一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置和方法
【专利摘要】本发明涉及电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置和方法。成形装置主要包括机身框架、抽气密封机构、振动加载及缓冲机构、静载荷加载机构、电磁感应加热、模具组件和振动压头。成形时，电磁感应加热线圈位于阴模外围，振动压头从上方顶紧上模冲，通过上模冲将振动传递至粉末；阴模、上冲模、电磁感应加热线圈和振动压头位于密封的密封框内，实现了真空或可控气氛、感应加热及振动热压烧结生产方法特点的集成。该装置结构简单，成本低、耗能小、效率高、易推广，属于粉末冶金与陶瓷制品生产【技术领域】。
【专利说明】一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及粉末冶金与陶瓷制品生产【技术领域】，具体为一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置和方法。
【背景技术】
[0002]粉末冶金是一项集材料制备与零件制造于一体，节能节材、高效近净成形、少污染的先进制造技术。制备高密度且密度分布均匀的粉末冶金零件，对于扩大粉末冶金制品应用范围变得越来越重要。目前粉末冶金技术正朝着集成化、低成本、高致密化、高性能的绿色制造成形体系发展。
[0003]热压将压制和烧结两个工序同时完成，实现了在较低压力下迅速获得冷压烧结所不能达到的密度。目前，各种热压法中存在一个突出的缺陷:大部分采用电阻加热，加热效率低，在现有设备基础上提高制品密度，须提高烧结压力或烧结温度，导致热压烧结设备更复杂，更庞大,增加生产成本。
[0004]CN102102942A提供了“一种可调压振动式热压烧结炉”，该方法烧结炉的主要特点是在原有普通热压炉的基础上，通过交流变频电机和带轮带动偏心轮转动，偏心轮的转动带动加压装置沿着导柱方向产生位移振动。该方法实现了真空可控气氛炉及可调压振动烧结的生产特点，但未采用电磁感应此种高效节能的加热方式，加热时间长，效率低。
[0005]CN102072638A提供了一种“双向热压高温振荡烧结炉及其工作方法”，该方法通过上下对称分布的微波振动装置将振动传递给上下对称分布的双压头，使粉末在高温高压下振动成形。通过多个电极同时加热实现高温振荡烧结，在真空状态下电极供电给加热体，从常温加热到1850°C需8小时。该方法实现了高温真空振荡热压烧结，虽采用多电极同时加热提升升温效率，但从常温加热到1850°C仍需8小时，与有针对性局部加热的电磁感应加热相比，其加热的效率过低，热损耗大，装置复杂。
[0006]CN103084574A提供了“一种金属石钻头的制备方法及其烧结装置”，该方法提供一种采用变中频烧结、双向振动施压、双轨温度和压力曲线专用制备金刚石钻头的工艺及烧结设备。该方法采用电磁感应加热及液压振动系统实现振动热压，中频感应加热3分种内温度可达到840°C，但其不具备真空或可控气氛炉制备粉末冶金材料的优势。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是:提供一种集电磁感应加热、真空或可控气氛、振动热压烧结三者优势于一体的电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置和方法。
[0008]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，包括:机身框架、抽气密封机构、振动加载及缓冲机构、静载荷加载机构、电磁感应加热部分、模具组件和振动压头；模具组件主要包括上模冲、芯模及阴模；抽气密封机构主要包括上下平移的密封框及与密封框相配合的密封槽内置密封圈；电磁感应加热部分主要包括电磁感应加热线圈与电磁感应加热控制器；振动加载及缓冲机构与振动压头相接并驱动振动压头振动；静载荷加载机构驱动振动压头上下平移；成形时，电磁感应加热线圈位于阴模外围，振动压头从上方顶紧上冲模；通过上模冲将振动传递粉末；阴模、上冲模、电磁感应加热线圈和振动压头均位于密封的密封框内。
[0010]机身框架包括:底座板、支撑板和若干相互并列设置的、沿上下方向延伸的导柱；导柱垂直固定在底座板上，支撑板垂直固定在导柱上。
