CN112453303A - 微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于振动辅助成形相关技术领域，并公开了一种微槽道振动辅助犁挤‑锻造复合成形装置及方法。该装置包括机架和设置在该机架上的轴向进给机构、纵向进给机构、超声振动机构和工作台，纵向进给机构和工作台分别在纵向和横向改变所述超声振动机构相对待加工坯料的位置，轴向进给机构带动超声振动机构沿轴向运动，凸模作为超声振动机构的工具头，超声振动机构通过凸模对坯料施加纵向超声振动。犁挤‑锻造复合成形过程中凸模沿轴向进给，坯料经凸模刃齿劈分后，受凸模挤压面挤压隆起沿内侧面向上流动充型，同时坯料在凸模的纵向超声振动作用下发生镦锻变形。通过本发明，实现截面形状多样、精度要求较高的微槽道板件的高效成形。

Description

微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置及方法

技术领域

本发明属于振动辅助成形相关技术领域，更具体地，涉及一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置及方法。

背景技术

随着微电子技术的发展和航空航天技术轻量化的要求，对于高效率、轻量化的微型部件的需求与日俱增。在薄板表面加工出微槽道结构特征，可以提升换热效果、增加反应面积、起到减摩减阻的作用，在换热系统、微反应器以及燃料电池双极板等方面得到了广泛的应用。

微槽道结构的制造有两大类技术方法，一类是基于材料去除的技术如微电火花加工、激光加工、微切削加工、微切削加工、光化学加工，这类方法成形效率以及材料利用率较低，且成本较高，部分工艺会对环境产生污染，存在较大限制；另一类是基于材料塑性变形的成形工艺，一般采用微压印工艺进行成形，但存在成形效率低、成形力大、模具磨损严重、难以对大平面零件进行加工。

周旋等在“5A06铝合金微槽道薄板件等温振动辅助成形研究”中采用等温振动辅助成形来加工微槽道薄板，但存在微槽道不能完全成形的缺陷；申请公布号为CN105792613 A的发明专利“一种由交错犁切-挤压方法实现的垂直交错翅片结构的超薄均热板及其加工方法”中采用单刃刀具对微槽道薄板进行加工，这种方法无法精确成形微槽道，难以控制相邻微槽道间隆起筋条的形状，并且筋条表面由于自由变形而产生粗化。Gao等在“Grain and geometry size effects on plastic deformation in roll-to-platemicro/meso-imprinting process”中，采用R2P微细辊压技术对金属薄板表面微细结构进行加工，微槽道板件在成形后会出现翘曲的情况。

由于现有加工工艺的不足，需要一种新型的成形工艺对微槽道板件进行高效、高质量加工。在金属塑性成形过程中施加振动场，具有减小成形载荷、促进材料流动、改善成形零件表面质量以及减少板件回弹的作用，目前已经被广泛应用在塑性成形领域，因此可通过开发振动辅助的新型成形工艺对微槽道薄板件进行加工。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置及方法，在加工过程中，通过凸模对待加工坯料进行犁挤-锻造复合工艺，解决型腔难以充满，成形精度低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，该装置包括机架和设置在该机架上的工作台、超声振动机构、纵向进给机构和轴向进给机构，其中：

所述工作台用于夹紧待加工坯料，并在多道次成形中携带待加工坯料横向进给，所述超声振动机构的末端连接有凸模，该超声振动机构设置在待加工坯料的上方，用于沿纵向对待加工坯料施加超声振动，该超声振动机构设置在所述纵向进给机构上，所述纵向进给机构设置在所述轴向进给机构上，用于在纵向改变所述凸模相对待加工坯料的纵向位置，所述轴向进给机构用于带动所述凸模进行轴向运动，其中：

所述凸模为多个刃齿结构，在加工过程中，所述凸模沿轴向进给的同时，坯料经凸模刃齿劈分后受挤压面挤压隆起沿内侧面向上流动充型，同时凸模在超声振动装置作用下产生纵向超声振动，对坯料予以镦锻，以此实现振动辅助犁挤-锻造复合成形。

