CN110480006B - 基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置及压制方法 - Google Patents

Abstract

基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置及压制方法。传统的粉末压制以液压为主，压制时间较长，粉末体易产生加工硬化，致密度不高。本发明利用两个水平对称放置的平板线圈同时放电，通过放大器前端与冲压模两侧的楔形块结构，将驱动片的水平运动转化为冲头的竖直相向运动，实现粉末的双向压制。冲压模通过复位弹簧、轴肩螺钉与丝杆螺母进行连接，通过手柄转动调节齿轮，继而转动竖直丝杆，实现冲压模的往复运动，且冲压模的运动方向由导轨进行限位。本发明可以针对不同的金属粉末体进行压制，压坯的直径可通过改变模具的中心通孔来实现，具有压制力大，压坯致密度均匀，可实现精准调控等优点。

Description

基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置及压制方法

技术领域：

本发明属于粉末压制技术领域，具体涉及一种基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置及压制方法。

背景技术：

在现代冶金工业中，粉末冶金技术能够实现高密度、高精度、高强度粉末冶金制品的研发，而粉末压制是粉末冶金中的一个重要环节。它是一种通过外力作用，将粉末密实成具有一定形状、尺寸、孔隙度和强度的零件或待烧结坯件的工艺。粉末压制流程主要包括：装粉、压制、脱模。其技术水平的高低决定着坯件的精度和致密性，进而对零件的最终性能产生影响。常见的成型方式有粉浆浇注、模压成型、热压成型、等静压成型等，它们均可制备一定尺寸的零件，但是这几种成型方式效率低、成本高、设备操作复杂且制备的坯件致密度存在梯度。

传统的粉末压制以液压为主，压制时间较长，粉末体易产生加工硬化，致密度不高。而磁脉冲粉末压制以电磁力作为驱动力，压制时间短（毫秒级），压制速度高（米/秒），粉末体的加工硬化作用小，可以实现高速致密压实。相比于传统的粉末压制，电磁压制由电路控制，可实现放电能量的精确调节，安全稳定，效率高，可实现自动化控制。

在专利名称“一种径向和轴向电磁力实现粉末压制的方法和装置”、公开号为CN108057883A的专利文件中，提出了螺线管线圈和平板线圈共同作用，对粉末体进行径向和轴向压制的方法。在专利“一种金属粉末的高速冲击压制方法”， 公开号为CN101823146B的专利文件中，提出了利用塔形线圈进行电磁驱动，进而压制粉末的方法。但在上述专利中，粉末体压制完成后，压坯的致密度会在轴向上产生梯度。但这两个专利都是单向压制，压制粉末密度不高。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置及压制方法，采用双向压制及竖直丝杆的初步压实，粉末体的致密度更加均匀，且两个平板线圈同时放电，能量大，压制力大，使粉末体的致密度更高。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，包括底板，所述的底板下表面连接方管，所述的底板上表面与下垫板、2个立板连接；

所述的立板内侧面分别与钢套筒一端连接，所述的钢套筒另一端与限位板连接，所述的立板上部安装有上垫板，所述的立板上安装有水平丝杠，所述的钢套筒内壁嵌入绝缘套筒，所述的绝缘套筒内依次安装有推进板、绝缘板、线圈座、平板线圈、驱动片、放大器；所述的推进板与所述的水平丝杠正对接触，所述的绝缘板与所述的线圈座连接，所述的驱动片与放大器连接，所述的放大器上具有楔形凹槽；2个所述的平板线圈与电源系统连接；

2个上下对应的冲压模分别与上垫板、下垫板连接，所述的冲压模两侧具有楔形块，所述的冲压模分别由导轨限定；所述的冲压模上安装有复位机构；所述的冲压模端面螺纹连接有冲头； 安装在所述的下垫板上的冲压模上部通过模具夹具固定有模具。

所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，所述的电源系统由整流器、电阻、双控开关、变压器、电容组成，所述的变压器的次级线圈与整流器、电阻、电容串联；充电时，双控开关处于打开状态，此时电容充电，放电时，双控开关处于闭合状态，电容放电，进而平板线圈通电，产生电磁力。

所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，所述的复位机构由轴肩螺钉、复位弹簧、丝杆螺母构成；转动手柄，调节齿轮带动竖直丝杆转动，进而使丝杆螺母带动冲压模上下移动；当放电时，丝杆螺母位置不动，放大器通过楔形块机构带动冲头对粉末体压制，此时复位弹簧被压缩，放电结束后，在复位弹簧的张力作用下，冲压模带动冲头与圆柱垫块分离，实现复位。

