CN103639218A - 一种半自动等径角挤压实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半自动等径角挤压实验装置，属于材料热加工挤压技术领域。可用于Ti5553合金的ECAE实验，包括顶杆、下模、上模、试样围挡装置、试样顶出螺钉、导向柱、试样出口通道、试样挡板、挡板螺柱、螺柱连接杆、上下模连接螺栓与螺母。本发明通过试样围挡装置形成井字形通道，极大方便了试样的装入；试样挡板的斜面与顶杆配合，可在挤压时自动使试样围挡装置复位；试样可由试样顶出螺钉平稳地取出，避免拆卸下模、上模。

Description

一种半自动等径角挤压实验装置

技术领域

本发明涉及一种半自动等径角挤压实验装置，尤其是一种适合于钛合金挤压的装置，属于材料热加工挤压技术领域。

背景技术

钛合金自20 世纪50 年代问世以来，受到材料界广泛重视，在航天航空、军事、海洋、船舶、生物医学、化工和能源等领域显示出巨大的应用前景。在钛合金家族中，Ti5553合金具有对偏析不太敏感，强度优异和断裂韧性较高等优点，特别适合制造必须承受巨大应力的零部件，例如起落架和发动机零部件等，在航空航天工业中日益受到青睐。

Ti5553合金本身质地较软，冲蚀磨损性能较差，是引起零件破坏或设备失效的一个重要原因。据有关资料统计：在航天航空发动机等零部件中，先进发动机压气机叶片全部采用钛合金，在使用过程中，空气中尘埃和沙粒等在高速气流作用下将对前级叶片造成严重冲蚀，其寿命可降低至正常寿命的1/10；在船用机械中，螺旋桨、阀及管道等大量使用钛合金，材料的冲蚀磨损是导致水轮机、水泵等过流部件的过早磨损、效率下降和寿命缩短等的主要原因，给国民经济造成巨大的损失。这些缺点严重制约了Ti5553合金的进一步应用。

由Segal提出的等径角挤压法（ECAE）可以解决上述问题。ECAE以纯剪切的方式实现金属材料的大塑性变形，利用挤压过程中的加工硬化、动态回复和动态再结晶来控制被挤压材料的微观组织演变，达到细化晶粒、提高材料综合力学性能的目的。

ECAE挤压道次、挤压路线和挤压温度都会直接影响被挤压的Ti5553合金的综合性能，故一套合适的等径角挤压实验装置，对于开展Ti5553合金的ECAE工作是十分必要的。目前，国内外发展了不少ECAE实验装置或ECAE模具，但现有的装置或模具存在以下缺点：（1）顶杆的刚度和抗失稳能力较低，容易造成挤压失败。（2）顶杆装入模具仍需花费一定的时间，导致试样温度下降。（3）试样脱模较为困难，取出试样需要拆卸实验装置或模具，或通过敲击试样，容易造成试样变形，不利于实验研究。

综上可知，现有的ECAE实验装置或模具不能高效地用于对Ti5553合金挤压的实验研究，目前是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种半自动等径角挤压实验装置。

本发明要解决的是现有的ECAE模具不能高效地用于对Ti5553合金进行挤压试验的不足。

一种半自动等径角挤压实验装置，包括顶杆、下模、上模、试样围挡装置、试样顶出螺钉、导向柱、试样出口通道、试样挡板、挡板螺柱、螺柱连接杆、螺母、顶杆导向槽、等径角通道、挡板槽、小斜面、大斜面、光孔、螺纹孔和H型上部，所述下模、上模通过多个螺母及螺丝的配合相互固定在一起，顶杆安装在下模、上模配合处的上部空隙处，下模、上模两侧通过光孔均设有试样围挡装置、试样顶出螺钉，下模、上模前侧设有试样出口通道；试样围挡装置由试样挡板、挡板螺柱、螺柱连接杆构成，顶杆由导向柱、大斜面、H型上部构成。

所述下模由顶杆导向槽、等径角通道、试样出口通道组成；上模由顶杆导向槽、试样出口通道组成；二套试样围挡装置初始时分别位于下模、上模的挡板槽内，当准备装入试样时，推动试样围挡装置至等径角通道的外侧，则二套试样围挡装置与等径角通道形成四周封闭的井字形通道，便于试样的装入，顶杆下移时，顶杆的大斜面与试样围挡装置的小斜面相接触，推动试样围挡装置向外运动，使其自动返回挡板槽。

