CN116329556B - 柱体产品的加工设备及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料加工设备领域，特别是一种柱体产品的加工设备及制备方法。旨在解决现有技术中传统柱体产品使用寿命低，而粉末冶金产品材料利用低的问题。本发明包括包套加工，芯柱安装，粉末填充，粉末振实和热等静压。优点在于：芯柱为成品提供了几何支撑，保证其成形尺寸的稳定，并在需要时替代原产品芯部的粉末冶金材料进行固定支撑，以提高粉末冶金材料的利用率，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及柱体产品的加工设备及制备方法领域，特别是一种柱体产品的加工设备及制备方法。
背景技术
随着国家产业结构不断地升级换代，我国高端装备制造业逐渐向高速、高效、高精密、全自动化方向发展。工模具是工业生产的基础工艺装备，而由高端工模具材料尤其是粉末冶金材料所制备的高端产品一直代表着一个国家的装备方面的先进水平，如高端刀具，辊压、旋压等设备用的关键零部件等。随着制造业产品向精密化和高效化发展，装备中的关键零部件服役条件更加苛刻化，对其使用寿命和性能提出了更高要求，我国目前行业存在的关键部件使用寿命低、材料性能稳定性差等一系列问题也更加突出。而粉末冶金材料的组织均匀、析出物弥散细小，性能优异，广泛用于制备要求高强韧、高寿命的高端零部件等。
粉末冶金材料常用的包括粉末钢和粉末冶金金属基复合材料，这类材料一般生产周期长，成本高，而多数柱体产品的工作面基本为表面深度为20-30mm的材料区域。尤其是一些薄壁产品，如特殊刀具等，从实心材料加工成刀具成品，材料利用率不到30%，这种情况下使用粉末冶金材料制备产品就会造成制造成本居高不下，严重影响高端材料和产品的应用，迟滞装备制造业的转型升级。
传统粉末冶金制备方法制成的柱体产品材料浪费严重，故采用两种材料制造柱体产品，即柱体产品的芯柱使用廉价的传统材料而工作区域（表面）采用粉末冶金高速材料，这样会大大降低生产成本，但传统焊接方式会造成界面结合不稳定，提前失效等问题
发明内容
本发明要解决的技术问题是：使用两种材料制造柱体产品，界面结合不稳定，使用寿命短。本发明的目的是为了解决现有技术中传统柱体产品使用寿命低，而粉末冶金产品材料利用低的问题。
本发明的技术方案是：一种柱体产品，包括芯柱，芯柱上设有工作层，所述工作层的材料为粉末冶金材料，所述芯柱与粉末冶金材料通过热等静压焊接。芯柱的材料为普通铸造材料，如铸铁、球墨铸铁、碳钢、低合金钢、不锈钢等，芯柱为成品提供了几何支撑，保证其成形尺寸的稳定，并在需要时替代原产品芯柱的粉末冶金材料进行固定支撑，以提高粉末冶金材料的利用率，降低成本。粉末冶金材料与芯柱间连接强度接近冶金连接，以拉伸试验为例，连接强度高于较弱基体强度，当需要后续热加工或热处理时，所述芯柱和所述金属粉末层的热处理参数主要指奥氏体化温度或者固溶温度区间应有交叉点或温差小于30℃。
制备方法，包括如下步骤：
（1）制作金属包套，对金属包套进行焊接，包套外壳采用板材折弯成基本形状，然后焊接在一起；
（2）将金属包套中心处放置芯柱，然后将芯柱和金属包套下端的盖板焊接在一起，再将粉末冶金材料均匀装到芯柱的周围，将粉末冶金材料以一定速度流向包套内，如包套形状较为复杂或者芯柱外侧单侧填充区域小于20mm厚，可采用多个罐装口填充合金粉末；
（3）将装填好的粉末冶金材料使用振动平台震实、密封焊接、抽真空、热等静压，得到柱体产品。
所述步骤（1）中金属包套的厚度为5-10 mm。
所述步骤（1）中金属包套的焊接强度为150MPa-200MPa气压。
所述步骤（3）中真空脱气的真空度为1×10-4Pa。
所述步骤（3）中热等静压的条件是：温度为1200~1350℃，压力为300~400MPa，保温时间为2~4小时。
一种与所述柱体产品制备方法配套的加工设备，加工中空的盘件类产品，芯柱的上表面设有圈状的凹槽，所述凹槽的中心与所述柱体的轴心重合，所述凹槽上均布至少3个滚动式定位辊，所述滚动式定位辊卡装在所述凹槽内，所述凹槽的环径不大于待切割加工的中心孔的孔径。
柱体产品的加工设备，所述滚动式定位辊包括安装辊体的转动杆，连接所述转动杆的电机，带动所述电机移动的水平液压机构，和固定台，所述固定台与所述电机间形成移动副连接，所述固定台底部还设有双层圈状定位台。