所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，所述的放大器上端面开有2个楔形凹槽，用以容纳所述的冲压模两侧的楔形块，将驱动片的水平运动转化为冲压模的竖直相向运动；放大器的运动由限位板进行限位。

所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，所述的冲压模上端面开有螺纹孔，用于固定螺钉；所述的冲压模下端面开有螺纹孔，用于固定冲头；所述的冲压模的运动方向由连接在上垫板、下垫板的导轨进行限定。

一种利用权利要求1-5之一所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置的压制方法，包括如下步骤：

步骤1，将粉末体放入模具中，粉末体上下放置圆柱垫块以传递载荷；

步骤2，转动手柄一，使两个丝杆螺母相向转动，进而带动冲压模相向运动，使上下两个冲头与圆柱垫块进行接触，对粉末体进行初步压实；

步骤3，转动手柄二，使水平丝杠转动，继而使推进板向前移动，进而绝缘板、线圈座、平板线圈、驱动片、放大器均向前移动且各零件保持紧密贴合，使放大器内凹的楔形槽斜面与冲压模两侧楔形块斜面接触；

步骤4，交变电压经过变压器后，对电容进行充电，根据压制粉末体的性能以及实验需要，可以改变电压的大小；

步骤5，闭合双控开关，电容放电，由于电流变化，平板线圈中产生感应磁场，感应磁场在驱动片中激发出另一个感应磁场，两个磁场之间的强大排斥力推动驱动片、放大器水平向前移动，进而楔形块机构使得两个冲压模相向运动，将力作用到冲头上，实现磁脉冲粉末双向压制；

步骤6，放电结束后，在复位弹簧的作用下，冲头与圆柱垫块分离；

步骤7，转动手柄，使两个丝杆螺母反向转动，进而带动冲压模反向运动，冲头与模具之间的距离变大，取出模具；

步骤8，对压制结束后的粉末体进行脱模，取出压坯，磁脉冲双向压制流程结束，整理实验仪器。

有益效果：

本发明是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使粉末体在冲击电磁力作用下，高速成型的一种成型方法。电磁力由水平放置的两个平板线圈提供，粉末体位于两个平板线圈中间位置，粉末体上下为导轨限定运动方向的冲压模，当线圈通电时，冲压模两侧的楔形块将驱动片的水平运动转化为冲头的竖直相向运动，继而实现对粉末体的双向压制。相比于爆炸成型、电液成型，电磁成型更加安全、更加方便，能够广泛应用于机械、电子、汽车工业领域等。

本发明使用两个平板线圈，同时进行充放电，使得磁脉冲粉末压制的压制力比以往更大；可以在较小放电电压下达到以往较大放电电压下的压制效果；效率更高，所制备的粉末坯体致密度更加均匀。

