微型金屬薄壁杯件的三維超聲波振動(dòng)輔助拉深加工裝置制造方法
【專利摘要】一種金屬塑性加工領(lǐng)域的微型金屬薄壁杯件的三維超聲波振動(dòng)輔助拉深加工裝置，包括：振動(dòng)發(fā)生裝置、下模機(jī)構(gòu)、凸模和上模機(jī)構(gòu)，其中：上模機(jī)構(gòu)和下模機(jī)構(gòu)相連，凸模固定于上模機(jī)構(gòu)的下表面中部，振動(dòng)發(fā)生裝置包括：依次從下至上串接固定的后換能器固定桿、Z軸環(huán)形壓電陶瓷、固定盤、兩組極性相反的X軸半環(huán)形壓電陶瓷、兩組極性相反的Y軸半環(huán)形壓電陶瓷、前換能器固定桿和變幅桿，以及固定于變幅桿頂部的凹模，其中：固定盤與下模機(jī)構(gòu)相固定，凹模與凸模的位置相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明避免薄壁的起皺缺陷，方便地調(diào)節(jié)凹模側(cè)壁對(duì)待加工坯料的壓力，減小側(cè)壁與坯料的摩擦力，提高材料的變形能力，提高拉深極限。
【專利說(shuō)明】微型金屬薄壁杯件的三維超聲波振動(dòng)輔助拉深加工裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種金屬塑性加工領(lǐng)域的裝置，具體是一種微型金屬薄壁杯件的三維超聲波振動(dòng)輔助拉深加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對(duì)電子產(chǎn)品便攜性要求的不斷提高，電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，功能卻越來(lái)越強(qiáng)大，因而微型金屬薄壁杯件的應(yīng)用和需求呈上升趨勢(shì)。這給制造業(yè)帶來(lái)了技術(shù)上的挑戰(zhàn):如何大批量地生產(chǎn)高性能微型金屬薄壁杯件。金屬塑性加工由于具有材料利用率高、產(chǎn)品力學(xué)性能好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于金屬零件的大批量生產(chǎn)。然而，金屬塑性加工方法也存在一些缺陷，比如成形力大、加工表面質(zhì)量差、模具磨損嚴(yán)重，這些問(wèn)題直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和成本；并且在應(yīng)用于微型金屬薄壁杯件的生產(chǎn)時(shí)，由于金屬薄板橫向抗壓性差，容易在產(chǎn)品側(cè)壁產(chǎn)生起皺缺陷。隨著試件尺寸減小，摩擦力與成形力之比逐漸減小，使產(chǎn)品拉裂的傾向變大，從而降低了生產(chǎn)效率。
[0003]為了提高微型金屬薄壁杯件的生產(chǎn)效率，近年來(lái)出現(xiàn)了將振動(dòng)應(yīng)用到薄板拉深工藝中的嘗試。通過(guò)在拉深過(guò)程中對(duì)凸模施加一個(gè)一維高頻振動(dòng)，可以減小凸模與板材之間的摩擦力，改善板材加工性能，提高拉深極限。然而，一維振動(dòng)輔助金屬薄板拉深工藝仍舊沒有有效地同時(shí)避免起皺與拉裂等缺陷。
[0004]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101637785，
【公開日】2010_02_03，公開了一種超塑性微成形裝置，通過(guò)壓簧-楔塊機(jī)構(gòu)，使用工控機(jī)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及溫控組件，即可一次、連續(xù)完成零件的整個(gè)微塑性成形過(guò)程，可以提高成形效率和制備的自動(dòng)化程度，通過(guò)改變凸模與凹模的結(jié)構(gòu)可制備不同三維結(jié)構(gòu)的微型零件。但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)效率低下，而且要達(dá)到較好的成形效果，必須使用潤(rùn)滑劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種微型金屬薄壁杯件的三維超聲波振動(dòng)輔助拉深加工裝置，避免了薄壁的起皺缺陷，方便地調(diào)節(jié)凹模側(cè)壁對(duì)待加工坯料的壓力，減小側(cè)壁與還料的摩擦力，提聞材料的變形能力，提聞拉深極限。