CN108994100B - 一种脉冲电流辅助微挤压成形装置及连续挤压成形方法 - Google Patents

一种脉冲电流辅助微挤压成形装置及连续挤压成形方法 Download PDF

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Abstract

一种脉冲电流辅助微挤压成形装置及连续挤压成形方法，它涉及一种挤压成形装置及方法。本发明解决现有的微挤压成形过程中存在微料加热困难、微型模具及坯料定位精度低、微型零件质量差以及脱模困难的问题。导电凹模中部由上至下加工有二级阶梯圆柱槽道，二级阶梯圆柱槽道的下端加工有出料通道，导电阶梯凸模为三级阶梯圆柱凸模，导电阶梯凸模的中下部与导电凹模的二级阶梯圆柱槽道间隙配合；成形方法：保证待成形坯料、导电凹模和导电阶梯凸模相接触，形成通电回路；通过脉冲电源对待成形坯料进行加热，使待成形坯料达到设定成形温度，通过上压头对待成形坯料施加压力，使待成形坯料发生微挤压变形。本发明用于脉冲电流辅助微挤压成形。

Description

一种脉冲电流辅助微挤压成形装置及连续挤压成形方法
技术领域
本发明涉及一种微挤压成形装置及利用该装置连续挤压成形方法，属于机械加工及塑性微成形技术领域。
背景技术
微挤压零件或模具型腔的特征尺寸在亚毫米级或微米级，材料性能参数和成形工艺参数不再是简单的按照相似理论等比例的增加或缩小，导致材料在微成形过程中产生了明显的尺度效应。由于尺度效应的存在，微挤压件尺寸精度及一致性变差，导致微型模具及坯料定位精度差，零件成形后难于脱模，尤其对镁合金、钛合金和高温合金等难变形材料，单纯依靠模具施加载荷的微成形技术难以进行。
在塑性成形过程中对坯料施加脉冲电流，可以有效地解决成形中的加热问题，改善材料的塑性，降低成形载荷，提高成形构件质量。申请号为200910072772.5，申请日为2009年8月31日的中国发明专利公开了一种脉冲电流辅助挤压成形装置及挤压成形方法，发明专利解决了挤压成形装置存在的热损耗大、加热时间长、工艺效率低等问题，但该发明专利不适用于微型挤压件的成形。
综上，现有的微挤压成形过程中微料加热困难、微型模具及坯料定位精度低、微型零件质量差以及脱模困难。
发明内容
本发明为解决现有的微挤压成形过程中存在微料加热困难、微型模具及坯料定位精度低、微型零件质量差以及脱模困难的问题，进而提供一种脉冲电流辅助微挤压成形装置及连续挤压成形方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的脉冲电流辅助微挤压成形装置包括高频脉冲电源4、微成形模具和加压装置，所述微成形模具包括导电阶梯凸模3、导电凹模10、下模座6、绝缘套8和绝缘垫片7，导电凹模10固定在下模座6的上端面上，导电凹模与下模座6之间设置有绝缘垫片7，导电凹模10的外侧壁上包覆有绝缘套8，导电凹模10为哈夫锥形凹模，导电凹模10中部由上至下加工有二级阶梯圆柱槽道，二级阶梯圆柱槽道的下端加工有出料通道，导电凹模10的二级槽道的直径不大于5mm；
加压装置包括上压头1、绝缘压头2和下压头5，下模座6固装在下压头5的上端面上，上压头1位于导电凹模10的正上方，绝缘压头2固装在上压头1的下部，导电阶梯凸模3的上端面通过绝缘压头2固装在上压头1上，导电阶梯凸模3为三级阶梯圆柱凸模，导电阶梯凸模3的中下部与导电凹模10的二级阶梯圆柱槽道间隙配合，导电凹模10的下部、绝缘垫片7、下模座6和下压头5上加工有依次连通的落料通道，落料通道与二级阶梯圆柱槽道的出料通道相互连通设置；导电凹模10和导电阶梯凸模3作为电极连接在高频脉冲电源4上。
进一步地，绝缘套8、绝缘垫片7和绝缘压头2均由云母制成。
进一步地，上压头1的端面加工有绝缘压头凹槽，绝缘压头2设置在绝缘压头凹槽内并通过销钉11固定。
进一步地，导电阶梯凸模3的三级阶梯圆柱凸模同轴设置，导电凹模10的二级阶梯圆柱槽道同轴设置。
进一步地，所述微成形模具还包括导电凹模固定装置12，凹模固定装置12的轮廓呈圆柱形状，凹模固定装置12的中部加工有圆台形通孔，圆台形通孔的上端直径小于圆台形通孔的下端直径，导电凹模10和绝缘套8位于凹模固定装置12内，凹模固定装置12通过螺栓固定在下模座6的上端面上。
本发明的脉冲电流辅助微挤压的连续挤压成形方法步骤如下：
