CN110227728A - 一种超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置 - Google Patents

一种超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声振动场辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置，包括压电陶瓷式超声换能器、安装架、拉拔模具和辅助旋盖，所述拉拔模具包括呈圆柱体的模套、内嵌于所述模套中心的芯模以及固定所述芯模的环形压盖，所述芯模沿毛细管拉拔方向分为润滑区、减径区、定径区和减压区，所述润滑区的锥角β为50°，所述减径区的模角α为12°，所述定径区的内径d小于0.9mm、长度1mm，所述减压区的锥角γ为45°。本发明能够为直径0.9mm或以下的高温合金薄壁毛细管带来更好的成形效果，可以显著提高薄壁毛细管零件表面质量并控制零件的微观组织性能。

Description

一种超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置
技术领域
本发明属于毛细管材制备领域，是一种针对高温合金等难变形毛细管的超声振动辅助形性调控装置。
背景技术
近年来，随着航空航天等领域中对微型零件数量和质量需求的日益提高，高温合金薄壁毛细管的使用愈发广泛。但高强度材料薄壁毛细管在常规成形工艺过程中变形抗力大、尺寸精度难以保证、、表面质量差、模具磨损严重。因此，亟需对难变形高温合金薄壁毛细管的形性调控装置进行研发。
超声振动作为一种塑性成形过程中的辅助技术，能够有效降低材料所需成形力、改善材料微观组织并提高构件表面质量，目前已广泛应用于塑性成形领域。
目前，现有的超声振动辅助拉拔装置大多针对微尺寸丝材或大尺寸(直径大于等于3mm)管材成形过程，且所成形材料强度相对较低、塑性较好，少有针对塑性相对较差的高强度难变形材质且直径小于0.9mm的薄壁毛细管成形过程的超声振动辅助装置。
发明内容
为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置，其能够为直径0.9mm或以下的高温合金薄壁毛细管带来更好的成形效果，可以显著提高薄壁毛细管零件表面质量并控制构件的微观组织性能。
根据本发明的一方面，提供了一种超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置，包括压电陶瓷式超声换能器、安装架、拉拔模具和辅助旋盖，
所述压电陶瓷式超声换能器的顶面设置有用于与所述拉拔模具间隙配合的圆形凹槽，并且其顶部的外周设置有外螺纹段以及中部设置有安装法兰，所述压电陶瓷式超声换能器的最大振幅集中在顶端；
所述安装架包括安装座、底座以及连接两者的支撑柱，所述安装座的中心设置有安装孔，所述压电陶瓷式超声换能器通过其安装法兰和所述安装孔固定安装于所述安装架上，所述底座设置有用于使拉拔前毛细管通过的通孔；
所述拉拔模具包括呈圆柱体的模套、内嵌于所述模套中心的芯模以及固定所述芯模的环形压盖，所述芯模沿毛细管拉拔方向包括润滑区、减径区、定径区和减压区，所述润滑区的锥角β为50°，所述减径区的模角α为12°，所述定径区的内径d小于0.9mm、长度1mm，所述减压区的锥角γ为45°，所述模套的外圆柱面的中间设置有环形浅槽，所述芯模的各区之间以圆角过渡连接；
所述辅助旋盖内设有与所述压电陶瓷式超声换能器的外螺纹段配合的内螺纹段，顶部设置有用于拉拔后毛细管通过的通孔，
所述压电陶瓷式超声换能器在拉拔成形过程中为所述拉拔模具提供平行于毛细管拉拔方向的超声振动。
特别地，所述压电陶瓷式超声换能器将220V交流电转换成20kHz超声频率振荡电信号，其功率为100W，随后将接收到的超声频率振荡电信号转换为纵向超声频机械振动，超声振幅在5-11μm范围内可调。
特别地，所述芯模由人造聚晶金刚石制成，所述模套由不锈钢制成。
特别地，所述模套的外径D为20mm，高度H为6mm。
特别地，所述安装法兰与所述安装架的安装座之间设置有隔波材料。
特别地，所述压电陶瓷式换能器包括锆钛酸铅PZT-8压电陶瓷元件。
特别地，所述定径区的内径为0.88mm。
本发明的有益效果：
