專利名稱：伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種注射成型機(jī)，特別是一種伺服控制半固態(tài)鎂合 金高速注射成型機(jī)，屬于金屬合金材料熱成型加工技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在鎂合金材料生產(chǎn)應(yīng)用中，技術(shù)成熟度高的熱室和冷室壓鑄在各種 鎂合金成型技術(shù)中所占比例最大。鎂合金壓鑄需要極高的壓射速度，因 而在模具內(nèi)不可避免地會有金屬液紊流及卷氣現(xiàn)象發(fā)生，造成工件內(nèi)部 和表面產(chǎn)生孔洞缺陷，致使產(chǎn)品強(qiáng)度低、無法熱處理、氣密性差，另外
還導(dǎo)致模具設(shè)計困難、良品率難以控制；其次，熔化鎂合金還涉及到安 全和環(huán)保等一系列問題。因此，壓鑄鎂合金產(chǎn)品雖然具有尺寸穩(wěn)定性好、 生產(chǎn)率高、壓鑄型和工具壽命長等優(yōu)點，但也存在夾雜多、氣孔多、成 型后難熱處理、尺寸近凈成型差等制約鎂合金產(chǎn)品進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的問 題。因此對于表面質(zhì)量及機(jī)械性能要求高的鑄件，采用壓鑄法生產(chǎn)的鎂 合金產(chǎn)品無法滿足工業(yè)要求。
觸變注射成型技術(shù)(Thixomolding)是目前唯一用于鎂合金工業(yè)生 產(chǎn)的半固態(tài)成型技術(shù)。該技術(shù)于1992年開始商業(yè)應(yīng)用，專利權(quán)由美國 Thixomat公司持有，截至目前，該公司僅授權(quán)曰本的JSW公司和加拿大 的HUSKY公司生產(chǎn)鎂合金觸變注射成型設(shè)備。由于設(shè)備的整體價格較高， 加之高昂的專利許可費用，故與壓鑄產(chǎn)品相比，生產(chǎn)成本要高出幾倍甚 至十幾倍，雖然觸變注射成型產(chǎn)品的表面質(zhì)量及機(jī)械性能較高，產(chǎn)品的 整體竟?fàn)幠芰θ匀惠^弱。
我國尚無生產(chǎn)鎂合金半固態(tài)注射成型設(shè)備的廠家。近些年，我國在 半固態(tài)鑄造領(lǐng)域雖然也開展了較為廣泛的研究，但在半固態(tài)成型技術(shù)產(chǎn) 業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域仍是空白，研究工作也剛剛起步。
中國專利文獻(xiàn)號CN1817512于2006年8月16曰公開了一種金屬成 型技術(shù)中金屬半固態(tài)漿料制備方法和裝置。其目的在于提供一種可以降 低原材料成本，提高成品率及產(chǎn)品質(zhì)量的鎂合金半固態(tài)注射成型方法和 裝置。注射成型的方法包括金屬粉末進(jìn)行混合；氣體保護(hù)；定量供給；在集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套簡裝置內(nèi)將金屬粉末轉(zhuǎn)變?yōu)?br> 固液混合狀態(tài)；半固態(tài)注射成型。注射成型裝置由金屬粉末混合裝置和 注射機(jī)兩部分組成，金屬粉末混合裝置由金屬粉末攪拌容器和金屬粉末 存儲容器組成；注射機(jī)包括一集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套 簡裝置，它由套簡和內(nèi)部的螺旋輸送桿組成，套簡的外圍裝有可對套簡 的不同部位進(jìn)行溫度控制的冷卻器和加熱器。但它存在以下不足
1、 沒有高速注射的機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。實施鎂合金半固態(tài)注射成型加 工的注射機(jī)構(gòu)和注射速度控制系統(tǒng)應(yīng)滿足半固態(tài)材料注射充型的要求， 具備相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和高速注射控制系統(tǒng)。
