超聲波振動(dòng)輔助下的粉體材料壓制成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及粉體材料壓制成型技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲波振動(dòng)輔助下的粉體 材料壓制成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓制是混合含能粉體材料成型及裝藥領(lǐng)域的重要工藝路徑，但是該工藝面臨創(chuàng)新 發(fā)展的重要瓶頸，特別是在密度和密度均勻性、內(nèi)應(yīng)力均化和殘余應(yīng)力釋放等方面。具體 地，在粉體材料壓制成型過程中，不可避免的存在粉體材料顆粒之間的內(nèi)摩擦以及顆粒和 模壁(或軟模)之間的外摩擦，導(dǎo)致壓力沿壓制方向被逐步損耗，致使不同高度層、不同徑向 位置含能粉體材料顆粒受到的有效壓力不一致，使壓坯內(nèi)部密度分布不均勻。
[0003] 在粉末顆粒壓制成型過程中，如果對(duì)被壓制材料施加一定方向、一定頻率和振幅 的超聲振動(dòng)，可以降低工件和模具之間的摩擦力以及整體成形力，還能在一定程度上提高 材料的變形能力以及變形的均勻性，進(jìn)而提高成型質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 【要解決的技術(shù)問題】
[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)粉體材料，特別是含能粉體材料，提供一種超聲波振動(dòng)輔助 下的粉體材料壓制成型方法，以降低粉體材料壓制成型時(shí)顆粒與顆粒、顆粒與模壁之間的 摩擦力以及整體成形力，同時(shí)提高制品致密化和降低藥柱內(nèi)部殘余應(yīng)力。
[0006] 【技術(shù)方案】
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0008] 本發(fā)明涉及一種超聲波振動(dòng)輔助下的粉體材料壓制成型方法，包括步驟：
[0009] A、組建粉體材料壓制成型設(shè)備，所述設(shè)備包括超聲波底座、安裝在超聲波底座上 的超聲模套、與超聲模套配合使用的超聲波沖頭、驅(qū)動(dòng)超聲波沖頭的液壓機(jī)、第一超聲波換 能器、換能器連接部，所述超聲波沖頭內(nèi)設(shè)置有空腔，所述空腔內(nèi)設(shè)置有第二超聲波換能 器，所述第一超聲波換能器通過換能器連接部與超聲模套連接，所述第二超聲波換能器通 過換能器連接部與超聲波沖頭的底部連接，所述超聲模套內(nèi)和超聲波沖頭內(nèi)均設(shè)置有冷卻 水循環(huán)系統(tǒng)，所述冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括進(jìn)液口、水管、出液口，所述冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在超聲 模套內(nèi)部呈U字形布局；
[0010] B、將待壓制粉體材料放置于超聲模套內(nèi)、超聲波沖頭與超聲底座之間；
[0011] C、啟動(dòng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻液從冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)液口注入、出液口流出；
[0012] D、啟動(dòng)液壓機(jī)，超聲波沖頭在液壓機(jī)的作用下做相對(duì)運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)粉體材料下行運(yùn) 動(dòng)以對(duì)粉體材料進(jìn)行壓制，所述壓制過程中使第一超聲波換能器輸出超聲波以帶動(dòng)超聲模 套共振、使第二超聲波換能器輸出超聲波以帶動(dòng)超聲波沖頭共振；
[0013 ] E、取出超聲模套內(nèi)粉體材料壓制后的成品。
[0014]作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟D中的壓制過程具體包括:首先設(shè)置液壓機(jī)壓 力，通過液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波沖頭將粉體材料壓緊，使第一超聲波換能器輸出超聲波以帶動(dòng) 超聲模套共振、使第二超聲波換能器輸出超聲波以帶動(dòng)超聲波沖頭共振，逐步增加液壓機(jī) 壓力直至達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值，所述液壓機(jī)壓力分階段增加，每一階段均保持一段時(shí)間。
