CN103785735B - 微型金属薄壁杯件的三维超声波振动辅助拉深加工装置 - Google Patents

Abstract

一种金属塑性加工领域的微型金属薄壁杯件的三维超声波振动辅助拉深加工装置，包括：振动发生装置、下模机构、凸模和上模机构，其中：上模机构和下模机构相连，凸模固定于上模机构的下表面中部，振动发生装置包括：依次从下至上串接固定的后换能器固定杆、Z轴环形压电陶瓷、固定盘、两组极性相反的X轴半环形压电陶瓷、两组极性相反的Y轴半环形压电陶瓷、前换能器固定杆和变幅杆，以及固定于变幅杆顶部的凹模，其中：固定盘与下模机构相固定，凹模与凸模的位置相对应。本发明避免薄壁的起皱缺陷，方便地调节凹模侧壁对待加工坯料的压力，减小侧壁与坯料的摩擦力，提高材料的变形能力，提高拉深极限。

Description

微型金属薄壁杯件的三维超声波振动辅助拉深加工装置

技术领域

本发明涉及的是一种金属挤压领域的装置，具体是一种微型金属薄壁杯件的三维超声波振动辅助拉深加工装置。

背景技术

随着人们对电子产品便携性要求的不断提高，电子产品的体积越来越小，功能却越来越强大，因而微型金属薄壁杯件的应用和需求呈上升趋势。这给制造业带来了技术上的挑战：如何大批量地生产高性能微型金属薄壁杯件。金属塑性加工由于具有材料利用率高、产品力学性能好、生产效率高等优点，广泛应用于金属零件的大批量生产。然而，金属塑性加工方法也存在一些缺陷，比如成形力大、加工表面质量差、模具磨损严重，这些问题直接影响了产品的质量和成本；并且在应用于微型金属薄壁杯件的生产时，由于金属薄板横向抗压性差，容易在产品侧壁产生起皱缺陷。随着试件尺寸减小，摩擦力与成形力之比逐渐减小，使产品拉裂的倾向变大，从而降低了生产效率。

为了提高微型金属薄壁杯件的生产效率，近年来出现了将振动应用到薄板拉深工艺中的尝试。通过在拉深过程中对凸模施加一个一维高频振动，可以减小凸模与板材之间的摩擦力，改善板材加工性能，提高拉深极限。然而，一维振动辅助金属薄板拉深工艺仍旧没有有效地同时避免起皱与拉裂等缺陷。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101637785，公开日2010-02-03，公开了一种超塑性微成形装置，通过压簧-楔块机构，使用工控机控制压电陶瓷驱动器及温控组件，即可一次、连续完成零件的整个微塑性成形过程，可以提高成形效率和制备的自动化程度，通过改变凸模与凹模的结构可制备不同三维结构的微型零件。但该装置结构复杂，生产效率低下，而且要达到较好的成形效果，必须使用润滑剂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种微型金属薄壁杯件的三维超声波振动辅助拉深加工装置，避免了薄壁的起皱缺陷，方便地调节凹模侧壁对待加工坯料的压力，减小侧壁与坯料的摩擦力，提高材料的变形能力，提高拉深极限。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：振动发生装置、下模机构、凸模和上模机构，其中：上模机构和下模机构相连，凸模固定于上模机构的下表面中部，振动发生装置包括：依次从下至上串接固定的后换能器固定杆、Z轴环形压电陶瓷、固定盘、两组极性相反的X轴半环形压电陶瓷、两组极性相反的Y轴半环形压电陶瓷、前换能器固定杆和变幅杆，以及固定于变幅杆顶部的凹模，其中：固定盘与下模机构相固定，凹模与凸模的位置相对应，X轴半环形压电陶瓷的平直面与Y轴半环形压电陶瓷的平直面相互垂直，三个不同的电压信号分别施加于X轴半环形压电陶瓷、Y轴半环形压电陶瓷和Z轴环形压电陶瓷，产生三维振动，通过变幅杆的放大使得凹模侧壁与待加工坯料之间产生径向压力，减小摩擦力，提高拉深极限。

所述的下模机构包括：下模柄、下模板、两个导柱和两个导套，其中：下模板的下表面固定下模柄，两侧内部分别设有一个导套，两个导柱的底部分别设于导套内，顶部分别与上模机构相连。

