CN110341231B - 一种轴向超声辅助压制装置及压制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料成型领域，特别是一种轴向超声辅助压制装置及压制方法。压制装置包括模具：上压头、下压头和阴模；超声波振动台：设置在下压头的正下方，超声波振动台的轴线和模具的轴线重合，超声波振动台包括支撑板、支撑柱、变幅杆和超声波换能器；变幅杆下端和超声波换能器连接，上端和下压头连接，变幅杆的中部设有一圆环状凸沿，凸沿卡设在支撑板的槽中，支撑柱设置在支撑板的下方，支撑柱和支撑板均为中空件，超声波换能器和变幅杆的下部设置在支撑柱和支撑板的空腔内。本申请轴向超声的振动方向与油压模具的压制方向在同一线上，且通过采用使用变幅杆的外周进行承压，更好地实现了轴向超声的振动辅助压制。

Description

一种轴向超声辅助压制装置及压制方法

技术领域

本发明属于材料成型领域，特别是一种轴向超声辅助压制装置及压制方法。

背景技术

单向压制成型技术是一种最简单、最直观的成型方法。将制备好的料粉倒入一定形状的模具内，借助于外加压力在模塞上，便可将粉料压制成坯体。由于其成本小，维修方便，设备、工艺和模具简单，单向压制成型技术在传统的刀片生产中得到了广泛应用。由于单向压制成型过程中模具的摩擦对粉体变形和致密化的限制，成型件中的应力场几乎总是不均匀的。复杂刀具由于其复杂的结构与刃型，进一步加剧了素坯密度分布的不均匀性。这种密度分布的不均匀性会使刀片烧结过程中收缩率不一致，更可能导致刀片畸变和开裂，削弱刀片的性能。

超声辅助压制技术是一种在材料的压制过程中在模具外周施加单向或多向的复杂超声外场，使得模具内的压坯受到单向或多向的高频振动，同时传递到粉体的超声能量可以促进粉体的运动重排，利于粉体的压制成形。

研究证明：在粉体压制过程中施加一定的超声振动，不但可以有效提高压坯的密度和硬度，而且可降低粉体颗粒间以及粉体颗粒与模壁之问的摩擦，提高粉体压坯的均匀性。但是对于周向的超声辅助加工，阴模会造成超声振动的衰减，使得超声波振动的效率较差。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种轴向超声辅助压制装置及压制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种轴向超声辅助压制装置，包括：

模具：包括上压头、下压头和阴模，所述上压头、下压头和阴模形成型腔；

超声波振动台：设置在下压头的正下方，超声波振动台的轴线和模具的轴线重合，所述超声波振动台包括支撑板、支撑柱、变幅杆和超声波换能器；

所述变幅杆下端和超声波换能器连接，上端和下压头连接，变幅杆的中部设有一圆环状凸沿，所述凸沿卡设在支撑板的槽中，用于承受压制过程中的压力，支撑柱设置在支撑板的下方，所述支撑柱和支撑板均为中空件，超声波换能器和变幅杆的下部设置在支撑柱和支撑板的空腔内。

进一步的，还包括上盖板，所述上盖板设置在支撑板上侧，通过上盖板联接螺栓将上盖板、支撑板和支撑柱相连接；所述支撑柱侧壁设有多个散热孔。

进一步的，还包括底板，支撑柱置于底板上，且通过底板联接螺栓与底板相连接。

进一步的，所述装置用于面铣刀刀片素坯的压制，所述模具还包括芯柱，上压头置于阴模中心孔的上方，下压头置于孔的下方，刀片素坯位于上压头和下压头中间，芯柱置于上压头和下压头中心的孔中，用于塑造刀片沉头孔的形状。

