一种超声波辅助挤压装置的制作方法

1.本发明涉及超声波辅助成形技术领域，具体涉及一种超声波辅助挤压装置。


背景技术：

2.超声振动辅助塑性成形技术是指在传统的塑性成形工艺过程中，对模具或被加工材料施以横向或纵向的超声振动，从而借助超声能量来辅助完成各种塑性成形的一种先进成形技术。近年来，随着超声波技术的发展，将超声波振动引入到塑性成形工艺中以提高制品的成形效率和质量受到了广泛关注。
3.现有的超声振动辅助挤压成形技术是将超声换能器与超声变幅杆组成的超声波振动系统安装在挤压模具上，超声变幅杆的末端与常规挤压模具连接为一个整体并以实现高频振动。超声波振动施加在挤压模具上时，要实现模具的高效振动需要进行模具与超声波换能器的谐振设计，然而，由于模具型腔形状复杂，谐振设计困难，振动分布不均匀，导致难以实现对坯料施加超声波振动，超声波振动的利用率低，无法保证在整个挤压过程中对坯料变形部分持续进行高效的超声波振动，不仅如此，现有技术还不利于超声波换能器在模具上的安装。
4.因此，如何同时兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计，亟待解决。


技术实现要素：

5.为解决如何同时兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计的技术问题，本技术的目的在于提出一种超声波辅助挤压装置，挤压杆结构简单，形状单一，容易找到谐振的频率实现超声波振动的谐振设计，在挤压作业中，坯料同时会与挤压杆和挤压模具接触，因此通过挤压杆内置换能器，不仅方便谐振设计，还能够保证超声波的强烈振动作用于坯料，使坯料更加容易产生塑性变形，减小了坯料的挤出变形阻力，降低挤压阻力，防止坯料开裂，保证挤压作业的质量，兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。
6.为了达到上述目的，本技术提出一种超声波辅助挤压装置，其包括挤压装置和辅助装置，其中，所述挤压装置包括驱动机构、挤压杆、挤压模具，所述驱动机构与所述挤压杆连接，所述挤压杆内部开有安装腔，所述挤压模具设有容纳挤压杆和坯料的挤压模腔，所述驱动机构驱动所述挤压杆在所述挤压模腔内移动以挤压坯料；所述辅助装置包括电连接的发生器、变幅杆和换能器，所述换能器将电能转换为机械振动，所述变幅杆和所述换能器位于所述安装腔。
7.挤压杆结构简单，形状单一，容易找到谐振的频率以实现超声波振动的谐振设计，增大振幅，并且，在挤压作业中，坯料同时会与挤压杆和挤压模具接触，因此通过挤压杆内置换能器，不仅方便谐振设计，还能够保证超声波的强烈振动作用于坯料，使坯料更加容易产生塑性变形，降低挤压过程中坯料的变形阻力，降低挤压阻力，防止坯料开裂，同时增加挤压表面的细晶层深度，保证挤压作业的质量，兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。
8.由于坯料在连续挤压的过程中，谐振振型会发生变化，即超声波振动强烈部位随
着坯料变短而变化，可能会导致无法保证辅助装置、挤压杆和坯料中超声波的高频谐振持续作用在坯料的集中变形部位，因此，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，所述辅助装置至少包括两个发生器和对应的变幅杆及换能器，所述换能器的谐振频率不同，根据坯料的长度开启不同的换能器。根据挤压过程中坯料的长度变化，开启不同谐振频率的换能器，能够保证超声波强烈振动持续作用于坯料的集中变形部位，减少超声波损耗，超声振动产生的应力场和塑性变形产生的应力场在坯料内叠加后，促进位错运动，使坯料更加容易发生塑性变形，减小了坯料挤出变形阻力，降低了挤压阻力，防止坯料开裂。
9.变幅杆和换能器安装于挤压杆内后会影响辅助装置本身原有的振动状态，不合理的结构设计不仅会损害辅助装置，也会缩短挤压杆的使用寿命，因此，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，通过建模仿真使所述挤压杆、坯料和所述辅助装置产生谐振。通过建模仿真设计结构后可以最大程度降低实际挤压作业过程中对挤压杆和辅助装置的损耗。
10.超声波作用于挤压杆时，挤压杆会受到挤压方向的振动和垂直于挤压方向的振动，为了使振动方向与挤压方向一致，促进挤压效率和坯料的挤出，降低挤压过程中坯料的变形阻力，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，所述挤压杆开有贯通槽，所述贯通槽沿挤压杆的挤压方向延伸，所述贯通槽沿垂直于所述挤压杆的挤压方向的方向贯穿所述挤压杆，所述贯通槽抑制挤压杆中垂直于挤压方向的超声波。由此，可以减少超声波的横向传播，确保超声波主要集中在坯料上。
11.挤压杆在挤压模腔中移动，与挤压模具之间会发生摩擦，通常挤压杆与挤压模具之间具有润滑油，保证挤压作业的顺畅进行，而润滑油可能会对着挤压过程进入并堆积在贯通槽中，影响润滑效果，因此，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，所述贯通槽内设有柔性填充物。使得贯通槽能够抑制超声波在挤压杆中的横向传播，并且不会堆积润滑油，兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。
