棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法
【專利摘要】棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法，先將預(yù)制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料置于電磁感應(yīng)加熱線圈中，對其外壁進行快速加熱，然后將加熱膨脹后的金屬棒料兩端通過一定的預(yù)緊裝置固定夾死，并使得金屬棒料在軸向產(chǎn)生一定的預(yù)緊拉應(yīng)力，之后通過冷卻裝置向金屬棒料外壁均勻的噴灑冷卻水；在材料熱脹冷縮、預(yù)緊拉應(yīng)力以及V形槽缺口效應(yīng)的綜合作用下，金屬棒料外壁V形槽缺口根部位置會產(chǎn)生均勻分布的理想裂紋結(jié)構(gòu)群，本發(fā)明省去后續(xù)下料工序中微裂紋的萌生和初步的擴展階段，提高了整個精密下料工藝的下料效率。
【專利說明】棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于管料精密下料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬棒料是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的最基本的坯料形式之一，如各類軸銷類零件，其工業(yè)生產(chǎn)的第一道工序往往為下料工序，所以下料的斷料效率和斷面質(zhì)量將直接影響后續(xù)工序的復(fù)雜程度及加工成本。近幾年發(fā)展起來的利用缺口產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)及動態(tài)裂紋擴展法的無屑精密下料技術(shù)使得金屬棒料下料過程實現(xiàn)了真正意義上的無屑化生產(chǎn)。新型的精密下料系統(tǒng)其關(guān)鍵技術(shù)是靠疲勞裂紋擴展實現(xiàn)斷料，其生產(chǎn)效率很大程度上受制于裂紋擴展的快慢。
[0003]眾所周知，疲勞裂紋擴展斷料包括裂紋萌生和擴展兩個階段，其中裂紋萌生過程在整個裂紋擴展斷料過程中起著至關(guān)重要的作用，因此，多源性萌生的理想裂紋群更有利于后期裂紋的擴展和斷裂，從而大大縮短動態(tài)裂紋的壽命。對于新型無屑精密下料技術(shù)而言，裂紋結(jié)構(gòu)群的萌生主要來源于外界動態(tài)載荷的加載，目前只能實現(xiàn)多點式加載而不能實現(xiàn)真正意義上的面加載，其只能在棒料缺口根部產(chǎn)生為數(shù)不多的微觀結(jié)構(gòu)裂紋源，而且要擴展出更理想的宏觀裂紋群需要花費較長的時間。因此，為了提高無屑精密下料的斷料效率，需要在精密下料工序之前提前預(yù)制好均勻分布的理想裂紋群，而且事先預(yù)制的裂紋群其裂紋擴展深度越大越有利于后續(xù)的斷料，生產(chǎn)效率也就越高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法，實現(xiàn)整根缺口棒料在其缺口根部區(qū)域產(chǎn)生出宏觀結(jié)構(gòu)的裂紋群，省去后續(xù)下料工序中微裂紋的萌生和初步的擴展階段，提高了整個精密下料工藝的下料效率。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0006]棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置，包括加熱機構(gòu)和冷卻機構(gòu)兩部分，其中加熱機構(gòu)包括安裝于加熱機架6上的絕緣筒2，絕緣筒2的內(nèi)壁固裝著感應(yīng)加熱線圈3，感應(yīng)加熱線圈3的兩端分別與外部高頻電源的正極E+和負極E-相連，同時加熱機架6上還放置著穿過加熱線圈3內(nèi)孔的預(yù)制有環(huán)狀V形槽的金屬棒料4,金屬棒料4的兩端分別通過螺紋安裝著左拉頭I和右拉頭5 ；