[0015] 作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟A還包括:將第一超聲波換能器和第二超聲波 換能器的金屬端口靜電接地，將第一超聲波換能器通過絕緣塑料或陶瓷與換能器連接部連 接。
[0016] 作為另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述超聲波換能器僅在液壓機(jī)壓力增加時(shí)輸出超聲 波。
[0017] 作為另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述超聲波換能器僅在液壓機(jī)壓力保持不變時(shí)輸出 超聲波。
[0018] 作為另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟A中超聲模套的模壁厚度根據(jù)超聲振動(dòng)頻 率確定。
[0019] 作為另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟E具體包括:將整體模具推出，通過起吊裝 置將模具放置在脫模臺(tái)上，啟動(dòng)液壓機(jī)推動(dòng)超聲波沖頭和粉體材料藥柱下行，在退模臺(tái)上 使超聲波底座與藥柱緩慢下落，取出成品。
[0020] 【有益效果】
[0021] 本發(fā)明提出的技術(shù)方案具有以下有益效果：
[0022] 本發(fā)明使超聲模套在超聲波作用下產(chǎn)生共振，共振能量通過超聲模套傳遞到粉體 材料顆粒中，超聲模套內(nèi)的顆粒材料產(chǎn)生高頻振動(dòng)，通過顆粒周期性反轉(zhuǎn)，降低了粉體材料 顆粒之間的內(nèi)摩擦以及顆粒和超聲模套的模壁(或軟模)之間的外摩擦，提高了不同層藥柱 的有效壓力，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有溫和成型條件下有效的提高粉體材料部件的致密化，改善了內(nèi) 部密度均勻性，并降低了內(nèi)部應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)了藥柱的高質(zhì)量成型制備。因此，本發(fā)明在含 能粉體材料成型及裝藥領(lǐng)域中，可以在比較溫和的成型工藝條件下實(shí)現(xiàn)更致密化和高均勻 性的含能粉體材料的壓制成型。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的實(shí)施例一提供的超聲波振動(dòng)輔助下的粉體材料壓制成型安全設(shè)備 的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例一提供的超聲模套的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明的實(shí)施例一提供的超聲波沖頭的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖4為本發(fā)明的實(shí)施例二提供的超聲振動(dòng)輔助加載成型原理圖。
[0027] 圖5為本發(fā)明的實(shí)施例二提供的超聲波輔助成型過程超聲加載方式圖。
[0028] 圖6為本發(fā)明的實(shí)施例二提供的超聲波輔助成型過程超聲加載方式圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】 進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0030] 實(shí)施例一
[0031] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的超聲波振動(dòng)輔助下的粉體材料壓制成型安全設(shè)備的 原理結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，該設(shè)備包括超聲波底座1、安裝在超聲波底座1上的超聲模套2、與 超聲模套2配合使用的超聲波沖頭3、驅(qū)動(dòng)超聲波沖頭3的液壓機(jī)。
