CN118023466B - 一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热挤压制造技术领域，特别涉及一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置及方法。该装置包括热挤压模具、热挤压水平进给机构、升降顶杆机构及上封闭模；上封闭模设有直线段塞和圆盘定位结构，热挤压模具的下合模面上设有涡旋成形槽结构和直线槽；热挤压水平进给机构设置于热挤压模具的侧面且与直线槽相对应，热挤压水平进给机构用于将板条挤压至涡旋成形槽结构内形成涡旋件；升降顶杆机构设置于热挤压模具的底部，用于封堵涡旋成形槽结构下部及开模后向上顶升由涡旋件和圆盘组成的复合材料涡旋盘。本发明通过控制板条的水平挤压速度，能够很好的控制涡旋部分成形精度，提高了表面光洁度和表面质量，满足产品生产工艺要求。
Description
技术领域
本发明属于热挤压制造技术领域，特别涉及一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置及方法。
背景技术
涡旋盘用于新能源汽车，涡旋盘具有的特点是含有圆盘，圆盘上有涡旋部分。由于涡旋部分具有深厚比大的特点，而圆盘上的凹槽部分具有深宽比小的特点，所以增大了涡旋盘的加工生产难度。目前，涡旋盘的生产一般采用背压闭式模锻，该生产方式需要锻造高压设备，生产成本高；同时背压锻造过程是三向压应力状态，容易产生锻造缺陷，涡旋部分成形精度很难控制，表面光洁度及表面质量不能满足工艺要求，锻后需要进行精密机床的数控加工，生产周期长。经过背压锻造的金属流向为涡旋部分旋转轴向方向为主，其具体流向方向复杂，不能满足锻造加工成形后，陶瓷纤维增强铝基复合材料中的陶瓷纤维方向为使用方向。涡旋部分使用方向为涡旋部分内外表面接触线的切向，切向方向与涡旋部分的旋转轴向空间正交，从而导致产品疲劳寿命低。另外，常规锻造和铸造很难实现涡旋盘的量产，如何更加经济性的生产此类产品成为目前需要解决的难题。因此，急需一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置及方法，以保证产品质量，同时实现量产化。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置及方法，以解决常规背压锻造获得的涡旋盘质量差，生产成本较高，很难实现产品量产的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，包括热挤压模具、热挤压水平进给机构、升降顶杆机构及上封闭模；
上封闭模的底面为上合模面，上合模面上设有直线段塞和设置于直线段塞一端的圆盘定位结构，圆盘定位结构用于定位高温锻造成形的圆盘；
热挤压模具的顶面为下合模面，下合模面上设有涡旋成形槽结构及与涡旋成形槽结构连通的直线槽，直线槽用于放置复合材料成形的板条；
上封闭模与热挤压模具合模后，圆盘与热挤压模具的涡旋成形槽结构定位连接，直线段塞与热挤压模具的直线槽密封配合；
热挤压水平进给机构设置于热挤压模具的侧面，且与直线槽相对应，热挤压水平进给机构用于将板条挤压至涡旋成形槽结构内，形成涡旋件，涡旋件的上部边缘与圆盘的涡旋槽过盈配合；
升降顶杆机构设置于热挤压模具的底部，且与涡旋成形槽结构相对应，升降顶杆机构用于密封涡旋成形槽结构及开模后向上顶升由涡旋件和圆盘组成的复合材料涡旋盘。
在一种可能实现的方式中，所述涡旋成形槽结构包括下凹槽及设置于下凹槽底部的贯穿涡旋槽，所述直线槽与贯穿涡旋槽相切，所述板条逐渐被挤压至贯穿涡旋槽内。
在一种可能实现的方式中，所述升降顶杆机构包括升降动力源、升降杆及涡旋杆头，其中升降动力源设置于所述热挤压模具的底部、且输出端与升降杆的下端连接，升降杆的上端与涡旋杆头连接，升降动力源通过升降杆驱动涡旋杆头上升，使涡旋杆头与所述贯穿涡旋槽插接。
在一种可能实现的方式中，所述涡旋杆头位于中心的端部沿轴向设有排气槽。
在一种可能实现的方式中，所述圆盘定位结构包括上凹槽和设置于上凹槽底部的多个凸起，多个凸起用于定位所述圆盘。
在一种可能实现的方式中，所述圆盘的背面设有多个定位孔，多个定位孔与所述圆盘定位结构的多个凸起定位连接；
