一种金属线材强化装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属线材强化装置及其方法，该装置包括用于夹紧金属线材的夹具、用于对金属线材进行拉伸的拉伸伺服电机和用于对金属线材进行扭转的扭转伺服电机，拉伸伺服电机通过第一传动装置对金属线材施加拉力或进行拉伸冷作硬化，扭转伺服电机通过第二传动装置对金属线材进行扭转冷作硬化。本发明不仅具备常规的扭转冷作硬化的功能，更可以一次性完成整根细长金属线材的扭转冷作硬化，还可以单独或同时完成拉伸冷作硬化，有效提高其强度，工作效率高，并保证金属线材在强化后的力学性能具有非常好的一致性且不损伤金属线材；此外，装置采用卧式布置，夹具可大范围移动，对线材长度的限制较小，可以对大部分工程金属线材直接进行冷作硬化。
【专利说明】一种金属线材强化装置及其方法
【技术领域】
[0001]本 发明涉及金属材料加工领域，具体涉及一种金属线材强化装置及其方法。
【背景技术】
[0002]金属是现实生活中使用最为广泛的材料，几乎渗透到了生活中的任何一个角落，金属的使用技术对人类的发展起着决定性的作用。自工业革命之后，人们运用各种方法来提高金属的强度，例如热处理、合金化、细化组织、冷作硬化、表面处理等，其中冷作硬化是目前能显著提高金属材料强度的一种成本低而应用广泛的方法。冷作硬化是指某些金属在常温或者是结晶温度以下的加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲、畸变晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，通过改变金属的内部结构从而改变金属的强度，该方法能显著提高金属的强度，但同时也会降低其塑性和冲击韧性。
[0003]单纯的拉伸硬化会使金属在拉伸过程直径变细，材料的塑性变形也不充分，影响强化效果，更有甚者会使金属产生颈缩现象及造成材料的初始损伤。扭转冷作硬化能够使材料得到更加充分的强化，但扭转冷作硬化要求金属材料的长度较短且同轴度较好，而金属线材都比较细长，且无外力作用时其轴线为不规则曲线，所以，现有技术中无法采用常规扭转冷作硬化方法使其强化。
[0004]故，需要提供一种新的技术方案来解决上述问题。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于细长型金属线材的强化装置及其方法。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明的一种金属线材强化装置，包括用于夹紧金属线材的夹具、用于对金属线材进行拉伸的拉伸伺服电机和用于对金属线材进行扭转的扭转伺服电机，所述拉伸伺服电机通过第一传动装置对金属线材施加拉力或进行拉伸冷作硬化，所述扭转伺服电机通过第二传动装置对金属线材进行扭转冷作硬化。
[0007]所述第一传动装置包括第一传动皮带、与第一传动皮带连接的第一传动轮和丝杠，所述丝杠上安装有第一横梁，所述丝杠的一端与第一传动轮通过键连接，丝杠的另一端位于丝杠支座上；所述第二传动装置包括减速齿轮箱、第二传动皮带和与第二传动皮带连接的第二传动轮。
[0008]所述第一传动带轮有两个，两个第一传动带轮通过第一传动皮带同时与拉伸伺服电机连接，丝杠有两个，每个丝杠分别与一个第一传动带轮连接，拉伸伺服电机转动同时带动两个第一传动带轮转动，从而带动两个丝杆同步转动，从而保证第一横梁在丝杠上前进或后退。
