CN111347702B - 一种peek材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置和方法,用于加工PEEK管和不锈钢芯，将PEEK管和转子锻轧复合成一体的转子。所述装置包括工作平台、加热箱、水平导轨、锻轧复合成形机构，工作时，通过锻轧复合成形机构对PEEK管进行滚轧缩径、锻挤压内限位槽、滚轧整形和滚轧压外螺纹后，完成加工，形成最终产品。本申请可以大幅度降低螺杆压缩机转子的制造难度，显著地提高了产品的生产效率，在节约PEEK材料约30％的基础上，锻轧复合成形后零件的成形精度和组织性能还能得到很大改善。

Description

一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置及方法
技术领域
本发明涉及热塑性塑料成形技术领域，尤其涉及一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置及方法。
背景技术
聚醚醚酮(polyetheretherketone，简称PEEK)作为一种新型的特种工程塑料，刚性大、尺寸稳定好、耐高温性好，化学性能稳定、耐磨性好、阻燃、抗腐蚀。由于其优异的物理化学性能获得了广泛的关注，被应用在了航空、航天、石油化工、汽车、医疗等各个领域。螺杆压缩机凭借结构简单、动力平衡性好、可靠性高和操作方便等一系列独特的优点，被广泛地应用于空气动力、制冷空调、石油化工、工艺流程及燃料电池等工业领域。但单一金属材质螺杆压缩机的转子不耐磨、不耐腐蚀、齿形复杂非对称，质量大、齿形半径大、成形力大、加工难度大。目前PEEK和金属复合螺杆压缩机转子主要的制造工艺是首先采用铸造工艺制出金属材料阶梯圆柱体毛坯件，车削外表面去除硬皮，机加工成形，然后表面注塑一层PEEK材料，再精磨成形。现在工艺存在加工工序多、生产效率低、周期长、能耗大等不足。特别是注塑成形阶段，需要开模具，复杂的注塑工艺，浪费PEEK材料，工作环境差、故障率高，不符合智能制造和资源节约型社会的发展需要。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置, 用于加工PEEK管和不锈钢芯，将PEEK管和转子锻轧复合成一体的转子。其中，所述不锈钢芯整体呈哑铃状，两端直径为d，中间部分的外表面直径为d-2h,且中间部分外表面设有限位槽，所述中间部分长度为L；所述PEEK管的内径D等于所述不锈钢芯的两端的直径，且长度H小于L。
所述装置包括工作平台、加热箱、水平导轨、锻轧复合成形机构；所述加热箱、水平导轨、锻轧复合成形机构均安装在所述工作平台上。
其中，所述加热箱的加热区域内设有固定转子的不锈钢顶针，用于装夹待加工的不锈钢芯；
所述锻轧复合成形机构包括一对锻轧复合成形模具轮和一对L型板，所述锻轧复合成形模具轮安装在所述L型板上，所述L型板可滑动安装在所述水平导轨上；且所述水平导轨垂直所述不锈钢顶针铺设，两个锻轧复合成形模具轮分别设置在所述不锈钢顶针的两侧；通过第一驱动装置带动，两个L型板同步向所述不锈钢顶针移动，通过第二驱动装置带动，两个锻轧复合成形模具轮同步转动，加工装夹在不锈钢顶针上的不锈钢芯和PEEK管；
为满足加工需求，所述锻轧复合成形模具轮的周部包括锻造工作面、整形工作面和轧制工作面。
工作时，将待加工的PEEK管套在不锈钢芯上，再将不锈钢芯固定在不锈钢顶针，通过锻轧复合成形机构对PEEK管进行滚轧缩径、锻挤压内限位槽、滚轧整形和滚轧压外螺纹后，完成加工，形成最终产品。
可选的，所述锻造工作面为内凹的圆弧形，所述整形工作面为外凸的圆弧形，所述轧制工作面具有螺纹。
工作时，通过锻造工作面完成滚轧缩径工艺，通过整形工作面完成锻挤压内螺纹槽阶段和滚轧整形阶段工艺，通过轧制工作面完成滚轧压外螺纹工艺。
可选的，所述加热箱包括电阻丝、温度探头和制冷压缩机，所述温度探头靠近所述不锈钢顶针安装。所述加热箱为恒温加热箱，当所述温度探头检测到不锈钢顶针附近的温度低于预定范围时，通过所述电阻丝开启加热模式，提高温度，当检测到的温度高于预定范围时，通过所述制冷压缩机开始制冷模式，降低温度。
可选的，所述第一驱动装置包括伺服电机和曲柄连杆机构；所述曲柄连杆机构一端连接伺服电机，另一端连接并带动两个L型板同步且反向运动。
对应的，一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法，可应用于将PEEK管和转子锻轧复合成一体的转子。
所述不锈钢芯整体呈哑铃状，两端直径为d，中间部分的外表面直径为d-2h,且中间部分外表面设有限位槽，所述中间部分长度为L；所述PEEK管的内径D等于所述不锈钢芯的两端的直径，且长度H小于L。