[0007]冷卻機構(gòu)包括安裝于冷卻機架15上的左支撐輥11和右支撐輥16，兩個支撐輥上放置著加熱后的金屬棒料4，金屬棒料4的左上方設(shè)有安裝于冷卻機架15上的水管10，水管10上設(shè)有用于噴灑冷卻水的條狀開口，水管10通過管接頭a與外界高壓水源相接，同時安裝于金屬棒料4上的左拉頭I通過銷軸與左卡頭9相連,左卡頭9通過左拉桿8和雙向推力球軸承與液壓缸的推桿7相連，安裝于金屬棒料4上的右拉頭5通過銷軸與右卡頭12相連，右卡頭12通過安裝于冷卻機架15上的右拉桿13與伺服電機14上的減速器輸出軸相連接。
[0008]所述的金屬棒料4通過拉頭與左拉桿8以及右拉桿13相連接的方式能夠改為在金屬棒料4的兩端事先各預(yù)制出一個環(huán)狀卡槽,之后通過上卡環(huán)18和下卡環(huán)19將金屬棒料4兩端分別與安裝在左拉桿8上的左轉(zhuǎn)接頭17以及安裝在右拉桿13上的右轉(zhuǎn)接頭相連，其中金屬棒料4兩端的環(huán)狀卡槽外沿被銑出了兩個平臺，對應(yīng)的左右轉(zhuǎn)接頭以及上卡環(huán)8和下卡環(huán)9的相應(yīng)位置處也為平臺。
[0009]所述裝置的裂紋方法，包括以下步驟:
[0010]I)將預(yù)制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料4穿過感應(yīng)加熱線圈3的中間孔放置在加熱機架6上，并給其兩端裝好左夾頭I和右夾頭5 ；
[0011]2)根據(jù)金屬棒料4的不同材質(zhì)，設(shè)定好與高壓電纜正極E+和負極E-相連的外部高頻電源的頻率和功率，對金屬棒料4的外壁進行快速感應(yīng)加熱，使得加熱層厚度達到金屬棒料4的半徑值的一半；
[0012]3)待金屬棒料4的外壁溫度到達500— 1000°C后，關(guān)閉電源，并將金屬棒料4從加熱機構(gòu)中取出；
[0013]4)將已加熱的金屬棒料4放置到冷卻機構(gòu)中，并通過銷軸將左夾頭I和右夾頭5分別與左卡頭9和右卡頭12相連；
[0014]5)然后控制液壓缸的推桿7向左運動，給金屬棒料4 一個軸向的預(yù)緊拉力；
[0015]6)施加好預(yù)緊拉力后通過伺服電機14帶動金屬棒料4轉(zhuǎn)動，同時向水管10中通入高壓冷卻水，使冷卻水通過水管10的條狀開口均勻噴灑到金屬棒料4的外壁上，這樣便會在V形槽底部產(chǎn)生均勻分布的比較明顯的宏觀裂紋結(jié)構(gòu)；
[0016]7)冷卻一段時間后，停止噴灑冷卻水并關(guān)閉液壓缸使得金屬棒料4處于自由狀態(tài)，并將其取下來即可。
[0017]本發(fā)明采用電磁感應(yīng)線圈對金屬棒料外壁進行感應(yīng)加熱然后再噴水冷卻,利用材料熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)，能為不同材質(zhì)金屬棒料的無屑精密下料工藝提前預(yù)制出均勻分布的宏觀裂紋結(jié)構(gòu)，可以省去后續(xù)下料工序中微裂紋的萌生和初步的擴展階段，提高了整個精密下料工藝的下料效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明加熱機構(gòu)的正面剖視圖。
[0019]圖2是圖1的A— A剖視圖。
[0020]圖3是本發(fā)明冷卻機構(gòu)的正面剖視圖。
[0021]圖4是圖3的B— B剖視圖。
[0022]圖5是圖3虛線方框內(nèi)銷軸連接方式的另一種替換方式。
[0023]圖6是圖5的C一C剖視圖。
[0024]圖7是本發(fā)明冷卻時采用第一種連接方式時的金屬棒料示意圖。
[0025]圖8是本發(fā)明冷卻時采用第二種連接方式時的金屬棒料示意圖。
[0026]圖9是金屬棒料V形槽根部產(chǎn)生的宏觀裂紋結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方案
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述。