[0011]振动加载及缓冲机构包括:活动板、缓冲缸、附着式振动器、附着式振动器支承板；活动板和附着式振动器支承板通过缓冲缸相接，且通过缓冲缸沿着上下方向相互远离或靠近；振动压头固定在附着式振动器支承板下方，附着式振动器安装于附着式振动器支承板上方；静载荷加载机构与活动板相接驱动活动板上下平移，并通过缓冲缸带动附着式振动器及附着式振动器支承板上下移动，实现振动压头升降运动及压制过程中静压力的加载。
[0012]静载荷加载机构为主液压缸；主液压缸的缸体安装在支承板的上方，主液压缸的导杆向下穿过支承板通过一连接块与活动板的上方相接。
[0013]抽气密封机构包括:密封框液压缸、真空泵、密封框垫板、密封框固定板、密封端盖和密封圈；密封端盖、密封框固定板、密封框垫板、密封框从上往下依次设置；振动压头依次穿过密封端盖、密封框固定板和密封框垫板，振动压头在密封框内上下平移；真空泵通过一真空泵连接块与密封框相接；密封框固定板和底座板通过密封框液压缸相接，且通过密封框液压缸沿着上下方向相互远离或靠近；密封框固定板通过导套沿导柱滑动；密封框和密封框垫板之间设有密封圈，密封框垫板和密封框固定板之间设有密封圈，密封端盖和振动压头之间设有密封圈。
[0014]模具组件包括:芯模、芯模垫板、卸料框、卸料框限位块、垫板和垫板限位块；垫板限位块固定在底座板上，垫板嵌入垫板限位块并固定在底座板上；卸料框限位块固定在垫板上，卸料框沿着卸料框限位块在垫板上滑移；芯模和阴模固定在芯模垫板上，且芯模位于阴模内；芯模垫板放置在卸料框内；成形时，垫板和密封框组成一密封空间。
[0015]电磁感应加热部分包括电磁感应加热控制器；密封框上设有电磁感应加热线圈连接块；电磁感应加热线圈通过电磁感应加热线圈连接块与电磁感应加热控制器相接。
[0016]一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形方法，采用一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置；成形时，位于阴模内的粉末在密封框内的密封环境中，粉末被电磁感应加热线圈高温加热，振动压头通过振动加载及缓冲机构提供的激振力和静载荷加载机构提供的静载荷顶紧上模冲，或振动压头单独通过振动加载及缓冲机构提供的激振力顶紧上模冲，实现粉末的振动真空热压成形。
[0017]一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形方法，其特征在于:包括如下步骤:
a.装粉步骤:将粉末装入模具组件中；b.密封步骤:密封框向下移动，将阴模、上冲模、电磁感应加热线圈和振动压头容纳在其内，而后密封框密封；c.预压步骤:静载荷加载机构将振动压头下移至顶紧上模冲，上模冲对粉末预压紧；d.压制状态:电磁感应加热部分对粉末进行加热，振动加载及缓冲机构提供的激振力作用于粉末，实现振动压制成形。
[0018]密封框密封时，对密封框抽真空，或抽真空后通入惰性气体，或抽真空后通入气体渗剂对成形件进行表面处理。[0019]总的说来，本发明具有如下优点:装置结构简单，成本低、耗能小、效率高、易推广。该方法升温迅速、热损耗小，有利于渗碳金属、活性金属、全致密难熔金属及其化合物、陶瓷、复合纤维材料的成形，有利于形状复杂、高径比大制品的成形。可实现短工时，较低压力及温度条件下同时完成粉末压制与烧结，制备出完全致密的粉末冶金制品。
[0020]本发明实现了真空或可控气氛、电磁感应加热、振动热压烧结技术的集成。在真空或可控气氛中，采用电磁感应加热技术实现了模具组件的装粉段有针对性地局部高温加热，升温迅速；采用附着式振动器，其固定在附着式振动器支承板上，通过与附着式振动器支承板相连接的振动压头直接将振动与激振力传递给粉末，实现粉末的振动热压，振动同时也提供了较大且适合粉末热压的激振力，甚至在无静压力条件下直接使用附着式振动器的激振力即可完成振动热压烧结成形工艺，降低热压过程设备所需静压力，使得振动热压装置结构更加简单，提高了同吨位设备的制造能力。
[0021]本发明降低了压制过程的压制力和烧结温度，扩大了压制粉末材料范围及压制件尺寸比，提高了同吨位设备制造能力及模具使用寿命。压制件受力更均匀，更易获得高均匀度及高致密度，压制件尺寸精度及尺寸稳定性更高，提高了制件的综合使用性能。
[0022]本发明加热迅速、热损耗小，有利于制造渗碳金属、活性金属、全致密难熔金属及其化合物、陶瓷、复合纤维材料及形状复杂、高径比大的制品，低成本、低耗能、效率高、易推广，具有一定应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的结构示意图，成形件为环形筒状压制件。