所述试样挡板与二个挡板螺柱通过螺纹连接，一个螺柱连接杆与二个挡板螺柱通过螺纹连接；下模和上模内的挡板螺柱分别穿过下模和上模外侧的光孔。

所述挡板槽位于下模和上模的顶杆导向槽侧面。

所述下模和上模外侧分别开有二个光孔。

所述下模和上模外侧分别开有三个螺纹孔，试样顶出螺钉安装在螺纹孔中。

本发明的优点是：1、采用顶杆由于下部的导向柱已经插入下模、上模内，故可以准确、快速地将顶杆的H型上部引导至下模、上模内，节省了传统实验装置放置挤压顶杆的时间；顶杆的斜面可以自动地将试样围挡装置推回挡板槽内；

2、试样围挡装置与等径角通道形成了四周封闭的井字形通道，极大地降低了试样装入的难度（因为等径角通道只有两个壁面，另两个壁面不封闭，无法限制试样垂直于等径角通道方向的运动，极易造成装入试样时试样掉入旁边的顶杆导向槽内，造成挤压失败），可以避免试样温度下降过快；

3、试样挡板的斜面与顶杆的斜面配合，使得挤压时试样围挡装置自动返回挡板槽内，无需手工操作，亦可避免试样温度下降过快；

4、试样顶出螺钉工作平稳，使得试样脱模冲击小，保护小型的实验试样；

5、与传统的实验装置或模具相比，本发明有以下优势：（a）顶杆定位准确、快速，避免试样温降过多；（b）试样围挡装置极大地方便了试样装入，缩短了试样的装入时间；（c）试样挡板的斜面与顶杆的斜面相配合，使得试样围挡装置在挤压时自动返回挡板槽，无需手动操作；（d）试样顶出螺钉使得试样脱模更为顺畅，无需拆卸实验装置，对试样冲击小，避免了用下一个试样顶出前一个试样时造成的受力恶化，保护了小型试样，特别适合实验研究场合；

6、本发明适用于研究长方形Ti5553合金试样的ECAE挤压工作，装入试样迅速，降低了对实验人员的技术水平要求，避免了小型Ti5553合金试样的大幅温降，为实验研究创造了良好的条件；试样脱模过程冲击小，既保护了小型Ti5553合金试样，又降低了实验人员的劳动强度。

附图说明

图1为本发明装置的总体结构示意图；

图2为顶杆的结构示意图；

图3为下模的左结构示意图；

图4为下模的右结构示意图；

图5为上模的左结构示意图；

图6为上模的右结构示意图；

图7为试样围挡装置与下模的配合左示意图；

图8为试样围挡装置与下模的配合右示意图；

图9为试样围挡装置的结构示意图；

图中：1、顶杆  2、下模  3、上模  4、试样围挡装置  5、试样顶出螺钉  6、导向柱  7、试样出口通道  8、试样挡板  9、挡板螺柱  10、螺柱连接杆  11、螺母  12、顶杆导向槽  13、等径角通道  14、挡板槽  15、小斜面  16、大斜面  17、光孔  18、螺纹孔  19、H型上部。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

一种半自动等径角挤压实验装置，包括顶杆1、下模2、上模3、试样围挡装置4、试样顶出螺钉5、导向柱6、试样出口通道7、试样挡板8、挡板螺柱9、螺柱连接杆10、螺母11、顶杆导向槽12、等径角通道13、挡板槽14、小斜面15、大斜面16、光孔17、螺纹孔18和H型上部19，所述下模2、上模3通过多个螺母11及螺丝的配合相互固定在一起，顶杆1安装在下模2、上模3配合处的上部空隙处，下模2、上模3两侧通过光孔17均设有试样围挡装置4、试样顶出螺钉5，下模2、上模3前侧设有试样出口通道7；试样围挡装置4由试样挡板8、挡板螺柱9、螺柱连接杆10构成，顶杆1由导向柱6、大斜面16、H型上部19构成。

