CN103600015A - 一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置及方法，它涉及一种大高厚比微型叶轮的模具装置及方法。本发明为了解决现有加工技术存在制造成本高、加工效率低、可加工材料少及不适宜实现批量制造的问题。装置：上模座和下模座上下平行设置，冲头设置在冲头固定板上，凹模固定板固定在下模座上，凹模垫板设置在凹模安放孔内，镶块式凹模设置在凹模安放孔内，顶杆设置在镶块式凹模内，顶出螺钉由下至上依次穿过下模座和凹模垫板与顶杆的下端面相抵。方法：步骤一：将坯料放入型腔内，并加热到坯料模锻温度；步骤二：坯料充填镶块式凹模的型腔；步骤三：压力机达到设定载荷，保压后卸载，此时大高厚比微型叶轮成形完毕。本发明用于大高厚比微型叶轮的制造。

Description

一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制造微型叶轮的模具装置及方法，具体涉及一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置及方法。

背景技术

微型叶轮广泛应用于微型发电机及微型叶轮泵等微型动力模具中，其关键部件是大高厚比微型叶轮，大高厚比微型叶轮对整个微型动力模具的效率、寿命及稳定性等具有重要影响。这些微型叶片的厚度一般处于亚毫米量级，而高度可以达到毫米甚至几毫米，高厚比一般大于3。所以，加工出高质量、低成本的大高厚比微型叶轮构件具有重大意义。目前，大高厚比微型叶轮构件主要采用微机电系统技术、微细电火花成形加工技术、微细机械加工技术及微细电火花铣削加工技术等。而上述这些加工技术存在制造成本高、加工效率低、可加工材料少及不适宜采用批量制造的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有加工技术存在制造成本高、加工效率低、可加工材料少及不适宜采用批量制造的问题。进而提供一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置及方法。

本发明的技术方案是：一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置，包括上模座、下模座、冲头固定板、冲头、凹模固定板、凹模垫板、镶块式凹模、顶杆、加热圈、顶出螺钉、多个导套和多根导柱，所述上模座和下模座上下平行设置，上模座的四周设有多个导套，每根导柱的一端均穿设在下模座的底端面上，每根导柱的另一端均可滑动设置在一个导套内，冲头设置在冲头固定板上，冲头固定板固定在上模座的底端面上，凹模固定板固定在下模座上，所述凹模固定板上设有凹模安放孔,凹模垫板设置在凹模安放孔内，镶块式凹模设置在凹模安放孔内并位于凹模垫板的上端，且镶块式凹模位于冲头的正下方，顶杆设置在镶块式凹模内，顶出螺钉由下至上依次穿过下模座和凹模垫板与顶杆的下端面相抵。

所述镶块式凹模包括凹模和镶块，镶块竖直设置在凹模内型腔的下端。

本发明还提供了一种使用上述模具制造大高厚比微型叶轮的方法，具体步骤为：

步骤一：将经过体积不变原理计算所加工的坯料放入镶块式凹模的型腔内，并通过加热圈将模具和坯料加热到坯料模锻温度，该模锻温度为200-600°；

步骤二：在该模锻温度下，通过压力机以0.1-0.5mm/min的速度向下运行驱动冲头向下运动，坯料在冲头的作用下产生塑性变形，充填镶块式凹模的型腔；

步骤三：压力机达到预先设定的载荷时，保压0.5-3分钟，然后卸去冲头载荷，此时大高厚比微型叶轮的工件成形完毕；

步骤四：将模具和步骤三中成形的工件进行冷却，当模具和成形工件冷却到最低等温锻造温度以下50℃时，开始取样；

步骤五：通过拧紧顶出螺钉将压力施加在顶杆上，通过顶杆向上移动推动凹模镶块向上顶出所成形的大高厚比微型叶轮零件，将大高厚比微型叶轮零件从镶块式凹模的型腔中取出。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明采用的是等温精密模锻工艺方法，成形大高厚比微型叶轮。该方法能直接成形出所要求的大高厚比微型叶轮构件，避免了二次加工，尤其适用于批量生产，加工效率达到95-98%、成本降低了四分之一。

2.本发明采用整体成形技术。成形后，叶片与叶轮盘能很好的连接在一起，成形件叶片内的流线沿叶片轮廓分布，具有良好的综合机械性能，满足微型叶轮高速旋转时对零件机械性能的要求。同时，省去了叶片的安装等工序，能够保证成形件的一致性，降低制造成本。