[0009]所述夹具包括用于分别夹紧金属线材两端的第一楔形夹具和第二楔形夹具，第一楔形夹具安装在第一横梁上，第二楔形夹具安装在第二横梁上，并且该第二楔形夹具跟随第二传动轮动作。[0010]所述第一楔形夹具和第二楔形夹具上分别设置有力传感器和角度传感器，第一横梁上设置有位移传感器，所述拉伸伺服电机、扭转伺服电机、力传感器、角度传感器和位移传感器分别通过导线与控制系统连接。导线与控制系统之间连有运动控制卡。所述控制系统由计算机、控制软件和控制硬件组成。所述拉伸伺服电机和扭转伺服电机分别安装在支架上，支架上安装有起支撑和导向作用的第一横梁滑动轨道。
[0011]此外，还包括外罩，所述外罩将拉伸伺服电机、扭转伺服电机、丝杠、第一楔形夹
具、第二楔形夹具包覆。
[0012]本发明还公开了一种基于上述金属线材强化装置的扭转强化方法，包括以下原理与步骤:
[0013]扭转冷作硬化可以最大限度地发挥材料的应变强化能力，即可使金属材料得到充分的强化。当金属材料(特别是塑性金属材料)在受到扭转作用时，一旦剪切应力超过其剪切屈服极限，该材料就会产生塑性变形，当卸载后，该材料的强度将会提高，其屈服极限的提闻尤为明显。
[0014]针对细长的金属线材，本发明提供的扭转强化方法如下:
[0015]I)根据金属材料所需的强化程度要求，将金属线材的直径d、屈服时拉伸应力应变曲线的斜率临界值k及强化目标参数(单位长度扭转角θ p)输入控制系统，然后根据金属线材的长度调节第一楔形夹具和第二楔形夹具之间的距离，并将金属线材两端可靠地装夹在第一楔形夹具和第二楔形夹具中；
[0016]2)启动拉伸伺服电机带动丝杠运动从而使金属线材承受一定的拉力，该拉力通过力传感器传递到控制系统中，控制系统根据采集的力和位移数据绘制应力-应变曲线，并实时计算应力应变曲线的斜率k’，k’=(0i+1-0i)/(ei+1-ei)，曲线示意如图1、2所示。金属的屈服存在不连续屈服(明显屈服，如图1所示)和连续屈服(如图2所示)两种情况，但两者具有共性:当金属线材进入屈服阶段后，力-位移曲线和应力-应变曲线的斜率均会明显变小。对金属线材持续施加拉伸载荷，当实时应力应变曲线的斜率k’ <k时，控制系统判定金属线材发生屈服，控制系统发出指令使拉伸伺服电机停止转动，此时金属线材被完全拉直，实现良好的同轴性。与此同时,位移传感器将此时的位移数据(即去除夹持部分后金属线材的长度L)传输给控制系统。
[0017]3)启动扭转伺服电机，开始对金属线材施加扭矩，当达到控制系统设定的单位长度扭转角ΘΡ ( ΘΡ=Θ/1，θ为角度传感器测量的扭转角度)后，扭转伺服电机停止转动；之后控制系统给出指令使扭转伺服电机反转，从而使第二楔形夹具缓慢反转，以卸除金属线材上的扭矩，当金属线材上的扭矩完全卸除后卸下金属线材。
[0018]所述步骤3)中，卸下硬化后的金属线材，其两端的夹具夹紧部分并未充分硬化，可通过切割方式将该夹具夹紧的部分去掉。
[0019]有益效果:本发明的一种金属线材强化装置及其方法与现有技术相比，具有以下优点:
[0020](1)可以一次性完成整根细长金属线材的扭转冷作硬化，有效提高其强度，工作效率高，并保证金属线材在强化后的力学性能具有非常好的一致性且不损伤金属线材；
[0021](2)可对金属线材进行扭转冷作硬化外，也能够对金属材料进行常规的拉伸冷作硬化，还可以同时实现拉伸和扭转冷作硬化功能；[0022](3)装置采用卧式布置，夹具可大范围移动，对线材长度的限制较小，可以对大部分金属线材直接进行冷作硬化。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为存在明显屈服阶段的塑性材料应力-应变曲线图；
[0024]图2为不存在明显屈服阶段的塑性材料应力-应变曲线图；
[0025]图3为Q235钢线材在不同程度扭转强化(不同的单位长度上的相对扭转角，即不同
[0026]的单位长度扭转角)后的屈服极限和强度极限曲线图；
[0027]图4为本发明中装置的俯视示意图；
[0028]图5为图4的A-A剖面示意图；
