一種金屬線材強化裝置及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種金屬線材強化裝置及其方法，該裝置包括用于夾緊金屬線材的夾具、用于對金屬線材進行拉伸的拉伸伺服電機和用于對金屬線材進行扭轉的扭轉伺服電機，拉伸伺服電機通過第一傳動裝置對金屬線材施加拉力或進行拉伸冷作硬化，扭轉伺服電機通過第二傳動裝置對金屬線材進行扭轉冷作硬化。本發明不僅具備常規的扭轉冷作硬化的功能，更可以一次性完成整根細長金屬線材的扭轉冷作硬化，還可以單獨或同時完成拉伸冷作硬化，有效提高其強度，工作效率高，并保證金屬線材在強化后的力學性能具有非常好的一致性且不損傷金屬線材；此外，裝置采用臥式布置，夾具可大范圍移動，對線材長度的限制較小，可以對大部分工程金屬線材直接進行冷作硬化。
【專利說明】一種金屬線材強化裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本 發明涉及金屬材料加工領域，具體涉及一種金屬線材強化裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]金屬是現實生活中使用最為廣泛的材料，幾乎滲透到了生活中的任何一個角落，金屬的使用技術對人類的發展起著決定性的作用。自工業革命之后，人們運用各種方法來提高金屬的強度，例如熱處理、合金化、細化組織、冷作硬化、表面處理等，其中冷作硬化是目前能顯著提高金屬材料強度的一種成本低而應用廣泛的方法。冷作硬化是指某些金屬在常溫或者是結晶溫度以下的加工產生強烈的塑性變形，使晶格扭曲、畸變晶粒產生剪切、滑移，晶粒被拉長，通過改變金屬的內部結構從而改變金屬的強度，該方法能顯著提高金屬的強度，但同時也會降低其塑性和沖擊韌性。
[0003]單純的拉伸硬化會使金屬在拉伸過程直徑變細，材料的塑性變形也不充分，影響強化效果，更有甚者會使金屬產生頸縮現象及造成材料的初始損傷。扭轉冷作硬化能夠使材料得到更加充分的強化，但扭轉冷作硬化要求金屬材料的長度較短且同軸度較好，而金屬線材都比較細長，且無外力作用時其軸線為不規則曲線，所以，現有技術中無法采用常規扭轉冷作硬化方法使其強化。
[0004]故，需要提供一種新的技術方案來解決上述問題。
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種適用于細長型金屬線材的強化裝置及其方法。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明的一種金屬線材強化裝置，包括用于夾緊金屬線材的夾具、用于對金屬線材進行拉伸的拉伸伺服電機和用于對金屬線材進行扭轉的扭轉伺服電機，所述拉伸伺服電機通過第一傳動裝置對金屬線材施加拉力或進行拉伸冷作硬化，所述扭轉伺服電機通過第二傳動裝置對金屬線材進行扭轉冷作硬化。
[0007]所述第一傳動裝置包括第一傳動皮帶、與第一傳動皮帶連接的第一傳動輪和絲杠，所述絲杠上安裝有第一橫梁，所述絲杠的一端與第一傳動輪通過鍵連接，絲杠的另一端位于絲杠支座上；所述第二傳動裝置包括減速齒輪箱、第二傳動皮帶和與第二傳動皮帶連接的第二傳動輪。
[0008]所述第一傳動帶輪有兩個，兩個第一傳動帶輪通過第一傳動皮帶同時與拉伸伺服電機連接，絲杠有兩個，每個絲杠分別與一個第一傳動帶輪連接，拉伸伺服電機轉動同時帶動兩個第一傳動帶輪轉動，從而帶動兩個絲桿同步轉動，從而保證第一橫梁在絲杠上前進或后退。
