CN109773181A - 一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，包括机架、磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件，所述磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件均固定装配于机架上，所述机架由底座、固定架、上固定板、下固定板和导轨组成；所述磁控变频驱动组件包括定子和动子，所述动子通过连接板上的滑孔装配于导轨上沿导轨往复滑动；所述粉末压制成形组件包括放大器、上冲头、下冲头和凹模。本发明能够实现高精度、高质量的粉末压制成形加工，解决了电磁粉末压制成形过程中充电时间长及粉体过细成品相对密度低的难题，工作稳定，重复性好，能提高粉末压制成形的产品质量和生产效率，便于实现自动化生产，节能环保，具有广阔开发应用前景。
Description
技术领域
本发明属于粉末压制技术领域，具体涉及一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置。
背景技术
粉末压制成形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坯体或待烧结的坯件，压制坯体的致密化程度和密度分布均匀性直接决定了成品零件的尺寸精度和机械性能。机械、汽车和航空航天等领域对粉末压制零件的技术要求越来越高，通过新工艺和新设备来提高粉末材料在压制过程中的致密化程度是当前亟需解决的热点问题。高速压制成形是利用机械高速撞击产生的高峰值压力的模压成形技术，在峰值压力后的短暂时间内还伴有多次反复冲击，可以获得更高的压坯密度，高速压制成形具有低成本、高效率、高成形密度等优点而被认为是粉末冶金工业寻求低成本高密度材料加工技术的一项新突破。传统的高速压制成形技术，压机锤头速度为2～30m/s，速度提高能力有限，而且液压驱动的锤头重量巨大，整体机构较为笨重，成本过高。基于磁脉冲原理的电磁粉末压制成形技术能够极大地提高压制锤头的速度，但是其设备能量利用率较低、电容充电时间过长且工作线圈寿命有限。由于锤头的冲击速度决定了压制能量的大小和粉末压制致密化程度，所以高速压制成形的关键问题在于如何提高压制速度，且具有较高的工业生产效率。
磁控变频驱动装置相当于将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的，当定子各相线圈通入电流后，在定子、动子之间的气隙中产生行波磁场，动子中的永磁体在行波磁场产生的驱动力作用下，动子获得加速动能。磁控变频驱动装置结构简单，通过调整定子线圈的电流值和换相顺序，动子可实现不同运动速度要求的高速直线往复运动，其最大运动速度可达100m/s，并且其定子、动子结构均可以用环氧树脂封装成整体，具有较好的防腐、防潮性能。综上，磁控变频驱动装置可以在短时间、短距离内提供巨大的直线运动动能，且冲头对粉末体的冲击能量可控制，更有利于获得更高压制致密度和更佳密度均匀分布的粉末零件坯体。磁控变频驱动高速压制成形具有成形速度快、成形精度高、模具简单、设备通用性强的特点，特别适合粉末高速精密压制成形的高效、低成本的规模化生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有粉末高速压制技术存在的部分不足，提供了一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，实现无需电磁成形线圈和充电电容，仅通过调整定子线圈的电流值和换相顺序，动子可实现不同运动速度要求的高速直线往复运动，动子驱动锤头可以直接对凹模中的粉末材料进行高速压制，解决了当粉末材料过细，压坯致密化难以提高的难题，并且粉末压制效率大大提高，便于实现自动化生产，绿色环保，具有广阔的开发应用前景。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，包括机架、磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件，所述磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件均固定装配于机架上，
所述机架由底座、固定架、上固定板、下固定板和导轨组成，所述固定架的底端焊接在底座上，所述上固定板和下固定板分别焊接在固定架上端和靠近下端处，所述导轨设有两个并分别安装在上固定板和下固定板左右两侧；
所述磁控变频驱动组件包括定子和动子，所述定子由封装在其内部的多相线圈组成，所述动子包括滑动体和连接板，所述滑动体固定在连接板上，所述滑动体的内部封装有具有一定间隔距离布置的永磁体，所述定子固定在上固定板和下固定板之间，所述动子通过连接板上的滑孔装配于导轨上沿导轨往复滑动，所述滑动体设置在定子内部；
所述粉末压制成形组件包括放大器、上冲头、下冲头和凹模，所述凹模固定装配于底座上，所述凹模上竖直设有用于填充粉末的凹模型腔，所述凹模型腔底部固定有下冲头，所述凹模型腔的上部可拆卸设有上冲头，所述放大器固定在动子上。
优选的，还包括系统控制模块，外部编程接入，能够接入外部存储设备读取控制命令，且能记录动子的运动能量，所述系统控制模块由控制电路板、位置传感器、交互式显示屏组成，位置传感器用于检测动子的运动位置，交互式显示屏可方便操作者输入相关工艺参数或实时显示设备运行参数，控制电路板用于定子的线圈电流换相控制、输入指令的数模转换和检测信号的采集处理，导轨上装有位置传感器，位置传感器为光栅传感器或霍尔感应传感器，用于检测动子运动位置及速度，且反馈信号至控制电路板，根据控制程序设定的动子运动规则，实时调整定子线圈的电流、换相频率、换相顺序。