1)本发明的拉拔模具中各部分尺寸经综合考虑后选取了较为合理的参数，能够成形0.9mm或以下的高温合金薄壁毛细管，且成形后零件尺寸精度高。
2)本发明方便更换和装载不同尺寸的拉拔模具，通用性强。
3)本发明的模具芯模所采用的人造聚晶金刚石具备极佳的物理性能和耐磨性，能够保证在高温合金等高强度、难变形材料管材的成形过程中不发生变形或产生损伤，减少了毛细管表面缺陷的生成。
4)利用本发明的装置成形后的高温合金薄壁毛细管表面粗糙度降低，塑性提高，微观组织得到改善。
5)本发明的超声振动辅助功能可随时开启或关闭，且振幅可随时调整，以便获得最佳超声振动辅助微成形工艺参数。
附图说明
图1为本发明的超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置的结构示意图。
图2为本发明的拉拔模具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明是针对高温合金薄壁毛细管成形制造的超声振动辅助形性调控装置，在拉拔成形过程中为拉拔模具提供平行于拉拔方向的超声振动。如图1所示，本发明的超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置包括安装架1、压电陶瓷式超声换能器2、辅助旋盖3、拉拔模具4以及紧固螺栓5，拉拔过程中将工装架1整体固定在拉伸试验机底座上，由拉伸试验机或拉拔设备夹持毛细管进行拉拔成形，成形过程中可通过开关超声换能器2的电源或调整电源输出功率实时控制所附加的超声振动幅值。
压电陶瓷式超声换能器1的顶面设置有用于与拉拔模具4间隙配合的圆形凹槽，并且其顶部的外周设置有外螺纹段以及中部设置有安装法兰。超声换能器2通过专用超声电源将日常使用的220/380V交流电转换成20kHz超声频率振荡电信号，其功率为100W，随后通过锆钛酸铅PZT-8压电陶瓷元件将接收到的超声频率振荡电信号转换为纵向超声频机械振动，并通过特定结构的变幅杆将振动幅度放大，以达成不同的超声辅助拉拔条件。超声振幅经机械测振装置标定，超声振幅可在5-11μm范围内实时调整。特别地，超声换能器2经调整变幅杆尺寸及形状后最大振幅集中在顶端，即拉拔模具4所处位置。
安装架1包括安装座、底座以及连接两者的支撑柱，安装座的中心设置有安装孔，压电陶瓷式超生换能器通过多个均布螺栓5和其安装法兰将其节面固定安装于安装架的安装孔中。特别地，安装法兰与安装架的安装座之间设置有较薄的隔波材料，以避免换能器2的顶端的拉拔模具4装夹处振动幅值和模态发生变化。安装架1的底座设置有用于使拉拔前毛细管通过的通孔，当毛细管较长时可从圆孔中向下穿出，为管材提供更大的拉拔空间。
装置顶部的辅助旋盖3内设有与压电陶瓷式超声换能器2的外螺纹段配合的内螺纹段，以通过螺纹旋紧在超声换能器2顶部，在超声辅助成形过程中用大力矩扳手将其旋紧，用以完全固定住拉拔模具4并形成刚性连接状态，避免超声振动能量在螺纹连接处消耗。辅助旋盖3的顶部还设置有用于拉拔后毛细管通过的通孔，以便拉拔后毛细管从中传出，并在实验中通过通孔向拉拔模具4处输入润滑介质。
拉拔模具4包括呈圆柱体的模套4-1、内嵌于模套4-1中心的芯模4-2和固定芯模的环形压盖4-3，实验前以间隙配合状态放入换能器2顶端的圆形凹槽内，随后通过压紧辅助旋盖3来固定。拉拔模具4的模套4-1与芯模4-2采用不同材料制作。特别地，芯模4-2与难变形材料的高温合金薄壁毛细管接触，所以采用强度、硬度及韧性高且成本和可加工性均优于天然金刚石的人造聚晶金刚石制成，模套4-1采用不锈钢材料，易于保证加工精度，且不易产生变形。特别地，环形压盖4-3与模套4-1为紧配合状态，用以固定芯模4-2。