所述的后换能器固定杆和Z轴环形压电陶瓷内置于下模板的中部，固定盘与下模板的上表面相固定。

所述的串接固定由紧固螺栓实现，凹模由螺纹与变幅杆相连。

所述的上模机构包括：上模板、与压力机相连的上模柄、模柄固定板、力传感器和传感固定板，其中：凸模的底部镶嵌于上模板内，工作部突出于上模板的下表面，上模板、传感固定板、模柄固定板自下而上依次固定，力传感器置于上模柄一端的凹槽内，上模柄由模柄固定板卡住，从而使力传感器的下端与传感固定板的上表面压紧，从而测量拉深过程的加工载荷。

技术效果

本发明的两组X轴半环形压电陶瓷的极性相反，当对其施加电压信号时，两组X轴半环形压电陶瓷产生的振幅方向相反，使前换能器固定杆顶端产生X轴方向的振幅。两组Y轴半环形压电陶瓷的极性相反，当对其施加电压信号时，两组Y轴半环形压电陶瓷产生的振幅方向相反，使前换能器固定杆顶端产生Y轴方向的振幅。对Z轴环形压电陶瓷施加电压信号时，使得Z轴环形压电陶瓷产生Z轴方向产生振动，从而实现前换能器固定杆顶端的三维超声波合成振动。前换能器固定杆顶端的三维振动经过变幅杆放大后，传递给凹模，使凹模实现相对于凸模的三维振动。凹模X方向和Y方向的周期性振动使侧壁对坯料有足够大小的径向压力，从而有效避免了起皱缺陷。通过控制凹模X方向和Y方向的振动振幅大小，可以方便地调节凹模侧壁对坯料的压力。另一方面，凹模X方向和Y方向的周期性振动使凹模侧壁与坯料周期性的接触、分离，降低了凹模侧壁与坯料的摩擦力，避免使用润滑剂，同时又大大减小拉裂的倾向。凹模Z方向的振动进一步减小侧壁与坯料的摩擦力，提高材料的变形能力，提高拉深极限。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的振动发生装置的结构图；

图3为X轴半环形压电陶瓷振动引起凹模X方向振动；

图4为Z轴环形压电陶瓷振动引起凹模Z方向振动。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：导柱15、导套16、下模柄10、下模板11、螺栓17、销钉18、上模机构和振动发生装置。所述上模机构包括：凸模14、上模板12、上模柄19、模柄固定板20、力传感器21和传感固定板13。上模机构通过上模柄19与压力机连接，在本实施例中上模机构在竖直方向沿导柱15移动，实现拉深动作。凸模14镶嵌在上模板12内。上模板12、传感固定板13、模柄固定板20自下而上依次相连。力传感器21置于上模柄19大头内的凹槽里，上模柄19的大头部分由模柄固定板20卡住，从而使力传感器21下端与传感固定板13上表面压紧。在进行拉深前，先对整个装置不加坯料进行空压，对力传感器调零，再进行薄板拉深时力传感器21的示数就是拉深过程的加工载荷。

如图2所示，所述振动发生装置包括：两组X轴半环形压电陶瓷1、两组Y轴半环形压电陶瓷2、Z轴环形压电陶瓷3、固定盘4、前换能器固定杆5、后换能器固定杆6、变幅杆7、紧固螺栓8和凹模9。后换能器固定杆6、Z轴环形压电陶瓷3、固定盘4、X轴半环形压电陶瓷1、Y轴半环形压电陶瓷2、前换能器固定杆5、变幅杆7自下而上依次串联并用紧固螺栓8锁紧，凹模9通过螺纹与变幅杆7相连。固定盘4的下表面与下模板11的上表面接触并定位。下模板11的下表面与下模柄10的上表面接触，并通过螺栓17和销钉18定位。导套16装在下模板11内，导柱15的下部装在导套16内。导柱15的上部装在上模板12内。通过导柱15和导套16的相互配合，可以使凸模14和凹模9精确配合并保证正确的间隙。导柱15能在上模板12下移时对其有一个导向作用。