2、 注射機(jī)構(gòu)未設(shè)止逆閥。實施鎂合金半固態(tài)注射成型加工的注射機(jī) 構(gòu)應(yīng)具有封閉良好的止逆閥，才能保證制品的尺寸穩(wěn)定性和精度要求。
因此，有必要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的旨在提供一種結(jié)構(gòu)合理緊湊、制造成本低、體積 小能耗低、控制精度高、調(diào)試容易、可高速注射，并且能夠?qū)ψ⑸渌俣取?保壓壓力以及塑化背壓進(jìn)行閉環(huán)控制的伺服控制半固態(tài)鎂合金注射成 型機(jī)，以填補(bǔ)國內(nèi)半固態(tài)鎂合金注射成型機(jī)的空白。
按此目的設(shè)計的一種伺服控制半固態(tài)鎂合金注射成型機(jī)，包括鎖模 機(jī)構(gòu)、注射機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、電氣機(jī)構(gòu)和機(jī)架，其結(jié)構(gòu)特征是注射機(jī)構(gòu) 中的注射油缸設(shè)置有空心浮動活塞，加料系統(tǒng)中配置有能夠形成半固態(tài) 鎂合金組織形態(tài)的送料螺桿組件；液壓機(jī)構(gòu)包括插裝閥和高響應(yīng)蓄能器， 高速注射速度控制系統(tǒng)在注射油缸出油側(cè)設(shè)置高頻響伺服閥，注射油缸 進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)設(shè)置二個壓力傳感器PS1和PS2，實時檢測系統(tǒng)壓力；電 氣機(jī)構(gòu)中設(shè)置有高速CPU模塊控制高速注射速度，實時閉環(huán)控制。
所述的注射油缸內(nèi)一端設(shè)置有空心浮動活塞，另一端固定有定位套 簡，空心浮動活塞的開口端插入定位套簡外壁和缸體內(nèi)壁之間密封配合; 空心浮動活塞內(nèi)外壁設(shè)置有低摩擦組合油封。所述的空心浮動活塞為輕 質(zhì)薄壁活塞，空心浮動活塞的中段與注射油缸內(nèi)壁之間設(shè)置有低摩擦組 合油封，空心浮動活塞的開口端與定位套簡之間設(shè)置有低摩擦組合油封; 空心浮動活塞通過推力軸承與連接座相連接。
所述注射油缸的進(jìn)油腔和出油腔與注射油控制板直接連接，釆用等 截面流道；注射油缸的進(jìn)油腔和出油腔面積比為2.2: 1。注射機(jī)構(gòu)還設(shè) 置有自動調(diào)節(jié)的雙階注射位置和旋轉(zhuǎn)部件，能夠根據(jù)工藝和模具的不同 要求調(diào)節(jié)兩種不同的注射機(jī)構(gòu)位置；旋轉(zhuǎn)部件配置有液壓油缸驅(qū)動，方便快速更換螺桿。
所述的送料螺桿設(shè)置在料簡之中，送料螺桿與注射組件之間設(shè)置止 逆閥，止逆閥一端與注射組件相通，另一端與送料螺桿相連，通過原料
介質(zhì)的壓力傳遞來實現(xiàn)密封；止逆閥中段設(shè)置有止逆套，止逆套內(nèi)壁設(shè) 置有軸向通道，軸向通道一端與注射組件相通，另一端與送料螺桿末端 外徑連通；止逆套壁上還設(shè)置有一個以上的徑向通孔，徑向通孔內(nèi)側(cè)與 軸向通道相通，外側(cè)設(shè)置有周向槽，槽中設(shè)置有活塞環(huán)；活塞環(huán)為便于
拆換的開口環(huán)或分段環(huán)。送料螺桿的長徑比為24: 1;壓縮比值為1.45;
且為兩段式設(shè)計，通過螺紋或插銷連為一體；料簡為不同材質(zhì)的內(nèi)套外
套復(fù)合而成，且內(nèi)套的耐溫為570—650'C。
