一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置及方法。所述超声旋压装置包括超声波振动装置和旋压成型装置；超声波振动装置，包括超声波发生器、换能器和变幅杆，超声波发生器通过数据线与换能器连接，变幅杆的一端连接在换能器的端面上；旋压成型装置，包括上模、下模、增厚轮和转轴，上模和下模均安装在转轴上，在上模与下模之间形成圆盘形板坯夹持区；增厚轮位于圆盘形板坯夹持区的侧部，变幅杆的另一端连接在增厚轮上。本发明中的超声旋压装置不仅可以降低成形载荷、提高材料的成形性能、减少成形摩擦力，还可以充分细化晶粒组织，得到高精度和高表面质量的零件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置及方法。

背景技术

目前，对于一些具有薄辐板厚轮缘盘类零件，其通常的制造方法有两种：第一种是采用 板料通过冲压方法加工出辐板，采用圆柱体毛坯、加热、墩粗、冲孔、辗扩、机加工的方法 加工出轮缘，然后将辐板和轮缘焊接成一个整体；第二种是采用热模锻成形出粗大的锻件毛 坯，然后通过多道机加工工序生产。以上两种加工方法，均具有材料利用率低、能耗高、加 工工序多、周期长、效率低和成本高的缺点。并且第一种制造方法还容易导致整体性能下降， 废次品率高，不符合节能和绿色制造的社会发展趋势。尤其在当前全球竞争的环境下，寻求 更好的加工设备和加工方法，以降低制造成本并提高零部件整体性能，对于提高国家及企业 在技术革新与进步等方面的核心竞争力，具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术中薄辐板厚轮缘盘类零件在制造过程中存在的上述技术问题，本发明提出 了一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置，能够有效提高材料的成形性能，进而得到 高精度和高表面质量的零件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置，包括超声波振动装置和旋压成型装置； 超声波振动装置，包括超声波发生器、换能器和变幅杆，超声波发生器通过数据线与换能器 连接，变幅杆的一端连接在换能器的端面上；旋压成型装置，包括上模、下模、增厚轮和转 轴，上模和下模均安装在转轴上，在上模与下模之间形成圆盘形板坯夹持区；增厚轮位于圆 盘形板坯夹持区的侧部，变幅杆的另一端连接在增厚轮上。

进一步，上述超声波振动装置，还包括连接在换能器上的频率跟踪器，所述频率跟踪器 通过数据线与超声波发生器连接。

进一步，上述频率跟踪器采集换能器的电学信号，并对该电学信号预处理后反馈至超声 波发生器，通过改变超声波发生器的振荡频率，控制换能器工作在共振频率点上。

进一步，上述电学信号包括电压信号和电流信号。

进一步，上述变幅杆的另一端焊接连接在增厚轮上，焊接点位于增厚轮的顶部中心处。

进一步，上述上模上设置拉延筋。

本发明还提出了一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压方法，其采用如下技术方案：

一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压方法，采用上述用于增厚圆盘形板坯轮缘的超 声旋压装置，包括如下步骤：

S1、将待加工的圆盘形板坯放置在圆盘形板坯夹持区，并通过上模与下模将所述圆盘形 板坯夹持住；

S2、超声频的正弦电信号由超声波发生器发出，通过换能器将高频电能转换为机械振动， 通过变幅杆传播纵向振动至增厚轮中心并放大振幅，变幅杆的纵向振动在增厚轮中心位置激 发增厚轮进行超声频的弯曲振动，振动能量在增厚轮边缘处达到最大；

S3、增厚轮沿径向做进给运动，在增厚轮的径向进给运动中，变幅杆随增厚轮一起径向 进给，当增厚轮进给到与圆盘形板坯发生接触时，增厚轮做被动的旋转运动，圆盘形板坯在 增厚轮的作用下，材料顺着增厚轮的R弧沿轴向流动，直至将圆盘形板坯轮缘增厚到所要求 厚度时，增厚轮沿原路径退出，变幅杆随增厚轮一起沿原路径退出。

进一步，上述超声波振动装置，还包括连接在换能器上的频率跟踪器，频率跟踪器通过 数据线与所述超声波发生器连接；在成形过程中，频率跟踪器实时采集换能器的电学信号， 并对所述电学信号进行一定的预处理，然后反馈至超声波发生器，通过改变超声波发生器的 振荡频率，控制换能器工作在共振频率点上。

进一步，上述电学信号包括电压信号和电流信号。

本发明具有如下优点：

本发明述及的超声旋压装置，将超声波直接施加在增厚轮上，通过增厚轮将振动传递给 圆盘形板坯，圆盘形板坯在超声波作用下，其内部微结构被外部环境激化，圆盘形板坯在超 声波产生的交变应力场与弹塑性变形产生的应力场耦合作用下发生成形。本发明在旋压成型 的基础上引入超声场，不仅可以降低成形载荷、提高材料的成形性能、减少成形摩擦力，还 可充分细化晶粒组织，得到高精度和高表面质量的零件。

附图说明

图1为本发明中一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置的结构示意图；

图2为本发明中圆盘形板坯轮缘增厚成形的原理示意图；

图3为图1中增厚轮的局部结构示意图；

图4为本发明中超声波振动装置中频率跟踪反馈框图；

图5为本发明中圆盘形板坯流经拉延筋时材料流动的变化示意图；

其中，1-超声波发生器；2-频率跟踪器；3-换能器；4-变幅杆；5-增厚轮；6-上模；7- 圆盘形板坯；8-下模；9-转轴；10-拉延筋；11-R弧。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1所示，一种用于增厚圆盘形板坯轮缘的超声旋压装置，包括超声波振动装置和 旋压成型装置。