所述的柱体产品的加工设备，所述双层圈状定位台底部还设有升降液压机构，以带动所述固定台垂直位移。
本发明还涉及一种使用该方法的加工中空的盘件类产品的加工设备，芯柱的上表面设有圈状的凹槽，所述凹槽的中心与所述柱体的轴心重合，所述凹槽上均布至少3个滚动式定位辊，所述滚动式定位辊卡装在所述凹槽内，所述凹槽的环径不大于待切割加工的中心孔的孔径。
所述滚动式定位辊包括安装辊体的转动杆，连接所述转动杆的电机，带动所述电机移动的水平液压机构，和固定台，所述固定台与所述电机间形成移动副连接，所述固定台底部还设有双层圈状定位台。
所述双层圈状定位台底部还设有升降液压机构，以带动所述固定台垂直位移。
本发明的有益效果在于：芯柱产品的力学性能好，同时在很大程度上降低材料成本；芯柱为成品提供了几何支撑，保证其成形尺寸的稳定，并在需要时替代原产品芯部的粉末冶金材料进行固定支撑，以提高粉末冶金材料的利用率，降低成本。本发明设计了一套中空盘装零件的加工工装，进一步便于成型加工后中心处柱体的切削过程，保证了切削过程的顺利和定心的精准。
附图说明
图1是本发明轴类零件示意图；
图2是本发明盘类零件示意图；
图3是加工设备的立体图：
图4是图3所示的结构的主视图；
图5是图3所示的结构的俯视图；
图6是第二液压升降机构的工作示意图；
需要指出的是图2中包套层采用夸张画法，以显示其标注；
1.包套材料；2.合金粉末；3.芯柱；4.辊身；5.电机；6.转动杆；7. 水平液压机构；8. 双层圈状定位台；9. 升降液压机构；10.凹槽；11.冲铣刀头。
实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种柱体产品薄壁刀具，包括芯柱，芯柱材料为普通熔铸H13钢，芯柱上设有工作层，所述工作层的材料为粉末冶金材料，粉末冶金材料为高速钢CW6Mo5Cr4V3，所述柱体与粉末冶金材料通过热等静压焊接，并在锻造和热处理后经过机械加工去除芯柱后成形为薄壁刀具，经使用验证，该可提升使用寿命200%以上。柱体产品薄壁刀具的制备方法，包括如下步骤：（1）制作金属包套，对金属包套进行焊接，包套外壳采用板材折弯成基本形状，然后焊接在一起；
（2）将金属包套中心处放置芯柱，然后将芯柱和金属包套下端的盖板焊接在一起，再将粉末冶金材料均匀装到芯柱的周围，将粉末冶金材料以一定速度流向包套内，如包套形状较为复杂或者芯柱外侧单侧填充区域小于20mm厚，可采用多个罐装口填充合金粉末；
（3）将装填好的粉末冶金材料使用振动平台震实、密封焊接、抽真空、热等静压，得到柱体产品。
实施例
一种柱体产品冶金用轧辊，包括芯柱，芯柱材料为普通熔铸H13钢，芯柱上设有工作层，所述工作层的材料为粉末冶金材料，粉末冶金材料为高速钢W6Mo5Cr4V2Co5，所述柱体与粉末冶金材料通过热等静压焊接，并在锻造和热处理后经过机械加工成形为轧辊，经使用验证，该可提升使用寿命150%以上。柱体产品冶金用轧辊的制备方法，包括如下步骤：（1）制作金属包套，对金属包套进行焊接，金属包套的厚度为10 mm，金属包套的焊接强度为200MPa气压；（2）将金属包套中心处放置芯柱，然后将芯柱和金属包套下端的盖板焊接在一起，再将粉末冶金材料均匀装到芯柱的周围；（3）将装填好的粉末冶金材料震实、密封焊接、抽真空，真空脱气的真空度为1×10-4Pa、热等静压，热等静压的条件是：温度为1200℃，压力为400MPa，保温时间为4小时，得到柱体产品。
实施例3
一种中空的盘件类产品件，如图3-6所示，包括芯柱，芯柱材料为普通熔铸H13钢，芯柱上设有工作层，所述工作层的材料为粉末冶金材料，粉末冶金材料为粉末镍基高温合金材料In718，所述柱体与粉末冶金材料通过热等静压焊接，并在锻造和热处理后经过机械加工去除芯柱后成形为中空的盘件类产品，本实施方案相比使用实心高温合金块加工可节省材料70%以上。该零件的制备方法，包括如下步骤：
（1）制作金属包套，对金属包套进行焊接，金属包套的厚度为8 mm，金属包套的焊接强度为150MPa-200MPa气压；（2）将金属包套中心处放置芯柱，然后将芯柱和金属包套下端的盖板焊接在一起，再将粉末冶金材料均匀装到芯柱的周围；（3）将装填好的粉末冶金材料震实、密封焊接、抽真空，真空脱气的真空度为1×10-4Pa、热等静压，热等静压的条件是：温度为1200~1350℃，压力为300~400MPa，保温时间为2~4小时，得到柱体产品。
