CN105643975A - 超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备 - Google Patents

超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及粉体材料压制成型技术领域，提供一种超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，该设备包括超声波底座、安装在超声波底座上的超声模套、与超声模套配合使用的超声波冲头、驱动超声波冲头的液压机、第一超声波换能器、换能器连接部。本发明提出的技术方案降低了粉体材料颗粒之间的内摩擦以及颗粒和超声模套的模壁之间的外摩擦，提高了不同层药柱的有效压力，实现了在现有温和成型条件下有效的提高粉体材料部件的致密化，改善了内部密度均匀性，并降低了内部应力，从而实现了药柱的高质量成型制备。

Description

超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备
技术领域
本发明涉及粉体材料压制成型技术领域，特别涉及一种超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备。
背景技术
压制是混合含能粉体材料成型及装药领域的重要工艺路径，但是该工艺面临创新发展的重要瓶颈，特别是在密度和密度均匀性、内应力均化和残余应力释放等方面。具体地，在粉体材料压制成型过程中，不可避免的存在粉体材料颗粒之间的内摩擦以及颗粒和模壁(或软模)之间的外摩擦，导致压力沿压制方向被逐步损耗，致使不同高度层、不同径向位置含能粉体材料颗粒受到的有效压力不一致，使压坯内部密度分布不均匀。
在粉末颗粒压制成型过程中，如果对被压制材料施加一定方向、一定频率和振幅的超声振动，可以降低工件和模具之间的摩擦力以及整体成形力，还能在一定程度上提高材料的变形能力以及变形的均匀性，进而提高成型质量。
发明内容
【要解决的技术问题】
本发明的目的是针对粉体材料，特别是非均匀性脆性含能性粉末材料，提供一种超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，以降低粉体材料压制成型时颗粒与颗粒、颗粒与模壁之间的摩擦力以及整体成形力，同时提高制品致密化和降低药柱内部残余应力。
【技术方案】
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明涉及一种超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，该设备包括超声波底座、安装在超声波底座上的超声模套、与超声模套配合使用的超声波冲头、驱动超声波冲头的液压机、第一超声波换能器、换能器连接部，所述超声波冲头内设置有空腔，所述空腔内设置有第二超声波换能器，所述第一超声波换能器通过换能器连接部与超声模套连接，所述第二超声波换能器通过换能器连接部与超声波冲头的底部连接，所述超声模套内和超声波冲头内均设置有冷却水循环系统，所述冷却水循环系统包括进液口、水管、出液口。
作为一种优选的实施方式，所述超声模套内的冷却水循环系统在超声模套内部呈U字形布局。
作为另一种优选的实施方式，所述超声模套还包括盖板、第一吊环螺钉、粉末压制腔，所述粉末压制腔与盖板的连接处、粉末压制腔与进液口的连接处、粉末压制腔与出液口的连接处均通过密封材料密封。
作为另一种优选的实施方式，所述超声波冲头还包括压板、上模套、水管、第二吊环螺钉，所述压板位于上模套的顶部，所述水管位于超声波冲头的空腔内，所述上模套与压板的连接处、上模套与超声波冲头底部的连接处均通过密封材料密封。
作为另一种优选的实施方式，所述第一超声波换能器、第二超声波换能器均采用低压型磁致伸缩换能器。
作为另一种优选的实施方式，所述超声模套的模套壁的厚度根据第一超声波换能器输出超声波的振动频率确定，所述超声波冲头底部的厚度根据第二超声波换能器输出超声波的振动频率确定。
作为另一种优选的实施方式，所述第一超声波换能器、第二超声波换能器均连接有静电接地装置。
作为另一种优选的实施方式，所述超声模套与超声波冲头通过卡块固定，所述卡块的材料为耐磨型不锈钢，其直径大于8mm。
作为另一种优选的实施方式，还包括与超声波底座配合使用的活动式固定系统，所述活动式固定系统包括调节螺母板、挂钩和吊块。