超声波振动装置，包括超声波发生器1、换能器3和变幅杆4。

超声波发生器1通过数据线与换能器3连接，通过改变超声波发生器1的振荡频率，可 以确保换能器3工作在共振频率点上。

变幅杆4的一端连接到换能器3的端面上。

旋压成型装置，包括上模6、下模8、增厚轮5和转轴9，上模6位于下模8的上方，上 模6与下模8均安装到转轴9上，在上模6与下模8之间形成圆盘形板坯夹持区。

增厚轮5位于圆盘形板坯夹持区的侧部，变幅杆4的另一端连接在增厚轮5上，作为旋 转轴随增厚轮5一起运动。在成形过程中，增厚轮5作为成形工具头使用。图3示出了增厚 轮5的局部结构示意图，由图3可知，增厚轮5的边缘具有R弧11。

此外，为了减少变幅杆4与增厚轮5连接界面上的超声能损耗，变幅杆4宜与增厚轮5 采用焊接连接，焊接点位于增厚轮5的顶部中心处。

超声电源是超声波电信号发生源。考虑到旋压成形力较一般机械加工大，因此超声谐振 系统的力阻抗会比较大，同时负载变化也会较大，因此本发明宜选用大功率的超声电源。

本发明将超声场与旋压力场耦合起来，在传统旋压成型装置上叠加了超声振动。总体来 看，旋压成型加工中引入超声场能够降低塑性成形力，不仅能够提高金属材料的成形极限， 还具备改善塑性加工产品质量效果的能力。

如图2所示，下面以待加工的圆盘形板坯7为例，详细说明成形过程：

在成形时，将待加工的圆盘形板坯7置于圆盘形板坯夹持区，通过上模6与下模8将圆 盘形板坯7夹持住，此时，圆盘形板坯7可以跟随上模6与下模8做高速旋转运动。

由大功率超声电源提供超声频的正弦电信号由超声波发生器1发出，通过换能器3将其 高频电能转换为机械振动，通过变幅杆4传播纵向振动至增厚轮5中心并放大振幅，变幅杆 4的纵向振动在增厚轮5中心位置激发增厚轮5超声频的弯曲振动，振动能量在增厚轮5边 缘处达到最大，于是在旋压成形区，超声能量与机械力能叠加，共同驱使材料的塑性变形。

增厚轮5与圆盘形板坯7是复杂的动态接触过程。增厚轮5沿径向做进给运动，在增厚 轮5的径向进给运动中，变幅杆4随增厚轮5一起径向进给。当增厚轮5进给到与圆盘形板 坯7发生接触时，增厚轮5做被动的旋转运动，圆盘形板坯7在增厚轮5的作用下，材料顺 着增厚轮5的R弧沿轴向流动，直至将圆盘形板坯7轮缘增厚到所要求厚度时增厚轮5沿原 路径退出，变幅杆4随增厚轮5一起沿原路径退出。

由于金属材料在超声波作用下所表现出的力学行为表明外部条件与内部微结构间产生 “共鸣”，即内部微结构被外部环境激化，从而导致宏观上表现为塑性屈服点和硬化率降低 等特殊现象，从而可以降低成形载荷，减小成形摩擦力。

当超声波的强度超过某一临界值时，其在固体中的传播能改变材料的微观组织，比如增 加位错密度，可以使材料内部产生微塑性变形，从而提高材料强度和硬度，提高材料的成形 性能。超声波能使塑性变形更剧烈，能有效提高晶粒的细化效果。

此外，超声波振动装置，还包括连接在换能器上的频率跟踪器2，频率跟踪器2通过数 据线与超声波发生器1连接。

在成形中，当换能器3与增厚轮5的频率相等时，可以获得最大的能量输出，工作也最 稳定。由于超声波振动装置的谐振频率对外界负载、热载荷等因素较为敏感，这些因素的改 变会引起超声波振动装置谐振频率的变化，导致超声波振动装置失谐或者停止工作，因此， 超声波振动装置需要具备频率跟踪的功能，通过频率跟踪信号控制超声波发生器1，使超声 波发生器1的频率在一定范围内跟踪换能器3的共振点，让超声波发生器1工作在最佳状态。

如图4所示，频率跟踪器2实时采集换能器3的电学信号，诸如电压和电流信号，并对 电学信号进行一定的预处理，然后反馈至超声波发生器1，通过改变超声波发生器1的振荡 频率，以确保换能器3工作在共振频率点上，这种反馈完全借助电子元器件实现，制作方便、 方案灵活，可以实现的具体方式多种多样，图4中，r代表电阻，I代表电流。

如图2所示，为了减小上模6的加工成本，可以在上模6上采用镶筋的方式加工出拉延 筋10，用于增大圆盘形板柸7的流动阻力，防止起皱。具体表现在，在轮缘增厚过程中，当 板料流经拉延筋10时，从点A到点B发生了弯曲、回复、弯曲的反复变形，如图5所示，这 些变形所需要的变形力加上拉延筋10与板料表面的摩擦力都直接作用在板料上，进而增加了 板料流动的进料阻力。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说 明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变 形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。