[0028]如圖1、圖2、圖3、圖4和圖7所示，棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置，包括加熱機構(gòu)和冷卻機構(gòu)兩部分，其中加熱機構(gòu)包括安裝于加熱機架6上的絕緣筒2，絕緣筒2的內(nèi)壁固裝著感應(yīng)加熱線圈3，感應(yīng)加熱線圈3的兩端分別與外部高頻電源的正極E+和負極E-相連，同時加熱機架6上還放置著穿過加熱線圈3內(nèi)孔的預(yù)制有環(huán)狀V形槽的金屬棒料4，金屬棒料4的兩端分別通過螺紋安裝著左拉頭I和右拉頭5 ；
[0029]冷卻機構(gòu)包括安裝于冷卻機架15上的左支撐輥11和右支撐輥16，兩個支撐輥上放置著加熱后的金屬棒料4，金屬棒料4的左上方設(shè)有安裝于冷卻機架15上水管10，水管10上設(shè)有用于噴灑冷卻水的條狀開口，水管10通過管接頭a與外界高壓水源相接，同時安裝于金屬棒料4上的左拉頭I通過銷軸與左卡頭9相連,左卡頭9通過左拉桿8和雙向推力球軸承與液壓缸的推桿7相連，安裝于金屬棒料4上的右拉頭5通過銷軸與右卡頭12相連，右卡頭12通過安裝于冷卻機架15上的右拉桿13與伺服電機14上的減速器輸出軸相連接。
[0030]如圖5、圖6和圖8所示，所述的金屬棒料4通過拉頭與左拉桿8以及右拉桿13相連接的方式能夠改為在金屬棒料4的兩端事先各預(yù)制出一個環(huán)狀卡槽,之后通過上卡環(huán)18和下卡環(huán)19將金屬棒料4兩端分別與安裝在左拉桿8上的左轉(zhuǎn)接頭17以及安裝在右拉桿13上的右轉(zhuǎn)接頭相連，其中金屬棒料4兩端的環(huán)狀卡槽外沿被銑出了兩個平臺，對應(yīng)的左右轉(zhuǎn)接頭以及上卡環(huán)8和下卡環(huán)9的相應(yīng)位置處也為平臺。
[0031]所述裝置的裂紋方法，包括以下步驟:
[0032]I)將預(yù)制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料4穿過感應(yīng)加熱線圈3的中間孔放置在加熱機架6上，并給其兩端裝好左夾頭I和右夾頭5 ；
[0033]2)根據(jù)金屬棒料4的不同材質(zhì)，設(shè)定好與高壓電纜正極E+和負極E-相連的外部高頻電源的頻率和功率，對金屬棒料4的外壁進行快速感應(yīng)加熱，使得加熱層厚度達到金屬棒料4的半徑值的一半；
[0034]3)待金屬棒料4的外壁溫度到達500— 1000°C后，關(guān)閉電源，并將金屬棒料4從加熱機構(gòu)中取出；
[0035]4)將已加熱的金屬棒料4放置到冷卻機構(gòu)中，并通過銷軸將左夾頭I和右夾頭5分別與左卡頭9和右卡頭12相連；
[0036]5)然后控制液壓缸的推桿7向左運動，給金屬棒料4 一個軸向的預(yù)緊拉力，由于金屬棒料4加熱后因熱脹冷縮的作用會沿周向伸長一定距離，施加此軸向預(yù)緊拉力的目的是為了防止金屬棒料4冷卻時沿軸向收縮；
[0037]6)施加好預(yù)緊拉力后通過伺服電機14帶動金屬棒料4轉(zhuǎn)動，同時向水管10中通入高壓冷卻水，使冷卻水通過水管10的條狀開口均勻噴灑到金屬棒料4的外壁上,金屬棒料4的外壁遇冷卻水后其體積便會收縮，同時由于金屬棒料4受到軸向預(yù)緊拉力的作用，所以在金屬棒料4的外壁沿軸向會產(chǎn)生一個很大的拉應(yīng)力的作用，再加之金屬棒料4外壁環(huán)狀V形槽的缺口效應(yīng)，這樣便會在V形槽底部產(chǎn)生均勻分布的比較明顯的宏觀裂紋結(jié)構(gòu)；
[0038]7)冷卻一段時間后，停止噴灑冷卻水并關(guān)閉液壓缸使得金屬棒料4處于自由狀態(tài)，并將其取下來即可。
[0039]由于對金屬棒料4外壁進行整體加熱，待金屬棒料4膨脹后通過軸向外加的預(yù)緊拉力的作用使其保持原膨脹變形并給其外壁均勻噴灑冷卻水，使得金屬棒料4的外壁沿軸向產(chǎn)生一個很大的拉應(yīng)力的作用，同時由于金屬棒料4的外壁預(yù)制有環(huán)狀V形槽，在應(yīng)力集中的作用下V形槽底部位置會產(chǎn)生超過材料強度極限的軸向拉應(yīng)力，在此應(yīng)力的作用下金屬棒料4的V形槽缺口根部將產(chǎn)生均勻分布的宏觀裂紋結(jié)構(gòu)，如圖9所示。