作为另一种优选的实施方式，所述第一超声波换能器通过绝缘塑料或陶瓷与换能器连接部连接。
【有益效果】
本发明提出的技术方案具有以下有益效果：
本发明使超声模套在超声波作用下产生共振，共振能量通过超声模套传递到粉体材料颗粒中，超声模套内的颗粒材料产生高频振动，通过颗粒周期性反转，降低了粉体材料颗粒之间的内摩擦以及颗粒和超声模套的模壁(或软模)之间的外摩擦，提高了不同层药柱的有效压力，实现了在现有温和成型条件下有效的提高粉体材料部件的致密化，改善了内部密度均匀性，并降低了内部应力，从而实现了药柱的高质量成型制备。因此，本发明在含能粉体材料成型及装药领域中，可以在比较温和的成型工艺条件下实现更致密化和高均匀性的含能粉体材料的压制成型。
附图说明
图1为本发明的实施例一提供的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备的原理结构图。
图2为本发明的实施例一提供的超声模套的原理结构图。
图3为本发明的实施例一提供的超声波冲头的原理结构图。
图4为本发明的实施例二提供的超声振动辅助加载成型原理图。
图5为本发明的实施例二提供的超声波辅助成型过程超声加载方式图。
图6为本发明的实施例二提供的超声波辅助成型过程超声加载方式图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备的原理结构图。如图1所示，该设备包括超声波底座1、安装在超声波底座1上的超声模套2、与超声模套2配合使用的超声波冲头3、驱动超声波冲头3的液压机。
本实施例中，如图2所示，超声模套2包括盖板21、吊环螺钉22、粉末压制腔23、下模24、循环水冷却系统，循环水冷却系统包括水管25、进液口251和出液口252。吊环螺钉22设置在盖板21和下模24上。粉末压制腔23与盖板2的连接处、粉末压制腔23与进液口251的连接处、粉末压制腔23与出液口252的连接处均通过密封材料密封，密封材料为高分子材料，如聚乙烯，聚四氟乙烯等，通过密封材料密封以防止冷却液泄漏。另外，循环水冷却系统中的水管呈U字形或蛇形结构环绕超声模套2，进液口251设置在超声模套2的下部，出液口252设置在超声模套2的上部，冷却液从下部的进液口251流入，从上部的出液口252流出，通过冷却液(高纯水或含盐水)冷却超声模套2，避免超声波换能器4与超声模套2连接处出现局部温度过高情况。超声模套2的周围设置有超声波换能器4，具体地，超声波换能器4的数量为2～20个，其均匀分布在以超声模套2为中心的圆周上，通过超声波换能器4的超声波振动为超声模套2内的粉末提供横向振动。
本实施例中，如图3所示，超声波冲头3包括压板32、上模套33、水管34、吊环螺钉35、上模连接板36。超声波冲头3内设置有空腔，空腔内设置有超声波换能器31，通过超声波换能器31的超声波振动为超声模套内的粉末提供纵向振动。压板32位于超声波冲头3的顶部，水管34位于超声波冲头的空腔内，上模连接板36设置在超声波冲头3的底部，上模套33与压板32的连接处、上模套33与上模连接板36的连接处均通过密封材料密封，密封材料为高分子材料，如聚乙烯，聚四氟乙烯等，通过密封材料密封以防止冷却液泄漏。具体地，冷却液从水管34的进液口341导入，使冷却液体进入腔体底部，最后通过出液口342流出，用于及时传导出在超声振动过程中产生的热量以达到冷却超声波换能器31的目的，从而避免超声波换能器31出现过热现象，同时有利于降低超声波换能器31与超声波冲头3连接处的温度，避免在超声振动压制中粉体材料出现局部温度过高的情况。
本实施例中，超声模套2的模套壁的厚度根据超声波换能器4输出超声波的振动频率确定，以保证超声模套2在输入超声波作用下能产生共振。超声波冲头3上模连接板36的厚度根据超声波换能器31输出超声波的振动频率确定，以保证超声波冲头3在输入超声波作用下能产生共振。
本实施例中，超声波换能器31和超声波换能器4均采用低压型磁致伸缩换能器替换高压型压电陶瓷换能器，避免出现瞬态击穿超声波换能器后电荷转移到金属模具上，导致在模具中产生的瞬态高压而引起的含能型粉体材料爆燃或爆炸现象，因此，本发明实施例从源头上降低了击穿换能器后产生瞬态高压的风险，另外，本发明实施例在超声波换能器31、超声波换能器4均连接有静电接地装置，用于及时将剩余电荷传导出去。