[0009]所述夾具包括用于分別夾緊金屬線材兩端的第一楔形夾具和第二楔形夾具，第一楔形夾具安裝在第一橫梁上，第二楔形夾具安裝在第二橫梁上，并且該第二楔形夾具跟隨第二傳動輪動作。[0010]所述第一楔形夾具和第二楔形夾具上分別設置有力傳感器和角度傳感器，第一橫梁上設置有位移傳感器，所述拉伸伺服電機、扭轉伺服電機、力傳感器、角度傳感器和位移傳感器分別通過導線與控制系統連接。導線與控制系統之間連有運動控制卡。所述控制系統由計算機、控制軟件和控制硬件組成。所述拉伸伺服電機和扭轉伺服電機分別安裝在支架上，支架上安裝有起支撐和導向作用的第一橫梁滑動軌道。
[0011]此外，還包括外罩，所述外罩將拉伸伺服電機、扭轉伺服電機、絲杠、第一楔形夾
具、第二楔形夾具包覆。
[0012]本發明還公開了一種基于上述金屬線材強化裝置的扭轉強化方法，包括以下原理與步驟:
[0013]扭轉冷作硬化可以最大限度地發揮材料的應變強化能力，即可使金屬材料得到充分的強化。當金屬材料(特別是塑性金屬材料)在受到扭轉作用時，一旦剪切應力超過其剪切屈服極限，該材料就會產生塑性變形，當卸載后，該材料的強度將會提高，其屈服極限的提聞尤為明顯。
[0014]針對細長的金屬線材，本發明提供的扭轉強化方法如下:
[0015]I)根據金屬材料所需的強化程度要求，將金屬線材的直徑d、屈服時拉伸應力應變曲線的斜率臨界值k及強化目標參數(單位長度扭轉角θ p)輸入控制系統，然后根據金屬線材的長度調節第一楔形夾具和第二楔形夾具之間的距離，并將金屬線材兩端可靠地裝夾在第一楔形夾具和第二楔形夾具中；
[0016]2)啟動拉伸伺服電機帶動絲杠運動從而使金屬線材承受一定的拉力，該拉力通過力傳感器傳遞到控制系統中，控制系統根據采集的力和位移數據繪制應力-應變曲線，并實時計算應力應變曲線的斜率k’，k’=(0i+1-0i)/(ei+1-ei)，曲線示意如圖1、2所示。金屬的屈服存在不連續屈服(明顯屈服，如圖1所示)和連續屈服(如圖2所示)兩種情況，但兩者具有共性:當金屬線材進入屈服階段后，力-位移曲線和應力-應變曲線的斜率均會明顯變小。對金屬線材持續施加拉伸載荷，當實時應力應變曲線的斜率k’ <k時，控制系統判定金屬線材發生屈服，控制系統發出指令使拉伸伺服電機停止轉動，此時金屬線材被完全拉直，實現良好的同軸性。與此同時,位移傳感器將此時的位移數據(即去除夾持部分后金屬線材的長度L)傳輸給控制系統。
[0017]3)啟動扭轉伺服電機，開始對金屬線材施加扭矩，當達到控制系統設定的單位長度扭轉角ΘΡ ( ΘΡ=Θ/1，θ為角度傳感器測量的扭轉角度)后，扭轉伺服電機停止轉動；之后控制系統給出指令使扭轉伺服電機反轉，從而使第二楔形夾具緩慢反轉，以卸除金屬線材上的扭矩，當金屬線材上的扭矩完全卸除后卸下金屬線材。
[0018]所述步驟3)中，卸下硬化后的金屬線材，其兩端的夾具夾緊部分并未充分硬化，可通過切割方式將該夾具夾緊的部分去掉。
[0019]有益效果:本發明的一種金屬線材強化裝置及其方法與現有技術相比，具有以下優點:
[0020](1)可以一次性完成整根細長金屬線材的扭轉冷作硬化，有效提高其強度，工作效率高，并保證金屬線材在強化后的力學性能具有非常好的一致性且不損傷金屬線材；
[0021](2)可對金屬線材進行扭轉冷作硬化外，也能夠對金屬材料進行常規的拉伸冷作硬化，還可以同時實現拉伸和扭轉冷作硬化功能；[0022](3)裝置采用臥式布置，夾具可大范圍移動，對線材長度的限制較小，可以對大部分金屬線材直接進行冷作硬化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為存在明顯屈服階段的塑性材料應力-應變曲線圖；
[0024]圖2為不存在明顯屈服階段的塑性材料應力-應變曲線圖；
[0025]圖3為Q235鋼線材在不同程度扭轉強化(不同的單位長度上的相對扭轉角，即不同
[0026]的單位長度扭轉角)后的屈服極限和強度極限曲線圖；
[0027]圖4為本發明中裝置的俯視示意圖；
[0028]圖5為圖4的A-A剖面示意圖；