[0032]本實(shí)施例中，如圖2所示，超聲模套2包括蓋板21、吊環(huán)螺釘22、粉末壓制腔23、下模 24、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)包括水管25、進(jìn)液口 251和出液口 252。吊環(huán)螺釘22設(shè) 置在蓋板21和下模24上。粉末壓制腔23與蓋板2的連接處、粉末壓制腔23與進(jìn)液口 251的連 接處、粉末壓制腔23與出液口 252的連接處均通過密封材料密封，密封材料為高分子材料， 如聚乙烯，聚四氟乙烯等，通過密封材料密封以防止冷卻液泄漏。另外，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中 的水管呈U字形或蛇形結(jié)構(gòu)環(huán)繞超聲模套2，進(jìn)液口 251設(shè)置在超聲模套2的下部，出液口 252 設(shè)置在超聲模套2的上部，冷卻液從下部的進(jìn)液口 251流入，從上部的出液口 252流出，通過 冷卻液(高純水或含鹽水)冷卻超聲模套2,避免超聲波換能器4與超聲模套2連接處出現(xiàn)局 部溫度過高情況。超聲模套2的周圍設(shè)置有超聲波換能器4,具體地，超聲波換能器4的數(shù)量 為2~20個(gè)，其均勻分布在以超聲模套2為中心的圓周上，通過超聲波換能器4的超聲波振動(dòng) 為超聲模套2內(nèi)的粉末提供橫向振動(dòng)。
[0033]本實(shí)施例中，如圖3所示，超聲波沖頭3包括壓板32、上模套33、水管34、吊環(huán)螺釘 35、上模連接板36。超聲波沖頭3內(nèi)設(shè)置有空腔，空腔內(nèi)設(shè)置有超聲波換能器31，通過超聲波 換能器31的超聲波振動(dòng)為超聲模套內(nèi)的粉末提供縱向振動(dòng)。壓板32位于超聲波沖頭3的頂 部，水管34位于超聲波沖頭的空腔內(nèi)，上模連接板36設(shè)置在超聲波沖頭3的底部，上模套33 與壓板32的連接處、上模套33與上模連接板36的連接處均通過密封材料密封，密封材料為 高分子材料，如聚乙烯，聚四氟乙烯等，通過密封材料密封以防止冷卻液泄漏。具體地，冷卻 液從水管34的進(jìn)液口 341導(dǎo)入，使冷卻液體進(jìn)入腔體底部，最后通過出液口 342流出，用于及 時(shí)傳導(dǎo)出在超聲振動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量以達(dá)到冷卻超聲波換能器31的目的，從而避免超聲 波換能器31出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，同時(shí)有利于降低超聲波換能器31與超聲波沖頭3連接處的溫度， 避免在超聲振動(dòng)壓制中粉體材料出現(xiàn)局部溫度過高的情況。
[0034] 本實(shí)施例中，超聲模套2的模套壁的厚度根據(jù)超聲波換能器4輸出超聲波的振動(dòng)頻 率確定，以保證超聲模套2在輸入超聲波作用下能產(chǎn)生共振。超聲波沖頭3上模連接板36的 厚度根據(jù)超聲波換能器31輸出超聲波的振動(dòng)頻率確定，以保證超聲波沖頭3在輸入超聲波 作用下能產(chǎn)生共振。
[0035] 本實(shí)施例中，超聲波換能器31和超聲波換能器4均采用低壓型磁致伸縮換能器替 換高壓型壓電陶瓷換能器，避免出現(xiàn)瞬態(tài)擊穿超聲波換能器后電荷轉(zhuǎn)移到金屬模具上，導(dǎo) 致在模具中產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓而引起的含能型粉體材料爆燃或爆炸現(xiàn)象，因此，本發(fā)明實(shí)施 例從源頭上降低了擊穿換能器后產(chǎn)生瞬態(tài)高壓的風(fēng)險(xiǎn)，另外，本發(fā)明實(shí)施例在超聲波換能 器31、超聲波換能器4均連接有靜電接地裝置，用于及時(shí)將剩余電荷傳導(dǎo)出去。
[0036] 本實(shí)施例中，超聲波換能器4通過絕緣性的材料或聚合物與換能器連接部5連接， 絕緣性材料可為Si02、Zr0 2等較耐磨、耐沖擊的絕緣性材料，聚合物可為超高分子量聚乙烯、 聚四氟乙烯等較耐磨、耐沖擊的絕緣性材料，通過采用絕緣性的材料或聚合物，可以從結(jié)構(gòu) 上減少超聲波換能器擊穿后電壓直接傳導(dǎo)到超聲模套2所引發(fā)的操作人觸電危險(xiǎn)。
[0037] 本實(shí)施例中，超聲波底座1設(shè)有活動(dòng)式固定系統(tǒng)，具體包含調(diào)節(jié)螺母板、掛鉤、吊 塊，其分布在超聲模套2周圍，與超聲波底座1 一起配合使用，活動(dòng)式固定系統(tǒng)一般在3~6組 左右為宜，主要防止裝置在起吊脫模過程出現(xiàn)超聲模套與底座及超聲波換能器的分離現(xiàn) 象，避