所述圆盘的正面开设涡旋槽，涡旋槽与所述贯穿涡旋槽的形状相同；所述板条进入所述贯穿涡旋槽内后，上部边缘进入涡旋槽内。
在一种可能实现的方式中，所述圆盘和涡旋件的材质为陶瓷增强铝基复合材料。
在一种可能实现的方式中，所述热挤压水平进给机构包括直线驱动源和伸缩杆，其中直线驱动源设置于所述热挤压模具的外侧，且输出端与伸缩杆的一端连接，伸缩杆的另一端穿过所述热挤压模具侧壁上设有的通孔置于所述直线槽内，伸缩杆的另一端端部设有伸缩杆头凹槽，伸缩杆头凹槽用于与所述板条对接，直线驱动源通过伸缩杆推动所述板条进入所述涡旋成形槽结构内。
本发明另一方面提供一种利用如上所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置的复合材料涡旋盘制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过机械手抓取保温炉内温度为477±9℃的板条，并塞入热挤压模具的直线槽内;
步骤S2：通过机械手抓取锻压机恒温模具上的温度为523±7℃的圆盘，并塞入上封闭模的圆盘定位结构中；
步骤S3：上封闭模和热挤压模具合模，使圆盘与热挤压模具的涡旋成形槽结构定位配合，直线段塞与热挤压模具的直线槽密封配合；
步骤S4：通过热挤压水平进给机构在板条的后端进行挤压，使板条的前端进入贯穿涡旋槽内，同时板条的上部边缘插入圆盘的涡旋槽内，此时板条的上部边缘与涡旋槽间隙配合；
步骤S5：热挤压水平进给机构继续挤压板条，板条沿贯穿涡旋槽逐渐盘旋前进，直至板条的前端抵达贯穿涡旋槽位于中心的末端，形成涡旋件；
步骤S6：上封闭模和热挤压模具开模，涡旋件和圆盘达到等温后，涡旋件的上部边缘与涡旋槽由于热装效应由间隙配合变为过盈配合，连接成复合材料涡旋盘;
步骤S7：升降顶杆机构将复合材料涡旋盘顶出;
步骤S8：机械手拾取复合材料涡旋盘，并塞入热处理炉中,进行固溶处理。
本发明的优点及有益效果是：本发明提供的一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，不需要锻造高压设备，属于低压热挤压设备，因此具有经济性优势；通过控制板条的水平挤压速度，能够很好的控制涡旋部分成形精度，提高了表面光洁度和表面质量，满足产品生产工艺要求。
本发明在涡旋部分的成形过程中，内部金属及结晶为二向压应力状态，所以成形后缺陷较少；涡旋部分采用陶瓷纤维增强铝基复合材料，其中陶瓷纤维方向与使用方向相同，有助于提高其疲劳寿命。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置的爆炸图之一；
图2为本发明一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置的爆炸图之二；
图3为本发明一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置的合模状态示意图；
图4为本发明中热挤压模具的轴测图；
图5为本发明中热挤压模具的侧视图；
图6为本发明中圆盘的轴测图；
图7为本发明中热挤压模具的挤压成形过程示意图；
图8为本发明中升降顶杆机构的轴测图；
图9为图8中C处局部放大图。
图中：1-热挤压模具，101-下合模面，102-下凹槽，103-贯穿涡旋槽，104-直线槽，105-通孔，2-热挤压水平进给机构，201-伸缩杆，202-伸缩杆头凹槽，3-升降顶杆机构，301-升降杆，302-涡旋杆头，303-排气槽，4-上封闭模，401-上合模面，402-上凹槽，403-凸起，404-直线段塞，5-圆盘，501-涡旋槽，502-定位孔，6-涡旋件，7-板条。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
