一種超聲波作用下的時效成形裝置的製作方法

2023-04-25 19:10:31 2

本發明涉及時效成形加工技術領域，特別是涉及一種超聲波作用下的時效成形裝置。

背景技術：

隨著現代社會對許多新能源，如磁場，電場等不斷開發利用，研究外加場對時效成形影響的相關報導也不斷增加，這為探索時效成形新工藝開闢了新的方向。而超聲波作為一種特殊的外加場，在金屬材料成形領域已經有著廣泛的研究和應用。

在時效處理方面，汪建武等研究了超聲波對鑄造7050鋁合金的微觀組織和時效特性的影響。在7050鋁合金鑄造過程中施加超聲頻率為19khz，輸出功率為170w，聲強為153.23w/cm2的超聲波處理後，結果表明，與常規鑄造比較，經超聲處理的合金具有更加細小的微觀組織，且達到時效峰值時間縮短。

吉林大學的徐德生、陳佳偉等人研究了超聲波處理對於消除16mnr焊件殘餘應力的應用，結果表明超聲衝擊處理對焊態16mnr鋼試件中焊縫附近存在的高值雙向殘餘拉應力消除效果均十分顯著。

太原理工大學的王時英、楊銘偉等人研究了超聲振動時效消除殘餘應力機理分析，首次提出了超聲振動時效機理與低頻振動時效機理的不同，超聲振動消除殘餘應力的效果取決於零件內部晶粒獲得的振動能量。

本發明提出的一種超聲波作用下的時效成形裝置，即使當構件內殘餘應力與動應力時疊加之和小於材料的屈服極限時，也能夠消除工件內的殘餘應力，並通過試驗進行了驗證。在生產實踐中,超聲波衝擊這種消除應力的方法已經開始得到應用,隨著理論研究的不斷深入,其必然擁有更加廣闊的發展前景。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是提供一種超聲波作用下的時效成形裝置，通過點陣式模具的作用加載了一個彎曲預應力，使鋁合金板材產生彎曲變形；再連接超聲振動裝置，通過超聲波產生周期性激振力的作用下，使鋁合金板材發生共振，利用共振原理釋放和均化板材內部殘餘應力，使金屬板材產生一定塑性變形，得到與模具曲率半徑相當的彎曲零件；能夠消除工件內的殘餘應力，較好的解決現今時效成形加工技術中存在的在金屬板件成形過程中模具製造成本高，回彈難以控制，成形件力學性能下降等問題。

為了解決上述技術問題，本發明採用的一種技術方案是：一種超聲波作用下的時效成形裝置，主要包括恆溫鼓風乾燥箱、超聲波時效成形裝置、超聲波振動裝置、支撐臺、空氣對流孔組成；其特徵在於：超聲波時效成形裝置通過螺栓固定於恆溫鼓風乾燥箱箱內的中間；支撐臺放置平地上，超聲波振動裝置位於支撐臺的上面，通過螺栓固定；恆溫鼓風乾燥箱靠近支撐臺的一側開有一個空氣對流孔；超聲波時效成形裝置與超聲波振動裝置穿過空氣對流孔通過軸相互連接。

進一步，所述恆溫鼓風乾燥箱為dhg-9145a型電熱恆溫鼓風乾燥箱。

進一步，所述超聲波時效成形裝置，主要包括連接板、超聲波變幅杆、m10緊固螺栓、上模板、m6.5沉頭螺栓、凸模、導柱、工件、凹模、下模板、m8沉頭螺栓、雲母紙組成；其特徵在於：上模板和下模板的中間靠近四個角的位置安放四根導柱，上下模板與導柱之間用m8沉頭螺栓固定，凹模通過螺栓固定於下模塊上表面的中間，凸模對應放置於凹模上面，凹模上表面和凸模的下表面分別貼放一層雲母紙，雲母紙的中間擺放工件，m10緊固螺栓穿過上模板頂住凸模，並用螺母固定，連接板通過m6.5沉頭螺栓固定於上下模板的一側，連接板的上端中間開有一個孔與超聲波變幅杆固定。

進一步，所述超聲波振動裝置，主要包括超聲波發生器、導線、超聲波換能器、超聲波變幅杆組成；其特徵在於：超聲波發生器通過導線與超聲波換能器相連接，超聲波換能器的另一端與超聲波變幅杆同心連接。

進一步，所述支撐臺為一個金屬焊接而成的一個支撐臺架。

進一步，所述空氣對流孔為在恆溫鼓風乾燥箱靠近超聲波振動裝置一側開的一個孔。

本發明的有益效果是：具有設備結構簡單、易於搬動、操作簡單、無汙染、投資成本低等優點；採用雲母紙置於待成形工件與凹、凸模相合面之間，可以防止工件表面的刮傷和擦傷，使的成形工件表面質量較好；通過點陣式模具的作用使板材產生一定曲率的變形，再通過超聲振動來消除和均化板材內部殘餘應力，省去了常規成形件回彈等缺陷的控制過程及常規成形後工件的殘餘應力的處理，縮短了生產周期，降低了生產成本；同時克服了鋁合金板材成形過程中模具製造成本高，回彈難以控制的不足，並且減小了工件時效成形時表面損傷，提高成形工件表面質量。

