棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法
【專利摘要】棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法，先將預制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料置于電磁感應加熱線圈中，對其外壁進行快速加熱，然后將加熱膨脹后的金屬棒料兩端通過一定的預緊裝置固定夾死，并使得金屬棒料在軸向產(chǎn)生一定的預緊拉應力，之后通過冷卻裝置向金屬棒料外壁均勻的噴灑冷卻水；在材料熱脹冷縮、預緊拉應力以及V形槽缺口效應的綜合作用下，金屬棒料外壁V形槽缺口根部位置會產(chǎn)生均勻分布的理想裂紋結構群，本發(fā)明省去后續(xù)下料工序中微裂紋的萌生和初步的擴展階段，提高了整個精密下料工藝的下料效率。
【專利說明】棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于管料精密下料【技術領域】，具體涉及棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法。
【背景技術】
[0002]金屬棒料是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的最基本的坯料形式之一，如各類軸銷類零件，其工業(yè)生產(chǎn)的第一道工序往往為下料工序，所以下料的斷料效率和斷面質量將直接影響后續(xù)工序的復雜程度及加工成本。近幾年發(fā)展起來的利用缺口產(chǎn)生應力集中效應及動態(tài)裂紋擴展法的無屑精密下料技術使得金屬棒料下料過程實現(xiàn)了真正意義上的無屑化生產(chǎn)。新型的精密下料系統(tǒng)其關鍵技術是靠疲勞裂紋擴展實現(xiàn)斷料，其生產(chǎn)效率很大程度上受制于裂紋擴展的快慢。
[0003]眾所周知，疲勞裂紋擴展斷料包括裂紋萌生和擴展兩個階段，其中裂紋萌生過程在整個裂紋擴展斷料過程中起著至關重要的作用，因此，多源性萌生的理想裂紋群更有利于后期裂紋的擴展和斷裂，從而大大縮短動態(tài)裂紋的壽命。對于新型無屑精密下料技術而言，裂紋結構群的萌生主要來源于外界動態(tài)載荷的加載，目前只能實現(xiàn)多點式加載而不能實現(xiàn)真正意義上的面加載，其只能在棒料缺口根部產(chǎn)生為數(shù)不多的微觀結構裂紋源，而且要擴展出更理想的宏觀裂紋群需要花費較長的時間。因此，為了提高無屑精密下料的斷料效率，需要在精密下料工序之前提前預制好均勻分布的理想裂紋群，而且事先預制的裂紋群其裂紋擴展深度越大越有利于后續(xù)的斷料，生產(chǎn)效率也就越高。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置及方法，實現(xiàn)整根缺口棒料在其缺口根部區(qū)域產(chǎn)生出宏觀結構的裂紋群，省去后續(xù)下料工序中微裂紋的萌生和初步的擴展階段，提高了整個精密下料工藝的下料效率。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為:
[0006]棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置，包括加熱機構和冷卻機構兩部分，其中加熱機構包括安裝于加熱機架6上的絕緣筒2，絕緣筒2的內(nèi)壁固裝著感應加熱線圈3，感應加熱線圈3的兩端分別與外部高頻電源的正極E+和負極E-相連，同時加熱機架6上還放置著穿過加熱線圈3內(nèi)孔的預制有環(huán)狀V形槽的金屬棒料4,金屬棒料4的兩端分別通過螺紋安裝著左拉頭I和右拉頭5 ；
