CN108994102A - 一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具及方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具及方法，它涉及一种微型零件微成形的模具及方法，为解决钛合金等难变形材料微型零件的坯料加热速度慢，微小模具型腔填充困难以及模具寿命低等瓶颈问题，它包含由上至下依次设置的模柄、上板、冲头固定板、冲头、凹模、凹模固定块、脱模垫块和下板；冲头固定在冲头固定板上的上大下小的台阶通孔内。成形方法步骤：一、模具组装，坯料在凹模型腔中，压力设备下行带动冲头向下运动与凸模上端面接触，凸模继续向下运动与坯料达到一定的预紧压力后停止；二、启动脉冲电源，对坯料进行加热，挤压成形；三、将凸模和成形的微型零件取出。本发明属于机械制造及塑性微成形技术领域。

Description

一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具及方法

技术领域

本发明涉及一种微成形的模具及方法，具体涉及一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具及方法，属于机械制造及塑性微成形技术领域。

背景技术

近年来，随着塑性微成形技术的尺度范畴不断延伸，材料种类需求日益增多，应用领域不断扩大，微成形过程中表现出更强的尺度和材料依赖性。由于尺度效应的存在，材料微成形性能和尺度极限降低，微成形件尺寸精度及一致性变差，特别是对于一些难变形材料，单纯依靠模具施加载荷的微成形技术难以进行。比如，在航天领域广泛应用的钛合金微型齿轮，因为其热导率低，属于难加工材料，由于齿轮模数小，模具型腔特征尺寸非常小，精度要求高，微型齿轮型腔填充十分困难，这对塑性微成形工艺方法、模具设计以及润滑方法等提出了苛刻要求。为了解决这个难题，目前广泛采用的工艺方法有分流法、浮动凹模等，公开号CN1554499的专利“用于微型零件精密成形的微型浮动模具装置”，解决了微型模具装配精度要求高、微型模具受力大的问题，但是采用的加热方式难以实现钛合金等难变形材料微型齿轮成形。公开号CN107081399A的专利“一种多自由度主动分流成形方法”提出一种主动分流的方法，解决了复杂零件的多向成形问题，但是该方法应用到微齿轮的成形中很难保证成形件的成形精度。本发明针对带有中心孔的钛合金等难变形材料微型齿轮结构特点，提出了一种基于坯料中心孔分流法的脉冲电流辅助微成形方法，通过坯料中空分流设计可以改变微成形过程金属流动方向，降低成形力提高难变形材料对微小型腔的填充质量，成功应用到钛合金微齿轮的高质量成形中。同时，利用脉冲电流实现了对钛合金等难变形坯料的快速高效加热，降低了材料的变形抗力，提高了模具使用寿命。

发明内容

本发明提供一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具及方法，以解决钛合金等难变形材料微型零件的坯料加热速度慢，微小模具型腔填充困难以及模具寿命低等瓶颈问题。

本发明为解决上述问题采用的技术方案为：

一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，它包含由上至下依次设置的模柄、上板、冲头固定板、冲头、凹模、凹模固定块、脱模垫块和下板；冲头固定在冲头固定板上的上大下小的台阶通孔内，模柄和冲头固定板分别与上板连接，凹模固定块与下板连接，凹模固定块上端开槽并嵌有凹模，下端开有与凹模的型腔贯通的通道，通道内布置脱模垫块，带有分流孔的坯料布置于凹模的型腔内，坯料下端与脱模垫块接触，型腔与凸模相配合，凸模放置于坯料上，凹模固定块和脱模垫块贴靠在下板的上端面上，脉冲电源通过导线连接到冲头固定板和凹模固定块上以提供脉冲，脉冲电流作用于坯料上。

进一步地，所述凸模外形与微型零件轮廓形状相同，凹模的型腔与微型零件轮廓形状相同。

进一步地，凹模上加工有与所述内腔相连通的冲头导向槽，冲头与冲头导向槽配合间隙小于5μm，凹模的型腔与凸模的配合间隙小于10μm。

进一步地，坯料为中心带有分流孔的圆环状料，分流孔直径是坯料直径的0.2-0.4倍。

进一步地，四个导柱和四个导套对称设置在冲头的两侧，且导柱的上端均与上模板的下表面固接，导柱的下端滑动设在下模板上对应的导套中。

一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形方法，其特征在于：它包括：

步骤一：将模具的模柄安装于压力设备上，再将脱模垫块插入凹模固定块的下端通道内，凹模压入凹模固定块的上端的槽内，然后将带有分流孔的坯料放置在凹模型腔中，凸模放置在坯料上，压力设备下行带动冲头向下运动，通过凹模的型腔导向与凸模上端面接触，凸模继续向下运动与坯料达到一定的预紧压力后停止；