进一步的，还包括超声波发生器，超声波换能器的输入端与超声波发生器的输出端相连。

进一步的，超声波换能器的频率为20kHz，功率为1000W，由超声波发生器控制；所述超声波换能器与变幅杆为一体结构。

进一步的，所述变幅杆的顶部设有圆槽，所述圆槽与下压头间隙配合，用于限制油压模具振动过程中的横向位移。

一种基于上述的装置进行压制成型的方法，包括以下步骤：

步骤1：安装支撑柱；

步骤2：安装超声波换能器；

步骤3：安置模具与填粉；

步骤4：超声波辅助压制；

步骤5：素坯脱模。

进一步的，所述步骤3填粉结束后，开启0.3-0.5s的超声波换能器，用于均匀粉料；步骤4中超声波辅助压制的压制力为200-300MPa。

进一步的，还包括步骤6：通过ANSYS谐响应分析对超声振动过程中刀具素坯的受力进行分析；受力分析具体为：对上压头的上表面，下压头下表面施加位移约束，对变幅杆的外周施加位移约束，以超声波换能器为激励源对模具施加周期性的载荷，分析刀具素坯的受力。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

1）本申请轴向超声的振动方向与油压模具的压制方向在同一线上，与周向超声振动相比振动的效率更高；且本申请通过采用使用变幅杆的外周进行承压，因为超声波换能器不能承受压制的压力，故使用变幅杆进行承压，变幅杆的硬度为60-63HRC，使其能承受更大的压力，更好地实现了轴向超声的振动辅助压制；

2）超声振动台与油压模具的可分离，变幅杆和下压头属间隙配合，对于不同形状的刀片压制，只需更换油压模具，对于振动台的重复利用率高；

3）超声振动可以促进刀具素坯分摊的运动重排，减小压制成型力，降低刀具素坯与压头及模壁之间的摩擦，利于素坯的压制成型，提高素坯的密度；提高素坯密度的均匀性，从而刀具的性能和强度；

4）在支撑柱上加了散热孔，在外加散热风扇，使用风冷对超声波换能器进行降温，确保换能器正常工作；

5）支撑板和盖板可拆卸，利于对变幅杆和换能器进行更换维修；

6）通过计算机仿真超声波振动对模具的影响，优化了模具的结构，使得模具中心超声波场最强，提高了超声波振动的效率。

附图说明

图1本发明的压制装置主视装配图。

图2本发明压制装置左视图。

图3本发明压制装置俯视图。

图4本发明压制装置三维结构图。

图5本发明上压头三维结构图。

图6本发明面铣刀刀片素坯三维结构图。

附图标记说明：

1-上压头，2-芯柱，3-刀片素坯，4-阴模，5-下压头，6-上盖板，7-支撑板，8-上盖板联接螺栓，9-支撑柱，10-底板，11-变幅杆，12-超声波换能器，13-底板联接螺栓，14-超声波发生器，15-散热孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1-6所示，本发明的轴向超声辅助压制装置，包括油压模具，超声波振动台；所述油压模具包括上压头1、芯柱2、刀片素坯3、阴模4、下压头5；所述超声波振动台包括上盖板6、支撑板7、上盖板联接螺栓8、支撑柱9、底板10、变幅杆11、超声波换能器12、底板联接螺栓13、超声波发生器14。

油压模具部分，上压头1置于阴模4中心孔的上方，下压头5置于孔的下方，刀片素坯3位于二者中间。芯柱2置于上下压头中心的孔中，用于塑造刀片沉头孔的形状。超声波振动台部分，油压模具的下压头5置于变幅杆11的顶部。变幅杆11的外圆置于支撑板7的槽中，用于承受压制过程中的压制力。变幅杆11的顶部有圆槽，与下压头5为间隙配合，用于限制油压模具振动过程中的横向位移。上盖板6置于支撑板7的上方，通过六个上盖板联接螺栓8将上盖板6、支撑板7和支撑柱9相联接。支撑柱9置于底板上，通过六个底板联接螺栓13与底板10相紧固。超声波换能器12与变幅杆11为一体结构，超声波换能器12的输入端与超声波发生器14的输出端相连。超声波换能器12的频率为20kHz，功率为1000W，由超声波发生器14控制。

