
进一步的，机架上还设置有熔炼炉，熔炼炉通过管道连接料桶。
进一步的，料桶内设置有保温层。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置，搅拌振动装置可以使搅拌杆在搅拌的同时实现Y方向的往复运动，从而产生轴向剪切力；搅拌旋转振动装置使搅拌杆浆料中进行搅拌时，在X方向产生往复行动，形成径向剪切力：料桶旋转振动装置可以带动料桶旋转的同时在X和Y方向产生往复运动，令浆料整体旋转振动，在此三个装置的共同作用下，在局部与整体的有机结合下，使得浆料搅拌的更加彻底，提高了制备金属及合金的半固态浆料的效率和质量。
进一步的，旋转振动装置采用了一轴传动，利用蜗轮蜗杆的特点实现了搅拌旋转振动装置的Y方向振动，利用行星轮系与犁爪连杆机构实现了搅拌棒的X方向振动。
进一步的，搅拌系统采用内外双层搅拌，外层使用行星轮系与犁爪连杆机构结合搅拌杆偏心设置，可以实现搅拌杆的自转、公转和X方向的振动；内层使用无冲击式偏心振动搅拌杆,实现了内层搅拌杆的振荡运动。
进一步的，料桶在结构上采用了保温层的设计，保温层上设有冷却水管路和加热线圈，可以控制浆料温度，令其保持在半固态温度区间，使得浆料制备更加顺利、快速。
进一步的，料桶旋转振动装置采用了盘型凸轮的旋转运动、锥齿轮啮合及偏心旋转的原理，其中锥齿轮啮合结合偏心旋转，实现料桶的旋转运动与Y方向上的往复运动；其中盘型凸轮旋转运动机理可以实现料桶的X方向往复运动。
综上所述，本发明将旋转搅拌法与机械振动法相结合，同时对料桶也进行旋转振动设计，与搅拌部分有机结合起来，使得搅拌更加充分更加彻底。
附图说明
图1为本发明的剖面整体示意图；
图2为本发明的搅拌振动装置示意图，其中(a)为剖面图，(b)为立体图；
图3为本发明的旋转搅拌振动装置示意图；
图4为本发明的料桶Y向振动装置示意图；
图5为本发明的料桶旋转振动装置示意图。
其中：1第一动力系统，2盘形凸轮，3料桶Y向振动装置，4保温层，5搅拌旋转装置，6第二动力系统，7熔炼炉，8双蜗轮蜗杆机构，9料筒，10搅拌棒；滑动板21，连接轴22，旋转盘23，盘型凸轮24，底盘25；料桶壳体31，过滤盘32，主动锥齿轮33，从动锥齿轮34，主动轴35，从动转轴36，滑块37；犁爪盘51，连杆52，行星架53，中心轮54，行星轮55；主传动轴81，主动直齿轮82，从动直齿轮83，主动涡轮84，主动蜗杆85，从动轴86，从动涡轮87，从动蜗杆88。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明为一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置，铝合金半固态浆料制备装置主要包括，第一动力系统1，盘形凸轮2，直齿锥齿轮3，保温层4，行星轮系与梨爪伸缩机构5，第二动力系统6，熔炼炉7，双蜗轮蜗杆机构8，料筒9，搅拌棒10。熔炼炉7位于进料口的正上方，进料口位于料筒9的侧上方。铝合金金属在熔炼炉7中加热熔化，经管道流向进料口然后流入料筒9内，合金溶液在料筒9内受搅拌棒与料筒的双向旋转剪切作用，形成搅拌充分的半固态坯料，最后经冷却装置流出。本次设计的重点内容是搅拌旋转振动装置及料筒旋转振动装置。
第二动力系统中的电机的输出轴上设置的第二主动锥齿轮与第从动锥齿轮啮合连接用于传动。将动力传递给主动轴，主动轴上依次设置第二从动锥齿轮和主动直齿轮。主动直齿轮和从动直齿轮啮合连接，传递动力给蜗轮蜗杆。
请参阅图2，搅拌振动装置即双蜗轮蜗杆机构8包括主传动轴81，主动直齿轮82，从动直齿轮83，主动涡轮84，主动蜗杆85，从动轴86，从动涡轮87以及从动蜗杆88。连接关系如下，主传动轴81一端与从动锥齿轮相连接，另一端通过轴承连接在支架上，主动直齿轮82通过键连接与主动轴81连接在一起，用以传递动力给涡轮蜗杆；从动轴86一端与从动直齿轮83通过键连接，另一端与行星轮系相连接；同时两组蜗轮蜗杆相互平行的设置在主动轴81与从动轴86上，主动蜗杆85连接在主动轴81上，从动蜗杆88连接在从动轴86上；主动涡轮84与主动蜗杆85啮合，从动涡轮87与从动蜗杆88相啮合，同时主动涡轮84与从动涡轮87通过连杆机构偏心连接，可以实现在涡轮蜗杆啮合时实现从动蜗杆88的旋转运动以及Y向的往复运动。本装置这种方式利用了蜗轮蜗杆啮合以及双涡轮偏心连接运动轨迹的特点，巧妙地实现了搅拌装置在Y方向的振动效果。
