CN111167909A - 一种高性能构件扭-挤成形的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高性能构件扭‑挤成形的装置，属于金属塑性加工技术领域。该装置包括挤压成形部分、扭转剪切部分、控制部分和检测部分。挤压成形部分通过挤压轴施加载荷使坯料在挤压筒和挤压模内金属流动实现成形；扭转剪切部分通过伺服电机、蜗轮蜗杆减速器、扭矩传感器、联轴器和轴的联结将扭矩传递至扭转头，变形坯料在扭转头高压扭转作用下实现晶粒细化；控制部分实现扭与挤的匹配；检测部分获取挤压轴挤压力、扭转轴扭矩、挤压行程和扭转角度，并将获取的信号传递到计算机上。构件在成形过程中承受压力机载荷及扭转剪切变形的复合作用,最终实现高性能构件单道次的近净成形。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性加工技术领域，特别是指一种高性能构件扭-挤成形的装置。
背景技术
随着我国航空航天工业的迅速发展，对零件的性能提出了很高的要求，迫切需要发展其高性能构件的先进成形方法，以满足整体减重和高性能的迫切要求，然而传统的成形构件的工艺方法(铸造、挤压和轧制)存在着一定的局限性，构件存在内部缺陷、性能相对较低和变形不均匀等问题，难以满足航空航天高性能构件的要求，因此，探索金属成形新方法得到高性能构件是需要迫切解决的问题。
细晶强化同其它强化方法相比，不仅能够提高性能而且还能够提高塑性，是金属强韧化的主要方法。高压扭转在晶粒细化上效果突出，能够将晶粒细化至亚微米乃至纳米级别，但是在成形构件上有一定的局限性。挤压工艺在成形上作用突出，可成形件的性能相对较低。两者在成形和成性上都难以同时达到，本发明结合两者的优势，提出的一种高性能构件扭-挤成形的装置能够保证成形的过程中成性。新方法有望突破构件的传统成形方法且能保证其具有好的界面质量与形状精度，进而满足构件一体化成形及减重的需求。因此本发明提出的扭-挤复合成形的工艺装置系统对于实现高性能构件塑性加工具有重要意义。
发明内容
本发明针对传统成形方法难以加工高性能板件的问题，基于高压扭转突出的细晶能力和挤压的成形能力，提供一种高性能构件扭-挤成形的装置。
该装置包括挤压成形部分、扭转剪切部分、控制部分和检测部分。挤压成形部分包括凸模、挤压筒、模具、上模座、垫板、挡板和下模座，挤压成形部分通过内六角螺栓与扭转剪切部分连接；扭转剪切部分包括扭转轴、主轴、推力调心滚子轴承、轴承箱、轴承箱上盖板、轴承箱下盖板、轴承箱支撑板、减速器支撑板、减速器固定板、蜗轮蜗杆减速器、伺服电机和底板，伺服电机通过法兰与蜗轮蜗杆减速器输入端相连接，蜗轮蜗杆减速器通过螺栓固定于减速器固定板上，减速器固定板通过螺栓固定于底板和轴承箱下盖板之间，轴承箱下盖板上固定轴承箱，轴承箱上固定轴承箱上盖板，轴承箱上盖板通过内六角螺栓同下模座连接；控制部分包括伺服驱动器和速度控制器；检测部分包括扭矩传感器、压力传感器、位移传感器、多通道信号采集器和计算机。上模座上安装位移传感器，上模座和垫板之间设置压力传感器，位移传感器和压力传感器分别连接多通道信号采集器，垫板下设置挡板，挡板下方固定凸模，凸模深入挤压筒中，挤压筒下部放置模具，构件置于挤压筒中，模具置于下模座上，下模座置于轴承箱上盖板上，构件置于扭转轴上，主轴外侧设置推力调心滚子轴承，推力调心滚子轴承密封在轴承箱中，主轴下部安装联轴器同扭矩传感器连接，蜗轮蜗杆减速器安装在装置下部底板上，扭矩传感器下部连接蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器由伺服电机驱动，轴承箱下盖板和底板之间设置减速器支撑板，伺服电机连接伺服驱动器，伺服驱动器连接电源和速度控制器，速度控制器和多通道信号采集器连接计算机。
其中，下模座开有通孔，供主轴穿过，模具开有通孔，供扭转轴与构件接触。
主轴一端穿过轴承箱下盖板的中心孔与联轴器连接，主轴另一端通过花键同扭转轴配合，主轴与两个推力调心滚子轴承相配合，两个推力调心滚子轴承中一个同轴承箱配合，另一个同轴承箱上盖板配合。
扭矩传感器一端与联轴器连接，另一端与蜗轮蜗杆减速器连接，扭矩传感器上外接多通道信号采集器，多通道信号采集器与电源连接，多通道信号采集器上通信接口与计算机连接，能够在工作时记录每一时刻的扭矩、功率和转速。