[0007]冷卻機構包括安裝于冷卻機架15上的左支撐輥11和右支撐輥16，兩個支撐輥上放置著加熱后的金屬棒料4，金屬棒料4的左上方設有安裝于冷卻機架15上的水管10，水管10上設有用于噴灑冷卻水的條狀開口，水管10通過管接頭a與外界高壓水源相接，同時安裝于金屬棒料4上的左拉頭I通過銷軸與左卡頭9相連,左卡頭9通過左拉桿8和雙向推力球軸承與液壓缸的推桿7相連，安裝于金屬棒料4上的右拉頭5通過銷軸與右卡頭12相連，右卡頭12通過安裝于冷卻機架15上的右拉桿13與伺服電機14上的減速器輸出軸相連接。
[0008]所述的金屬棒料4通過拉頭與左拉桿8以及右拉桿13相連接的方式能夠改為在金屬棒料4的兩端事先各預制出一個環(huán)狀卡槽,之后通過上卡環(huán)18和下卡環(huán)19將金屬棒料4兩端分別與安裝在左拉桿8上的左轉接頭17以及安裝在右拉桿13上的右轉接頭相連，其中金屬棒料4兩端的環(huán)狀卡槽外沿被銑出了兩個平臺，對應的左右轉接頭以及上卡環(huán)8和下卡環(huán)9的相應位置處也為平臺。
[0009]所述裝置的裂紋方法，包括以下步驟:
[0010]I)將預制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料4穿過感應加熱線圈3的中間孔放置在加熱機架6上，并給其兩端裝好左夾頭I和右夾頭5 ；
[0011]2)根據(jù)金屬棒料4的不同材質，設定好與高壓電纜正極E+和負極E-相連的外部高頻電源的頻率和功率，對金屬棒料4的外壁進行快速感應加熱，使得加熱層厚度達到金屬棒料4的半徑值的一半；
[0012]3)待金屬棒料4的外壁溫度到達500— 1000°C后，關閉電源，并將金屬棒料4從加熱機構中取出；
[0013]4)將已加熱的金屬棒料4放置到冷卻機構中，并通過銷軸將左夾頭I和右夾頭5分別與左卡頭9和右卡頭12相連；
[0014]5)然后控制液壓缸的推桿7向左運動，給金屬棒料4 一個軸向的預緊拉力；
[0015]6)施加好預緊拉力后通過伺服電機14帶動金屬棒料4轉動，同時向水管10中通入高壓冷卻水，使冷卻水通過水管10的條狀開口均勻噴灑到金屬棒料4的外壁上，這樣便會在V形槽底部產(chǎn)生均勻分布的比較明顯的宏觀裂紋結構；
[0016]7)冷卻一段時間后，停止噴灑冷卻水并關閉液壓缸使得金屬棒料4處于自由狀態(tài)，并將其取下來即可。
[0017]本發(fā)明采用電磁感應線圈對金屬棒料外壁進行感應加熱然后再噴水冷卻,利用材料熱脹冷縮產(chǎn)生的應力集中效應，能為不同材質金屬棒料的無屑精密下料工藝提前預制出均勻分布的宏觀裂紋結構，可以省去后續(xù)下料工序中微裂紋的萌生和初步的擴展階段，提高了整個精密下料工藝的下料效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明加熱機構的正面剖視圖。
[0019]圖2是圖1的A— A剖視圖。
[0020]圖3是本發(fā)明冷卻機構的正面剖視圖。
[0021]圖4是圖3的B— B剖視圖。
[0022]圖5是圖3虛線方框內(nèi)銷軸連接方式的另一種替換方式。
[0023]圖6是圖5的C一C剖視圖。
[0024]圖7是本發(fā)明冷卻時采用第一種連接方式時的金屬棒料示意圖。
[0025]圖8是本發(fā)明冷卻時采用第二種連接方式時的金屬棒料示意圖。
[0026]圖9是金屬棒料V形槽根部產(chǎn)生的宏觀裂紋結構示意圖。具體實施方案
[0027]下面結合附圖對本發(fā)明做詳細描述。
