一种金属构筑成形变形参数精密控制装置与方法

文档序号:26100969发布日期:2021-07-30 18:12阅读:54来源:国知局
一种金属构筑成形变形参数精密控制装置与方法

本发明涉及焊接设备及其技术领域,具体而言,涉及一种金属构筑成形变形参数精密控制装置与方法。



背景技术:

大型锻件作为重大工程的核心部件,常在高温、高压、辐照、腐蚀、往复运动等极端条件下服役,对材料的性能尤其是均质性有极高的要求。我国的大型锻件长期依赖进口,但即便是进口的锻件,有时也存在均质化的问题。大锻件的基础母材大铸锭的内部冶金质量往往极难保障,凝固过程难以调控,宏观偏析、裂纹、中心疏松和晶粒粗大问题严重,导致大锻件的合格率非常低,大大增加了生产成本。

金属构筑成形技术是通过将多块均质化板坯通过表面加工、清洁处理、堆垛组坯和真空封装后,在高温下施以保压锻造、多向锻造为特点的变形连接工艺,通过界面塑性变形、接触表面原子激活和扩散及晶界迁移,实现金属基元的冶金结合从而达到无缝连接,能够有效实现大型锻件的均质化制造问题。

根据金属构筑成形实际工艺过程,其流程可简化为在真空条件下,加热到指定温度保温,然后按照恒定压力、恒定速度对构筑样品进行加载,以此来模拟金属构筑成形过程,进行基础性机理研究。然而,现有技术中,单独满足真空度、温度、加载压力和加载速度的设备较多,但在同时满足金属构筑成形过程条件的设备较少。目前试验中使用的gleeble多功能试验机,所能试验的样品较小,一般为10*10*10mm样品,加载速度有限,无法进行大样品、大变形的构筑试验,无法从大范围内进行机理性分析,而且该设备价格昂贵,不利于大规模进行科研活动和进一步揭示金属构筑成形机理。

中国专利cn201610980004.x提出了一种可以有效减少在加载过程中加载压力损失的扩散焊设备,能够使得多个焊件结合过程中更加贴合紧密,提高扩散焊效率和质量。但该设备在加载压力方面仍然难以达到稳定控制,无法满足构筑试验要求。

中国专利cn201110259120.x提出了一种微米级测控真空热压烧结炉系统,可实现加载稳定压力,并且可对烧结样品的烧结曲线进行微米级的动态测量。虽然该系统与构筑设备相似,但是对于构筑金属的加载过程,变形量、变形速度、加载压力都需要精确控制,该系统同样难以满足试验要求。

综上所述,目前市面上满足构筑试验要求的设备较少,而专门针对构筑成形试验的设备几乎没有。而且,目前少量材料的金属构筑成形机理已经得到解释,但是绝大部分材料的金属构筑成形机理还有待解决。金属构筑成形试验的装备是揭示金属构筑成形机理的重要保障,因此,设计出一种低成本、能够精密控制变形参数的构筑设备,对于揭示金属构筑成形机理,推动金属构筑成形在实际生产中的应用,解决大锻件制造均质化制造问题具有重要意义。



技术实现要素:

为了克服上述现有技术的不足,本发明要提供一种低成本、能够精密控制变形参数的金属构筑成形变形参数精密控制装置与方法。

为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:

一种金属构筑成形变形参数精密控制装置,包括机械式加载模块、压缩模块、真空模块、加热模块、通风模块、移动模块、控制系统以及机架;所述的机架为矩形框架,包括基座、左立板、右立板和顶板,所述的左立板和右立板的下端分别与基座的左右两边连接、上端分别与顶板的左右两边连接;所述的机械式加载模块位于机架的右侧、并固定在基座上;所述的机架的左立板设置手摇式顶杆,所述的压缩模块位于手摇式顶杆和机械式加载模块之间;所述的真空模块嵌套在压缩模块的中间段上;所述的真空模块和压缩模块的组合体通过移动模块吊装在机架的顶板上;所述的真空模块包围在加热模块内;所述的加热模块通过支架固定在基座上;所述的通风模块安装在加热模块的外侧;所述的控制系统安装在机架上;

