擴徑成型輔助裝置設計初探

劉峰

摘 要：該文提到一種醫用材料的特定尺寸的金屬環件，但該環件的直接尺寸達不到設計所要的要求，需要做擴徑加工，由于該材料在低溫狀態下（-50℃～70℃）能夠較好地塑性加工，因此需要設計一套采用冷擠壓技術且帶有冷卻箱的輔助裝置對其進行擴徑加工，從而達到設計要求。該文研究了特種醫用材料擴徑成型輔助裝置。

關鍵詞：擴徑加工 塑性加工 冷擠壓技術

中圖分類號：TG3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0099-02

隨著醫療衛生水平的發展，人們對植入人體的醫用材料也有了更高的要求。對于早前的醫用材料的加工裝置已經達不到現階段對于醫用材料的加工要求標準，因此需要對其裝置進行重新設計。

此文通過機械式輔助機構的設計，以滿足醫學上對材料逐漸提高的高標準的要求，從而實現在低溫下的對零件的擴徑冷擠壓操作。

擴徑成型裝置作為一個輔助機構，在實現可調預緊力對醫用材料擴徑成型時，為防止環件的碎裂，盡量將下壓速度放緩，同時對于芯模的擴徑行程也有了一定的要求。另外，整個過程是一個在低溫下的冷擠壓過程，環件又比較小，所以在如此小冷卻液槽內對整個裝置設備的強度硬度都提出了較高的要求。因此，在設計過程中，不僅需要對機構設計方案進行結構分析，還需要進行可行性研究，為最終實現自動化并能夠對環件擴徑的大批量生產。

擴徑成型輔助裝置對特殊材料制成的環件、管件、通孔零件在低溫下擴徑、縮徑能達到改善強度，硬度，控制表面粗糙度，精密加工的效果。

1 擴徑裝置總體結構

該裝置主要用于特種醫用材料的低溫塑性擴徑加工，通過在低溫環境中擴徑的方式，來達到在低溫條件下的冷擠壓擴徑成型。由于工作溫度相對較低，所以需要考慮設計填料和卸料的裝置。同時，由于所擴的材料要求整個壓入擴徑過程要至少有100mm的行程，而且在這個過程中，需要有冷卻液（干冰和無水酒精的混合液體）的存在，因而需要注意冷卻液槽中的壓力。綜合以上說明，擴徑裝置的設計要考慮如下因素：擴徑行程、重量、粗糙度、冷卻箱的密封性、上下芯模的強度、底板滑塊彈簧的壓縮力。圖1即為擴徑裝置的總體設計草圖。

擴徑裝置的主要要求指標包括：擴徑行程、重量、摩擦、冷卻液槽的密封性、上下芯模的強度、底板滑塊彈簧的壓縮力。

2 擴徑裝置的主要零件及工作原理

2.1 冷卻箱

由于冷擠壓擴徑需要從外界放入于被擴件組裝好的芯模，為防止中心的不對稱導致擴徑時壓力載荷分布的不均勻，因此采用圓桶來裝冷卻液。具體結構如圖2所示。

冷卻箱殼體的內壁與乙醇加干冰混合物接觸，外壁因受溫差影響掛霜使表面潮濕，裝置的大部分零件都浸入冷卻介質中。因此，為了防止冷卻箱殼件腐蝕，采用了1Cr13不銹鋼材料。由于需要進行擴徑操作及填料及取料的操作，所以無法將低溫箱做成完全密封。因此，還在低溫箱的上面加了個蓋起到一定的節約冷卻液的作用，冷卻箱體積V=πR2h=3.14×0.0852×0.335=0.0076m3，由于箱體內一半是零件，另一半是冷卻液，因此估算其密度平均值ρ≈4×103kg/m3，因此整個箱體的重量G≈ρVg≈304N≤670.8N。

2.2 冷擠壓擴徑裝置

整個擴徑裝置的核心是上下芯模、底板滑塊、壓縮彈簧以及底板滑塊固定座構成。具體如圖3所示。

因為被擴件比較小，無論是放入還是取出都相對不易，因此此套裝置采取將芯模與工件一起放入，一起取出的設計。

上芯模是由一個帶錐度的實心軸構成，當開始擴徑時，被擴件在上芯模的底部，由于環件內徑與軸的最小直徑處相等，等到擴徑開始整個上芯模被壓入環件，從而使被擴件的內徑從φ22增加到φ26。

