一种共振式径向锻造机及其锻造应用的制作方法

1.本发明主要涉及锻造设备技术领域，特指一种共振式径向锻造机及其锻造应用。


背景技术：

2.锻造是一种能够消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构的加工方法，它主要是利用锻造机械对金属坯料施加压力使其产生塑性变形形成锻件。因此锻造机械的结构特点决定了锻件质量的优劣。径向锻造机作为锻造机的一种，能够对对金属坯料，尤其是圆柱形坯料施加径向锻造。现有技术中的径向锻造机虽然可以提供径向锻造力，但仍然存在一定的缺陷：一、锤头的锻造力是由动力源直接施加，从而使得提高锤头作用力需要配置大功率的动力源；二、由于锤头的作用点位置相对固定，导致径向锻造时金属坯料沿周向和轴向受力不均匀。因此，亟需设计一种高质量的径向锻造机。


技术实现要素：

3.本发明需解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构合理、利用共振作用显著提高径向锻造作用力、能够显著改善锻件坯料周向和轴向锻造均匀性、具有高质量锻造效果的共振式径向锻造机。
4.为了解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种共振式径向锻造机，它包括下架板，可升降且平行于所述下架板装设的上架板，以及固定装设在所述上架板上的升降导向杆。
5.所述下架板上设有平台沉孔，所述平台沉孔内安装有转动平台，所述上架板上装设有一个锤头激励装置、一个将所述转动平台和锻件坯料锁在一起转动的轴向锁紧装置、以及两个关于所述转动平台轴线对称的锤头共振装置。
6.两个所述锤头共振装置结构相同，均包括转动装设在所述上架板上的驱动齿轮，一端与所述驱动齿轮固定相连的摆杆，固定装设在所述摆杆另一端上的摆锤，以及沿所述转动平台径向可滑动装设的振动锻打组件；所述振动锻打组件包括依次装设的共振锤头、滑动伸缩杆、锤头锁紧弹簧、准静态底座和质量块；所述滑动伸缩杆的两端分别与所述共振锤头和准静态底座相连，所述锤头锁紧弹簧套装在所述滑动伸缩杆上且两端分别与所述准静态底座和共振锤头相连；所述质量块与准静态底座之间通过共振弹簧相连；所述摆锤击打所述质量块时，所述摆锤作用在所述质量块上的作用力经由所述质量块、共振弹簧和准静态底座组成的共振系统放大后，再依次经锤头锁紧弹簧和共振锤头传递给所述锻件坯料，对锻件坯料进行径向锻造。
7.所述锤头激励装置用于使两个所述摆杆同步反向摆动来储存及释放所述摆锤的势能，且控制所述摆杆的摆动频率位于所述质量块所在共振系统的共振频率带中。
8.进一步地，所述上架板上沿铅垂方向还固定装设有推拉杆，所述推拉杆的下端与固定装设在所述下架板上的活塞缸的输出杆相连。
9.进一步地，所述锤头激励装置包括转动装设在所述上架板上的由不完全齿轮a与
链轮a同轴固结组成的复合齿轮a、由不完全齿轮b与圆柱齿轮b同轴固结组成的复合齿轮b、和由链轮b与圆柱齿轮a同轴固结组成的换向复合齿轮，连接所述链轮a和链轮b的传动链条，以及驱动所述复合齿轮a转动的摆杆电机；所述不完全齿轮a和不完全齿轮b分别与两个驱动齿轮外啮合，所述圆柱齿轮a与所述圆柱齿轮b外啮合。
10.进一步地，所述轴向锁紧装置包括置于所述锻件坯料上端面的轴向锁紧盘，一端与所述轴向锁紧盘连接、另一端与所述上架板连接的弹性伸缩杆，固定安装在所述上架板上的绕线电机，转动装设在绕线电机输出轴上的绕线轮，以及一端缠绕在绕线轮上、另一端与所述弹性伸缩杆相连用以调节所述弹性伸缩杆长度的牵引绳。
11.进一步地，所述弹性伸缩杆包括轴向锁紧弹簧、升降杆和套筒b，所述套筒b的上端与所述上架板固定相连，其下端滑动且转动套装在所述升降杆上，所述升降杆的下端与所述轴向锁紧盘固定相连，所述轴向锁紧弹簧的两端分别与所述上架板和升降杆相连。
12.进一步地，所述下架板上还装设有驱动所述转动平台转动的坯料转动电机。
