一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备及成形方法
阅读说明：本技术 一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备及成形方法 (Multidirectional composite ultrasonic vibration auxiliary extrusion forming processing equipment and forming method ) 是由 韩光超 沈豫楚 张召臣 程健峰 张海鸥 王桂兰 孙明 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备,包括上压板、下压板、双换能器超声振动平台和至少一个超声振动系统,上压板和下压板相对设置,双换能器超声振动平台固定于上压板,下压板上设有挤压成形模具,超声振动系统固定在挤压成形模具周围,双换能器超声振动平台包括超声变幅器,超声变幅器的下端面至少设有一个竖向挤压工具,超声振动系统包括变幅杆,变幅杆末端设有横向挤压工具,通过分别控制双换能器超声振动平台和超声振动系统可实现多向复合超声振动辅助挤压成形加工。本发明的有益效果：通过在较小的空间高度内安装双换能器超声振动平台和多个超声振动系统,实现对待成型工件进行多向超声辅助挤压成形加工。(The invention provides a multidirectional composite ultrasonic vibration auxiliary extrusion forming processing device which comprises an upper pressing plate, a lower pressing plate, a double-transducer ultrasonic vibration platform and at least one ultrasonic vibration system, wherein the upper pressing plate and the lower pressing plate are oppositely arranged, the double-transducer ultrasonic vibration platform is fixed on the upper pressing plate, an extrusion forming die is arranged on the lower pressing plate, the ultrasonic vibration system is fixed around the extrusion forming die, the double-transducer ultrasonic vibration platform comprises an ultrasonic amplitude transformer, at least one vertical extrusion tool is arranged on the lower end face of the ultrasonic amplitude transformer, the ultrasonic vibration system comprises an amplitude transformer, a transverse extrusion tool is arranged at the tail end of the amplitude transformer, and multidirectional composite ultrasonic vibration auxiliary extrusion forming processing can be realized by respectively controlling the double-transducer ultrasonic vibration platform and the ultrasonic vibration system. The invention has the beneficial effects that: the bidirectional ultrasonic auxiliary extrusion forming processing of the workpiece to be formed is realized by mounting the double-transducer ultrasonic vibration platform and the plurality of ultrasonic vibration systems in a small space height.)
技术领域
本发明涉及挤压成形设备技术领域，尤其涉及一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备及成形方法。
背景技术
超声振动辅助成形工艺是目前金属零件塑性成形领域前沿研究方向之一。在超声振动辅助塑性成形工艺中，超声系统通过超声电源、超声换能器和超声变幅杆将产生超声频机械振动并将振动的幅值增大，传递给塑性成形工具或被加工工件，使其产生高频谐振，从而实现超声振动辅助塑性成形加工过程。
在现有的超声振动辅助常规挤压成形工艺研究中，超声换能器与超声变幅杆组成的超声振动系统一般沿竖直挤压方向设置，超声变幅杆的末端与常规挤压工具连接为一个整体并实现竖直方向或水平方向的高频振动，由于竖直放置的超声设备需要较大的安装空间，并且施加的超声振动只能施加在挤压工具上，且挤压方向只能在单一竖直方向或水平方向，不能同时实现多个方向的复合超声挤压，不仅不利于在现有压力机上进行安装，而且施加的超声效果也没有达到最佳。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备及成形方法。