12.作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，所述填充物至少包括聚四氟乙烯、硅胶、f46树脂或者石棉等柔性材料中的一种。
13.作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，所述贯通槽的数量为偶数，平均且对称分布于所述挤压杆的两侧。由此，便于保证整体结构的平衡性，方便进行谐振设计。
14.贯通槽的槽口宽度过小时，不能够有效抑制横向振动，而贯通槽的槽口宽度太大时，由于挤压杆质量改变较大，可能会对整体谐振频率产生不良影响，基于仿真计算，可以确定贯通槽尺寸的合理性，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，垂直于挤压方向的长度为宽，所述贯通槽的槽口宽与所述挤压杆的宽的比值范围为0.08～0.1。
15.作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，所述换能器与挤压杆的连接方至少包括螺栓连接、键销连接、焊接、卡口连接或者粘合剂粘结中的一种。
16.作为一种超声波辅助挤压装置可选的实现方式，所述挤压模具包括挤压壳体和挤压模板，所述挤压壳体两端开口，一端供所述挤压杆进出，另一端与所述挤压模板可拆卸连接，所述挤压壳体与所述挤压模板围成挤压模腔。由此，使得挤压模板更换简单。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发
明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1是一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例的半剖结构示意图；
19.图2为图1中a处结构放大示意图；
20.图3为一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例的挤压杆结构示意图；
21.图4为一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例中一级换能器辅助直径为80mm挤压杆的仿真振型图；
22.图5为一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例中二级换能器辅助直径为80mm挤压杆的仿真振型图；
23.图6为一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例中三级换能器辅助直径为80mm挤压杆的仿真振型图；
24.图7为一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例中一级换能器辅助直径为120mm挤压杆的仿真振型图；
25.图8为一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例中二级换能器辅助直径为120mm挤压杆的仿真振型图；
26.图9为一种超声波辅助挤压装置的一种示意性实施例中三级换能器辅助直径为120mm挤压杆的仿真振型图。
27.附图标记说明：
28.1.挤压装置；11.驱动机构；12.挤压杆；121.安装腔；122.贯通槽；13.挤压模具；131.挤压模腔；132.挤压壳体；133.挤压模板；14.第一端盖；15.第二端盖；
29.2.辅助装置；21.发生器；22.换能器；221.一级换能器；222.二级换能器；223.三级换能器；
30.3.坯料。
具体实施方式
31.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示结构相同或结构相似但功能相同的部件。
32.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
33.参照图1和图2，本技术提出一种超声波辅助挤压装置，其包括挤压装置1和辅助装置2，其中，挤压装置1包括驱动机构11、挤压杆12、挤压模具13，驱动机构11与挤压杆12连接，挤压杆12内部开有安装腔121，挤压模具13设有容纳挤压杆12和坯料3的挤压模腔131，驱动机构11驱动挤压杆12在挤压模腔131内移动以挤压坯料3；辅助装置2包括电连接的发生器21、变幅杆和换能器22，换能器22将电能转换为机械振动，变幅杆和换能器22位于安装腔121。换能器22与挤压杆12连接，能够对坯料3施加超声波振动。
34.挤压杆12结构简单，形状单一，容易找到谐振的频率以实现超声波振动的谐振设计，增大振幅，并且，在挤压作业中，坯料3同时会与挤压杆12和挤压模具13接触，因此通过挤压杆12内置换能器22，不仅方便谐振设计，还能够保证超声波的强烈振动作用于坯料3，使坯料3更加容易产生塑性变形，降低挤压过程中坯料3的变形阻力，降低挤压阻力，防止坯
料3开裂，同时增加挤压表面的细晶层深度，保证挤压作业的质量，兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。
35.本领域技术人员应当明白，发生器21、变幅杆和换能器22之间的电连接属于常识，在本技术中不再进行说明。
36.优选的，安装腔121设置于挤压杆12中心轴的部位，能够保证整体结构平衡，方便谐振设计。