进一步优选地，所述微槽道的宽度和深度范围均为0.2mm～1mm。

进一步优选地，所述凸模的单个刃齿的截面形状为矩形、梯形或燕尾形。

进一步优选地，所述轴向进给机构带动所述超声振动机构沿轴向运动的同时进行频率在0-50Hz的进退式振动进给，以促进坯料充型并减小成形阻力。

进一步优选地，所述机架包括机架平台、机头架、机尾架和水平导柱，其中，所述机头架和机尾架相对设置在所述机架平台的两端，所述水平导柱设置在所述机头架和机尾架之间，作为所述轴向进给机构的导轨，所述机架上还设置有工作台，该工作台包括工作台垫板、滚珠丝杆和下模座，所述工作台垫板设置在机架平台上，通过所述滚珠丝杆和滑轨结构在所述机架平台上横向移动，所述下模座设置在所述工作台垫板上，用于夹紧坯料。

进一步优选地，所述轴向进给机构包括轴向伺服液压油缸、滑块固定板和轴向滑块，所述轴向伺服液压油缸用于驱动所述轴向滑块在所述水平导柱上轴向移动，所述滑块固定板用于将所述轴向滑块连接在所述水平导柱上。

进一步优选地，所述纵向进给机构包括纵向伺服液压油缸、纵向导柱和滑块下垫板，所述纵向伺服液压油缸用于驱动所述超声振动机构沿纵向上下移动，所述纵向导柱设置在所述轴向滑块和所述滑块下垫块之间，用于为所述超声振动机构的纵向位置调整进行导向。

进一步优选地，所述超声振动机构包括振动机构垫板、超声换能器和变幅杆，所述振动机构垫块与所述滑块下垫块连接，用于固定超声振动机构，所述超声换能器与所述振动机构垫块连接，用于产生超声振动，所述变幅杆与所述超声换能器连接，用于调整所述超声换能器产生的超声振动的振幅。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的犁挤-锻造复合成形装置加工微型槽道的方法，该方法包括下列步骤：

S1将待加工坯料进行定位和夹紧，调节所述凸模与待加工坯料之间的纵向和横向相对位置，并设定所述凸模的轴向初始位置；

S2所述凸模在待加工坯料上轴向进给，对板料进行犁挤-锻造复合成形，成形过程中对凸模施加超声振动，以此完成单道次成形；

S3所述凸模纵向抬起后回到所述初始位置，坯料按照预设步长沿横向进给，进行下一道次的成形，以此实现多道次的微型槽道的成形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明提供的装置用于成形微型槽道，微型槽道由于尺寸小，由于受到尺寸效应的影响，使材料流动性能差并且受摩擦阻力的影响较大，导致现有的正挤压工艺沿厚度方向对板材进行挤压，会产生充型不满的问题，成形精度低，采用本发明提供的装置进行犁挤-锻造复合成形，沿板材的长度方向对板材进行劈分并使坯料受挤压隆起，充填凸模刃齿间的型腔，凸模在纵向超声振动的作用下对隆起的坯料进行镦锻，解决了常规微槽道成形中型腔难以充满的缺陷；

2.本发明提供的装置实现在犁挤-锻造复合成形中施加振动，振动软化效应和减摩效应可以有效减小变形阻力，提高材料的流动性能，进一步提升材料的充型性能，同时振动的引入可以有效减小材料表面的粗糙度，减小微型化导致的表面粗化现象；

3.本发明提供的成形方法，工艺简单，实现劈分、挤压和锻造一体化成形，适用成形各种截面的槽道，适用范围广，尤其适用于微型槽道的成形，成形精度和效率高，可对微槽道进行连续精确加工，并且成形后回弹较小，产生的残余应力较小，除微槽道区域之外其他区域基本没有变形，对金属板件基体区域影响较小。