步骤一、将待成形坯料9加入至导电凹模10内，控制上压头1由上至下运动直到与成形坯料9相接触，控制上压头1压力范围为5～10Mpa，保证待成形坯料9、导电凹模10和导电阶梯凸模3相接触，形成通电回路；
步骤二、通过脉冲电源4对待成形坯料9进行加热，控制脉冲频率范围为100～3000Hz，控制输出电压范围为0～50V，控制电流范围为0～1000A，使待成形坯料9达到设定成形温度，通过上压头1对待成形坯料9施加压力，使待成形坯料9发生微挤压变形；
步骤三、当导电阶梯凸模3第三级阶梯与导电凹模10第二级阶梯接触后，断开电源，控制上压头1和导电阶梯凸模3向上抬起，向导电凹模10中加入下一个待加工坯料9，重复步骤一和步骤二，前一个待加工坯料9被挤出，从底部脱模，完成一次连续挤压；
步骤四：重复步骤三，可完成连续待加工坯料9的挤压，挤出棒料。
进一步地，步骤二中待成形坯料9的成形温度的设定值高于坯料材料的再结晶温度，低于坯料材料的熔点温度。
进一步地，步骤三的连续挤压过程中，加入下一待加工坯料9后，需要接通脉冲电流，对待加工坯料9进行保温，保温时间为1～3分钟。
进一步地，步骤三的连续挤压过程中，导电阶梯凸模3的第三级阶梯与导电凹模10的第二级阶梯接触条件为上压头1压力超过挤压过程中最大压力的20％，此时停止施压。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的脉冲电流辅助微挤压成形装置采用哈夫锥形凹模和导电阶梯凸模相配合的结构设计，保证了成形过程中模具与模具、模具与坯料间精准的定位，使得微成形过程中微型模具及坯料定位精度高；
本发明利用高频脉冲电流对坯料进行加热，避免了热量的损失，与现有的微成形过程中坯料存在加热操作困难、加热效率较低相比，加热速度快、操作简单，加热温度可控；
本发明的脉冲电流辅助微挤压成形装置适用于不同材料的微挤压成形，只需更换材料，调节高频电流参数与压头压下程序即可，同时本发明装置适用于不同尺寸微挤压件的成形，只需更换上模具即可在同一台设备上生产形状、尺寸规格和品种不同的产品；
本发明的脉冲电流辅助微挤压连续挤压成形方法操作简便，脱模方便迅速，有利于挤压件的连续生产，生产效率高，与现有的微挤压成形过程相比，生产效率提高了20％以上。
附图说明
图1是本发明的脉冲电流辅助微挤压成形装置的整体结构主剖视图；
图2是本发明具体实施方式一中导电凹模10的剖视图；
图3是本发明具体实施方式一中导电阶梯凸模3的主视图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式的脉冲电流辅助微挤压成形装置包括高频脉冲电源4、微成形模具和加压装置，所述微成形模具包括导电阶梯凸模3、导电凹模10、下模座6、绝缘套8和绝缘垫片7，导电凹模10固定在下模座6的上端面上，导电凹模与下模座6之间设置有绝缘垫片7，导电凹模10的外侧壁上包覆有绝缘套8，导电凹模10为哈夫锥形凹模，导电凹模10中部由上至下加工有二级阶梯圆柱槽道，二级阶梯圆柱槽道的下端加工有出料通道，导电凹模10的二级槽道的直径不大于5mm；
加压装置包括上压头1、绝缘压头2和下压头5，下模座6固装在下压头5的上端面上，上压头1位于导电凹模10的正上方，绝缘压头2固装在上压头1的下部，导电阶梯凸模3的上端面通过绝缘压头2固装在上压头1上，导电阶梯凸模3为三级阶梯圆柱凸模，导电阶梯凸模3的中下部与导电凹模10的二级阶梯圆柱槽道间隙配合，导电凹模10的下部、绝缘垫片7、下模座6和下压头5上加工有依次连通的落料通道，落料通道与二级阶梯圆柱槽道的出料通道相互连通设置；导电凹模10和导电阶梯凸模3作为电极连接在高频脉冲电源4上。
哈夫锥形凹模是指两个半模拼合形成完整的凹模，导电凹模10的轮廓为圆台形状。
具体实施方式二：如图1所示，本实施方式绝缘套8、绝缘垫片7和绝缘压头2均由云母制成。如此设计，采用绝缘陶瓷材料进行绝缘处理，从而避免导电阶梯凸模3和导电凹模10内电流分流，减少能量损失，提高加热效率。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1所示，本实施方式上压头1的端面加工有绝缘压头凹槽，绝缘压头2设置在绝缘压头凹槽内并通过销钉11固定。如此设计，采用绝缘压头2进行绝缘处理，从而避免导电阶梯凸模3和导电凹模10内电流分流，减少能量损失，提高加热效率。