本发明一实施例提供一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，能够很好的控制涡旋部分成形精度，提高了表面光洁度和表面质量，满足产品生产工艺要求。参见图1至图3所示，该复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，包括热挤压模具1、热挤压水平进给机构2、升降顶杆机构3及上封闭模4；其中上封闭模4的底面为上合模面401，上合模面401上设有直线段塞404和设置于直线段塞404一端的圆盘定位结构，圆盘定位结构用于定位高温锻造成形的圆盘5；热挤压模具1的顶面为下合模面101，下合模面101上设有涡旋成形槽结构及与涡旋成形槽结构连通的直线槽104，直线槽104用于放置复合材料成形的板条7；上封闭模4与热挤压模具1合模后，圆盘5与热挤压模具1的涡旋成形槽结构定相对位配合，直线段塞404与热挤压模具1的直线槽104密封配合；热挤压水平进给机构2设置于热挤压模具1的侧面，且与直线槽104相对应，热挤压水平进给机构2用于将板条7挤压至涡旋成形槽结构内，形成涡旋件6，涡旋件6的上部边缘与圆盘5的涡旋槽501过盈配合；升降顶杆机构3设置于热挤压模具1的底部，且与涡旋成形槽结构相对应，升降顶杆机构3用于封堵涡旋成形槽结构下部及开模后向上顶升由涡旋件6和圆盘5组成的复合材料涡旋盘。
参见图1所示，本发明的实施例中，上封闭模4的圆盘定位结构包括上凹槽402和设置于上凹槽402底部的多个凸起403，多个凸起403用于定位圆盘5。
参见图2、图6所示，本发明的实施例中，圆盘5的背面设有多个定位孔502，多个定位孔502与圆盘定位结构的多个凸起403定位配合；圆盘5的正面开设涡旋槽501，涡旋槽501与贯穿涡旋槽103的形状相同，涡旋槽501的外侧端为切向设置的插入口；板条7进入贯穿涡旋槽103内后，板条7的上部边缘由插入口进入圆盘5的涡旋槽501内。优选地，圆盘5和板条7的材质为陶瓷纤维增强铝基复合材料。板条7中的陶瓷纤维长度方向与板条7长度方向相同，且均匀分布。在热挤压成形过程中，板条7的陶瓷纤维会沿贯穿涡旋槽103弯曲，因此形成的涡旋件6中的陶瓷纤维方向与涡旋件6的使用方向相同，有助于提高其疲劳寿命。
参见图4、图5、图7所示，本发明的实施例中，热挤压模具1上的涡旋成形槽结构包括下凹槽102和贯穿涡旋槽103，其中下凹槽102设置于下合模面101上，下凹槽102的底部开设贯穿涡旋槽103，贯穿涡旋槽103为上下贯通的涡旋形状，直线槽104与贯穿涡旋槽103相切贯通，板条7逐渐被挤压至贯穿涡旋槽103内，随着贯穿涡旋槽103的涡旋形状逐渐盘旋，最终形成涡旋形状的涡旋件6。
具体地，热挤压模具1和上封闭模4内均含有温控装置能实现温控热挤压工艺。
参见图1-2、图5、图7所示，本发明的实施例中，热挤压水平进给机构2包括直线驱动源（图中未示出）和伸缩杆201，其中直线驱动源设置于热挤压模具1的外侧，且输出端与伸缩杆201的一端连接，伸缩杆201的另一端穿过热挤压模具1侧壁上设有的通孔105置于直线槽104内，伸缩杆201的另一端端部设有伸缩杆头凹槽202，伸缩杆头凹槽202用于与板条7对接，直线驱动源通过伸缩杆201推动板条7进入涡旋成形槽结构内。通过直线驱动源控制伸缩杆201的挤压速度，从而能控制涡旋部分成形精度，提高了表面光洁度和表面质量。
具体地，伸缩杆201的横截面优选矩形，伸缩杆201与热挤压模具1组成直线运动副。直线驱动源优选液压伺服控制，板条7逐步变形成涡旋件6，挤压过程为变剪切摩擦阻力，因此选用液压伺服使挤压过程可控，获得较好表面金相组织的水平纹理，有助于提高产品性能。
参见图3、图8所示，本发明的实施例中，升降顶杆机构3包括升降动力源（图中未示出）、升降杆301及涡旋杆头302，其中升降动力源设置于热挤压模具1的底部、且输出端与升降杆301的下端连接，升降杆301的上端与涡旋杆头302连接，升降动力源通过升降杆301驱动涡旋杆头302上升，使涡旋杆头302与贯穿涡旋槽103插接，从而封堵贯穿涡旋槽103。
进一步地，涡旋杆头302位于中心的端部沿轴向设有排气槽303，在挤压板条7的过程中，腔体内的气体由排气槽303排出，如图9所示。
具体地，升降杆301的横截面优选圆柱，升降杆301和涡旋杆头302为一体式结构。涡旋杆头302与热挤压模具1的贯穿涡旋槽103组成直线升降运动副。升降动力源优选液压伺服。涡旋杆头302与贯穿涡旋槽103插合有两个功能：其一，挤压过程封堵封闭腔；其二,将由圆盘5和涡旋件6组合而成的复合材料涡旋盘顶出。