附图说明

图1按照本发明的优选实施例所构建的振动辅助分形-锻造复合成形工艺示意图；

图2按照本发明的优选实施例所构建的微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置立体结构示意图；

图3按照本发明的优选实施例所构建的微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置主视图；

图4按照本发明的优选实施例所构建的微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置俯视图；

图5按照本发明的优选实施例所构建的微槽道板件截面形状示意图；

图6按照本发明的优选实施例所构建的凸模结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-1机架平台，1-2机头架，1-3机尾架，1-4水平导柱，2-1轴向伺服液压油缸，2-2滑块固定板，2-3轴向滑块，3-1纵向伺服液压油缸，3-2纵向导柱，3-3滑块下垫板，4-1振动机构垫板，4-2超声换能器，4-3变幅杆，4-4凸模，5-1工作台垫板，5-2滚珠丝杠，5-3下模座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的微槽道振动辅助犁挤-锻造装置，振动辅助犁挤-锻造装置在对板材进行振动辅助犁挤-锻造时，凸模沿轴向进给，凸模前刀面在接触到金属板料后，对金属板料进行劈分；凸模进一步向前进给，劈分后的金属受到凸模的挤压作用而隆起沿成形面向上充型；同时凸模在轴向进给过程中受纵向超声作用产生对金属的镦锻作用。在成形过程中振动，能够有效减少成形过程中的摩擦阻力、增加材料流动性能并减小材料的变形抗力，以达到对各种形状微槽道精确、高效、高质量成形的目的，有效提升了材料的表面质量。

一种微槽道薄板件振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，成形装置包括机架、轴向进给机构、纵向进给机构、超声振动机构和工作台。

机架提供成形装置的固定支撑作用。机架由机架平台1-1、机头架1-2、机尾架1-3以及水平导柱1-4构成。机头架1-2和机尾架1-3在相同位置开有水平导柱孔，二者分别通过螺栓安装在机架平台1-1的两端，并且在机头架上开有通孔用于安装轴向伺服液压油缸；四根水平导柱1-4安装在机头架1-2与机尾架1-3之间，为成形装置提供轴向导向作用。

轴向进给机构通过伺服液压油缸，驱动安装在水平导柱上的轴向滑块进给，并可在进给中复合低频振动。轴向进给机构由轴向伺服液压油缸2-1、滑块固定板2-2和轴向滑块2-3构成。轴向伺服液压油缸2-1用螺栓通过法兰盘结构安装在机头架1-2上；滑块固定板2-2带有沉头孔，通过螺栓分别与油缸柱塞与轴向滑块2-3连接；轴向滑块2-3带有轴向与竖直的导柱孔分别用于与水平导柱1-4与纵向导柱3-2配合，中心位置通孔用于安装纵向伺服液压油缸3-1，并且轴向滑块可在水平导柱1-4上自由滑动。轴向进给机构带动所述超声振动机构沿轴向运动的同时可进行频率在0-50Hz的进退式振动进给，以促进坯料充型并减小成形阻力。

纵向进给机构安装在轴向滑块2-3上，可通过伺服液压油缸调整凸模相对于板料的相对位置以调节成形的深度。纵向进给机构由纵向伺服液压油缸3-1、纵向导柱3-2和滑块下垫板3-3构成。纵向伺服液压油缸3-1用螺栓经法兰盘安装在轴向滑块2-3上，油缸柱塞通过螺栓安装在滑块下垫板3-3，通过纵向伺服液压油缸的进给来调节凸模的纵向相对位置，纵向导柱3-2一端固定安装在滑块下垫板3-3上，另一端与轴向滑块2-3的导柱孔相配合，对凸模的纵向运动进行导向。

