一種潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置設(shè)計(jì)研究

吳兆輝

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的提高，汽車(chē)的輕量化對(duì)鋁合金的耐腐蝕、耐久性也有著更高的要求。市面上應(yīng)用較多的鋁合金為鑄造鋁合金，通過(guò)鑄造可任意定型，不僅省時(shí)省料，縮短制造時(shí)間，廣泛用于汽車(chē)、航天及船舶領(lǐng)域[1]。鑄造類(lèi)鋁合金，根據(jù)添加的稀有金屬元素不同，可分為鋁鋅合金、鋁鎂合金鋁稀土合金等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)使用條件來(lái)給鋁合金在熔煉過(guò)程中添加相應(yīng)的稀土元素，比如發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、鋁合金輪轂等，使用環(huán)境較為惡劣，要求鋁合金不僅有較高的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)也具備一定的韌性[2]。在鑄造這類(lèi)鋁合金時(shí)要添加一些稀土和化學(xué)材料，同時(shí)還要求在熔煉攪拌過(guò)程中流場(chǎng)的速度分布、金相組織分散狀況、攪拌臨界轉(zhuǎn)速等指標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)試，不斷完善和構(gòu)建模型，達(dá)到模型構(gòu)建接近實(shí)際使用的準(zhǔn)確度。

攪拌裝置是鋁合金在熔煉過(guò)程不可少的一道關(guān)鍵工序，目前市面上的攪拌裝置很多是由上部電機(jī)，加上攪拌桿，攪拌桿底部嵌入攪拌槳組成[3]。這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，但是在攪拌過(guò)程中，由于單個(gè)葉片攪拌水流會(huì)沿著圓通側(cè)壁流動(dòng)，只有通過(guò)高轉(zhuǎn)速使水流高速流動(dòng)，產(chǎn)生較大渦流時(shí)，才會(huì)獲得較好的攪拌效果。然而攪拌桿太長(zhǎng)，而不能采用高轉(zhuǎn)速攪拌，因此，這種傳統(tǒng)的攪拌裝置僅用于對(duì)攪拌質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。鑒于傳統(tǒng)攪拌裝置存在的不足，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種潛入式攪拌裝置，采用雙電機(jī)設(shè)計(jì)方案，上部電機(jī)控制整個(gè)下潛裝置的緩慢旋轉(zhuǎn)，下潛電機(jī)控制兩個(gè)攪拌葉輪的旋轉(zhuǎn)。由于雙攪拌葉輪獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)水流旋渦的形成，使溶液之間產(chǎn)生摩擦，由于攪拌桿很短，可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的攪拌，而不必?fù)?dān)心溶液溢出裝置[4]。

1 潛入式鋁合金攪拌裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，由密封圈1、齒條2、頂端蓋板3、齒輪4、手柄5、圓柱桿6、電機(jī)7、減速器8、連接軸9、防水殼10、減速器11、防水電機(jī)12、攪拌桿13、攪拌葉輪14、支座腳15、下橫桿16、上橫桿17以及輸電線18組成。

