阅读说明：本技术 一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备 (Current-assisted large-area array microstructure asynchronous roll forming equipment ) 是由 孟宝 杜默 万敏 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备,包括机架平台、轧辊机构、调节机构、驱动装置及加电装置。其中,驱动装置安装在机架平台组件上,轧辊机构与机架平台组件固定安装,调节机构与轧辊机构连接,轧辊机构和加电装置连接,传感装置安装在轧辊机构上。本发明实现了电流辅助成形与辊压工艺的集成,适用于电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形,该设备能够实现上、下辊转速异步控制及位置精确可调,集成辊压力/电流/温度实时检测等功能,解决了微结构尺寸精度低,加工效率低,微结构充填一致性和表面光洁度差等缺陷,从而实现阵列微结构的精确、高效和成形成性一体化制造。(The invention provides a current-assisted large-area array microstructure asynchronous roll forming device which comprises a rack platform, a roll mechanism, an adjusting mechanism, a driving device and a power-up device. The driving device is installed on the rack platform assembly, the roller mechanism is fixedly installed on the rack platform assembly, the adjusting mechanism is connected with the roller mechanism, the roller mechanism is connected with the power-on device, and the sensing device is installed on the roller mechanism. The invention realizes the integration of current-assisted forming and rolling process, is suitable for asynchronous rolling forming of current-assisted large-area array microstructure, can realize asynchronous control of the rotating speed of the upper and lower rollers and accurate adjustment of the position, integrates the functions of roller pressure/current/temperature real-time detection and the like, and solves the defects of low dimensional precision, low processing efficiency, filling consistency of the microstructure, poor surface finish quality and the like of the microstructure, thereby realizing the integrated manufacturing of the accuracy, the high efficiency and the forming performance of the array microstructure.)

一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备

技术领域

本发明属于轧制技术领域，涉及一种微结构阵列表面异步辊压成形设备，尤其涉及一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备。

背景技术

大面积阵列微结构在航空、航天、电子、医疗以及农业等领域发挥重要作用。目前，阵列微结构主要采用化学刻蚀、铣削、激光增材制造和机械压印等方法加工，这些方法存在制造效率低，微特征尺寸难保证，难以实现大面积阵列制造，成本高等问题。其中，由于常温下金属材料屈服强度高，微介观尺度下摩擦阻力增大、模具磨损加剧等诸多问题，使得以传统冷压成形方法为主的机械压印制造的阵列微结构充填一致性和表面光洁度差，构件残余应力大，微观组织分布不均匀。虽然通过加热可以避免冷压印中的问题，但加热装置与保温设备增大了能量消耗和工艺复杂性。

另外，辊压成形设备也是以冷压成形为主，主要面向铝合金、铜合金等低强度材料阵列结构的制造，在成形高强合金阵列微结构时也存在制造的阵列微结构充填一致性和表面光洁度差，构件残余应力大，微观组织分布不均匀等上述问题。因此，期望开发一种专用设备来解决高强合金阵列微结构的制造难题。

脉冲电流的激励作用可以改变材料的微观物理本质以及宏观变形特性，降低材料变形抗力，提高材料内部的原子活性，改善材料的加工性能和塑性变形能力，具有效率高、成本低、工艺简单以及成形构件性能好、精度高、充填一致性好等优点，是一种绿色制造方法。

发明内容

为此，本发明提供了一种实现电流辅助成形与辊压工艺集成的电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备。该设备能够实现上、下辊转速异步控制及位置精确可调，集成辊压力/电流/温度实时检测等功能，解决了微结构尺寸精度低，加工效率低，微结构充填一致性和表面光洁度差等缺陷，从而实现阵列微结构的精确、高效和成形成性一体化制造。

本发明提供了一种电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备，包括机架平台、轧辊机构、调节机构、驱动装置及加电装置；

所述轧辊机构包括主动辊、从动辊、主动轴、从动轴和支撑组件，所述主动辊表面设置有阵列微结构并固定安装于所述主动轴上，所述主动轴通过所述支撑组件平置于所述机架平台的上方；所述从动辊固定安装于所述从动轴上，所述从动轴通过所述支撑组件平置于所述机架平台的上方；所述主动辊与所述从动辊平行设置且两者之间具有可调节间隙；

所述调节机构与所述主动轴连接，以便调节所述主动辊与所述从动辊之间间隙大小；

所述驱动装置包括用于驱动所述主动轴带动所述主动辊转动的主动辊驱动组件，以及用于驱动所述从动轴带动所述从动辊转动的从动辊驱动组件，所述主动轴与所述从动抽的转动方向相反；

所述加电组件包括脉冲电源、正极加电组件和负极加电组件，所述正极加电组件的一端与所述主动轴连接，另一端连接所述脉冲电源；所述负极加电组件的一端与所述从动轴连接，另一端连接所述脉冲电源。