所述液壓機(jī)構(gòu)的高響應(yīng)蓄能器的高壓氮氣側(cè)連接有氮氣儲氣瓶，高 響應(yīng)蓄能器的出油側(cè)和注射油缸進(jìn)油側(cè)之伺設(shè)置有插裝閥，在注射油缸 出油側(cè)設(shè)置有髙頻響伺服閥進(jìn)行出油伺服控制，兩個壓力傳感器PS1和 PS2分別連接注射油缸的進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)，實時檢測系統(tǒng)壓力，最高注射 速度達(dá)到3.8m/s。高響應(yīng)蓄能器和氮氣儲氣瓶組合控制的輸出液壓油壓 力在120-130Bar之間；高頻響伺服閥的主閥芯位移僅為6mm，階躍響應(yīng) 0-100%小于15ms;進(jìn)油控制回路和回油控制回路流道設(shè)計集成于油路 板內(nèi)，無外接液壓管路。
所述的電氣機(jī)構(gòu)中設(shè)置有獨立高速CPU模塊實施髙速注射速度控 制，并采用實時閉環(huán)控制算法。
本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、體積小能耗低、控制精度高、調(diào) 試容易、可高速注射，并且能夠?qū)ψ⑸渌俣取⒈簤毫σ约八芑硥哼M(jìn)行 閉環(huán)控制。


圖1為本實用新型一注射機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1中的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實用新型一螺桿組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖3中止逆閥的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5本實用新型液壓機(jī)構(gòu)高速注射速度控制液壓原理圖。
圖6為本實用新型電氣部分原理框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施方式對本實用新型進(jìn)一步描述。參見圖1-圖4,本伺服控制半固態(tài)鎂合金注射成型機(jī)，注射油缸1 中設(shè)置有空心浮動活塞3，空心浮動活塞3與缸體內(nèi)壁之間設(shè)置有低摩 擦組合油封2，空心浮動活塞3與定位套簡6之間設(shè)置有低摩擦組合油 封5。注射油缸1的進(jìn)油腔和出油腔與注射油控制板4直接連接。機(jī)器 工作時，空心浮動活塞3可通過連接座7帶動送料螺桿8做往復(fù)直線運 動。加料系統(tǒng)中配置有能夠形成半固態(tài)鎂合金組織形態(tài)的送料螺桿8組 件。根據(jù)鎂合金固態(tài)呈屑狀原料與半固態(tài)形態(tài)體積變化特性及鎂合金螺 旋輸送特性，結(jié)合鎂合金加熱熔融特性而專門設(shè)計的送料螺桿8，其長 徑比為24: 1，壓縮比為1.45，釆用兩段式設(shè)計。注射組件10與送料螺 桿8之間設(shè)置有止逆閥11，止逆閥中段設(shè)置有止逆套ll.l，止逆套內(nèi)壁 設(shè)置有軸向通道11.2，軸向通道一端與注射組件10相通，另一端與送 料螺桿8末端外徑連通;止逆套壁上還設(shè)置有一個以上的徑向通孔11. 3， 徑向通孔內(nèi)側(cè)與軸向通道相通，外側(cè)設(shè)置有周向槽，槽中設(shè)置有活塞環(huán) 12。機(jī)器注射時，鎂合金組織的壓力通過軸向通道11. 2和徑向通孔11. 3 傳到活塞環(huán)12上，使活塞環(huán)向外膨脹吏好的貼緊料簡從而實現(xiàn)更好的密 封作用。同時活塞環(huán)釆用專用合金制造，活塞環(huán)12釆用開口設(shè)計，便于 更換。
參見圖5，液壓機(jī)構(gòu)包括高頻響伺服閥16和高響應(yīng)蓄能器13組成，高 響應(yīng)蓄能器13高壓氣氣一側(cè)連接有氮氣儲氣罐14，提供注射所需的壓力穩(wěn) 定的壓力油；高響應(yīng)蓄能器13的出油側(cè)和注射油缸1進(jìn)油側(cè)之間設(shè)置有插 裝閥15,高頻響伺服閥16設(shè)置在注射油缸1出油側(cè)，在電氣指令控制下實