[0029]圖6為本發明中的裝置的立體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。 [0031]如圖4至6所示，本發明的一種金屬線材強化裝置，包括用于夾緊金屬線材的夾具、用于對金屬線材進行拉伸的拉伸伺服電機2和用于對金屬線材進行扭轉的扭轉伺服電機12，所述拉伸伺服電機2通過第一傳動裝置實現第一橫梁4與第二橫梁10間的距離調整，并對金屬線材施加拉力或進行拉伸冷作硬化，所述扭轉伺服電機12通過第二傳動裝置對金屬線材進行扭轉冷作硬化。
[0032]本實施例中，第一傳動裝置包括第一傳動皮帶3、與第一傳動皮帶3連接的第一傳動輪16和絲杠5，絲杠5上安裝有第一橫梁4，絲杠5的一端與第一傳動輪16通過鍵連接，絲杠5的另一端位于絲杠支座7上；第二傳動裝置包括減速齒輪箱13、第二傳動皮帶11和與第二傳動皮帶11連接的第二傳動輪17 ;所述第一傳動帶輪16有兩個，兩個第一傳動帶輪16通過第一傳動皮帶3同時與拉伸伺服電機2連接，絲杠5有兩個，每個絲杠5分別與一個第一傳動帶輪16連接，拉伸伺服電機2轉動同時帶動兩個第一傳動帶輪16轉動,從而帶動兩個絲桿5同步轉動，從而保證第一橫梁在絲杠5上前進或后退。夾具包括用于分別夾緊金屬線材兩端的第一楔形夾具14和第二楔形夾具18,第一楔形夾具14安裝在第一橫梁4上，第二楔形夾具18安裝在第二橫梁10上，并且該第二楔形夾具18跟隨第二傳動輪17動作。第一楔形夾具14和第二楔形夾具18上分別設置有力傳感器15和角度傳感器9，第一橫梁4上設有位移傳感器23，力傳感器15、角度傳感器9及位移傳感器23分別通過導線19與控制系統21連接。拉伸伺服電機2和扭轉伺服電機12分別牢固固定安裝在支架I上，支架I固定在平地上，支架I上安裝有起支撐和導向作用的第一橫梁滑動軌道。此外，還包括外罩22,外罩22將拉伸伺服電機2、扭轉伺服電機12、絲杠5、第一楔形夾具14、第二楔形夾具18包覆。
[0033]一種基于上述金屬線材強化裝置的方法，包括以下步驟:
[0034]首先，調節夾具的位置，將金屬線材試樣安裝在試樣機上。
[0035]調節兩夾具距離的步驟為:啟動拉伸伺服電機2，通過第一傳動皮帶3帶動第一傳動輪16轉動，第一傳動輪16與絲杠5是通過鍵連接的，因此第一傳動輪16的旋轉就相當于是絲杠5的傳動，絲杠5的轉動帶動第一橫梁4在水平方向往返移動，從而調節兩夾具之間的距離，當兩夾具之間的距離與金屬線材長度相匹配后將金屬線材安裝在夾具上。之后，進行扭轉或拉伸冷作硬化。以上步驟完成后切記蓋上外罩22，以免在強化加工過程中試樣斷裂等原因發生意外。
[0036]根據金屬材料所需的強化程度要求，將金屬線材的直徑d、屈服時拉伸應力應變曲線的斜率臨界值k及強化目標參數(單位長度扭轉角θ p)輸入控制系統，然后根據金屬線材的長度調節第一楔形夾具14和第二楔形夾具18之間的距離，并將金屬線材兩端可靠地裝夾在第一楔形夾具14和第二楔形夾具18中；啟動拉伸伺服電機2帶動絲杠5運動從而使金屬線材承受一定的拉力，為了保證金屬線材處于完全拉直的狀態且不能使金屬線材出現損傷(在屈服階段能夠滿足要求)，因此必須嚴格控制拉力的大小。絲杠5運動時產生的拉力通過力傳感器15傳遞到控制系統21中，控制系統21根據輸入的數據繪制應力-應變曲線，并實時計算應力應變曲線的斜率1^，1^=((^+1-(^)/(^+1-^)，曲線如圖1、2所示。當金屬線材進入屈服階段后，力-位移曲線和應力-應變曲線的斜率均會明顯變小(如圖1、圖2所示)。對金屬線材持續施加拉伸載荷，當實時應力應變曲線的斜率k’ <k時，控制系統21判定金屬線材發生屈服，控制系統21發出指令使拉伸伺服電機2停止轉動，此時金屬線材被完全拉直，實現良好的同軸性。與此同時,位移傳感器23將此時的位移數據(即去除夾持部分后金屬線材的長度L)傳輸給控制系統21。
