CN108994101A - 钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流微成形模具及方法 - Google Patents
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Abstract
钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流微成形模具及方法,本发明涉及微齿轮脉冲电流辅助微成形模具及中空分流微成形方法，本发明为解决钛合金微型齿轮或齿轮轴结构成形难度大、模具使用寿命低的问题，它包括模具部分和电源部分，模具部分包括模柄、凸模座、上绝缘板、导向组件、凸模底板、凸模、凸模保护套、凸模夹持体、凹模、凹模底板、凹模固定板、凹模垫圈、顶出器、下绝缘板、下顶杆、下顶杆套和凹模座，所述方法是按照以下步骤实现的：步骤一：安装模具；步骤二：压紧钛合金坯料；步骤三：加热成形；步骤四：脱模。本发明属于机械制造及塑性微成形技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及微齿轮结构成形模具及中空分流微成形方法，具体涉及钛合金微齿轮结构脉冲电流辅助微成形模具及中空分流微成形方法。属于机械制造及塑性微成形技术领域。
背景技术
钛合金微齿轮结构是各种微小型传动机构的关键与核心构件，具有质量轻、强度高、抗腐蚀性好、高低温性能优异等特点，在航空航天、武器装备以及船舶海洋等领域微系统与微驱动机构中具有广泛的应用前景。然而，钛合金材料导热系数低，加工变形回弹量大，且钛合金化学活性高，容易与刀具材料产生反应，形成熔敷、扩散、黏刀和烧刀现象，现有的微机械加工工艺普遍存在效率低、加工周期长，且加工精度难以保证等问题，成为制约钛合金微齿轮实际应用的关键技术瓶颈。塑性微成形是一种利用塑性变形制造微型零件的工艺方法，具有成形精度高、成形件力学性能优异、效率高等优点，成为一种重要的低成本、大批量微型零件制造方法。然而，钛合金微齿轮结构需要高温成形，成形难度很大，模具寿命难以满足要求。
针对钛合金微型齿轮或齿轮轴结构成形难度大、模具使用寿命低的难题，本发明提出了钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具及中空分流微成形方法。
发明内容
本发明为解决钛合金微型齿轮或齿轮轴结构成形难度大、模具使用寿命低的问题，进而提出钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流微成形模具及方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：它包括模具部分和电源部分，模具部分包括模柄、凸模座、上绝缘板、导向组件、凸模底板、凸模、凸模保护套、凸模夹持体、凹模、凹模底板、凹模固定板、凹模垫圈、顶出器、下绝缘板、下顶杆、下顶杆套和凹模座；模柄的顶端固定安装在压力机内滑块的底端上，模柄的底端与凸模座的顶端固定连接，凸模夹持体上加工有凸模安装通孔，凸模保护套套装在凸模上，凸模和凸模保护套安装在凸模夹持体的凸模安装通孔内，凸模座的底端与上绝缘板的上端面固定连接，绝缘板、凸模底板和凸模夹持体由上至下依次固定连接，且凸模的顶端顶在凸模底板的底端面上，凹模固定板上加工有凹模安装孔和凹模底板安装孔，凹模安装孔加工和凹模底板安装孔连通，凹模和凹模底板由上至下安装在凹模固定板上的凹模安装孔和凹模底板安装孔内，凹模中心加工的内齿轴心与凸模上加工的外齿轴心对应，凹模垫圈上加工有顶出器安装孔，顶出器安装在凹模垫圈的顶出器安装孔内，凹模固定板的底端面安装在凹模垫圈的顶端面上，凹模固定板设置在凸模夹持体下方，顶出器的顶端插装在凹模固定板上，凹模固定板、凹模垫圈和下绝缘板由上至下依次固定连接，下绝缘板的底端面与凹模座的顶端面固定连接，下顶杆套安装在下绝缘板和凹模座上，下顶杆插装在下顶杆套上，下顶杆的顶端面与顶出器底端面贴合，凸模座通过导向组件设置在凹模座上方，凸模夹持体的外侧壁和凹模固定板的外侧壁与电源部分连接。