施注射過程中的注射速度閉環(huán)控制，可實現(xiàn)注射速度的高速精確控制。本實 用新型的注射速度響應(yīng)時間在15ms以內(nèi)，即15ms內(nèi)注射速度可以從O上升 到3.8m/s,也可以從3.8m/s下降到0。
參見圖6，為本實用新型電氣部分原理框圖。注射控制部分主要由主 控制器，伺服控制卡，壓力傳感器和位置傳感器組成。其工作原理是電 腦給定的壓力和速度信號，輸入到伺服控制卡以后，經(jīng)過壓力補(bǔ)償和限制 以后，再經(jīng)PID調(diào)整，輸出到伺服閥放大電路，通過推動先導(dǎo)閩芯，控制 主閥芯移動。當(dāng)油缸移動以后，位置和壓力傳感器信號，及時反饋到伺服 控制卡的信號輸入端，與設(shè)定的速度和壓力信號進(jìn)行比較，經(jīng)過比較后的 信號，再經(jīng)伺服控制卡內(nèi)專門的算法電路進(jìn)行處理，推動伺服閥芯，及時 地跟蹤和修正油缸運動的狀態(tài)，以達(dá)到精、準(zhǔn)控制的目的。由于伺服控制 卡的主頻是50MHz，輸入和輸出的分辨率都是16Bit,這就保證了運動控制 過程反饋的高精確度和靈敏性，響應(yīng)的快速和高時效性。
權(quán)利要求1、一種伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)，包括鎖模機(jī)構(gòu)、注射機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、電氣機(jī)構(gòu)和機(jī)架，其特征是注射機(jī)構(gòu)中的注射油缸(1)設(shè)置有空心浮動活塞(3)，加料系統(tǒng)中配置有能夠形成半固態(tài)鎂合金組織形態(tài)的送料螺桿(8)組件；液壓機(jī)構(gòu)包括插裝閥(15)和高響應(yīng)蓄能器(13)，高速注射速度控制系統(tǒng)在注射油缸出油側(cè)設(shè)置高頻響伺服閥(16)，注射油缸進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)設(shè)置二個壓力傳感器PS1和PS2，實時檢測系統(tǒng)壓力；電氣機(jī)構(gòu)中設(shè)置有高速CPU模塊控制高速注射速度，實時閉環(huán)控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)，其 特征是所述的注射油缸(l)內(nèi)一端設(shè)置有空心浮動活塞(3),另一端固 定有定位套簡(6)，空心浮動活塞的開口端插入定位套簡外壁和缸體內(nèi) 壁之間密封配合;空心浮動活塞內(nèi)外壁設(shè)置有低摩擦組合油封(2、 5)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)， 其特征是所述的空心浮動活塞(3)為輕質(zhì)薄壁活塞，空心浮動活塞的中 段與注射油缸(l)內(nèi)壁之間設(shè)置有低摩擦組合油封(2)，空心浮動活塞 的開口端與定位套簡(6)之間設(shè)置有低摩擦組合油封(5);空心浮動活 塞(3)通過推力軸承與連接座(7)相連接；注射油缸的進(jìn)油腔和出油 腔與注射油控制板(4)直接連接，釆用等截面流道；注射油缸的進(jìn)油腔 和出油腔面積比為2.2: 1。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型 機(jī)，其特征是所述的注射機(jī)構(gòu)設(shè)置有自動調(diào)節(jié)的雙階注射位置和旋轉(zhuǎn)部 件，能夠根據(jù)工藝和模具的不同要求調(diào)節(jié)兩種不同的注射機(jī)構(gòu)位置；旋轉(zhuǎn) 部件配置有液壓油缸驅(qū)動。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)， 其特征是所述的送料螺桿(8)設(shè)置在料簡(9)之中，送料螺桿與注射 組件(10)之間設(shè)置止逆閥(11)，止逆閥一端與注射組件相通，另一端與送料螺桿相連，通過原料介質(zhì)的壓力傳遞來實現(xiàn)密封。