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括:振動(dòng)發(fā)生裝置、下模機(jī)構(gòu)、凸模和上模機(jī)構(gòu)，其中:上模機(jī)構(gòu)和下模機(jī)構(gòu)相連，凸模固定于上模機(jī)構(gòu)的下表面中部，振動(dòng)發(fā)生裝置包括:依次從下至上串接固定的后換能器固定桿、Z軸環(huán)形壓電陶瓷、固定盤、兩組極性相反的X軸半環(huán)形壓電陶瓷、兩組極性相反的Y軸半環(huán)形壓電陶瓷、前換能器固定桿和變幅桿，以及固定于變幅桿頂部的凹模，其中:固定盤與下模機(jī)構(gòu)相固定，凹模與凸模的位置相對(duì)應(yīng)，X軸半環(huán)形壓電陶瓷的平直面與Y軸半環(huán)形壓電陶瓷的平直面相互垂直，三個(gè)不同的電壓信號(hào)分別施加于與X軸半環(huán)形壓電陶瓷、Y軸半環(huán)形壓電陶瓷和Z軸環(huán)形壓電陶瓷，產(chǎn)生三維振動(dòng)，通過(guò)變幅桿的放大使得凹模側(cè)壁與待加工坯料之間產(chǎn)生徑向壓力，減小摩擦力，提高拉深極限。[0007]所述的下模機(jī)構(gòu)包括:下模柄、下模板、兩個(gè)導(dǎo)柱和兩個(gè)導(dǎo)套，其中:下模板的下表面固定下模柄，兩側(cè)內(nèi)部分別設(shè)有一個(gè)導(dǎo)套，兩個(gè)導(dǎo)柱的底部分別設(shè)于導(dǎo)套內(nèi)，頂部分別與上模機(jī)構(gòu)相連。
[0008]所述的后換能器固定桿和Z軸環(huán)形壓電陶瓷內(nèi)置于下模板的中部，固定盤與下模板的上表面相固定。
[0009]所述的串接固定由緊固螺栓實(shí)現(xiàn)，凹模由螺紋與變幅桿相連。
[0010]所述的上模機(jī)構(gòu)包括:上模板、與壓力機(jī)相連的上模柄、模柄固定板、力傳感器和傳感固定板，其中:凸模的底部鑲嵌于上模板內(nèi)，工作部突出于上模板的下表面，上模板、傳感固定板、模柄固定板自下而上依次固定，力傳感器置于上模柄一端的凹槽內(nèi)，上模柄由模柄固定板卡住，從而使力傳感器的下端與傳感固定板的上表面壓緊，從而測(cè)量拉深過(guò)程的加工載荷。
技術(shù)效果
[0011]本發(fā)明的兩組X軸半環(huán)形壓電陶瓷的極性相反，當(dāng)對(duì)其施加電壓信號(hào)時(shí)，兩組X軸半環(huán)形壓電陶瓷產(chǎn)生的振幅方向相反，使前換能器固定桿頂端產(chǎn)生X軸方向的振幅。兩組Y軸半環(huán)形壓電陶瓷的極性相反，當(dāng)對(duì)其施加電壓信號(hào)時(shí)，兩組Y軸半環(huán)形壓電陶瓷產(chǎn)生的振幅方向相反，使前換能器固定桿頂端產(chǎn)生Y軸方向的振幅。對(duì)Z軸環(huán)形壓電陶瓷施加電壓信號(hào)時(shí)，使得Z軸環(huán)形壓電陶瓷產(chǎn)生Z軸方向產(chǎn)生振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前換能器固定桿頂端的三維超聲波合成振動(dòng)。前換能器固定桿頂端的三維振動(dòng)經(jīng)過(guò)變幅桿放大后，傳遞給凹模，使凹模實(shí)現(xiàn)相對(duì)于凸模的三維振動(dòng)。凹模X方向和Y方向的周期性振動(dòng)使側(cè)壁對(duì)坯料有足夠大小的徑向壓力，從而有效避免了起皺缺陷。通過(guò)控制凹模X方向和Y方向的振動(dòng)振幅大小，可以方便地調(diào)節(jié)凹模側(cè)壁對(duì)坯料的壓力。另一方面，凹模X方向和Y方向的周期性振動(dòng)使凹模側(cè)壁與坯料周期性的接觸、分離，降低了凹模側(cè)壁與坯料的摩擦力，避免使用潤(rùn)滑齊U，同時(shí)又大大減小拉裂的傾向。凹模z方向的振動(dòng)進(jìn)一步減小側(cè)壁與坯料的摩擦力，提高材料的變形能力，提聞拉深極限。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明的振動(dòng)發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖3為X軸半環(huán)形壓電陶瓷振動(dòng)引起凹模X方向振動(dòng)；