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图1所示，本实施方式导电阶梯凸模3的三级阶梯圆柱凸模同轴设置，导电凹模10的二级阶梯圆柱槽道同轴设置。如此设计，可以使得导电阶梯凸模3的中下部与导电凹模10的二级阶梯圆柱槽道实现间隙配合。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：如图1所示，本实施方式所述微成形模具还包括导电凹模固定装置12，凹模固定装置12的轮廓呈圆柱形状，凹模固定装置12的中部加工有圆台形通孔，圆台形通孔的上端直径小于圆台形通孔的下端直径，导电凹模10和绝缘套8位于凹模固定装置12内，凹模固定装置12通过螺栓固定在下模座6的上端面上。如此设计，凹模固定装置12可以将导电凹模10固定在下模座6的上端面上，便于安装拆卸。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：如图1～3所示，本实施方式的脉冲电流辅助微挤压的连续挤压成形方法是按着以下步骤实现的：
步骤一、将待成形坯料9加入至导电凹模10内，控制上压头1由上至下运动直到与成形坯料9相接触，控制上压头1压力范围为5～10Mpa，保证待成形坯料9、导电凹模10和导电阶梯凸模3相接触，形成通电回路；
步骤二、通过脉冲电源4对待成形坯料9进行加热，控制脉冲频率范围为100～3000Hz，控制输出电压范围为0～50V，控制电流范围为0～1000A，使待成形坯料9达到设定成形温度，通过上压头1对待成形坯料9施加压力，使待成形坯料9发生微挤压变形；
步骤三、当导电阶梯凸模3第三级阶梯与导电凹模10第二级阶梯接触后，断开电源，控制上压头1和导电阶梯凸模3向上抬起，向导电凹模10中加入下一个待加工坯料9，重复步骤一和步骤二，前一个待加工坯料9被挤出，从底部脱模，完成一次连续挤压；
步骤四：重复步骤三，可完成连续待加工坯料9挤压，挤出棒料。
具体实施方式七：本实施方式步骤二中待成形坯料9的成形温度的设定值高于坯料材料的再结晶温度，低于坯料材料的熔点温度。如此操作，可以保证坯料具有良好的热加工性能。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式步骤三的连续挤压过程中，加入下一待加工坯料9后，需要接通脉冲电流，对待加工坯料9进行保温，保温时间为1～3分钟。如此操作，可以保证待加工坯料9的温度达到温度设定值。其它组成及连接关系与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：如图1～2所示，本实施方式步骤三的连续挤压过程中，导电阶梯凸模3的第三级阶梯与导电凹模10的第二级阶梯接触条件为上压头1压力超过挤压过程中最大压力的20％，此时停止施压。如此操作，在微挤压过程中，为确保待加工坯料9具有良好的流动性，避免死区的产生，在凹模底部开设60°角度的斜坡，保证微挤压过程中坯料具有良好的表面质量。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。
实施例1：
待成形坯料9选择TC4钛合金，密度为4.45g/cm3，熔点1598℃，再结晶温度为750℃，待成形坯料9的直径为1mm，待成形坯料9的长度为1.5mm的棒料，控制上压头1预压力为5Mpa，导电凹模10和导电阶梯凸模3材质均为碳化钨硬质合金，选择电流参数为：脉冲电源频率为400Hz，电流为180A；以80℃/s速度将待成形坯料9加热至850～920℃，保温2分钟后，以1.8mm/min速度加压成形，达到停止加压标准，继续加入待成形坯料9进行挤压，可连续获得直径为0.5mm，长度为6mm的挤压棒材。
实施例2：
待成形坯料9为GH4169镍基高温合金，密度为8.24g/cm3，熔点为1290℃，再结晶温度700℃，待成形坯料9的直径为0.9mm，待成形坯料9的长度为1mm的棒料，控制上压头1预压力为8Mpa，导电凹模10和导电阶梯凸模3的材质均为碳化钨硬质合金，选择电流参数为：脉冲电源频率为600Hz，电流为110A；以50℃/s速度将待成形坯料9加热至1000～1050℃，保温3分钟后，以0.9mm/min速度加压成形，达到停止加压标准，继续加入待成形坯料9进行挤压，可连续获得直径为0.4mm，长度为5mm的挤压棒材。
实施例3：
