CN104634808A - 用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备和试验方法，其优点在于：一是增设了用于盛放脱模剂的冷却桶和机械臂行程控制***，使试件在脱模剂中冷却与在熔融状态金属熔液中加热之间循环，与实际应用相近，能够获得更加准确的试验结果；二是通过机械臂行程控制***的PLC控制器控制主要由丝杆机构与行程开关构成的横向移动机构和升降机构以及用于驱动试件夹具旋转的旋转电机，能够更准确的实现实验进程的自动化控制。

Description

用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备和试验方法

技术领域

 本发明涉及疲劳试验技术领域，尤其是涉及一种用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备和试验方法。

背景技术

压铸是一种金属铸造工艺，包括闭模、压射充型、保压冷却、开模取件和喷脱模剂，用于批量制造大量产品，其特点是利用模具腔对融化的金属施加高压。压铸的成功取决于压射速度和模具。由于模具在压射充型阶段要承受600~700℃的高温，在开模取件时模具表面受到20℃左右涂脱模剂溶液的快速冷却，冷热交替容易使模具表面出现裂纹，导致压铸失效。

人们通过研制用于制造模具的新材料或对现有的金属材料进行热处理、表面强化处理（涂层、激光、等离子、表面涂层、气相沉淀、微弧氧化、电脉冲强化）等方法来提高模具的热疲劳性能。在研究过程中，需要对不同新材料或在不同处理方法前后的金属材料的热疲劳性能进行比较分析。现有的如专利号为ZL200520041915.3名称为‘压铸模具材料在熔融铝液中的热熔损与热疲劳试验装置’的中国实用新型专利提供了一种在熔融铝液中加热、空气中冷却的工控设备和相应的实验方法。该实验方法由于试件是在空气中冷却，与实际生产中模具是用脱模剂冷却，两者间存在较大区别，导致实验结果与实际应用的不同，亟待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种与实际应用环境相近，实验结果比较准确的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，包括工作台、加热炉、机械臂、机械臂行程控制***、试件夹具、传动轴和与传动轴连接的用于驱动试件夹具旋转的旋转电机，加热炉内设有用于盛放熔融状态金属熔液的坩埚，传动轴通过轴承与机械臂枢接；还包括用于盛放脱模剂的冷却桶；所述机械臂行程控制***包括用于控制机械臂在加热炉与冷却桶之间移动的横向移动机构、用于控制机械臂垂直上下的升降机构和PLC控制器，横向移动机构、升降机构和旋转电机分别与PLC控制器电连接；所述机械臂通过升降机构和横向移动机构与工作台连接；所述试件夹具与传动轴可拆式连接且设有多个夹头。

作为优选，横向移动机构包括与工作台固定的横向移动导轨、横向丝杆、横向丝杆螺母和用于驱动横向丝杆转动的第一电机，升降机构连接在横向丝杆螺母上并与横向移动导轨滑配合；第一电机与PLC控制器电连接；用丝杆机构控制机械臂的移动，运行比较平稳。所述横向移动导轨上设有左限位行程开关和右限位行程开关，左限位行程开关和右限位行程开关分别与PLC控制器电连接；通过行程开关控制运行，定位更为准确。

作为优选，所述升降机构包括连接在横向丝杆螺母上并与横向移动导轨滑配合的垂直方向移动导轨、垂直丝杆、垂直丝杆螺母和用于驱动垂直丝杆转动的第二电机，机械臂连接在垂直丝杆螺母上并与垂直方向移动导轨滑配合；第二电机与PLC控制器电连接。所述垂直方向移动导轨上设置有上限位行程开关和下限位行程开关，上限位行程开关和下限位行程开关分别与PLC控制器电连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：一是增设了用于盛放脱模剂的冷却桶和机械臂行程控制***，使试件在与实际应用相近的环境中实验，能够获得更加准确的实验结果；二是通过PLC控制器控制由丝杆机构和行程开关构成的横向移动机构和升降机构以及用于驱动试件夹具旋转速度的旋转电机，能够更准确的实现实验进程的自动化控制。

作为改进，所述夹头上设有用于卡设试件的卡槽，卡槽两侧壁上设有用于与固定试件的螺钉配合的螺纹孔。安装试件比较简单，试件与夹头连接比较牢固。

作为优选，所述夹头为五个且径向圆周均匀分布。对熔融状态金属熔液的搅动比较均匀，防止熔融状态金属熔液飞溅。

作为优选，所述加热炉为电阻炉，所述坩埚为用于盛放熔融铝液的石墨坩埚；还包括热电偶探头，热电偶探头通过反馈线与电热炉控制箱电连接。

作为改进，所述机械臂的底部设有隔热棉，防止机械臂受热过渡有导致损坏。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种与上述实验设备相应的实验方法。

用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验方法包括以下具体步骤，先将一组试件固定在试件夹具的夹头上；然后在PLC控制器上设置各种参数，包括加热炉的温度、试件在熔融状态金属熔液中的受热时间、旋转电机的转速、第一电机的转速、第二电机的转速、试件在脱模剂中的冷却时间以及试件在熔融状态金属熔液中的受热与在脱模剂中的冷却的循环次数；接着由上述的试验设备开始运行，通过机械臂行程控制***使试件在熔融状态金属熔液中的受热与在脱模剂中的冷却之间循环，在达到设定的循环次数时设备停止运行；取下试件后，比较分析这组试件的实验结果。