如图2所示，芯模4-2沿毛细管拉拔方向包括润滑区h1、减径区h2、定径区h3和减压区h4四部分，毛细管拉拔开始前先将其从润滑区h1穿入拉拔模具4，随后将从减压区h2穿出的部分用拉伸试验机或拉拔装置夹紧，以在后续过程中进行持续的超声振动辅助拉拔。润滑区h1是薄壁毛细管拉拔时开始进入模具4的区域，其内填充的润滑剂附着于管壁上随拉拔进入模孔，优选地其锥角β为50°，该值可使润滑介质的流动和存储达到较为理想的状态，同时避免了锥角过小而夹杂碎屑、进而损伤零件表面的现象。减径区h2是薄壁毛细管拉拔过程中开始发生塑性变形的区域，优选地其模角α为12°，该值可使芯模4-2与管材外表面的保持合理的接触面积，以控制摩擦力，同时避免管材变形过于剧烈所导致的成形后管材尺寸不稳定。定径区h3是保证拉拔毛细管的外形尺寸的精确性和稳定性的区域，其内径d小于0.9mm，优选地0.88mm、长度1mm，该值能够使毛细管外径的许用误差、弹性变形等控制在合理范围内，同时最大限度地保证芯模的使用寿命、毛细管外径尺寸的稳定性以及毛细管的表面质量。薄壁毛细管拉拔定形后经减压区h4离开拉拔模具4，其中减压区h4的角度γ为45°，该值可为定径区h3提供支撑力，并避免毛细管出芯模时表面被出口边缘划伤，防止定径区h3出口端的材料发生剥落。
在一些实施例中，模套4-1的外径D为20mm，高度H为6mm。特别地，模套4-1的外圆柱面中间处加工有环形浅槽，便于模具取出和更换。
特别地，芯模4-2中各区域内设计有圆角过渡，可减少薄壁毛细管插入和拔出拉拔模具时因倒角加工质量或磨损等问题给零件表面带来的损伤。
特别地，拉拔模具4可随时更换，通过改变芯模中定径区h3的内径尺寸即可成形不同管径的毛细管，通用性强。
成形过程开始前从辅助旋盖3上方的通孔处向模具4内滴加润滑介质，以改善摩擦状态，同时开启超声振动电源，使装置保持一定幅值的超声振动。
成形过程中首先将薄壁毛细管进行扎尖后从润滑区h1穿入拉拔模具4，并从减压区h4穿出，随后将穿出部分的毛细管从辅助旋盖3上方的通孔拉出，并用拉伸试验机或拉拔装置夹紧，以进行拉拔运动。
本发明的装置能够成形0.9mm或以下的高温合金薄壁毛细管，且成形后零件尺寸精度高、表面质量提高、晶粒细化。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种超声振动辅助高温合金薄壁毛细管形性调控装置，其特征在于，包括压电陶瓷式超声换能器、安装架、拉拔模具和辅助旋盖，
所述压电陶瓷式超声换能器的顶面设置有用于与所述拉拔模具间隙配合的圆形凹槽，并且其顶部的外周设置有外螺纹段以及中部设置有安装法兰，所述压电陶瓷式超声换能器的最大振幅集中在顶端；
所述安装架包括安装座、底座以及连接两者的支撑柱，所述安装座的中心设置有安装孔，所述压电陶瓷式超声换能器通过其安装法兰和所述安装孔固定安装于所述安装架上，所述底座设置有用于使拉拔前毛细管通过的通孔；
所述拉拔模具包括呈圆柱体的模套、内嵌于所述模套中心的芯模以及固定所述芯模的环形压盖，所述芯模沿毛细管拉拔方向包括润滑区、减径区、定径区和减压区，所述润滑区的锥角β为50°，所述减径区的模角α为12°，所述定径区的内径d小于0.9mm、长度1mm，所述减压区的锥角γ为45°，所述模套的外圆柱面的中间设置有环形浅槽，所述芯模的各区之间以圆角过渡连接；
所述辅助旋盖内设有与所述压电陶瓷式超声换能器的外螺纹段配合的内螺纹段，顶部设置有用于拉拔后毛细管通过的通孔，
所述压电陶瓷式超声换能器在拉拔成形过程中为所述拉拔模具提供平行于毛细管拉拔方向的超声振动场。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷式超声换能器将220V交流电转换成20kHz超声频率振荡电信号，其功率为100 W，随后将接收到的超声频率振荡电信号转换为纵向超声频机械振动，超声振幅可在5-11μm范围内实时调整。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述芯模由人造聚晶金刚石制成，所述模套由不锈钢制成。
4.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述模套的外径D为20mm，高度H为6mm。
5.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述安装法兰与所述安装架的安装座之间设置有隔波材料。
6.根据权利要求1-5之一所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷式换能器包括锆钛酸铅PZT-8压电陶瓷元件。
7.根据权利要求1-6之一所述的装置，其特征在于，所述定径区的内径为0.88mm。
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