[0029]图6为本发明中的装置的立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 [0031]如图4至6所示，本发明的一种金属线材强化装置，包括用于夹紧金属线材的夹具、用于对金属线材进行拉伸的拉伸伺服电机2和用于对金属线材进行扭转的扭转伺服电机12，所述拉伸伺服电机2通过第一传动装置实现第一横梁4与第二横梁10间的距离调整，并对金属线材施加拉力或进行拉伸冷作硬化，所述扭转伺服电机12通过第二传动装置对金属线材进行扭转冷作硬化。
[0032]本实施例中，第一传动装置包括第一传动皮带3、与第一传动皮带3连接的第一传动轮16和丝杠5，丝杠5上安装有第一横梁4，丝杠5的一端与第一传动轮16通过键连接，丝杠5的另一端位于丝杠支座7上；第二传动装置包括减速齿轮箱13、第二传动皮带11和与第二传动皮带11连接的第二传动轮17 ;所述第一传动带轮16有两个，两个第一传动带轮16通过第一传动皮带3同时与拉伸伺服电机2连接，丝杠5有两个，每个丝杠5分别与一个第一传动带轮16连接，拉伸伺服电机2转动同时带动两个第一传动带轮16转动,从而带动两个丝杆5同步转动，从而保证第一横梁在丝杠5上前进或后退。夹具包括用于分别夹紧金属线材两端的第一楔形夹具14和第二楔形夹具18,第一楔形夹具14安装在第一横梁4上，第二楔形夹具18安装在第二横梁10上，并且该第二楔形夹具18跟随第二传动轮17动作。第一楔形夹具14和第二楔形夹具18上分别设置有力传感器15和角度传感器9，第一横梁4上设有位移传感器23，力传感器15、角度传感器9及位移传感器23分别通过导线19与控制系统21连接。拉伸伺服电机2和扭转伺服电机12分别牢固固定安装在支架I上，支架I固定在平地上，支架I上安装有起支撑和导向作用的第一横梁滑动轨道。此外，还包括外罩22,外罩22将拉伸伺服电机2、扭转伺服电机12、丝杠5、第一楔形夹具14、第二楔形夹具18包覆。
[0033]一种基于上述金属线材强化装置的方法，包括以下步骤:
[0034]首先，调节夹具的位置，将金属线材试样安装在试样机上。
[0035]调节两夹具距离的步骤为:启动拉伸伺服电机2，通过第一传动皮带3带动第一传动轮16转动，第一传动轮16与丝杠5是通过键连接的，因此第一传动轮16的旋转就相当于是丝杠5的传动，丝杠5的转动带动第一横梁4在水平方向往返移动，从而调节两夹具之间的距离，当两夹具之间的距离与金属线材长度相匹配后将金属线材安装在夹具上。之后，进行扭转或拉伸冷作硬化。以上步骤完成后切记盖上外罩22，以免在强化加工过程中试样断裂等原因发生意外。
[0036]根据金属材料所需的强化程度要求，将金属线材的直径d、屈服时拉伸应力应变曲线的斜率临界值k及强化目标参数(单位长度扭转角θ p)输入控制系统，然后根据金属线材的长度调节第一楔形夹具14和第二楔形夹具18之间的距离，并将金属线材两端可靠地装夹在第一楔形夹具14和第二楔形夹具18中；启动拉伸伺服电机2带动丝杠5运动从而使金属线材承受一定的拉力，为了保证金属线材处于完全拉直的状态且不能使金属线材出现损伤(在屈服阶段能够满足要求)，因此必须严格控制拉力的大小。丝杠5运动时产生的拉力通过力传感器15传递到控制系统21中，控制系统21根据输入的数据绘制应力-应变曲线，并实时计算应力应变曲线的斜率1^，1^=((^+1-(^)/(^+1-^)，曲线如图1、2所示。当金属线材进入屈服阶段后，力-位移曲线和应力-应变曲线的斜率均会明显变小(如图1、图2所示)。对金属线材持续施加拉伸载荷，当实时应力应变曲线的斜率k’ <k时，控制系统21判定金属线材发生屈服，控制系统21发出指令使拉伸伺服电机2停止转动，此时金属线材被完全拉直，实现良好的同轴性。与此同时,位移传感器23将此时的位移数据(即去除夹持部分后金属线材的长度L)传输给控制系统21。