所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一：安装模具；将模柄的顶端安装于压力机上的压力机内滑块上，然后将电源部分与模具部分连接形成通电回路；
步骤二：压紧钛合金坯料；将钛合金坯料放入凹模和凹模底板组成的孔分流模具腔中，压力机内滑块下行带动凸模座和凸模向下运功与凹模合拢并压钛合金坯料；
步骤三：加热成形；启动脉冲电源，对钛合金坯料进行加热，钛合金坯料到达预定成形温度后保温，保温时间0.5～10min，然后压力机内滑块继续下行带动凸模对加热后的钛合金坯料施加作用力，使毛坯发生塑性变形获得钛合金微齿轮件；
步骤四：脱模：加压成形完成后，切断脉冲电源，压力机内滑块带动凸模回程，从微齿轮结构件中退出，待工件冷却后顶出装置通过下顶杆推动顶出器将齿轮件从凹模中顶出。
本发明的有益效果是：
1、脉冲电流辅助成形技术是将电场直接作用于坯料，通过能量传输、转化和场激励作用，使得坯料内部微观结构、力学性能以及温度场分布发生改变，并与外部施加的力场耦合进行辅助成形。该技术不仅具有塑性微成形技术成形效率高、成本低、工艺简单以及成形零件性能好和精度高等优点，同时，利用脉冲电流激励作用使钛合金材料变形抗力明显降低，塑性显著提高，甚至具有超塑性能，能够显著提高钛合金等难变形材料的微成形性能。
2、模具中空分流微成形工艺是将模具预留孔作为分流降压腔的微成形工艺方法。在模具中空分流微成形过程中，材料不仅向模具型腔侧向填充，同时向模具预留孔流动，在坯料内部形成一个分流面，分流面以内的金属向凸凹模的中心空腔中流动形成分流轴，而分流面以外的金属作径向流动，促进微型齿轮型腔填充。因此，模具中空分流微成形方法是通过改变材料流动方向，提高微型齿轮的填充质量，同时能够降低成形力，提高微成形模具使用寿命。
3、本发明通过中空轴分流作为降压腔，与常规钛合金等温微成形工艺相比，明显降低了钛合金微齿轮成形载荷力减少20％以上，促进了齿形填充饱满度，减少了齿边缘毛刺断裂，延长了模具使用寿命。
4、本发明利用了高强脉冲电流作用于钛合金时产生焦耳效应和电致塑性效应，从而降低了钛合金微齿轮的成形温度，减小了钛合金的变形抗力，抑制裂纹孔洞产生，同时促进变形过程再结晶速度，抑制晶粒长大甚至细化晶粒，从而获得力学性能优异、尺寸精度高的钛合金微齿轮结构件。
附图说明
图1是本发明钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流成形模具结构示意图；
图2是图1模具K位置局部放大图；
图3是本发明模具的凸模7结构示意图；
图4是本发明模具的凹模11结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，它包括模具部分和电源部分，模具部分包括模柄2、凸模座3、上绝缘板4、导向组件、凸模底板6、凸模7、凸模保护套8、凸模夹持体9、凹模11、凹模底板12、凹模固定板13、凹模垫圈14、顶出器15、下绝缘板16、下顶杆17、下顶杆套18和凹模座19；模柄2的顶端固定安装在压力机内滑块1的底端上，模柄2的底端与凸模座3的顶端固定连接，凸模夹持体9上加工有凸模安装通孔，凸模保护套8套装在凸模7上，凸模7和凸模保护套8安装在凸模夹持体9的凸模安装通孔内，凸模座3的底端与上绝缘板4的上端面固定连接，绝缘板4、凸模底板6和凸模夹持体9由上至下依次固定连接，且凸模7的顶端顶在凸模底板6的底端面上，凹模固定板13上加工有凹模安装孔和凹模底板安装孔，凹模安装孔加工和凹模底板安装孔连通，凹模11和凹模底板12由上至下安装在凹模固定板13上的凹模安装孔和凹模底板安装孔内，凹模11中心加工的内齿轴心与凸模7上加工的外齿轴心对应，凹模垫圈14上加工有顶出器安装孔，顶出器15安装在凹模垫圈14的顶出器安装孔内，凹模固定板13的底端面安装在凹模垫圈14的顶端面上，凹模固定板13设置在凸模夹持体9下方，顶出器15的顶端插装在凹模固定板13上，凹模固定板13、凹模垫圈14和下绝缘板16由上至下依次固定连接，下绝缘板16的底端面与凹模座19的顶端面固定连接，下顶杆套18安装在下绝缘板16和凹模座19上，下顶杆17插装在下顶杆套18上，下顶杆17的顶端面与顶出器15底端面贴合，凸模座3通过导向组件设置在凹模座19上方，凸模夹持体9的外侧壁和凹模固定板13的外侧壁与电源部分连接。
