超声波振动辅助下的粉体材料压制成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及粉体材料压制成型技术领域，特别涉及一种超声波振动辅助下的粉体 材料压制成型方法。
【背景技术】
[0002] 压制是混合含能粉体材料成型及装药领域的重要工艺路径，但是该工艺面临创新 发展的重要瓶颈，特别是在密度和密度均匀性、内应力均化和残余应力释放等方面。具体 地，在粉体材料压制成型过程中，不可避免的存在粉体材料颗粒之间的内摩擦以及颗粒和 模壁(或软模)之间的外摩擦，导致压力沿压制方向被逐步损耗，致使不同高度层、不同径向 位置含能粉体材料颗粒受到的有效压力不一致，使压坯内部密度分布不均匀。
[0003] 在粉末颗粒压制成型过程中，如果对被压制材料施加一定方向、一定频率和振幅 的超声振动，可以降低工件和模具之间的摩擦力以及整体成形力，还能在一定程度上提高 材料的变形能力以及变形的均匀性，进而提高成型质量。
【发明内容】
[0004] 【要解决的技术问题】
[0005] 本发明的目的是针对粉体材料，特别是含能粉体材料，提供一种超声波振动辅助 下的粉体材料压制成型方法，以降低粉体材料压制成型时颗粒与颗粒、颗粒与模壁之间的 摩擦力以及整体成形力，同时提高制品致密化和降低药柱内部残余应力。
[0006] 【技术方案】
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0008] 本发明涉及一种超声波振动辅助下的粉体材料压制成型方法，包括步骤：
[0009] A、组建粉体材料压制成型设备，所述设备包括超声波底座、安装在超声波底座上 的超声模套、与超声模套配合使用的超声波冲头、驱动超声波冲头的液压机、第一超声波换 能器、换能器连接部，所述超声波冲头内设置有空腔，所述空腔内设置有第二超声波换能 器，所述第一超声波换能器通过换能器连接部与超声模套连接，所述第二超声波换能器通 过换能器连接部与超声波冲头的底部连接，所述超声模套内和超声波冲头内均设置有冷却 水循环系统，所述冷却水循环系统包括进液口、水管、出液口，所述冷却水循环系统在超声 模套内部呈U字形布局；
[0010] B、将待压制粉体材料放置于超声模套内、超声波冲头与超声底座之间；
[0011] C、启动冷却水循环系统，冷却液从冷却水循环系统的进液口注入、出液口流出；
[0012] D、启动液压机，超声波冲头在液压机的作用下做相对运动并带动粉体材料下行运 动以对粉体材料进行压制，所述压制过程中使第一超声波换能器输出超声波以带动超声模 套共振、使第二超声波换能器输出超声波以带动超声波冲头共振；
[0013 ] E、取出超声模套内粉体材料压制后的成品。
[0014]作为一种优选的实施方式，所述步骤D中的压制过程具体包括:首先设置液压机压 力，通过液压机驱动超声波冲头将粉体材料压紧，使第一超声波换能器输出超声波以带动 超声模套共振、使第二超声波换能器输出超声波以带动超声波冲头共振，逐步增加液压机 压力直至达到预设的压力值，所述液压机压力分阶段增加，每一阶段均保持一段时间。
[0015] 作为一种优选的实施方式，所述步骤A还包括:将第一超声波换能器和第二超声波 换能器的金属端口静电接地，将第一超声波换能器通过绝缘塑料或陶瓷与换能器连接部连 接。
[0016] 作为另一种优选的实施方式，所述超声波换能器仅在液压机压力增加时输出超声 波。
[0017] 作为另一种优选的实施方式，所述超声波换能器仅在液压机压力保持不变时输出 超声波。
[0018] 作为另一种优选的实施方式，所述步骤A中超声模套的模壁厚度根据超声振动频 率确定。
[0019] 作为另一种优选的实施方式，所述步骤E具体包括:将整体模具推出，通过起吊装 置将模具放置在脱模台上，启动液压机推动超声波冲头和粉体材料药柱下行，在退模台上 使超声波底座与药柱缓慢下落，取出成品。
[0020] 【有益效果】
[0021] 本发明提出的技术方案具有以下有益效果：
[0022] 本发明使超声模套在超声波作用下产生共振，共振能量通过超声模套传递到粉体 材料颗粒中，超声模套内的颗粒材料产生高频振动，通过颗粒周期性反转，降低了粉体材料 颗粒之间的内摩擦以及颗粒和超声模套的模壁(或软模)之间的外摩擦，提高了不同层药柱 的有效压力，实现了在现有温和成型条件下有效的提高粉体材料部件的致密化，改善了内 部密度均匀性，并降低了内部应力，从而实现了药柱的高质量成型制备。因此，本发明在含 能粉体材料成型及装药领域中，可以在比较温和的成型工艺条件下实现更致密化和高均匀 性的含能粉体材料的压制成型。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的实施例一提供的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备 的原理结构图。