本发明提供的一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，通过低压热挤压工艺获得复合材料涡旋盘；通过控制对板条的水平挤压速度，能够很好的控制涡旋部分成形精度，提高了表面光洁度和表面质量，满足产品生产工艺要求。
基于上述设计构思，本发明另一实施例提供一种复合材料涡旋盘制造方法，该方法利用如上任意实施例中的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置实现。参见图1至图9所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：通过机械手抓取保温炉内温度为477±9℃的板条7，并塞入热挤压模具1的直线槽104内;
步骤S2：通过机械手抓取锻压机恒温模具上的温度为523±7℃的圆盘5，并塞入上封闭模4的圆盘定位结构中；具体地，圆盘5通过多个定位孔502与圆盘定位结构的多个凸起403定位连接；
步骤S3：上封闭模4和热挤压模具1合模，使圆盘5与热挤压模具1的涡旋成形槽结构定位配合，直线段塞404与热挤压模具1的直线槽104密封配合；具体地，圆盘5与涡旋成形槽结构中的下凹槽102对接，圆盘5正面的涡旋槽501与涡旋成形槽结构中的贯穿涡旋槽103相对应；
步骤S4：通过热挤压水平进给机构2在板条7的后端进行挤压，使板条7的前端进入贯穿涡旋槽103内，同时板条7的上部边缘插入圆盘5的涡旋槽501内，此时板条7的上部边缘与涡旋槽501间隙配合；
步骤S5：热挤压水平进给机构2继续挤压板条7，板条7沿贯穿涡旋槽103逐渐盘旋前进，直至板条7的前端抵达贯穿涡旋槽103位于中心的末端，形成涡旋件6；
步骤S6：上封闭模4和热挤压模具1开模，涡旋件6和圆盘5达到等温后，涡旋件6的上部边缘与涡旋槽501由于热装效应由间隙配合变为过盈配合，连接成复合材料涡旋盘;
步骤S7：升降顶杆机构3将复合材料涡旋盘顶出;
步骤S8：机械手拾取复合材料涡旋盘，并塞入热处理炉中,进行固溶处理。
本发明的实施例中，板条7采用陶瓷纤维增强铝基复合材料，板条7中的陶瓷纤维长度方向与板条7长度方向相同，且均匀分布。在热挤压成形过程中，板条7的陶瓷纤维会沿贯穿涡旋槽103弯曲，因此形成的涡旋件6中的陶瓷纤维方向与涡旋件6的使用方向相同，有助于提高其疲劳寿命。涡旋件6的使用方向为涡旋部分内外表面接触线的切向，切向方向与涡旋件6的旋转轴线空间正交。
本发明另一实施例提供的一种复合材料涡旋盘制造方法，通过控制板条的水平挤压速度，能够很好的控制涡旋部分成形精度，提高了表面光洁度和表面质量，满足产品生产工艺要求。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，其特征在于，包括热挤压模具（1）、热挤压水平进给机构（2）、升降顶杆机构（3）及上封闭模（4）；
上封闭模（4）的底面为上合模面（401），上合模面（401）上设有直线段塞（404）和设置于直线段塞（404）一端的圆盘定位结构，圆盘定位结构用于定位高温锻造成形的圆盘（5）；
热挤压模具（1）的顶面为下合模面（101），下合模面（101）上设有涡旋成形槽结构及与涡旋成形槽结构连通的直线槽（104），直线槽（104）用于放置复合材料成形的板条（7）；
上封闭模（4）与热挤压模具（1）合模后，圆盘（5）与热挤压模具（1）的涡旋成形槽结构相对定位配合，直线段塞（404）与热挤压模具（1）的直线槽（104）密封配合；
热挤压水平进给机构（2）设置于热挤压模具（1）的侧面，且与直线槽（104）相对应，热挤压水平进给机构（2）用于将板条（7）挤压至涡旋成形槽结构内，形成涡旋件（6），涡旋件（6）的上部边缘与圆盘（5）的涡旋槽（501）过盈配合；
升降顶杆机构（3）设置于热挤压模具（1）的底部，且与涡旋成形槽结构相对应，升降顶杆机构（3）用于封堵涡旋成形槽结构下部及开模后向上顶升由涡旋件（6）和圆盘（5）组成的复合材料涡旋盘。