本实施例中，超声波换能器4通过绝缘性的材料或聚合物与换能器连接部5连接，绝缘性材料可为SiO2、ZrO2等较耐磨、耐冲击的绝缘性材料，聚合物可为超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯等较耐磨、耐冲击的绝缘性材料，通过采用绝缘性的材料或聚合物，可以从结构上减少超声波换能器击穿后电压直接传导到超声模套2所引发的操作人触电危险。
本实施例中，超声波底座1设有活动式固定系统，具体包含调节螺母板、挂钩、吊块，其分布在超声模套2周围，与超声波底座1一起配合使用，活动式固定系统一般在3～6组左右为宜，主要防止装置在起吊脱模过程出现超声模套与底座及超声波换能器的分离现象，避免出现砸伤，甚至成型含能药柱从模套中自行掉落与底座形成撞击从而引发爆燃或爆炸风险。
本实施例中，超声模套2与超声波冲头3通过卡块固定，卡块材料采用耐磨型不锈钢，直径大于8mm为宜，用于超声波冲头3的临时固定，防止超声波冲头3在压制作用后下压过程中出现超声波歪斜、超声波冲头3与超声模套2发生楔住、卡啃等现象，避免造成局部强烈摩擦和塑性应变而导致危险性热点的形成以及模具划伤、损坏的现象。
采用实施例一种的设备实现超声波振动辅助下的粉体材料压制成型方法可以参考下述具体方法实施例。
实施例二
实施例二提供一种超声波振动辅助下的粉体材料压制成型方法，该方法包括以下步骤。
步骤(1)：将待压制粉体材料放置于超声模套内、超声波冲头与超声底座之间。
步骤(2)：启动冷却水循环系统，冷却液从冷却水循环系统的进液口注入、出液口流出。
步骤(2)具体通过向超声模套的进液口、超声波冲头的进液口注入冷却液，使冷却液从冷却水循环系统的进液口注入、出液口流出，从而启动超声模套内的冷却水循环系统和超声波冲头内的冷却水循环系统。
步骤(3)：启动液压机，超声波冲头在液压机的作用下做相对运动并带动粉体材料下行运动以对粉体材料进行压制，压制过程中使第一超声波换能器输出超声波以带动超声模套共振、使第二超声波换能器输出超声波以带动超声波冲头共振。
步骤(3)具体包括：首先设置液压机压力，通过液压机驱动超声波冲头将粉体材料压紧，使超声波换能器输出超声波以带动超声模套共振、使超声波换能器输出超声波以带动超声波冲头共振(具体原理如图4所示)，逐步增加液压机压力直至达到预设的压力值，具体地，液压机压力分阶段增加，每一阶段均保持一段时间，如图5或图6所示，图5或图6中，横坐标表示时间，纵坐标表示液压机压力。另外，为了避免超声加载对粉体物理参量参测量的干扰，可以采用间歇加载超声的方式，具体地，如图5所示，超声波换能器仅在液压机压力保持不变时输出超声波，或者如图6所示，超声波换能器仅在液压机压力增加时输出超声波。通过该步骤，通过超声波换能器对粉体材料施加纵向和横向的振动，带动粉体材料周期性运动，降低粉体材料之间及粉体材料与模具内壁之间的摩擦力，提高施加到材料上的有效压力，从而获得了致密程度及均匀性更好的成型产品。
步骤(4)：取出超声模套内粉体材料压制后的成品。
具体地，步骤(4)包括：将整体模具推出，通过起吊装置将模具放置在脱模台上，启动液压机推动超声波冲头和粉体材料药柱下行，在退模台上使超声波底座与药柱缓慢下落，取出成品。
下面以含能粉体材料代用料MJ-9003C为研究对象，采用上述工艺方法说明了成型药柱的密度、均匀性以及温度分布情况，实验结果表明，本发明提供的超声-力耦合压制成型技术在提高压坯密度及改善均匀性方面有较大作用，并且成型药柱温度分布均匀，无明显热点，是一种比较有前景的新成型技术。
(1)含能粉体材料代用料超声-力耦合压制成型的密度
以含能粉体材料代用材料为实验对象，研究本发明实施例提供的超声-力耦合压制成型技术的初步效果。表1结果表明，经过超声-力耦合压制的样品压坯，与相同其他条件下无超声压制的压坯相比，其平均密度增加1.79％，说明超声作用可有效提高压坯的致密程度。
表1压坯密度测试
样品1 样品2
压制条件 超声-力耦合压制 常规无超声压制
直径(mm) 200.00 200.00
高度(mm) 63.12 64.24
质量(g) 3042.2 3041.6
密度(g/cm3) 1.534 1.507
(2)含能粉体材料代用料超声-力耦合压制成型的均匀性
为进一步说明超声-力耦合作用对含能粉体材料代用料的效果，采用PhilipsBrillianc64排多层螺旋CT对压坯均匀性进行表征分析。结果表明，常规无超声压制样品和超声-力耦合压制样品的密度分布基本相似，样品中心位置为密度最低区域，沿径向密度逐渐增加，经过超声-力耦合作用压制的样品，其高密度分布区域较未经超声加载的样品有一定扩大，样品内部未出现裂隙，气泡等疵病。由于超声波换能器沿径向分布，样品外缘超声振动较强，可促进粉末颗粒的重排，在一定程度上提高了样品密度的均匀性。