下芯模起到一個固定和支撐的作用，并且由于擴徑完成后，被擴件需要和芯模一起從冷卻箱中拿出，有了下芯模，環件就不會在拿出的過程中脫落。下芯模主要起到防止被擴環脫落的作用，在環件剛剛被放入冷卻箱中的時候，下芯模也起到定位中心的作用，正好與底板上的滑動擋板相配合，使以后的擴徑工作能夠順利地進行。

上下芯模通過螺紋連接，初始時是分開的，在常溫下將被擴環套入上芯模底部，然后組裝上下芯模，將環定位在中間，使之能夠在擴孔過程中不發生滑落，并且在擴徑時利用上芯模始終對環施加壓力從而完成擴孔操作。

2.3 活動擋板

如圖5是由兩個矩形塊組成，中間是一個φ22的孔，兩邊各用兩個壓縮彈簧固定，并對其施加力，在擴徑前，由于擋板中間的孔直徑小于下芯模的最大直徑，因而能夠對芯模起到支撐作用。當擴徑開始時，芯模受到壓力機的下壓力，壓縮彈簧受力后，擋板分開，使芯模能夠通過其中，但是由于被擴件外徑比內徑大，應此擋板正好能夠卡住被擴件，不讓其隨芯模下降。同時，擋板對被擴件提供一個向上的支持力，與芯模對被擴件的擠壓力同時作用，形成擴徑操作。

2.4 壓縮彈簧的選用

由擴徑力以及上芯模的頂錐角α=2.29°，可得法向壓力為292.92N。因此即可得出環件與芯模的滑動摩擦力為41.0N。因此彈簧需要提供41.0N的鎖緊力就可以符合設計要求。

2.5 支撐架與定位套筒

如圖6所示，支撐架與定位套筒共同組成了整個擴徑裝置的支撐和定位系統，支撐架由4根φ30的圓柱組成，用螺栓和螺母把底板座與定位套筒相連接。定位套筒中間的孔正好與上芯模的蓋板相配合，這樣就保證了芯模在放入冷卻箱中的時候能夠準確地落在擋板孔內，使芯模能夠豎直向下壓入被擴件，從而達到擴徑要求。由于芯模需要向下壓入，需要排開底板下面的冷卻液，因此在支撐架與定位套筒底部和底板上設計了幾個孔用來排壓。另外，在定位套筒與支撐架的中間，留出了一個φ50×φ30的圓柱的空間用來放入活動擋板組件，利用定位套筒和擋板座的下底面正好可以支撐活動擋板，以避免由于下壓力過大而造成活動擋板無法支撐被壓潰（圖7為支撐架與定位套筒主視圖）。

2.6 工作原理

回轉平臺采用蝸輪蝸桿傳動，伺服電機帶動蝸桿實現對蝸輪的的傳動，渦輪再帶動旋轉平臺實現對冷卻箱的旋轉。蝸桿用兩個圓錐滾子軸承以及一個圓柱滾子軸承支撐?；剞D平臺與蝸輪用6個螺釘連接實現傳動，并用軸通過調心滾子軸承與底座上的中心孔相定位。另外中心軸也起到了一個支撐作用，同時起到支撐作用的還有整個底座箱上蓋的滑道。

3 結語

特種醫用材料擴徑成型輔助裝置是在傳統常溫下冷擠壓擴徑機構的基礎上設計的一種新型擴徑機構。此文在整個設計過程中完成了以下工作。

（1）結合低溫（-70℃）環境對內徑為22mm的環件設計出擴徑機構的整體機構、冷卻箱，以及可替換的凸模和活動的凹模，完成了擴徑3mm的要求。

（2）能夠清楚地觀察分析擴徑裝置的整體設計及零件的形狀尺寸，使擴徑裝置的整體結構得到清晰的展示。通過此舉，可對裝置進行合理化分析，對零部件進行及時修改。

參考文獻

[1] 郭衛紅，汪濟奎.現代功能材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2002：153-157.

[2] 楊煜.國內外冷擠壓技術發展綜述[J].鍛壓機械，2001（1）：3-6.

[3] 洪慎章.冷擠壓實用技術[M].北京：機械工業出版社，2004.