CN108057883B

CN108057883B - 一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置

Info

Publication number: CN108057883B
Application number: CN201810002766.1A
Authority: CN
Inventors: 崔晓辉; 喻海良; 王青山
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2038-01-02
Also published as: CN108057883A

Abstract

本发明为一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置，利用径向电磁力和轴向电磁力同时或者分阶段压制粉末，其中径向电磁力采用螺线管线圈实现，螺线管线圈通入脉冲电流，在金属粉末上感应产生脉冲大电流和脉冲电磁力，通过脉冲大电流产生的热效应实现烧结，通过脉冲电磁力的大小变化，使金属粉末交替产生弹性变形与弹性回复，击碎粉末间的氧化物，同时减小摩擦力，最终提高压制致密度。并且脉冲大电流能够产生热效应，融化金属粉末和氧化物，实现烧结，进一步提高压制零件的致密度。

Description

一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置

技术领域

本发明属于粉末压制技术领域，特别涉及一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置。

背景技术

在粉末冶金零件制造生产中，粉末压制成形是一个重要环节。它是将粉末体加工成具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的零件或待烧结的坯件。其技术水平的高低影响着材料致密化的程度。进而对成品零件的尺寸精度和机械性能产生重要影响。粉末压制成形的方法有很多，比较常见的有干压法、等静压法、注射成型法等。这几种方法基本都是将金属粉末或陶瓷粉末与粘结剂混炼成均匀的喂料，然后通过压制取得具有一定致密度的冶金制品，但是这几种方法成型效率低、成本高、环保性差且所使用的机械设备昂贵。

电磁脉冲粉末压制采用电磁力作为驱动力，在强脉冲的电磁作用力下，粉末在冲击作用下实现高速致密压实。电磁脉冲粉末成形工艺由于放电周期短(毫秒级)，放电能量大(数十千焦)，因此可以获得很高的压制速度，高速压制使得粉末材料在压制过程中的加工硬化作用减小，能够制得致密度很高的压制毛坯。

普通粉末压制，如果要获得高的致密度则需要高的压力，容易造成模具的损坏，因此对模具材料有很高的力学性能要求，制造成本高。电磁脉冲粉末压实工艺的充电放电过程可由电路控制轻松实现，同时可通过调节充电电压和蓄电电容精确调节放电能量，因此整个工艺过程可实现自动化控制，安全稳定且效率高。

由于线圈的形状不同，电磁脉冲粉末压制分为两种：螺线管线圈电磁脉冲粉末压制和平板线圈电磁脉冲粉末压制。螺线圈线圈电磁脉冲粉末压制是通过螺线圈线圈对金属管件产生径向磁场力，驱动金属管件发生缩颈，进而压实粉末。平板线圈电磁脉冲粉末压制是通过平板线圈驱动金属驱动片，进而带动放大器和冲头来实现粉末压制。

在专利“功能陶瓷低电压放电压制成形方法”中，黄尚宇等给出了平板线圈和低电压作用下的，电磁脉冲压制陶瓷材料的方法。在专利“一种金属粉末的高速冲击压制方法”中，刘军等提出采用塔形线圈直接驱动金属粉末进行压制。但是上述专利中，粉末压制结束后会出现明显的密度梯度。

发明内容

为了克服传统电磁粉末压制技术的缺点，本发明的目的在于提供一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置，轴向电磁力依旧采用传统的平板线圈实现。径向电磁力采用螺线管线圈实现。螺线管线圈通过脉冲电流后，会在金属粉末上感应脉冲大电流和脉冲电磁力。当电磁力大时，金属粉末在径向电磁力作用向内收缩，并发生弹性和塑性变形；当电磁力小时，金属粉末发生弹性回复。这种电磁力和弹性回复之间的交替作用，导致金属粉末在径向以高速振荡的形式出现，能够击碎粉末间的氧化物。同时可以使粉末与粉末、粉末与模具的之间摩擦力小，因此能使粉末均匀分布，提高总体致密度。并且脉冲大电流能够产生热效应，融化金属粉末和氧化物，实现烧结，进一步提高压制零件的致密度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法，利用径向电磁力和轴向电磁力同时或者分阶段压制粉末，其中径向电磁力采用螺线管线圈实现，螺线管线圈通入脉冲电流，在金属粉末上感应产生脉冲大电流和脉冲电磁力，通过脉冲大电流产生的热效应实现烧结，通过脉冲电磁力的大小变化，使金属粉末交替产生弹性变形与弹性回复，击碎粉末间的氧化物，同时减小摩擦力，最终提高压制致密度。