伺服电机外接有伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机的启停，伺服驱动器上接有电源线、伺服电机连接线、速度控制器连接线，速度控制器用于调节伺服电机的转速，以满足不同构件成形时挤压速度与扭转速度的合理匹配。
减速器支撑板一端与底板相连接，另一端与轴承箱下盖板连接，起支撑的作用，轴承箱支撑板一端与轴承箱上盖板相连接，另一端与轴承箱下盖板相连接，起支撑作用。
蜗轮蜗杆减速器的输出端、主轴、扭转轴、轴承箱下盖板的中心孔、轴承箱、轴承箱上盖板的中心孔、下模座的中心孔和模具的中心孔保证同轴心。
扭转轴的端部开有4个螺旋槽，螺旋槽截面为倒等腰梯形，等腰角度为60°。
该装置的使用步骤如下：
S1：将扭转剪切部分通过螺栓固定于工作台上；
S2：将挤压成形部分中的挤压筒和模具通过螺栓固定于下模座上；
S3：将挤压成形部分中的下模座通过螺栓固定于扭转装置中的轴承箱上盖板上；
S4：将凸模、垫板和挡板固定于上模座上；
S5：将上模座通过螺栓固定于压力机滑块上；
S6：将坯料加热至再结晶温度之上并保温，同时将模具装置加热至相同温度；
S7：对坯料、凸模、挤压筒、模具和扭转轴涂覆二硫化钼润滑剂；
S8：将坯料放置于挤压筒腔内，坯料底端与扭转轴接触；
S9：启动伺服电机，通过速度控制器调控其输出转速，使扭转轴获得转速；
S10：启动压力机，凸模以设定的挤压速度下行，坯料受到挤压及扭转变形的复合作用，最终实现高性能构件单道次的近净成形，在工作过程中通过扭矩传感器获取信号，计算机记录每个时刻扭矩、功率和转速的变化。
以典型的板类件为例，坯料在成形板件的过程中承受挤压成形及扭转变形的复合作用，实现典型板类构件单道次的高性能近净成形。
坯料在成形板类构件时处于挤压和高压扭转的复合受力状态，扭转使得坯料底部受到强烈的剪切作用产生显著的晶粒细化效果还能够产生摩擦热发生局部温升，促进塑性充分流动，减少复合成形的挤压力。
扭转轴的转速可实现无级变速，所述扭转轴与模具中心孔为小间隙配合，可保证扭转轴旋转并防止溢料。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)减小了成形所需的挤压力，强烈的剪切作用引起温升促进了金属的塑性流动，进而减小了成形所需的挤压力。
(2)细晶效果突出，坯料在挤压和扭转的共同作用下，坯料内部晶粒在强烈剪切作用下使得晶粒发生机械破碎和动态再结晶过程，从而细化晶粒。
(3)可实现不同长宽比板类构件的成形，通过更换不同规格的扭转轴以适应不同长宽比板类件的加工。
(4)扭转轴的转速可实现无级变速，本发明中的扭转剪切装置是由伺服电机提供动力，通过改变伺服电机的输出转速进而改变扭转剪切装置的输出转速。
(5)可广泛应用于镁合金、铝合金等轻质金属板类构件的成形制造。
附图说明
图1为本发明实施例1中高性能构件扭-挤成形的过程示意图；
图2为不同于实施例1中的挤压成形部分，其中，(a)为成形筒件，(b)为成形盘类件；
图3为本发明实施例1中的扭转剪切部分示意图；
图4为本发明实施例1中的扭转轴的结构示意图，其中，(a)为扭转轴端面是平的并开有螺旋槽，(b)为扭转轴端面是圆台并开有螺旋槽，(c)为扭转轴端面是平的并有凸起的凸台；
图5为实施例1中镁合金板件扭-挤成形结束时的结构示意图。
其中：1-上模座、2-位移传感器、3-挡板、4-挤压筒、5-模具、6-主轴、7-轴承箱上盖板、8-轴承箱支撑板、9-轴承箱下盖板、10-联轴器、11-扭矩传感器、12-减速器支撑板、13-伺服电机、14-底板、15-减速器固定板、16-蜗轮蜗杆减速器、17-轴承箱、18-推力调心滚子轴承、19-下模座、20-扭转轴、21-构件、22-凸模、23-垫板、24-压力传感器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种高性能构件扭-挤成形的装置。
