扩径成型辅助装置设计初探

刘峰

摘 要：该文提到一种医用材料的特定尺寸的金属环件，但该环件的直接尺寸达不到设计所要的要求，需要做扩径加工，由于该材料在低温状态下（-50℃～70℃）能够较好地塑性加工，因此需要设计一套采用冷挤压技术且带有冷却箱的辅助装置对其进行扩径加工，从而达到设计要求。该文研究了特种医用材料扩径成型辅助装置。

关键词：扩径加工 塑性加工 冷挤压技术

中图分类号：TG3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0099-02

随着医疗卫生水平的发展，人们对植入人体的医用材料也有了更高的要求。对于早前的医用材料的加工装置已经达不到现阶段对于医用材料的加工要求标准，因此需要对其装置进行重新设计。

此文通过机械式辅助机构的设计，以满足医学上对材料逐渐提高的高标准的要求，从而实现在低温下的对零件的扩径冷挤压操作。

扩径成型装置作为一个辅助机构，在实现可调预紧力对医用材料扩径成型时，为防止环件的碎裂，尽量将下压速度放缓，同时对于芯模的扩径行程也有了一定的要求。另外，整个过程是一个在低温下的冷挤压过程，环件又比较小，所以在如此小冷却液槽内对整个装置设备的强度硬度都提出了较高的要求。因此，在设计过程中，不仅需要对机构设计方案进行结构分析，还需要进行可行性研究，为最终实现自动化并能够对环件扩径的大批量生产。

扩径成型辅助装置对特殊材料制成的环件、管件、通孔零件在低温下扩径、缩径能达到改善强度，硬度，控制表面粗糙度，精密加工的效果。

1 扩径装置总体结构

该装置主要用于特种医用材料的低温塑性扩径加工，通过在低温环境中扩径的方式，来达到在低温条件下的冷挤压扩径成型。由于工作温度相对较低，所以需要考虑设计填料和卸料的装置。同时，由于所扩的材料要求整个压入扩径过程要至少有100mm的行程，而且在这个过程中，需要有冷却液（干冰和无水酒精的混合液体）的存在，因而需要注意冷却液槽中的压力。综合以上说明，扩径装置的设计要考虑如下因素：扩径行程、重量、粗糙度、冷却箱的密封性、上下芯模的强度、底板滑块弹簧的压缩力。图1即为扩径装置的总体设计草图。

扩径装置的主要要求指标包括：扩径行程、重量、摩擦、冷却液槽的密封性、上下芯模的强度、底板滑块弹簧的压缩力。

2 扩径装置的主要零件及工作原理

2.1 冷却箱

由于冷挤压扩径需要从外界放入于被扩件组装好的芯模，为防止中心的不对称导致扩径时压力载荷分布的不均匀，因此采用圆桶来装冷却液。具体结构如图2所示。

冷却箱壳体的内壁与乙醇加干冰混合物接触，外壁因受温差影响挂霜使表面潮湿，装置的大部分零件都浸入冷却介质中。因此，为了防止冷却箱壳件腐蚀，采用了1Cr13不锈钢材料。由于需要进行扩径操作及填料及取料的操作，所以无法将低温箱做成完全密封。因此，还在低温箱的上面加了个盖起到一定的节约冷却液的作用，冷卻箱体积V=πR2h=3.14×0.0852×0.335=0.0076m3，由于箱体内一半是零件，另一半是冷却液，因此估算其密度平均值ρ≈4×103kg/m3，因此整个箱体的重量G≈ρVg≈304N≤670.8N。

2.2 冷挤压扩径装置

整个扩径装置的核心是上下芯模、底板滑块、压缩弹簧以及底板滑块固定座构成。具体如图3所示。

因为被扩件比较小，无论是放入还是取出都相对不易，因此此套装置采取将芯模与工件一起放入，一起取出的设计。

上芯模是由一个带锥度的实心轴构成，当开始扩径时，被扩件在上芯模的底部，由于环件内径与轴的最小直径处相等，等到扩径开始整个上芯模被压入环件，从而使被扩件的内径从φ22增加到φ26。

下芯模起到一个固定和支撑的作用，并且由于扩径完成后，被扩件需要和芯模一起从冷却箱中拿出，有了下芯模，环件就不会在拿出的过程中脱落。下芯模主要起到防止被扩环脱落的作用，在环件刚刚被放入冷却箱中的时候，下芯模也起到定位中心的作用，正好与底板上的滑动挡板相配合，使以后的扩径工作能够顺利地进行。

上下芯模通过螺纹连接，初始时是分开的，在常温下将被扩环套入上芯模底部，然后组装上下芯模，将环定位在中间，使之能够在扩孔过程中不发生滑落，并且在扩径时利用上芯模始终对环施加压力从而完成扩孔操作。

2.3 活动挡板

如图5是由两个矩形块组成，中间是一个φ22的孔，两边各用两个压缩弹簧固定，并对其施加力，在扩径前，由于挡板中间的孔直径小于下芯模的最大直径，因而能够对芯模起到支撑作用。当扩径开始时，芯模受到压力机的下压力，压缩弹簧受力后，挡板分开，使芯模能够通过其中，但是由于被扩件外径比内径大，应此挡板正好能够卡住被扩件，不让其随芯模下降。同时，挡板对被扩件提供一个向上的支持力，与芯模对被扩件的挤压力同时作用，形成扩径操作。

2.4 压缩弹簧的选用

由扩径力以及上芯模的顶锥角α=2.29°，可得法向压力为292.92N。因此即可得出环件与芯模的滑动摩擦力为41.0N。因此弹簧需要提供41.0N的锁紧力就可以符合设计要求。

2.5 支撑架与定位套筒

如图6所示，支撑架与定位套筒共同组成了整个扩径装置的支撑和定位系统，支撑架由4根φ30的圆柱组成，用螺栓和螺母把底板座与定位套筒相连接。定位套筒中间的孔正好与上芯模的盖板相配合，这样就保证了芯模在放入冷却箱中的时候能够准确地落在挡板孔内，使芯模能够竖直向下压入被扩件，从而达到扩径要求。由于芯模需要向下压入，需要排开底板下面的冷却液，因此在支撑架与定位套筒底部和底板上设计了几个孔用来排压。另外，在定位套筒与支撑架的中间，留出了一个φ50×φ30的圆柱的空间用来放入活动挡板组件，利用定位套筒和挡板座的下底面正好可以支撑活动挡板，以避免由于下压力过大而造成活动挡板无法支撑被压溃（图7为支撑架与定位套筒主视图）。

2.6 工作原理

回转平台采用蜗轮蜗杆传动，伺服电机带动蜗杆实现对蜗轮的的传动，涡轮再带动旋转平台实现对冷却箱的旋转。蜗杆用两个圆锥滚子轴承以及一个圆柱滚子轴承支撑。回转平台与蜗轮用6个螺钉连接实现传动，并用轴通过调心滚子轴承与底座上的中心孔相定位。另外中心轴也起到了一个支撑作用，同时起到支撑作用的还有整个底座箱上盖的滑道。

3 结语

特种医用材料扩径成型辅助装置是在传统常温下冷挤压扩径机构的基础上设计的一种新型扩径机构。此文在整个设计过程中完成了以下工作。

（1）结合低温（-70℃）环境对内径为22mm的环件设计出扩径机构的整体机构、冷却箱，以及可替换的凸模和活动的凹模，完成了扩径3mm的要求。

（2）能够清楚地观察分析扩径装置的整体设计及零件的形状尺寸，使扩径装置的整体结构得到清晰的展示。通过此举，可对装置进行合理化分析，对零部件进行及时修改。

参考文献

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