[0037]金屬線材完全拉直后，啟動扭轉伺服電機12，從而帶動第二楔形夾具18轉動，開始對金屬線材施加扭矩，當達到控制系統21設定的單位長度扭轉角θρ(θρ=θ/1，θ為角度傳感器測量的扭轉角度)后，扭轉伺服電機12停止轉動。此時扭轉冷作硬化完成，控制系統21控制扭轉伺服電機12，使其緩慢反轉，從而第二楔形夾具18緩慢反轉，以卸除金屬線材上的扭矩，當金屬線材上的扭矩完全卸除后卸下金屬線材。
[0038]卸下硬化后的金屬線材其夾具兩端夾緊部分并未充分硬化，如果工程應用對線材的端面硬度要求不高可以不做處理直接應用，如果工程應用中要求保證金屬線材的力學性能完全一致，則可通過切割或其他方式將夾具夾緊的部分去掉。
[0039]拉伸冷作硬化的工作過程為:拉伸伺服電機2通過第一傳動皮帶3與第一傳動輪16連接,啟動拉伸伺服電機2后,通過第一傳動皮帶3帶動第一傳動輪16轉動,第一傳動輪16與絲杠5用鍵裝配在一起，因此第一傳動輪轉動就相當于絲杠5在旋轉，絲杠5旋轉時，第一橫梁4就在絲杠5上移動，第一橫梁4主要支撐第一橫梁滑動軌道6上，這樣可以保證絲杠5受力較小從而不會發生較大的變形，在承受扭矩時也可以通過第一橫梁4傳遞到第一橫梁滑動軌道6上，保證絲杠5不會受到扭矩而變形。第一橫梁4可以在絲杠6上往返移動，這樣可以根據金屬線材的長度調整兩個夾具之間的距離，安裝好金屬線材后通過第一橫梁4的移動提供拉伸所需的力，整個過程中控制系統21對拉力的大小進行實時控制。
[0040]強化所需拉力根據強化程度確定，若金屬線材的直徑為d，屈服極限為σ s，拉伸強
度極限為Ob，則該力的最小值應大于πd2σs/4，而小于πd2σb/4。
[0041]當拉力達到目標值后(且此拉力值必須在前述范圍之內)，控制系統21給出指令先使拉伸伺服電機2停止轉動，然后使拉伸伺服電機2反轉，以卸除金屬線材上的拉力，當金屬線材上的拉力完全卸除后即可卸下金屬線材，拉伸冷作硬化結束。此外，鑒于金屬線材兩端被夾具夾緊的部分并未硬化，必要時可通過切割方式將被夾具夾緊的部分去除。
[0042]扭轉冷作硬化的工作過程如前所述，不再贅述。
[0043]經過本發明的裝置和方法處理后的金屬線材，其各段的強度都較未扭轉強化之前有一定幅度的提高，例如:通過對牌號為Q235的圓鋼線材進行一系列不同單位長度扭轉角的扭轉冷作強化，得到如圖3所示的該鋼材的屈服極限和強度極限在不同程度扭轉強化(不同單位長度扭轉角)下的變化曲線；圖中的兩條虛線分別為Q235的圓鋼線材未經扭轉強化時的拉伸屈服極限os (275MPa)和拉伸強度極限ob (440MPa)，標識為σ Ts和σ Tb的兩條實線分別是不同單位長度扭轉角下試樣的拉伸屈服強度和拉伸強度極限；從圖中可以看出隨著單位長度扭轉角的增大，強化程度不斷增加，試件的拉伸屈服極限和拉伸強度極限不斷提高，即試件的強度能得到有效提升。
[0044]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明 的保護范圍。
【權利要求】
1.一種金屬線材強化裝置，其特征在于:包括用于夾緊金屬線材的夾具、用于對金屬線材進行拉伸的拉伸伺服電機(2)和用于對金屬線材進行扭轉的扭轉伺服電機(12)，所述拉伸伺服電機(2)通過第一傳動裝置對金屬線材施加拉力或進行拉伸冷作硬化，所述扭轉伺服電機(12)通過第二傳動裝置對金屬線材進行扭轉冷作硬化。
2.根據權利要求1所述的金屬線材強化裝置，其特征在于:所述第一傳動裝置包括第一傳動皮帶(3 )、與第一傳動皮帶(3 )連接的第一傳動輪(16 )和絲杠(5 )，所述絲杠(5 )上安裝有第一橫梁(4)，所述絲杠(5)的一端與第一傳動輪(16)通過鍵連接，絲杠(5)的另一端位于絲杠支座(7)上；所述第二傳動裝置包括減速齒輪箱(13)、第二傳動皮帶(11)和與第二傳動皮帶(11)連接的第二傳動輪(17 )。