如图1所示，该装置包括挤压成形部分、扭转剪切部分、控制部分和检测部分。挤压成形部分包括凸模22、挤压筒4、模具5、上模座1、垫板23、挡板3和下模座19，挤压成形部分通过内六角螺栓与扭转剪切部分连接；扭转剪切部分包括扭转轴20、主轴6、推力调心滚子轴承18、轴承箱17、轴承箱上盖板7、轴承箱下盖板9、轴承箱支撑板8、减速器支撑板12、减速器固定板15、蜗轮蜗杆减速器16、伺服电机13和底板14，伺服电机13通过法兰与蜗轮蜗杆减速器16输入端相连接，蜗轮蜗杆减速器16通过螺栓固定于减速器固定板15上，减速器固定板15通过螺栓固定于底板14和轴承箱下盖板9之间，轴承箱下盖板9上固定轴承箱17，轴承箱17上固定轴承箱上盖板7，轴承箱上盖板7通过内六角螺栓同下模座19连接；控制部分包括伺服驱动器和速度控制器；检测部分包括扭矩传感器11、压力传感器24、位移传感器2、多通道信号采集器和计算机。上模座1上安装位移传感器2，上模座1和垫板23之间设置压力传感器24，位移传感器2和压力传感器24分别连接多通道信号采集器，垫板23下设置挡板3，挡板3下方固定凸模22，凸模22深入挤压筒4中，挤压筒4下部放置模具5，构件21(成形前为坯料)置于挤压筒4中，模具5置于下模座19上，下模座19置于轴承箱上盖板7上，构件21(成形前为坯料)置于扭转轴20上，主轴6外侧设置推力调心滚子轴承18，推力调心滚子轴承18密封在轴承箱17中，主轴6下部安装联轴器同扭矩传感器11连接，蜗轮蜗杆减速器16安装在装置下部底板14上，扭矩传感器11下部连接蜗轮蜗杆减速器16，蜗轮蜗杆减速器16由伺服电机13驱动，轴承箱下盖板9和底板14之间设置减速器支撑板12，伺服电机13连接伺服驱动器，伺服驱动器连接电源和速度控制器，速度控制器和多通道信号采集器连接计算机。
此时，在成形初，构件21为坯料。
如图5所示，在成形结束时，构件21为板件。
下面结合具体实施例予以说明。
如图1所示，挤压坯料为圆柱形，该装置的使用步骤为：
S1：把主轴6、轴承箱上盖板7、轴承箱支撑板8、轴承箱下盖板9、减速器支撑板12、伺服电机13、底板14、减速器固定板15、蜗轮蜗杆减速器16、轴承箱17、推力调心滚子轴承18和扭转轴20组合成如图3所示的扭转剪切装置；
S2：把扭转剪切装置固定于压力机的工作台上，用螺栓将底板14固定于工作台上；
S3：将模具5和挤压筒4组合在一起通过螺栓固定于下模座19上；
S4：将下模座19通过螺栓固定于扭转剪切装置中的轴承箱上盖板7上；
S5：将凸模22、垫板23和挡板3通过螺栓固定于上模座1上；
S6：将上模座1通过螺栓固定于压力机滑块上；
S7：将构件21(此时为坯料)加热至再结晶温度之上并保温一定的时间，同时将模具装置加热至相同温度；
S8：对坯料、凸模22、挤压筒4、模具5和扭转轴20涂覆二硫化钼润滑剂；
S9：将坯料放置于挤压筒的模腔内，坯料底端与扭转轴20接触；
S10：启动伺服电机13，通过伺服驱动器和速度控制器调控其输出转速，扭转轴20获得一定的转速；
S11：启动压力机，凸模22以一定的挤压速度下行，坯料受到挤压及扭转变形的复合作用，最终实现板类构件单道次的高性能近净成形，计算机记录下成形过程中的扭矩、转速和功率的变化。
在实际应用中，还可如图2所示成形构件。扭转轴能够基于模具变化做出对应的调整，实现不同高性能构件的成形，如图4所示，为三种扭转轴的端面，图(a)所示的扭转轴能够根据成形的需要可以增加或减小螺旋槽的个数，图(b)相对于图(a)存在高度为h的圆台，圆台高度可调，螺旋槽个数可调，图(c)是在端面凸起的凸台，可以根据所需增加或减少凸台个数。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：包括挤压成形部分、扭转剪切部分、控制部分和检测部分，挤压成形部分包括凸模(22)、挤压筒(4)、模具(5)、上模座(1)、垫板(23)、挡板(3)和下模座(19)，挤压成形部分通过内六角螺栓与扭转剪切部分连接；扭转剪切部分包括扭转轴(20)、主轴(6)、推力调心滚子轴承(18)、轴承箱(17)、轴承箱上盖板(7)、轴承箱下盖板(9)、轴承箱支撑板(8)、减速器支撑板(12)、减速器固定板(15)、蜗轮蜗杆减速器(16)、伺服电机(13)和底板(14)，伺服电机(13)通过法兰与蜗轮蜗杆减速器(16)输入端相连接，蜗轮蜗杆减速器(16)通过螺栓固定于减速器固定板(15)上，减速器固定板(15)通过螺栓固定于底板(14)和轴承箱下盖板(9)之间，轴承箱下盖板(9)上固定轴承箱(17)，轴承箱(17)上固定轴承箱上盖板(7)，轴承箱上盖板(7)通过内六角螺栓同下模座(19)连接；控制部分包括伺服驱动器和速度控制器；检测部分包括扭矩传感器(11)、压力传感器(24)、位移传感器(2)、多通道信号采集器和计算机；上模座(1)上安装位移传感器(2)，上模座(1)和垫板(23)之间设置压力传感器(24)，位移传感器(2)和压力传感器(24)分别连接多通道信号采集器，垫板(23)下设置挡板(3)，挡板(3)下方固定凸模(22)，凸模(22)深入挤压筒(4)中，挤压筒(4