[0015]圖4為Z軸環(huán)形壓電陶瓷振動(dòng)引起凹模Z方向振動(dòng)。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0017]如圖1所示，本實(shí)施例包括:導(dǎo)柱15、導(dǎo)套16、下模柄10、下模板11、螺栓17、銷釘18、上模機(jī)構(gòu)和振動(dòng)發(fā)生裝置。所述上模機(jī)構(gòu)包括:凸模14、上模板12、上模柄19、模柄固定板20、力傳感器21和傳感固定板13。上模機(jī)構(gòu)通過(guò)上模柄19與壓力機(jī)連接，在本實(shí)施例中上模機(jī)構(gòu)在豎直方向沿導(dǎo)柱15移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉深動(dòng)作。凸模14鑲嵌在上模板12內(nèi)。上模板12、傳感固定板13、模柄固定板20自下而上依次相連。力傳感器21置于上模柄19大頭內(nèi)的凹槽里，上模柄19的大頭部分由模柄固定板20卡住，從而使力傳感器21下端與傳感固定板13上表面壓緊。在進(jìn)行拉深前，先對(duì)整個(gè)裝置不加坯料進(jìn)行空壓，對(duì)力傳感器調(diào)零，再進(jìn)行薄板拉深時(shí)力傳感器21的示數(shù)就是拉深過(guò)程的加工載荷。
[0018]如圖2所示，所述振動(dòng)發(fā)生裝置包括:兩組X軸半環(huán)形壓電陶瓷1、兩組Y軸半環(huán)形壓電陶瓷2、Z軸環(huán)形壓電陶瓷3、固定盤4、前換能器固定桿5、后換能器固定桿6、變幅桿
7、緊固螺栓8和凹模9。后換能器固定桿6、Z軸環(huán)形壓電陶瓷3、固定盤4、X軸半環(huán)形壓電陶瓷1、Y軸半環(huán)形壓電陶瓷2、前換能器固定桿5、變幅桿7自下而上依次串聯(lián)并用緊固螺栓8鎖緊，凹模9通過(guò)螺紋與變幅桿7相連。固定盤4的下表面與下模板11的上表面接觸并定位。下模板11的下表面與下模柄10的上表面接觸，并通過(guò)螺栓17和銷釘18定位。導(dǎo)套16裝在下模板11內(nèi)，導(dǎo)柱15的下部裝在導(dǎo)套16內(nèi)。導(dǎo)柱15的上部裝在上模板12內(nèi)。通過(guò)導(dǎo)柱15和導(dǎo)套16的相互配合，可以使凸模14和凹模9精確配合并保證正確的間隙。導(dǎo)柱15能在上模板12下移時(shí)對(duì)其有一個(gè)導(dǎo)向作用。
[0019]本實(shí)施例中固定盤4為法蘭。
[0020]為了獨(dú)立控制三個(gè)方向的振動(dòng)，三個(gè)不同的高頻電壓信號(hào)分別與所述X軸半環(huán)形壓電陶瓷1、Y軸半環(huán)形壓電陶瓷2和Z軸環(huán)形壓電陶瓷3相連，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)。X軸半環(huán)形壓電陶瓷I的平直面與Y軸半環(huán)形壓電陶瓷2的平直面相互垂直。如圖3所示，兩組X軸半環(huán)形壓電陶瓷I的極性相反，當(dāng)對(duì)其施加電壓信號(hào)時(shí)，兩組X軸半環(huán)形壓電陶瓷I產(chǎn)生的振幅方向相反，使前換能器固定桿5頂端產(chǎn)生X軸方向的振幅。兩組Y軸半環(huán)形壓電陶瓷2的極性相反，當(dāng)對(duì)其施加電壓信號(hào)時(shí)，兩組Y軸半環(huán)形壓電陶瓷2產(chǎn)生的振幅方向相反，使前換能器固定桿5頂端產(chǎn)生Y軸方向的振幅。
[0021]如圖4所示，對(duì)Z軸環(huán)形壓電陶瓷施3加電壓信號(hào)時(shí)，使得Z軸環(huán)形壓電陶瓷3產(chǎn)生Z軸方向產(chǎn)生振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前換能器固定桿5頂端的三維超聲波合成振動(dòng)。前換能器固定桿5頂端的三維振動(dòng)經(jīng)過(guò)變幅桿7放大后，傳遞給凹模9，使凹模9實(shí)現(xiàn)三維超聲波振動(dòng)。通過(guò)控制各個(gè)輸入電壓信號(hào)的大小，可以方便地改變不同方向的振動(dòng)振幅，從而調(diào)節(jié)凹模9與坯料之間的徑向壓力、摩擦力等參數(shù)。
