一种用于形状记忆合金紧固环的扩径装置

摘要

一种用于形状记忆合金紧固环的扩径装置，包含带导向柱（103）的支撑底座（1）、扩径芯柱（6）、中心导向柱（2）、垫块（3）、开口垫片（4）和上压板（7）。所述扩径芯柱（6）设有弧形母线的凸台与底部外螺纹；垫块（3）为从支撑底座（1）分离的支撑面；中心导向柱（2）为附加导向，顶部设有内螺纹；开口垫片（4）用于增大支撑面积。室温下，待扩径环（5）与垫块（3）、金属开口垫片（4）、扩径芯柱（6）和中心导向柱（2）先进行预装配，然后再将预装配组件与支撑底座（1）在扩径温度下装配。本发明可用于多种截面形状记忆合金紧固环的扩径，而且操作简单，定位精度高，导向性良好，支撑可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及扩径技术，具体涉及一种用于形状记忆合金紧固环的通用扩径装置。该装置的优点是：操作简单，定位精度高，导向性好，扩径质量稳定，既可用于室温扩径，也可用于低温扩径。

背景技术

形状记忆合金是一种具有形状记忆效应和超弹性的新型功能合金。形状记忆效应是指合金在一定温度下进行大于弹性极限的变形并不会产生塑性变形，经过加热后会恢复到原来形状的特性。形状记忆合金紧固环就是利用形状记忆效应的一个典型应用。区别于传统连接方式，采用记忆合金紧固环的连接无需过多的设备与操作，只需要对预先扩径的紧固环进行适当的加热就可以完成可靠的连接。然而，扩径技术（尤其是低温扩径技术）是影响形状记忆合金紧固环连接能力的一个关键。

目前关于扩径技术的研究主要集中于形状记忆合金管接头的扩径，并无专门针对紧固环的扩径装置与方法。虽然两者均是对内径进行均匀扩大的变形方式，可以使用管接头扩径模具对紧固环进行扩径，但实际上这两种零件有所差别。比如管接头高径比较大，截面一般为圆形，而紧固环则高径比小，截面形状也更加丰富，因此在扩径模具的设计上需分别考虑。管接头的扩径方法主要包括机械式扩径方式、液压式扩径方式及借助其他介质的扩径方式等。但是由于液压式不适合于高径比较小的环形零件的扩径，借助弹性介质的方式变形量小且精度差等，均无法为形状记忆合金紧固环的扩径装置设计提供基础方案。因此借鉴最为常用的机械扩径方式对形状记忆合金紧固环的扩径装置进行设计。这种方式与管道扩口方式的原理基本相同，均采用扩径芯柱在压力的作用下穿入管口进行变形。为了提高扩径的质量，在管道扩口研究中，采用了优化扩径芯柱与增加分瓣式模具的方法。类似地，在形状记忆合金管接头的扩径研究中也采用了添加分瓣式模具或者弹性套的方式，但是并无扩径芯柱进行优化。

专利文献CN103433395A中提到一种形状记忆合金管接头的扩径装置，采用了均匀分割的弹性套对带内脊的管接头进行了扩径。具体实施方式为扩径芯柱上凸台在下移过程中撑开弹性套，弹性套的弹片均匀张开对管接头进行扩径。虽然采用弹性套的方式可以提高扩径均匀性，但是当被扩径管接头尺寸很小时，一方面是弹性套加工困难，另一方面是弹性套的使用减小了扩径芯柱的尺寸，使得扩径芯柱刚度进一步降低。其导向方式采用扩径芯柱导向，但是由于扩径芯柱上凸台的存在导致导向段很长且与导向孔间隙较大。另外，由于形状记忆合金环的变形很多时候需要在低温下进行，甚至是在液氮中进行。因此，相应的扩径操作在低温下具有一定的操作难度与危险性。

总之，目前形状记忆合金环的扩径存在以下问题：1）无专门针对形状记忆合金环的扩径装置；2）现有管接头的扩径装置结构复杂，不适合小尺寸环的扩径；3）扩径芯柱结构简单，导向与定位性较差；4）低温扩径时，低温环境中的操作较多，增加了扩径难度与危险性。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种适用于不同截面与尺寸的形状记忆合金紧固环在室温或者低于室温下扩径的装置。