附圖說明

圖1是本發明的dhg-9145a型電熱恆溫鼓風乾燥箱。

圖2是本發明的超聲波振動裝置示意圖。

圖3是本發明的點陣式模具裝配示意圖。

圖4是本發明的超聲波時效成形裝置主視圖。

圖5是本發明的超聲波時效成形裝置左視圖。

圖6是本發明的超聲波時效成形裝置俯視圖。

附：圖中各部件的標記如下：1.恆溫鼓風乾燥箱；2.超聲波時效成形裝置；3.超聲波振動裝置；4.支撐臺；5.空氣對流孔；6.超聲波發生器；7.導線；8.超聲波換能器；9.超聲波變幅杆；10.連接板；11.m10緊固螺栓；12.上模座；13.m6.5沉頭螺栓；14.凸模；15.導柱；16.工件；17.凹模；18.下模板；19.m8沉頭螺栓；20.雲母紙。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。

請參閱圖1-6，本發明實施例包括：一種超聲波作用下的時效成形裝置，主要包括恆溫鼓風乾燥箱（1）、超聲波時效成形裝置（2）、超聲波振動裝置（3）、支撐臺（4）、空氣對流孔（5）組成；其特徵在於：超聲波時效成形裝置（2）通過螺栓固定於恆溫鼓風乾燥箱（1）箱內的中間；支撐臺（4）放置平地上，超聲波振動裝置（3）位於支撐臺（4）的上面，通過螺栓固定；恆溫鼓風乾燥箱（1）靠近支撐臺（4）的一側開有一個空氣對流孔（5）；超聲波時效成形裝置（2）與超聲波振動裝置（3）穿過空氣對流孔（5）通過軸相互連接；所選用的待成形件為7075鋁合金板材，其長度為200mm，寬度為100mm，模具彎曲半徑為800mm。

恆溫鼓風乾燥箱（1）為dhg-9145a型電熱恆溫鼓風乾燥箱，其作用是為整過成形過程提供一個恆溫乾燥的環境，其最高的加熱溫度為300℃，控溫器靈敏度為0.5℃，箱內的工作室尺寸為：450mm×550mm×550mm。

超聲波時效成形裝置（2），主要包括連接板（10）、超聲波變幅杆（9）、m10緊固螺栓（11）、上模板（12）、m6.5沉頭螺栓（13）、凸模（14）、導柱（15）、工件（16）、凹模（17）、下模板（18）、m8沉頭螺栓（19）、雲母紙（20）組成；其特徵在於：上模板（12）和下模板（18）的中間靠近四個角的位置安放四根導柱（15），上下模板與導柱（15）之間用m8沉頭螺栓（19）固定，凹模（17）通過螺栓固定於下模板（18）上表面的中間，凸模（14）對應放置於凹模（17）上面，凹模（17）上表面和凸模（14）的下表面分別貼放一層雲母紙（20），雲母紙（20）的中間擺放工件（16），m10緊固螺栓（11）穿過上模板（12）頂住凸模（14），並用螺母固定，連接板通過m6.5沉頭螺栓（13）固定於上下模板的一側，連接板（10）的上端中間開有一個孔與超聲波變幅杆（9）固定；所述的連接板呈矩形，材料為45鋼，其尺寸由圖中的上模板和下模板間距來確定，起到連接超聲波變幅杆的作用；m6.5沉頭螺栓用於連接上、下模板和連接板；

試樣的加載方式是通過點陣式可調模具來加載的，通過模具上m10緊固螺栓進行控制，m10緊固螺栓壓緊凸模形成一定壓力，使夾在凹、凸模具之間的試樣受到載荷後在彈性變形範圍內成形，在不斷擰緊螺栓的過程中，使得試樣與凹模型面和凸模型面的完全貼合，從而完成對工件的加載。

超聲波振動裝置（3），主要包括超聲波發生器（6）、導線（7）、超聲波換能器（8）、超聲波變幅杆（9）組成；其特徵在於：超聲波發生器（6）通過導線（7）與超聲波換能器（8）相連接，超聲波換能器（8）的另一端與超聲波變幅杆（9）同心連接，通過螺紋連接的方式把連接板和超聲波變幅杆裝配到彎曲成形模具上，將裝配好的總體工裝放入恆溫鼓風乾燥箱內，再通過恆溫鼓風乾燥箱的空氣對流孔和恆溫鼓風乾燥箱外的超聲波換能器連接；所述的超聲波發生器1的參數如下：工作電壓：220v,工作電流：1-2a，相對溼度：40%-90%；額定功率為3000w，功率控制範圍：0-100%；工作頻率為20khz-40khz，誤差範圍：±5%；外型尺寸110×220×300mm，重量約5kg；所述的超聲波換能器為壓電式換能器,其參數如下：溫度頻差：10hz，標稱頻率：20khz，調整頻差：±500hz，負載諧振電阻：≤15ω，頻差：10hz，負載電容：10000-12500pf，插入損耗：0db，激勵電平：0mw，最大振幅：8μm，輸出阻抗：15ω，阻帶衰減：0db，輸入阻抗：15ω，功率：1500w，直徑：50mm，壓電晶體片：4片。

