CN107671159B - 超声振动辅助脱模的限制性模压模具及晶粒细化方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的超声振动辅助脱模的限制性模压模具及晶粒细化方法，涉及模具加工制造及其使用方法，具体为一种能够使工件获得大累积应变的模具，以及喜欢材料晶粒尺寸的工艺方法。限制性模压模具包括：模架、超声辅助脱模装置、模腔；超声辅助脱模装置和模腔一同装于模架中；本发明具有结构新颖、加工简便、操作简便、工件适应性好、应变分布均匀、脱模方便、磨损小等特点，故属于一种集经济性与实用性为一体的新型超声振动辅助脱模的限制性模压模具及晶粒细化方法。

Description

超声振动辅助脱模的限制性模压模具及晶粒细化方法

技术领域

本发明所述的超声振动辅助脱模的限制性模压模具及晶粒细化方法，涉及模具加工制造及其使用方法，具体为一种能够使工件获得大累积应变的模具，以及喜欢材料晶粒尺寸的工艺方法。

背景技术

随着汽车、航天、核能源产业的快速发展，具有优越机械、加工性能的材料得到广泛重视。降低金属或合金材料的平均晶粒尺寸到超细晶范畴(亚微米及其以下)，是提高其机械、加工性能的一种重要方法，超细晶金属或合金材料在室温下的材料比强度大幅提高，并且具有高应变率超塑性性能，从而有利于材料的精密加工和塑性微成形。制造超细晶材料有两种方式，即自下而上法和自上而下法。自下而上法通过排列原子和逐层堆叠产生纳米结构，但是这种方法极易导致多孔结构缺陷，难以适用于工业制造；另一种自上而下的方法利用剧烈塑性变形可使金属晶粒细化的特点，是制造超细晶材料的有效方式之一。目前常见的剧烈塑性变形方法包括限制性模压、等径角挤压、高压扭转、累积叠轧、多向锻造和反复镦压，大部分方法的研究对象仍为小试样，难以应用于工业化。

限制性模压作为一种剧烈塑性变形方法，使金属材料在模具中反复变形且不改变原始尺寸，从而获得大累积应变，适用于超细晶薄板件的制造。目前，限制性模压通常使用普通的梯形齿槽模具，齿形分布一般为非回转对称，通过反转工件使变形均匀，通过后续热处理使晶粒得到细化。此种方法通常适用于矩形薄板工件，对于圆形薄板工件具有较大的局限性，且模具加工成本和难度较大。

限制性模压中传统的脱模方式多为接触式，对硬度、刚度较低的工件带来较大的损伤或变形。本发明提出了利用超声振动辅助工件脱模的非接触式的新型脱模方法。在超声波能量的作用下，液体润滑剂发生“超声波空化”现象，在瞬间产生较大的冲击力；另外超声振动还会带来减摩效应，将接触的两物体由无振动时的持续接触变为间歇性接触，从而减少摩擦力，有利于工件的自动脱模。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的超声振动辅助脱模的限制性模压模具及晶粒细化方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

鉴于上述现有限制性模压模具适应性差、应变分布不均匀、模具加工困难和经济性差、脱模困难等缺点，本发明研究设计了一种超声振动辅助脱模的限制性模压模具，以及一种晶粒细化的加工方法，以适应矩形、圆形薄板工件的加工，有效解决了现有模具存在的不足。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

本发明所述的超声振动辅助脱模的限制性模压模具，其特征在于：所述的限制性模压模具包括：模架、超声辅助脱模装置、模腔；超声辅助脱模装置和模腔一同装于模架中；

本发明所述的模架包括：模柄、上固定板、上垫板、限位柱、导柱及下固定板；模柄通过螺栓与上固定板连接；上垫板通过螺栓装于上固定板的下部；限位柱通过螺纹与下固定板连接；下垫板置于下固定板上部的凹槽内；上固定板与下固定板通过导柱相连接；

本发明所述的超声辅助脱模装置包括：超声振动发生器、限位块、橡胶减震环；超声振动发生器置于上垫板上部的中心孔内；橡胶减震环套装于连接上垫板与上固定板的螺栓上，并置于上垫板与上固定板之间；限位块通过螺栓固定于上垫板的上部；

本发明所述的模腔包括：可更换上模及可更换下模；

本发明所述的可更换上模通过螺栓装于上垫板的下部；可更换上模包括三种不同槽型的凹模Ⅰ、凹模Ⅱ及凹模Ⅲ；所述的凹模Ⅰ的下端面加工有45°梯形齿槽，且齿高、齿槽底宽及相邻两槽间距的比例为1:2:6；所述的凹模Ⅱ为平模；所述的凹模Ⅲ的下端面加工有45°梯形齿槽，且齿高、齿槽底宽及相邻两槽间距的比例为1:1:3；