所述方法包括以下步骤：将PEEK管以过度配合方式装配到不锈钢芯上，并经过滚轧缩径阶段、锻挤压内限位槽阶段、滚轧整形阶段和滚轧压外螺纹阶段后，形成转子成品；
通过所述滚轧缩径阶段后，所述PEEK管的内径收缩到等于中间部分的外表面直径，即D 收缩到(1～1.1)(d-2h)；
通过所述锻挤压内限位槽阶段后，所述PEEK管的内壁经挤压产生形变，形成与不锈钢芯中间部分的限位槽对应的限位凸起；此时所述PEEK管的外径大于或者等于d；
通过所述滚轧整形阶段，所述PEEK管的外径等于d；
通过所述滚轧压外螺纹阶段，所述PEEK管的外表面形成螺纹。
可选的，为减少应力集中，且减小PEEK管的滚轧难度，所述不锈钢芯的中间部位与两端肩部之间设有倒圆，所述倒圆半径为r。
可选的，所述h＝(0.1～0.2)d，r＝(1～1.1)h，H＝(0.8～0.9)L。
可选的，所述滚轧缩径阶段、锻挤压内限位槽阶段均在100℃环境下进行，所述滚轧整形阶段在100℃到200℃之间进行，所述滚轧压外螺纹阶段在200℃环境下进行。
可选的，所述限位槽和对应的限位凸起均为螺纹，此时，所述锻挤压内限位槽阶段为锻挤压内螺纹槽阶段。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明可以大幅度降低螺杆压缩机转子的制造难度，简化了螺杆压缩机转子的结构形式，同时，利用PEEK材料的自润滑特性降低摩擦功耗，从而提高螺杆压缩机的使用寿命、降低维护成本。
(2)采用该装置及方法，PEEK材料利用率得到了大幅度提高，实现螺杆压缩机转子锻轧复合成形，避免了传统机械铸造、加工和注塑工艺过程，节约PEEK材料约30％以上。
(3)显著地提高了产品的生产效率。保守计算，注塑一个螺杆转子PEEK层耗时约5分钟，加工时间较长，而锻轧复合成形过程耗时仅约15-20秒，显著地缩短了工艺时间。
(4)锻轧复合成形后PEEK材料流线保持连续并沿着转子外形分布，内部组织变化均匀，零件的成形精度和组织性能得到很大改善。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
其中：
图1是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的不锈钢芯结构示意图；
图2是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的不锈钢芯结构示意图；
图3是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的不锈钢芯和PEEK管结构示意图；
图4是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的结构示意图；
图5是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的结构示意图；
图6是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的结构示意图；
图7是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的结构示意图；
图8是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置的锻轧复合成形模具轮结构示意图；
图9是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中准备阶段示意图；
图10是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中滚轧缩径阶段示意图；
图11是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中锻挤压内螺纹槽阶段和滚轧整形阶段示意图；
图12是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中滚轧压外螺纹阶段示意图；
图13是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中转子处于准备阶段的示意图；
图14是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中转子处于滚轧缩径阶段的示意图；
图15是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中转子处于锻挤压内螺纹槽阶段的示意图；