[0028]如圖1、圖2、圖3、圖4和圖7所示，棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置，包括加熱機構和冷卻機構兩部分，其中加熱機構包括安裝于加熱機架6上的絕緣筒2，絕緣筒2的內(nèi)壁固裝著感應加熱線圈3，感應加熱線圈3的兩端分別與外部高頻電源的正極E+和負極E-相連，同時加熱機架6上還放置著穿過加熱線圈3內(nèi)孔的預制有環(huán)狀V形槽的金屬棒料4，金屬棒料4的兩端分別通過螺紋安裝著左拉頭I和右拉頭5 ；
[0029]冷卻機構包括安裝于冷卻機架15上的左支撐輥11和右支撐輥16，兩個支撐輥上放置著加熱后的金屬棒料4，金屬棒料4的左上方設有安裝于冷卻機架15上水管10，水管10上設有用于噴灑冷卻水的條狀開口，水管10通過管接頭a與外界高壓水源相接，同時安裝于金屬棒料4上的左拉頭I通過銷軸與左卡頭9相連,左卡頭9通過左拉桿8和雙向推力球軸承與液壓缸的推桿7相連，安裝于金屬棒料4上的右拉頭5通過銷軸與右卡頭12相連，右卡頭12通過安裝于冷卻機架15上的右拉桿13與伺服電機14上的減速器輸出軸相連接。
[0030]如圖5、圖6和圖8所示，所述的金屬棒料4通過拉頭與左拉桿8以及右拉桿13相連接的方式能夠改為在金屬棒料4的兩端事先各預制出一個環(huán)狀卡槽,之后通過上卡環(huán)18和下卡環(huán)19將金屬棒料4兩端分別與安裝在左拉桿8上的左轉接頭17以及安裝在右拉桿13上的右轉接頭相連，其中金屬棒料4兩端的環(huán)狀卡槽外沿被銑出了兩個平臺，對應的左右轉接頭以及上卡環(huán)8和下卡環(huán)9的相應位置處也為平臺。
[0031]所述裝置的裂紋方法，包括以下步驟:
[0032]I)將預制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料4穿過感應加熱線圈3的中間孔放置在加熱機架6上，并給其兩端裝好左夾頭I和右夾頭5 ；
[0033]2)根據(jù)金屬棒料4的不同材質，設定好與高壓電纜正極E+和負極E-相連的外部高頻電源的頻率和功率，對金屬棒料4的外壁進行快速感應加熱，使得加熱層厚度達到金屬棒料4的半徑值的一半；
[0034]3)待金屬棒料4的外壁溫度到達500— 1000°C后，關閉電源，并將金屬棒料4從加熱機構中取出；
[0035]4)將已加熱的金屬棒料4放置到冷卻機構中，并通過銷軸將左夾頭I和右夾頭5分別與左卡頭9和右卡頭12相連；
[0036]5)然后控制液壓缸的推桿7向左運動，給金屬棒料4 一個軸向的預緊拉力，由于金屬棒料4加熱后因熱脹冷縮的作用會沿周向伸長一定距離，施加此軸向預緊拉力的目的是為了防止金屬棒料4冷卻時沿軸向收縮；
[0037]6)施加好預緊拉力后通過伺服電機14帶動金屬棒料4轉動，同時向水管10中通入高壓冷卻水，使冷卻水通過水管10的條狀開口均勻噴灑到金屬棒料4的外壁上,金屬棒料4的外壁遇冷卻水后其體積便會收縮，同時由于金屬棒料4受到軸向預緊拉力的作用，所以在金屬棒料4的外壁沿軸向會產(chǎn)生一個很大的拉應力的作用，再加之金屬棒料4外壁環(huán)狀V形槽的缺口效應，這樣便會在V形槽底部產(chǎn)生均勻分布的比較明顯的宏觀裂紋結構；
[0038]7)冷卻一段時間后，停止噴灑冷卻水并關閉液壓缸使得金屬棒料4處于自由狀態(tài)，并將其取下來即可。
[0039]由于對金屬棒料4外壁進行整體加熱，待金屬棒料4膨脹后通過軸向外加的預緊拉力的作用使其保持原膨脹變形并給其外壁均勻噴灑冷卻水，使得金屬棒料4的外壁沿軸向產(chǎn)生一個很大的拉應力的作用，同時由于金屬棒料4的外壁預制有環(huán)狀V形槽，在應力集中的作用下V形槽底部位置會產(chǎn)生超過材料強度極限的軸向拉應力，在此應力的作用下金屬棒料4的V形槽缺口根部將產(chǎn)生均勻分布的宏觀裂紋結構，如圖9所示。
