CN111618305B - 一种超声冲击锻造装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的似乎一种超声冲击锻造装置。包括超声振动体和锻造体，锻造体包含上部接口段、中部冷却段、侧面压力控制段、底部脉冲锻造机构，第一侧面压力控制段与负极端电极导体相连接，第一侧面压力控制段包括压力控制箱、谐振片以及减震片，压力控制箱内含配重机构，配重机构下端同负极端电极导体连接；第二侧面压力控制段与正极端电极导体相连接，第二侧面压力控制段也包括压力控制箱、减震片，压力控制箱的配重机构下端同正极端电极导体连接，负极端电极导体、正极端电极导体、锻造头和温度传感器构成所述底部脉冲锻造机构。本发明作为增材制造的辅助设备，在合金低强度状态下完成增材组织锻造，实现增材组织性能优化及内应力调控。

Description

一种超声冲击锻造装置

技术领域

本发明涉及的是一种锻造装置，具体地说是一种用于增材制造后处理的微型锻造装置。

背景技术

增材制造技术是目前最具潜力的先进制造手段，它以高能加工束(电弧、电子束、激光束等)为热源，通过对三维模型的数字化数据分层，再以“逐点扫描熔化－逐线扫描搭接－逐层凝固堆积”的加工方式实现三维实体零件的直接成形。增材制造过程中高能束流与材料(粉体或丝材)的作用时间极短，在材料逐层堆积的过程中，材料不断经历剧烈的冷热交替过程，致使熔池及其相邻部位的加热熔化、凝固和冷却的速度比周围的区域快，在此过程中极易产生较大的表面残余拉应力，以及气孔、球化、裂纹等缺陷。最终成形件的强度、硬度很高，而塑性、疲劳性能较差，不同方向的力学性能各向异性明显，这些问题严重制约了激光增材制造技术大规模发展和推广应用。

为了克服快速凝固组织内应力特征及组织特点，工业应用增材构件通常采用适当的工艺手段来解决增材制造合金柱状晶组织粗大、力学性能各向异性突出、断裂韧性和低周疲劳性能较差等问题。工程中通过对整件采用热处理消除残余应力、热等静压使微小冶金缺陷闭合等后处理提高成形件力学性能，然而后处理无法解决增材成形过程中的翘曲变形、较大冶金缺陷以及尺寸受限等实际操作问题。激光冲击、电磁搅拌、超声振动等在线加工方式，将组织、应力改善手段整合到增材加工过程中，能够在一定程度上改善材料的应力分布状态，在增材制造过程中可以有效地干预熔池的凝固行为，对成形结构的组织形态、应力分布状态都具有一定的影响。

超声波是一种高频的机械振动，在改善金属凝固组织、减少内部气孔夹杂等方面作用显著，最早应用于传统铸造领域，后逐渐发展到焊接、熔覆等涉及金属熔化凝固等领域，目前已被运用于辅助增材制造过程。超声辅助增材制造分为基板底部超声振动辅助增材制造和锻造头超声冲击锻造。当成形多组元材料零件体积较大且形状复杂时，基板底部超声振动强度会逐渐减弱，因而无法实现零件全区域的有效超声干预且对应力的改善效果有限，直接影响底部超声振动辅助增材制造方法的有效性。而超声冲击锻造头作为一种小型化的增材制造辅助锻造装置，其锻造吨位较小，且原理高能束热源热影响区，很难对镍基合金、高强钢等高强度合金进行有效处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现增材组织性能优化及内应力调控，并且达到增材组织加工面修整、去氧化层双重作用的超声冲击锻造装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括超声振动体和与超声振动体连接的锻造体，所述的锻造体包含上部接口段、中部冷却段、侧面压力控制段、底部脉冲锻造机构，所述上部接口段包含开在锻造体上的温度传感器接口、冷却水接口、脉冲电源接口以及压力传感器接口，所述中部冷却段包括环绕在锻造体上的水冷铜管，第一侧面压力控制段与负极端电极导体相连接，第一侧面压力控制段包括压力控制箱、谐振片以及减震片，压力控制箱内含配重机构，配重机构下端同负极端电极导体连接，谐振片、减震片同压力控制箱独立连接；第二侧面压力控制段与正极端电极导体相连接，第二侧面压力控制段也包括压力控制箱、减震片，压力控制箱的配重机构下端同正极端电极导体连接，减震片同压力控制箱独立连接，负极端电极导体、正极端电极导体、锻造头和温度传感器构成所述底部脉冲锻造机构。