13.进一步地，所述锤头锁紧弹簧的刚度不小于所述共振弹簧的刚度十倍。
14.进一步地，所述滑动伸缩杆由滑动杆a和套筒a组成，所述套筒a一端固定装设在所述准静态底座上，另一端滑动套装在所述滑动杆a上，所述滑动杆a上远离所述套筒a的一端固定装设在所述共振锤头上。
15.进一步地，所述摆杆的摆动频率与所述质量块所在共振系统的系统固有振动频率之比满足关系式：。
16.本发明的另一方面，是将上述共振式锻造机应用于产品锻造，该产品包括但不限于法兰锻件、管板锻件、油缸锻件。
17.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明的一种共振式径向锻造机设有轴向锁紧装置和转动平台，坯料转动电机转动带动锻件坯料转动，从而在不同周向位置处对锻件坯料施加径向锻造，提高锻件坯料径向锻造的周向均匀性；活塞缸的输出杆带动推拉杆升降运动，进而带动上架板和两个锤头共振装置升降运动，从而在不同高度位置处对锻件坯料施加径向锻造，提高锻件坯料径向锻造的轴向均匀性；此外，本发明通过设置不完全齿轮a和不完全齿轮b带动摆杆和摆锤向上运动储存势能，向下运动自由释放势能，从而对质量块施加激振作用力，且摆杆和摆锤的摆动频率位于质量块所在共振系统的共振频率带中，从而将摆锤的作用力放大倍数后通过共振锤头施加在锻件坯料上，从而显著提高对锻件坯料的径向作用力。由此可知，本发明是一种结构合理、利用共振作用显著提高径向锻造作用力、能够显著改善锻件坯料周向和轴向锻造均匀性、具有高质量锻造效果的共振式径向锻造机。
附图说明
18.图1是本发明的一种共振式径向锻造机的结构原理示意图。
19.图2是图1中i的局部放大示意图。
20.图3是图1中ii的局部放大示意图。
21.图4是本发明的升降导向杆和推拉杆在下架板上的平面布置示意图。
22.图5是本发明的升降导向杆和推拉杆与上架板、下架板的连接关系示意图。
23.图6是本发明中复合齿轮a、复合齿轮b和换向复合齿轮的传动连接示意图。
24.图中，10—坯料转动电机；11—下架板；110—平台沉孔；12—转动平台；13—上架板；14—升降导向杆；2—锻件坯料；3—锤头共振装置；31—驱动齿轮；32—摆杆；33—摆锤；34—质量块；35—共振弹簧；36—准静态底座；37—共振锤头；38—滑动伸缩杆；381—套筒a；382—滑动杆a；39—锤头锁紧弹簧；41—不完全齿轮a；42—链轮a；43—不完全齿轮b；44—圆柱齿轮b；45—换向复合齿轮；51—轴向锁紧盘；52—弹性伸缩杆；521—轴向锁紧弹簧；522—升降杆；523—套筒b；53—绕线轮；54—牵引绳；60—吊杆；61—径向导轨；62—滑块a；63—滑块b；71—推拉杆；72—活塞缸。
具体实施方式
25.以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
26.参见图1，本发明的一种共振式径向锻造机，它包括下架板11、上架板13和升降导向杆14，上架板13平行于下架板11装设在下架板11的上方；升降导向杆14的数量为两根，沿铅垂方向装设，其上端固定连接在上架板13上，下端滑动穿过下架板11，确保上架板13相对于下架板11垂直升降运动。下架板11上设有容纳转动平台12的平台沉孔110，平台沉孔110的内径略大于转动平台12的外径，且平台沉孔110的深度小于转动平台12的轴向长度，从而确保锻件坯料2放置于转动平台12后，锻件坯料2的下底面高于下架板11的顶面，方便对锻件坯料2任意高度位置处进行径向锻造。上架板13上装设有一个锤头激励装置、一个将转动平台12和锻件坯料2锁在一起转动的轴向锁紧装置、以及两个关于转动平台12轴线对称的锤头共振装置3。两个锤头共振装置3用于产生共振放大模式的锤头作用力，使得两个共振锤头37沿同一径向相向运动以提高对锻件坯料2的径向锻造作用力和作用力的同步性，进而提高径向锻造效果；锤头激励装置为两个锤头共振装置3提供周期性的激励作用，轴向锁紧装置可以沿锻件坯料2的轴线方向压紧锻件坯料2，从而增加锻件坯料2与转动平台12之间的摩擦力，确保转动平台12转动的时候锻件坯料2与转动平台12之间不会发生相对滑动。
