CN105195584B - 超声振动辅助塑性成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于塑性成形技术领域，具体涉及一种超声振动辅助塑性成形装置。超声振动辅助塑性成形装置,其技术方案是：伺服电机固定在机架上横梁中间，中间固定横梁上安装有联轴器，滚珠丝杠同伺服电机主轴连接，并穿过联轴器，同滚珠螺母啮合，滚珠螺母通过一个圆柱套筒固定在活动横梁上，活动横梁两端通过滑块沿导轨上下移动驱动上模具运动，压力传感器安装在上模具和活动横梁之间用于检测并控制上下模具之间的成形压力，竖直导轨上安装有精密光栅尺用于检测并控制上模具位置。本发明结构简单可靠，能用于铜、镍等金属材料以及树脂、橡胶等非金属材料的超声辅助塑性成形加工，能实现比较高的加工精度。

Description

超声振动辅助塑性成形装置

技术领域

本发明属于塑性成形技术领域，具体涉及一种辅助塑性成形装置。

背景技术

多年的研究表明，超声振动对于塑性成形过程具有显著的改善效果，它具有降低加工过程中模具和工件之间的摩擦力，降低成形过程阻力，以及提高成形质量等有益效应。现有的比较成熟的工艺有超声冷拔丝与超声冷拔管，超声辅助拉深和超声辅助挤压等工艺也研究的比较深入。传统的超声辅助塑性成形设备也发展的比较成熟，能够可靠地在塑性成形过程中引入超声振动，实现超声辅助塑性成形。塑性成形过程中两个重要的加工参数分别是成形压力和成形位移，这两个参数的控制对实验研究具有重要的意义，以往的设备并未将压力控制和位移控制两个因素考虑进去。

发明内容

本发明的目的是：提供一种带有压力以及位置反馈的超声振动辅助塑性成形装置。

本发明的技术方案是：超声振动辅助塑性成形装置,它包括：机械本体、伺服电机、精密光栅尺、上模具、上模套、下模具、超声变幅杆、超声换能器以及压力传感器；

机械本体包括：平台底座、上横梁、立柱、中间固定横梁以及活动横梁；其中，平台底座由钢管和钢板焊接而成，两条立柱垂直固定在平台底座上，立柱的顶部设有上横梁，两条立柱的内侧设有导轨，精密光栅尺设置在导轨内侧，中间固定横梁安装在两条导轨的顶部，活动横梁通过滑块连接至导轨；

伺服电机安装在上横梁中间，其主轴竖直向下并通过联轴器与滚珠丝杠连接，联轴器通过轴承连接至中间固定横梁；滚珠螺母与套筒连接，套筒的下端安装在活动横梁上；

压力传感器安装在活动横梁下，上模套连接上模具后连接至压力传感器；

超声换能器安装在平台底座上，同时与超声变幅杆连接，下模具安装在超声变幅杆的上端面。

工作时，伺服电机通过驱动丝杠，从而控制与丝杠配合的螺母直线运动。中间横梁是运动控制的关键部件，也是该装置加工精度的重要保证环节。滑块由中间横梁驱动在高精度导轨上做上下方向的运动，并由压力传感器和光栅尺反馈压力和位移信号。当伺服电机驱动中间横梁向下运动时，上下模具合模，对放置于其间的坯料进行压力成形加工。

有益效果：(1)本装置结构比较紧凑，操作简单，本装置形成压力传感器——上模具——上模板的“夹心式”串联结构，能有效地在金属成形过程引入超声振动，所述的超声波发生器将频率为50Hz市电转换成20kHz～30kHz高频超声信号，从而驱动超声换能器产生高频机械振动，同换能器直接相连的超声变幅杆将换能器的振动能量传输到较小的端面，同时扩大振幅，使下模具端面的振幅达到10μm；同时通过反馈控制调节成形过程中的力以及位移，实现超声辅助金属塑性成形加工。

(2)本装置中压力传感器同伺服电机、高精密光栅尺等一起构成闭环反馈***，用于精确控制压制过程中的压力和位移，并且可软件编程实现压力控制和位置控制的自由切换。

(3)本装置结构简单可靠，能用于铜、镍等金属材料以及树脂、橡胶等非金属材料的超声辅助塑性成形加工，能实现比较高的加工精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中下模具的俯视图及正视图；

其中：1—上横梁，2—伺服电机，3—轴承，4—滚珠螺母，5—精密光栅尺，6—上模具，7—上模套，8—下模具，9—变幅杆，10—变幅杆连接法兰，11—平台底座，12—超声换能器，13—立柱，14—导轨，15—压力传感器，16—滑块，17—活动横梁，18—螺母连接套筒，19—滚珠丝杠，20—中间固定横梁。