本发明所述的可更换下模通过螺栓与下垫板和下固定板连接为一体；可更换下模包括三种不同槽型的凸模Ⅰ、凸模Ⅱ及凸模Ⅲ；所述的凸模Ⅰ具有与凹模Ⅰ相匹配的凸起模型；所述的凸模Ⅱ为平模；所述的凸模Ⅲ具有与凹模Ⅲ相匹配的凸起模型。

本发明所述的超声振动发生器将特定信号转化成超声机械振动，所述的特定信号包括：电流、电压、磁场强度，通过换能器转化成20kHz的机械振动，使润滑剂发生空化，减少工件与可更换上摸的摩擦。

本发明所述的可更换上摸与可更换下模相比均与工件有更多接触面积，从而保证工件在充分变形之后嵌入在可更换上模内，脱模时，通过超声辅助脱模装置，使工件在重力和超声振动作用下自动脱模。

本发明所述的晶粒细化方法为：

1)、在上垫板与下垫板上装配模腔；所述的模腔选择凹模Ⅰ和凸模Ⅰ，并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

2)、将工件放入步骤1)所述的均匀涂抹液体润滑剂的模腔内；启动外部压力装置通过模柄带动模架下压凹模Ⅰ直至工件充分变形，在上述加工过程中工件由平板工件加工为变形工件Ⅰ，在变形工件Ⅰ的变形区的剪切应变为ε，未变形区不产生应变；

3)、通过外部压力装置升起凹模Ⅰ，启动超声辅助脱模装置工作使工件脱模；

4)、更换模腔，所述的模腔选择凹模Ⅱ和凸模Ⅱ；并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

5)、将变形工件Ⅰ放入到步骤3)所更换的模腔内，启动外部压力装置通过模柄(1)带动模架下压凹模Ⅱ直至压平工件，在上述加工过程中工件由变形工件Ⅰ加工为变形工件Ⅱ，在变形工件Ⅱ的变形区的剪切应变为2ε，未变形区不产生应变；

6)通过外部压力装置升起凹模Ⅱ，启动超声辅助脱模装置工作使工件脱模；

7)、更换模腔，所述的模腔选择凹模Ⅲ和凸模Ⅲ；并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

8)将变形工件Ⅱ放入到步骤7)做更换的模腔内；此时，在经过步骤2)加工未变形的部分处于变形区，已经获得2ε剪切应变的部分处于非变形区，启动外部压力装置通过模柄带动模架下压凹模Ⅲ直至工件充分变形，在上述加工过程中工件由变形工件Ⅱ加工为变形工件Ⅲ，在变形工件Ⅲ的变形区的剪切应变为ε，未变形区不产生应变；

9)、通过外部压力装置升起凹模Ⅲ，启动超声辅助脱模装置工作使工件脱模；

10)、更换模腔，所述的模腔选择凹模Ⅱ和凸模Ⅱ；并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

11)、将变形工件Ⅲ(8-4)放入到步骤10)做更换的模腔内；启动外部压力装置通过模柄带动模架下压凹模Ⅱ直至压平工件，在上述加工过程中工件由变形工件Ⅲ加工为变形工件Ⅳ，在变形工件Ⅳ的变形区的剪切应变为2ε，未变形区不产生应变，此时整个工件获得均匀分布且数值为2ε的剪切应变；

12)、重复步骤1)-11)直至工件获得理想的累积应变为止；

本发明所述的工件由于具有不同的累积应变，应进行不同温度、时间的热处理，得到不同程度细化的晶粒组织。

本发明所述的工件为矩形或是圆形薄板在经过上述步骤1)-11)的加工后，能够获得对称、均匀的变形，并且在脱模过程中受到较小的损伤。

本发明的优点是显而易见的，主要表现在：

与现有装置及技术相比，本发明所述的一种超声辅助脱模的限制性模压模具及晶粒细化方法具有以下优点：

1、通过对模具槽型的重新设计，能够使模具的加工成本大大降低，所述模具不仅可以加工成直槽，还可以加工成回转槽，分别对应于矩形和圆形工件的加工；其次，本发明中的模具与现有模具相比，能够使工件获得更为均匀的应变分布，从而使工件再结晶分布以及微观组织分布更均匀。

2、所述脱模装置通过超声振动对液体润滑剂所产生的空化作用以及超声振动减摩作用，使工件在自身重力的作用下自行脱模，尽可能减少了工件在传统脱模过程中受到的损伤，精简了现有模具复杂的脱模结构，减少模具制造成本，提高加工效率。

3、所述晶粒细化方法使用所述的超声振动辅助脱模的限制性模压模具，能够通过控制重复加工的次数，准确控制所加工工件的等效应变值；通过已有的热处理工艺数据，分别采用不同的热处理温度以及保温时间，准确获得所需的晶粒尺寸，从而改变材料的机械和加工性能以满足特定的需求。