2.根据权利要求1所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，其特征在于，所述涡旋成形槽结构包括下凹槽（102）及设置于下凹槽（102）底部的贯穿涡旋槽（103），所述直线槽（104）与贯穿涡旋槽（103）相切贯通，所述板条（7）逐渐被挤压至贯穿涡旋槽（103）内。
3.根据权利要求2所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，其特征在于，所述升降顶杆机构（3）包括升降动力源、升降杆（301）及涡旋杆头（302），其中升降动力源设置于所述热挤压模具（1）的底部、且输出端与升降杆（301）的下端连接，升降杆（301）的上端与涡旋杆头（302）连接，升降动力源通过升降杆（301）驱动涡旋杆头（302）上升，使涡旋杆头（302）与所述贯穿涡旋槽（103）插接。
4.根据权利要求2所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，其特征在于，所述圆盘定位结构包括上凹槽（402）和设置于上凹槽（402）底部的多个凸起（403），多个凸起（403）用于定位所述圆盘（5）。
5.根据权利要求4所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，其特征在于，所述圆盘（5）的背面设有多个定位孔（502），多个定位孔（502）与所述圆盘定位结构的多个凸起（403）定位配合；
所述圆盘（5）的正面开设涡旋槽（501），涡旋槽（501）与所述贯穿涡旋槽（103）的形状相同；所述板条（7）进入所述贯穿涡旋槽（103）内后，上部边缘进入涡旋槽（501）内。
6.根据权利要求2所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，其特征在于，所述圆盘（5）和涡旋件（6）的材质为陶瓷纤维增强铝基复合材料。
7.根据权利要求2所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置，其特征在于，所述热挤压水平进给机构（2）包括直线驱动源和伸缩杆（201），其中直线驱动源设置于所述热挤压模具（1）的外侧，且输出端与伸缩杆（201）的一端连接，伸缩杆（201）的另一端穿过所述热挤压模具（1）侧壁上设有的通孔（105）置于所述直线槽（104）内，伸缩杆（201）的另一端端部设有伸缩杆头凹槽（202），伸缩杆头凹槽（202）用于与所述板条（7）对接，直线驱动源通过伸缩杆（201）推动所述板条（7）进入所述涡旋成形槽结构内。
8.一种利用权利要求2-7任一项所述的复合材料涡旋盘锻挤联合制造装置的复合材料涡旋盘制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过机械手抓取保温炉内温度为477±9℃的板条（7），并塞入热挤压模具（1）的直线槽（104）内；
步骤S2：通过机械手抓取锻压机恒温模具上的温度为523±7℃的圆盘（5），并塞入上封闭模（4）的圆盘定位结构中；
步骤S3：上封闭模（4）和热挤压模具（1）合模，使圆盘（5）与热挤压模具（1）的涡旋成形槽结构定位配合，直线段塞（404）与热挤压模具（1）的直线槽（104）密封配合；
步骤S4：通过热挤压水平进给机构（2）在板条（7）的后端进行挤压，使板条（7）的前端进入贯穿涡旋槽（103）内，同时板条（7）的上部边缘插入圆盘（5）的涡旋槽（501）内，此时板条（7）的上部边缘与涡旋槽（501）间隙配合；
步骤S5：热挤压水平进给机构（2）继续挤压板条（7），板条（7）沿贯穿涡旋槽（103）逐渐盘旋前进，直至板条（7）的前端抵达贯穿涡旋槽（103）位于中心的末端，形成涡旋件（6）；
步骤S6：上封闭模（4）和热挤压模具（1）开模，涡旋件（6）和圆盘（5）达到等温后，涡旋件（6）的上部边缘与涡旋槽（501）由于热装效应由间隙配合变为过盈配合，连接成复合材料涡旋盘；
步骤S7：升降顶杆机构（3）将复合材料涡旋盘顶出；
步骤S8：机械手拾取复合材料涡旋盘，并塞入热处理炉中，进行固溶处理。
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