具体实施方式

参见附图1，超声振动辅助塑性成形装置,它包括：机械本体、伺服电机2、精密光栅尺5、上模具6、上模套7、下模具8、超声变幅杆9、超声换能器12以及压力传感器15；

机械本体包括：平台底座11、上横梁1、立柱13、中间固定横梁20以及活动横梁17；其中，平台底座11由钢管和钢板焊接而成，两条立柱13垂直固定在平台底座11上，立柱13的顶部设有上横梁1，两条立柱13的内侧设有导轨14，精密光栅尺5设置在导轨14内侧，中间固定横梁20安装在两条导轨14的顶部，活动横梁17通过滑块16连接至导轨14；

伺服电机2安装在上横梁1中间，其主轴竖直向下并通过联轴器与滚珠丝杠19连接，联轴器通过轴承3连接至中间固定横梁20；滚珠螺母4与套筒18连接，套筒18的下端安装在活动横梁17上；

压力传感器15安装在活动横梁17下，上模套7连接上模具6后连接至压力传感器15；

超声换能器12安装在平台底座11上，通过圆盘法兰安装在平台底座11上，超声变幅杆9超声换能器12与超声变幅杆9连接，下模具8通过双头螺栓安装在超声变幅杆9的上端面；

压力传感器15同伺服电机2、精密光栅尺5一起构成闭环反馈***，用于精确控制压制过程中的压力和位移，并且可软件编程实现压力控制和位置控制的自由切换；压制过程可以选择恒定压力模式或者恒定速度模式：在恒定压力模式下，上模具6以预先设定速度移动至同工件接触，之后通过闭环反馈***保证输出压力为恒值；在恒定速度模式下，上模具6以恒定速度压制，压制过程压力变化，当压力超出设定值以后则切换为以最大压力压制的恒压模式，以保证设备的安全。伺服电机2采用PID控制。

参见附图2，进一步的可以将下模具8设计为为阶梯型结构，其小端嵌入至超声变幅杆9，这种连接方式能有效保证超声能量传递到模具。

进一步的，还可以将下模具8的外圆周面设有两个水平切口，这种形状能保证方便拆装。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (4)

1.超声振动辅助塑性成形装置,其特征在于，它包括：机械本体、伺服电机(2)、精密光栅尺(5)、上模具(6)、上模套(7)、下模具(8)、超声变幅杆(9)、超声换能器(12)以及压力传感器(15)；

所述机械本体包括：平台底座(11)、上横梁(1)、立柱(13)、中间固定横梁(20)以及活动横梁(17)；其中，所述平台底座(11)由钢管和钢板焊接而成，两条所述立柱(13)垂直固定在所述平台底座(11)上，所述立柱(13)的顶部设有所述上横梁(1)，两条所述立柱(13)的内侧设有导轨(14)，所述精密光栅尺(5)设置在所述导轨(14)内侧，所述中间固定横梁(20)安装在两条所述导轨(14)的顶部，所述活动横梁(17)通过滑块(16)连接至所述导轨(14)；

所述伺服电机(2)安装在所述上横梁(1)中间，其主轴竖直向下并通过联轴器与滚珠丝杠(19)连接，所述联轴器通过轴承(3)连接至所述中间固定横梁(20)；滚珠螺母(4)与套筒(18)连接，所述套筒(18)的下端安装在所述活动横梁(17)上；

所述压力传感器(15)安装在所述活动横梁(17)下，上模套(7)连接上模具(6)后连接至所述压力传感器(15)；

所述超声换能器(12)安装在所述平台底座(11)上，同时与所述超声变幅杆(9)连接，所述下模具(8)安装在所述超声变幅杆(9)的上端面；

所述压力传感器(15)同所述伺服电机(2)、所述精密光栅尺(5)一起构成闭环反馈***；压制过程选择恒定压力模式或者恒定速度模式：在恒定压力模式下，所述上模具(6)以预先设定速度移动至同工件接触，之后通过闭环反馈***保证输出压力为恒值；在恒定速度模式下，所述上模具(6)以恒定速度压制，压制过程压力变化，当压力超出设定值以后则切换为以最大压力压制的恒压模式。

2.如权利要求1所述的超声振动辅助塑性成形装置,其特征在于，所述下模具(8)为阶梯型结构，其小端嵌入至所述超声变幅杆(9)。

3.如权利要求1或2所述的超声振动辅助塑性成形装置,其特征在于，所述下模具(8)的外圆周面设有两个水平切口。

4.如权利要求1所述的超声振动辅助塑性成形装置,其特征在于，所述伺服电机(2)采用PID控制。