所述的机械式加载模块包括伺服电机、减速器、滚珠丝杠、速度传感器、位移传感器及压力传感器,所述的伺服电机固定安装在机架上,伺服电机经减速器与滚珠丝杠连接;加载时,所述的滚珠丝杠与右固定座接触;不加载时,所述的滚珠丝杠与右固定座之间有间隙;所述的伺服电机输出速度和扭矩,经过减速器的减速以及扭矩扩大,传递给滚珠丝杠,利用滚珠丝杠通过压缩模块实现对构筑样品的加载。利用速度传感器、位移传感器及压力传感器获取滚珠丝杠的轴向位移、轴向速度以及轴向加载压力数据并反馈至控制系统。控制系统通过获取的数据调节伺服电机的参数,以实现金属构筑成形变形量及变形速度的精密控制。

所述的压缩模块包括固定座、承压杆及可换压头。所述的固定座有两个,分别为左固定座和右固定座;所述的承压杆有两个,分别为左承压杆和右承压杆;所述的可换压头有两个,分别为左压头和右压头;所述的右固定座的左端经右承压杆与右压头连接,所述的左压头和右压头之间安装构筑样品;所述的左压头经左承压杆与左固定座连接。

所述的真空模块包括弹性伸缩套、真空法兰、连接法兰、真空腔和压力表,所述的真空法兰、连接法兰各有两个,分别为左真空法兰、右真空法兰、左连接法兰和右连接法兰;所述的弹性伸缩套左端与右真空法兰连接、右端与右固定座通过锁链连接;所述右真空法兰左侧与右连接法兰连接;所述的真空腔的两端分别插入内部装有密封圈的左连接法兰和右连接法兰内,形成密封腔;所述的两个承压杆、两个可换压头和构筑样品均位于真空腔内;所述的左真空法兰的右端与左连接法兰连接、左端与左固定座连接;所述的左真空法兰通过软管分别与机械泵和扩散泵连接;所述的压力表通过右真空法兰安装于密封腔内,用于获取真空腔内的真空度。

所述的加热模块包括加热舱、测温元件及加热元件。所述的加热舱由前舱和后舱组成,前舱和后舱通过密封件和连接件组合成包围真空模块的整体,用于保持真空腔内的温度。所述加热元件固定在加热舱内壁上,测温元件位于真空腔内。加热元件与测温元件均与控制系统连接。控制系统通过设定不同温度以及升温速度,控制加热元件进行加热和保温。测温元件实时获取加热舱内温度,并反馈给控制系统,控制系统根据所得温度数据控制加热元件,以达到调整和控制试验温度的目的。

所述的通风模块为安装在加热舱外的风扇,加速加热舱外面的空气流动。

所述的移动模块包括两个导轨、两个滑块和两个吊环,所述的两个吊环的下部分别与真空模块的左右两端连接、上部分别与两个滑块连接,所述的两个滑块分别安装在顶板上左右两侧的导轨上,所述的导轨长度方向为机架的前后方向。所述的移动模块用于将真空模块移入或移出加热舱。

所述的控制系统安装在机架上。

进一步地,所述的风扇有四个,分两个一组安装在加热舱外的两侧。

进一步地,所述的压缩模块为左右对称结构。

一种金属构筑成形变形参数精密控制装置的工作方法,包括以下步骤:

s1:打开加热舱舱门,通过移动模块将真空模块和压缩模块的组合体往机架外侧移动一段距离。打开弹性伸缩套上的锁链,取下右固定座、右承压杆和右可换压头组合体,将构筑样品通过双面胶预固定在右可换压头上,将右固定座、右承压杆和右可换压头组合体以及构筑样品通过弹性伸缩套安装在真空腔内,通过锁链锁紧弹性伸缩套和右固定座形成密封腔。通过移动模块往机架内推回真空模块和压缩模块的组合体至加热舱内,关上舱门。转动手摇式顶杆顶住左固定座左端,实现预固定。

