CN103691792A - 一种基于超声波的中高碳钢精冲成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其通过在传统的精冲成型装置基础之上，一方面，增加了超声波发生系统，在成型过程中，通过将超声波传导至模具与坯料，以增加材料的位错密度，降低材料的内摩擦力，在超声波产生的交变应力场与弹塑性变形产生的应力场耦合作用下，使得待加工机件的变形抗力得到显著降低；另一方面，增加了温度反馈调节系统，采用微电脑控制系统集中控制的方式，以保持精冲过程时超声波的最佳振动频率，提高成型效率和精度。本发明的精冲成型装置，加工成型精度高、噪音低冲压设备的使用寿命长，适于对各种中高碳钢材料进行精冲成型加工。

Description

一种基于超声波的中高碳钢精冲成型装置

技术领域

本发明涉及一种中高碳钢精冲成型装置，尤其涉及一种基于超声波的中高碳钢精冲成型装置。

背景技术

精冲作为一种先进的塑性加工方法并经一个多世纪的发展，在工业领域中已经得到了广泛应用，依据其自身优质、高效、低能耗等优点，逐步形成了与其他如弯曲、拉伸、挤压等成型工艺相结合以生产具有较高附加值的三维零件，在保证较低成本的前提下，改善了产品质量，提高了材料成型性能，产生了巨大的经济技术效益。

不过，现有技术的精冲成型装置在精冲成型方面尚存在诸多方面的不足，主要表现在以下几个方面：

1、适用范围受限。其主要适用于一些塑性高的材料成型，对于塑性较低的中高碳钢很难实现精冲成型。

2、成型效果稳定性不高。对于不同塑性材料其加工效果也存在明显差异，对于塑性偏低的材料则很难保证加工精度。

3、对成型材料的厚度或硬度方面也有一定要求。比如，对于厚度偏大或者硬度不均匀的材料，其成型的精度也会降低。

发明内容

本发明的目的是，提供一种精冲成型效果稳定、精度高，适于对各种中高碳钢材料进行精冲成型加工的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置。

本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，在传统的精冲成型装置基础之上，如何通过在增加超声波发生系统的基础上，实现将超声波均匀快速的传导至模具以及所要加工材料中，充分利用超声波在精冲成型过程中改变待加工材料的摩擦行为以及金属流动行为、以及产生的热量，来有效增加其位错密度，降低其内摩擦力和变形抗力，提高材料的塑性变形能力，并且细化其晶粒的技术问题。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是，一种基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其特征在于，包括超声波发生系统、精冲模具系统和温度反馈调节系统，所述超声波发生系统通过变幅杆与安装在所述精冲模具系统上的超声波接收器相连接，所述变幅杆通过超声波换能器与超声波发生器相连接；

所述精冲模具系统包括凹模、超声波接收器、凸模、反顶块、压边圈、V型齿圈和液压装置；

所述超声波接收器均匀分布在所述凹模上；

所述凹模和所述凸模通过所述液压装置的液压杆相连接；

所述液压装置为精冲成型提供动力；

所述微电脑控制系统分别与所述超声波发生器和所述温度反馈调节系统相连接，所述温度反馈调节系统通过温度传感器与所述精冲模具系统相连接。

上述技术方案直接带来的技术效果是，超声波发生系统通过变幅杆直接与精冲模具系统的超声波接收器相连接，可以确保在进行坯料成型时，超声波振动可以通过超声波接收器均匀快速的传递到模具和坯料中。超声波发生器可以根据不同的材料将交流电转换成超声频的电振动正弦信号，输出功率与振动频率可以根据材料的特性进行调节；上述超声波换能器可以将超声波发生器产生的正弦电信号装变成机械振动然后通过变幅杆得到稳定的超声波振动，以满足不同工况的使用要求；

超声波发生系统的超声波振幅变幅杆末端与精冲模具系统的超声波接收器直接相连接，在工作时，可以确保在进行坯料成型时超声波振动可以通过超声波接收器均匀快速的传递到模具和坯料中。即，超声波振动通过变幅杆直接传到精冲模具系统的超声波接收器，然后通过超声波接收器模具传导至模具和坯料中，坯料在超声波与精冲模具的冲压力共同作用下实现材料的精冲成型。

更为重要的是，通过温度反馈调节来实现精冲过程时超声波的最佳振动频率，这种方式通过建立一种温度与超声波反馈调节机制来调节超声波的振动频率，从而确保温度与超声波频率的最佳搭配，充分利用了成型过程中产生的热量，因而可提高成型效率并获得更高的成型精度。