本发明的实施例提供一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备，包括上压板、下压板、双换能器超声振动平台和至少一个超声振动系统，所述上压板和所述下压板相对设置，所述双换能器超声振动平台固定于所述上压板，所述下压板上设有挤压成形模具，所述超声振动系统固定在所述挤压成形模具周围，所述双换能器超声振动平台包括超声变幅器，所述超声变幅器的下端面至少设有一个竖向挤压工具，所述超声振动系统包括变幅杆，所述变幅杆末端设有横向挤压工具，所述双换能器超声振动平台用于驱动所述竖向挤压工具在竖直方向上产生超声振动，所述超声振动系统用于驱动所述横向挤压工具在水平方向上产生超声振动。
进一步地，所述双换能器超声振动平台还包括两超声换能器和两超声变幅杆，所述超声变幅器的左右两端分别连接两所述超声变幅杆的一端，两所述超声变幅杆的另一端分别连接一所述超声换能器，所述双换能器超声振动平台是以所述超声变幅器为中心左右对称的直线型结构。
进一步地，所述超声变幅器为多孔超声变幅器，所述超声变幅器的下端面设有若干盲孔，所述竖向挤压工具通过所述盲孔固定于所述超声变幅器的下端面。
进一步地，所述挤压成形模具内设有成形腔，所述成形腔内用于放置待成形工件。
进一步地，还包括机架，所述上压板和所述下压板位于所述机架内，所述机架上方设有驱动装置，所述驱动装置的输出轴连接丝杠，所述丝杆连接所述上压板，所述驱动装置用于驱动所述丝杠转动，所述丝杠带动所述上压板上升或下降。
进一步地，所述机架上端设有向下延伸的固定杆，所述超声振动系统通过所述固定杆固定在所述挤压成型模具周围。
进一步地，所述竖向挤压工具和所述横向挤压工具均为阶梯型圆柱体。
进一步地，所述挤压成形模具的侧面和顶面均设有若干***孔，所述***孔的孔径与所述竖向挤压工具和所述横向挤压工具末端的外径相同，且所述挤压成形模具侧面和顶面上的所述***孔均连通所述成形腔。
进一步地，所有所述超声振动系统和所述双换能器超声振动平台分别连接一超声振动电源，并由其对应的所述超声振动电源驱动。
进一步地，一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备的成形方法，包括以下步骤：
S1、分别在所述超声变幅器的下端面和所述变幅杆的端面安装所述竖向挤压成形工具和所述横向挤压成形工具，将带有所述待成形工件的所述挤压成形模具固定在所述下压板的上表面；
S2、将所述横向微挤压成形工具***到所述挤压成形模具侧面的所述***孔内，使所述横向微挤压成形工具的末端接触并压紧所述待成形工件的左侧面；控制所述上压板下降，使所述竖向微挤压成形工具穿过所述挤压成形模具顶面的所述***孔，并使得使所述竖向微挤压成形工具的末端接触并压紧所述待成形工件的上表面；
S3、开启所述超声振动电源，所述超声振动电源将低频电信号转换为超声频电信号，所述超声换能器将超声频电信号转换为超声频的机械振动波输出，所述超声变幅杆将所述超声换能器输出的水平超声振幅放大；所述超声变幅器支撑所述竖向挤压成形工具实现竖直方向的超声谐振，所述变幅杆支撑所述横向挤压成形工具实现横向超声谐振，所述竖向挤压成形工具持续运动到预定位置完成对所述待成形工件的挤压成形加工；
S4、所述待成形工件完成挤压成形后，先移除所述超声振动系统，再升起所述上压板，将所述竖向挤压成形工具和已成形的工件分离，关闭所述超声振动电源，完成所述待成形工件的多向复合超声振动辅助挤压成形。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明的横向超声振动系统使用常规的超声系统，适用于采用较大尺寸模具的挤压成形加工，且可根据实际加工需要在模具水平方向360°的范围内施加不同角度和不同数量的横向超声振动系统，以降低试样加工压力成形设备的改造成本和工艺实现难度。
2、本发明所提供的复合超声振动辅助常规挤压成形加工设备不仅能同时实施被成形工件和常规工具以及坯料横向振动的复合辅助超声振动，还能单独实施被成形工件或常规工具及坯料单一辅助超声振动，还可以实现工具加水平方向和工件加水平方向的两两组合的振动，从而能实现多种超声辅助常规工艺成形过程。
3、本发明所提供的多向复合超声辅助常规挤压成形方法通过工具、工件的复合超声振动有利于实现并改善金属材料的横向流动能力，改善金属在水平方向流动性不好的问题。
4、本发明所提供的多向复合超声振动辅助常规挤压成形加工设备及其成形方法还可广泛应用于其它超声振动辅助挤压成形过程，特别是同时涉及到纵向和横向流动工艺的零件挤压成形过程，如挤压T型零件和带法兰的零件，具有较广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备的结构示意图一。
图2是本发明一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备的结构示意图二。
图3是本发明一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备的左示意图。
图4是图1中挤压成形模具12的结构示意图。
图中：1-机架，2-上压板，3-下压板，4-驱动装置，5-丝杠，6-固定杆，7-双换能器超声振动平台，8-超声振动系统，9-超声变幅器，10-变幅杆，11-竖向挤压工具，12-挤压成形模具，13-横向挤压工具，14-超声换能器，15-超声变幅杆，16-超声振动电源，17-***孔，18-成形腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备，包括机架1、上压板2、下压板3、双换能器超声振动平台7和至少一个超声振动系统8。