使用时将钛合金坯料21布置在凹模11内，电源部分向模具部分提供脉冲，脉冲电流作用于钛合金坯料21上。
本实施方式中上绝缘板4和下绝缘板16由云母或玻璃纤维制成，电极接头22选用电解铜材质。如此设置，云母或玻璃纤维耐高温、不导电、抗压强度高。出于人员设备安全及电流作用部位的考虑，同时实现了隔热需要，减小了热量损耗、保护了模具。使用电解铜材质，出于减小接触电阻的考虑。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，电源部分包括脉冲电源23、两个电极接头22和两个导线24；一个电极接头22安装在凸模夹持体9的外侧壁上，另一个电极接头22安装在凹模固定板13的外侧壁上，且每个电极接头22通过导线24与脉冲电源23连接。脉冲电流通过导线24、电极接头22、凸模夹持体9、凸模7、钛合金坯料21、凹模11、凹模固定板13、凹模底板12形成通电回路，提供脉冲电流以加热钛合金坯料21，确保微齿轮挤压的顺利进行，其它方法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，本实施方式所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，导向组件包括四个导套5和四个导柱10，四个导套5固定安装在凸模座3上，四个导柱10安装在凹模座19上，且每个导柱10分别滑动插装在一个导套5上，其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，模具部分还包括四个定位销20；上绝缘板4、凸模底板6和凸模夹持体9上相对竖直插装有两个定位销20，凹模固定板13、凹模垫圈14和下绝缘板16相对竖直插装有两个定位销20。通过上竖直插装的定位销20进行定位，保证加工精度。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，所述凹模11内齿的分度圆直径小于10mm，凹模11与凸模7配合间隙小于20μm。如此设置，考虑了模具材料在压力与热的作用下会发生膨胀，预留了配合间隙后可以抵消因材料膨胀而发生的模具磨损与卡死现象，其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，所述凸模7和凹模底板12中心位置开有上分流孔和下分流孔，上分流孔和下分流孔直径相等，每个分流孔直径为凹模11分度圆直径的0.1到0.4倍，如此设置，形成上下两个分流孔作为降压腔，可降低钛合金微齿轮成形载荷，促进了齿形填充，减少了缺陷，延长了模具寿命，其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流微成形方法,所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一：安装模具；将模柄2的顶端安装于压力机上的压力机内滑块1上，然后将电源部分与模具部分连接形成通电回路；
步骤二：压紧钛合金坯料21；将钛合金坯料21放入凹模11和凹模底板12组成的孔分流模具腔中，压力机内滑块1下行带动凸模座3和凸模7向下运功与凹模11合拢并压钛合金坯料21；
步骤三：加热成形；启动脉冲电源23，对钛合金坯料21进行加热，钛合金坯料21到达预定成形温度后保温，保温时间0.5～10min，然后压力机内滑块1继续下行带动凸模7对加热后的钛合金坯料21施加作用力，使毛坯发生塑性变形获得钛合金微齿轮件；
步骤四：脱模：加压成形完成后，切断脉冲电源23，压力机内滑块1带动凸模7回程，从微齿轮结构件中退出，待工件冷却后顶出装置通过下顶杆17推动顶出器15将齿轮件从凹模11中顶出。