图16是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置使用中转子处于滚轧压外螺纹阶段的示意图；
图17是本发明一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法的操作温度示意图；
图1-图17中的标号分别表示：10-转子，11-不锈钢芯，12-PEEK管，21-工作平台，22- 加热箱，23-水平导轨，24-不锈钢顶针，25-锻轧复合成形模具轮2，26-L型板，27-第二驱动装置带动，28-伺服电机，29-曲柄连杆机构，251-锻造工作面，252-整形工作面，253-轧制工作面。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请提出的装置和方法，可应用于不锈钢芯11和加工PEEK管12，将PEEK管12和不锈钢芯11锻轧复合成一体的转子10。
请参阅图1和图2，所述不锈钢芯11整体呈哑铃状，两端直径为d，中间部分的外表面直径为d-2h,且中间部分外表面设有限位槽，所述中间部分长度为L，所述h＝(0.1～0.2)d。本实施例中，所述限位槽为螺纹，再其它实施例中也可以是其他形式的限位槽。
请参阅图3，所述PEEK管12的内径D等于所述不锈钢芯11的两端的直径，且长度H小于L， H＝(0.8～0.9)L。
为减少应力集中，且减小PEEK管12的滚轧难度，所述不锈钢芯11的中间部位与两端肩部之间设有倒圆，所述倒圆半径为r，r＝(1～1.1)h。
实施例一，一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形装置,请参阅图4到图7包括工作平台21、加热箱22、水平导轨23、锻轧复合成形机构；所述加热箱22、水平导轨23、锻轧复合成形机构均安装在所述工作平台21上。
其中，所述加热箱22的加热区域内设有固定转子的不锈钢顶针24，用于装夹待加工的不锈钢芯11；
所述锻轧复合成形机构包括一对锻轧复合成形模具轮25和一对L型板26，所述锻轧复合成形模具轮25安装在所述L型板26上，所述L型板26可滑动安装在所述水平导轨23上；且所述水平导轨23垂直所述不锈钢顶针24铺设，两个锻轧复合成形模具轮25分别设置在所述不锈钢顶针24的两侧；通过第一驱动装置带动，两个L型板26同步向所述不锈钢顶针24移动，通过第二驱动装置带动27，两个锻轧复合成形模具轮25同步转动，加工装夹在不锈钢顶针24上的不锈钢芯11和PEEK管12。
本实施例中，所述第一驱动装置包括伺服电机28和曲柄连杆机构29；所述曲柄连杆机构 29一端连接伺服电机28，另一端连接并带动两个L型板26同步且反向运动。
为满足加工需求，所述锻轧复合成形模具轮25的周部包括锻造工作面251、整形工作面252 和轧制工作面253。请参阅图8，所述锻造工作面为内凹的圆弧形，所述整形工作面为外凸的圆弧形，所述轧制工作面具有螺纹。
工作时，将待加工的PEEK管12套在不锈钢芯11上，再将不锈钢芯11固定在不锈钢顶针24，即准备阶段，再通过锻轧复合成形机构对PEEK管12进行滚轧缩径a、锻挤压内螺纹槽b、滚轧整形c和滚轧压外螺纹d后，完成加工，形成最终产品，各个阶段可分别参阅图9、图10、图11 和图12，通过锻造工作面251完成滚轧缩径a工艺，通过整形工作面252完成锻挤压内螺纹槽b 阶段和滚轧整形c阶段工艺，通过轧制工作面253完成滚轧压外螺纹d工艺,其各个加工过程中， PEEK管12的形边可分别参阅图13、图14、图15和图16。
实施例二，在实施例一的基础上，所述加热箱22为恒温加热箱22，包括电阻丝、温度探头和制冷压缩机，所述温度探头靠近所述不锈钢顶针24安装。当所述温度探头检测到不锈钢顶针24附近的温度低于预定范围时，通过所述电阻丝开启加热模式，提高温度，当检测到的温度高于预定范围时，通过所述制冷压缩机开始制冷模式，降低温度。
请参阅图17，本实施例采用的工作温度是：所述滚轧缩径a阶段、锻挤压内螺纹槽b阶段阶段均在100℃环境下进行，所述滚轧整形c阶段在100℃到200℃之间进行，所述滚轧压外螺纹d阶段在200℃环境下进行。
实施例三，对应实施例二，提出一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法，可应用于将PEEK管12和转子锻轧复合成一体的转子。
所述方法包括以下步骤：将PEEK管12以过度配合方式装配到不锈钢芯11上，并经过滚轧缩径a阶段、锻挤压内螺纹槽b阶段、滚轧整形c阶段和滚轧压外螺纹d阶段后，形成转子成品。
在100℃环境下进行，通过所述滚轧缩径a阶段后，所述PEEK管12的内径收缩到等于中间部分的外表面直径，即D收缩到(1～1.1)(d-2h)；