上述技术方案的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其利用超声波的作用，改变了传统塑性变形中的摩擦行为，降低了材料的抵抗变形力，降低了金属流动应力，减小了工件与模具间的摩擦，扩大了金属材料塑性成型能力，可获得较好的产品表面质量和较高的尺寸精度，从而不需要通过增加原有的精冲模具挤压力即可实现对中高碳钢等塑性较低的材料的精冲成型加工。

作为优选，上述超声波换能器通过特定接口与超声波发生器直接相连接，并将所述超声波发生器产生的正弦电信号转变成机械振动然后通过变幅杆得到稳定的超声波振动，以满足不同工况的使用要求。最后将得到的超声波振动传导至精冲模具系统的超声波接收器中。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，进一步保证了精冲加工过程工艺调节的灵活性与可靠性。

进一步优选，上述精冲模具系统的凹模上还设置有散热器。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，通过在精冲模具系统的凹模上增加散热器，根据需要实时对精冲模具的温度进行调节，以使其工作温度保持相对稳定。这样，一方面，有利于降低和减小超声波振动频率调节的幅度和频次，并提高精冲成型的质量；另一方面，有利于对精冲成型模具的保护，从而延长其使用寿命。

综上所述，本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其有益效果是：

本发明在传统的精冲成型装置基础之上，一方面，增加了超声波发生系统，在成型过程中，通过超声波发生系统将超声波传导至模具与坯料当中，通过模具的振动改变传统塑性变形中的摩擦行为以及金属流动行为；另外，在精冲成型过程中超声波通过模具传导到坯料中，超声波在材料中传播时可以增加材料的位错密度，降低材料的内摩擦力，并且产生热量，在超声波产生的交变应力场与弹塑性变形产生的应力场耦合作用下，使得待加工机件的变形抗力得到显著降低，大大提高了材料的塑性变形能力，而且细化了晶粒，提高了成型后产品的性能；

另一方面，增加了温度反馈调节系统，采用微电脑控制系统集中控制的方式，通过温度反馈调节来实现精冲过程时超声波的最佳振动频率，这种方式通过建立一种温度与超声波反馈调节机制来调节超声波的振动频率，从而确保温度与超声波频率的最佳搭配，充分利用了成型过程中产生的热量，因而可提高成型效率并获得更高的成型精度。

附图说明

图1是本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置的工作原理示意图；

图2是本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置的振动传递机构结构示意图；

图3是本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置的精冲模具系统主体部分剖面结构示意图；

图4是本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置进行详细说明。

本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其工作原理如图1和图4所示，包括超声波发生系统、精冲模具系统和温度反馈调节系统，所述超声波发生系统通过变幅杆12与精冲模具的凹模5相连接，所述的变幅杆12通过超声波换能器13与超声波发生器10相连接，所述精冲模具系统包括凹模5、凸模1、反顶块6、压边圈2、V型齿圈3和液压装置；其中，凹模5和凸模1通过液压装置的液压杆7相连接。该液压装置为精冲成型提供动力。

上述微电脑控制系统11分别与超声波发生器10和温度反馈调节系统9相连接温度反馈调节系统9通过温度传感器8与精冲模具系统相连接。

上述超声波换能器13通过特定接口与超声波发生器10直接相连接，并将超声波发生器10产生的正弦电信号转变成机械振动然后通过变幅杆得到稳定的超声波振动，以满足不同工况的使用要求。

上述精冲模具系统的凸模1通过液压杆与凹模5相连接，通过液压缸7为精冲成型提供动力。

上述精冲模具系统的凹模5上还设置有散热器（图中省略未画出）。

为更好地理解本发明，现以待精冲成型的板材坯料4进行为例，结合附图1至图3详细说明精冲成型过程。

如图1至图3所示，本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其采用的超声波发生系统包括有超声波发生器10、超声波换能器13、变幅杆12；精冲模具系统包括凹模5、凸模1、反顶块6、压边圈2、V型齿圈3、超声波接收器14；该超声波发生系统具有以下特点：

超声波发生系统通过变幅杆3直接与精冲模具系统相连接，确保在进行坯料4成型时超声波振动可以通过模具直接传到坯料4中。

超声波发生器可以根据不同的材料将220V或380V的交流电转换成超声频的电振动正弦信号，输出功率与振动频率可以根据材料的特性进行调节。对于不同型号中高碳含碳量的不同，所需超声波的功率大小也不同，这就需要通过多次的试验分析得出最佳的振动频率，从而达到最佳的精冲成型效果。