优选的，所述磁控变频驱动组件是由三相电驱动，根据换相顺序和换向频率，气隙磁场实现变速的直线往复运动。
优选的，所述动子上的永磁体采用稀土永磁材料，包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴，也可以采用铁氧体永磁材料，定子的线圈采用紫铜材料。
优选的，所述放大器为圆锥形高密度金属基体。
优选的，所述线圈的内部设有铁芯。
优选的，所述下固定板和定子的俯视结构相同且均呈U形。
本发明的技术效果和优点：
磁控变频驱动的粉末压制成形装置能够实现粉末高速压制成形，短时内获得高速运动的动子及放大器撞击上冲头，最终对粉末体输入冲击能量，在高速冲击波作用下，粉末体发生剧烈的压制致密化效应，粉末零件压坯的致密度可进一步提高，密度分布更为均匀，另零件压坯的弹性后效很小，脱模力较低，解决了当粉末材料过细，压坯致密化难以提高的难题。相对传统的充电电容式电磁成形装置，该装置减少了电容充电环节，工作时间大大缩短，工作效率明显提高，且交互式的系统控制模块实现了对粉末压坯相对密度的可调可控，更加便于高效低成本的工业自动化生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的动子、定子装配俯视结构示意图；
图3为本发明的粉末压制成形组件结构示意图；
图4为本发明的动子结构示意图；
图5为本发明的定子结构示意图；
图6为本发明的机架结构示意图；
图7为本发明的磁控变频驱动原理图。
图中：1上固定板、2导轨、3动子、301连接板、302滑动体、303永磁体、304滑孔、4下固定板、5固定架、6底座、7定子、701线圈、8放大器、9粉末压制成形组件、901凹模、902上冲头、903下冲头、904凹模型腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示，一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，包括机架、磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件9，所述磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件9均固定装配于机架上，
所述机架由底座6、固定架5、上固定板1、下固定板4和导轨2组成，所述固定架5的底端焊接在底座6上，所述上固定板1和下固定板4分别焊接在固定架5上端和靠近下端处，所述导轨2设有两个并分别安装在上固定板1和下固定板4左右两侧；
所述磁控变频驱动组件包括定子7和动子3，所述定子7由封装在其内部的多相线圈701组成，所述动子3包括滑动体302和连接板301，所述滑动体302固定在连接板301上，所述滑动体302的内部封装有具有一定间隔距离布置的永磁体303，所述定子7固定在上固定板1和下固定板4之间，所述动子3通过连接板301上的滑孔304装配于导轨2上沿导轨2往复滑动，所述滑动体302设置在定子7内部，定子7和动子3均采用环氧树脂封装成整体；
所述粉末压制成形组件9包括放大器8、上冲头902、下冲头903和凹模901，所述凹模901固定装配于底座6上，所述凹模901上竖直设有用于填充粉末的凹模型腔904，所述凹模型腔904底部固定有下冲头903，所述凹模型腔904的上部可拆卸设有上冲头902，所述放大器8固定在动子3上。
还包括系统控制模块，外部编程接入，能够接入外部存储设备读取控制命令，且能记录动子的运动能量，所述系统控制模块由控制电路板、位置传感器、交互式显示屏组成，位置传感器用于检测动子3的运动位置，交互式显示屏可方便操作者输入相关工艺参数或实时显示设备运行参数，控制电路板用于定子7的线圈701电流换相控制、输入指令的数模转换和检测信号的采集处理，导轨2上装有位置传感器，位置传感器为光栅传感器或霍尔感应传感器，用于检测动子运动位置及速度，且反馈信号至控制电路板，根据控制程序设定的动子运动规则，实时调整定子线圈的电流、换相频率、换相顺序。
所述磁控变频驱动组件是由三相电驱动，根据换相顺序和换向频率，气隙磁场实现变速的直线往复运动。
所述动子3上的永磁体303采用稀土永磁材料，包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴，也可以采用铁氧体永磁材料，定子7的线圈701采用紫铜材料。
所述放大器8为圆锥形高密度金属基体，经过热处理提高强度。
所述线圈701的内部设有铁芯。
所述下固定板4和定子7的俯视结构相同且均呈U形。
上冲头902、下冲头903、成形凹模901为均为可替换结构，材料为工具钢，并经过热处理提高强度。
根据磁控变频驱动原理，线圈AX、BY、CZ为定子A、B、C三相绕组，当线圈701绕组中通入三相正弦电流后，便在气隙中产生磁场，当三相电流按换相顺序对定子线圈701供电时，磁场将按A、B、C相序沿直线移动，动子3在移动磁场作用下获得电磁推力，进入加速运动阶段，动子3运动速度总是稍滞后于定子行波磁场的移动速度，两者的移动速度差可表示为：
S＝(Vs-V)/Vs
其中，Vs是定子7行波磁场移动速度；V是动子3移动速度。