本实施例中固定盘4为法兰。

为了独立控制三个方向的振动，三个不同的高频电压信号分别与所述X轴半环形压电陶瓷1、Y轴半环形压电陶瓷2和Z轴环形压电陶瓷3相连，将电压信号转变为机械振动。X轴半环形压电陶瓷1的平直面与Y轴半环形压电陶瓷2的平直面相互垂直。如图3所示，两组X轴半环形压电陶瓷1的极性相反，当对其施加电压信号时，两组X轴半环形压电陶瓷1产生的振幅方向相反，使前换能器固定杆5顶端产生X轴方向的振幅。两组Y轴半环形压电陶瓷2的极性相反，当对其施加电压信号时，两组Y轴半环形压电陶瓷2产生的振幅方向相反，使前换能器固定杆5顶端产生Y轴方向的振幅。

如图4所示，对Z轴环形压电陶瓷施3加电压信号时，使得Z轴环形压电陶瓷3产生Z轴方向产生振动，从而实现前换能器固定杆5顶端的三维超声波合成振动。前换能器固定杆5顶端的三维振动经过变幅杆7放大后，传递给凹模9，使凹模9实现三维超声波振动。通过控制各个输入电压信号的大小，可以方便地改变不同方向的振动振幅，从而调节凹模9与坯料之间的径向压力、摩擦力等参数。

实施例2

利用实施例1所述的微型金属薄壁杯件的三维超声波振动辅助拉深加工装置进行微型金属件的加工，采用以下步骤：

1)将上模柄19和下模柄10分别固定在压力机的上夹具和下夹具上，下移压力机上夹具，使导柱15下端穿进导套16内。

2)将坯料放置在凹模9上，下移压力机上夹具，在凸模14恰好接触坯料时停止压力机。

3)分别接通X轴半环形压电陶瓷1、Y轴半环形压电陶瓷2和Z轴环形压电陶瓷3的信号电源，使其在工作频率产生振动。并在经过变幅杆7放大后，将三维振幅传递给凹模9。

4)再次开动压力机，使凸模14下移。坯料在凸模14和凹模9的共同作用下发生弹性变形、塑性变形，并最终拉深成杯形件。

5)凸模14达到指定的位置后，在压力机的带动下上移，从凸模14上取下加工完成的杯形件，拉深过程结束。按照上述步骤进行拉深，并与未加振动的拉深过程及仅施加一维振动的拉深过程相比较，可以发现利用本发明装置即进行拉深可以显著提高材料的变形能力，并降低坯料与凹模9的侧壁之间的摩擦力，所成形的杯形件有较大的高径比和较好的表面光洁度，且起皱、拉裂等缺陷的出现率大幅降低。

Claims (3)

1.一种微型金属薄壁杯件的三维超声波振动辅助拉深加工装置，其特征在于，包括：振动发生装置、下模机构、凸模和上模机构，其中：上模机构和下模机构相连，凸模固定于上模机构的下表面中部，振动发生装置包括：依次从下至上串接固定的后换能器固定杆、Z轴环形压电陶瓷、固定盘、两组极性相反的X轴半环形压电陶瓷、两组极性相反的Y轴半环形压电陶瓷、前换能器固定杆和变幅杆，以及固定于变幅杆顶部的凹模，其中：固定盘与下模机构相固定，凹模与凸模的位置相对应，X轴半环形压电陶瓷的平直面与Y轴半环形压电陶瓷的平直面相互垂直，三个不同的电压信号分别施加于X轴半环形压电陶瓷、Y轴半环形压电陶瓷和Z轴环形压电陶瓷，产生三维振动，通过变幅杆的放大使得凹模侧壁与待加工坯料之间产生径向压力，减小摩擦力，提高拉深极限；

所述的下模机构包括：下模柄、下模板、两个导柱和两个导套，其中：下模板的下表面固定下模柄，下模板的两侧内部分别设有一个导套，两个导柱的底部分别设于导套内，顶部分别与上模机构相连；

所述的上模机构包括：上模板、与压力机相连的上模柄、模柄固定板、力传感器和传感固定板，其中：凸模的底部镶嵌于上模板内，工作部突出于上模板的下表面，上模板、传感固定板、模柄固定板自下而上依次固定，力传感器置于上模柄一端的凹槽内，上模柄由模柄固定板卡住，从而使力传感器的下端与传感固定板的上表面压紧，从而测量拉深过程的加工载荷。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的后换能器固定杆和Z轴环形压电陶瓷内置于下模板的中部，固定盘与下模板的上表面相固定。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是，所述的串接固定由紧固螺栓实现，凹模由螺纹与变幅杆相连。