本发明还可以包括：

1.负极端电极导体和正极端电极导体与锻造体连接面处装配有绝缘体。

2.锻造头的锻造面上有凸出结构，所述凸出结构为梯形、三角形，或者是梯形和三角形。

3.锻造体上开有梯形装配槽，超声振动体与锻造体通过装配槽相连接。

4.所述水冷铜管为矩形，水冷铜管由锻造体表面避震卡托固定。

5.配重机构下端与负极端电极导体和正极端电极导体之间装配有绝缘体。

6.正极端电极导体底端涂覆抑制电弧涂层，正极端电极导体靠近所述涂层面有楔形淬火排气口。

本发明对传统超声冲击锻造设备的加工方式进行改进，采用脉冲加热方式对锻造区域进行升温，从而在较高表层温度下实现锻造，本发明特别适用于对设备体积要求较小的增材成形在线后处理装备，用以实现常温下强度较高的增材合金材料锻造加工。除此之外，该发明在锻造加工的同时可以实现材料表面的平整加工，消除增材成形过程中的表面缺陷，以解决目前增材加工过程中的精度控制、表面缺陷等问题。

本发明的优点主要体现在：

1.本发明应用于增材制造系统，同步于移动熔池运动，在增材加工的同时对快速凝固组织进行后处理，优化增材显微组织，改善增材部件应力分布状态，实现增材结构一次性加工成型；

2.本发明可以实现锻造头加工区微区加热，利用增材加工余热和电脉冲加热手段共同完成原生增材组织微区热锻造及气淬处理；

3.本发明可以实现增材加工表面微整形处理，利用脉冲放电手段可以实现增材成型面的预处理，去除表面氧化层及局部成型缺陷，保证锻造头与锻造表面完整贴合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为锻造体的仰视图。

图3为锻造体的俯视图。

图4为锻造体的左视图。

图5为锻造体的右视图。

图6为锻造体的剖视图。

图7a为锻造头的仰视图、图7b为锻造头的左视图、图7c为锻造头的正视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

本发明作为增材制造的辅助设备，在合金低强度状态下完成增材组织锻造，实现增材组织性能优化及内应力调控，并且达到增材组织加工面修整、去氧化层的双重作用。

为了达到本发明的目的，本发明的微区锻造装置包括了微区加热模块和锻造模块。微区加热模块：控制器、电脉冲发生器、电极导体、抑制电弧涂层、压力传感器、压力调控箱、温度传感器、谐振片、减震片、绝缘片。锻造模块：锻造体、锻造头、水冷铜管、外置循环水系统、超声振动体连接头。

超声微锻造设备包括超声振动体2和锻造体9。

超声振动体2同锻造体9通过锻造头装配槽23相连接，装配槽为梯形结构，通过锁片将超声振动体2与锻造体9固定。

锻造体9主体为高强度耐热钢铸造件，整体包含上部接口段、中部冷却段、侧面压力控制段、底部脉冲锻造机构及锻造头10。

锻造体9上部接口段包含温度传感器接口3、冷却水接口4、脉冲电源接口17、压力传感器接口19、压缩气体调节阀(压缩气体接口)22。

锻造体9中部冷却段由矩形水冷铜管6环绕，水冷铜管6由锻造体表面避震卡托固定，卡托一方面可以固定水冷铜管，另一方面可以避免铜管与锻造体9产生谐振。

锻造体9第一侧面压力控制段同负极端电极导体12相连接，由压力控制箱14、谐振片15、减震片16组成。压力控制箱14内含配重机构，配重机构下端同负极端电极导体12间机械连接，期间装配绝缘体13，避免脉冲电流进入配重机构，压力控制箱14可以根据需要调整负极端电极导体12的接触载荷；谐振片15、减震片16同压力控制箱14独立连接，根据工作需要开启谐振模式或者减震模式。