附图说明

图1为本发明实验设备的正视立体结构示意图。

图2为本发明实验设备的后视立体结构示意图。

图3为本发明试件夹具与试件的结构示意图。

图中所示：1、工作台，2、加热炉，3、坩埚，4、机械臂，5、试件夹具，5.1、夹头，5.1.1、卡槽，5.1.2、螺纹孔，6、传动轴，7、旋转电机，8、冷却桶，9、PLC控制器，10、隔热棉，11、横向移动导轨，12、第一电机，13、左限位行程开关，14、右限位行程开关，21、垂直方向移动导轨，22、第二电机，23、上限位行程开关，24、下限位行程开关，25、移动底座，26、支撑板，41、热电偶探头，42、反馈线，43、电热炉控制箱，100、试件。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本优选实施例如图1至图3所示为一种用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，包括工作台1、加热炉2、机械臂4、机械臂行程控制***、试件夹具5、传动轴6和与传动轴6连接的用于驱动试件夹具5旋转的旋转电机7，加热炉2内设有用于盛放熔融状态金属熔液的坩埚3，传动轴6通过轴承（图中未示出）与机械臂4枢接；还包括用于盛放脱模剂的冷却桶8；机械臂行程控制***包括用于控制机械臂4在加热炉2与冷却桶8之间移动的横向移动机构、用于控制机械臂4垂直上下的升降机构和PLC控制器9，横向移动机构、升降机构和旋转电机7分别与PLC控制器9电连接；机械臂4通过升降机构和横向移动机构与工作台1连接；试件夹具5与传动轴6可拆式连接且设有多个夹头5.1。

横向移动机构具体包括与工作台1固定的横向移动导轨11、横向丝杆（图中未示出）、横向丝杆螺母（图中未示出）和用于驱动横向丝杆转动的第一电机12，升降机构连接在横向丝杆螺母上并与横向移动导轨11滑配合；第一电机12与PLC控制器9电连接。横向移动导轨11上设有左限位行程开关13和右限位行程开关14，左限位行程开关13和右限位行程开关14分别与PLC控制器9电连接。升降机构具体包括连接在横向丝杆螺母上并与横向移动导轨11滑配合的垂直方向移动导轨21、垂直丝杆（图中未示出）、垂直丝杆螺母（图中未示出）和用于驱动垂直丝杆转动的第二电机22，机械臂4连接在垂直丝杆螺母上并与垂直方向移动导轨21滑配合；第二电机22与PLC控制器9电连接。垂直方向移动导轨21上设置有上限位行程开关23和下限位行程开关24，上限位行程开关23和下限位行程开关24分别与PLC控制器9电连接。在本实施例中，用丝杆机构和行程开关准确控制机械臂4的移动；垂直方向移动导轨21与横向丝杆螺母通过移动底座25连接，移动底座25与横向移动导轨11滑配合，且在垂直方向移动导轨21的背部加设有两块与移动底座25固定的支撑板26。

在本实施例中试件夹具5的夹头5.1为五个且径向圆周均匀分布，试件夹具5可拆换，试件夹具5的夹头5.1可以为其他数量，用于满足不同试验对夹头5.1数量的具体要求，且夹头5.1均呈圆周均匀分布，用于防止坩埚3中金属熔液在不规则试件夹具5旋转的带动下飞溅。夹头5.1上设有用于卡设试件100的卡槽5.1.1，卡槽5.1.1两侧壁上设有用于与固定试件100的螺钉配合的螺纹孔5.1.2。

加热炉2为电阻炉，坩埚3为耐高温的石墨坩埚；还包括热电偶探头41，热电偶探头41通过反馈线42与电阻炉控制箱43电连接，用于监测控制坩埚3温度。

另外，机械臂4的底部和工作台1靠近加热炉2的部分上均设有隔热棉10。旋转电机7为伺服电机，PLC控制器9可调控旋转电机7的速度，模拟压铸时金属熔液对模具的冲刷；第一电机12和第二电机22均为双向旋转电机。