圖1 潛入式攪拌裝置

頂端蓋板3為正方形結(jié)構(gòu)，頂端蓋板3與四個(gè)支座腳15之間采用固定連接，四個(gè)支座腳15之間有橫向連桿四周固定連接，上橫桿17與橫向連接桿固定連接，下橫桿16與橫向連接桿連接。頂端蓋板3、上橫桿17和下橫桿16中間孔采用一體鉆孔成型，以保證同軸度。將圓柱桿6嵌入已經(jīng)加工好的孔內(nèi)，在配合時(shí)，圓柱桿6與上橫桿17中間的孔采用滑動(dòng)軸承配合，滑動(dòng)軸承的外圈與上橫桿17緊固配合，內(nèi)圈與圓柱桿6緊固配合。同樣，圓柱桿6與下橫桿16采用滑動(dòng)軸承配合，滑動(dòng)軸承的外圈與下橫桿16內(nèi)孔緊固配合，內(nèi)圈與圓柱桿6緊固配合。在圓柱桿6上端部分內(nèi)安裝齒條，并固定在圓柱桿6側(cè)面沿軸向放置。齒輪4和手柄5組成的支座安裝在上橫桿17上，齒輪4和齒條2嚙合。輸電線18從圓柱桿6頂部接入中間空心孔內(nèi)，與下面電機(jī)7連接，電機(jī)7從下端嵌入圓柱桿6內(nèi)部。電機(jī)7輸出軸與減速器8連接，減速器8的輸出軸采用加粗空管，與連接軸9固定連接。連接軸9下端與防水電機(jī)12固定密封連接。部分導(dǎo)電體從中間部分接入下端防水電機(jī)12內(nèi)，防水電機(jī)12采用雙輸出軸設(shè)計(jì)方案，兩端分別安裝有90°轉(zhuǎn)向減速器11，減速器11出口處做防水處理。減速器11輸出軸連接攪拌桿13，攪拌桿13與攪拌葉輪14固定連接。整個(gè)連接桿9下端連接機(jī)構(gòu)均可以在液體下實(shí)現(xiàn)攪拌，且具有防水效果。

2 實(shí)施的方式

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置的實(shí)施方式：將需要攪拌的物料溶液放入攪拌罐內(nèi)，旋轉(zhuǎn)手柄5，通過(guò)齒輪4和齒條2的嚙合帶動(dòng)圓柱桿6上下移動(dòng)到合適的位置。齒輪4和齒條2的升降機(jī)構(gòu)自帶有鎖緊（即在齒輪4側(cè)面的輪齒上鑲嵌楔塊，阻止齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)）。圓柱桿6沿著上橫桿17和下橫桿16中間孔軸心線上下移動(dòng)，而滑動(dòng)軸承可以確保圓柱桿6在工作中平穩(wěn)性，防止徑向竄動(dòng)。與輸電線18連接的開(kāi)關(guān)閉合，電線通電，電機(jī)7在減速器8的作用下做圓周緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn)速可根據(jù)攪拌要求調(diào)節(jié)快慢，由于是主驅(qū)動(dòng)輸出軸，設(shè)置最大轉(zhuǎn)速不超過(guò)50 r/min）。減速器8輸出軸帶動(dòng)與連接軸9固定的防水電機(jī)12同時(shí)旋轉(zhuǎn)，防水電機(jī)12在減速器11的兩側(cè)90°轉(zhuǎn)角側(cè)面輸出軸各連接攪拌葉輪14，在防水電機(jī)12的驅(qū)動(dòng)下快速旋轉(zhuǎn)。由于攪拌桿13伸出長(zhǎng)度短，在高速旋轉(zhuǎn)下不容易發(fā)生較大竄動(dòng)現(xiàn)象。在電機(jī)7作用下做圓周緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，防水電機(jī)12的作用下做快速的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)雙電機(jī)雙攪拌葉輪設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)高效攪拌。攪拌完成后，關(guān)停電源，旋轉(zhuǎn)手柄5，圓柱桿6上升抬起，完成整個(gè)攪拌過(guò)程。

在電機(jī)7采用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況下，根據(jù)實(shí)際的攪拌需要，攪拌葉輪14的旋轉(zhuǎn)方向可以有三種組合方式，如圖2（a）所示攪拌葉輪相向轉(zhuǎn)動(dòng)，防水電機(jī)12的雙輸出軸，左邊輸出軸為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右邊輸出軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩端分別安裝有90°轉(zhuǎn)向減速器11，減速器11輸出軸連接攪拌桿13，攪拌桿13與帶動(dòng)攪拌葉輪14旋轉(zhuǎn)。左右葉輪旋轉(zhuǎn)方向相向進(jìn)行，當(dāng)兩個(gè)葉輪經(jīng)過(guò)的區(qū)域，溶體被吸入并向兩個(gè)攪拌葉片14中間向后流過(guò)。這種攪拌方式適合轉(zhuǎn)速不高，且要求攪拌均勻的場(chǎng)合。