[0037]金属线材完全拉直后，启动扭转伺服电机12，从而带动第二楔形夹具18转动，开始对金属线材施加扭矩，当达到控制系统21设定的单位长度扭转角θρ(θρ=θ/1，θ为角度传感器测量的扭转角度)后，扭转伺服电机12停止转动。此时扭转冷作硬化完成，控制系统21控制扭转伺服电机12，使其缓慢反转，从而第二楔形夹具18缓慢反转，以卸除金属线材上的扭矩，当金属线材上的扭矩完全卸除后卸下金属线材。
[0038]卸下硬化后的金属线材其夹具两端夹紧部分并未充分硬化，如果工程应用对线材的端面硬度要求不高可以不做处理直接应用，如果工程应用中要求保证金属线材的力学性能完全一致，则可通过切割或其他方式将夹具夹紧的部分去掉。
[0039]拉伸冷作硬化的工作过程为:拉伸伺服电机2通过第一传动皮带3与第一传动轮16连接,启动拉伸伺服电机2后,通过第一传动皮带3带动第一传动轮16转动,第一传动轮16与丝杠5用键装配在一起，因此第一传动轮转动就相当于丝杠5在旋转，丝杠5旋转时，第一横梁4就在丝杠5上移动，第一横梁4主要支撑第一横梁滑动轨道6上，这样可以保证丝杠5受力较小从而不会发生较大的变形，在承受扭矩时也可以通过第一横梁4传递到第一横梁滑动轨道6上，保证丝杠5不会受到扭矩而变形。第一横梁4可以在丝杠6上往返移动，这样可以根据金属线材的长度调整两个夹具之间的距离，安装好金属线材后通过第一横梁4的移动提供拉伸所需的力，整个过程中控制系统21对拉力的大小进行实时控制。
[0040]强化所需拉力根据强化程度确定，若金属线材的直径为d，屈服极限为σ s，拉伸强
度极限为Ob，则该力的最小值应大于πd2σs/4，而小于πd2σb/4。
[0041]当拉力达到目标值后(且此拉力值必须在前述范围之内)，控制系统21给出指令先使拉伸伺服电机2停止转动，然后使拉伸伺服电机2反转，以卸除金属线材上的拉力，当金属线材上的拉力完全卸除后即可卸下金属线材，拉伸冷作硬化结束。此外，鉴于金属线材两端被夹具夹紧的部分并未硬化，必要时可通过切割方式将被夹具夹紧的部分去除。
[0042]扭转冷作硬化的工作过程如前所述，不再赘述。
[0043]经过本发明的装置和方法处理后的金属线材，其各段的强度都较未扭转强化之前有一定幅度的提高，例如:通过对牌号为Q235的圆钢线材进行一系列不同单位长度扭转角的扭转冷作强化，得到如图3所示的该钢材的屈服极限和强度极限在不同程度扭转强化(不同单位长度扭转角)下的变化曲线；图中的两条虚线分别为Q235的圆钢线材未经扭转强化时的拉伸屈服极限os (275MPa)和拉伸强度极限ob (440MPa)，标识为σ Ts和σ Tb的两条实线分别是不同单位长度扭转角下试样的拉伸屈服强度和拉伸强度极限；从图中可以看出随着单位长度扭转角的增大，强化程度不断增加，试件的拉伸屈服极限和拉伸强度极限不断提高，即试件的强度能得到有效提升。
[0044]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明 的保护范围。
【权利要求】
1.一种金属线材强化装置，其特征在于:包括用于夹紧金属线材的夹具、用于对金属线材进行拉伸的拉伸伺服电机(2)和用于对金属线材进行扭转的扭转伺服电机(12)，所述拉伸伺服电机(2)通过第一传动装置对金属线材施加拉力或进行拉伸冷作硬化，所述扭转伺服电机(12)通过第二传动装置对金属线材进行扭转冷作硬化。
2.根据权利要求1所述的金属线材强化装置，其特征在于:所述第一传动装置包括第一传动皮带(3 )、与第一传动皮带(3 )连接的第一传动轮(16 )和丝杠(5 )，所述丝杠(5 )上安装有第一横梁(4)，所述丝杠(5)的一端与第一传动轮(16)通过键连接，丝杠(5)的另一端位于丝杠支座(7)上；所述第二传动装置包括减速齿轮箱(13)、第二传动皮带(11)和与第二传动皮带(11)连接的第二传动轮(17 )。
