CN103480682B - 一种阶变截面型材模块化挤压成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种阶变截面型材模块化挤压成形装置及方法，属于挤压加工技术领域。解决了目前不同截面棒材制备方法中存在的工序繁多、工艺要求高、织构倾向显著，或加工制备时易产生褶皱和材料界面叠合等缺陷及难于在生产中实施的问题。本发明的制备装置中的一级模块的型腔、二级模块的型腔和三级模块的型腔组合形成连续变阶面的轴向台阶形挤压模型腔；方法步骤：组装制备装置；将坯料置于挤压筒内，放入冲头，冲头下行，坯料从一级模块的模口和二级模块的模口以及三级模块的模口挤出，冲头停止下行，撤去三级模块，冲头继续下行一段后，冲头停止下行，再撤去二级模块，冲头继续下行，坯料挤出成型。所需设备简单、生产工序少，易于在生产中实施、推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种阶变截面型材模块化挤压成形装置及方法，涉及一种成型不同截面实心型材的装置及方法，属于挤压加工技术领域。
背景技术
航空航天器、交通运输装备等都是十分消耗能源及资源、影响环境，并需要庞大基础设施支撑的产品，其发展正面临来自能源、环保、安全等多方面的巨大挑战。从长远来看，轻量化是实现节能减排的主要途径之一，不仅赋予零件复杂的几何特征且能使其获得高性能。实现结构轻量化的途径主要有两种：一是结构途径，采用“以空代实”的变截面构件，不仅减轻质量又可充分利用材料的自身特性；二是材料途径，采用镁合金、铝合金、钛合金等轻质金属结构材料。轻量化成形制造的能力、水平和技术经济指标已成为衡量国家工业发展水平及自主创新能力的重要标志。
在工业生产中，为了能够获得连续变化截面的构件，常采用在挤压成形过程中多次更换模具的方法，工序数量显著增加的同时，易引起多个断面的对中困难，并对挤出型材表面造成大量划痕，生产效率极低。若是热挤压成型时，散热严重，很难保证挤压温度。
申请者前期提出过“连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置及方法，专利号：ZL201010032431.8”。该方法通过截面呈连续变化的型腔对材料挤出过程施加的连续非均匀载荷代替制备高性能制品时常需采用的反复“镦-拔”改性工序，此方法目的在于对挤出制品“控制性能”，使材料的晶粒细化、组织均匀、力学性能提高，而截面形状不变且呈线性分布；而本发明则是针对“控制形状”的要求而提出的加工方法，通过此方法成型以获得多个不同截面形状的台阶状的挤压制品。
随后申请者提出的“变阶面空心构件挤压成形装置及方法，专利号：201310115271.7”解决了连续变断面空心构件挤压成形时对中困难等实际问题，在一定程度上提高了生产效率，但是此方法的柔性相对较差，所生产的变截面构件的形状仅能由事先放入的组合式芯模结构来决定。
有学者在发表的论文“连续变断面挤压工艺的开发”机械工程学报，2005,41(12):173-176中提出了利用伺服控制系统调整挤压出口部位的模具运动，解决了更换芯模的问题，并可成型截面呈连续变化的型材，但仅适用于“单侧”为连续变化断面挤压制品的成型，而单侧施加的辅助推力易引起挤出型材产生弯曲变，且难于直接成形周向截面均呈连续变化的挤压制品。
发明内容
本发明的目的是提供了一种阶变截面型材模块化挤压成形装置及方法，以解决目前异型截面型材生产难度大、所需工序繁多、工艺要求高、品质控制困难等瓶颈问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种阶变截面型材模块化挤压成形装置，所述挤压成形装置包括冲头、挤压筒、底座和至少两个模块（芯模）组成；底座上沿其长度方向具有模块槽，模块槽的槽底具有出料通孔；所述至少两个模块由下至上依次安装在底座的模块槽内（即所述至少两个模块叠置），且位于最上方的模块与底座的上端面齐平，每个模块上形有模口，各个模口内径由下至上变大，各个模块的模口同轴设置且形成阶梯孔状型腔（变截面型腔或轴向台阶形挤压模型腔）；位于最下方的模块的模口与出料通孔相对应；挤压筒置于一级模块的上方且挤压筒的内腔与所述阶梯孔状型腔同轴，所述冲头可沿挤压筒的内腔壁面上下移动。
