CN101966536A - 扭转式往复挤压装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种塑性成形技术领域的扭转式往复挤压装置及其加工方法，包括：凹模、凹模套板和凹模固定板，凹模固定板固定设置于工作台上，变截面纺锤体结构的凹模位于凹模固定板和凹模套板之间。本发明方法使得材料会产生一个往复挤压和扭转剪切的复合成形，从而制得较大体积的，组织均匀的超细晶材料。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种塑性成形技术领域的装置和方法，具体是一种用于制备超细晶材料的扭转式往复挤压装置及其加工方法。
背景技术
大塑性变形技术简称SPD具有显著的细化晶粒能力，可以将材料的晶粒组织细化到亚微米甚至纳米级，被国际材料学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的方法。近几年，大塑性变形技术得到了迅猛的发展，主要有：等通道转角挤压ECAE，高压扭转HPT，往复挤压CEC等。但是，由于工艺条件限制，这三种变形方式存在各自的缺陷。
经对现有技术的文献检索发现，M.Richert等人在《Canadian Metal lurgical Quarterly》(加拿大冶金季刊，1998，5：449-457)上发表的“MICROBAND FORMATION IN CYCLIC EXTRUSIONCOMPRESSION OF ALLUMINUM”(往复挤压中织构的形成)一文中，介绍了往复挤压的基本原理，模具内有两个截面积相等、在一条直线上、中间有一个紧缩区分开的模腔，在模腔的两边分别装置一个油压式冲头。在挤压过程中，材料在冲头的作用下，到达紧缩区，此时，材料将受到正挤压变形，挤压后的材料在另一个模腔的冲头作用下，发生镦粗变形。当第一模腔内的材料全部被挤压到第二模腔时，再重复上述过程反向压回，这完成一个动作循环。重复以上的过程，直至获得所要的应变为止，这时移去一侧冲头，就可以将材料挤出成型，这一过程原则上可以无限次的进行下去，从而获得细小均匀的等轴晶粒。该技术具有如下特点：(1)能够制备大体积均匀细晶材料，有实现商业应用的前途；(2)可以获得任意大的应变而没有材料破裂的危险；(3)挤压工艺与压缩工艺同时进行，连续变形，无需改变材料的原始形状。但是，该技术的成形过程缺少剪切变形，并且通常选用的挤压比较小(否则挤压材料在镦粗时将弯曲失稳)，造成材料组织不均匀，细化程度不理想，并且易于出现加工死区等不利影响。
进一步检索发现，中国专利号ZL200520103326.3的一种致试样细晶化的高压扭转实验装置，采用两个砧头和侧环围成的空腔，在几个GPa的静水压力P作用下，两个砧头相对转动，材料在砧头端面摩擦力的作用下发生扭转剪切变形，形成组织细小且分布均匀的合金。该技术具有如下特点：(1)制备的材料晶粒尺寸细小，可以达到50nm～150nm；(2)加工的材料受到强烈剪切作用，变形量大，但不易破裂；(3)可将树枝晶转变为近球晶，提高材料力学性能。但是，该技术的缺点在于制备材料形状为饼状，且体积小，应用受到限制，无法进行工业化的大规模生产。
Y.Iwahashi等人在《Scripta Material》(材料导报，1996，35：143-146)上发表的“principle of equal-channel angular pressing for the processing of ultra-fine grainedmaterials”(制备超细晶材料的等通道转角挤压原理)一文中，介绍了等通道转角挤压制备超细晶材料的原理，挤压模具内有两个截面相等的通道，两通道以一定的角度相交，挤压时，试样在冲头的作用下经过两通道的转角处(常见的内角为90°和120°)产生局部大剪切塑性变形。采用该技术具有如下特点：(1)可以制备大体积试样；(2)材料在挤压前后横截面形状和面积不改变，故多次反复挤压可使各次变形的应变量累积迭加，从而得到相当大的总应变量；(3)细化能力强，经过该工艺加工的材料晶粒大小约为100nm～200nm。