[0024]图2a_2d为一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置的工作状态示意图。
[0025]图中的标号和对应的零件名称如下:
[0026]1-主液压缸、2-支承板、3-活动板、4-缓冲缸、5-附着式振动器、6_附着式振动器支承板、7-密封端盖、8-密封框固定板、9-密封框垫板、10-密封框、11-导柱、12-底座板、13-卸料框限位块、14-垫板、15-芯模垫板、16-卸料框、17-垫板限位块、18-加强筋支座、、19-芯模、20-阴模、21-电磁感应加热线圈、22-上模冲、23-电磁感应加热线圈连接块、24-真空泵连接块、25-振动压头、26-密封圈、27-缓冲垫、28-缓冲缸的导杆、29-导套、30-连接块、31-密封框液压缸；
【具体实施方式】
[0027]下面将结合附图和【具体实施方式】来对本发明做进一步详细的说明。
[0028]图1所示，本实例为一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置成形一环形筒状压制件。
[0029]一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置包括:机身框架、抽气密封机构、振动加载及缓冲机构、静载荷加载机构、电磁感应加热部分、模具组件、振动压头和机构冷却部分。工作时，真空泵通过密封框10—侧的真空泵连接块24，使模具组件、电磁感应加热线圈21、振动压头25置于密封框10内的真空环境，且密封框10内各组件采取隔热措施；电磁感应加热线圈21套在阴模20外围并与电磁感应加热线圈移动控制架相连，振动压头25直接与附着式振动器5相连接，附着式振动器5通过振动压头25将振动传递给上模冲22，上模冲22将振动作用于粉末；对称分布的密封框液压缸31用来升降密封框10并保证工作过程中密封框10始终处于密封状态，主液压缸I实现附着式振动器5、振动压头25的升降运动并提供了振动热压过程中所需的静压力，冷却控制贯穿整个工作过程。
[0030]机身框架由底座板12、导柱11、支承板2、主液压缸1、加强筋支座18、地角螺钉和紧固螺母组成。各组件的连接关系如下:通过螺纹连接将加强筋支座18对称分部在底座板12的左右两端；左右两根导柱11以焊接方式固定在左右两个加强筋支座18上；导柱11与支承板2连接端制成螺纹轴肩式，支承板2下端由导柱11的轴肩定位，上端由螺母紧固；主液压缸I的缸体部分通过螺钉连接在支承板2上方的中心部位，密封框液压缸31的导杆由螺母紧固在底座板12的左右两端的凸缘上。
[0031 ] 抽气密封机构由密封框10、密封框垫板9、密封框固定板8、密封圈26、密封端盖7、真空泵连接块24及真空泵组成。各组件的连接关系如下:密封框10、密封框垫板9、密封框固定板8及密封端盖7采用螺纹连接成一个活动单元；密封框10与密封框垫板9的接触面上、密封框垫板9与密封框固定板8的接触面上开有环形密封槽并且内置密封圈26，密封端盖7与振动压头25之间采用密封圈(此处为橡胶环)密封；密封固定板8同时与导柱11和密封框液压缸的导杆相配合，与导柱11采用导套连接，与密封框液压缸的缸体采用螺纹连接并与其导杆部分采用可滑动连接；密封框10的一侧开有一真空泵接口，通过真空泵连接块24与真空泵连接，实现对密封框内抽真空的作用。还可以往密封框10内通入惰性气体，或通入气体渗剂，如气体碳、氮，对压制件进行渗碳、渗氮等表面处理。
[0032]振动加载及缓冲机构由附着式振动器5、附着式振动器支承板6、缓冲缸4及活动板3组成。各组件的连接关系如下:振动压头25与附着式振动器支承板6用螺钉连接，缓冲缸4以左右对称形式固定在附着式振动器支承板6的两侧，缓冲缸的导杆28的一端制成轴肩且带螺纹与活动板3连接并用螺母紧固，活动板3用导套29与导柱11相配合，且由连接块30与主液压缸的导杆相连，实现振动压头25的升降运动及压制过程中静压力的加载。附着式振动器5带动振动压头25振动，振动压头25通过上模冲22对粉末施加振动作用。其中，本段描述的主液压缸I为静载荷加载机构。