搅拌振动装置利用了蜗轮蜗杆啮合以及双涡轮偏心连接运动轨迹的特点实现了从动蜗杆88的旋转运动以及Y向的往复运动，旋转搅拌振动装置5连接在从动蜗杆88下端，借助搅拌振动装置实现自身旋转以及Y向振动。
请参阅图3，旋转搅拌振动装置5包括犁爪盘51，连杆52，行星架53，中心轮54及行星轮55。从动轴86通过键连接与搅拌振动装置5中的中心轮54相连接；犁爪盘51通过套筒连接在从动轴86上，同时犁爪盘51外圆出开有固定槽，用以固定住行星架53；行星轮55与中心轮54及行星架53啮合的同时，利用连杆52一端偏心连接在行星轮55上，另一端设置有滑块放置在犁爪盘51的滑槽内部，外圈搅拌棒连接在连杆52与行星轮55相连接的位置上，从动轴86旋转振动时，可以实现搅拌棒的自转、绕中心轮的公转以及沿X方向的往复运动。旋转搅拌振动装置5利用犁爪盘51的固定，利用行星轮系的啮合原理巧妙的实现了搅拌棒的旋转与X方向的振动。
进一步的，搅拌部分设置有内层搅拌。在行星轮系中心轮下方连接有搅拌盘，搅拌盘通过键连接与传动轴连接在一起，由传动轴提供旋转动力。
进一步的，内层搅拌装置在搅拌杆设计时采用无冲击式偏心质量旋转轴，在旋转时可使得内层搅拌盘做谐振运动；空心搅拌杆内部安装有小刚球，在搅拌杆随着斜盘旋转时，由于小刚球偏心放置在空心搅拌杆中，可以引起小范围的局部振动，对搅拌更加有利；在空心搅拌杆底部设置有搅拌杆端盖起到连接封闭搅拌腔的作用。
请参阅图4，料桶Y向振动装置3包括料桶壳体31，过滤盘32，主动锥齿轮33，从动锥齿轮34，主动轴35，从动转轴36及滑块37。料桶壳体31内侧下半部分设置有圆形滑槽，用以放置固定滑块37；料桶Y向振动装置设置在过滤板32下方，过滤板32固定在料桶壳体31内侧，一方面起到过滤作用，另一方面起到固定主动锥齿轮33的作用；主动轴35下端与料桶旋转振动装置相连接，上端依次与过滤盘32主动锥齿轮33相连接，起到传递动力的作用；在主动轴35左侧沿径向方向固定连接有从动转轴36，从动锥齿轮34通过键连接与从动转轴36相连接，并且从动锥齿轮34上偏心固定有一滑块37。
冷却系统7设置在料桶底板下侧，包括冷却装置71、出料口72和引锭器73，冷却装置71设置在出料管路77的末端，设置有一定的长度，可令出料管路在里上下振动，出料口72与引锭器73连接。
请参阅图5，料桶旋转振动装置包括滑动板21，连接轴22，旋转盘23，盘型凸轮24，底盘25五部分。底盘25通过螺栓固定在支架上，底盘25与旋转盘23通过旋转轴连接在一起，旋转盘23中部设置有滑槽，滑动板21放置在滑槽内；盘型凸轮24设置在滑动板21上的两个连接轴22的中心位置处，通过销轴与滑动板21相连接，同时连接轴22一端固定连接在滑动板21上，一端通过键连接与料桶底座相连接，从而实现料桶的旋转和X向的往复运动。
主动轴下端与第一动力系统相连接用以传递动力，在第一动力系统中，由交流伺服电机输出动力，通过锥齿轮啮合传动动力到动力轴，为盘形凸轮机构、锥齿轮往复机构以及料筒旋转提供动力。料筒可以实现旋转、左右移动和上下移动，其中左右移动是依靠盘形凸轮来实现的，上下移动是依靠锥齿轮啮合并与料筒延伸部分的筒壁上滑槽相连来实现的。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种半固态浆料用旋转振动耦合搅拌装置的总体工作原理为：
将铝合金投入熔炼炉，经过加热至设定温度后，经过管道通过进料口引流至料筒内。同时打开第一电机以及第二电机，第一电机通过齿轮传动带动蜗轮蜗杆传动系统运动，同时传递动力至梨爪伸缩机构和行星轮系，梨爪伸缩机构上设置有偏心盘，可以实现搅拌棒自转、公转以及振动等预期要实现的目标。待浆料进入料筒时，同时开启第二电机，第二电机同时带动盘形凸轮机构和锥齿轮往复机构运动，可以实现料筒自转、公转以及振动等预期要实现的目标。两装置的旋转方向相反，竖直方向振动对称，使得浆料在搅拌过程中能够有更大的剪切力，提高了制备金属及合金的半固态坯料的效率和质量。