【權(quán)利要求】
1.棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置，包括加熱機構(gòu)和冷卻機構(gòu)兩部分，其特征在于:其中加熱機構(gòu)包括安裝于加熱機架(6)上的絕緣筒(2)，絕緣筒(2)的內(nèi)壁固裝著感應(yīng)加熱線圈(3)，感應(yīng)加熱線圈(3)的兩端分別與外部高頻電源的正極(E+)和負極(E-)相連，同時加熱機架(6)上還放置著穿過加熱線圈(3)內(nèi)孔的預(yù)制有環(huán)狀V形槽的金屬棒料(4)，金屬棒料(4)的兩端分別通過螺紋安裝著左拉頭(I)和右拉頭(5)； 冷卻機構(gòu)包括安裝于冷卻機架(15)上的左支撐輥(11)和右支撐輥(16)，兩個支撐輥上放置著加熱后的金屬棒料(4)，金屬棒料(4)的左上方設(shè)有安裝于冷卻機架(15)的水管(10)，水管(10)上設(shè)有用于噴灑冷卻水的條狀開口，水管(10)通過管接頭(a)與外界高壓水源相接，同時安裝于金屬棒料(4)上的左拉頭(I)通過銷軸與左卡頭(9)相連，左卡頭(9)通過左拉桿(8)和雙向推力球軸承與液壓缸的推桿(7)相連，安裝于金屬棒料(4)上的右拉頭(5)通過銷軸與右卡頭(12)相連，右卡頭(12)通過安裝于冷卻機架(15)上的右拉桿(13)與伺服電機(14)上的減速器輸出軸相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于:所述的金屬棒料(4)通過拉頭與左拉桿(8)以及右拉桿(13)相連接的方式能夠改為在金屬棒料(4)的兩端事先各預(yù)制出一個環(huán)狀卡槽，之后通過上卡環(huán)(18)和下卡環(huán)(19)將金屬棒料(4)兩端分別與安裝在左拉桿(8)上的左轉(zhuǎn)接頭(17)以及安裝在右拉桿(13)上的右轉(zhuǎn)接頭相連，其中金屬棒料(4)兩端的環(huán)狀卡槽外沿被銑出了兩個平臺，對應(yīng)的左右轉(zhuǎn)接頭以及上卡環(huán)(8)和下卡環(huán)(9)的相應(yīng)位置處也為平臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置的裂紋方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將預(yù)制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料(4)穿過感應(yīng)加熱線圈(3)的中間孔放置在加熱機架(6)上，并給其兩端裝好左夾頭(I)和右夾頭(5)； 2)根據(jù)金屬棒料(4)的不同材質(zhì)，設(shè)定好與高壓電纜正極E+和負極E-相連的外部高頻電源的頻率和功率，對金屬棒料(4)的外壁進行快速感應(yīng)加熱，使得加熱層厚度達到金屬棒料(4)的半徑值的一半； 3)待金屬棒料(4)的外壁溫度到達500—1000°C后，關(guān)閉電源，并將金屬棒料(4)從加熱機構(gòu)中取出； 4)將已加熱的金屬棒料(4)放置到冷卻機構(gòu)中，并通過銷軸將左夾頭(I)和右夾頭(5)分別與左卡頭(9)和右卡頭(12)相連； 5)然后控制液壓缸的推桿(7)向左運動，給金屬棒料(4)一個軸向的預(yù)緊拉力； 6)施加好預(yù)緊拉力后通過伺服電機(14)帶動金屬棒料(4)轉(zhuǎn)動，同時向水管(10)中通入高壓冷卻水，使冷卻水通過水管(10)的條狀開口均勻噴灑到金屬棒料(4)的外壁上，這樣便會在V形槽底部產(chǎn)生均勻分布的比較明顯的宏觀裂紋結(jié)構(gòu)； 7)冷卻一段時間后，停止噴灑冷卻水并關(guān)閉液壓缸使得金屬棒料(4)處于自由狀態(tài)，并將其取下來即可。
【文檔編號】C21D1/78GK104357630SQ201410605997
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】趙升噸, 景飛, 張琦, 李雪, 趙仁峰 申請人:西安交通大學(xué)