本发明还提供一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的装置，包括套筒，所述套筒的筒壁设置有与其同轴的螺线管线圈，螺线管线圈对套筒内的粉末施加径向电磁力，套筒的上方设置有平板线圈，平板线圈作用于冲头，使冲头从上方对粉末施加轴向电磁力。

优选地，所述套筒位于底座上，套筒的底部设置有垫块，所述底座上方通过螺栓和螺母连接上固定板，所述平板线圈固定在上固定板的下表面，所述螺线管线圈卡入底座的凹槽内，以保证螺线管线圈不会在径向发生移动。

优选地，所述平板线圈下方有放大器，放大器上表面固定驱动片，下表面与冲头的上表面正对并接触，驱动片与平板线圈正对，当脉冲电流通过平板线圈后，在驱动片上产生向下的磁场力，进而驱动放大器向下，并带动冲头向下运动。

优选地，所述驱动片由高电导率材料制成，如纯铜、纯铝等。

优选地，所述放大器上设置有竖向的导柱，导柱穿过放大器，保证放大器沿套筒的轴向运动。

优选地，所述螺线管线圈设置在套筒的外层，当螺线管线圈放电后，磁场穿透套筒并作用在粉末上。

优选地，所述螺线管线圈和平板线圈连接同一个电源系统，同时进行充电或放电；或者，分别与一个电源系统连接，实现分阶段放电。

优选地，所述螺线管线圈和平板线圈均为多圈同心线圈。

优选地，所述套筒由高强度绝缘材料制成，如环氧板、碳纤维、大理石等，保证螺线管线圈放电后，磁场能够穿透套筒作用到粉末上；同时套筒的强度要能满足粉末压实所产生的压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)将螺线管线圈引入到平板线圈粉末压实系统中，给粉末同时提供了径向和轴向电磁力，改变了传统平板线圈粉末压实系统中粉末只受轴向压力的局限。由于径向力以脉冲形式作用于粉末中。当磁场力大的时候，粉末会沿径向被压缩；当磁场力变小后，粉末会因为弹性回复而膨胀。这种动态的变化导致粉末在径向力作用下会发生高频振荡并高速运动，有利于粉末的均匀填充。从而解决传统电磁粉末压实由于粉末的不均匀分布，导致压实后零件的致密度出现明显差别。

(2)螺线管线圈产生的感应电流是直接只用于粉末上，感应电流会产生热效应，有利于粉末和粉末间氧化物的融化，实现烧结，提高致密度。

(3)当螺线管线圈和平板线圈同时放电时，由于粉末在径向发生被压实，造成粉末与套筒壁之间的摩擦力降低，有利于提高粉末压实后的均匀性和硬度分布。

(4)当螺线管线圈和平板线圈分开放电时，平板线圈起到压实粉末的作用，螺线管线圈起到让粉末高速振荡运动并达到均匀分布的目的，能够降低放电能量，同时提高粉末的压实密度。

附图说明

图1为粉末被夹紧条件下的初始装配示意图。

图2为径向和轴向电磁力放电后，压制系统的状态示意图。

图3为上固定板和平板线圈下移后的压制系统的状态示意图。

图4为径向和轴向电磁力再次放电后，压制系统的状态示意图。

图5为螺线管线圈放电后在粉末上感应出的电流分布。

图6为粉末在大的脉冲电磁力作用下的运动过程。

图7为粉末在小的脉冲电磁力作用下的运动过程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的装置，包括底座1和上固定板2，底座1上方通过螺栓3和螺母4连接上固定板2。底座1上有套筒10，套筒10的底部设置有垫块13，套筒10的筒壁外层设置有螺线管线圈11，螺线管线圈11对套筒10内的粉末12施加径向电磁力。

套筒10的上方设置有平板线圈5，平板线圈5固定在上固定板2的下表面，螺线管线圈11卡入底座1的凹槽内，以保证螺线管线圈11不会在径向发生移动。螺线管线圈11和平板线圈5均为多圈同心线圈。

平板线圈5下方有放大器7，放大器7上表面固定由高电导率材料制成的驱动片6，下表面与冲头9的上表面正对并接触，驱动片6与平板线圈5正对，当脉冲电流通过平板线圈5后，在驱动片5上产生向下的磁场力，进而驱动放大器7向下，并带动冲头9向下运动，使冲头9从上方对粉末12施加轴向电磁力。