【權利要求】
1.棒料帶環(huán)形槽的電磁加熱與冷卻制備理想裂紋裝置，包括加熱機構和冷卻機構兩部分，其特征在于:其中加熱機構包括安裝于加熱機架(6)上的絕緣筒(2)，絕緣筒(2)的內(nèi)壁固裝著感應加熱線圈(3)，感應加熱線圈(3)的兩端分別與外部高頻電源的正極(E+)和負極(E-)相連，同時加熱機架(6)上還放置著穿過加熱線圈(3)內(nèi)孔的預制有環(huán)狀V形槽的金屬棒料(4)，金屬棒料(4)的兩端分別通過螺紋安裝著左拉頭(I)和右拉頭(5)； 冷卻機構包括安裝于冷卻機架(15)上的左支撐輥(11)和右支撐輥(16)，兩個支撐輥上放置著加熱后的金屬棒料(4)，金屬棒料(4)的左上方設有安裝于冷卻機架(15)的水管(10)，水管(10)上設有用于噴灑冷卻水的條狀開口，水管(10)通過管接頭(a)與外界高壓水源相接，同時安裝于金屬棒料(4)上的左拉頭(I)通過銷軸與左卡頭(9)相連，左卡頭(9)通過左拉桿(8)和雙向推力球軸承與液壓缸的推桿(7)相連，安裝于金屬棒料(4)上的右拉頭(5)通過銷軸與右卡頭(12)相連，右卡頭(12)通過安裝于冷卻機架(15)上的右拉桿(13)與伺服電機(14)上的減速器輸出軸相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述裝置，其特征在于:所述的金屬棒料(4)通過拉頭與左拉桿(8)以及右拉桿(13)相連接的方式能夠改為在金屬棒料(4)的兩端事先各預制出一個環(huán)狀卡槽，之后通過上卡環(huán)(18)和下卡環(huán)(19)將金屬棒料(4)兩端分別與安裝在左拉桿(8)上的左轉接頭(17)以及安裝在右拉桿(13)上的右轉接頭相連，其中金屬棒料(4)兩端的環(huán)狀卡槽外沿被銑出了兩個平臺，對應的左右轉接頭以及上卡環(huán)(8)和下卡環(huán)(9)的相應位置處也為平臺。
3.根據(jù)權利要求1所述裝置的裂紋方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將預制好環(huán)狀V形槽的金屬棒料(4)穿過感應加熱線圈(3)的中間孔放置在加熱機架(6)上，并給其兩端裝好左夾頭(I)和右夾頭(5)； 2)根據(jù)金屬棒料(4)的不同材質，設定好與高壓電纜正極E+和負極E-相連的外部高頻電源的頻率和功率，對金屬棒料(4)的外壁進行快速感應加熱，使得加熱層厚度達到金屬棒料(4)的半徑值的一半； 3)待金屬棒料(4)的外壁溫度到達500—1000°C后，關閉電源，并將金屬棒料(4)從加熱機構中取出； 4)將已加熱的金屬棒料(4)放置到冷卻機構中，并通過銷軸將左夾頭(I)和右夾頭(5)分別與左卡頭(9)和右卡頭(12)相連； 5)然后控制液壓缸的推桿(7)向左運動，給金屬棒料(4)一個軸向的預緊拉力； 6)施加好預緊拉力后通過伺服電機(14)帶動金屬棒料(4)轉動，同時向水管(10)中通入高壓冷卻水，使冷卻水通過水管(10)的條狀開口均勻噴灑到金屬棒料(4)的外壁上，這樣便會在V形槽底部產(chǎn)生均勻分布的比較明顯的宏觀裂紋結構； 7)冷卻一段時間后，停止噴灑冷卻水并關閉液壓缸使得金屬棒料(4)處于自由狀態(tài)，并將其取下來即可。
【文檔編號】C21D1/78GK104357630SQ201410605997
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權日:2014年10月31日
【發(fā)明者】趙升噸, 景飛, 張琦, 李雪, 趙仁峰 申請人:西安交通大學