步骤二：脉冲电源通过导线连接到冲头固定板和凹模固定块上，启动脉冲电源，对坯料进行加热，到达预定成形温度后保温，然后冲头继续下行对坯料施加作用力，使坯料挤压变形直至填满型腔；

步骤三：挤压完成后关闭脉冲电源，待冷却后抽出脱模垫块，然后冲头继续下行将变形后的坯料压入凹模固定块的下端通道，然后冲头回程，将凸模和成形的微型零件取出。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、使用带孔坯料形成的分流降压作用，改变了微成形过程金属流动方向，，改善了微小模具型腔的填充质量，提高了微齿轮成形精度和表面质量，成形件内部流线沿零件外轮廓分布，保证了成形力学性能。以钛合金微型齿轮为例，齿顶圆尺寸精度优于0.05mm，齿形表面粗糙度Ra值小于0.1μm，硬度不低于成形前母材的90％。

2、难变形材料普遍存在加热困难，模具高温性能差，寿命低，难以满足微成形要求。利用脉冲电流辅助微成形技术实现了对钛合金等难变形坯料的快速加热，并在较低的模具温度下实现微型零件成形，提高了模具使用寿命，降低了生产成本。

3、凸模相对模具整体结构独立，降低了凸模加工难度，同时便于装配与更换，成形精度依靠凹凸模配合来保证，降低了对模具装配精度的依赖。

附图说明

图1为本发明的脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具的结构示意图；

图2为本发明实施例中微型齿轮凸模的结构示意图；

图3为本发明凹模的结构示意图；

图4为本发明凹模固定块的结构示意图；

图5为实施例中中空钛合金坯料示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

具体实施方式一：结合图1和图4说明，一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，它包含由上至下依次设置的模柄1、上板2、冲头固定板5、冲头6、凹模8、凹模固定块9、脱模垫块10和下板11；冲头6固定在冲头固定板5上的上大下小的台阶通孔内，模柄1和冲头固定板5分别与上板2连接，凹模固定块9与下板11连接，凹模固定块9上端开槽并嵌有凹模8，下端开有与凹模8的型腔贯通的通道，通道内布置脱模垫块10，带有分流孔的坯料14布置于凹模8的型腔内，下端与脱模垫块10接触，型腔与凸模7相配合，凸模7放置于中空坯料14上，凹模固定块9和脱模垫块10贴靠在下板11的上端面上，脉冲电源15通过导线16连接到冲头固定板5和凹模固定块9上以提供脉冲，脉冲电流作用于中空坯料14上。上板2和下板11分别采用绝缘板。

本实施方式的脉冲电源15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。应当说明的是，采用市场上同规格的脉冲电源(只要能提供成形所需脉冲参数值)能实现同样的效果。

具体实施方式二：结合图2和图3说明，本实施方式的所述凸模7外形与微型零件轮廓形状相同，凹模8的型腔与微型零件轮廓形状相同。

具体实施方式三：凸模7为带有微型零件外轮廓结构，凹模8的型腔内轮廓为微型零件结构，凹模8上加工有与所述内腔相连通的冲头导向槽8-1，冲头6与冲头导向槽8-1配合间隙小于5μm，凹模8的型腔与凸模7的配合间隙小于10μm。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

上述两个实施方式中，凸模7相对模具整体结构独立，降低了凸模7加工难度，同时便于装配与更换。本实施方式的凹模8与凸模7的配合间隙小于10μm，使成形微型零件(如微齿轮)的成形精度完全依靠凹凸配合来保证，大大降低了对模具装配精度的依赖。

具体实施方式四：结合图5说明，本实施方式的坯料14为中心带有分流孔的圆环状料，分流孔直径是坯料14直径的0.2～0.4倍。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的中心带有分流孔的圆环状料的外轮廓形状采用线切割加工，内部分流孔采用微细电火花加工，坯料14的外表面需通过机械抛光处理，分流孔表面不需要处理。