本发明所述用于形状记忆合金紧固环的扩径装置，包括支撑底座（1）、扩径芯柱（6）和上压板（7），还包括中心导向柱（2）、垫块（3）和开口垫片（4）。扩径芯柱（6）除中段的凸台（602）及下方的光杆（603）外，底部还加工有外螺纹（604），用于连接中心导向柱（2），提供附加的导向。中心导向柱（2）上端设有内螺纹（201），内螺纹（201）用于连接扩径芯柱（6），中心导向柱（2）通过外圆柱面与扩径底座（1）上下阶梯孔（101）的配合为装置提供附加导向。支撑底座（1）中心设有下阶梯孔（101）与上阶梯孔（102），上阶梯孔（101）用于安装垫块（3），下阶梯孔（102）与中心导向柱（2）配合。垫块（3）将支撑面从支撑底座（1）分离，方便进行预装配的同时还易于更换，可以提高支撑底座（1）的使用寿命与通用性。垫块（3）中心设有孔（301），用于扩径芯柱（6）穿过。开口垫片（4）上有0.2~0.5mm的开口，开口垫片（4）的作用是为待扩径环（5）提供支撑，开口可使垫片被扩径时为弹性变形，从而减小总的扩径力，开口尺寸为0.2~0.5mm保证了支撑面积。

本发明所采用的扩径芯柱（6）上凸台段（602）的母线为弧形。光杆段（603）直径与待扩径环（5）内径的公称尺寸相同，两者的截面形状也相同。传统设计中凸台（602）的母线为直线，在管道扩口研究中发现直线型母线会导致“过冲现象”，从而使扩径质量下降。为此，本发明采用了弧形母线，经过有限元分析对比优化前后扩径结果，发现弧形母线可以有效减弱过冲现象，提高扩径质量。光杆段（603）为待扩径环（5）的装配位置，为提高定位精度与导向性，光杆段（603）外径的公称尺寸与待扩径环（5）的内径相同，采用间隙配合。另外，针对不同截面类型的形状记忆合金环，光杆段（603）的截面形状也对应相同，拓宽了模具的适用范围。

本发明所采用的垫块（3）采用硬质合金加工，其上表面为扩径支撑面。引入垫块（3）的设计，一方面将支撑面与支撑底座（1）分离，大大提高了支撑底座（1）的使用寿命，另一方面仅垫块（3）采用高强度材料加工，可以减少支撑底座（1）的加工难度与材料成本。除此之外，支撑面与支撑底座（1）分离后方便引入精度更高的附加中心导向柱（2）。

本发明所采用的中心导向柱（2）的外圆柱面的公称尺寸与下阶梯孔（101）相同，采用间隙配合。由于导向面的间隙小，因此中心导向柱（2）不仅导向性好，而且尺寸小，节省空间。

本发明所采用的开口垫片（4）为弹性钢制开口垫片，其内径尺寸与形状均与待扩环（5）内径相同，其外径大于垫块（3）中心孔内径。由于垫块（3）中心孔（301）的内径大于待扩径环（5）的内径，因此在扩径时会导致待扩径环与支撑面的接触面积不足，影响扩径质量。因此在待扩径环下方垫有开口垫片（4），内径与待扩径环（5）内径相同，从而形成完全支撑。

本发明所采用的装配过程分为两步：第一步，通过内螺纹（201）外螺纹（604）的联接，待扩径环（5）、开口垫片（4）、垫块（3）、扩径芯柱（6）和中心导向柱（2）可以形成预装配；第二步，预装配组件通过垫块（2）与上阶梯孔（102）的配合，中心导向柱（2）与下阶梯孔（101）的配合进一步装配到支撑底座（1）。两步装配的方案是为了降低操作难度，同时提高定位精度。因为传统扩径中，管接头与扩径模具的装配往往一步完成，管接头相对模具的定位、扩径芯柱相对支撑底座的定位、导向的定位等等需要同时满足，操作难度较大。因此，采用预装配方案，通过扩径芯柱（6）、中心导向柱（2）与垫块（3）的结构设计，将待扩径环（5）的定位提前完成，并引入导向能力更好的中心导向柱（2）。然后再通过中心导向柱（2）的精准定位完成最后装配。

本发明所采用的两步装配，第一步预装配在室温下进行，第二步装配在室温或低于室温进行。这带来一个非常大的优势：当用于低温扩径时，室温预装配降低了低温操作难度与危险性。