具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流微成形方法,步骤二中凸模7压紧钛合金坯料21的条件为预加压力值5-10MPa，步骤三中脉冲电流参数为：脉宽50-500μs、频率100-1000Hz、电流密度10～500A/mm；坯料成形温度大于所加工材料的再结晶温度，低于材料熔点。其它方法与具体实施方式七相同。
实施例
实施例1：钛合金坯料21为TC4钛合金，凹模11模数0.2，齿数10个，齿顶圆直径2.3mm，分度圆直径2，齿根圆直径1.6mm，凹模11与凸模7的材质为碳化钨硬质合金，配合间隙4μm，坯料直径1.5mm，坯料高度,2mm，上分流孔25和下分流孔26的直径0.5mm，选用脉冲电流参数为脉冲宽度100μs、频率300Hz、电流密度190～230A/mm2、预加压力值5MPa、成形温度850～930℃、保温3mim。
实施例2：钛合金坯料21为TA15钛合金，凹模11模数0.2，齿数24个，齿顶圆直径5.1mm，分度圆直径4.8，齿根圆直径4.3mm，凹模11与凸模7的材质为碳化钨硬质合金，配合间隙10μm，坯料直径4mm，坯料高度5mm，上分流孔25和下分流孔26的直径1.5mm，选用脉冲电流参数为脉冲宽度200μs、频率600Hz、电流密度330～400A/mm2、预加压力值8MPa、成形温度880～950℃、保温5mim。
应当说明的是，脉冲通过材料时材料的温度同时与脉冲参数和材料的形状相关，一般而言，相同材料的柱状坯料横截面积越大、高度越矮，同样电流下材料的温度则越低。因此随着钛合金坯料21高度减小、横截面积增加，坯料温度会有明显的降低，为了维持坯料成形温度在固定区间内，当坯料温度低于预设值后需相应增大脉冲电流值。
实施例中成形的带有中心轴的微齿轮结构，中心轴经过简单机械加工后可达到机械装配精度要求。
实施例所用脉冲电源为高频脉冲电源，输出电压0～50V，电流0～1000A，占空比0～100％，脉冲电流输出波形为方形波形。采用市场上同规格的脉冲电源只要能提供微齿轮成形所需脉冲参数值也能实现与实施例同样的效果。
本发明微齿轮结构成形模具包括模具部分和电源部分，模具的凸模和凹模底板中心位置开有上分流孔和下分流孔，脉冲电流通过导线24、电极接头22与凸模夹持体9、凸模7、坯料21、凹模11、凹模固定板13形成通电回路，与常规钛合金等温微成形工艺相比，本发明降低了钛合金微齿轮的成形温度，减小了钛合金微齿轮件成形力20％以上，提高了微成形模具寿命，解决了钛合金等难变形材料微型构件填充质量差的难题。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (8)
1.钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，它包括模具部分和电源部分，其特征在于：模具部分包括模柄(2)、凸模座(3)、上绝缘板(4)、导向组件、凸模底板(6)、凸模(7)、凸模保护套(8)、凸模夹持体(9)、凹模(11)、凹模底板(12)、凹模固定板(13)、凹模垫圈(14)、顶出器(15)、下绝缘板(16)、下顶杆(17)、下顶杆套(18)和凹模座(19)；模柄(2)的顶端固定安装在压力机内滑块(1)的底端上，模柄(2)的底端与凸模座(3)的顶端固定连接，凸模夹持体(9)上加工有凸模安装通孔，凸模保护套(8)套装在凸模(7)上，凸模(7)和凸模保护套(8)安装在凸模夹持体(9)的凸模安装通孔内，凸模座(3)的底端与上绝缘板(4)的上端面固定连接，绝缘板(4)、凸模底板(6)和凸模夹持体(9)由上至下依次固定连接，且凸模(7)的顶端顶在凸模底板(6)的底端面上，凹模固定板(13)上加工有凹模安装孔和凹模底板安装孔，凹模安装孔加工和凹模底板安装孔连通，凹模(11)和凹模底板(12)由上至下安装在凹模固定板(13)上的凹模安装孔和凹模底板安装孔内，凹模(11)中心加工的内齿轴心与凸模(7)上加工的外齿轴心对应，凹模垫圈(14)上加工有顶出器安装孔，顶出器(15)安装在凹模垫圈(14)的顶出器安装孔内，凹模固定板(13)的底端面安装在凹模垫圈(14)的顶端面上，凹模固定板(13)设置在凸模夹持体(9)下方，顶出器(15)的顶端插装在凹模固定板(13)上，凹模固定板(13)、凹模垫圈(14)和下绝缘板(16)由上至下依次固定连接，下绝缘板(16)的底端面与凹模座(19)的顶端面固定连接，下顶杆套(18)安装在下绝缘板(16)和凹模座(19)上，下顶杆(17)插装在下顶杆套(18)上，下顶杆(17)的顶端面与顶出器(15)底端面贴合，凸模座(3)通过导向组件设置在凹模座(19)上方，凸模夹持体(9)的外侧壁和凹模固定板(13)的外侧壁与电源部分连接。