[0033]模具组件由芯模19、阴模20、上模冲22、芯模垫板15、卸料框16、卸料框限位块13、垫板14、垫板限位块17组成，其中此实施方案中的芯模19、阴模20及上模冲22的材料为石墨。各组件的连接关系如下:垫板限位块17分别与垫板14的左右及后侧相配合，并以螺钉固定在底座板12上；卸料框限位块13用螺钉固定在垫板14上并与卸料框16相配合，卸料框16与芯模垫板15采用抽屉形式相配合，芯模19及阴模20分别以螺纹连接的方式固定在芯模垫板15上，上模冲22以手动方式按工艺需要放置。
[0034]电磁感应加热部分包括电磁感应加热线圈21和电磁感应加热控制器，被加热对象为粉末。电磁感应加热线圈21与模具组件处于密封框10之内，电磁感应加热线圈21以一定间距套在阴模20外，电磁感应加热线圈通过密封框10上的电磁感应加热线圈连接块与密封框10外部的电磁感应加热控制器相连接。
[0035]环形筒状压制件的电磁感应加热式粉末振动真空热压成形过程如下:
[0036]主液压缸I作用，通过主液压缸的导杆使活动板3向上运动，活动板3通过缓冲缸的导杆带动缓冲缸4向上移动，在主液压缸I及缓冲缸4共同作用下，附着式振动器支承板6向上运动，此时也实现了振动压头25的向上移动，当振动压头25移动到与密封端盖7的下表面相接触时，密封框液压缸31作用，带动密封框固定板8向上移动，密封框10向上移动到适合手动装粉的距离停止运动，此时主液压缸I及缓冲缸4共同作用使密封框10处于打开状态。阴模20、芯模19用螺钉紧固在芯模垫板15上，放置在卸料框16的台阶面上，形成一个活动单元，在阴模20与芯模19形成的模腔里装好粉后，通过卸料框16的手柄沿着卸料框限位块13的入口处将整个模具组件手动推至后侧限位块，手动将上模冲22自由压在阴模20所装粉末上，装粉过程结束。密封框液压缸31作用，密封框固定板8向下移动，同时带动密封框10向下运动，当其与垫板14相接触时停止密封框液压缸31的运动，并如终保持适当的静压力，使密封框10始终处于压紧密封状态。主液压缸I作用通过活动板3带动缓冲缸的导杆向下运动，缓冲缸的导杆经过一段缓冲行程通过附着式振动器支承板6带动振动压头25向下移动，在主液压缸I力的作用下，振动压头25通过上模冲22对粉末进行预压。打开真空泵通过真空泵连接块24对密封框10抽真空并打开装置的冷却系统，达到所要求真空度，打开电磁感应加热控制器及温度控制系统，对粉末进行电磁感应加热。在烧结的适合阶段加入振动，同时由主液压缸I提供静压力，粉末在真空烧结状态下由振动力场和静压力共同作用成形。振动停止后，压制件在静压力及真空环境中进行保温、冷却，压制件制作完成。主液压缸I作用，通过主液压缸的导杆使活动板3向上运动，活动板3通过缓冲缸的导杆带动附着式振动器支承板6向上移动，振动压头25也随之向上移动；当振动压头25移动到与密封端盖7相接触时，密封框液压缸31作用，带动密封框固定板8向上移动，密封框10向上移动到适合的距离停止运动，开始卸件。如此反复进行粉末制件压制成形。
[0037]图2a_2d分别为环形筒状压制件的电磁感应加热式粉末振动真空热压成形过程的装粉步骤、密封步骤、预压步骤及压制状态。
[0038]a.装粉步骤:
[0039]密封框10处于打开状态，阴模20与芯模19形成的模腔中装入适量粉末，上模冲22自由压在所装粉末上；
[0040]b.密封步骤:
[0041]密封框10在液压力作用下与垫板14密封槽中密封圈相配合压紧形面封闭空间，振动压头25与上模冲22接触；
[0042]c.预压步骤:
[0043]密封框10密封，真空泵通过真空泵连接块24对密封框10抽真空，主液压缸I作用下通过振动压头25、上模冲22对粉末实施预压；
[0044]d.压制步骤:
[0045]真空泵、电磁感应加热、振动、来自于主液压缸I的静压力同时作用对粉体进行压制。
[0046]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，其特征在于:包括:机身框架、抽气密封机构、振动加载及缓冲机构、静载荷加载机构、电磁感应加热部分、模具组件和振动压头; 模具组件包括芯模、阴模及压制粉末的上模冲； 抽气密封机构包括上下平移的密封框； 电磁感应加热部分包括电磁感应加热线圈与电磁感应加热控制器； 振动加载及缓冲机构与振动压头相接并驱动振动压头振动；静载荷加载机构驱动振动压头上下平移； 成形时，阴模与机身框架相对固定，电磁感应加热线圈位于阴模外围，振动压头从上方顶紧上冲模；阴模、上冲模、电磁感应加热线圈和振动压头均位于密封的密封框内。