第一动力系统的工作原理为：
由第一电机输出动力，通过第一主动锥齿轮、第一从动锥齿轮啮合传动动力到主传动轴，由主传动轴将动力传递到料桶旋转振动装置2以及料桶Y向振动装置3上，以实现料桶的旋转及X、Y向振动运动。
料桶旋转振动装置2的工作原理为：
由第一动力系统1输出动力，通过锥齿轮啮合传动使动力传输到主传动轴35上，由主传动轴35将动力传输给旋转盘23以及盘型凸轮24，使旋转盘23和盘型凸轮24可以实现旋转运动；同时盘型凸轮24设置在两侧连接轴22的中心位置，并且和连接轴22相接触，连接轴22固定在滑动板21上，滑动板21可以在旋转盘23中部位置的滑槽内往复运动；所以当主传动轴35转动时，旋转盘23和盘型凸轮24会随之转动，同时由于两侧连接轴22的位置限制，使得盘形凸轮24转动时，可以实现滑动板22在滑槽内的往复运动。此装置利用盘型凸轮以及曲柄滑块的机理巧妙地实现了料桶的旋转运动以及X向的往复运动。
料桶Y向振动装置3的工作原理为：
主动轴35下端与料桶旋转振动装置相连接，上端依次与过滤盘32主动锥齿轮33相连接，起到传递动力的作用；在主动轴35左侧沿径向方向固定连接有从动转轴36，从动锥齿轮34通过键连接与从动转轴36相连接，并且从动锥齿轮34上偏心固定有一滑块37；随着主动轴35的旋转，主动锥齿轮33与从动锥齿轮34相啮合，偏心固定在从动锥齿轮34上的滑块37放置在料桶壳体31内侧的滑槽内，随着从动锥齿轮34的自转与公转，滑块距离从动锥齿轮34的中心距离发生变化，从而利用滑槽实现了料桶的Y向往复运动。此装置利用偏心设置的滑块与料桶滑槽进行配合，利用了类似曲柄滑块的运动机理实现了料桶Y向的振动。
搅拌盘内层搅拌装置的工作原理为：
搅拌棒采用无冲击激振技术，即流球式结构，特制偏心腔体，内部装有钢球和抗磨剂，取代甩块激振器的偏心块，通过钢球的运动位移产生大小振；起振、停振时，钢球在抗磨剂缓冲下实现柔性起停，避免钢球起停振撞击搅拌棒壁的瞬时冲击，杜绝搅拌棒断裂的风险；避免起停振冲击，同时有效延长搅拌棒、钢球使用寿命，确保振动系统高可靠。
搅拌旋转振动装置5的工作原理为：
旋转搅拌振动装置。从动轴86通过键连接与搅拌振动装置5中的中心轮54相连接；犁爪盘51通过套筒连接在从动轴86上，同时犁爪盘51外圆出开有固定槽，用以固定住行星架53；行星轮55与中心轮54及行星架53啮合的同时，利用连杆52，一杆的一端偏心连接在行星轮55上，另一端与二杆相连接；二杆一端与一杆相连接，另一端设置有滑块放置在犁爪盘51的滑槽内部；外圈搅拌棒连接在连杆52与行星轮55相连接的位置上，且连杆52与行星轮55相连接在行星轮55的偏心位置；在从动轴86旋转运动是，带动中心轮54转动，同时由于行星架53固定在犁爪盘51上，所以行星轮55可以实现自转及公转；又因搅拌棒偏心连接在行星轮55上，在行星轮55自转时，搅拌棒距离中心轮54的径向距离发生变化，相当于实现了搅拌棒在X向的振动运动。此装置利用偏心连接与行星轮系的运动机理，巧妙的实现了搅拌棒的旋转运动及X向的振动。
搅拌振动装置原理：
搅拌振动装置即双蜗轮蜗杆机构。主传动轴81一端与从动锥齿轮相连接，另一端通过轴承连接在支架上，主动直齿轮82通过键连接与主动轴81连接在一起，用以传递动力给涡轮蜗杆；从动轴86一端与从动直齿轮83通过键连接，另一端与行星轮系相连接；同时两组蜗轮蜗杆相互平行的设置在主动轴81与从动轴86上，主动蜗杆85连接在主动轴81上，从动蜗杆88连接在从动轴86上；主动涡轮84与主动蜗杆85啮合，从动涡轮87与从动蜗杆88相啮合，同时主动涡轮84与从动涡轮87通过连杆机构偏心连接，可以实现在涡轮蜗杆啮合时实现从动蜗杆88的旋转运动以及Y向的往复运动。本装置这种方式利用了蜗轮蜗杆啮合以及双涡轮偏心连接运动轨迹的特点，巧妙地实现了搅拌装置在Y方向的振动效果。
第二动力系统工作原理：
第二动力系统中的电机的输出轴上设置的第二主动锥齿轮与第从动锥齿轮啮合连接用于传动。将动力传递给主动轴，主动轴上依次设置第二从动锥齿轮和主动直齿轮。主动直齿轮和从动直齿轮啮合连接，传递动力给蜗轮蜗杆。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
