高长径比微孔冲挤复合成形装置及方法

摘要

高长径比微孔冲挤复合成形装置及方法，它涉及一种微孔冲挤复合成形装置及方法。本发明为解决现有微孔是挤压成形，变形抗力大、冲头易磨损，微孔部分的尺寸精度和表面质量难以保证的问题。装置：冲头装在模座孔、模板孔和冲孔中，冲头的有效长度段内由上至下分为第一段、第二段、第三段、第四段和第五段，第一段、第三段和第五段均为圆柱，且直径由上至下依次递减，第二段和第四段均为圆台。方法：一、安装上、下模；二、坯料预热；三、冲挤成形；四、坯料脱模；五、磨削；六、冲刷，即得到高长径比微孔。本发明是冲挤成形，冲挤时，冲头有效段与微孔有剪切变形，使余料流动顺畅、变形抗力小、冲头不易磨损，微孔成形尺寸精度和表面质量得到提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微孔冲挤复合成形装置及方法。

背景技术

随着我国航空航天发动机技术的迅速发展，对高长径比微孔类零件，如微孔燃油喷嘴等的需求明显增加。微孔类零件具有如下的特点：微孔直径小、长度较大、长径比大，直径约为0.2-0.3mm、长径比为10左右；材料性能要求高，为轻质、高机械强度材料或复合材料，微孔的数量较大，因此直接成形是非常困难。传统的高长径比微孔是采用微细电火花加工，存在加工重复，精度难以保证、加工效率低、不能加工不导电材料等。中国专利号为200510073177.5、公开日为2005年10月26日的发明专利公开了一种微细喷射型孔的复合加工工艺，该专利的核心是：通过不同尖端形状的冲头的组合，顺序塑性变形加工出带有微细倒锥的底型腔，然后在其背面对应于底型腔倒锥的位置，采用微细电火花工艺减薄材料，露出倒锥锥顶，形成微细型孔。该专利虽然使加工精度得到保证，加工效率也相应的提高，但该工艺也存在不足之处：由于该工艺是锥形冲头，只是单纯挤压成形，不存在剪切变形，因此，挤压成形的微孔尺寸精度和表面质量难以保证，更重要的是挤压成形时坯料朝向冲头运动方向相反的方向流动，余料流动困难、变形抗力显著增加，极易导致冲头的磨损甚至损坏；并且该方法不能加工不导电材料。

发明内容

本发明的目的是为解决现有高长径比微孔是单纯挤压成形，余料流动困难、变形抗力大、导致冲头易磨损，微孔部分的尺寸精度和表面质量难以保证的问题，提供一种高长径比微孔冲挤复合成形装置及方法。

本发明的装置由上模座、上模板、卸料板、导柱、导套、下模板、下模座、凹模、冲头和弹簧组成，上模座的中心处设有模座孔，上模板的中心处设有模板孔，且模板孔与模座孔正对，卸料板的中心处设有冲孔，且冲孔与模板孔正对，卸料板的上端面上设有弹簧槽，弹簧装在弹簧槽中，上模板设置在上模座的下端面上，卸料板设置在上模板的下方，导柱的上端穿过卸料板，且导柱的上端与上模板连接，导柱的下端设置在导套上的导柱孔中，下模板上设有与导套正对的下模板导套孔，下模座上设有与导套正对的下模座导套孔，下模板设置在下模座的上端面上，下模板的中心处设有与凹模配合的凹模孔，凹模8装在凹模孔内，凹模的中心处设有与冲孔正对的落料孔，冲头同时装在模座孔、模板孔和冲孔中，冲头的有效长度段内由上至下分为第一段、第二段、第三段、第四段和第五段，第一段、第三段和第五段均为圆柱形状，且直径由上至下依次递减，第二段和第四段均为圆台形状。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：一、安装上、下模：下模座7固装在冲床的下工作台面上，上模座与冲床的上工作面连接，凹模上的落料孔与冲头正对；二、坯料预热：将需要冲孔的坯料预先加热300～400℃，再将预热后的坯料放置在凹模的上端面上；三、冲挤成形：对上模座加压，冲头不断挤入到坯料内部，被挤坯料同时流入凹模上的落料孔内，冲至冲头的下端面超过坯料下表平面0.2mm，上模板停止下移；四、坯料脱模：上模板反向移动，坯料由卸料板在弹簧的作用下从冲头上脱离，微孔冲挤复合成形过程结束；五、磨削：将坯料从凹模上取出，用砂轮磨削去除突出于坯料表平面的余料；六、冲刷：采用等离子冲洗设备去除所述步骤五的磨削过程中产生的微小毛刺，即得到高长径比微孔。