在100℃环境下进行，通过所述锻挤压内螺纹槽b阶段阶段后，所述PEEK管12的内壁经挤压产生形变，形成与不锈钢芯11中间部分的限位槽对应的限位凸起；此时所述PEEK管12的外径大于或者等于d；
在100℃到200℃之间，通过所述滚轧整形c阶段，所述PEEK管12的外径等于d；
在200℃环境下，通过所述滚轧压外螺纹d阶段，所述PEEK管12的外表面形成螺纹。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明可以大幅度降低螺杆压缩机转子的制造难度，简化了螺杆压缩机转子的结构形式，同时，利用PEEK材料的自润滑特性降低摩擦功耗，从而提高螺杆压缩机的使用寿命、降低维护成本。
(2)采用该装置及方法，PEEK材料利用率得到了大幅度提高，实现螺杆压缩机转子锻轧复合成形，避免了传统机械铸造、加工和注塑工艺过程，节约PEEK材料约30％以上。
(3)显著地提高了产品的生产效率。保守计算，注塑一个螺杆转子PEEK层耗时约5分钟，加工时间较长，而锻轧复合成形过程耗时仅约15-20秒，显著地缩短了工艺时间。
(4)锻轧复合成形后PEEK材料流线保持连续并沿着转子外形分布，内部组织变化均匀，零件的成形精度和组织性能得到很大改善。

Claims (7)

1.一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法，其特征在于，将PEEK管以过度配合方式装配到不锈钢芯上，并经过滚轧缩径阶段、锻挤压内限位槽阶段、滚轧整形阶段和滚轧压外螺纹阶段后，形成转子成品；
所述不锈钢芯整体呈哑铃状，两端直径为d，中间部分的外表面直径为d-2h,且中间部分外表面设有限位槽，所述中间部分长度为L，h为不锈钢芯轴肩高度；
所述PEEK管的内径D等于所述不锈钢芯的两端的直径，且长度H小于L；
通过所述滚轧缩径阶段后，所述PEEK管的内径收缩到等于中间部分的外表面直径，即D收缩到(1~1.1)（d-2h）；
通过所述锻挤压内限位槽阶段后，所述PEEK管的内壁经挤压产生形变，形成与不锈钢芯中间部分的限位槽对应的限位凸起；此时所述PEEK管的外径大于或者等于d；
通过所述滚轧整形阶段，所述PEEK管的外径等于d；
通过所述滚轧压外螺纹阶段，所述PEEK管的外表面形成螺纹。
2.根据权利要求1所述的一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法，其特征在于，所述不锈钢芯的中间部位与两端肩部之间设有倒圆，所述倒圆半径为r。
3.根据权利要求2所述的一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法，其特征在于，所述h=(0.1~0.2)d，r=(1~1.1)h，H=(0.8~0.9)L。
4.根据权利要求1所述的一种PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法，其特征在于，所述限位槽和对应的限位凸起均为螺纹。
5.一种根据权利要求1～4中任一项所述的PEEK材料螺杆压缩机转子锻轧复合成形方法对应的装置,其特征在于，包括工作平台、加热箱、水平导轨、锻轧复合成形机构；
所述加热箱、水平导轨、锻轧复合成形机构均安装在所述工作平台上；
所述加热箱的加热区域内设有固定转子的不锈钢顶针；
所述锻轧复合成形机构包括一对锻轧复合成形模具轮和一对L型板，所述锻轧复合成形模具轮安装在所述L型板上，所述L型板可滑动安装在所述水平导轨上；且所述水平导轨垂直所述不锈钢顶针铺设，两个锻轧复合成形模具轮分别设置在所述不锈钢顶针的两侧；通过第一驱动装置带动，两个L型板同步向所述不锈钢顶针移动；通过第二驱动装置带动，两个锻轧复合成形模具轮同步转动；
所述锻轧复合成形模具轮的周部包括锻造工作面、整形工作面和轧制工作面；
所述装置应用于不锈钢芯和加工PEEK管，将PEEK管和不锈钢芯锻轧复合成一体的转子；所述锻造工作面为内凹的圆弧形，所述整形工作面为外凸的圆弧形，所述轧制工作面具有螺纹。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述加热箱包括电阻丝、温度探头和制冷压缩机，所述温度探头靠近所述不锈钢顶针安装。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一驱动装置包括伺服电机和曲柄连杆机构；所述曲柄连杆机构一端连接伺服电机，另一端连接并带动两个L型板同步且反向运动。
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