图4为本发明的三维结构图，如因为超声波换能器对工作环境温度要求较高，在50度以上就会受到较大影响，故在支撑柱上加了散热孔15，通过在外面使用风扇对内部超声波换能器进行散热，保证其正常工作。

图5为面铣刀刀片素坯的三维图，可以看到刀片边缘有切屑槽与切屑刃，中间部分有沉头孔，结构较复杂。其中，刀片沉头孔的形状由芯柱塑造。对于刀片素坯的刃型部分，由图6可见为本发明的上压头，其压头部分有槽型，用于压出面铣刀刀片素坯的刃型。

对于所述轴向超声辅助压制成型过程，下面结合图1到3作简要说明：

步骤1：安装支撑柱，将支撑柱9通过六个底板联接螺栓13与底板10的螺栓孔相紧固，扭力扳手调节底板联接螺栓13的预紧力对结合面施加载荷。

步骤2：安装超声波换能器，将支撑板6置于支撑柱的上方，再将超声波换能器变幅杆11的外周置于支撑板的圆槽中，最后盖上上盖板6，通过六个上盖板联接螺栓8将支撑柱9、支撑板7、超声波换能器12、上盖板6相紧固。将超声波换能器12的输入端与超声波发生器14的输出端相连，通过超声波发生器14控制超声波换能器12的振动功率。

步骤3：安置模具与填粉，将下压头5置于变幅杆11顶部的圆槽中，芯柱3置于下压头5中心的孔中，再将阴模4置于下压头上。向阴模4中心的孔倒入制备好的素坯的粉料，完成后将上压头1压入模具孔，上压头1中心的芯孔与芯柱3相接触。

步骤4：超声波辅助压制，在超声波发生器14中进行参数设置，确定超声波换能器12的输出功率，由超声波换能器12在模具下方施加轴向超声振动。在上压头1上施加一定的压力（200-300MPa）进行粉末压制，并保压一段时间，然后关闭超声波发生器14。

步骤5：素坯脱模，反转油压模具，将上压头1置于变幅杆11的圆槽中。用一个圆环置于阴模4顶部与油压机的压头相接触。由油压机施加较小的压制力（优选10-20MPa），推动圆环使阴模4向下移动，此时刀片素坯4从模具上方脱模。

采用超声波发生器对换能器施加正弦激励电压，使换能器输出简谐运动，同时模具实现简谐受迫运动，其内部会有周期性变化的应力波，使得刀具素坯也受到简谐应力。钢板的弹性力记为-Ky，简谐外力为F _A cosωt，换能器和刚板之间的阻尼力为-Cdy/dt，根据牛顿第二定律，有

（2）

式中，y为钢板的振幅（m），K为弹簧的劲度系数（N/m），C为粘性阻尼系数（N/(m/s)），ω为驱动力的角频率（rad/s），m为钢板的质量（kg），F _A 为简谐力振幅（m）。将式(1)中各系数化成标准形式，令F _A /m= F ，K/m=ω ₀ ² ，C/m=2δ，则上式化为：

（3）

式中ω ₀ 为振动系统的固有阻力频率（rad/s），δ为阻尼标准化系数(1/s)。式(2)的解为：

（4）

式中y _A0 为阻力振动的振幅（m），y _A 为简谐振动的振幅(m)。式(3)表明模具的振动由阻尼振动和简谐振动组成。阻尼振动是减幅的振动，经过很短的时间后，阻尼振动衰减至忽略不计，即公式(3)的第一项为零振动达到稳定状态，模具的振动变成了简谐运动，振动方程为：

（5）

振动波在模具上传播时当遇到钢板的边界后会发生反射，反射波与向外传播的机械波合并形成新的机械波。由于振动频率和传播速度不变，因此在同一直线上的沿反方向传播的波进行叠加形成驻波。