s2:利用真空模块,按照所需真空度10-4mmhg要求,先打开机械泵,然后打开扩散泵抽真空,直至真空腔内达到构筑试验所需真空要求。

s3:在真空度达到要求后,利用加热模块,按照所需温度,设定相应的升温速度,以及最终的保温要求设定保温时间。

s4:在真空度、温度达到要求后,利用机械式加载模块,按照所需试验参数设定好压力以及加载速度,进行构筑试验。

s5:试验结束后,待温度冷却至常温,卸载压力,退回机械式加载模块,打开加热舱舱门,通过移动模块将真空模块和压缩模块的组合体往机架外侧移动一段距离。打开弹性伸缩套上的锁链,取下右固定座、右承压杆和右压头组合体,取出构筑样品。

进一步地,步骤s2的具体过程包括:通过控制系统设定不同加热速度及最终加载温度,控制加热元件对真空腔内构筑样品进行加热。控制系统与测温元件连接,实时获取并显示加热舱内的温度,并根据获得的温度数据控制加热元件,用来保持加热舱内温度恒定。

进一步地,步骤s3的具体过程包括:将构筑样品固定于两个可换压头之间,并使机械式加载模块的输出端、固定座、承压杆、可换压头、真空腔、加热舱的中心轴线在一条直线上,保证加载过程中只产生轴向压力以及避免各组件加载过程相互抵触、导致组件损坏的现象。控制系统根据试验要求设定不同轴向加载压力、轴向速度,通过控制系统控制机械式加载模块对构筑样品进行构筑连接。

与现有技术相比,本发明的有益效果如下:

1、本发明采用机械式加载模块,通过伺服电机、减速器和滚珠丝杠即可实现精确控制加载参数,与液压装置相比,减少液压加载模块配备的液压泵站及数字油阀,此方式设备简单,成本较低。

2、本发明根据选取合适的机械加载模块可实现最大尺寸40*40*40mm,加载压力20t,加载速度0~20mm/s。

3、本发明可实现金属构筑成形过程的要求,即在真空条件下,加热到指定温度保温,然后按照恒定压力、恒定速度对构筑样品进行加载,以实现金属构筑成形的变形量、变形速度及变形温度的精密控制。

4、本发明的承压杆和可换压头可以根据加载压力的不同,选用不同抗压强度的材料来替换。或者,需要较高加载压力时,只需更换抗压强度更高的可换压头。移动模块利用线性导轨与真空模块通过支撑环连接,以用于防止真空模块在加载过程发生轴向倾斜,确保轴向加载压力。

5、本发明可实现构筑成形过程的可视化及自动化调节,对于揭示金属构筑成形机理,指导金属构筑成形实际生产具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的装置三维图。

图3为本发明的机械式加载模块的结构示意图。

图4为本发明的机械式加载模块的三维图。

图5为本发明的真空模块三维图。

图6为本发明的压缩模块二维图。

图7为本发明的压缩模块剖视图。

图中:1-扩散泵;2-机械泵;3-通风模块;4-真空法兰;5-连接法兰;6-导轨;7-真空腔;8-可换压头;9-承压杆;10-加热舱;11-测温元件;12-加热元件;13-压力表;14-弹性伸缩套;15-固定座;16-机械式加载模块;17-控制系统;18-基座,19-压力传感器;20-滚珠丝杠;21-速度传感器;22-位移传感器;23-减速器;24-伺服电机。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例,实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的原件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。