27.参见图1和图3，两个锤头共振装置3结构相同，均包括转动装设在上架板13上的驱动齿轮31，一端与驱动齿轮31固定相连的摆杆32，固定装设在摆杆32另一端上的摆锤33，以及沿转动平台12径向可滑动装设的振动锻打组件；振动锻打组件包括沿转动平台12径向离心方向依次滑动装设的共振锤头37、长度可变的滑动伸缩杆38、准静态底座36和质量块34；滑动伸缩杆38的两端分别与共振锤头37和准静态底座36相连；锤头锁紧弹簧39套装在滑动伸缩杆38上且两端分别与准静态底座36和共振锤头37相连；质量块34与准静态底座36之间装设有共振弹簧35。摆锤33击打质量块34时，摆锤33作用在质量块34上的作用力经由质量块34、共振弹簧35和准静态底座36组成的共振系统放大后，再依次经锤头锁紧弹簧39和共振锤头37传递给锻件坯料2，对锻件坯料2进行径向锻造。上架板13上沿铅垂方向还装设有两根吊杆60，两个吊杆60的下端沿转动平台12的径向各装设有一根径向导轨61，两根径向导轨61分别位于两个锤头共振装置3的正下方；两根径向导轨61上各滑动装设有滑块a62和滑块b63，两个滑块a62分别与相对应的质量块34固定相连，两个滑块b63分别与相对应的准静态底座36固定相连。为了限制准静态底座36远离锻件坯料2的运动，可以在径向导轨61上装设一个限位块，从而使得质量块34振动过程中，准静态底座36位移量更小。当图1中左侧的驱动齿轮31顺时针方向转动、右侧的锤头共振装置3中的驱动齿轮31逆时针方向转动时，两个摆杆32将带动相应的摆锤33由下向上转动，从而增加摆锤33的重力势能；当图1中左侧
的锤头共振装置3中的驱动齿轮31逆时针方向转动、右侧的锤头共振装置3中的驱动齿轮31顺时针方向转动时，两个摆杆32将带动相应的摆锤33由上向下转动，从而释放摆锤33的重力势能。当两个摆锤33处于重力势能最小值位置时，两个摆锤33能够击打在质量块34上，从而为质量块34沿锻件坯料2的径向振动提高激振力。具体实施时，为提高两个摆锤33的激振力效果，可以在摆杆32与上架板13之间装设一根扭转弹簧（图中未示出），且使得摆杆32绕上端点向上转动时，扭转弹簧发生扭转变形，这样当摆杆32向下转动时，摆锤33的重力势能和扭转弹簧的弹性势能都转化为质量块34的激振力。两根摆杆32由下向上摆动角度不能超过，具体实施时摆杆32的摆动角度满足条件。
28.锤头激励装置用于使两个摆杆32同步反向摆动来储存及释放摆锤33的势能，且控制摆杆32的摆动频率位于质量块34所在共振系统的共振频率带中。
29.参见图1、图4和图5，作为优选地，上架板13上沿铅垂方向还固定装设有推拉杆71，推拉杆71的下端与固定装设在下架板11上的活塞缸72的输出杆相连。为提高上架板13升降运动的稳定性，两根升降导向杆14与一根推拉杆71向下架板11投影后的中心点恰好位于同一圆周上，且该圆周的圆心接近于转动平台12的转轴轴线位置。具体实施时，两根升降导向杆14和一根推拉杆71沿同一圆周均匀分布。当活塞缸72的输出杆向外延伸时，推拉杆71向上推动上架板13上升，进而带动两个锤头共振装置3上升，共振锤头37对锻件坯料2径向作用力的作用位置向上移动；当活塞缸72的输出杆向里缩回时，推拉杆71向下拉动上架板13下降，进而带动两个锤头共振装置3下降，共振锤头37对锻件坯料2径向作用力的作用位置向下移动。