放大器7上设置有竖向的导柱8，导柱8穿过放大器7，保证放大器7沿套筒10的轴向运动。

套筒10由高强度绝缘材料制成，保证螺线管线圈11放电后，磁场能够穿透套筒10作用到粉末12上；同时套筒10的强度要能满足粉末12压实所产生的压力。

螺线管线圈11和平板线圈5可连接同一个电源系统，同时进行充电或放电；也可分别与一个电源系统连接，实现分阶段放电。

具体地，利用上述结构进行压制成形的方法1，如下：

S1、将粉末12放置在由套筒10、冲头9和垫块13所形成的腔内，拧紧螺栓3，使粉末12被压紧，如图1所示；

S2、螺线管线圈11和平板线圈5同时放电，使粉末12在径向高频振动，同时实现轴向压实，如图2所示；

S3、下移上固定板2直到平板线圈5下表面与高电导率驱动板6上表面接触，如图3所示；

S4、继续进行步骤S2的压实过程，直到粉末被完全压实，如图4所示。

利用上述结构进行压制成形的方法2，如下：

S2、螺线管线圈11放电，使粉末12在径向高频振动，并在腔内均匀分布。螺线管线圈11放电后在粉末12上感应出的电流分布如图5所示，粉末12的运动方向如图6、7所示；

S3、平板线圈5放电，使粉末12在轴向被压实，如图2所示。

S4、螺线管线圈11放电，使粉末12在径向再次高频振动，并在腔内均匀分布。

S5、下移上固定板2直到平板线圈5下表面与高电导率驱动板6上表面接触，如图3所示；

S6、继续进行步骤S3的压实过程，直到粉末12被完全压实，如图4所示；由于线圈放电后，板料上的节点位移和应力都出现了高频振荡现象。而材料的高频振荡有利于实现粉末压制中粉末的均匀填充，有利于减小密度梯度的出现，因此最终可提高压制后粉末的整体性能。

Claims

1.一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法，其特征在于：

基于的装置包括套筒（10），所述套筒（10）的筒壁设置有与其同轴的螺线管线圈（11），螺线管线圈（11）对套筒（10）内的金属粉末（12）施加径向电磁力，套筒（10）的上方设置有平板线圈（5），平板线圈（5）作用于冲头（9），使冲头（9）从上方对金属粉末（12）施加轴向电磁力；

利用径向电磁力和轴向电磁力同时压制金属粉末（12），其中径向电磁力采用螺线管线圈（11）实现，螺线管线圈（11）通入脉冲电流，在金属粉末（12）上感应产生脉冲大电流和脉冲电磁力，通过脉冲大电流产生的热效应实现烧结，通过脉冲电磁力的大小变化，使金属粉末（12）交替产生弹性变形与弹性回复，击碎粉末间的氧化物，同时减小摩擦力，最终提高压制致密度，并且脉冲大电流能够产生热效应，融化金属粉末（12）和氧化物，实现烧结。

2.一种实现权利要求1所述径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法的装置，包括套筒（10），其特征在于，所述套筒（10）的筒壁设置有与其同轴的螺线管线圈（11），螺线管线圈（11）对套筒（10）内的金属粉末（12）施加径向电磁力，套筒（10）的上方设置有平板线圈（5），平板线圈（5）作用于冲头（9），使冲头（9）从上方对金属粉末（12）施加轴向电磁力。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述套筒（10）位于底座（1）上，套筒（10）的底部设置有垫块（13），所述底座（1）上方通过螺栓（3）和螺母（4）连接上固定板（2），所述平板线圈（5）固定在上固定板（2）的下表面，所述螺线管线圈（11）卡入底座（1）的凹槽内，以保证螺线管线圈（11）不会在径向发生移动。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述平板线圈（5）下方有放大器（7），放大器（7）上表面固定驱动片（6），下表面与冲头（9）的上表面正对并接触，驱动片（6）与平板线圈（5）正对，当脉冲电流通过平板线圈（5）后，在驱动片（6）上产生向下的磁场力，进而驱动放大器（7）向下，并带动冲头（9）向下运动。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述驱动片（6）由高电导率材料制成。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述放大器（7）上设置有竖向的导柱（8），导柱（8）穿过放大器（7），保证放大器（7）沿套筒（10）的轴向运动。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述螺线管线圈（11）设置在套筒（10）的外层，当螺线管线圈（11）放电后，磁场穿透套筒（10）并作用在金属粉末（12）上。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述螺线管线圈（11）和平板线圈（5）连接同一个电源系统，同时进行充电或放电。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述螺线管线圈（11）和平板线圈（5）均为多圈同心线圈。

10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述套筒（10）由高强度绝缘材料制成，保证螺线管线圈（11）放电后，磁场能够穿透套筒（10）作用到金属粉末（12）上；同时套筒（10）的强度要能满足金属粉末（12）压实所产生的压力。