但是，该技术最大的缺点是生产效率低，模具拆卸非常不方便，并且通道转角的内外角附近材料的变形方式和变形程度不同，导致用该方法制备的超细晶材料在组织的均匀性方面存在一定的缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种扭转式往复挤压装置及其加工方法，通过新型加工方法使得材料产生一个往复挤压和扭转剪切的复合成形，从而制得较大体积的，组织均匀的超细晶材料。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种扭转式往复挤压加工装置，包括：凹模、凹模套板和凹模固定板，其中：凹模固定板固定设置于工作台上，变截面纺锤体结构的凹模位于凹模固定板和凹模套板之间。
所述的凹模内设有上通道、下通道的位于两者之间的直线型变截面圆形结构的挤压通道，其中：上通道和下通道的截面积相等且均为圆形，变形通道的截面积均小于上通道及下通道的截面积，所述的挤压通道与上通道和下通道的连接处外部设有工作带，该工作带为光顺倒圆角。
所述的上通道和下通道处分别设有上压头和下压头，上压头和下压头固定相连且尾部截面均为方形，端部的工作部分截面均为圆形，上压头和下压头的截面与凹模内的挤压通道的截面相配合，该上压头和下压头的端面均经过粗糙化处理。
本装置可制备纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料、半导体材料等多种超细晶材料。
本发明涉及上述装置的扭转式往复挤压加工方法，其具体步骤包括：
第一步，将上压头下行加压，对预先置于上通道中的试样进行挤压，使试样通过变形通道进入下通道；
所述的预先置于上通道中的试样是指：将试样置于上通道内部之前先进行预热并保温，同时该试样在整个挤压过程中维持温度不变。
所述的预热并保温是指：预热到390-400℃。
第二步，在试样头部与预先置于下通道中的下压头接触时增大上压头的挤压力，同时下压头对试样头部反向施加背压，使得下通道内试样镦粗至充满整个上通道和下通道；
所述的挤压力的压力为：40t～1000t，挤压速度为2mm/s。
所述的背压的压力为：400MPa～10GPa。
第三步，驱动上压头和下压头逆向转动，对试样施加扭转变形，使试样发生挤压和扭转复合变形，至试样完全进入下通道，停止推进，完成一道次加工；
所述的逆向转动是指：保持挤压速度的同时上、下压头以0.1rpm～10rpm的速度逆向转动，对试样施加扭转剪切变形，在整个挤压过程中，施加的扭转角度范围为90°～180°。
第四步，反向驱动上压头和下压头，对试样施加扭转变形，进行扭转式挤压加工；
第五步，重复第三步和第四步若干次实现扭转式往复挤压加工。
本发明包括以下技术效果：
1.本发明专利通过采用挤压变形和扭转变形的复合变形手段，一方面解决了往复挤压剪切变形不足的缺陷，另一方面解决了高压扭转材料体积较小的限制。利用这一独特的复合变形，实现制备较大体积超细晶镁合金材料的目的。所生产的棒材晶粒细化充分，拥有更高的韧性，机械性能得以大幅提高。
2.设备轻巧，投资少，易于拆装，安全系数较高。
3.模具结构简单，模具型腔形状可根据材料的性能和生产需要进行调整，模具加热方便，易于控制加工温度，调整工艺参数。
附图说明
图1为此模具的结构示意图。
图2为此模具的俯视示意图。
图3为通道的剖面示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例涉及的挤压装置包括：上压头1，凹模2，下压头3，定位销4，凹模套板5，凹模固定板6，套板固定螺钉7，其中：凹模固定板6固定在工作台上，凹模2内置直线型变截面圆形挤压通道。凹模2的外形采用中间大两头小的变截面方形结构(见图3)，装配于凹模固定板6和凹模套板5之间。通过定位销4定位后用套板固定螺钉7连接固定(见图2)，上、下压头1、3分别位于上、下通道9、11处。
如图2所示，所述的上压头1和下压头3的尾部为方形截面，采用专用夹具对其连接固定，受驱动后可同时实现转动和上下往复运动，压头端部的工作部分为圆形截面，与通道截面相配合。
如图3所示，所述的凹模2内置的直线型变截面挤压通道，其特征是，上、下通道9、11截面积相等，形状为圆形。变形通道10位于上、下通道9、11之间，形状也是圆形，但尺寸比上、下通道9、11小，通道连接处的工作带为光顺倒圆角。
