本發(fā)明涉及微型渦輪盤精密制造領(lǐng)域，具體涉及一種微型渦輪盤成形裝置及方法。

背景技術(shù)：

微型飛行器是目前航空航天領(lǐng)域最具吸引力的產(chǎn)品之一，而動(dòng)力裝置的微型化問題則是性能更強(qiáng)更靈活的新型微型飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是其中一種重要的微型動(dòng)力裝置，其尺寸大致是普通渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的1/100～1/10，具有體積小、重量輕、可便攜、推重比大等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是對(duì)國(guó)防、航空航天等軍事領(lǐng)域還是對(duì)微型能源、移動(dòng)通訊、機(jī)器人等民用領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力和光明的前景。微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理與傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)相同，只是尺寸特別小，轉(zhuǎn)速特別高，燃燒時(shí)間短，設(shè)計(jì)、加工制造較困難。

微型渦輪盤作為微型發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其加工質(zhì)量、使用性能和穩(wěn)定性對(duì)微型發(fā)動(dòng)機(jī)的高效服役具有重要意義。目前，微型渦輪盤主要采用鑄造技術(shù)、微細(xì)電火花加工技術(shù)、微細(xì)機(jī)械加工技術(shù)及微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)等。上述加工方法所加工的微型渦輪盤構(gòu)件在組織性能和表面質(zhì)量等方面相對(duì)于鍛件而言存在一定的差距。然而微型零件的鍛造成形由于尺寸效應(yīng)的存在而變得異常困難。因此，開展微型渦輪盤精密制造技術(shù)研究，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種通過精密塑性變形的方法制造微型渦輪盤結(jié)構(gòu)，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、效率高、材料利用率高、易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)的微型渦輪盤成形裝置及方法。

本發(fā)明通過以下措施達(dá)到：

一種微型渦輪盤成形裝置，其特征在于設(shè)有上模板(1)和下模板(2)，其中上模板(1)上設(shè)有導(dǎo)套(3)，下模板(2)上設(shè)有與導(dǎo)套(3)相配合的導(dǎo)柱(4)，上模板(1)和下模板(2)通過導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)組成封閉的框架，該封閉的框架內(nèi)設(shè)有模具附屬機(jī)構(gòu)；所述模具附屬機(jī)構(gòu)包括上沖頭固定板(7)、上沖頭(8)、凹模固定板(9)、浮動(dòng)凹模(10)、彈簧(11)、下沖頭(12)、感應(yīng)線圈(14)、凹模容腔(16)、頂出螺栓(18)、陶瓷套(20)；其中上沖頭(8)經(jīng)上沖頭固定板(7)固定在上模板(1)底部，上沖頭固定板(7)經(jīng)螺栓(5)和定位銷(6)固定在上模板(1)上，上模板(1)通過導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)可實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上沖頭(8)可隨上模板(1)上下移動(dòng)；凹模容腔(16)通過螺釘(17)和定位銷(19)與下模板(2)固定在一起，下沖頭(12)位于凹模容腔(16)的中部并與上沖頭保持同軸，坯料(21)置于上沖頭(8)、下沖頭(12)和浮動(dòng)凹模(10)之間，上沖頭(8)、下沖頭(12)和浮動(dòng)凹模(10)組成的模具型腔用于成形微型渦輪盤；浮動(dòng)凹模(10)和彈簧(11)位于凹模容腔(16)內(nèi)，并通過凹模固定板(9)將其固定在凹模容腔(16)內(nèi)；陶瓷套(20)位于凹模容腔(16)外側(cè)且位于下模板(2)的上面，頂出螺栓(18)位于下沖頭(12)下面，并與凹模容腔(16)中心通過螺紋連接，感應(yīng)線圈(14)位于陶瓷套(20)外部的上段；在凹模容腔(16)和陶瓷套(20)的側(cè)壁設(shè)有熱傳感器孔(15)。

本發(fā)明中上模板(1)在壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)上沖頭運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明中還設(shè)有電磁感應(yīng)機(jī)構(gòu)，所述電磁感應(yīng)機(jī)構(gòu)包括感應(yīng)電源、冷卻機(jī)構(gòu)以及感應(yīng)線圈，其中感應(yīng)電源為感應(yīng)線圈供電，冷卻機(jī)構(gòu)設(shè)有水泵以及冷卻水循環(huán)通道，本發(fā)明采用銅管作為感應(yīng)線圈，銅管中央通道作為冷卻水循環(huán)通道。

本發(fā)明中熱傳感器孔(15)中放置溫度傳感器，溫度傳感器通過導(dǎo)線與外部的溫控儀相連接。

本發(fā)明中上模板(1)、下模板(2)之間的導(dǎo)向是靠導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)來(lái)保證的。