本发明所述的上下前后左右方向仅针对图1,只为描述的方便,不构成对本发明的任何限制。

如图1-7所示,一种金属构筑成形变形参数精密控制装置,包括机械式加载模块16、压缩模块、真空模块、加热模块、通风模块3、移动模块、控制系统17以及机架;所述的机架为矩形框架,包括基座18、左立板、右立板和顶板,所述的左立板和右立板的下端分别与基座18的左右两边连接、上端分别与顶板的左右两边连接;所述的机械式加载模块16位于机架的右侧、并固定在基座18上;所述的机架的左立板设置手摇式顶杆,所述的压缩模块位于手摇式顶杆和机械式加载模块16之间;所述的真空模块嵌套在压缩模块的中间段上;所述的真空模块和压缩模块的组合体通过移动模块吊装在机架的顶板上;所述的真空模块包围在加热模块内;所述的加热模块通过支架固定在基座18上;所述的通风模块3安装在加热模块的外侧;所述的控制系统17安装在机架上;

所述的机械式加载模块16包括伺服电机24、减速器23、滚珠丝杠20、速度传感器21、位移传感器22及压力传感器19,所述的伺服电机24固定安装在机架上,伺服电机24经减速器23与滚珠丝杠20连接;加载时,所述的滚珠丝杠20与右固定座15接触;不加载时,所述的滚珠丝杠20与右固定座15之间有间隙;所述的伺服电机24输出速度和扭矩,经过减速器23的减速以及扭矩扩大,传递给滚珠丝杠20,利用滚珠丝杠20通过压缩模块实现对构筑样品的加载。利用速度传感器21、位移传感器22及压力传感器19获取滚珠丝杠20的轴向位移、轴向速度以及轴向加载压力数据并反馈至控制系统17。控制系统17通过获取的数据调节伺服电机24的参数,以实现金属构筑成形变形量及变形速度的精密控制。

所述的压缩模块包括固定座15、承压杆9及可换压头8。所述的固定座15有两个,分别为左固定座和右固定座;所述的承压杆9有两个,分别为左承压杆和右承压杆;所述的可换压头8有两个,分别为左压头和右压头;所述的右固定座的左端经右承压杆与右压头连接,所述的左压头和右压头之间安装构筑样品;所述的左压头经左承压杆与左固定座连接。

所述的真空模块包括弹性伸缩套14、真空法兰4、连接法兰5、真空腔7和压力表13,所述的真空法兰4、连接法兰5各有两个,分别为左真空法兰、右真空法兰、左连接法兰和右连接法兰;所述的弹性伸缩套14左端与右真空法兰连接、右端与右固定座通过锁链连接;所述右真空法兰左侧与右连接法兰连接;所述的真空腔7的两端分别插入内部装有密封圈的左连接法兰和右连接法兰内,形成密封腔;所述的两个承压杆9、两个可换压头8和构筑样品均位于真空腔7内;所述的左真空法兰的右端与左连接法兰连接、左端与左固定座连接;所述的左真空法兰通过软管分别与机械泵2和扩散泵1连接;所述的压力表13通过右真空法兰安装于密封腔内,用于获取真空腔7内的真空度。

所述的加热模块包括加热舱10、测温元件11及加热元件12。所述的加热舱10由前舱和后舱组成,前舱和后舱通过密封件和连接件组合成包围真空模块的整体舱,用于保持真空腔7内的温度。所述加热元件12固定在加热舱10内壁上,测温元件11位于真空腔7内。加热元件12与测温元件11均与控制系统17连接。控制系统17通过设定不同温度以及升温速度,控制加热元件12进行加热和保温。测温元件11实时获取加热舱10内温度,并反馈给控制系统17,控制系统17根据所得温度数据控制加热元件12,以达到调整和控制试验温度的目的。

所述的通风模块3为安装在加热舱10外的风扇,加速加热舱10外面的空气流动。

所述的移动模块包括两个导轨6、两个滑块和两个吊环,所述的两个吊环的下部分别与真空模块的左右两端连接、上部分别与两个滑块连接,所述的两个滑块分别安装在顶板上左右两侧的导轨6上,所述的导轨6长度方向为机架的前后方向。所述的移动模块用于将真空模块移入或移出加热舱10。