所述的上、下压头1、3端面经过粗糙化处理，以保证它们和试样8之间有足够的摩擦力，驱动试样8在往复挤压过程中发生扭转变形。在加工时，通道内部涂抹润滑剂，通过改变上、下压头1、3的压力值实现往复挤压运动；通过改变上、下压头1、3的扭矩，实现不同方向和速度的扭转剪切变形。
将长度为25-30mm的镁合金棒材加工成截面为Ф30mm的圆柱形试样8。把此试样放入凹模3的上通道9内，将试样与模具一起预热到390-400℃，用上压头1以2mm/s的速度沿着附图3中所示挤压方向，把试样挤入模具的变形通道10中，当试样头部通过变形通道10进入了下通道11并与预先放置在出口通道中的下压头3接触，增大上压头1的挤压力。
所述的挤压力的压力为：40t～1000t。并同时用下压头3对试样施加背压。
所述的背压的压力为：400MPa～10GPa。保持2mm/s的挤压速度不变，并通过上、下压头1、3的逆向转动，对试样施加扭转剪切变形。
所述的逆向转动的速度范围为：0.1rpm～10rpm，在整个挤压过程中，施加的扭转角度范围为90°～180°。
当试样尾部完全进入下通道11后，停止推进完成一道次加工。第二道次加工是反向施压，利用下压头3进行反向扭转式挤压变形。以此类推，总计进行4个道次的往复扭转式挤压变形。
断开电源，打开套板固定螺钉7，移去凹模套板5，取出试样，使之在空气中冷却，切除废料。清理模具并涂上下次加工所需润滑剂，完成加工。
Claims (8)
1.一种扭转式往复挤压加工装置，包括：凹模、凹模套板和凹模固定板，其中：凹模固定板固定设置于工作台上，变截面纺锤体结构的凹模位于凹模固定板和凹模套板之间，其特征在于：
所述的凹模内设有上通道、下通道的位于两者之间的直线型变截面圆形结构的挤压通道，其中：上通道和下通道的截面积相等且均为圆形，变形通道的截面积均小于上通道及下通道的截面积，所述的挤压通道与上通道和下通道的连接处外部设有工作带，该工作带为光顺倒圆角。
2.根据权利要求1所述的扭转式往复挤压加工装置，其特征是，所述的上通道和下通道处分别设有上压头和下压头，上压头和下压头固定相连且尾部截面均为方形，端部的工作部分截面均为圆形，上压头和下压头的截面与凹模内的挤压通道的截面相配合，该上压头和下压头的端面均经过粗糙化处理。
3.一种根据上述任一权利要求所述装置的扭转式往复挤压加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将上压头下行加压，对预先置于上通道中的试样进行挤压，使试样通过变形通道进入下通道；
第二步，在试样头部与预先置于下通道中的下压头接触时增大上压头的挤压力，同时下压头对试样头部反向施加背压，使得下通道内试样镦粗至充满整个上通道和下通道；
第三步，驱动上压头和下压头逆向转动，对试样施加扭转变形，使试样发生挤压和扭转复合变形，至试样完全进入下通道，停止推进，完成一道次加工；
第四步，反向驱动上压头和下压头，对试样施加扭转变形，进行扭转式挤压加工；
第五步，重复第三步和第四步若干次实现扭转式往复挤压加工。
4.根据权利要求3所述装置的扭转式往复挤压加工方法，其特征是，所述的预先置于上通道中的试样是指：将试样置于上通道内部之前先进行预热并保温，同时该试样在整个挤压过程中维持温度不变。
5.根据权利要求4所述装置的扭转式往复挤压加工方法，其特征是，所述的预热并保温是指：预热到390-400℃。
6.根据权利要求3所述装置的扭转式往复挤压加工方法，其特征是，所述的挤压力的压力为：40t～1000t，挤压速度为2mm/s。
7.根据权利要求3所述装置的扭转式往复挤压加工方法，其特征是，所述的背压的压力为：400MPa～10GPa。
8.根据权利要求3所述装置的扭转式往复挤压加工方法，其特征是，所述的逆向转动是指：保持挤压速度的同时上、下压头以0.1rpm～10rpm的速度逆向转动，对试样施加扭转剪切变形，在整个挤压过程中，施加的扭转角度范围为90°～180°。
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