超声振动机构安装在纵向进给装置末端，超声振动机构工具头末端与凸模相配合，可在成形过程中向板料施加超声振动。超声振动机构由振动机构垫板4-1、超声换能器4-2、变幅杆4-3和凸模4-4构成。超声换能器4-2通过法兰盘与振动机构垫板4-1相连接，振动机构垫板4-1与滑块垫板3-3连接，凸模4-4与变幅杆4-3通过过盈配合连接。超声发生器将工频交流电信号转换为超声频率的电振荡信号后，经超声换能器4-2将电振荡信号转换为机械超声振动，超声换能器种类采用压电陶瓷换能器，通常超声换能器产生的超声振动振幅较小，需要经过变幅杆对振幅进行放大，振动经过变幅杆4-3传递到与之相配合的凸模4-4中。

工作台安装在机架平台上，可通过滚珠丝杠结构进行横向进给；工作台上安装带有固定压板式夹紧装置的模座，并且在下模座上具有定位结构，通过二者可对坯料进行有效定位和夹紧。工作台由工作台垫板5-1、滚珠丝杠5-2、下模座5-3构成。工作台垫板5-1具有梯形槽结构，工作台垫板5-1通过螺栓和滑块螺母安装在机架平台1-1上，并且可通过滚珠丝杠5-2与滑轨可在水平机架1-1上横向进给；下模座5-3通过螺栓与工作台垫板5-1相连接，下模座带有固定压板式夹紧机构用于夹紧坯料6。

请参阅图5，本发明可以但不限于成形截面形状为矩形、梯形、燕尾形等多种形状的微槽道。

请参阅图6，模具材料采用高速工具钢W18Cr4V，挤压角α＝60°，倾角η＝45°，成形角β＝18°，后角θ＝8°，单个微槽道宽度a＝0.4mm，刃齿高d＝0.4mm，刃齿宽b＝0.05mm，前导长度x＝0.4mm，凸模高度H＝1.2mm，凸模厚度T＝0.6mm，凸模长度为L＝1.6mm，单个凸模包含4个刃齿。

在一些实施例中，微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形工艺包括如下步骤：

①准备尺寸为10mm×20mm×1mm的T2紫铜金属板料，对板料进行表面去毛刺处理后，将其装夹到下模座5-3上，通过下模座5-3以及固定压板式夹具对板料进行夹紧和定位；

②通过纵向伺服液压油缸3-1使凸模4-4在竖直方向接触板料表面，将纵向坐标归零，调节轴向伺服液压油缸2-1在使凸模在轴向接触板料边缘，归零轴向坐标，通过滚珠丝杠5-2调节工作台垫板5-1横向位置，确定第一道次成形横向位置，归零横向坐标；

③成形深度设定为0.2mm，成形深度为凸模底部相对于板料表面沿纵向方向切入的深度，凸模轴向初始位置距离板料设定为1mm，横向初始位置设定为距离板料边缘0.6mm；

④设定凸模的轴向进给速度为1mm/s，在竖直方向施加频率为20kHz,振幅为10μm的超声振动，在凸模接触到板料并继续沿轴向运动0.4mm后开始施加超声振动，直至单道次成形结束；

⑤完成第一道次振动辅助犁挤-锻造复合成形之后，凸模沿纵向抬起5mm，沿水平方向回程到初始轴向位置，沿纵向落下回到纵向初始位置，通过滚珠丝杠5-2带动工作台垫板5-1将板料6沿横向进给1.2mm，按照步骤④的工艺参数进行第二道次的振动辅助犁挤-锻造复合成形。

⑥重复5次步骤⑤，完成对紫铜微槽道板件的振动辅助分形锻造复合成形。

本发明可以提高微槽道板件的表面质量，减小成形后的残余应力和回弹现象，并且对板件基体区域影响小，不易产生翘曲变形，解决了微槽道中难以对微槽道形状精确成形的缺陷，并且生产效率较高，可对大面积微槽道薄板件进行加工，工艺灵活性较强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，其特征在于，该装置包括机架和设置在该机架上的工作台、超声振动机构、纵向进给机构和轴向进给机构，其中：