如圖2（b）所示攪拌葉輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，防水電機(jī)12的雙輸出軸，左邊輸出軸為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右邊輸出軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩端同樣安裝有90°轉(zhuǎn)向減速器11，減速器11連接攪拌桿13，攪拌桿13與帶動(dòng)攪拌葉輪14旋轉(zhuǎn)。由于兩個(gè)葉輪的方向都是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在電機(jī)7同樣是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況下，兩個(gè)攪拌葉片14在較高轉(zhuǎn)速下可避免與電機(jī)7轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生渦流，這種模式不適合葉片低轉(zhuǎn)速攪拌。

如圖2（c）所示攪拌葉輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，防水電機(jī)12的雙輸出軸，左邊輸出軸為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右邊輸出軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩端同樣是減速器11連接攪拌桿13，攪拌桿13與帶動(dòng)攪拌葉輪14逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由于攪拌葉片14和電機(jī)7旋轉(zhuǎn)方向相反，因此在低速和高速模式下，均可以獲得較好的攪拌效果。

圖2 攪拌葉輪旋轉(zhuǎn)方向

3 攪拌裝置的可行性分析

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，支座上上橫桿和下橫桿中間嵌入圓柱升降桿，為了保證圓柱升降桿上下運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，擬采用滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方案。圓柱升降桿中間采用空心結(jié)構(gòu)，為了確保升降桿的穩(wěn)定性，管內(nèi)孔設(shè)計(jì)尺寸較小，能通過(guò)導(dǎo)線和傳入惰性氣體便可。設(shè)計(jì)利用齒輪齒條結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)升降桿的上下移動(dòng)，裝置采用手柄設(shè)計(jì)，是在實(shí)驗(yàn)中使用，以檢驗(yàn)裝內(nèi)溶體的量調(diào)節(jié)高度[5]。

目前采用石墨作為攪拌葉輪材料，而石墨材料穩(wěn)定性溫度在300～700℃之間，比較適宜做鋁合金溶體攪拌的材料。電機(jī)安裝裝置中，一個(gè)電機(jī)安裝在在溶體上，另外一個(gè)電機(jī)放在溶體下。對(duì)在溶體內(nèi)的電機(jī)的密封及耐高溫做進(jìn)一步的驗(yàn)證，電機(jī)完全嵌入熔體中，不僅對(duì)密封有較高要求，且對(duì)耐高溫有一定的要求。目前市面上已經(jīng)有耐高溫耐輻射電機(jī)和高溫步進(jìn)電機(jī)，采用特種材料制作而成，最高溫度可以到達(dá)300～500℃，真空度優(yōu)于10-7Pa，可完全滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)裝置的要求[6]。

為了熔煉攪拌出組分均勻分布的鋁合金原材料，本項(xiàng)目擬對(duì)攪拌石墨轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)，采用雙十字葉片設(shè)計(jì)，葉片采用石墨材料，在攪拌過(guò)程中產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)應(yīng)的渦流，相互作用下，不會(huì)產(chǎn)生較大的漩渦，在這種新型葉輪的攪拌混合作用下，可改善鋁合金組分均勻混合的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

潛入式鋁合金熔煉攪拌裝置電機(jī)直接傳遞動(dòng)力給下端的葉片，可以提高旋轉(zhuǎn)的速度。高的速度容易產(chǎn)生較大的漩渦，靠近中心漩渦流動(dòng)速度快，容器壁上的溶體流動(dòng)速度慢，同樣會(huì)導(dǎo)致攪拌的不均勻。因此采用雙十字石墨攪拌葉輪設(shè)計(jì)方案，將原本一個(gè)大的渦流分散為兩個(gè)渦流，減小單個(gè)漩渦的有效半徑，使溶體在流動(dòng)過(guò)程中更加均勻。由于是雙十字葉輪設(shè)計(jì)，周邊的溶體也會(huì)有分布不均的情況出現(xiàn)，在圓柱桿6上安裝主電機(jī)，進(jìn)行緩慢的圓周旋轉(zhuǎn)，擬帶動(dòng)下端的雙十字進(jìn)行圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于添加了合金元素的鋁合金溶體，可確保合金元素在攪拌過(guò)程中的均勻分布，提高鋁合金的綜合性能。