[0024]图2为本发明的实施例一提供的超声模套的原理结构图。
[0025] 图3为本发明的实施例一提供的超声波冲头的原理结构图。
[0026] 图4为本发明的实施例二提供的超声振动辅助加载成型原理图。
[0027] 图5为本发明的实施例二提供的超声波辅助成型过程超声加载方式图。
[0028] 图6为本发明的实施例二提供的超声波辅助成型过程超声加载方式图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的【具体实施方式】 进行清楚、完整的描述。
[0030] 实施例一
[0031] 图1为本发明实施例一提供的超声波振动辅助下的粉体材料压制成型安全设备的 原理结构图。如图1所示，该设备包括超声波底座1、安装在超声波底座1上的超声模套2、与 超声模套2配合使用的超声波冲头3、驱动超声波冲头3的液压机。
[0032]本实施例中，如图2所示，超声模套2包括盖板21、吊环螺钉22、粉末压制腔23、下模 24、循环水冷却系统，循环水冷却系统包括水管25、进液口 251和出液口 252。吊环螺钉22设 置在盖板21和下模24上。粉末压制腔23与盖板2的连接处、粉末压制腔23与进液口 251的连 接处、粉末压制腔23与出液口 252的连接处均通过密封材料密封，密封材料为高分子材料， 如聚乙烯，聚四氟乙烯等，通过密封材料密封以防止冷却液泄漏。另外，循环水冷却系统中 的水管呈U字形或蛇形结构环绕超声模套2，进液口 251设置在超声模套2的下部，出液口 252 设置在超声模套2的上部，冷却液从下部的进液口 251流入，从上部的出液口 252流出，通过 冷却液(高纯水或含盐水)冷却超声模套2,避免超声波换能器4与超声模套2连接处出现局 部温度过高情况。超声模套2的周围设置有超声波换能器4,具体地，超声波换能器4的数量 为2~20个，其均匀分布在以超声模套2为中心的圆周上，通过超声波换能器4的超声波振动 为超声模套2内的粉末提供横向振动。
[0033]本实施例中，如图3所示，超声波冲头3包括压板32、上模套33、水管34、吊环螺钉 35、上模连接板36。超声波冲头3内设置有空腔，空腔内设置有超声波换能器31，通过超声波 换能器31的超声波振动为超声模套内的粉末提供纵向振动。压板32位于超声波冲头3的顶 部，水管34位于超声波冲头的空腔内，上模连接板36设置在超声波冲头3的底部，上模套33 与压板32的连接处、上模套33与上模连接板36的连接处均通过密封材料密封，密封材料为 高分子材料，如聚乙烯，聚四氟乙烯等，通过密封材料密封以防止冷却液泄漏。具体地，冷却 液从水管34的进液口 341导入，使冷却液体进入腔体底部，最后通过出液口 342流出，用于及 时传导出在超声振动过程中产生的热量以达到冷却超声波换能器31的目的，从而避免超声 波换能器31出现过热现象，同时有利于降低超声波换能器31与超声波冲头3连接处的温度， 避免在超声振动压制中粉体材料出现局部温度过高的情况。
[0034] 本实施例中，超声模套2的模套壁的厚度根据超声波换能器4输出超声波的振动频 率确定，以保证超声模套2在输入超声波作用下能产生共振。超声波冲头3上模连接板36的 厚度根据超声波换能器31输出超声波的振动频率确定，以保证超声波冲头3在输入超声波 作用下能产生共振。
[0035] 本实施例中，超声波换能器31和超声波换能器4均采用低压型磁致伸缩换能器替 换高压型压电陶瓷换能器，避免出现瞬态击穿超声波换能器后电荷转移到金属模具上，导 致在模具中产生的瞬态高压而引起的含能型粉体材料爆燃或爆炸现象，因此，本发明实施 例从源头上降低了击穿换能器后产生瞬态高压的风险，另外，本发明实施例在超声波换能 器31、超声波换能器4均连接有静电接地装置，用于及时将剩余电荷传导出去。
[0036] 本实施例中，超声波换能器4通过绝缘性的材料或聚合物与换能器连接部5连接， 绝缘性材料可为Si02、Zr0 2等较耐磨、耐冲击的绝缘性材料，聚合物可为超高分子量聚乙烯、 聚四氟乙烯等较耐磨、耐冲击的绝缘性材料，通过采用绝缘性的材料或聚合物，可以从结构 上减少超声波换能器击穿后电压直接传导到超声模套2所引发的操作人触电危险。
[0037] 本实施例中，超声波底座1设有活动式固定系统，具体包含调节螺母板、挂钩、吊 块，其分布在超声模套2周围，与超声波底座1 一起配合使用，活动式固定系统一般在3~6组 左右为宜，主要防止装置在起吊脱模过程出现超声模套与底座及超声波换能器的分离现 象，避