2.根据权利要求1所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，其特征在于：电源部分包括脉冲电源(23)、两个电极接头(22)和两个导线(24)；一个电极接头(22)安装在凸模夹持体(9)的外侧壁上，另一个电极接头(22)安装在凹模固定板(13)的外侧壁上，且每个电极接头(22)通过导线(24)与脉冲电源(23)连接。
3.根据权利要求1所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，其特征在于：导向组件包括四个导套(5)和四个导柱(10)，四个导套(5)固定安装在凸模座(3)上，四个导柱(10)安装在凹模座(19)上，且每个导柱(10)分别滑动插装在一个导套(5)上。
4.根据权利要求1所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，其特征在于：模具部分还包括四个定位销(20)；上绝缘板(4)、凸模底板(6)和凸模夹持体(9)上相对竖直插装有两个定位销(20)，凹模固定板(13)、凹模垫圈(14)和下绝缘板(16)相对竖直插装有两个定位销(20)。
5.根据权利要求1所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，其特征在于：所述凹模(11)内齿的分度圆直径小于10mm，凹模(11)与凸模(7)配合间隙小于20μm。
6.根据权利要求1所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助微成形模具，其特征在于：所述凸模(7)和凹模底板(12)中心位置开有上分流孔和下分流孔，上分流孔和下分流孔直径相等，每个分流孔直径为凹模(11)分度圆直径的0.1到0.4倍。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6、所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流微成形方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一：安装模具；将模柄(2)的顶端安装于压力机上的压力机内滑块(1)上，然后将电源部分与模具部分连接形成通电回路；
步骤二：压紧钛合金坯料(21)；将钛合金坯料(21)放入凹模(11)和凹模底板(12)组成的孔分流模具腔中，压力机内滑块(1)下行带动凸模座(3)和凸模(7)向下运功与凹模(11)合拢并压钛合金坯料(21)；
步骤三：加热成形；启动脉冲电源(23)，对钛合金坯料(21)进行加热，钛合金坯料(21)到达预定成形温度后保温，保温时间0.5～10min，然后压力机内滑块(1)继续下行带动凸模(7)对加热后的钛合金坯料(21)施加作用力，使毛坯发生塑性变形获得钛合金微齿轮件；
步骤四：脱模：加压成形完成后，切断脉冲电源(23)，压力机内滑块(1)带动凸模(7)回程，从微齿轮结构件中退出，待工件冷却后顶出装置通过下顶杆(17)推动顶出器(15)将齿轮件从凹模(11)中顶出。
8.根据权利要求7所述钛合金微齿轮脉冲电流辅助中空分流微成形方法，其特征在于：步骤二中凸模(7)压紧钛合金坯料(21)的条件为预加压力值5～10MPa，步骤三中脉冲电流参数为：脉宽50～500μs、频率100～1000Hz、电流密度10～500A/mm；坯料成形温度大于所加工材料的再结晶温度，低于材料熔点。
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