3.本发明制中的各个构件及方法具有以下优点：

(1)镶块式凹模采用分块设计，能够加工大深宽比的微型型腔。

(2)镶块式凹模设计能够提高微型型腔工作表面的表面质量，降低成形中的摩擦力，提高材料充填能力。

(3)凹模镶块同时作为顶出机构的一部分，一方面增大顶出面积，另一方面由于凹模镶块均匀的分布在微型叶轮盘上，有效的降低了顶出过程中由于受力不均等引起的零件变形。

(4)镶块式凹模设计具有凹模更换方便、易于修模等优点，可以提高整个模具装置的使用寿命。

(5)等温成形的微型叶片的流线沿微型叶片的轮廓分布，避免了机械加工中的流动切断现象，有效的提高了微型叶轮的机械性能。

(6)采用等温模锻制造的微型叶轮零件尺寸精度一致性高、互换性好。

(7)采用等温模锻制造的微型叶轮零件表面质量高。

上述提到的等温模锻的等温是通过加热圈来实现加热和保证温度的。具体是通过加热圈对模具和坯料加热，通过热电偶将测量温度传递到温度控制仪中，并与其设定温度进行对比，高于温度控制仪上限时，加热圈停止加热，低于温度控制仪设定下限温度时加热圈继续加热，直至将温度控制在设定温度。

附图说明

图1本发明的主剖视图。图2是镶块式凹模的俯视图。图3是图2在A-A处的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括上模座1、下模座2、冲头固定板3、冲头4、凹模固定板5、凹模垫板6、镶块式凹模7、顶杆8、加热圈9、顶出螺钉12、多个导套10和多根导柱11，所述上模座1和下模座2上下平行设置，上模座1的四周设有多个导套10，每根导柱11的一端均穿设在下模座2的底端面上，每根导柱11的另一端均可滑动设置在一个导套10内，冲头4设置在冲头固定板3上，冲头固定板3固定在上模座1的底端面上，凹模固定板5固定在下模座2上，所述凹模固定板5上设有凹模安放孔5-1,凹模垫板6设置在凹模安放孔5-1内，镶块式凹模7设置在凹模安放孔5-1内并位于凹模垫板6的上端，且镶块式凹模7位于冲头4的正下方，顶杆8设置在镶块式凹模7内，顶出螺钉12由下至上依次穿过下模座2和凹模垫板6与顶杆8的下端面相抵。

本实施方式的上模座1、下模座2之间的导向是靠导套10和导柱11来保证的。

本实施方式的冲头4与镶块式凹模7的同心度由制造精度来保证。

本实施方式的冲头4与镶块式凹模7分别通过冲头固定板3和凹模固定板5固定，并分别以螺钉来固定。

本实施方式的大高厚比微型叶轮构件的等温精密模锻的工作过程是：将坯料放入凹模内，通过压力机向下移动，将载荷施加在上模座上，冲头在上模座的作用下对坯料施加载荷完成模锻工序。

本实施方式的冲头4的设计：为了保证冲头装卸简便，紧固可靠，冲头的整体形状一般做成阶梯形，增加冲头的抗弯强度和稳定，并能通过带锥形孔的上压圈将冲头牢固地固定在上模板上。考虑到冲头工作环境为高温，所以在高温下应具有足够强度、刚度和一定的耐磨性。因此，冲头材料选用热作模具钢5CrNiMo,在加热到500℃时，仍能保持住HB300左右的硬度。

本实施方式的凹模设计：凹模是成形大高厚比微型叶片最关键的部件。在闭式模锻成形中，凹模在高温、高压和摩擦作用下，凹模表面应力比较大、比较复杂，其工作环境十分恶劣。因此，正确合理设计凹模才能满足零件的技术要求。为了设计能够成形大高厚比的微型叶轮，本发明的凹模采用镶块结构设计。成形微型叶轮的型腔由凹模镶块与凹模固定块组合而形成。由于凹模在极易磨损的条件下工作，选用热作模具钢5CrNiMo,在加热到500℃时，仍能保持住HB300左右的硬度。

本实施方式的润滑条件：模锻成形中，金属与模具表面之间的相对运动产生摩擦。摩擦的存在会使成形力增加，加剧模具磨损，降低成形件表面质量使。因此，在模锻成形中，模具表面和毛坯之间良好的润滑条件是很必要的。本发明采用模具表面涂覆适量的水基石墨，它在一定的温度和高压下仍能保证良好的润滑性能，能显著地降低摩擦系数，提高材料充填能力。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的冲头固定板3通过紧固螺钉固定在上模座1的底端面上。如此设置，连接方便。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的凹模固定板5通过紧固螺钉固定在下模座2上。如此设置，连接方便。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的冲头4、凹模固定板5、凹模垫板6、镶块式凹模7和顶杆8均采用热作模具钢5CrNiMo制成。如此设置，减震效果最佳，适用不同地理环境下的运输。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的冲头4、凹模固定板5、凹模垫板6、镶块式凹模7和顶杆8均采用热作模具钢5CrNiMo。如此设置，保证上述构件使用时能够达到HB300的硬度，满足使用需求。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的制造大高厚比微型叶轮的方法，具体步骤为：

步骤一：将经过体积不变原理计算所加工的坯料放入镶块式凹模7的型腔内，并通过加热圈9将模具和坯料加热到坯料模锻温度，以7075铝合金为例，该模锻温度为360-450°；