30.作为优选地，如图1和6所示，锤头激励装置包括转动装设在上架板13上的由不完全齿轮a41与链轮a42同轴固结组成的复合齿轮a、由不完全齿轮b43与圆柱齿轮b44同轴固结组成的复合齿轮b、和由链轮b与圆柱齿轮a同轴固结组成的换向复合齿轮45，连接链轮a42和链轮b的传动链条，以及驱动复合齿轮a转动的摆杆电机（图中未示出）；不完全齿轮a41和不完全齿轮b43分别与两个驱动齿轮31外啮合，圆柱齿轮a与圆柱齿轮b44外啮合。为了保证两个摆杆32和摆锤33的同步运动，不完全齿轮a41和不完全齿轮b43结构尺寸完全相同，链轮a42和换向复合齿轮45中的链轮b结构尺寸完全相同，换向复合齿轮45中的圆柱齿轮a与圆柱齿轮b44结构尺寸完全相同。摆杆电机可以直接驱动复合齿轮a转动，也可以间接驱动复合齿轮a转动。具体实施时，可以将复合齿轮a、复合齿轮b和换向复合齿轮45中的其中一个与摆杆电机的输出轴传动连接，摆杆电机的输出轴穿过滚动轴承装设在上架板13上。不完全齿轮a41和不完全齿轮b43具有相等的啮合齿弧长和相等的无齿弧长，且使得不完全齿轮a41和不完全齿轮b43与相应的驱动齿轮31啮合传动时，摆杆32向上转动角度不超过；不完全齿轮a41和不完全齿轮b43与相应的驱动齿轮31非啮合时，摆杆32在重力势能和弹性势能的作用下向下摆动，且摆动加速度逐渐增加。具体实施时，不完全齿轮a41和不完全齿轮b43中无齿弧长对应的圆心角大于啮合齿弧长所对应的圆心角，从而使得不完全齿轮a41和不完全齿轮b43转动一周过程中，两根摆杆32只向上摆动一次，即摆杆32的摆动周期和摆动频率完全由不完全齿轮a41和不完全齿轮b43转动周期和转动频率控制，这样通过调节摆杆电机的转动速度很容易实现控制摆杆32的摆动频率接近于质量块34所在共振系统的系统固有振动频率，即使得控制摆杆32的摆动频率位于共振系统的共振频率带中。
31.参见图1和图2，作为优选地，轴向锁紧装置包括置于锻件坯料2上端面的轴向锁紧盘51，一端与轴向锁紧盘51连接、另一端与上架板13连接的弹性伸缩杆52，固定安装在上架板13上的绕线电机（图中未示出），转动装设在绕线电机输出轴上的绕线轮53，以及一端缠绕在绕线轮53上、另一端与弹性伸缩杆52相连用以调节弹性伸缩杆52长度的牵引绳54。当需要将锻件坯料2放置于转动平台12上或需要将锻件坯料2从转动平台12中取走时，绕线电机带动绕线轮53缠绕牵引绳54，从而使得弹性伸缩杆52长度变短，即使得轴向锁紧盘51向上运动远离锻件坯料2的上端面；当需要对锻件坯料2进行径向锻造时，绕线电机带动绕线轮53释放牵引绳54，弹性伸缩杆52在自身弹性的作用下长度增加，即使得轴向锁紧盘51向下运动压紧锻件坯料2的上端面，从而增加锻件坯料2与转动平台12之间的摩擦力，进而使得锻件坯料2随转动平台12一起转动。
32.参见图1和图2，作为优选地，弹性伸缩杆52包括轴向锁紧弹簧521、升降杆522和套筒b523，套筒b523的上端与上架板13固定相连，其下端滑动且转动套装在升降杆522上，升降杆522的下端与轴向锁紧盘51固定相连，轴向锁紧弹簧521的上端与上架板13固定相连，下端与升降杆522转动相连。具体实施升降杆522与套筒b523滑动且转动连接时，可以采用的一个实施例为：升降杆522的上端装设一个滚动轴承，滚动轴承装设于一个轴套中，轴套外部装设一个直线轴承，套筒b523套装在直线轴承上。牵引绳54上端与绕线轮53相连，下端穿过套筒b523与升降杆522相连，为了使得升降杆522随锻件坯料2转动过程中牵引绳54不发生扭转变形，可在升降杆522的上端开设一个容纳滚珠的滚珠孔，牵引绳54的下端与滚珠相连，滚珠放置于滚珠孔中。
33.作为优选地，下架板11上还装设有驱动转动平台12转动的坯料转动电机10。下架板11的平台沉孔110的正中心开设一个轴承孔，轴承孔中装设有滚动轴承，滚动轴承套装在坯料转动电机10的输出轴上，坯料转动电机10固定在下架板11的底部。对锻件坯料2进行径向锻造时，坯料转动电机10的输出轴带动转动平台12转动，进而带动被轴向锁紧盘51压紧的锻件坯料2转动，以实现共振锤头37对锻件坯料2不同周向位置的锻造。