本发明的优点是：一、本发明是冲挤成形，在冲挤成形中，冲头并不把坯料冲透，只是将冲头下端面超过坯料下表面，使得冲头深入坯料的长度较小，冲头的有效长度段内由上至下依次递减，这种冲头结构在挤压时，冲头有效段的第五段与微孔成形时，存在着剪切变形，因此，余料流动顺畅、变形抗力小、冲头不易磨损，从而使微孔成形的尺寸精度和表面质量得到了提高。二、本发明不仅能加工导电的金属材料，还能加工不导电的复合材料。三、本发明借助等离子冲洗设备进行冲刷，去除微孔中的微小毛刺，使得微孔的精度更高。四、本发明不仅可以用于单个微孔的成形，而且可以进行多个微孔的批量成形。在冲挤完成一个微孔成形后，由送料机构移动坯料位置，进行下一个微孔的成形，既可以成形阵列微孔，可以成形按照要求排列的微孔，生产效率高、成本低。

附图说明

图1是本发明高长径比微孔冲挤复合成形装置的主剖视图，图2是凹模8的主剖视图，图3是冲头9的主视图，图4是冲头9在冲挤坯料11时，微孔成形原理图，图5是具体实施方式三中步骤五的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式由上模座1、上模板2、卸料板3、导柱4、导套5、下模板6、下模座7、凹模8、冲头9和弹簧10组成，上模座1的中心处设有模座孔1-1，上模板2的中心处设有模板孔2-1，且模板孔2-1与模座孔1-1正对，卸料板3的中心处设有冲孔3-1，且冲孔3-1与模板孔2-1正对，卸料板3的上端面上设有弹簧槽3-2，弹簧10装在弹簧槽3-2中，上模板2设置在上模座1的下端面上，上模板2通过连接件与上模座1连接，卸料板3设置在上模板2的下方，卸料板3通过连接件与上模板2连接，导柱4的上端穿过卸料板3，且导柱4的上端与上模板2连接，导柱4的下端设置在导套5上的导柱孔5-1中，下模板6上设有与导套5正对的下模板导套孔6-1，下模座7上设有与导套5正对的下模座导套孔7-1，下模板6设置在下模座7的上端面上，下模板6通过连接件与下模座7连接，下模板6的中心处设有与凹模8配合的凹模孔6-2，凹模8装在凹模孔6-2内，凹模8的中心处设有与冲孔3-1正对的落料孔8-1，冲头9同时装在模座孔1-1、模板孔2-1和冲孔3-1中，冲头9的有效长度段内由上至下分为第一段9-1、第二段9-2、第三段9-3、第四段9-4和第五段9-5，第一段9-1、第三段9-3和第五段9-5均为圆柱形状，且直径由上至下依次递减，第二段9-2和第四段9-4均为圆台形状。冲挤成形时，采用卸料板3压坯料11，使坯料11不会发生翘曲变形。在微孔的冲挤成形结束后，移起上模座1，在弹簧10和卸料板3的作用下，使得冲头9更容易从坯料11中移出。冲头9的有效长度段由上至下直径设计成递减形式，成形的微孔上、下孔径差别不大，对微孔的使用性能没有影响；这样设计减小了冲头的整体锥角，在保证冲头强度的前提下，显著降低成形阻力，减小冲头所受载荷，不但保护了冲头9，而且降低了成形设备的输出载荷。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的凹模8上的落料孔8-1的内径大于坯料的厚度，落料孔8-1的内壁设有圆弧面8-2，圆弧面8-2位于落料孔8-1的进料端。这样设计利于冲挤成形时，被冲余料11-1容易进入凹模8内。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：一、安装上、下模：下模座7固装在冲床的下工作台面上，上模座1与冲床的上工作面连接，凹模8上的落料孔8-1与冲头9正对；二、坯料预热：将需要冲孔的坯料预先加热300～400℃，再将预热后的坯料放置在凹模8的上端面上；三、冲挤成形：对上模座1加压，冲头不断挤入到坯料内部，被挤坯料同时流入凹模8上的落料孔8-1内，冲至冲头的下端面超过坯料下表平面0.2mm，上模板2停止下移；四、坯料脱模：上模板2反向移动，坯料由卸料板3在弹簧10的作用下从冲头9上脱离，微孔冲挤复合成形过程结束；五、磨削：将坯料从凹模8上取出，用砂轮磨削去除突出于坯料表平面的余料；为了保证微孔质量，余料11-1可多去除一些，比如可去除到坯料表面以下0.1mm处；六、冲刷：采用等离子冲洗设备去除步骤五的磨削过程中产生的微小毛刺，即得到高长径比微孔。步骤五中的砂轮可采用白刚玉砂轮、型号为WA；步骤六中的等离子冲洗设备采用日本产、型号为EIS-200ER的等离子冲洗设备。冲挤时，在冲床的作用下，上模座1和卸料板3经导柱4和导套5的导向向下运动，首先是卸料板3与坯料接触，随着上模板2继续下移，在弹簧10作用下卸料板3将坯料压紧，压紧力可以通过调节弹簧10的长度来改变，当上模板2继续下移时，冲头9与坯料接触，微孔冲挤复合成形开始。