一种阶变截面型材模块化挤压成形方法，所述挤压成形方法的具体实现过程为：
步骤一、将三级模块、二级模块和一级模块由下至上安装在底座上的模块槽内；步骤二、将挤压筒固定在底座的上端面上；步骤三、将需挤压的坯料置于挤压筒内且位于一级模块上；步骤四、将冲头下移至挤压筒内，且置于坯料上；步骤五、对冲头施加压力下行，坯料发生塑性变形并逐次从一级模块的模口、二级模块的模口以及三级模块的模口挤出。
本发明方法的创新之处在于将芯模设计成了在挤压成形过程中可随时更换组合方式的模块化结构，可直接生产例如半圆半方、半圆半工字等各种异形型面形式的实心型材，解决了传统挤压工艺在成型截面连续变化型材时的技术难题。利用该方法理论上可成型任意阶数、复杂截面形状及不同规格的截面呈连续变化的多种类型材。所需成型截面的阶数和各个截面的形状等要求可通过芯模的模块化更换和组合来直接实现，简便更易于实施。本发明解决了目前不同截面棒材制备方法中存在的工序繁多、工艺要求高、织构倾向显著，或加工制备时易产生褶皱和材料界面叠合等缺陷及难于在生产中实施的问题。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：一、本发明通过不同芯模的模块化组合方式实现了连续变截面异型材的直接挤压成形；二、连续变截面模块化挤压法原则上可根据不同阶数的需要，任意增加模块的个数，来实现不同阶数的型材，较传统方法相比，所需工序数量显著减小；三、连续变阶面挤压法也可根据不同截面形状的要求，任意改变或替换不同截面形状的芯模模块，而传统挤压工艺则难以实现；四、本发明所需设备简单、易于控制、生产效率高、周期短、成本低，易于在生产中实施、推广和应用。本发明所述装置用于实心型材的挤压成形，制得阶变截面异型材。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式一的整体结构主视剖视示意图，图2是图1中的冲头下行，坯料完全填充连续变阶面的轴向台阶形挤压模型腔后，并从三级模块模口挤出的整体结构主视剖视示意图，图3是抽出三级模块6后冲头继续下行的整体结构主视剖视示意图，图4是抽出二级模块5后冲头继续下行的整体结构主视剖视示意图；图5是所制得的异型材料主视剖视示意图，图6是所制得的异型材料的不同截面形状示意图，也即：图6（a）表示阶变截面型材模块化挤压成形装置的一级模块4、二级模块5、三级模块6的模口的横截面均呈圆形；图6（b）表示阶变截面型材模块化挤压成形装置的一级模块4、二级模块5、三级模块6的模口的横截面均呈正方形；图6（c）表示阶变截面型材模块化挤压成形装置的一级模块4、二级模块5、三级模块6的模口的横截面均呈正六边形；图6（d）表示阶变截面型材模块化挤压成形装置的一级模块4、二级模块5、三级模块6的模口的横截面分别为正方形、正六边形、圆形；图6（e）表示阶变截面型材模块化挤压成形装置的一级模块4、二级模块5、三级模块6的模口的横截面分别为圆形、正方形、正六边形；图6（f）表示阶变截面型材模块化挤压成形装置的一级模块4、二级模块5、三级模块6的模口的横截面分别为正六边形、圆形、正方形；从以上组合得出的六组模块可看出，根据不同截面的实际需要，使用不同模口的模块来构建阶变截面挤压模型腔，挤压制备出各种异型截面型材。图7是底座的主视图，图8是图7的左视图，图9是图7的俯视图；图10是一级模块的结构示意图，图11是二级模块的结构示意图，图12是三级模块的结构示意图；图13是本发明三级模块的结构立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种阶变截面型材模块化挤压成形装置包括冲头1、挤压筒2、底座7和至少两个模块（芯模）组成；底座7上沿其长度方向具有模块槽7-1，模块槽7-1的槽底具有出料通孔7-2；所述至少两个模块由下至上依次安装在底座7的模块槽7-1内（即所述至少两个模块叠置），且位于最上方的模块与底座7的上端面齐平，每个模块上形有模口，各个模口内径由下至上变大，各个模块的模口同轴设置且形成阶梯孔状型腔（变截面型腔或轴向台阶形挤压模型腔）；位于最下方的模块的模口与出料通孔7-2相对应；挤压筒2置于一级模块4的上方且挤压筒2的内腔与所述阶梯孔状型腔同轴，所述冲头1可沿挤压筒2的内腔壁面上下移动。