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)， 其特征是所述止逆閥(11)中段設(shè)置有止逆套(11. 1),止逆套內(nèi)壁設(shè)置 有軸向通道(11.2)，軸向通道一端與注射組件(10)相通，另一端與送 料螺桿(8)末端外徑連通；止逆套壁上還設(shè)置有一個以上的徑向通孔(11.3)，徑向通孔內(nèi)側(cè)與軸向通道相通，外側(cè)設(shè)置有周向槽，槽中設(shè)置 有活塞環(huán)(12);活塞環(huán)為便于拆換的開口環(huán)或分段環(huán)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)， 其特征是所述送料螺桿(8)的長徑比為24: 1;壓縮比值為1.45;且為 兩段式設(shè)計，通過螺紋或插銷連為一體；料簡(9)為不同材質(zhì)的內(nèi)套外 套復(fù)合而成，且內(nèi)套的耐溫為570—650X:。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型 機(jī)，其特征是所述液壓機(jī)構(gòu)的高響應(yīng)蓄能器(13)的高壓氮氣側(cè)連接有 氮氣儲氣瓶(14)，高響應(yīng)蓄能器的出油側(cè)和注射油缸(1)進(jìn)油側(cè)之間 設(shè)置有插裝閥(15)，在注射油缸出油側(cè)設(shè)置有高頻響伺服閥(16)進(jìn)行 出油伺服控制，兩個壓力傳感器PS1和PS2分別連接注射油缸的進(jìn)油側(cè) 和出油側(cè)，實時檢測系統(tǒng)壓力，最高注射速度達(dá)到3.8m/s。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)， 其特征是所述高響應(yīng)蓄能器(13 )和氮氣儲氣瓶(14 )組合控制的輸出液 壓油壓力在U0-130Bar之間;高頻響伺服閥(16 )的主閥芯位移僅為6mm, 階躍響應(yīng)0-100。/。小于15ms;進(jìn)油控制回路和回油控制回路流道設(shè)計集成 于油路板內(nèi)，無外接液壓管路。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī), 其特征是所述的電氣機(jī)構(gòu)中設(shè)置有獨立高速CPU模塊實施高速注射速度控 制，并采用實時閉環(huán)控制算法。
專利摘要一種伺服控制半固態(tài)鎂合金高速注射成型機(jī)，包括鎖模機(jī)構(gòu)、注射機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、電氣機(jī)構(gòu)和機(jī)架，其注射機(jī)構(gòu)中的注射油缸設(shè)置有空心浮動活塞，加料系統(tǒng)中配置有能夠形成半固態(tài)鎂合金組織形態(tài)的送料螺桿組件；液壓機(jī)構(gòu)包括插裝閥和高響應(yīng)蓄能器，高速注射速度控制系統(tǒng)在注射油缸出油側(cè)設(shè)置高頻響伺服閥，注射油缸進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)設(shè)置二個壓力傳感器PS1和PS2，實時檢測系統(tǒng)壓力；電氣機(jī)構(gòu)中設(shè)置有高速CPU模塊控制高速注射速度，實時閉環(huán)控制。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、體積小能耗低、控制精度高、調(diào)試容易、可高速注射，并且能夠?qū)ψ⑸渌俣取⒈簤毫σ约八芑硥哼M(jìn)行閉環(huán)控制。
文檔編號B22F3/115GK201394650SQ20092015139
公開日2010年2月3日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者劉勇兵, 崔曉鵬, 濤 張, 李斌禮, 沈鋒利, 隋鐵軍 申請人:廣東伊之密精密機(jī)械有限公司