本發(fā)明中為了保障成形過程中，模具不發(fā)生變形或破壞，模具材料選用鉬鎢鋯鉿合金。

本發(fā)明還提出了一種利用上述微型渦輪盤成形裝置的微型渦輪盤成形方法，其特征在于將坯料放置于成形模具裝置型腔內(nèi)，通過電磁感應(yīng)加熱設(shè)備運(yùn)行將坯料整體加熱的預(yù)定溫度，并通過壓力機(jī)活動(dòng)橫梁向下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與上模板連接在一起的凸模運(yùn)動(dòng)并將壓力施加在坯料上，坯料在凸凹模的壓力作用發(fā)生塑性變形，成形出所要的微型渦輪盤結(jié)構(gòu)；

具體包括以下步驟：

步驟一：上模板(1)在壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)上沖頭(8)一起上行，上行至上沖頭(8)距凹模固定板(12)上表面5-10mm的位置時(shí)停止；

步驟二：將經(jīng)過加工的坯料放置于浮動(dòng)凹模(10)與下沖頭(12)組成的模具型腔內(nèi)；

步驟三：?jiǎn)?dòng)電磁感應(yīng)機(jī)構(gòu)并對(duì)感應(yīng)線圈(14)所包裹的區(qū)域進(jìn)行快速加熱，通過插入熱傳感器孔(15)中的溫度傳感器對(duì)其加熱溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)坯料加熱到950-1250℃時(shí)，并保溫60-120s；

步驟四：通過壓力機(jī)以50-100mm/min的速度向下運(yùn)行驅(qū)動(dòng)上沖頭(8)向下快速運(yùn)動(dòng)，待上沖頭(8)距離坯料(21)0.5-1mm位置時(shí)，將壓力機(jī)速度調(diào)至0.1-1mm/min的速度向下運(yùn)行并驅(qū)動(dòng)上沖頭(8)向下運(yùn)動(dòng)，坯料(21)在上沖頭(8)和下沖頭(12)作用下發(fā)生鐓粗變形，待上沖頭(8)與浮動(dòng)凹模(10)上表面接觸時(shí)，在壓力作用下上沖頭(8)和受彈簧(11)支撐的浮動(dòng)凹模(10)以相同的速度下行，坯料(21)在上沖頭(8)、下沖頭(12)和浮動(dòng)凹模(10)的作用下繼續(xù)發(fā)生塑性變形，壓力機(jī)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的位移或載荷時(shí)，保壓1-3分鐘，然后卸去凸模(5)載荷，此時(shí)微型渦輪盤構(gòu)件成形完畢；

步驟五：在壓力機(jī)的作用下上沖頭(8)隨上模板(1)一起向上運(yùn)動(dòng)，待上沖頭(8)距距凹模固定板(12)上表面10-20mm的位置時(shí)停止，擰動(dòng)頂出螺栓(18)上行并驅(qū)使下沖頭(17)上行，將成形后的零件從浮動(dòng)凹模(10)中頂出，此時(shí)取出成形件；

步驟六：上沖頭(8)在壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，并下行至步驟一中的位置。

本發(fā)明中所述的微型渦輪盤坯料是高溫合金，包括鎳基高溫合金、鐵基高溫合金和鈷基高溫合金。

本發(fā)明中所述的微型渦輪盤直徑是在2.0-10.0mm范圍、厚度在0.2-2.0mm范圍。

本發(fā)明中所述的微型渦輪盤隼槽寬度為0.2-1.0mm、深度為0.1-3.0mm、隼槽個(gè)數(shù)10-30個(gè)。

本發(fā)明裝置及方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在：

(1)模具裝置框架采用精密導(dǎo)柱-導(dǎo)套式結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)向，導(dǎo)向精度高。(2)采用整體框架式和凸、凹模組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于更換不同凸、凹模模具結(jié)構(gòu)以及凸、凹模損壞后的快速維修。(3)采用陶瓷隔熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于保護(hù)模具裝置避免承受高溫，保證模具導(dǎo)向精度；(4)采用電磁感應(yīng)非接觸式加熱方式，大大提高加熱速度、降低坯料表面氧化，大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。(5)通過模具型腔來(lái)約束零件的尺寸，所獲得產(chǎn)品的一致性好，尺寸精度高，性能優(yōu)良。(6)采用壓力成形方式進(jìn)行加工，成形過程易于控制，能夠根據(jù)需要改變工藝或坯料參數(shù)。(7)采用浮動(dòng)凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，變消極摩擦為積極摩擦，改善材料流動(dòng)行為，提高材料成形性能。(8)采用閉式等溫模鍛技術(shù)制造的微型渦輪盤零件材料利用率高，不需要二次加工。(9)采用閉式等溫模鍛技術(shù)制造的微型渦輪盤零件微觀組織沿零件輪廓呈流線分布，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。