锻造体9第二侧面压力控制段同正极端电极导体7相连接，由压力控制箱14、减震片16组成。压力控制箱14内含配重机构，配重机构下端同正极端电极导体7机械连接，期间装配绝缘体13，避免脉冲电流进入配重机构，压力控制箱14可以根据需要调整负极端电极导体12的接触载荷；减震片16同压力控制箱14独立连接，工作时为减震模式，避免机械振动过程激发电弧。

锻造体9底部脉冲锻造机构由负极端电极导体12、正极端电极导体7、锻造头10、温度传感器18组成。负极端电极导体12侧面同锻造体9机械固定，连接面装配绝缘体11；正极端电极导体7底端涂覆抑制电弧涂层8，正极端电极导体7近涂层面存在楔形淬火排气口21，正极端电极导体7上部同压力控制箱14间机械连接，连接面装配有相同的绝缘体13，正极端电极导体7，侧面同锻造体9机械固定，连接面装配有相同的绝缘体11；锻造头10为梯形结构，锻造头10同锻造体9通过紧固螺栓相连接，锻造头10的锻造面具有多种形状和大小的突触结构组成。

首先根据加工面的面积选择合适的锻造头装配锻造体，将锻造体紧固在超声振动部，连接冷却水接口至外循环系统，连接温度传感器、压力传感器至控制器，连接电极导体至电脉冲发生器。

然后依次启动冷却水系统、传感器系统、电脉冲发生系统，根据表面粗糙度预设合适的电极压力，设置脉冲工作脉宽、脉间参数、能量输入模式，根据加工材料的不同选择合适的上、下限工作温度，根据温度反馈系统调整工作电流区间，确定超声微锻造过程各项工作参数。

开启超声振动系统，根据加工面表面粗糙度要求，调整电极正极端谐振强度和加工压力，对加工面进行锻造前微整形处理，根据微锻造系统加工速度，调整电极负极端加工压力，根据微锻造加工温度和加工速度，选择适当的工作气体压力及流速。

加工结束后，首先关闭脉冲发生系统，将加工压力调整到最小，依次关闭传感器系统、冷却气体、冷却水系统。

微区热锻造工艺流程：安装微锻造头、锻造体至超声振动部→连接电脉冲系统、压力感应系统、温度感应系统、气淬系统→开启压力系统、电脉冲系统，确定电极导体压力、电脉冲加工参数→启动微锻造系统，调整压力系统和进给速率，开启气淬系统→同步增材进给系统，对增材组织进行微区热锻造，并对加工面进行整形修饰，完成气淬→加工结束后依次关闭电脉冲系统、气淬系统、压力系统、温度感应系统。

本发明的超声冲击锻造装置热锻造的方法包括如下步骤：

步骤1：根据增材加工方式为锻造体9选择适当的锻造头10，并通过螺栓23将其紧固在锻造头10上，将超声振动体2的梯形连接滑块推入锻造部锻造头装配槽20中并且通过超声振动体2梯形滑块上的电磁铁将二者紧固在一起。连接脉冲电源接口17同脉冲电源及控制器1，连接温度传感器接口3和压力传感器接口19至脉冲电源及控制器1，连接冷却水接口4至冷却水制冷器5，开启冷却水循环，通过水冷铜管6热交换冷却锻造体9，连接压缩气体接口20至高压储气装置。

步骤2：开启脉冲电源及控制器1，通过压力控制箱14调整正极端电极导体7和负极端电极导体12至预紧压力，根据加工材料设置热锻温度区间，确定脉冲频率及初始电流强度，启动脉冲电源工作，待温度传感器18连接控制器1温度示数在工作温度区间稳定后，确定工作电流强度和波动阀值。

步骤3：启动增材加工系统及微锻造系统，调整正极端电极导体7和负极端电极导体12至工作压力，根据系统工作进给速率调整脉冲系统工作电流强度，开启淬火压缩气体调节阀22调节气体流量。

步骤4：根据增材加工初始表面粗糙度调整压力控制箱14载荷及谐振片15工作模式，设置合理负极端电极导体12振动频率，对增材加工初始表面进行微整形电脉冲加工，去除表面氧化层及表面缺陷。