支撐臺（4）為一個金屬焊接而成的一個支撐臺架，支撐臺用於固定超聲波振動裝置，使超聲波振動裝置中的超聲波換能器能夠平穩的和變幅杆相連接，這樣有利於超聲波變幅杆產生的激振力更有效的傳遞到超聲波時效成形裝置內的鋁合金工件上。

空氣對流孔（5）為在恆溫鼓風乾燥箱靠近超聲波振動裝置一側開的一個孔，所述的空氣對流孔，起到連接乾燥箱內的超聲波時效成形裝置和乾燥箱外的超聲波振動裝置的作用。

本發明所述的一種超聲波作用下的時效成形裝置的工作原理是：滿足振動時效消除構件殘餘應力的條件是構件內部存在的殘餘應力和施加給構件的激振應力之和大於構件屈服極限。超聲振動時效是一種高頻振動時效，本發明的超聲振動系統是通過振動頻率20khz的超聲波發生器、超聲波換能器以及超聲波變幅杆等設備組成的。其中超聲波發生器將提供的220v交流電轉換為高頻的交流電信號，通過超聲波換能器將交流電信號轉換成縱向的機械振動，再通過超聲波變幅杆將機械振動振幅放大的作用，將此放大振幅的機械振動作為超聲頻率的循環載荷施加到存在殘餘應力的工件上，當滿足構件內部存在的殘餘應力和施加給構件的超聲頻率的激振應力之和大於構件屈服極限的條件，使構件發生塑性變形，最終達到消除構件內部殘餘應力的目的，同樣該過程也起到強化構件的作用。

本發明所述一種超聲波作用下的時效成形裝置的具體工作步驟是：

第一步，加載待成形的工件。將待成形的鋁合金工件和雲母紙安裝在凹模與凸模之間，並使三者的表面兩兩貼合。通過模具上模板m10緊固螺栓進行控制，m10緊固螺栓壓緊凸模形成一定壓力，使夾在凹、凸模具之間的試樣受到載荷後在彈性變形範圍內成形。在不斷擰緊螺栓的過程中，使得試樣與凹模型面和凸模型面的完全貼合，從而完成對工件的加載。

第二步，連接超聲振動時效裝置。通過螺紋連接的方式把連接板和超聲波變幅杆裝配到彎曲成形模具上，將裝配好的總體工裝放入恆溫鼓風乾燥箱內，再通過恆溫鼓風乾燥箱的空氣對流孔和恆溫鼓風乾燥箱外的超聲波換能器連接。

第三步，超聲振動時效成形。第二步完成後，即可接通恆溫鼓風乾燥箱的電源進行加熱。當加熱升溫到預定的時效溫度後，將超聲波換能器和超聲波變幅杆連接好，再接通超聲波發生器電源施加超聲振動。本發明時效成形的工藝參數為：時效處理溫度為180°，時效處理時間為12h，模具半徑為800mm。超聲波施加功率為1600w，超聲波頻率為20khz，超聲波施加時間為12h。

第四步，測量成形效果。超聲振動時效結束後，先關閉超聲波發生器電源，再關閉恆溫鼓風乾燥箱電源，此過程務必按順序完成；然後拆卸模具，取下工件，測量工件時效成形後半徑，計算其回彈率及測試其力學性能。

本發明所述的一種超聲波作用下的時效成形裝置，包括上模板、下模板、m10緊固螺栓、凸模、凹模、導柱、連接板、變幅杆、超聲波發生器和超聲波換能器。凹、凸模是具有曲率半徑為800mm的彎曲模具，工件置於凹、凸模正中間，同時工件和凹、凸模相合面要墊上一層雲母紙，降低工件表面的損傷，通過上模板上緊貼凸模上表面的m10緊固螺栓，對工件進行機械加載；加載完成後，通過螺紋連接方式把方形的連接板固定在上、下模座上，起到連接彎曲成形工裝的目的；然後再把超聲波變幅杆通過螺紋連接裝配到連接板上，把裝配好的整體工裝放入恆溫鼓風乾燥箱內加熱，當加熱升溫到預定的時效溫度後，將超聲波換能器和超聲波變幅杆連接好，再接通超聲波發生器電源施加超聲波。

以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明專利保護範圍內。