本发明使用一个楔形块机构，将水平的电磁力转化为竖直的压制力，结构简单，转化效率高，实现了电磁力的高效利用。

本发明使用丝杆螺母机构，有效实现冲压模的往复运动；复位弹簧与冲压模、丝杆螺母、轴肩螺钉的连接，实现了放电结束后，冲压模的自动复位。

本发明通过改变模具通孔的直径，可以压制不同高径比的压坯；且由于双向压制，亦可以进行较硬材料的粉末压实。

附图说明：

附图1是本发明的立体图。

附图2是本发明的结构示意图。

附图3是附图2的A-A剖视图。

附图4是本发明冲压模的结构示意图。

附图5是本发明复位机构的结构示意图。

附图6是本发明放大器的结构示意图。

附图7是本发明模具夹具的结构示意图。

附图8是本发明平板线圈及线圈座的结构示意图。

附图9是本发明丝杆螺母的结构示意图。

附图10是调节齿轮装置的结构示意图。

附图11是本发明装置在进行粉末压制前的立体图。

附图12是本发明装置在进行粉末压制前的结构示意图。

附图13是附图2的B-B剖视图。

附图14是本发明装置在进行粉末压制后的立体图。

附图15是本发明装置在进行粉末压制后的结构示意图。

附图16是附图2的C-C剖视图。

图中：1：方管，2：底板，3：下垫板，4：立板，5：刚套筒，6：绝缘套筒，7：推进板，8：绝缘板，9：线圈座，10：平板线圈，11：驱动片，12：放大器，13：水平丝杠，14：上垫板，15：调节齿轮，16：手柄一，17：导轨，18：轴肩螺钉，19：复位弹簧，20：丝杆螺母，21：冲压模，22：冲头，23：竖直丝杆，24：模具，25：模具夹具，26：限位板，27：双控开关，28：电容，29：电阻，30：整流器，31：变压器，32：圆柱垫块，33：压缩前粉末体，34：压缩后粉末体，35：压缩后复位弹簧，36:手柄二。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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1-3所示，图例中展示了一种基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，包括方管1，底板2，下垫板3，立板4，刚套筒5，绝缘套筒6，推进板7，绝缘板8，线圈座9，平板线圈10，驱动片11，放大器12，水平丝杠13，上垫板14，调节齿轮15，手柄一16，导轨17，轴肩螺钉18，复位弹簧19，丝杆螺母20，冲压模21，冲头22，竖直丝杆23，模具24，模具夹具25，限位板26，双控开关27，电容28，电阻29，整流器30，变压器31，手柄二36。

具体的，如图2、3所示，底板2下表面分布焊接6个方管1，以支撑整个装置；其上表面两侧开有10个尺寸为M10的螺纹孔，用以固定立板4；底板2上表面对角开有2个尺寸为M6的螺纹孔，用以固定下垫板3。

立板4侧面开有8个尺寸为M10的螺纹孔，用以固定钢套筒5；其上端面开有4个尺寸为M6的螺纹孔，用以固定上垫板14；立板4中间开有尺寸为M90的螺纹孔，用以安置水平丝杠13。

钢套筒5内壁嵌入绝缘套筒6，绝缘套筒6通过尺寸为M5的螺钉固定在钢套筒5上，两套筒一侧均开有矩形槽，以使铜线连接外电路；绝缘套筒6内依次为推进板7、绝缘板8、线圈座9、平板线圈10、驱动片11、放大器12，各部件紧密贴合；其中，推进板7与水平丝杠13正对接触，绝缘板8通过尺寸为M6的螺钉连接线圈座9，驱动片11通过尺寸为M6的螺钉连接放大器12。

所述平板线圈10由截面为3.5mm×15mm的紫铜带绕制而成，匝数为30，紫铜带用绝缘胶带进行绝缘，铜带外侧涂覆环氧树脂和凝固剂，以固定在线圈座9上。线圈座9上开有导孔，以使线圈与外电路相连。具体的，平板线圈10如图8所示。

所述驱动片11由高导电率材料制成，如纯铜、纯铝等。

所述放大器12上端面开有2个尺寸为35mm×35mm×40mm的内凹楔形槽，用以容纳冲压模21两侧的楔形块，将驱动片11的水平运动转化为冲压模21的竖直相向运动。放大器12的运动由限位板26进行限位。具体的，放大器12如图6所示。

所述绝缘套筒6、绝缘板8、线圈座9由绝缘材料制成，如环氧树脂、玻璃纤维等。

冲压模21由导轨17限定，只能上下移动；冲压模21上端面开有尺寸为15mm的螺纹孔，用以固定轴肩螺钉18；轴肩螺钉18与丝杆螺母20之间安置复位弹簧19；冲压模21下端面开有尺寸为M30的螺纹孔，以固定冲头22。具体的冲压模21与复位机构如图4-5所示。

所述冲头22应具有良好的耐磨性、较高的强度，可由合金钢等制成。

导轨17通过尺寸为M6的螺钉连接下垫板3；其上端面开有尺寸为M6的螺纹孔，用以固定模具夹具25；导轨17中间开有矩形通孔，以放置丝杆螺母20。

竖直丝杆23两侧直径为30mm，通过上垫板14、下垫板3的同轴心通孔进行限位；竖直丝杆23上端与调节齿轮15进行啮合；转动手柄一16，中心的调节齿轮15开始转动，使与竖直丝杆23啮合的调节齿轮15转动，进而使丝杆螺母20转动，通过复位弹簧19带动冲压模21进行上下移动。