2.按照权利要求1所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，其特征在于:所述机身框架包括:底座板、支撑板和若干相互并列设置的、沿上下方向延伸的导柱；导柱垂直固定在底座板上，支撑板垂直固定在导柱上。
3.按照权利要求2所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，其特征在于:所述振动加载及缓冲机构包括:活动板、缓冲缸、附着式振动器、附着式振动器支承板； 活动板和附着式振动 器支承板通过缓冲缸相接，且通过缓冲缸沿着上下方向相互远离或靠近； 振动压头固定在附着式振动器支承板下方，附着式振动器安装于附着式振动器支承板上方； 静载荷加载机构与活动板相接驱动活动板上下平移；活动板通过导套沿导柱滑动。
4.按照权利要求3所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，其特征在于:所述静载荷加载机构为主液压缸；主液压缸的缸体安装在支承板的上方，主液压缸的导杆向下穿过支承板通过一连接块与活动板的上方相接。
5.按照权利要求2所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，其特征在于:所述抽气密封机构包括:密封框液压缸、真空泵、密封框垫板、密封框固定板、密封端盖和密封圈； 密封端盖、密封框固定板、密封框垫板、密封框从上往下依次设置；振动压头依次穿过密封端盖、密封框固定板和密封框垫板，振动压头在密封框内上下平移； 真空泵通过一真空泵连接块与密封框相接； 密封框固定板和底座板通过密封框液压缸相接，且通过密封框液压缸沿着上下方向相互远离或靠近；密封框固定板通过导套沿导柱滑动； 密封框和密封框垫板之间设有密封圈，密封框垫板和密封框固定板之间设有密封圈，密封端盖和振动压头之间设有密封圈。
6.按照权利要求2所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，其特征在于:所述模具组件包括:芯模垫板、卸料框、卸料框限位块、垫板和垫板限位块； 垫板限位块固定在底座板上，垫板嵌入垫板限位块并固定在底座板上； 卸料框限位块固定在垫板上，卸料框沿着卸料框限位块在垫板上滑移； 芯模和阴模固定在芯模垫板上，且芯模位于阴模内；芯模垫板放置在卸料框内；成形时，垫板和密封框组成一密封空间。
7.按照权利要求1所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置，其特征在于:所述密封框上设有电磁感应加热线圈连接块；电磁感应加热线圈通过电磁感应加热线圈连接块与电磁感应加热控制器相接。
8.—种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形方法，其特征在于:采用权利要求1至7中任一项所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形装置；成形时，位于阴模内的粉末在密封框内的密封环境中，粉末被电磁感应加热线圈高温加热，振动压头通过振动加载及缓冲机构提供的激振力和静载荷加载机构提供的静载荷顶紧上模冲，或振动压头单独通过振动加载及缓冲机构提供的激振力顶紧上模冲，实现粉末的振动真空热压成形。
9.按照权利要求8所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形方法，其特征在于:包括如下步骤: a.装粉步骤:将粉末装入模具组件中； b.密封步骤:密封框向下移动，将阴模、上冲模、电磁感应加热线圈和振动压头容纳在内后，对密封框密封； c.预压步骤:静载荷加载机构将振动压头下移至顶紧上模冲，上模冲对粉末预压紧； d.压制状态:电磁感应加热部分对粉末进行加热，振动加载及缓冲机构提供的激振力作用于粉末，实现压制成形。
10.按照权利 要求8或9所述的一种电磁感应加热式粉末振动真空热压成形方法，其特征在于:密封框密封时，对密封框抽真空，或抽真空后通入惰性气体，或抽真空后通入气体渗剂对成形件进行表面处理。
【文档编号】B22F3/14GK103817329SQ201410067789
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】周照耀, 吴菲 申请人:华南理工大学