3.根據權利要求2所述的金屬線材強化裝置，其特征在于:所述第一傳動帶輪(16)有兩個，兩個第一傳動帶輪(16)通過第一傳動皮帶(3)同時與拉伸伺服電機(2)連接，所述絲杠(5)有兩個,每個絲杠(5)分別與一個第一傳動帶輪(16)連接,拉伸伺服電機(2)轉動同時帶動兩個第一傳動帶輪(16)轉動,從而帶動兩個絲桿(5)同步轉動,進而驅動第一橫梁在絲杠(5)上前進或后退。
4.根據權利要求3所述的金屬線材強化裝置，其特征在于:所述夾具包括用于分別夾緊金屬線材兩端的第一楔形夾具(14)和第二楔形夾具(18)，第一楔形夾具(14)安裝在第一橫梁(4)上，第二楔形夾具(18)安裝在第二橫梁(10)上，并且該第二楔形夾具(18)跟隨第二傳動輪(17)動作。
5.根據權利要求4所述的金屬線材強化裝置，其特征在于:所述第一楔形夾具(14)和第二楔形夾具(18)上分別設置有力傳感器(15)和角度傳感器(9)，第一橫梁(4)上設置有位移傳感器(23)，所述力傳感器(15)、角度傳感器(9)和位移傳感器(23)分別通過導線(19)與控制系統(21)連接，導線(19)與控制系統(21)之間連有運動控制卡(20)。
6.根據權利要求4所述的金屬線材強化裝置，其特征在于:所述拉伸伺服電機(2)和扭轉伺服電機(12)分別安裝在支架(1)上，支架(1)上安裝有起支撐和導向作用的第一橫梁滑動軌道(6)。
7.根據權利要求4所述的金屬線材強化裝置，其特征在于:還包括外罩(22)，所述外罩(22)將拉伸伺服電機(2)、扭轉伺服電機(12)、絲杠(5)、第一楔形夾具(14)、第二楔形夾具(18)包覆。
8.一種基于權利要求1至7任一項所述的金屬線材強化裝置的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)根據金屬材料所需的強化程度要求，將金屬線材的直徑、屈服時拉伸應力應變曲線的斜率臨界值k及強化目標參數輸入控制系統(21 )，然后根據金屬線材的長度調節第一楔形夾具(14)和第二楔形夾具(18)之間的距離，并將金屬線兩端可靠地裝夾在第一楔形夾具(14)和第二楔形夾具(18)中； 2)啟動拉伸伺服電機(2)帶動絲杠(5)運動從而使金屬線材承受一定的拉力，該拉力通過力傳感器(15)傳遞到控制系統(21)中，控制系統(21)根據采集的力和位移數據繪制應力-應變曲線，并實時計算應力應變曲線的斜率k’，當金屬線材進入屈服階段后，力-位移曲線和應力-應變曲線的斜率均會明顯變小；對金屬線材持續施加拉伸載荷，當實時應力應變曲線的斜率k’ <k時，控制系統(21)判定金屬線材發生屈服，控制系統(21)發出指令使拉伸伺服電機(2)停止轉動，此時金屬線材被完全拉直，實現良好的同軸性；與此同時，位移傳感器(23)將此時的位移數據傳輸給控制系統(21)； 3)啟動扭轉伺服電機(12)，開始對金屬線材施加扭矩，當達到控制系統(21)設定的單位長度扭轉角后，扭轉伺服電機(12)停止轉動；之后控制系統(21)給出指令使扭轉伺服電機(12)反轉，從而使第二楔形夾具(18)緩慢反轉，以卸除金屬線材上的扭矩，當金屬線材上的扭矩完全卸除后卸下金屬線材。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于:所述步驟3)中，卸下硬化后的金屬線材，其兩端的夾具夾緊部分并未充分硬化，可通過切割方式將該夾具夾緊的部分去掉。
【文檔編號】C21D7/02GK103898298SQ201410123600
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】沈超明, 田阿利, 葉仁傳, 呂瑋慶 申請人:江蘇科技大學