37.由于坯料3在连续挤压的过程中，谐振振型会发生变化，即超声波振动强烈部位随着坯料3变短而变化，可能会导致无法保证辅助装置2、挤压杆12和坯料3中超声波的高频谐振持续作用在坯料3的集中变形部位，因此，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，辅助装置2至少包括两个发生器21和对应的变幅杆及换能器22，换能器22的谐振频率不同，根据坯料3的长度开启不同的换能器22。根据挤压过程中坯料3的长度变化，开启不同谐振频率的换能器22，能够保证超声波强烈振动持续作用于坯料3的集中变形部位，减少超声波损耗，超声振动产生的应力场和塑性变形产生的应力场在坯料3内叠加后，促进位错运动，使坯料3更加容易发生塑性变形，减小了坯料3挤出变形阻力，降低了挤压阻力，防止坯料3开裂。
38.本技术可以用于挤压作业还可以用于挤出作业，改变挤压模具13的类型，即可获得各种形状的产品。
39.变幅杆和换能器22安装于挤压杆12内后会影响辅助装置2本身原有的振动状态，不合理的结构设计不仅会损害辅助装置2，也会缩短挤压杆12的使用寿命，因此，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，通过建模仿真使挤压杆12、坯料3和辅助装置2产生谐振。通过建模仿真设计结构后可以最大程度降低实际挤压作业过程中对挤压杆12和辅助装置2的损耗。
40.参照图1和图3，超声波作用于挤压杆12时，挤压杆12会受到挤压方向的振动和垂直于挤压方向的振动，为了使振动方向与挤压方向一致，促进挤压效率和坯料3的挤出，降低挤压过程中坯料3的变形阻力，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，挤压杆12开有贯通槽122，贯通槽122沿挤压杆12的挤压方向延伸，贯通槽122沿垂直于挤压杆12的挤压方向的方向贯穿挤压杆12，贯通槽122抑制挤压杆12中垂直于挤压方向的超声波。由此，可以减少超声波的横向传播，确保超声波主要集中在坯料3上。
41.挤压杆12在挤压模腔131中移动，与挤压模具13之间会发生摩擦，通常挤压杆12与挤压模具13之间具有润滑油，保证挤压作业的顺畅进行，而润滑油可能会对着挤压过程进入并堆积在贯通槽122中，影响润滑效果，因此，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，贯通槽122内设有柔性填充物。在贯通槽122内填充柔性填充物，使得贯通槽122能够抑制超声波在挤压杆12中的横向传播，并且不会堆积润滑油，兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。
42.作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，填充物至少包括聚四氟乙烯、硅胶、f46树脂或者石棉等柔性材料中的一种。
43.作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，贯通槽122的数量为偶数，平均且对称分布于挤压杆12的两侧。由此，便于保证整体结构的平衡性，方便进行谐振设计。
44.参照图3，z为挤压杆12的直径，x为贯通槽122的槽口宽度，y为安装腔121于贯通槽
122的横向距离，贯通槽122的槽口宽度过小时，不能够有效抑制横向振动，而贯通槽122的槽口宽度太大时，由于挤压杆12质量改变较大，可能会对整体谐振频率产生不良影响，基于仿真计算，可以确定贯通槽122尺寸的合理性，规定垂直于挤压方向的长度为宽，作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，贯通槽122的槽口宽与挤压杆12的宽的比值范围为0.08～0.1。例如，当z为80mm时，x为8mm，y为20mm；当z为120mm时，x为10mm，y为30mm。
45.参照图1至图9，在一种具体实施例中，坯料3材质为6063变形铝合金，坯料3长度为120cm，超声波辅助挤压装置包括三个发生器21和对应的变幅杆及换能器22，三个换能器22分别为一级换能器221、二级换能器22222和三级换能器223。通过建模仿真，进行频率分析，确保辅助装置2与挤压杆12和坯料3连接后的整体结构仍能够在工作频率范围内产生良好的谐振。z为80mm时，x为8mm，y为20mm时的仿真振型图如图4、图5和图6所示；z为120mm时，x为10mm，y为30mm时的仿真振型图如图7、图8和图9所示，图片中颜色由浅至深(由青绿色至蓝紫色)表示振动频率的分布由分散到集中。参照图4至图9可以观察到，超声波振动主要集中在坯料3中。
46.根据仿真结果进行结构设计，将各级换能器22与挤压杆12进行连接固定，分别将80mm、120mm的挤压杆12与驱动机构11连接，开启辅助装置2，设定发生器21的参数，分别将功率设定为0w和1200w，超声波脉冲间隔2s进行6s，将坯料3置于挤压模腔131中，挤压杆12对坯料3进行挤压，然后随坯料3的长度变化，对各级换能器22进行控制，在本实施例中，开始挤压时开启一级换能器221，当坯料3的长度为50cm～100cm时，关闭一级换能器221开启二级换能器22222，当坯料3的长度为小于50cm时，关闭二级换能器22222开启三级换能器223，最终将坯料3挤压成型。
47.待型材冷却后，取出型材，进行微观组织观察，坯料3在不同发生器21功率下的晶粒度如表1所示：
[0048][0049]