具体实施方式五：结合图1说明，为了保证运行安全可靠，提高强度，上板2和下板11分别采用绝缘隔热多板组装结构，具体为：上板2包括上模板21、上绝缘板23和上垫板24；下板11包括下垫板111、下绝缘板11、下模板113和底板114；上模板21和上垫板24之间设置有上绝缘板23，上模板21和上绝缘板23固定连接，上绝缘板23、上垫板24和冲头固定板5固定连接，模柄1与上模板21连接，下垫板111和下模板113之间布置有下绝缘板112，下模板113下端布置有底板114，凹模固定块9、下垫板111和下绝缘板112固定连接，下绝缘板112、下模板113和底板114固定连接。上绝缘板23、下绝缘板112材质为云母或玻璃纤维，如此设置，出于绝缘和隔热需要，确保了设备安全、减小了热量损耗、保护了模具。冲头6、凸模7和凹模8材质为碳化钨硬质合金，如此设置，由于碳化钨硬质合金电阻小、强度高，适合用作电流辅助微成形的模具材料。参见图4所示，凹模固定块9上端开方形槽，凹模8与方形槽相配合。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：结合图1和说明，本实施方式一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具还包括四个导柱17和四个导套18，四个导柱17对称设置在冲头6的两侧，四个导套18对称设置在下模板113中，且导柱17的上端均与上模板21的下表面固定连接，导柱17的下端滑动设在下模板113上对应的导套18中。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式七：结合图1和说明，本实施方式的一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形方法，它包括：

步骤一：将模具的模柄1安装于压力设备上，再将脱模垫块10插入凹模固定块9的下端通道内，凹模8压入凹模固定块9的上端的槽内，然后将带有分流孔的坯料14放置在凹模8型腔中，凸模7放置在坯料14上，压力设备下行带动冲头6在冲头导向槽8-1内向下运动，冲头6与凸模7上端面接触，凸模7继续向下运动与坯料14达到一定的预紧压力后停止；

步骤二：脉冲电源15通过导线16连接到冲头固定板5和凹模固定块9上，启动脉冲电源15，对坯料14进行加热，到达预定成形温度后保温，然后冲头6继续下行对坯料14施加作用力，使坯料14挤压变形直至填满型腔；

步骤三：挤压完成后关闭脉冲电源15，待冷却后抽出脱模垫块10，然后冲头6继续下行将变形后的坯料14压入凹模固定块9的下端通道，然后冲头6回程，将凸模7和成形的微型零件取出。

步骤一中冲头6向下运动与凸模7上端面接触的条件为预加压力值在5-10Mpa。步骤二中脉冲电流参数：频率为100-1000Hz，电流密度10-500A/mm²。坯料成形温度大于所成形材料的再结晶温度，且低于成形材料熔点，保温时间0.5-10min。

实施例1：参见图2所示，凸模7采用带有外齿的微齿轮，高度为5mm，模数0.2，齿数24，齿根圆直径4.3mm，分度圆直径4.8mm，齿顶圆直径5.1mm；参见图5所示，钛合金坯料14为TC4钛合金，直径4mm，坯料高度5mm，分流孔直径1.5mm；凹模8与凸模7之间的配合间隙为8μm；选用脉冲电流参数：频率为200Hz，电流密度270-340A/mm²；预加压力值10MPa、成形温度880～950℃，保温2mim。成形后钛合金微型齿轮零件齿顶圆尺寸精度优于0.05mm，齿形表面粗糙度Ra值小于0.1μm，硬度不低于母材的90％，钛合金微齿轮内部流线沿轮廓分布。

实施例2：参见图2所示，凸模7采用带有外齿的微齿轮，高度为3mm，模数0.2，齿数10，齿根圆直径1.6mm，分度圆直径2mm，齿顶圆直径2.3mm；参见图5所示，钛合金坯料14为TA15钛合金，直径1.5mm，坯料高度2mm，分流孔直径0.6mm；凹模8与凸模7之间的配合间隙为5μm；选用脉冲电流参数为频率300Hz，电流密度130-180A/mm2；预加压力值5MPa、成形温度850～930℃，保温1mim。成形后钛合金微型齿轮零件齿顶圆尺寸精度优于0.03mm，齿形表面粗糙度Ra值小于0.08μm，硬度不低于母材的90％，钛合金微齿轮内部流线沿轮廓分布。

应当说明的是，脉冲通过成形材料时，成形材料的温度同时与脉冲参数和成形材料的形状相关，一般而言，相同材料的柱状坯料横截面积越大、高度越小，同样电流下材料的温度则越低。因此随着钛合金锻坯高度减小、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。

脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具不需要专用压力设备，既可以在小型压力机上使用，也可以在材料试验机上使用，具有良好的适用性，如成形微齿轮时，通过冲头与凹模导向、凸凹模配合实现成形过程双导向，大大降低了对模具装配和设备精度的依赖。本发明将孔分流降压方法与脉冲电流辅方法结合用于钛合金微齿轮模锻成形，坯料分流孔设计改善了材料金属流动方向，提高了难变形材料微型零件成形质量；利用脉冲电流辅助技术使材料变形抗力明显降低，塑性显著提高，材料加热速度快，大大提高了生产效率，降低了生产成本；电流辅助微成形过程中模具温度较低，成形过程模具强度高，保证了难变形材料微成形过程模具寿命，通过凹凸模配合来保证微齿轮成形精度，大大降低了对模具装配和设备精度的依赖。