本发明的应用实例：选择直径为0.2mm的微孔作为成形对象，坯料11厚度为2mm。根据上述微孔的尺寸设计冲头9的尺寸，冲头9的有效长度段的长度L为4mm，冲头9的有效长度段内第一段9-1的长度L1为2mm、直径d1为φ0.8mm，第三段9-3的长度L3为0.5mm、直径d3为φ0.4mm，第五段9-5的长度L5为0.5mm、直径d5为φ0.2mm，第二段9-2的长度L2为0.5mm，第四段9-4的长度L4为0.5mm，凹模8上的落料孔8-1的内径为3mm；将坯料11预先加热350℃，预热后的坯料11放置在凹模8的上端面上，冲挤时，在冲床的作用下，上模座1、卸料板3由导柱4和导套5的导向向下运动，首先，卸料板3与坯料11接触，随着上模板2继续下移，在弹簧10作用下，卸料板3将坯料11压紧，当上模板2继续下移时，冲头9与坯料11接触，微孔冲挤复合成形开始，上模板2继续下移，冲头9不断挤入到坯料11内部，被挤坯料11同时流入凹模8上的落料孔8-1中，当冲头9下端面超过坯料11下表平面0.2mm时，上模板2停止下移而向上移动，坯料11由卸料板3在弹簧10的作用下与冲头9脱离，当上模板2移动到初始位置时，停止运动，冲挤成形过程结束，将坯料11从凹模8上取出，翻转并固定于平行度很高的平板上，用白刚玉砂轮12将冲挤的突出于坯料表平面的余料11-1磨削掉，为了保证微孔质量，可将余料11-1多去除一些，去除到坯料表面以下0.1mm处，去除完毕后，采用日本产、型号为EIS-200ER的等离子冲洗设备去除磨削过程中产生微小毛刺，得到高质量微形孔，如图5所示。

通过上述实例可明显的看出：采用本发明的装置和方法，加工的微孔尺寸精度和表面质量都得到了保证。