附圖說明：

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明中模具裝置局部放大圖。

附圖標(biāo)記：1.上模板；2.下模板；3.導(dǎo)套；4.導(dǎo)柱；5.螺栓；6.定位銷1；7.上沖頭固定板；8.上沖頭；9.凹模固定板；10.浮動(dòng)凹模；11.彈簧；12.下沖頭；13.螺釘1；14.感應(yīng)線圈；15.傳感器孔；16.凹模容腔；17.螺釘2；18.頂出螺栓；19.定位銷2；20.陶瓷套；21.坯料

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖1和2詳細(xì)說明本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和工作情況。

如圖1所示，本發(fā)明提出了一種微型渦輪盤成形裝置，其中上模板(1)和下模板(2)通過導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)組成封閉的框架，模具所有附屬結(jié)構(gòu)都安裝在該封閉的框架上。上沖頭(8)通過穿過上沖頭固定板(7)的螺栓(5)和定位銷(6)固定在上模板(1)上。浮動(dòng)凹模(10)和彈簧(11)位于凹模容腔(16)內(nèi)，并通過凹模固定板(9)將其固定在凹模容腔內(nèi)(16)。凹模容腔(16)通過螺釘(17)和定位銷(19)將其與下模板(2)固定在一起。下沖頭(12)位于凹模容腔(16)中部并與上沖頭保持同軸，這樣上沖頭(8)、下沖頭(12)和浮動(dòng)凹模(10)組成的模具型腔用于成形微型渦輪盤。陶瓷套(20)位于凹模容腔(16)外側(cè)、下模板(2)的上面。感應(yīng)線圈(14)位于陶瓷套(20)外部的上段。在凹模容腔(16)和陶瓷套(20)的側(cè)壁位置有一熱傳感器孔(15)。頂出螺栓(18)位于下沖頭(12)下面，并與凹模容腔(16)中心通過螺紋連接。上模板(1)通過導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)可實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。上沖頭(8)可隨上模板(1)上下移動(dòng)。坯料(21)置于上沖頭(8)、下沖頭(12)和浮動(dòng)凹模(10)之間。

本實(shí)施方式的上模板(1)、下模板(2)之間的導(dǎo)向是靠導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)來(lái)保證的。

本實(shí)施方式的上沖頭(8)、下沖頭(12)和浮動(dòng)凹模(10)的設(shè)計(jì)：為了保障成形過程中，模具不發(fā)生變形或破壞，模具材料選用鉬鎢鋯鉿合金。

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1和2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式以GH4169高溫合金材料為例介紹制造微型渦輪盤結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟為：

步驟一：上模板(1)在壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)上沖頭(8)一起上行，上行至上沖頭(8)距凹模固定板(12)上表面5-10mm的位置時(shí)停止。

步驟二：將經(jīng)過加工的坯料放置于浮動(dòng)凹模(10)與下沖頭(12)組成的模具型腔內(nèi)；

步驟三：?jiǎn)?dòng)電磁感應(yīng)裝置并對(duì)感應(yīng)線圈(14)所包裹的區(qū)域進(jìn)行快速加熱，通過插入熱傳感器孔(15)中的溫度傳感器對(duì)其加熱溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)坯料加熱到950-1250℃時(shí)，并保溫60-120s；

步驟四：通過壓力機(jī)以50-100mm/min的速度向下運(yùn)行驅(qū)動(dòng)上沖頭(8)向下快速運(yùn)動(dòng)，待上沖頭(8)距離坯料(21)0.5-1mm位置時(shí)，將壓力機(jī)速度調(diào)至0.1-1mm/min的速度向下運(yùn)行并驅(qū)動(dòng)上沖頭(8)向下運(yùn)動(dòng)，坯料(21)在上沖頭(8)和下沖頭(12)作用下發(fā)生鐓粗變形，待上沖頭(8)與浮動(dòng)凹模(10)上表面接觸時(shí)，在壓力作用下上沖頭(8)和受彈簧(11)支撐的浮動(dòng)凹模(10)以相同的速度下行，坯料(21)在上沖頭(8)、下沖頭(12)和浮動(dòng)凹模(10)的作用下繼續(xù)發(fā)生塑性變形，壓力機(jī)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的位移或載荷時(shí)，保壓1-3分鐘，然后卸去凸模(5)載荷，此時(shí)微型渦輪盤構(gòu)件成形完畢；

步驟五：在壓力機(jī)的作用下上沖頭(8)隨上模板(1)一起向上運(yùn)動(dòng)，待上沖頭(8)距距凹模固定板(12)上表面10-20mm的位置時(shí)停止，擰動(dòng)頂出螺栓(18)上行并驅(qū)使下沖頭(17)上行，將成形后的零件從浮動(dòng)凹模(10)中頂出，此時(shí)取出成形件；

步驟六：上沖頭(8)在壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，并下行至步驟一中的位置；

依據(jù)上述實(shí)施方式，本發(fā)明內(nèi)容所述范圍均能實(shí)施，本發(fā)明不僅僅局限于上述實(shí)施方式。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝流程短、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。