本发明的有益效果：1）采用预装配，降低了操作的难度，尤其是低温扩径时减少了低温操作难度与危险性；2）采用优化的带弧形锥面凸台的扩径芯柱，可以提高形状记忆合金环沿轴向的内径均匀度；3）采用内径尺寸和截面形状与待扩径环相同的弹性金属开口垫片，可以使紧固环扩径时得到完全支撑；4）采用附加中心导向柱的导向方式，导向性更好，更节省空间；5）不同的扩径芯柱可以适用于各种尺寸与截面的形状记忆合金紧固环的扩径，同时也可拓展到管接头的扩径。

附图说明

图1为本发明的装配示意图。

图2为图1中扩径芯柱三维示意图。

图3为图1中“扩径芯柱-形状记忆合金环-金属开口垫片-垫块-中心导向柱”预装配组件示意图。

图4为图1中带导向柱的支撑底座。

图5为不同截面形状记忆合金环与对应扩径芯柱三维示意图。

附图标记说明：1、支撑底座；101、支撑底座上阶梯孔；102、支撑底座下阶梯孔；103、支撑底座导向柱；2、中心导向柱；201、中心导向柱内螺纹；3、垫块；4、金属开口垫片；5、形状记忆合金环；6、扩径芯柱；601、扩径芯柱保持段；602、扩径芯柱凸台段；603、扩径芯柱光杆段；604、扩径芯柱外螺纹；7、上压板。

具体实施方式

具体实施方式将结合附图与实施例进行详细说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明的内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。

如图1所示，本实施例包含带导向柱（103）的支撑底座（1）、中心导向柱（2）、垫块（3）、开口垫片（4）、扩径芯柱（6）和上压板（7）。如图2所示，扩径芯柱（6）经过优化设计，中间扩径段包括保持段（601）和凸台段（602）两个部分，其中凸台段（602）经过优化设计后母线几何形状为弧形，以改善扩径过程中的过冲现象，凸台下部为光杆段（603），底端设有外螺纹（604）。如图5所示，针对不同截面与尺寸的形状记忆合金紧固环，扩径芯柱（6）的保持段（601）、凸台段（602）和光杆段（603）进行了匹配设计。

如图3所示，待扩径形状记忆合金紧固环（5）扩径前需先进行预装配，先将多个待扩径环（5）穿于扩径芯柱（6）上凸台段（602）的下方，然后依次将对应的金属开口垫片（4）、垫块（3）穿于待扩径环（5）的下方，最后中心导向柱（2）通过上端内螺纹（201）与扩径芯柱（6）下端外螺纹（604）进行螺纹联接，在螺纹旋合的过程中垫块（3）、金属开口垫片（4）、待扩径环（5）被压紧，完成预装配。在预装配时，为减小扩径过程中摩擦力，在扩径芯柱（6）的外表面均匀涂抹润滑油脂。

支撑底座（1）固定于扩径所需的温度环境中。如图4所示，支撑底座（1）中心设置阶梯孔（101）与（102），预装配完成后，中线导向柱（2）与下阶梯孔（101）配合，垫块（3）与上阶梯孔（102）配合，完成定位与支撑。最后，上压板（7）与支撑底座（1）上的导向柱（103）进行配合，同时压于扩径芯柱（6）上端面。

完成装配后，对扩径组件及形状记忆合金紧固环进行保温，保温完成后，随着压力的输入上压板（7）下移，扩径芯柱（6）上锥形凸台的锥面段（602）依次穿过待扩径环（5）和金属开口垫片（4），完成形状记忆合金环的扩径。扩径过程中，可以通过对压力输入的检测来判断扩径过程是否完成。扩径完成后，压力输入复位，移除上压板（7），然后取出扩径变形完成的形状记忆合金紧固环（5）进行低温保存，最后回收其余预装配组件进行下次扩径。

采用本发明所设计的扩径装置，对内径为4.88mm的圆形截面形状记忆合金环进行扩径。扩径温度为-50℃，扩径后内径变为5.50mm，室温下内径为5.40mm，而且同一批环在室温下内径误差小于0.04mm；加热至120℃后，内径恢复至5.10mm，尺寸误差也小于0.04mm。另外也对17.04mm×4.3mm，直角边倒圆半径为1.5mm的矩形环进行了扩径，同样具有高的扩径质量。