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，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，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 (10)

1.一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，其特征在于：它包含由上至下依次设置的模柄(1)、上板(2)、冲头固定板(5)、冲头(6)、凹模(8)、凹模固定块(9)、脱模垫块(10)和下板(11)；冲头(6)固定在冲头固定板(5)上的上大下小的台阶通孔内，模柄(1)和冲头固定板(5)分别与上板(2)连接，凹模固定块(9)与下板(11)连接，凹模固定块(9)上端开槽并嵌有凹模(8)，下端开有与凹模(8)的型腔贯通的通道，通道内布置脱模垫块(10)，带有分流孔的坯料(14)布置于凹模(8)的型腔内，坯料(14)下端与脱模垫块(10)接触，所述型腔与凸模(7)相配合，凸模(7)放置于坯料(14)上，凹模固定块(9)和脱模垫块(10)贴靠在下板(11)的上端面上，脉冲电源(15)通过导线(16)连接到冲头固定板(5)和凹模固定块(9)上以提供脉冲，脉冲电流作用于坯料(14)上。

2.根据权利要求1所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，其特征在于：所述凸模(7)外形与微型零件轮廓形状相同，凹模(8)的型腔与微型零件轮廓形状相同。

3.根据权利要求2所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，其特征在于：凹模(8)上加工有与所述内腔相连通的冲头导向槽(8-1)，冲头(6)与冲头导向槽(8-1)配合间隙小于5μm，凹模(8)的型腔与凸模(7)的配合间隙小于10μm。

4.根据权利要求1、2或3所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，其特征在于：所述坯料(14)为中心带有分流孔的圆环状料，分流孔直径是坯料(14)直径的0.2-0.4倍。

5.根据权利要求4所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，其特征在于：上板(2)包括上模板(21)、上绝缘板(23)和上垫板(24)；下板11包括下垫板(111)、下绝缘板(11)、下模板(113)和底板(114)；上模板(21)和上垫板(24)之间设置有上绝缘板(23)，上模板(21)和上绝缘板(23)固定连接，上绝缘板(23)、上垫板(24)和冲头固定板(5)固定连接，模柄(1)与上模板(21)连接，下垫板(111)和下模板(113)之间布置有下绝缘板(112)，下模板(113)下端布置有底板(114)，凹模固定块(9)、下垫板(111)和下绝缘板(112)固定连接，下绝缘板(112)、下模板(113)和底板(114)固定连接。

6.根据权利要求5所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具，其特征在于：所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形模具还包括四个导柱(17)和四个导套(18)，四个导柱(17)对称设置在冲头(6)的两侧，四个导套(18)对称设置在下模板(113)中，且导柱(17)的上端均与上模板(21)的下表面固接，导柱(17)的下端滑动设在下模板(113)上对应的导套(18)中。

7.一种应用权利要求1、2、3、5或6所述模具的脉冲电流辅助坯料中空分流微成形方法，其特征在于：它包括：

步骤一：将模具的模柄(1)安装于压力设备上，再将脱模垫块(10)插入凹模固定块(9)的下端通道内，凹模(8)压入凹模固定块(9)的上端的槽内，然后将带有分流孔的坯料(14)放置在凹模(8)型腔中，凸模(7)放置在坯料(14)上，压力设备下行带动冲头(6)在冲头导向槽(8-1)内向下运动，冲头(6)与凸模(7)上端面接触，凸模(7)继续向下运动与坯料(14)达到一定的预紧压力后停止；

步骤二：脉冲电源(15)通过导线(16)连接到冲头固定板(5)和凹模固定块(9)上，启动脉冲电源(15)，对坯料(14)进行加热，到达预定成形温度后保温，然后冲头(6)继续下行对坯料(14)施加作用力，使坯料(14)挤压变形直至填满型腔；

步骤三：挤压完成后关闭脉冲电源(15)，待冷却后抽出脱模垫块(10)，然后冲头(6)继续下行将变形后的坯料(14)压入凹模固定块(9)的下端通道，然后冲头(6)回程，将凸模(7)和成形的微型零件取出。

8.根据权利要求7所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形方法，其特征在于：步骤一中冲头(6)向下运动与凸模(7)上端面接触的条件为预加压力值在5-10Mpa。

9.根据权利要求8所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形方法，其特征在于：步骤二中脉冲参数：频率为100-1000Hz，电流密度为10-500A/mm²。

10.根据权利要求9所述一种脉冲电流辅助坯料中空分流微成形方法，其特征在于：步骤二中成形温度大于所成形材料的再结晶温度，且低于成形材料的熔点，保温时间0.5-10min。