在一些实施例中，所述调节机构可以包括蜗轮、蜗杆、偏心轮和驱动电机，所述驱动电机输出端与所述蜗杆连接，所述蜗杆与所述蜗轮啮合，所述蜗轮与所述偏心轮的外缘固定连接，所述偏心轮的中心凸缘与所述支撑组件转动连接，所述支撑组件上设置有贯穿的弧形导向槽，所述主动轴延伸穿过所述弧形导向槽与所述偏心轮的偏心孔连接，所述主动轴与所述弧形导向槽的槽面转动连接且能够沿着所述弧形导向槽移动；所述蜗轮带动所述偏心轮在垂直于所述主动辊的平面内绕中心凸缘转动，所述弧形导向槽、所述涡轮以及所述偏心轮同圆心。

在一些实施例中，所述主动辊驱动机构可以包括第一电机、第一齿轮、第二齿轮以及第一传动轴，所述第一电机固定安装于所述机架平台上，所述第一电机输出端通过所述第一传动轴与所述第一齿轮连接，所述第二齿轮与所述主动轴连接且与所述第一齿轮啮合，所述第一齿轮(16)和所述第二齿轮(17)的啮合深度和角度与所述主动辊与所述从动辊之间的间隙可调节范围相等；

所述从动辊驱动机构可以包括第二电机、第三齿轮、第四齿轮以及第二传动轴，所述第二电机固定安装于所述机架平台上，所述第二电机输出端通过所述第二传动轴与所述第三齿轮连接，所述第四齿轮与所述从动轴连接且与所述第三齿轮啮合。

在一些实施例中，所述正极加电组件包括正极加电模具及正极电缆，所述正极加电模具的一端与所述主动轴连接，所述正极电缆的一端连接所述脉冲电源，另一端与所述正极加电模具的另一端连接；所述负极加电组件包括负极加电模具及负极电缆，所述负极加电模具的一端与从动轴连接，所述负极电缆的一端连接所述脉冲电源，另一端与所述负极加电模具的另一端连接。

在一些实施例中，所述传感装置可以包括编码器、两个位移传感器、力传感器，温度传感器和自控台，所述编码器设置在所述偏心轮的侧边，用于检测所述偏心轮的偏转角度，以根据检测到的偏转角度控制所述偏心轮的旋转；两个位移传感器分别设置在所述主动轴和所述从动轴上，用于检验所述主动辊和所述从动辊以相互接触为起点所移动的距离，以便得到被辊压物的厚度；所述力传感器和所述温度传感器设置在所述从动辊上，以测量辊压力和温度；通过所述编码器、两个位移传感器、所述力传感器，所述温度传感器所收集到的数据呈现在所述自控台的显示屏上。

在一些实施例中，所述机架平台可以包括机架和固定安装在所述机架上的平台，所述机架包括型材焊接的三个结构相同的小型机架模块，所述平台由钢板直接切割而成。

在一些实施例中，所述支撑组件包括板对板垂直安装于所述机架平台上的第一固定板、第二固定板和第三固定板，所述主动轴两端分别转动连接于并延伸穿过第一固定板和第二固定板，所述从动轴两端分别转动连接于并延伸穿过第一固定板和第三固定板；

所述第一固定板和所述第二固定板在上端设置有三个支撑柱，各支撑柱两端分别与第一固定板和第二固定板固定连接。

在一些实施例中，所述第一固定板、所述第二固定板和所述第三固定板均可由绝缘耐高温电木板制成。

在一些实施例中，所述主动轴和所述从动轴分别通过轴承与所述支撑组件转动连接，所述主动轴和所述从动轴分别与所述轴承的内圈连接，所述轴承的外圈与所述支撑组件连接。

在一些实施例中，通过所述加电组件施加的电流从所述主动轴(6)接入，从所述从动轴(7)引出，所述主动轴(6)和所述轴承(5)的内圈之间可以设置有绝缘密封件，所述从动轴(7)和所述轴承(5)的内圈之间可以设置有绝缘密封件，以避免电流引入到所述机架平台。

本发明的有益效果：

1)本发明将电流场引入到阵列微结构异步辊压成形工艺中，利用电致塑性和热效应机制降低材料变形抗力，改善微观组织性能，适用于难变形合金大面积阵列微结构的高效、精密和形性一体制造。