所述模具夹具25，其中心开有尺寸为50mm的贯穿孔，在此基础上，同轴心开有尺寸为55mm的圆孔，用以形成阶梯孔，以放置模具24。具体的，模具夹具25如图7所示。

所述模具24由高强钢制成，模具24内开有尺寸为20mm的通孔，以放置粉末体；通孔的直径可根据所需压坯的直径进行更改。

所述两个水平放置的平板线圈10连接同一个电源系统，同时进行充放电。

所述电源系统由整流器30、电阻29、双控开关27、变压器31、电容28组成，变压器次级线圈与整流器30、电阻29、电容28串联；充电时，双控开关27处于打开状态，此时电容28充电，放电时，双控开关27处于闭合状态，电容28放电，进而平板线圈10通电，产生电磁力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，其特征是：包括底板，所述的底板下表面连接方管，所述的底板上表面与下垫板、2个立板连接；

所述的立板内侧面分别与钢套筒一端连接，所述的钢套筒另一端与限位板连接，所述的立板上部安装有上垫板，所述的立板上安装有水平丝杠，所述的钢套筒内壁嵌入绝缘套筒，所述的绝缘套筒内依次安装有推进板、绝缘板、线圈座、平板线圈、驱动片、放大器；所述的推进板与所述的水平丝杠正对接触，所述的绝缘板与所述的线圈座连接，所述的驱动片与放大器连接，所述的放大器上具有楔形凹槽；2个所述的平板线圈与电源系统连接；

2个上下对应的冲压模分别与上垫板、下垫板连接，所述的冲压模两侧具有楔形块，所述的冲压模分别由导轨限定；所述的冲压模上安装有复位机构；所述的冲压模端面螺纹连接有冲头； 安装在所述的下垫板上的冲压模上部通过模具夹具固定有模具。

2.根据权利要求1所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，其特征是：所述的电源系统由整流器、电阻、双控开关、变压器、电容组成，所述的变压器的次级线圈与整流器、电阻、电容串联；充电时，双控开关处于打开状态，此时电容充电，放电时，双控开关处于闭合状态，电容放电，进而平板线圈通电，产生电磁力。

3.根据权利要求2所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，其特征是：所述的复位机构由轴肩螺钉、复位弹簧、丝杆螺母构成；转动手柄一，调节齿轮带动竖直丝杆转动，进而使丝杆螺母带动冲压模上下移动；当放电时，丝杆螺母位置不动，放大器通过楔形块机构带动冲头对粉末体压制，此时复位弹簧被压缩，放电结束后，在复位弹簧的张力作用下，冲压模带动冲头与圆柱垫块分离，实现复位。

4.根据权利要求3所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，其特征是：所述的放大器上端面开有2个楔形凹槽，用以容纳所述的冲压模两侧的楔形块，将驱动片的水平运动转化为冲压模的竖直相向运动；放大器的运动由限位板进行限位。

5.根据权利要求4所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置，其特征是：所述的冲压模上端面开有螺纹孔，用于固定螺钉；所述的冲压模下端面开有螺纹孔，用于固定冲头；所述的冲压模的运动方向由连接在上垫板、下垫板的导轨进行限定。

6.一种利用权利要求1-5之一所述的基于金属基复合材料磁脉冲双向压制的装置的压制方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤1，将粉末体放入模具中，粉末体上下放置圆柱垫块以传递载荷；

步骤2，转动手柄一，使两个丝杆螺母相向转动，进而带动冲压模相向运动，使上下两个冲头与圆柱垫块进行接触，对粉末体进行初步压实；

步骤3，转动手柄二，使水平丝杠转动，继而使推进板向前移动，进而绝缘板、线圈座、平板线圈、驱动片、放大器均向前移动且各零件保持紧密贴合，使放大器内凹的楔形槽斜面与冲压模两侧楔形块斜面接触；

步骤4，交变电压经过变压器后，对电容进行充电，根据压制粉末体的性能以及实验需要，可以改变电压的大小；

步骤5，闭合双控开关，电容放电，由于电流变化，平板线圈中产生感应磁场，感应磁场在驱动片中激发出另一个感应磁场，两个磁场之间的强大排斥力推动驱动片、放大器水平向前移动，进而楔形块机构使得两个冲压模相向运动，将力作用到冲头上，实现磁脉冲粉末双向压制；

步骤6，放电结束后，在复位弹簧的作用下，冲头与圆柱垫块分离；

步骤7，转动手柄，使两个丝杆螺母反向转动，进而带动冲压模反向运动，冲头与模具之间的距离变大，取出模具；

步骤8，对压制结束后的粉末体进行脱模，取出压坯，磁脉冲双向压制流程结束，整理实验仪器。

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