待成形坯料9为纯铝，密度为2.70g/cm3，熔点为660℃，再结晶温度290℃，待成形坯料9的直径为0.9mm，待成形坯料9的长度为1mm的棒料，控制上压头1预压力为3Mpa，导电凹模10和导电阶梯凸模3的材质均为K3镍基高温合金，选择电流参数为：脉冲电源频率为1000Hz，电流为500A；以约30℃/s速度将待成形坯料9加热至480～510℃，保温1分钟后，以3.6mm/min速度加压成形，达到停止加压标准，继续加入待成形坯料9进行挤压，可连续获得直径为1mm，长度为16mm的挤压棒材。
实施例所用脉冲电源为高频脉冲电源，输出电压0～100V，电流0～5000A，频率100Hz～10KHz，占空比0～100％，脉冲电流输出波形为方形波形。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (3)

1.一种利用脉冲电流辅助微挤压成形装置的连续挤压成形方法，其特征在于，
所述脉冲电流辅助微挤压成形装置包括高频脉冲电源(4)、微成形模具和加压装置，所述微成形模具包括导电阶梯凸模(3)、导电凹模(10)、下模座(6)、绝缘套(8)和绝缘垫片(7)，导电凹模(10)固定在下模座(6)的上端面上，导电凹模与下模座(6)之间设置有绝缘垫片(7)，导电凹模(10)的外侧壁上包覆有绝缘套(8)，导电凹模(10)为哈夫锥形凹模，导电凹模(10)中部由上至下加工有二级阶梯圆柱槽道，二级阶梯圆柱槽道的下端加工有出料通道，导电凹模(10)的二级槽道的直径不大于5mm；
加压装置包括上压头(1)、绝缘压头(2)和下压头(5)，下模座(6)固装在下压头(5)的上端面上，上压头(1)位于导电凹模(10)的正上方，绝缘压头(2)固装在上压头(1)的下部，导电阶梯凸模(3)的上端面通过绝缘压头(2)固装在上压头(1)上，导电阶梯凸模(3)为三级阶梯圆柱凸模，导电阶梯凸模(3)的中下部与导电凹模(10)的二级阶梯圆柱槽道间隙配合，导电凹模(10)的下部、绝缘垫片(7)、下模座(6)和下压头(5)上加工有依次连通的落料通道，落料通道与二级阶梯圆柱槽道的出料通道相互连通设置；导电凹模(10)和导电阶梯凸模(3)作为电极连接在高频脉冲电源(4)上；
所述微成形模具还包括导电凹模固定装置(12)，凹模固定装置(12)的轮廓呈圆柱形状，凹模固定装置(12)的中部加工有圆台形通孔，圆台形通孔的上端直径小于圆台形通孔的下端直径，导电凹模(10)和绝缘套(8)位于凹模固定装置(12)内，凹模固定装置(12)通过螺栓固定在下模座(6)的上端面上；其中，凹模的底部开设60°角度的斜坡；
所述连续挤压成形方法是按着以下步骤实现的：
步骤一、将待成形坯料(9)加入至导电凹模(10)内，控制上压头(1)由上至下运动直到与成形坯料(9)相接触，控制上压头(1)压力范围为5～10Mpa，保证待成形坯料(9)、导电凹模(10)和导电阶梯凸模(3)相接触，形成通电回路；
步骤二、通过脉冲电源(4)对待成形坯料(9)进行加热，控制脉冲频率范围为100～3000Hz，控制输出电压范围为0～50V，控制电流范围为0～1000A，使待成形坯料(9)达到设定成形温度，通过上压头(1)对待成形坯料(9)施加压力，使待成形坯料(9)发生微挤压变形；
步骤三、当导电阶梯凸模(3)第三级阶梯与导电凹模(10)第二级阶梯接触后，断开电源，控制上压头(1)和导电阶梯凸模(3)向上抬起，向导电凹模(10)中加入下一个待加工坯料(9)，重复步骤一和步骤二，前一个待加工坯料(9)被挤出，从底部脱模，完成一次连续挤压；其中，导电阶梯凸模(3)的第三级阶梯与导电凹模(10)的第二级阶梯接触条件为上压头(1)压力超过挤压过程中最大压力的20％，此时停止施压；
步骤四：重复步骤三，可完成连续待加工坯料(9)挤压，挤出棒料。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲电流辅助微挤压成形装置的连续挤压成形方法，其特征在于步骤二中待成形坯料(9)的成形温度的设定值高于坯料材料的再结晶温度，低于坯料材料的熔点温度。
3.根据权利要求1或2所述的利用脉冲电流辅助微挤压成形装置的连续挤压成形方法，其特征在于步骤三的连续挤压过程中，加入下一待加工坯料(9)后，需要接通脉冲电流，对待加工坯料(9)进行保温，保温时间为1～3分钟。
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