[发明专利]超声辅助精锻方法与装置

说明书

本发明公开了超声辅助精锻方法与装置，涉及锻造领域，包括上凹模、下凹模、上冲头、下冲头、上超声振动机构和下超声振动机构；将超声振动装置穿过冲垫套、模板中间的通槽与冲头固定连接，变幅杆将放大后的超声振动传递给冲头，冲头再将振动传递给坯料，通过改变超声振动的频率、振幅、振动模式和冲头的形状、尺寸来适用于不同产品的精锻，该方法和装置大幅提高了金属的塑性变形能力，提高金属填充性，减小了坯料与模具之间的摩擦力，细化晶粒组织，降低成形表面的粗糙度，提高了锻件的脱模能力，适用性广，提高了材料利用率和产品合格率。

技术领域

本发明涉及精锻领域，特别涉及到超声振动辅助精锻的方法与装置。

背景技术

锻造工业一直是汽车、矿山、能源、建筑、航天、兵器等工业的重要基础。第二次世界大战以后，随着现代化大规模生产的发展，各种少无切削新工艺应运而生。近几十年来，锻压工艺突破了毛坯生产的范畴，人们能生产出不少接近成品的锻压成形件，其表面质量好，机械加工余量少、尺寸精度高。精锻成形提高了材料利用率，部分取消或减少了切削加工，使金属纤维沿产品轮廓连续分布，使零件的承载能力增加，提高整体性能。

现有精锻生产技术主要有热精锻、温精锻和冷精锻等几种工艺方法。塑性成形方法中的锻造、挤压等工艺存在变形力过大、制件成形轮廓不精确、金属填充性不好、模具寿命低及成形后脱模困难等缺点。

以齿轮精锻为例：弧齿锥齿轮的弧齿结构特殊，不能做到弧形齿面一步精锻成形，弧齿锥齿轮热精锻及冷精整形复合工艺(专利公开号CN102441773A)采用热精锻成形、等温球化退火、喷砂、去飞边和冷精整形工序制造，提高了材料利用率，提高了产品质量，但工序繁多，锻压过程中存在不完全填充现象，存在锻压的产品出模比较困难的问题，而且冷精整形阶段齿形精整模具局部受力较大，使得模具的寿命降低。

弧齿锥齿轮精锻成型制造方法(专利公开号CN102240774A)是将料段加热至1150-1180℃，再墩粗、冲孔、扩环、预锻、终锻，球化退火处理，表面喷砂清理，表面磷化皂化，最后进行常温精整齿形；该工艺方法工序较多，加工成本较高，存在锻压应力过大使得制件出现内部断裂的现象，在常温精整齿形阶段，多余金属的侧向流动很容易将模具上的弧齿齿形破坏，或将产品的弧齿破坏，导致模具的寿命非常短。

齿轮温精锻工艺方法(专利公开号CN1799726A)对钢坯料加热温度介于热精锻和冷精锻之间，在此温度条件下，钢坯料表面除有少量氧化外不发生脱碳现象，制造工序少，综合制造成本低，但是精度、质量、机械强度，锻模的使用寿命也介于热精锻和冷精锻工艺之间。

一种渗碳钢20CrMnTi为材料的齿轮热精锻加工工艺(专利公开号CN102764838A)采用墩粗拔长、制坯、锻模、去毛边、锻后处理(包括淬火、调质热处理，齿面热处理通过渗氮、表面淬火、正火、喷砂去除氧化皮、表面酸处理)、齿形冷精整的锻造工艺，该工艺方法简化了齿轮锻造工艺过程，减少了生产工序，提高了模具的使用寿命，但是存在变形力过大、成形齿廓不精确及成形后脱模困难的问题。

上海交通大学庄新存等人通过超声辅助1050铝合金压缩试验，发现成形力降低程度与超声振幅成正比，工件与模具之间的摩擦减小，提高了工件表面质量。张杨设计了超声-压力耦合进行挤压铸造铝合金的装置，研究发现超声振动和压力耦合可以减小晶粒尺寸，增加等轴晶组织的比例，并且各取样位置的细化程度比较均匀。美国北卡罗来纳州立大学Bunget等人将超声振动应用于微挤压过程中，研制了超声振动辅助微挤压实验系统可实现正挤压、前杯挤压和双杯挤压，实验结果表明，超声振动能大幅降低成形力，在正挤压中降低18％，前杯挤压中降低25％，双杯挤压中降低23％；并能大幅提高工件表面光洁度。V.C.Kumar等人研究了超声振动金属塑性成形的表面层效应，研究发现，沿材料成形方向或垂直方向施加超声振动，可以有效得减小工模间摩擦，且当超声振动沿材料成形方向时，呈现出最佳的降低摩擦力效果。综上所述，将超声振动加入金属的塑性成形中会有改善工件表面质量，减小工具和模具之间的摩擦，细化晶粒尺寸，降低工件成形力，提高工件表面光洁度等明显效果。