下面结合有限元仿真实施例对本发明模具设计做进一步详细的说明：

本发明采用ANSYS谐响应分析的方法，对模具受超声振动时应力的分布进行了分析。谐响应分析是一种用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应，分析过程中只计算结构的稳态受迫振动，不考虑激振开始时的瞬态振动，谐响应分析的目的在于计算出结构在几种频率下的响应值对频率的曲线，从而使设计人员能预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果。通过谐响应分析的方法，可以预知模具和刀具素坯的受力情况，从而优化压制装置，使得超声振动效率最大化。

首先利用绘图软件PROE进行各个部分的绘制，再将各个部分利用位置关系组成一个整体，将PROE中的模型导入ANSYS当中。建立模型的过程主要是定义所有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件。本设计的超声振动系统所用的材料有：PZT-4型压电陶瓷片、Cr12Mol模具钢，45号钢。各个材料的材料特性见表1：

表1系统各部分材料参数

边界条件为激励振幅以及固定端面。在超声换能振动系统工作时，超声换能器被固定在换能器固定架上因此对换能器外周施加约束，使其只能径向运动。对于模具部分，由于振动时压头部分处于受压状态，因此固定上压头、下压头以及芯柱的端面。为了更好地分析超声振动的作用，忽略了压制力与摩擦力的影响。超声波换能器的激励输出部分为压电陶瓷部分，在本设计中，后盖板对振动结果没有影响，因此将其省去，同时也简化省去了连接处的螺纹联接部分。

本装置采用的超声波换能器属于夹心式超声波换能器，前盖板与后盖板为45号钢，压电陶瓷材料为PZT-4。驱动部件包括压电陶瓷片以及电极片。作为弹性及导电性能良好的金属材料，铜通常被用来制作电极片。压电陶瓷由作为电极的铜片隔开，并且相邻两片的压电陶瓷极化方向相反，电端并联连接，这样使得相同的纵向振动可以进行叠加。这种压电换能器具有性能稳定、输出振幅大、阻抗易于匹配以及机械强度的特点，适合超声辅助压制系统。

对于本实验中超声波换能器的激励振幅，需要确定压电陶瓷的伸缩形变量。伸缩形变量的确定：当压电陶瓷仅仅在极化方向施加外电压和外力时，并假设该方向的应变沿厚度是均匀分布的，则压电陶瓷产生的形变量可以表示为公式：

（1）

式中K为压电陶瓷轴向等效刚度，K=S ₃₃ l ₀ /A，A为压电陶瓷横截面积，φ是压电陶瓷上下表面电势差，φ压E ₃ l ₀ ，E₃为轴向电场强度。在较低频率下，预应力对共振频率的影响不大，因此本有限元仿真中不考虑预应力的作用在预应力为零时，公式（1）变为△l=l ₀ d ₃₃ E ₃ 。PZT-4压电陶瓷的压电系数约为289×10^-12 m/V，在施加1000V的工作电压后，单片压电陶瓷产生的形变量只有0.289μm。而在工程设计中，通常为了满足实际需要，在不影响超声换能器性能的前提下，做了如下两个假设：1)在换能器的任一截面上，应变是均匀的；2)由各晶片激励所产生的振动波传递到变幅杆输出端是同相叠加的。对于在工程实用中长度大于直径，以及晶堆总厚度小于四分之一波长的纵向半波谐振器，这些假设是可以近似满足的。因此在多片压电陶瓷进行叠加后，取形变量约为10μm。

将激励振幅施加在超声换能器的压电陶瓷上，取径向位移量为10μm，频率为20kHz，对应得刀具最大弥撒应力为12MPa，且刀具应力分布较均匀，在刀尖部分应力与刀身相近。

通过上面的具体实施例子，采用本发面中的方法实现了超声辅助面铣刀刀片压制模具的仿真。仿真证实超声振动对刀具素坯产生了周期性变化的超声应力，有利于减小刀具素坯与模具的摩擦力，从而改善刀片的密度和密度均匀性，对改善可转位立铣刀刀片的性能有良好的应用前景。

Claims (6)

1.一种轴向超声辅助压制装置的使用方法，其特征在于，所述压制装置包括：模具：包括上压头(1)、下压头(5)和阴模(4)，所述上压头(1)、下压头(5)和阴模(4)形成型腔；