动子3的运动加速度由行波磁场推力、动子3导轨2摩擦阻力、动子3连同加重放大器8重量所决定，行波磁场推力由定子7的线圈701匝数、通电电压、通电电流和换相频率、定子7动子3间的气隙大小和动子3内永磁体303性能所决定。动子3沿导轨2加速运动至一定距离后，即获得粉末压制工艺所需要的冲击动能。对定子7的线圈701停止供电，行波磁场消失，动子3连同放大器8高速冲击上冲头902，上冲头902压缩装填在凹模型腔904内的粉末体，粉末体内产生的高速冲击应力波可以有效的将冲击机械能转换为粉末体变形能，从而能够获得高致密度的零件压坯。
对定子7的线圈701电流换相调整可实现快速准确的回程复位。另动子3连同放大器8撞击上冲头902，强烈的机械撞击后，动子3沿导轨2方向有碰撞回弹运动和往复振荡运动，定子7的线圈701内的感应磁场和动子3的永磁体303磁场的相互耦合作用可有效减小动子3的碰撞回弹和往复振动幅度，从而减少设备振动，提高该粉末压制装置的运行可靠性。
具体的，使用时，装配下冲头903，将预处理后的粉末材料均匀地充填于凹模型腔904内，然后装配上冲头902。动子3连同放大器8置于一定高度的初始位置。根据粉末压制所需能量大小在控制系统中输入相关磁控变频参数，如电压、电流、换相频率、供电时间和压制次数等。控制系统发出设备启动指令，定子7的线圈701流经电流，在磁场推力作用下，动子3带动放大器8在极短时间内获得很大的冲击运动速度，以获得不同压制致密度要求的冲击动能，输入粉末体的冲击动能可以有效克服材料塑性变形和颗粒之间摩擦作用，获得高致密度和更均匀密度分布的零件压坯，也可以根据工艺设计需要，切换定子7的线圈701电流换相顺序，使动子3可以多次往复运动，对粉末体进行多次压制。粉末体压制致密化完成后，切换定子7的线圈701的电流的换相顺序，对动子3施加回程拉力，动子3连同放大器8回程运动至初始位置，准备下一个压制循环。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，包括机架、磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件(9)，所述磁控变频驱动组件和粉末压制成形组件(9)均固定装配于机架上，其特征在于：
所述机架由底座(6)、固定架(5)、上固定板(1)、下固定板(4)和导轨(2)组成，所述固定架(5)的底端焊接在底座(6)上，所述上固定板(1)和下固定板(4)分别焊接在固定架(5)上端和靠近下端处，所述导轨(2)设有两个并分别安装在上固定板(1)和下固定板(4)左右两侧；
所述磁控变频驱动组件包括定子(7)和动子(3)，所述定子(7)由封装在其内部的多相线圈(701)组成，所述动子(3)包括滑动体(302)和连接板(301)，所述滑动体(302)固定在连接板(301)上，所述滑动体(302)的内部封装有具有一定间隔距离布置的永磁体(303)，所述定子(7)固定在上固定板(1)和下固定板(4)之间，所述动子(3)通过连接板(301)上的滑孔(304)装配于导轨(2)上沿导轨(2)往复滑动，所述滑动体(302)设置在定子(7)内部；
所述粉末压制成形组件(9)包括放大器(8)、上冲头(902)、下冲头(903)和凹模(901)，所述凹模(901)固定装配于底座(6)上，所述凹模(901)上竖直设有用于填充粉末的凹模型腔(904)，所述凹模型腔(904)底部固定有下冲头(903)，所述凹模型腔(904)的上部可拆卸设有上冲头(902)，所述放大器(8)固定在动子(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，其特征在于：还包括系统控制模块，外部编程接入，能够接入外部存储设备读取控制命令，且能记录动子的运动能量，所述系统控制模块由控制电路板、位置传感器、交互式显示屏组成，位置传感器用于检测动子(3)的运动位置，交互式显示屏可方便操作者输入相关工艺参数或实时显示设备运行参数，控制电路板用于定子(7)的线圈(701)电流换相控制、输入指令的数模转换和检测信号的采集处理，导轨(2)上装有位置传感器，位置传感器为光栅传感器或霍尔感应传感器，用于检测动子运动位置及速度，且反馈信号至控制电路板，根据控制程序设定的动子运动规则，实时调整定子线圈的电流、换相频率、换相顺序。
3.根据权利要求1所述的一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，其特征在于：所述磁控变频驱动组件是由三相电驱动，根据换相顺序和换向频率，气隙磁场实现变速的直线往复运动。
4.根据权利要求1所述的一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，其特征在于：所述动子(3)上的永磁体(303)采用稀土永磁材料，包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴，也可以采用铁氧体永磁材料，定子(7)的线圈(701)采用紫铜材料。
5.根据权利要求1所述的一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，其特征在于：所述放大器(8)为圆锥形高密度金属基体。
6.根据权利要求1所述的一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，其特征在于：所述线圈(701)的内部设有铁芯。
7.根据权利要求1所述的一种磁控变频驱动的粉末压制成形装置，其特征在于：所述下固定板(4)和定子(7)的俯视结构相同且均呈U形。
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