本实施例中还涉及，一种使用该方法的加工中空的盘件类产品的加工设备，加工刀片或者齿圈，芯柱的上表面设有圈状的凹槽10，所述凹槽10的中心与所述柱体的轴心重合，所述凹槽10上均布至少3个滚动式定位辊，所述滚动式定位辊卡装在所述凹槽10内，所述凹槽10的环径不大于待切割加工的中心孔的孔径。
所述滚动式定位辊包括安装辊体的转动杆6，连接所述转动杆6的电机5，带动所述电机5移动的水平液压机构7，和固定台，所述固定台与所述电机5间形成移动副连接，所述固定台底部还设有双层圈状定位台8。
所述双层圈状定位台8底部还设有升降液压机构9，以带动所述固定台垂直位移。
工作过程中，首先完成合金包裹柱体，柱体外包裹包套，之后热等静压的加工过程，由于该类加工后，柱体已完成加固材料为成型材料提供力学基底的作用，在后续的加工中需要采用铣削或者其他工装拆卸掉，留下零件的加工成孔，本实施例中，利用三个滚动式定位辊和圈状的凹槽10实现定位，工作中零部件至于可以转动的安装盘上实现零件的自转，安装盘采用常见的转盘，在转动过程中冲铣刀头11下落，实现内部的逐层铣削，直至滚动式定位辊内的柱体被挖掉，需要说明的是在刀具逐渐接近凹槽10的过程中，滚动式定位辊会逐渐失去底部支撑，在工作至改临界工位时，合理利用水平液压机构7，将滚动变为卡装，进一步实现侧面的卡装定位，转动台停止转动，由于类似结构不少于三个，可以实现三点定位。余下的工步中，依靠刀具的水平移动实现凹槽10底部剩余材料的切除。本实施例中，预留的凹槽10的尺寸的外径等于设计的零件的中心孔的孔径。
本实施例中，升降液压机构9和水平液压机构7的设计目的在于调整辊体的位置。双层圈状定位台8的目的在于提升加工的精度和成型工件的圆度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种柱体产品的加工设备，加工中空的盘件类产品，其特征在于：芯柱（3）的上表面设有圈状的凹槽（10），所述凹槽（10）的中心与所述柱体的轴心重合，所述凹槽（10）上均布至少3个滚动式定位辊，所述滚动式定位辊卡装在所述凹槽（10）内，所述凹槽（10）的环径不大于待切割加工的中心孔的孔径，所述滚动式定位辊包括安装辊体的转动杆（6），连接所述转动杆（6）的电机（5），带动所述电机（5）移动的水平液压机构（7），和固定台，所述固定台与所述电机（5）间形成移动副连接，所述固定台底部还设有双层圈状定位台（8），所述双层圈状定位台（8）底部还设有升降液压机构（9），以带动所述固定台垂直位移，其中柱体产品包括芯柱，芯柱上设有工作层，所述工作层的材料为粉末冶金材料，所述柱体与粉末冶金材料通过热等静压焊接。
2.一种柱体产品制备方法，柱体产品使用权利要求1中的加工设备加工，其特征在于，包括如下步骤：（1）制作金属包套，对金属包套进行焊接；（2）将金属包套中心处放置芯柱，然后将芯柱和金属包套下端的盖板焊接在一起，再将粉末冶金材料均匀装到芯柱的周围；（3）将装填好的粉末冶金材料震实、密封焊接、抽真空、热等静压，得到柱体产品。
3.如权利要求2所述的柱体产品制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中金属包套的厚度为5-10 mm。
4.如权利要求2所述的柱体产品制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中金属包套的焊接强度为150MPa-200MPa气压。
5.如权利要求2所述的柱体产品制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中真空脱气的真空度为1×10-4Pa。
6.如权利要求2所述的柱体产品制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中热等静压的条件是：温度为1200~1350℃，压力为300~400MPa，保温时间为2~4小时。
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