3.根据权利要求2所述的金属线材强化装置，其特征在于:所述第一传动带轮(16)有两个，两个第一传动带轮(16)通过第一传动皮带(3)同时与拉伸伺服电机(2)连接，所述丝杠(5)有两个,每个丝杠(5)分别与一个第一传动带轮(16)连接,拉伸伺服电机(2)转动同时带动两个第一传动带轮(16)转动,从而带动两个丝杆(5)同步转动,进而驱动第一横梁在丝杠(5)上前进或后退。
4.根据权利要求3所述的金属线材强化装置，其特征在于:所述夹具包括用于分别夹紧金属线材两端的第一楔形夹具(14)和第二楔形夹具(18)，第一楔形夹具(14)安装在第一横梁(4)上，第二楔形夹具(18)安装在第二横梁(10)上，并且该第二楔形夹具(18)跟随第二传动轮(17)动作。
5.根据权利要求4所述的金属线材强化装置，其特征在于:所述第一楔形夹具(14)和第二楔形夹具(18)上分别设置有力传感器(15)和角度传感器(9)，第一横梁(4)上设置有位移传感器(23)，所述力传感器(15)、角度传感器(9)和位移传感器(23)分别通过导线(19)与控制系统(21)连接，导线(19)与控制系统(21)之间连有运动控制卡(20)。
6.根据权利要求4所述的金属线材强化装置，其特征在于:所述拉伸伺服电机(2)和扭转伺服电机(12)分别安装在支架(1)上，支架(1)上安装有起支撑和导向作用的第一横梁滑动轨道(6)。
7.根据权利要求4所述的金属线材强化装置，其特征在于:还包括外罩(22)，所述外罩(22)将拉伸伺服电机(2)、扭转伺服电机(12)、丝杠(5)、第一楔形夹具(14)、第二楔形夹具(18)包覆。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述的金属线材强化装置的方法，其特征在于包括以下步骤: 1)根据金属材料所需的强化程度要求，将金属线材的直径、屈服时拉伸应力应变曲线的斜率临界值k及强化目标参数输入控制系统(21 )，然后根据金属线材的长度调节第一楔形夹具(14)和第二楔形夹具(18)之间的距离，并将金属线两端可靠地装夹在第一楔形夹具(14)和第二楔形夹具(18)中； 2)启动拉伸伺服电机(2)带动丝杠(5)运动从而使金属线材承受一定的拉力，该拉力通过力传感器(15)传递到控制系统(21)中，控制系统(21)根据采集的力和位移数据绘制应力-应变曲线，并实时计算应力应变曲线的斜率k’，当金属线材进入屈服阶段后，力-位移曲线和应力-应变曲线的斜率均会明显变小；对金属线材持续施加拉伸载荷，当实时应力应变曲线的斜率k’ <k时，控制系统(21)判定金属线材发生屈服，控制系统(21)发出指令使拉伸伺服电机(2)停止转动，此时金属线材被完全拉直，实现良好的同轴性；与此同时，位移传感器(23)将此时的位移数据传输给控制系统(21)； 3)启动扭转伺服电机(12)，开始对金属线材施加扭矩，当达到控制系统(21)设定的单位长度扭转角后，扭转伺服电机(12)停止转动；之后控制系统(21)给出指令使扭转伺服电机(12)反转，从而使第二楔形夹具(18)缓慢反转，以卸除金属线材上的扭矩，当金属线材上的扭矩完全卸除后卸下金属线材。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:所述步骤3)中，卸下硬化后的金属线材，其两端的夹具夹紧部分并未充分硬化，可通过切割方式将该夹具夹紧的部分去掉。
【文档编号】C21D7/02GK103898298SQ201410123600
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】沈超明, 田阿利, 叶仁传, 吕玮庆 申请人:江苏科技大学