具体实施方式二：如图1所示，本实施方式所述模块槽7-1的两侧槽面呈对称的台阶形，各个模块的与模块槽7-1横截面平行的横截面由下至上依次变大，由下至上依次安装在所述模块槽7-1内叠置在一起的模块组与所述模块槽7-1相匹配，每个模块安装在相应位置的台肩面上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1、图7～图9所示，本实施方式中，每个模块均由两个分瓣模对合在一起形成，一个分瓣模可从模块槽7-1的一端槽口处抽出或推进，另一个分瓣模可从模块槽7-1的另一端槽口抽出或推进。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：如图1～图4和图7～图9所示，本实施方式所述至少两个模块由由下至上叠置的三级模块6、二级模块5、一级模块4组成；相应地，所述模块槽7-1两侧槽面呈对称的三级台阶形、各个模块的模口形成的阶梯孔状型腔为三级阶梯孔状型腔。其它组成及连接关系与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：如图5和图6所示，本实施方式中一级模块4的模口的横截面呈圆形、正方形或正六边形；和/或二级模块5的模口的横截面呈圆形、正方形或正六边形；和/或三级模块6的口模的横截面呈圆形、正方形或正六边形。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：如图1所示，本实施方式所述冲头1与挤压筒2间隙配合。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：如图1所示，本实施方式所述的7、根据权利要求6所述的一种阶变截面型材模块化挤压成形装置，其特征在于：所述阶梯孔状型腔与底座7上的出料通孔7-2同轴。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：如图1～13所示，本实施方式所述的一种阶变截面型材模块化挤压成形方法，所述挤压成形方法的具体实现过程为：
步骤一、将三级模块6、二级模块5和一级模块4由下至上安装在底座7上的模块槽7-1内；步骤二、将挤压筒2固定在底座7的上端面上；步骤三、将需挤压的坯料3置于挤压筒2内且位于一级模块4上；步骤四、将冲头1下移至挤压筒2内，且置于坯料3上；步骤五、对冲头1施加压力下行，坯料3发生塑性变形并逐次从一级模块4的模口、二级模块5的模口以及三级模块6的模口挤出。
具体实施方式九：如图1～13所示，本实施方式是对具体实施方式八的进一步限定：所述挤压成形方法还包括以下步骤：步骤六、冲头停止下行，将三级模块6分别从模块槽7-1两端抽出；步骤七、继续对冲头1施加压力下行，坯料3逐次从一级模块4的模口、二级模块5的模口挤出；步骤八、冲头停止下行，将二级模块5分别从模块槽7-1两端抽出；步骤九、继续对冲头1施加压力下行，坯料3从一级模块模口挤出，即制得所需阶变截面型材（异型截面型材）。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
实施例1：结合图1～图5和图6(a)～6(c)说明本实施方式，本发明的连续变阶面模块化挤压制备异型材料的装置由冲头1、挤压筒2、一级模块4、二级模块5、三级模块6和底座7组成，步骤一、将所述三级模块6置于底座7上，步骤二、将二级模块5置于三级模块6上、步骤三、将一级模块4置于二级模块5上，步骤四、将挤压筒2置于底座7上表面，步骤五、将坯料3置于挤压筒2内，步骤六、将冲头置于挤压筒内坯料上方(如图1)，步骤七、对冲头1施加压力下行，坯料3发生塑性变形并逐次从一级模块4的模口、二级模块5的模口以及三级模块6的模口挤出(如图2)，步骤八、冲头停止下行，将三级模块6分别从两侧抽出(如图3)，步骤九、继续对冲头1施加压力下行，坯料3逐次从一级模块4的模口、二级模块5的模口挤出，步骤十、冲头停止下行，将二级模块5分别从两侧抽出(如图4)，步骤十一、继续对冲头1施加压力下行，坯料3从一级模块模口挤出，即制的所需异型截面材料(如图5及图6(a))。其中一级模块4、二级模块5、三级模块6和底座7的通孔同轴设置，一级模块4的型腔、二级模块5的型腔和三级模块6的型腔组合形成连续的不同截面的轴向台阶形挤压模型腔，所述冲头1置于一级模块4的上方，且位于挤压筒2内，冲头1与挤压筒2小间隙配合，其中一级模块4、二级模块5和三级模块6的形状相同(圆形、六方形、正方形等)，所制成型件截面形状如图6(a)～6(c)所示。