试验方法包括以下具体步骤，先将一组试件100固定在试件夹具5的夹头5.1上；然后在PLC控制器9上设置各种参数，包括加热炉2的温度、试件100在熔融状态金属熔液中的受热时间、旋转电机7的转速、第一电机12的转速、第二电机22的转速、试件100在脱模剂中的冷却时间以及试件100在熔融状态金属熔液中的受热与在脱模剂中的冷却的循环次数；接着试验设备开始运行，通过机械臂行程控制***的PLC控制器9控制横向移动机构和升降机构使试件100在熔融状态金属熔液中的受热与在脱模剂中的冷却之间循环，在达到设定的循环次数时试验设备停止运行；取下试件100后，比较分析这组试件100的实验结果。试件100在熔融状态金属熔液中的受热与在脱模剂中的冷却之间的一个循环的具体过程如下：第一电机12正向运转，垂直方向移动导轨21右行，使升降机构带动机械臂4向电阻炉2方向运动；当垂直方向移动导轨21触发右限位行程开关14时，第一电机12停止，第二电机22正向运转，机械臂4下行将试件100慢慢浸入到金属熔液中；当机械臂4触发下限位行程开关24时，第二电机22停止，旋转电机7运转并通过传动杆6带动试件夹具5使试件100在金属熔液里旋转；当旋转时间达到设定时间时，旋转电机7停止，第二电机22反向运转，机械臂4上行把试件100从金属熔液中提出；当机械臂4触发上限位行程开关23时，第二电机22停止，第一电机12反向运转，垂直方向移动导轨21左行，使升降机构带动机械臂4向冷却桶8方向运行；当垂直方向移动导轨21触发左限位行程开关13时，第一电机12停止，第二电机22正向运转，机械臂4下行将试件100浸入到脱模剂中；当机械臂4触发下限位行程开关24时，第二电机22停止，当试件100在脱模剂里停留所设定的时间后，第二电机反向运转，机械臂4上行把试件100从脱模剂中提出，当机械臂4触发上限位行程开关23时，第二电机22停止，第一电机12正向运转进入下一循环。

本说明书中描述的左和右是指附图1中的左和右，不得作为对本发明保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，包括工作台（1）、加热炉（2）、机械臂（4）、机械臂行程控制***、试件夹具（5）、传动轴（6）和与传动轴（6）连接的用于驱动试件夹具（5）旋转的旋转电机（7），加热炉（2）内设有用于盛放熔融状态金属熔液的坩埚（3），传动轴（6）通过轴承与机械臂（4）枢接；其特征在于：还包括用于盛放脱模剂的冷却桶（8）；所述机械臂行程控制***包括用于控制机械臂（4）在加热炉（2）与冷却桶（8）之间移动的横向移动机构、用于控制机械臂（4）垂直上下的升降机构和PLC控制器（9），横向移动机构、升降机构和旋转电机（7）分别与PLC控制器（9）电连接；所述机械臂（4）通过升降机构和横向移动机构与工作台（1）连接；所述试件夹具（5）与传动轴（6）可拆式连接且设有多个夹头（5.1）。

2.根据权利要求1所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：横向移动机构包括与工作台（1）固定的横向移动导轨（11）、横向丝杆、横向丝杆螺母和用于驱动横向丝杆转动的第一电机（12），升降机构连接在横向丝杆螺母上并与横向移动导轨（11）滑配合；第一电机（12）与PLC控制器（9）电连接。

3.根据权利要求2所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：所述横向移动导轨（11）上设有左限位行程开关（13）和右限位行程开关（14），左限位行程开关（13）和右限位行程开关（14）分别与PLC控制器（9）电连接。

4.根据权利要求2所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：所述升降机构包括连接在横向丝杆上并与横向移动导轨（11）滑配合的垂直方向移动导轨（21）、垂直丝杆、垂直丝杆螺母和用于驱动垂直丝杆转动的第二电机（22），机械臂（4）连接在垂直丝杆螺母上并与垂直方向移动导轨（21）滑配合；第二电机（22）与PLC控制器（9）电连接。

5.根据权利要求4所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：所述垂直方向移动导轨（21）上设置有上限位行程开关（23）和下限位行程开关（24），上限位行程开关（23）和下限位行程开关（24）分别与PLC控制器（9）电连接。

6.根据权利要求1所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：所述夹头（5.1）上设有用于卡设试件（100）的卡槽（5.1.1），卡槽（5.1.1）两侧壁上设有用于与固定试件（100）的螺钉配合的螺纹孔（5.1.2）。

7.根据权利要求6所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：所述夹头（5.1）为五个且径向圆周均匀分布。

8.根据权利要求1所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：所述加热炉（2）为电阻炉，所述坩埚（3）为用于盛放熔融铝液的石墨坩埚；还包括热电偶探头（41），热电偶探头（41）通过反馈线（42）与电阻炉控制箱（43）电连接。

9.根据权利要求1所述的用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验设备，其特征在于：所述机械臂（4）的底部设有隔热棉（10）。

10.一种用于制作压铸模具的金属材料的热疲劳试验方法，其特征在于：包括以下具体步骤，先将一组试件（100）固定在试件夹具（5）的夹头（5.1）上；然后在PLC控制器（9）上设置各种参数，包括加热炉（2）的温度、试件（100）在熔融状态金属熔液中的受热时间、旋转电机（7）的转速、第一电机（12）的转速、第二电机（22）的转速、试件（100）在脱模剂中的冷却时间以及试件（100）在熔融状态金属熔液中的受热与在脱模剂中的冷却的循环次数；接着由权利要求1~9任一项所述的试验设备开始运行，通过机械臂行程控制***使试件（100）在熔融状态金属熔液中的受热与在脱模剂中的冷却之间循环，在达到设定的循环次数时试验设备停止运行；取下试件（100）后，比较分析这组试件（100）的实验结果。