所述的控制系统17安装在机架上。

进一步地,所述的风扇有四个,分两个一组安装在加热舱10外的两侧。

进一步地,所述的压缩模块为左右对称结构。

一种金属构筑成形变形参数精密控制装置的工作方法,包括以下步骤:

s1:打开加热舱10舱门,通过移动模块将真空模块和压缩模块的组合体往机架外侧移动一段距离。打开弹性伸缩套14上的锁链,取下右固定座、右承压杆和右压头组合体,将构筑样品通过双面胶预固定在右压头上,将右固定座、右承压杆和右压头组合体以及构筑样品通过弹性伸缩套14安装在真空腔7内,通过锁链锁紧弹性伸缩套14和右固定座形成密封腔。通过移动模块往机架内推回真空模块和压缩模块的组合体至加热舱10内,关上舱门。转动手摇式顶杆顶住左固定座左端,实现预固定。

s2:利用真空模块,按照所需真空度10-4mmhg要求,先打开机械泵2,然后打开扩散泵1抽真空,直至真空腔7内达到构筑试验所需真空要求。

s3:在真空度达到要求后,利用加热模块,按照所需温度,设定相应的升温速度,以及最终的保温要求设定保温时间。

s4:在真空度、温度达到要求后,利用机械式加载模块16,按照所需试验参数设定好压力以及加载速度,进行构筑试验。

s5:试验结束后,待温度冷却至常温,卸载压力,退回机械式加载模块16,打开加热舱10舱门,通过移动模块将真空模块和压缩模块的组合体往机架外侧移动一段距离。打开弹性伸缩套14上的锁链,取下右固定座、右承压杆和右压头组合体,取出构筑样品。

进一步地,步骤s2的具体过程包括:通过控制系统17设定不同加热速度及最终加载温度,控制加热元件12对真空腔7内构筑样品进行加热。控制系统17与测温元件11连接,实时获取并显示真空腔7内的温度,并根据获得的温度数据控制加热元件12,用来保持真空腔7内温度恒定。

进一步地,步骤s3的具体过程包括:将构筑样品固定于两个可换压头8之间,并使机械式加载模块16的输出端、固定座15、承压杆9、可换压头8、真空腔7、加热舱10的中心轴线在一条直线上,保证加载过程中只产生轴向压力以及避免各组件加载过程相互抵触、导致组件损坏的现象。控制系统17根据试验要求设定不同轴向加载压力、轴向速度,通过控制系统17控制机械式加载模块16对构筑样品进行构筑连接。

本发明的实施例如下:

本实施例提供制造一套加载压力25t、加载速度最大160mm/min、真空度可达10-4mmhg、温度可达1300℃、恒压恒加载速度的构筑成形试验设备。

在加载过程中,滚珠丝杆副在整个装置中属于薄弱环节,因此对该部件进行选型。根据加载要求,加载压力最大为25t,选择cm型大型重载滚珠丝杠20cm10016-5,公称直径d0=100mm,导程ph=16mm,额定动载荷ca=13.07t,刚度kc=3180n/μm。

由实验要求移动速度最高可达160mm/min,由丝杠传动计算公式:

可得,丝母的最大转速为:

计算丝杠的扭矩:由于需要提供25t的压力,丝杠的输入端的扭矩为:

由于需要较大的扭矩,故选取减速器23来连接,减速比为100,则减速器23输入端(伺服电机24输出端)的扭矩为:

转速为:

n0=nmax·i=10×100=1000r/min

伺服电机24功率为:

根据此选择时代超群伺服电机24套装130系列,额定功率2000w,扭矩7.7n·m,并且配备伺服驱动器,控制转速、扭矩以及位移。

最后应说明的是:上述实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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