适应性差、应变分布不均匀、模具加工困难和经济性差、脱模困难

本发明具有结构新颖、加工简便、操作简便、工件适应性好、应变分布均匀、脱模方便、磨损小等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

附图说明

本发明共有幅附图,其中：

附图1为本发明结构示意图；

附图2为本发明实施例所述的三种凹、凸模具，以及加工顺序；

附图3为附图2的A部放大视图；

附图4为附图2的B部放大视图；

附图5为本发明工件在不同工步加工后的结构、应变累积过程示意图；

附图6为附图5的C部放大视图；

附图7为附图5的D部放大视图；

附图8为本发明实施例所述的晶粒细化方法流程图。

在图中：1模柄 2超声振动发生器 3上固定板 4限位块 5橡胶减震环 6上模 6-1、凹模Ⅰ 6-2、凹模Ⅱ 6-3、凹模Ⅲ 7上垫板 8工件 8-1、平板工件 8-2、变形工件Ⅰ 8-3、变形工件Ⅱ 8-4、变形工件Ⅲ 8-5、变形工件Ⅳ 9限位柱 10下模 10-1、凸模Ⅰ 10-2、凸模Ⅱ10-3、凸模Ⅲ 11下垫板 12导柱 13下固定板 a、未变形区 b、剪切变形区，剪切应变为εc、剪切变形区，剪切应变为2ε。

具体实施方式

本发明的具体实施例如附图所示，超声振动辅助脱模的限制性模压模具，包括：模架、超声辅助脱模装置、模腔；超声辅助脱模装置和模腔一同装于模架中；

模架包括：模柄1、上固定板3、上垫板7、限位柱9、导柱12及下固定板13；模柄1通过螺栓与上固定板3连接；上垫板7通过螺栓装于上固定板3的下部；限位柱9通过螺纹与下固定板13连接；下垫板11置于下固定板13上部的凹槽内；上固定板3与下固定板13通过导柱12相连接；

超声辅助脱模装置包括：超声振动发生器2、限位块4、橡胶减震环5；超声振动发生器2置于上垫板7上部的中心孔内；橡胶减震环5套装于连接上垫板7与上固定板3的螺栓上，并置于上垫板7与上固定板3之间；限位块4通过螺栓固定于上垫板7的上部；

模腔包括：可更换上模6及可更换下模10；

可更换上模6通过螺栓装于上垫板7的下部；可更换上模6包括三种不同槽型的凹模Ⅰ6-1、凹模Ⅱ6-2及凹模Ⅲ6-3；所述的凹模Ⅰ6-1的下端面加工有45°梯形齿槽，且齿高、齿槽底宽及相邻两槽间距的比例为1:2:6；所述的凹模Ⅱ6-2为平模；所述的凹模Ⅲ6-3的下端面加工有45°梯形齿槽，且齿高、齿槽底宽及相邻两槽间距的比例为1:1:3；

可更换下模10通过螺栓与下垫板11和下固定板13连接为一体；可更换下模10包括三种不同槽型的凸模Ⅰ10-1、凸模Ⅱ10-2及凸模Ⅲ10-3；所述的凸模Ⅰ10-1具有与凹模Ⅰ6-1相匹配的凸起模型；所述的凸模Ⅱ10-2为平模；所述的凸模Ⅲ10-3具有与凹模Ⅲ6-3相匹配的凸起模型。

超声振动发生器2将特定信号转化成超声机械振动，所述的特定信号包括：电流、电压、磁场强度，通过换能器转化成20kHz的机械振动，使润滑剂发生空化，减少工件与可更换上摸6的摩擦。

可更换上摸6与可更换下模10相比均与工件有更多接触面积，从而保证工件在充分变形之后嵌入在可更换上模6内，脱模时，通过超声辅助脱模装置，使工件在重力和超声振动作用下自动脱模。

一种超声振动辅助脱模的限制性模压模具的晶粒细化方法：其特征在于所述的晶粒细化方法为：

1)、在上垫板7与下垫板11上装配模腔；所述的模腔选择凹模Ⅰ6-1和凸模Ⅰ10-1，并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

2)、将工件8放入步骤1)所述的均匀涂抹液体润滑剂的模腔内；启动外部压力装置通过模柄1带动模架下压凹模Ⅰ6-1直至工件充分变形，在上述加工过程中工件8由平板工件8-1加工为变形工件Ⅰ8-2，在变形工件Ⅰ8-2的变形区的剪切应变为ε，未变形区不产生应变；

3)、通过外部压力装置升起凹模Ⅰ6-1，启动超声辅助脱模装置工作使工件脱模；

4)、更换模腔，所述的模腔选择凹模Ⅱ6-2和凸模Ⅱ10-2；并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