(3)超声-力耦合成型压坯温度分布
由于含能粉体材料的特殊敏感性质，在粉末成型过程中，必须严格控制局部过热情况的出现。采用FLUKETi25热像仪对压制后的压坯表面温度场分布进行表征。实验结果表明，常规无超声压制样品和超声-力耦合压制样品的表面温度均为10-13℃之间，经过超声-力耦合作用后压坯表面温度未见明显上升，压坯上下表面中心处温度略高，边缘处偏低，但整个样品表面温度分布仍比较均匀，未出现明显的热点。
从以上实施例可以看出，本发明实施例使超声模套在超声波作用下产生共振，共振能量通过超声模套传递到粉体材料颗粒中，超声模套内的颗粒材料产生高频振动，通过颗粒周期性反转，降低了粉体材料颗粒之间的内摩擦以及颗粒和超声模套的模壁(或软模)之间的外摩擦，提高了不同层药柱的有效压力，实现了在现有温和成型条件下有效的提高粉体材料部件的致密化，改善了内部密度均匀性，并降低了内部应力，从而实现了药柱的高质量成型制备。因此，本发明实施例在含能粉体材料成型及装药领域中，可以在比较温和的成型工艺条件下实现更致密化和高均匀性的含能粉体材料的压制成型。
需要说明，上述描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，也不是对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于包括超声波底座、安装在超声波底座上的超声模套、与超声模套配合使用的超声波冲头、驱动超声波冲头的液压机、第一超声波换能器、换能器连接部，所述超声波冲头内设置有空腔，所述空腔内设置有第二超声波换能器，所述第一超声波换能器通过换能器连接部与超声模套连接，所述第二超声波换能器通过换能器连接部与超声波冲头的底部连接，所述超声模套内和超声波冲头内均设置有冷却水循环系统，所述冷却水循环系统包括进液口、水管、出液口。
2.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述超声模套内的冷却水循环系统在超声模套内部呈U字形布局。
3.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述超声模套还包括盖板、第一吊环螺钉、粉末压制腔，所述粉末压制腔与盖板的连接处、粉末压制腔与进液口的连接处、粉末压制腔与出液口的连接处均通过密封材料密封。
4.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述超声波冲头还包括压板、上模套、水管、第二吊环螺钉，所述压板位于上模套的顶部，所述水管位于超声波冲头的空腔内，所述上模套与压板的连接处、上模套与超声波冲头底部的连接处均通过密封材料密封。
5.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述超声模套的模套壁的厚度根据第一超声波换能器输出超声波的振动频率确定，所述超声波冲头底部的厚度根据第二超声波换能器输出超声波的振动频率确定。
6.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述第一超声波换能器、第二超声波换能器均采用低压型磁致伸缩换能器。
7.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述第一超声波换能器、第二超声波换能器均连接有静电接地装置。
8.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述超声模套与超声波冲头通过卡块固定，所述卡块的材料为耐磨型不锈钢，其直径大于8mm。
9.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于还包括与超声波底座配合使用的活动式固定系统，所述活动式固定系统包括调节螺母板、挂钩和吊块。
10.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备，其特征在于所述第一超声波换能器通过绝缘塑料或陶瓷与换能器连接部连接。
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