34.作为优选地，锤头锁紧弹簧39的刚度不小于共振弹簧35的刚度十倍，从而使得质量块34所在共振系统的系统固有振动频率由共振弹簧35的刚度决定，不受锤头锁紧弹簧39的刚度影响。设置锤头锁紧弹簧39一方面可以使得锻件坯料2径向锻造过程中共振锤头37始终触碰到锻件坯料2的周向表面，另一方面可以质量块34在振动过程中，准静态底座36位移很小，即准静态底座36的位移量相对于质量块34的位移量完全可以忽略。不妨设质量块34的质量为，共振弹簧35的刚度为，则质量块34所在共振系统的系统固有振动频率。
35.作为优选地，滑动伸缩杆38由滑动杆a382和套筒a381组成，套筒a381一端固定装设在准静态底座36上，另一端滑动套装在滑动杆a382上，滑动杆a382上远离套筒a381的一端固定装设在共振锤头37上。
36.作为优选地，摆杆32的摆动频率与质量块34所在共振系统的系统固有振动频率之比满足关系式：。设摆杆电机每分钟转动圈，即摆杆电机的角速度为，由于摆杆32在摆动电机转动一圈过程中只发生一次向上摆动，因此摆杆32的摆动频率等于摆杆电机的角速度，即。质量块34发生共振时，
，由此可知，摆杆电机的转速满足关系式：。具体实施时，摆杆电机采用大功率的步进电机，通过控制步进电机的转速很容易实现质量块34的共振。设摆锤33作用于质量块34上的作用力为,根据振动力学理论，质量块34发生共振时，准静态底座36受到的作用力放大因子为，即准静态底座36受到的作用力为。其中频率比，为质量块所在共振系统的阻尼比，通常远小于1，可以忽略。准静态底座36受到的作用力经锤头锁紧弹簧39传动给共振锤头37，进而施加到锻件坯料2的径向。因此，锻件坯料2所受到的径向锻造力为，由于，所以本发明实现了锻件坯料2径向锻造力的共振放大效果。当时，对于阻尼可以忽略的情况即,；对于阻尼很小但不可以忽略的情况如，。因此设置径向导轨61和滑块a62、滑块b63可以降低系统的阻尼，进而提高作用力放大因子。
37.将上述共振式径向锻造机应用于圆柱形坯料径向锻造后可以得到相应的锻件，例如法兰锻件、管板锻件、油缸锻件。
38.本发明的工作过程如下：首先将锻件坯料2放置于转动平台12上；然后绕线电机带动绕线轮53转动释放牵引绳54，弹性伸缩杆52长度增加，轴向锁紧盘51向下运动压紧锻件坯料2的上端面；然后锤头激励装置工作，摆杆电机连续正向转动，带动复合齿轮a逆时针方向转动、复合齿轮b顺时针方向转动，与复合齿轮a中不完全齿轮a41啮合的驱动齿轮31顺时针方向转动，与不完全齿轮b43啮合的驱动齿轮31逆时针方向转动，从而带动两个摆杆32由下向上转动。即对于左侧的锤头共振装置3，其中的摆杆32和摆锤33顺时针方向转动；对于右侧的锤头共振装置3，其中的摆杆32和摆锤33逆时针方向转动；当不完全齿轮a41和不完全齿轮b43与相应的驱动齿轮31恰好脱离啮合时，摆锤33恰好位于重力势能最高点位置；之后由于不完全齿轮a41和不完全齿轮b43与相应的驱动齿轮31脱离了啮合，因此摆锤33在重力势能和扭转弹簧的弹性势能作用下反向转动，即左侧的摆杆32和摆锤33逆时针方向转动直至击打在左侧的质量块34上，右侧的摆杆32和摆锤33顺时针方向转动直至击打在右侧的质量块34上，从而触发两个质量块34沿锻件坯料2的径向振动。在径向振动过程中，准静态底座36、滑动伸缩杆38和共振锤头37可以看成是一个传动动态作用力的“临时刚体”。在锻件坯料2径向锻造的过程中，坯料转动电机10工作，带动锻件坯料2转动，从而实现在锻件坯料2不同周向位置处的径向锻造；活塞缸72工作，通过向外延伸或向里缩短输出杆，带动上架板13和装设于上架板13上的两个锤头共振装置3升降运动，从而实现对锻件坯料2不同高度位置处的径向锻造。
39.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应该属于本发明的保护范围之内。