5)、将变形工件Ⅰ8-2放入到步骤3)所更换的模腔内，启动外部压力装置通过模柄(1)带动模架下压凹模Ⅱ6-2直至压平工件，在上述加工过程中工件8由变形工件Ⅰ8-2加工为变形工件Ⅱ8-3，在变形工件Ⅱ8-3的变形区的剪切应变为2ε，未变形区不产生应变；

6)通过外部压力装置升起凹模Ⅱ6-2，启动超声辅助脱模装置工作使工件脱模；

7)、更换模腔，所述的模腔选择凹模Ⅲ6-3和凸模Ⅲ10-3；并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

8)将变形工件Ⅱ8-3放入到步骤7)做更换的模腔内；此时，在经过步骤2)加工未变形的部分处于变形区，已经获得2ε剪切应变的部分处于非变形区，启动外部压力装置通过模柄1带动模架下压凹模Ⅲ6-3直至工件充分变形，在上述加工过程中工件8由变形工件Ⅱ8-3加工为变形工件Ⅲ8-4，在变形工件Ⅲ8-4的变形区的剪切应变为ε，未变形区不产生应变；

9)、通过外部压力装置升起凹模Ⅲ6-3，启动超声辅助脱模装置工作使工件脱模；

10)、更换模腔，所述的模腔选择凹模Ⅱ6-2和凸模Ⅱ10-2；并在模腔内均匀涂抹液体润滑剂；

11)、将变形工件Ⅲ8-4放入到步骤10)做更换的模腔内；启动外部压力装置通过模柄1带动模架下压凹模Ⅱ6-2直至压平工件，在上述加工过程中工件8由变形工件Ⅲ8-4加工为变形工件Ⅳ8-5，在变形工件Ⅳ8-5的变形区的剪切应变为2ε，未变形区不产生应变，此时整个工件获得均匀分布且数值为2ε的剪切应变；

12)、重复步骤1)-11)直至工件8获得理想的累积应变为止；

工件8由于具有不同的累积应变，应进行不同温度、时间的热处理，得到不同程度细化的晶粒组织。

工件8为矩形或是圆形薄板在经过上述步骤1)-11)的加工后，能够获得对称、均匀的变形，并且在脱模过程中受到较小的损伤。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超声振动辅助脱模的限制性模压模具，包括：模架和超声辅助脱模装置；模架包括：模柄(1)、上固定板(3)、上垫板(7)、限位柱(9)、导柱(12)及下固定板(13)；模柄(1)通过螺栓与上固定板(3)连接；上垫板(7)通过螺栓装于上固定板(3)的下部；限位柱(9)通过螺纹与下固定板(13)连接；下垫板(11)置于下固定板(13)上部的凹槽内；上固定板(3)与下固定板(13)通过导柱(12)相连接；超声辅助脱模装置包括：超声振动发生器(2)、限位块(4)、橡胶减震环(5)；超声振动发生器(2)置于上垫板(7)上部的中心孔内；橡胶减震环(5)套装于连接上垫板(7)与上固定板(3)的螺栓上，并置于上垫板(7)与上固定板(3)之间；限位块(4)通过螺栓固定于上垫板(7)的上部；超声振动发生器(2)将特定信号转化成超声机械振动，所述的特定信号包括：电流、电压、磁场强度，通过换能器转化成20kHz的机械振动，使润滑剂发生空化，减少工件与可更换上模(6)的摩擦；

其特征在于：所述的限制性模压模具还包括：由可更换上模(6)和可更换下模(10)组成的模腔；

所述的可更换上模(6)通过螺栓装于上垫板(7)的下部；可更换上模(6)包括三种不同槽型的凹模Ⅰ(6-1)、凹模Ⅱ(6-2)及凹模Ⅲ(6-3)；所述的凹模Ⅰ(6-1)的下端面加工有45°梯形齿槽，且齿高、齿槽底宽及相邻两槽间距的比例为1:2:6；所述的凹模Ⅱ(6-2)为平模；所述的凹模Ⅲ(6-3)的下端面加工有45°梯形齿槽，且齿高、齿槽底宽及相邻两槽间距的比例为1:1:3；

所述的可更换下模(10)通过螺栓与下垫板(11)和下固定板(13)连接为一体；可更换下模(10)包括三种不同槽型的凸模Ⅰ(10-1)、凸模Ⅱ(10-2)及凸模Ⅲ(10-3)；所述的凸模Ⅰ(10-1)具有与凹模Ⅰ(6-1)相匹配的凸起模型；所述的凸模Ⅱ(10-2)为平模；所述的凸模Ⅲ(10-3)具有与凹模Ⅲ(6-3)相匹配的凸起模型；

所述的可更换上模(6)与可更换下模(10)相比均与工件有更多接触面积，从而保证工件在充分变形之后嵌入在可更换上模(6)内，脱模时，通过超声辅助脱模装置使工件在重力和超声振动作用下自动脱模。

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