實(shí)施例2
[0022]利用實(shí)施例1所述的微型金屬薄壁杯件的三維超聲波振動(dòng)輔助拉深加工裝置進(jìn)行微型金屬件的加工，采用以下步驟:
1)將上模柄19和下模柄10分別固定在壓力機(jī)的上夾具和下夾具上，下移壓力機(jī)上夾具，使導(dǎo)柱15下端穿進(jìn)導(dǎo)套16內(nèi)。
2)將坯料放置在凹模9上，下移壓力機(jī)上夾具，在凸模14恰好接觸坯料時(shí)停止壓力機(jī)。
3)分別接通X軸半環(huán)形壓電陶瓷1、Y軸半環(huán)形壓電陶瓷2和Z軸環(huán)形壓電陶瓷3的信號(hào)電源，使其在工作頻率產(chǎn)生振動(dòng)。并在經(jīng)過(guò)變幅桿7放大后，將三維振幅傳遞給凹模9。
4)再次開動(dòng)壓力機(jī)，使凸模14下移。坯料在凸模14和凹模9的共同作用下發(fā)生彈性變形、塑性變形，并最終拉深成杯形件。
5)凸模14達(dá)到指定的位置后，在壓力機(jī)的帶動(dòng)下上移，從凸模14上取下加工完成的杯形件，拉深過(guò)程結(jié)束。
[0023]按照上述步驟進(jìn)行拉深，并與未加振動(dòng)的拉深過(guò)程及僅施加一維振動(dòng)的拉深過(guò)程相比較，可以發(fā)現(xiàn)利用本發(fā)明裝置即進(jìn)行拉深可以顯著提高材料的變形能力，并降低坯料與凹模9的側(cè)壁之間的摩擦力，所成形的杯形件有較大的高徑比和較好的表面光潔度，且起皺、拉裂等缺陷的出現(xiàn)率大幅降低。
【權(quán)利要求】
1.一種微型金屬薄壁杯件的三維超聲波振動(dòng)輔助拉深加工裝置，其特征在于，包括:振動(dòng)發(fā)生裝置、下模機(jī)構(gòu)、凸模和上模機(jī)構(gòu)，其中:上模機(jī)構(gòu)和下模機(jī)構(gòu)相連，凸模固定于上模機(jī)構(gòu)的下表面中部，振動(dòng)發(fā)生裝置包括:依次從下至上串接固定的后換能器固定桿、Z軸環(huán)形壓電陶瓷、固定盤、兩組極性相反的X軸半環(huán)形壓電陶瓷、兩組極性相反的Y軸半環(huán)形壓電陶瓷、前換能器固定桿和變幅桿，以及固定于變幅桿頂部的凹模，其中:固定盤與下模機(jī)構(gòu)相固定，凹模與凸模的位置相對(duì)應(yīng)，X軸半環(huán)形壓電陶瓷的平直面與Y軸半環(huán)形壓電陶瓷的平直面相互垂直，三個(gè)不同的電壓信號(hào)分別施加于與X軸半環(huán)形壓電陶瓷、Y軸半環(huán)形壓電陶瓷和Z軸環(huán)形壓電陶瓷，產(chǎn)生三維振動(dòng)，通過(guò)變幅桿的放大使得凹模側(cè)壁與待加工坯料之間產(chǎn)生徑向壓力，減小摩擦力，提高拉深極限； 所述的下模機(jī)構(gòu)包括:下模柄、下模板、兩個(gè)導(dǎo)柱和兩個(gè)導(dǎo)套，其中:下模板的下表面固定下模柄，兩側(cè)內(nèi)部分別設(shè)有一個(gè)導(dǎo)套，兩個(gè)導(dǎo)柱的底部分別設(shè)于導(dǎo)套內(nèi)，頂部分別與上模機(jī)構(gòu)相連； 所述的上模機(jī)構(gòu)包括:上模板、與壓力機(jī)相連的上模柄、模柄固定板、力傳感器和傳感固定板，其中:凸模的底部鑲嵌于上模板內(nèi)，工作部突出于上模板的下表面，上模板、傳感固定板、模柄固定板自下而上依次固定，力傳感器置于上模柄一端的凹槽內(nèi)，上模柄由模柄固定板卡住，從而使力傳感器的下端與傳感固定板的上表面壓緊，從而測(cè)量拉深過(guò)程的加工載荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的后換能器固定桿和Z軸環(huán)形壓電陶瓷內(nèi)置于下模板的中部，固定盤與下模板的上表面相固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是，所述的串接固定由緊固螺栓實(shí)現(xiàn)，凹模由螺紋與變幅桿相連。
【文檔編號(hào)】B21D37/10GK103785735SQ201410023220
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】柏楊, 趙震 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)