超声波换能器10可以将超声波发生器5产生的正弦电信号装变成机械振动然后通过变幅杆12得到稳定的超声波振动，以满足不同工况的使用要求。

超声波发生系统的超声波振幅变幅杆12末端与精冲模具系统的超声波接收器相连接，在工作时，超声波振动通过变幅杆12通过超声波接收器均匀快速的传导至精冲模具系统中，然后通过模具传导至坯料4，坯料4在超声波与精冲模具共同作用下实现材料的精冲成型。

超声波发生系统的功能：

当通过超声波发生器发出的超声波通过超声波换能器13、变幅杆12、超声波接收器14然后传导到模具以及坯料4当中时，在超声波作用下，改变了传统塑性变形中的摩擦行为，降低了材料的抵抗变形力，降低了金属流动应力，减小了工件与模具间的摩擦，扩大了金属材料塑性成型能力，可获得较好的产品表面质量和较高的尺寸精度。可以在原有的精冲模具不用增加挤压力的情况下实现对中高碳钢等塑性较低的材料实现精冲成型。而且降低了冲压过程中对模具的冲击，一定程度上延长了设备使用寿命。

如图2至图4所示，本发明的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置工艺流程如下：

1、超声波发生系统

首先根据精冲成型的材料，选调合适的超声波振动频率以及相应型号的超声波换能器，具体的振动频率以及超声波的选择功率要根据之前的试验以及精冲模具系统施加压力大小还有成型过程中温度高低进行相应调试；

2、精冲模具系统

在超声波振动频率以及功率调试完成后，精冲模具系统开始工作，如图3所示：第一步是用带V形齿圈3的强力压料板和反顶装置（与凹模内腔形状相同）夹紧坯料4；第二步是凸模1向下攻克反顶板8的顶力和材料的塑性力进行冲裁，在冲裁的过程中，坯料4受到反顶板8的反向压力和压料板的压力，在超声波产生的交变应力场与弹塑性变形产生的应力场耦合作用下；第三步是冲裁完成，压料板和凸模1退回，产品被反顶板从凹模7顶出，整个工艺过程完成。

3、温度控制与反馈系统

在超声波辅助精冲成型工艺中，温度控制是一个很关键的因素，因为不同的温度下，超声波对材料的影响也大不相同。在超声波辅助成型时，在超声波以及模具压力双重作用下必然会产生热量，成型过程中温度会升高，必然会影响成型工艺。所以要想实现最佳的成型工艺必须确保成型温度与超声波振动频率的最佳搭配，对于温度控制有两种控制方案，具体如下：

1)、通过温度反馈调节来实现精冲过程时超声波的最佳振动频率。这种方式通过建立一种温度与超声波反馈调节机制来调节超声波的振动频率，从而确保温度与超声波频率的最佳搭配。这种方案充分利用了成型过程中产生的热量，优点是成型效率以及成型精度比较高；但是这种方式需要一套完整的温度与超声波频率调节机制，不同的材料调节规律也会有所差异，所以对于一些规律比较明显的呈线性相关的材料可以采用这种方法。

2)、通过增加散热器（图中省略未画出）确保温度保持相对稳定。通过在精冲模具上加散热器以及温度传感器实现温度在一个相对稳定范围内波动，这样就不需要调节超声波的振动频率，方法简单。但是通过这种方式来调节，如果设定温度底，会浪费热量；温度设定过高可能在成型过程中某一段时间温度达不到从而影响成型。这种方法适用于一些反馈调节机制规律不明显的非线性关系的材料成型过程中。

Claims (3)

1.一种基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其特征在于，包括超声波发生系统、精冲模具系统和温度反馈调节系统，所述超声波发生系统通过变幅杆（12）与安装在所述精冲模具系统上的超声波接收器（14）相连接，所述变幅杆（12）通过超声波换能器（13）与超声波发生器（10）相连接；

所述精冲模具系统包括凹模（5）、超声波接收器（14）、凸模（1）、反顶块（6）、压边圈（2）、V型齿圈（3）和液压装置；

所述超声波接收器（14）均匀分布在所述凹模（5）上；

所述凹模（5）和所述凸模（1）通过所述液压装置的液压杆（7）相连接；

所述液压装置为精冲成型提供动力；

所述微电脑控制系统（11）分别与所述超声波发生器（10）和所述温度反馈调节系统相连接，所述温度反馈调节系统（9）通过温度传感器（8）与所述精冲模具系统相连接。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其特征在于，所述超声波换能器（13）通过特定接口与超声波发生器（10）直接相连接，并将所述超声波发生器（10）产生的正弦电信号转变成机械振动然后通过变幅杆得到稳定的超声波振动，以满足不同工况的使用要求。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声波的中高碳钢精冲成型装置，其特征在于，所述精冲模具系统的凹模（5）上还设置有散热器。

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