)下部放置模具(5)，构件(21)置于挤压筒(4)中，模具(5)置于下模座(19)上，下模座(19)置于轴承箱上盖板(7)上，构件(21)置于扭转轴(20)上，主轴(6)外侧设置推力调心滚子轴承(18)，推力调心滚子轴承(18)密封在轴承箱(17)中，主轴(6)下部安装联轴器同扭矩传感器(11)连接，蜗轮蜗杆减速器(16)安装在装置下部底板(14)上，扭矩传感器(11)下部连接蜗轮蜗杆减速器(16)，蜗轮蜗杆减速器(16)由伺服电机(13)驱动，轴承箱下盖板(9)和底板(14)之间设置减速器支撑板(12)，伺服电机(13)连接伺服驱动器，伺服驱动器连接电源和速度控制器，速度控制器和多通道信号采集器连接计算机。
2.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述下模座(19)开有通孔，供主轴(6)穿过，模具(5)开有通孔，供扭转轴(20)与构件(21)接触。
3.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述主轴(6)一端穿过轴承箱下盖板(9)的中心孔与联轴器(10)连接，主轴(6)另一端通过花键同扭转轴(20)配合，主轴(6)与两个推力调心滚子轴承(18)相配合，两个推力调心滚子轴承(18)中一个同轴承箱(17)配合，另一个同轴承箱上盖板(7)配合。
4.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述扭矩传感器(11)一端与联轴器(10)连接，另一端与蜗轮蜗杆减速器(16)连接，扭矩传感器(11)上外接多通道信号采集器，多通道信号采集器与电源连接，多通道信号采集器上通信接口与计算机连接，能够在工作时记录每一时刻的扭矩、功率和转速。
5.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述伺服电机(13)外接有伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机(13)的启停，伺服驱动器上接有电源线、伺服电机连接线、速度控制器连接线，速度控制器用于调节伺服电机的转速，以满足不同构件成形时挤压速度与扭转速度的合理匹配。
6.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述减速器支撑板(12)一端与底板(14)相连接，另一端与轴承箱下盖板(9)连接，起支撑的作用，轴承箱支撑板(8)一端与轴承箱上盖板(7)相连接，另一端与轴承箱下盖板(9)相连接，起支撑作用。
7.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述蜗轮蜗杆减速器(16)的输出端、主轴(6)、扭转轴(20)、轴承箱下盖板(9)的中心孔、轴承箱(17)、轴承箱上盖板(7)的中心孔、下模座(19)的中心孔和模具(5)的中心孔保证同轴心。
8.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述扭转轴(20)的端部开有4个螺旋槽，螺旋槽截面为倒等腰梯形，等腰角度为60°。
9.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：所述构件(21)在成形前为坯料。
10.根据权利要求1所述的高性能构件扭-挤成形的装置，其特征在于：其使用步骤如下：
S1：将扭转剪切部分通过螺栓固定于工作台上；
S2：将挤压成形部分中的挤压筒和模具通过螺栓固定于下模座上；
S3：将挤压成形部分中的下模座通过螺栓固定于扭转装置中的轴承箱上盖板上；
S4：将凸模、垫板和挡板固定于上模座上；
S5：将上模座通过螺栓固定于压力机滑块上；
S6：将坯料加热至再结晶温度之上并保温，同时将模具装置加热至相同温度；
S7：对坯料、凸模、挤压筒、模具和扭转轴涂覆二硫化钼润滑剂；
S8：将坯料放置于挤压筒腔内，坯料底端与扭转轴接触；
S9：启动伺服电机，通过速度控制器调控其输出转速，使扭转轴获得转速；
S10：启动压力机，凸模以设定的挤压速度下行，坯料受到挤压及扭转变形的复合作用，最终实现高性能构件单道次的近净成形，在工作过程中通过扭矩传感器获取信号，计算机记录每个时刻扭矩、功率和转速的变化。
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