步骤二：在该模锻温度下，通过压力机以0.1-0.5mm/min的速度向下运行驱动冲头4向下运动，坯料在冲头4的作用下产生塑性变形，充填镶块式凹模7的型腔；

步骤三：压力机达到预先设定的载荷时，保压0.5-3分钟，然后卸去冲头载荷，此时大高厚比微型叶轮的工件成形完毕；

步骤四：将模具和步骤三中成形的工件进行冷却，当模具和成形工件冷却到最低等温锻造温度以下50℃时，开始取样；

步骤五：通过拧紧顶出螺钉12将压力施加在顶杆8上，通过顶杆8向上移动推动凹模镶块7-2向上顶出所成形的大高厚比微型叶轮零件13，将大高厚比微型叶轮零件13从镶块式凹模7的型腔中取出。

本发明中成形的大高厚比微型叶片沿零件轴向分布，每个涡轮由4-10个厚度为100-500um、高度为0.3-1.5mm叶片沿环向分布在叶轮盘上。

塑性微成形技术是指通过金属塑性变形方式加工金属零件或结构的特征尺寸至少在二维尺度方向上处于1mm范围内的微细加工技术。塑性微成形技术相对于上述其他微细加工技术而言，在加工效率、材料利用率、制造成本、零件性能和尺寸精度等方面具有明显的优势。等温锻造工艺可以减少变形时材料的变形抗力，提高材料塑性流动能力，同时，等温锻造后零件的流线沿零件的轮廓分布，从而提高锻件的力学性能。为此，本发明提出了以等温精密微模锻为技术手段制造大高厚比微型叶轮构件。本装置主要包括一套具有模架、冲头、镶块式凹模、顶出机构及加热装置的微型叶轮等温精密模锻装置就可以实现低成本、批量化生产质量高、互换性好的大高厚比微型叶轮构件。

Claims (6)

1.一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置，其特征在于：它包括上模座（1）、下模座（2）、冲头固定板（3）、冲头（4）、凹模固定板（5）、凹模垫板（6）、镶块式凹模（7）、顶杆（8）、加热圈（9）、顶出螺钉（12）、多个导套（10）和多根导柱（11），所述上模座（1）和下模座（2）上下平行设置，上模座（1）的四周设有多个导套（10），每根导柱（11）的一端均穿设在下模座（2）的底端面上，每根导柱（11）的另一端均可滑动设置在一个导套（10）内，冲头（4）设置在冲头固定板（3）上，冲头固定板（3）固定在上模座（1）的底端面上，凹模固定板（5）固定在下模座（2）上，所述凹模固定板（5）上设有凹模安放孔（5-1）,凹模垫板（6）设置在凹模安放孔（5-1）内，镶块式凹模（7）设置在凹模安放孔（5-1）内并位于凹模垫板（6）的上端，且镶块式凹模（7）位于冲头（4）的正下方，顶杆（8）设置在镶块式凹模（7）内，顶出螺钉（12）由下至上依次穿过下模座（2）和凹模垫板（6）与顶杆（8）的下端面相抵。

2.根据权利要求1所述的一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置，其特征在于：所述冲头固定板（3）通过紧固螺钉固定在上模座（1）的底端面上。

3.根据权利要求2所述的一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置，其特征在于：所述凹模固定板（5）通过紧固螺钉固定在下模座（2）上。

4.根据权利要求3所述的一种制造大高厚比微型叶轮的模具装置，其特征在于：所述冲头（4）、凹模固定板（5）、凹模垫板（6）、镶块式凹模（7）和顶杆（8）均采用热作模具钢5CrNiMo制成。

5.根据权利要求4所述的一种制造大高厚比微型叶轮的模具，其特征在于：所述镶块式凹模（7）包括凹模（7-1）和镶块（7-2），镶块（7-2）竖直设置在凹模（7-1）内型腔的下端。

6.一种使用权利要求1所述的模具制造大高厚比微型叶轮的方法，其特征在于：具体步骤为：

步骤一：将经过体积不变原理计算所加工的坯料放入镶块式凹模（7）的型腔内，并通过加热圈（9）将模具和坯料加热到坯料模锻温度，该模锻温度为200-600°；

步骤二：在该模锻温度下，通过压力机以0.1-0.5mm/min的速度向下运行驱动冲头（4）向下运动，坯料在冲头（4）的作用下产生塑性变形，充填镶块式凹模（7）的型腔；

步骤三：压力机达到预先设定的载荷时，保压0.5-3分钟，然后卸去冲头载荷，此时大高厚比微型叶轮的工件成形完毕；

步骤四：将模具和步骤三中成形的工件进行冷却，当模具和成形工件冷却到最低等温锻造温度以下50℃时，开始取样；

步骤五：通过拧紧顶出螺钉（12）将压力施加在顶杆（8）上，通过顶杆（8）向上移动推动凹模镶块（7-2）向上顶出所成形的大高厚比微型叶轮零件（13），将大高厚比微型叶轮零件（13）从镶块式凹模（7）的型腔中取出。

Images