2)本发明采用卧式设计，可实现上、下辊转速异步控制及下压位置精确可调，具有集辊压成形、校直于一体的特点；

3)本发明可更换主动辊，加工不同的微结构尺寸，操作简单，适应不同尺寸微结构的制造需求；

4)本发明可实时监测辊压力、变形温度及激励电流的变化，根据成形件的状态动态调整工艺参数，实现大面积阵列微结构的精确制造。

附图说明

图1为本发明实施例的电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的机架平台组件示意图；

图3为本发明实施例的轧辊机构示意图；

图4为本发明实施例的调节机构示意图；

图5为本发明实施例的驱动装置示意图；

图6为本发明实施例的加电装置示意图。

附图中：

1-机架；2-平台；3-主动辊；4-从动辊；5-轴承；6-主动轴；7-从动轴；8-支撑组件；8-1-第一固定板；8-2-第二固定板；8-3-第三固定板；9-角架；10-蜗轮；11-蜗杆；12-偏心轮；13-驱动电机；14-轴承座；15-第一电机；16-第一齿轮；17-第二齿轮；18-电机座；18’-第二电机座；19-第一传动轴；19’-第二传动轴；20-第二电机；21-第三齿轮；22-第四齿轮；23-脉冲电源；24-正极加电模具；25-正极电缆；26-负极加电模具；27-负极电缆；28-自控台。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明的电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备包括机架平台组件，轧辊机构，调节机构，驱动装置，加电装置及传感装置。其中，驱动装置安装在机架平台组件上，轧辊机构与机架平台组件固定安装，调节机构与轧辊机构连接，轧辊机构和加电装置连接，传感装置安装在轧辊机构上。

如图2所示，机架平台组件包括机架1和固定安装在机架1上的平台2，其中，为方便拆卸，机架1包括型材焊接的三个结构相同的小型机架模块，平台2由钢板直接切割而成，机架1和平台2通过螺栓连接。

如图1和3所示，轧辊机构包括主动辊3、从动辊4、轴承5、主动轴6、从动轴7、第一固定板8-1、第二固定板8-2、第三固定板8-3和角架9，其中，三个固定板通过角架9以板对板的形式垂直安装于平台2上，并且第一固定板8-1和第二固定板8-2的平面上均设置有贯穿的弧形导向槽，以与调节机构配合，实现主动辊3与从动辊4之间间隙的调节，后面将进行详细说明。如图所示，主动辊3表面设置有所需阵列微结构并且其通过过盈配合连接在主动轴6上，主动轴6的两端通过轴承5分别与第一固定板8-1和第二固定板8-2连接，轴承5的内圈与主动轴6过盈配合连接，轴承5的外圈通过间隙配合固定在第一固定板8-1和第二固定板8-2上。从动辊4通过过盈配合连接在从动轴7上，从动轴7的两端通过轴承5分别与第一固定板8-1和第三固定板8-3连接，轴承5的内圈与从动轴7过盈配合连接，轴承5的外圈通过间隙配合固定在第一固定板8-1和第三固定板8-3上。主动辊3与从动辊4平置于平台2的上方且相互平行设置同时两者之间设置有可调节间隙，主动辊3和从动辊4对位于两者间隙内的被辊压物进行辊压。

应该理解，若需要，主动轴6和从动轴7可以同时连接于同样的两个固定板上，或者，两者可以分别连接于不同的两个固定板上。

特别地，主动轴6和轴承5的内圈之间设置有绝缘密封件，从动轴7和轴承5的内圈之间设置有绝缘密封件，以保证通过加电组件施加的电流只经过主动轴6、主动辊3、从动轴7、从动辊4，不会影响例如齿轮、电机、机架1和平台2等部件，防止出现安全问题。

优选地，第一固定板8-1和第二固定板8-2上端可以通过三个支撑柱加固且便于安装。优选地，第一固定板8-1、第二固定板8-2和第三固定板8-3均由绝缘高温电木板加工而成，以适用于不同电流密度的辊压成形。

调节机构用于调节主动辊3与从动辊4之间的间隙，以使本发明能够适用于不同深度微沟槽、不同厚度板材的加工制造。为保证主动辊3平行移动，在主动轴6两侧各设置一个调节机构，两侧的调节机构相同，为避免赘述，下面仅以一侧来说明。如图1所示(仅示出一侧调节机构)，调节机构包括蜗轮10、蜗杆11、偏心轮12、驱动电机13及轴承座14，其中，偏心轮12的中心凸缘通过轴承5与主动辊驱动组件的传动轴间隙配合固定，驱动电机13与第一固定板8-1通过螺钉固定，轴承座14与第一固定板8-1通过螺钉连接，蜗轮10与偏心轮12的外周固定啮合连接，蜗轮10与蜗杆11啮合设置，蜗杆11与轴承座14通过轴承5间隙配合固定，驱动电机13与蜗杆11通过轴孔间隙配合连接，主动轴6穿过第一固定板8-1上的弧形导向槽，与偏心轮12的偏心孔通过轴承5间隙配合连接。在间隙调节过程中，驱动电机13带动蜗杆11沿平行于平台2且垂直于主动轴6的方向转动，以带动蜗轮10在垂直于主动辊3及主动轴6的平面内转动，蜗轮10带动偏心轮12在该平面内绕旋转中心(即偏心轮12的中心凸缘)转动，进而带动主动轴6沿弧形导向槽滑动，以调节主动轴6与从动轴7之间的相对距离，从而调节主动辊3与从动辊4之间的间隙。