所述上压板2和所述下压板3相对设置，所述上压板2和所述下压板3位于所述机架1内，所述机架1上方设有驱动装置4，所述驱动装置4的输出轴连接丝杠5，所述丝杆5连接所述上压板2，所述驱动装置4用于驱动所述丝杠5转动，所述丝杠5带动所述上压板2上升或下降，本实施例中所述驱动装置4为伺服电机或其他动力设备。
所述双换能器超声振动平台7固定于所述上压板2的下表面，所述下压板3的上表面设有挤压成形模具12，所述挤压成形模具12内设有成形腔18，所述成形腔18内用于放置待成形工件。
所述双换能器超声振动平台7包括超声变幅器9、两超声换能器14和两超声变幅杆15，所述超声变幅器9的左右两端分别连接两所述超声变幅杆15的一端，两所述超声变幅杆15的另一端分别连接一所述超声换能器14，所述双换能器超声振动平台7是以所述超声变幅器9为中心左右对称的直线型结构，且所述超声变幅器9、两所述超声换能器14和所述两超声变幅杆15的中心轴线均在同一条线上。
所述超声变幅器9为多孔超声变幅器，所述超声变幅器9的下端面至少设有一个竖向挤压工具11，所述超声变幅器9的下端面设有若干盲孔(附图中未画出)，本实施例中所述超声变幅器9的上端面也对称设有若干盲孔，以供在实际使用过程中进行选用，所述竖向挤压工具11通过所述盲孔固定于所述超声变幅器9的下端面，本实施例中所述竖向挤压工具11采用螺纹连接的方式固定在所述盲孔内。
请参考图1和图3，所述超声振动系统8为常规超声振动系统，所述超声振动系统8包括变幅杆10，所述变幅杆10末端设有横向挤压工具13，所述竖向挤压工具11和所述横向挤压工具13均为圆柱体。
所述超声振动系统8通过固定杆6固定在所述挤压成形模具12周围，具体的，所述机架1上端设有向下延伸的所述固定杆6，所述固定杆6连接所述超声振动系统8。本实施例中所述挤压成形模具12由于横向空间充足且所述超声振动系统8与所述双换能器超声振动平台7相比体积较小，实际使用时可根据挤压工艺需要，在所述挤压成形模具12水平方向360°范围内设置不同角度和不同数量的所述超声振动系统8，必要时可将所述超声振动系统8进行叠放，即可在不同方向和不同位置增加所需的所述超声振动系统8，以实现水平方向的多向复合超声振动。
所有所述超声振动系统8和所述双换能器超声振动平台7分别连接一超声振动电源16，并由其对应的所述超声振动电源16驱动，本实施例中各所述超声振动系统8可共用同一所述超声振动电源16。
请参考图1和图4，所述挤压成形模具12的侧面和顶面均设有若干***孔17，所述***孔17的孔径与所述竖向挤压工具11和所述横向挤压工具13末端的外径相同，且所述挤压成形模具12侧面和顶面上的所述***孔17均连通所述成形腔18。
所述双换能器超声振动平台7用于驱动所述竖向挤压工具11在竖直方向上产生超声振动，所述超声振动系统8用于驱动所述横向挤压工具13在水平方向上产生超声振动，本发明可分别通过启动或关闭连接所述双换能器超声振动平台7和各所述超声振动系统8的所述超声振动电源16，实现多种超声辅助加工方式。
请参考图1-图4，一种多向复合超声振动辅助挤压成形加工设备的成形方法，包括以下步骤：
S1、分别在所述超声变幅器9的下端面和所述变幅杆10的端面安装所述竖向挤压成形工具和所述横向挤压成形工具，将带有所述待成形工件的所述挤压成形模具12固定在所述下压板3的上表面；
S2、将所述横向微挤压成形工具***到所述挤压成形模具12侧面的所述***孔17内，使所述横向微挤压成形工具的末端接触并压紧所述待成形工件的左侧面；通过所述驱动装置4驱动所述丝杠5转动，从而控制所述上压板2下降，使所述竖向微挤压成形工具穿过所述挤压成形模具12顶面的所述***孔17，并使得使所述竖向微挤压成形工具的末端接触并压紧所述待成形工件的上表面，达到一定的预压力，从而满足稳定超声振动的需求；
S3、开启所述超声振动电源16，所述超声振动电源16将低频电信号转换为超声频电信号，所述超声换能器14将超声频电信号转换为超声频的机械振动波输出，所述超声变幅杆15将所述超声换能器14输出的水平超声振幅放大；所述超声变幅器9支撑所述竖向挤压成形工具实现竖直方向的超声谐振，所述变幅杆10支撑所述横向挤压成形工具实现横向超声谐振，所述竖向挤压成形工具持续运动到预定位置完成对所述待成形工件的挤压成形加工；
S4、所述待成形工件完成挤压成形后，先移除所述超声振动系统8，再升起所述上压板2，将所述竖向挤压成形工具和已成形的工件分离，关闭所述超声振动电源16，完成所述待成形工件的多向复合超声振动辅助挤压成形。
上述步骤S3中，可根据实际需要分别控制各所述超声振动电源16的开启或关闭，实现如下4种工作模式：
1)同时开启所有所述超声振动电源16，所述竖向挤压工具11和所述横向挤压工具13同时工作，所述待成型工件同时受到竖向和横向的辅助超声振动；
2)开启连接各所述超声振动系统8的各所述超声振动电源16，同时关闭连接所述双换能器超声振动平台7的所述超声振动电源16，此时只有所述横向挤压工具13工作，所述待成型工件只受到横向的辅助超声振动；
3)开启连接所述双换能器超声振动平台7的所述超声振动电源16，同时关闭连接各所述超声振动系统8的各所述超声振动电源16，此时只有所述竖向挤压工具11工作，所述待成型工件只受到竖向的辅助超声振动；
4)同时关闭所有所述超声振动电源16，所述竖向挤压工具11、所述挤压成形模具12和所述横向挤压工具13均不工作，此时即为传统的挤压成形方法。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。