本实施例中，针对具体材料不同截面的实际需要，使用不同个数的模块来构建连续变阶面的挤压模型腔，可通过一次挤压直接挤压成型出制品。
实施例2：结合图1～图5和图6(d)～6(f)说明本实施方式，该实施方式与实施方式一大体相同，但其一级模块4、二级模块5和三级模块6的形状不同，可以是不同形状的组合(比如圆形、正方形、正六边形等)，所成形的棒材各截面的外部形状不同(如图6(d)～6(f))。
上述实施方式不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的构思所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种阶变截面型材模块化挤压成形装置，所述挤压成形装置包括冲头(1)、挤压筒(2)、底座(7)和至少两个模块组成；其特征在于：底座(7)上沿其长度方向具有模块槽(7-1)，模块槽(7-1)的槽底具有出料通孔(7-2)；所述至少两个模块由下至上依次安装在底座(7)的模块槽(7-1)内，且位于最上方的模块与底座(7)的上端面齐平，每个模块上设有模口，各个模口内径由下至上变大，各个模块的模口同轴设置且形成阶梯孔状型腔；位于最下方的模块的模口与出料通孔(7-2)相对应；挤压筒(2)置于最上方模块的上方且挤压筒(2)的内腔与所述阶梯孔状型腔同轴，所述冲头(1)可沿挤压筒(2)的内腔壁面上下移动；
所述模块槽(7-1)的两侧槽面呈对称的台阶形，各个模块与模块槽(7-1)横截面平行的横截面由下至上依次变大，由下至上依次安装在所述模块槽(7-1)内叠置在一起的模块组与所述模块槽(7-1)相匹配，每个模块安装在相应位置的台肩面上；
每个模块均由两个分瓣模对合在一起形成，一个分瓣模可从模块槽(7-1)的一端槽口处抽出或推进，另一个分瓣模可从模块槽(7-1)的另一端槽口抽出或推进。
2.根据权利要求1所述的一种阶变截面型材模块化挤压成形装置，其特征在于：所述至少两个模块由由下至上叠置的三级模块(6)、二级模块(5)、一级模块(4)组成；相应地，所述模块槽(7-1)两侧槽面呈对称的三级台阶形、各个模块的模口形成的阶梯孔状型腔为三级阶梯孔状型腔。
3.根据权利要求2所述的一种阶变截面型材模块化挤压成形装置，其特征在于：一级模块(4)的模口的横截面呈圆形、正方形或正六边形；二级模块(5)的模口的横截面呈圆形、正方形或正六边形；三级模块(6)的口模的横截面呈圆形、正方形或正六边形。
4.根据权利要求1或3所述的一种阶变截面型材模块化挤压成形装置，其特征在于：所述冲头(1)与挤压筒(2)间隙配合。
5.根据权利要求4所述的一种阶变截面型材模块化挤压成形装置，其特征在于：所述阶梯孔状型腔与底座(7)上的出料通孔(7-2)同轴。
6.一种阶变截面型材模块化挤压成形方法，其特征在于：所述挤压成形方法的具体实现过程为：
步骤一、将三级模块(6)、二级模块(5)和一级模块(4)由下至上安装在底座(7)上的模块槽(7-1)内；步骤二、将挤压筒(2)固定在底座(7)的上端面上；步骤三、将需挤压的坯料(3)置于挤压筒(2)内且位于一级模块(4)上；步骤四、将冲头(1)下移至挤压筒(2)内，且置于坯料(3)上；步骤五、对冲头(1)施加压力下行，坯料(3)发生塑性变形并逐次从一级模块(4)的模口、二级模块(5)的模口以及三级模块(6)的模口挤出；
步骤六、冲头停止下行，将三级模块(6)分别从模块槽(7-1)两端抽出；步骤七、继续对冲头(1)施加压力下行，坯料(3)逐次从一级模块(4)的模口、二级模块(5)的模口挤出；步骤八、冲头停止下行，将二级模块(5)分别从模块槽(7-1)两端抽出；步骤九、继续对冲头(1)施加压力下行，坯料(3)从一级模块模口挤出，即制得所需阶变截面型材。
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