超声波振动台：设置在下压头的正下方，超声波振动台的轴线和模具的轴线重合，所述超声波振动台包括上盖板(6)、支撑板(7)、支撑柱(9)、底板（10）、变幅杆(11)、超声波换能器(12)和超声波发生器(14)；

所述变幅杆(11)下端和超声波换能器(12)连接，上端和下压头(5)连接，变幅杆(11)的中部设有一圆环状凸沿，所述凸沿卡设在支撑板(7)的槽中，用于承受压制过程中的压力，支撑柱(9)设置在支撑板(7)的下方，所述支撑柱(9)和支撑板(7)均为中空件，超声波换能器(12)和变幅杆(11)的下部设置在支撑柱(9)和支撑板(7)的空腔内；

所述装置用于面铣刀刀片素坯（3）的压制，所述刀片素坯（3）边缘设有切屑槽与切屑刃，所述模具还包括芯柱(2)，上压头(1)置于阴模(4)中心孔的上方，下压头(5)置于孔的下方，刀片素坯(3)位于上压头(1)和下压头(5)中间，芯柱(2)置于上压头(1)和下压头(5)中心的孔中，用于塑造刀片沉头孔的形状；

所述使用方法包括以下步骤：

步骤1：安装支撑柱，将支撑柱（9）通过六个底板联接螺栓（13）与底板（10）的螺栓孔相紧固，扭力扳手调节底板联接螺栓（13）的预紧力对结合面施加载荷；

步骤2：安装超声波换能器，将支撑板（7）置于支撑柱的上方，再将超声波换能器变幅杆（11）的外周置于支撑板的圆槽中，最后盖上上盖板（6），通过六个上盖板联接螺栓（8）将支撑柱（9）、支撑板（7）、超声波换能器（12）、上盖板（6）相紧固，将超声波换能器（12）的输入端与超声波发生器（14）的输出端相连，通过超声波发生器（14）控制超声波换能器（12）的振动功率；

步骤3：安置模具与填粉，将下压头（5）置于变幅杆（11）顶部的圆槽中，芯柱（2）置于下压头（5）中心的孔中，再将阴模（4）置于下压头上，向阴模（4）中心的孔倒入制备好的素坯的粉料，完成后将上压头（1）压入模具孔，上压头（1）中心的芯孔与芯柱（2）相接触；

步骤4：超声波辅助压制，在超声波发生器（14）中进行参数设置，确定超声波换能器（12）的输出功率，由超声波换能器（12）在模具下方施加轴向超声振动，在上压头（1）上施加一定的压力进行粉末压制，并保压一段时间，然后关闭超声波发生器（14）；

步骤5：素坯脱模，反转油压模具，将上压头（1）置于变幅杆（11）的圆槽中，用一个圆环置于阴模（4）顶部与油压机的压头相接触，由油压机施加较小的压制力，推动圆环使阴模（4）向下移动，此时刀片素坯（3）从模具上方脱模。

2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述支撑柱(9)侧壁设有多个散热孔(15)。

3.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于，超声波换能器(12)的频率为20kHz，功率为1000W，由超声波发生器(14)控制；所述超声波换能器(12)与变幅杆(11)为一体结构。

4.根据权利要求3所述的使用方法，其特征在于，所述下压头(5)与变幅杆(11)顶部的圆槽间隙配合，用于限制油压模具振动过程中的横向位移。

5.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，所述步骤3填粉结束后，开启0.3-0.5s的超声波换能器(12)，用于均匀粉料；步骤4中超声波辅助压制的压制力为200-300MPa。

6.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，还包括步骤6：通过ANSYS谐响应分析对超声振动过程中刀具素坯的受力进行分析；受力分析具体为：对上压头(1)的上表面，下压头(5)下表面施加位移约束，对变幅杆(11)的外周施加位移约束，以超声波换能器(12)为激励源对模具施加周期性的载荷，分析刀具素坯的受力。

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