步骤5：加工结束后依次关闭电脉冲系统、增材成型系统、微锻造进给系统、气淬系统、压力系统，待水冷铜管6中冷却水小于50℃后关闭冷却水循环系统。

下面通过实施例的介绍进一步阐明本发明的实质性特点和显著的效果采用同轴送粉式激光增材制造方式制备Inconel 718合金板材，单向扫描路径，激光峰值功率650W，脉冲频率10Hz～100Hz，占空比1/3～2/3，扫描速度6mm/s，光斑直径0.6mm送粉率9.6g/min，搭接率50％。超声微锻造装置采用方锥形锻造头10，锻造头10梯形端长方形尺寸2mm×200mm，锻造体同超声振动体2相连接并且紧固在一起。安装脉冲电源系统、压力感应系统、温度感应系统，连接水冷系统、气淬系统。开启脉冲电源及控制器1，调整正极端电极导体7和负极端电极导体12置预紧压力15MPa，设置锻造温度区间1000℃～1050℃，双温度传感器工作模式。电脉冲电源加热模式预设峰值电流密度1500A/mm²，频率1000Hz，启动脉冲电源工作，待温度传感器18连接控制器1温度示数达到1020℃后，启动增材加工系统及微锻造系统，调整正极端电极导体7和负极端电极导体12至工作压力30MPa，电脉冲电源加热工作峰值电流密度1650A/mm²，浮动电流密度±100mm²。开启压缩气体调节阀22调节气体流量为4.5L/min。首层增材加工后，负极端电极导体12开启电脉冲加工模式，峰值电流4A，脉宽100μs,脉间100μs,负极端电极导体12加热模式与加工模式时间比率根据表面成型质量和成型加工速率调整，负电极端在微锻造的同时实现增材表面微整形修饰并进行气淬。加工结束后依次关闭电脉冲系统、增材成型系统、微锻造进给系统、气淬系统、压力系统，待水冷铜管6中冷却水小于45℃后关闭冷却水循环系统。

Claims (7)

1.一种超声冲击锻造装置，包括超声振动体和与超声振动体连接的锻造体，其特征是：所述的锻造体包含上部接口段、中部冷却段、侧面压力控制段、底部脉冲锻造机构，所述上部接口段包含开在锻造体上的温度传感器接口、冷却水接口、脉冲电源接口以及压力传感器接口，所述中部冷却段包括环绕在锻造体上的水冷铜管，第一侧面压力控制段与负极端电极导体相连接，第一侧面压力控制段包括压力控制箱、谐振片以及减震片，压力控制箱内含配重机构，配重机构下端同负极端电极导体连接，谐振片、减震片同压力控制箱独立连接；第二侧面压力控制段与正极端电极导体相连接，第二侧面压力控制段也包括压力控制箱、减震片，压力控制箱的配重机构下端同正极端电极导体连接，减震片同压力控制箱独立连接，负极端电极导体、正极端电极导体、锻造头和温度传感器构成所述底部脉冲锻造机构。

2.根据权利要求1所述的超声冲击锻造装置，其特征是：负极端电极导体和正极端电极导体与锻造体连接面处装配有绝缘体。

3.根据权利要求2所述的超声冲击锻造装置，其特征是：锻造头的锻造面上有凸出结构，所述凸出结构为梯形、三角形，或者是梯形和三角形。

4.根据权利要求3所述的超声冲击锻造装置，其特征是：锻造体上开有梯形装配槽，超声振动体与锻造体通过装配槽相连接。

5.根据权利要求4所述的超声冲击锻造装置，其特征是：所述水冷铜管为矩形，水冷铜管由锻造体表面避震卡托固定。

6.根据权利要求5所述的超声冲击锻造装置，其特征是：配重机构下端与负极端电极导体和正极端电极导体之间装配有绝缘体。

7.根据权利要求6所述的超声冲击锻造装置，其特征是：正极端电极导体底端涂覆抑制电弧涂层，正极端电极导体靠近所述涂层面有楔形淬火排气口。

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