通过测试，挤压杆12直径为80mm时，本技术超声波辅助挤压装置需要的挤压力与传统挤压成形相比，挤压力减少了20％；挤压杆12直径为120mm时，本技术超声波辅助挤压装置需要的挤压力与传统挤压成形相比，挤压力减少了15％。本技术的超声波辅助挤压装置有效地降低了挤压阻力。
[0050]
作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，参照图2，安装腔121为台阶状，安装腔121内设有端盖，在具体的实施例中，一级换能器221在安装腔121内与挤压杆12连接，二级换能器22222通过第一端盖14与挤压杆12连接，三级换能器223通过第二端盖15与挤压杆12连接。
[0051]
作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，换能器22与挤压杆12的连接方至少
包括螺栓连接、键销连接、焊接、卡口连接或者粘合剂粘结中的一种。
[0052]
作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，挤压杆12的形状至少包括圆柱体或者棱柱体中的一种。使得挤压杆12结构简单，方便进行谐振设计。
[0053]
作为一种超声波辅助挤压装置可选的实施例，参照图1，挤压模具13包括挤压壳体132和挤压模板133，挤压壳体132两端开口，一端供挤压杆12进出，另一端与挤压模板133可拆卸连接，挤压壳体132与挤压模板133围成挤压模腔131。由此，使得挤压模板133更换简单。
[0054]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0055]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，包括：挤压装置，所述挤压装置包括驱动机构、挤压杆、挤压模具，所述驱动机构与所述挤压杆连接，所述挤压杆内部开有安装腔，所述挤压模具设有容纳挤压杆和坯料的挤压模腔，所述驱动机构驱动所述挤压杆在所述挤压模腔内移动以挤压坯料；辅助装置，所述辅助装置包括电连接的发生器、变幅杆和换能器，所述换能器将电能转换为机械振动，所述变幅杆和所述换能器位于所述安装腔。2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，所述辅助装置至少包括两个发生器和对应的变幅杆及换能器，所述换能器的谐振频率不同，根据坯料的长度开启不同的换能器。3.根据权利要求1所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，通过建模仿真使所述挤压杆、坯料和所述辅助装置产生谐振。4.根据权利要求1所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，所述挤压杆开有贯通槽，所述贯通槽沿挤压杆的挤压方向延伸，所述贯通槽沿垂直于所述挤压杆的挤压方向的方向贯穿所述挤压杆，所述贯通槽抑制挤压杆中垂直于挤压方向的超声波。5.根据权利要求4所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，所述贯通槽内设有柔性填充物。6.根据权利要求5所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，所述填充物至少包括聚四氟乙烯、硅胶、f46树脂或者石棉等柔性材料中的一种。7.根据权利要求4所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，所述贯通槽的数量为偶数，平均且对称分布于所述挤压杆的两侧。8.根据权利要求4所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，垂直于挤压方向的长度为宽，所述贯通槽的槽口宽与所述挤压杆的宽的比值范围为0.08～0.1。9.根据权利要求1所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，所述换能器与挤压杆的连接方至少包括螺栓连接、键销连接、焊接、卡口连接或者粘合剂粘结中的一种。10.根据权利要求1所述的一种超声波辅助挤压装置，其特征在于，所述挤压模具包括挤压壳体和挤压模板，所述挤压壳体两端开口，一端供所述挤压杆进出，另一端与所述挤压模板可拆卸连接，所述挤压壳体与所述挤压模板围成挤压模腔。

技术总结
本申请公开一种超声波辅助挤压装置，其包括挤压装置和辅助装置，挤压装置包括驱动机构、挤压杆、挤压模具，驱动机构与挤压杆连接，挤压杆内部开有安装腔，挤压模具设有容纳挤压杆和坯料的挤压模腔，驱动机构驱动挤压杆在挤压模腔内移动以挤压坯料；辅助装置包括发生器和换能器，发生器与换能器电连接，换能器将电能转换为机械振动，换能器位于安装腔。通过挤压杆内置换能器，不仅方便谐振设计，还能够保证超声波的强烈振动作用于坯料，使坯料更加容易产生塑性变形，减小了坯料的挤出变形阻力，降低挤压阻力，防止坯料开裂，保证挤压作业的质量，兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。兼顾挤压工艺和超声波振动的谐振设计。


技术研发人员：饶伟锋 王致明 韩宗航 李安 王永
受保护的技术使用者：山东铂克新材料有限公司
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2022/5/25