特别地，弧形导向槽、涡轮10以及偏心轮12同圆心。

此外，本发明分别采用主动辊驱动组件来驱动主动轴6带动主动辊3转动，以及采用从动辊驱动组件来驱动从动轴7带动从动辊4转动，这样两辊轮可以由两个伺服电机单独驱动，从而实现异步辊轧，集成形、校直于一体。如图5所示，主动辊驱动组件包括第一电机15、第一齿轮16、第二齿轮17、第一电机座18及第一传动轴19。其中，第一电机座18与平台2通过螺钉固定，第一电机15与第一电机座18通过轴孔间隙配合定位和螺钉固定，第一传动轴19与第一电机座18通过螺栓连接，第一传动轴19与第一固定板8通过轴承5连接，第一齿轮16与第一传动轴19间隙配合连接，第一齿轮16与第二齿轮17啮合设置，主动轴6与第二齿轮17配合连接且中间设置有密封件，使得第二齿轮17可以随着主动轴6沿固定板上的弧形导向槽移动。特别地，第一齿轮16与第二齿轮17的啮合深度和角度与主动辊3和从动辊4之间间隙的可调节范围的大小相等。在驱动过程中，第一齿轮16以第一传动轴19为转轴，第一电机15驱动第一齿轮16转动，第一齿轮16带动第二齿轮17转动，从而第二齿轮17带动主动轴6转动。

从动辊驱动组件包括第二电机20、第三齿轮21、第四齿轮22、第二电机座18’及第二传动轴19’，同样，第二电机座18’与平台2通过螺钉固定，第二电机20与第二电机座18’通过轴孔间隙配合定位和螺钉固定，第二传动轴19’与第二电机座18’通过螺栓连接，第三齿轮21与第二传动轴19’间隙配合连接，第三齿轮21与第四齿轮22啮合设置，从动轴7与第四齿轮22配合连接。在驱动过程中，第三齿轮21以第二传动轴19’为转轴；第二电机20驱动第三齿轮21转动，第三齿轮21带动第四齿轮22转动，从而第四齿轮22带动从动轴7转动。特别地，主动轴6与从动抽7的转动方向相反。

本发明的加电组件用于在金属零件辊压变形区施加电场，在本实施例中，轧辊机构的两端各设置一组加电组件，为了避免赘述，下面仅以一侧来说明。如图6所示，加电组件包括脉冲电源23、正极加电模具24、正极电缆25、负极加电模具26及负极电缆27，其中，正极加电模具24与主动轴6通过螺纹连接，正极电缆25的一端连接脉冲电源23，另一端与正极加电模具24通过螺栓和螺母固定连接；负极加电组件包括，负极加电模具26与从动轴7通过螺纹连接，负极电缆27的一端连接脉冲电源23，电流依次流过正极电缆20、正极加电模具19、主动轴6、主动辊3、金属工件、从动辊4、从动轴7、负极加电模具21和负极电缆22。

最后，本发明的传感装置包括编码器、位移传感器、力传感器、温度传感器和自控台28，如图1所示。编码器设置在偏心轮12的侧边，用于检测偏心轮12的偏转角度，以根据偏转角度控制偏心轮12的旋转；位移传感器分别设置在主动轴6和从动轴7上，用于检验主动辊3和从动辊4以相互接触为起点所移动的距离，从而得到被辊压金属工件的厚度；力传感器和温度传感器设置在从动辊4上，测量辊压力和温度；所收集到的数据呈现在自控台28的显示屏上。

下面通过本发明的成形设备的使用方法来进一步说明本发明，具体步骤如下：

1)将上述各部分零件按照如图1所示安装；

2)根据所需要加工的金属工件的厚度，启动驱动电机13，带动蜗杆11转动，使蜗轮10转动，带动偏心轮12转动，从而带动主动轴6升/降；

3)调整完毕后，关闭驱动电机13，将金属工件安装在夹具上，使金属工件放在主动辊3和从动辊4之间并刚好接触；

4)打开脉冲电源23；

5)启动第一电机15和第二电机20，调整电动机转速，得到所需的辊压速度，待温度稳定后开始电流辅助阵列微结构辊压成形实验。

利用本发明所设计的电流辅助大面积阵列微结构异步辊压成形设备加工出的微沟槽结构，优良的性能，可以应用在紧凑快速强换热器上，在保证加工精度的同时大幅降低了成本。

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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。