所述工作台用于夹紧待加工坯料，并在多道次成形中携带待加工坯料横向进给，所述超声振动机构的末端连接有凸模(4-4)，该超声振动机构设置在待加工坯料的上方，用于沿纵向对待加工坯料施加超声振动，该超声振动机构设置在所述纵向进给机构上，所述纵向进给机构设置在所述轴向进给机构上，用于在纵向改变所述凸模相对待加工坯料的纵向位置，所述轴向进给机构用于带动所述凸模进行轴向运动，其中：

所述凸模为多个刃齿结构，在加工过程中，所述凸模沿轴向进给的同时，坯料经凸模刃齿劈分后受挤压面挤压隆起沿内侧面向上流动充型，同时凸模在超声振动装置作用下产生纵向超声振动，对坯料予以镦锻，以此实现振动辅助犁挤-锻造复合成形。

2.如权利要求1所述的一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，其特征在于，所述微槽道的宽度和深度范围均为0.2mm～1mm。

3.如权利要求1所述的一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，其特征在于，所述凸模(4-4)的单个刃齿的截面形状为矩形、梯形或燕尾形。

4.如权利要求1所述的一种微槽道振动辅助分形-锻造复合成形装置，其特征在于，所述轴向进给机构带动所述超声振动机构沿轴向运动的同时进行频率在0～50Hz的进退式振动进给，以促进坯料充型并减小成形阻力。

5.如权利要求1所述的一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，其特征在于，所述机架包括机架平台(1-1)、机头架(1-2)、机尾架(1-3)和水平导柱(1-4)，其中，所述机头架(1-2)和机尾架(1-3)相对设置在所述机架平台(1-1)的两端，所述水平导柱(1-4)设置在所述机头架和机尾架之间，作为所述轴向进给机构的导轨，所述机架上还设置有工作台，该工作台包括工作台垫板(5-1)、滚珠丝杆(5-2)和下模座(5-3)，所述工作台垫板(5-1)设置在机架平台(1-1)上，通过所述滚珠丝杆(5-2)和滑轨结构在所述机架平台上横向移动，所述下模座(5-3)设置在所述工作台垫板上，用于夹紧坯料。

6.如权利要求5所述的一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，其特征在于，所述轴向进给机构包括轴向伺服液压油缸(2-1)、滑块固定板(2-2)和轴向滑块(2-3)，所述轴向伺服液压油缸(2-1)用于驱动所述轴向滑块(2-3)在所述水平导柱上轴向移动，所述滑块固定板(2-2)用于将所述轴向滑块连接在所述水平导柱上。

7.如权利要求6所述的一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，其特征在于，所述纵向进给机构包括纵向伺服液压油缸(3-1)、纵向导柱(3-2)和滑块下垫板(3-3)，所述纵向伺服液压油缸(3-1)用于驱动所述超声振动机构沿纵向上下移动，所述纵向导柱(3-2)设置在所述轴向滑块(2-3)和所述滑块下垫块(3-3)之间，用于为所述超声振动机构的纵向位置调整进行导向。

8.如权利要求7所述的一种微槽道振动辅助犁挤-锻造复合成形装置，其特征在于，所述超声振动机构包括振动机构垫板(4-1)、超声换能器(4-2)和变幅杆(4-3)，所述振动机构垫块(4-1)与所述滑块下垫块(3-3)连接，用于固定超声振动机构，所述超声换能器(4-2)与所述振动机构垫块(4-1)连接，用于产生超声振动，所述变幅杆(4-3)与所述超声换能器(4-2)连接，用于调整所述超声换能器产生的超声振动的振幅。

9.一种应用权利要求1-8任一项所述的犁挤-锻造复合成形装置加工微型槽道的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1将待加工坯料进行定位和夹紧，调节所述凸模与待加工坯料之间的纵向和横向相对位置，并设定所述凸模的轴向初始位置；

S2所述凸模在待加工坯料上轴向进给，对板料进行犁挤-锻造复合成形，成形过程中对凸模施加超声振动，以此完成单道次成形；

S3所述凸模纵向抬起后回到所述初始位置，坯料按照预设步长沿横向进给，进行下一道次的成形，以此实现多道次的微型槽道的成形。

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