所述下模2由顶杆导向槽12、等径角通道13、试样出口通道7组成；上模3由顶杆导向槽12、试样出口通道7组成；二套试样围挡装置4初始时分别位于下模2、上模3的挡板槽14内，当准备装入试样时，推动试样围挡装置4至等径角通道13的外侧，则二套试样围挡装置4与等径角通道13形成四周封闭的井字形通道，便于试样的装入，顶杆1下移时，顶杆1的大斜面16与试样围挡装置4的小斜面15相接触，推动试样围挡装置4向外运动，使其自动返回挡板槽14。

所述试样挡板8与二个挡板螺柱9通过螺纹连接，一个螺柱连接杆10与二个挡板螺柱9通过螺纹连接；下模2和上模3内的挡板螺柱9分别穿过下模2和上模3外侧的光孔17。

所述挡板槽14位于下模2和上模3的顶杆导向槽12侧面，充分利用模具紧凑的空间布置。

所述下模2和上模3外侧分别开有二个光孔17，使得导向更为稳定。

所述下模2和上模3外侧分别开有三个螺纹孔18，试样顶出螺钉5安装在螺纹孔18中，用于后期顶出试样，使得使用更为方便。

具体使用方法及安装过程如下：

一、装配试样围挡装置4

手持试样挡板8并伸入下模2的顶杆导向槽12内，同时将挡板螺柱9插入下模2外侧的光孔17后，与试样挡板8连接。在完成二个挡板螺柱9与试样挡板8的连接后，装入螺柱连接杆10即可完成下模2的试样围挡装置4安装。重复上述步骤，完成上模3的试样围挡装置4安装。将下模2、上模3内的试样围挡装置4来回推动，检查其是否能顺畅运动以及能否顺利进入下模2、上模3内的挡板槽14；

二、装配下模2、上模3

依据下模2、上模3的定位销，将下模2、上模3合上并使其紧密接触。装配连接下模2、上模3的八个螺栓。试温时先不要将螺栓拧得太紧；

 三、装上试样顶出螺钉5

    将六个试样顶出螺钉5拧入下模2、上模3的对应螺纹孔18内。螺栓底部不得进入等径角通道13，以防压坏螺钉；

四、下模2、上模3固定至液压机工作平台

    将连接后的下模2、上模3紧固于液压机工作平台。工作平台底部必须有深孔，以便顶杆1伸入；

五、插入顶杆1，检查是否顺畅滑动

将顶杆1的导向柱6插入下模2、上模3内的顶杆导向槽12内，检查顶杆1能否在下模2、上模3内顺畅滑动，并特别留意当顶杆1的H型上部19接近下模2、上模3时，其是否与下模2、上模3发生干涉；

六、确定液压机工作行程

根据试样长度，确定液压机的工作行程范围；

七、试样与模具加热，装入试样，挤压，顶出试样

用电阻炉加热试样至预定值后，保温一定时间后取出。抬高顶杆1，并用火钳抵在顶杆1的上部凹槽。由于顶杆1较长，易形成自锁，稍稍抵住顶杆1即可保证顶杆1不下滑。将试样放入试样围挡装置4与等径角通道13形成的井字形通道后，松开火钳，迅速启动液压机，试样围挡装置4将自动退回至挡板槽14，顶杆1开始挤压试样。待液压机走完一个工作行程，拧入试样顶出螺钉5后，即可得到被挤压的试样。

根据实验装置尺寸，将Ti5553合金线切割成10×10×100mm的长方形试样。试样加热预设温度分别选取950℃、850℃、750℃。实验装置加热温度为550℃。加热前，在顶杆1表面、下模2和上模3的顶杆导向槽12内均匀涂覆石墨润滑剂；在Ti5553合金试样表面均匀涂覆玻璃润滑剂。

实验结果：试样能顺利地放入试样围挡装置4与等径角通道13形成的井字形通道，试样围挡装置4顺利地自动退回到挡板槽14内。挤压结束后，试样顶出螺钉5能顺利地将试样顶至试样出口通道7。经过90度挤压成型后各方面性能大大提升，观察试样表面，挤压区域无宏观裂纹。与传统实验装置或模具对比，整个挤压过程工作平稳，劳动强度大大降低，工作效率高。

Claims (6)

1.一种半自动等径角挤压实验装置，包括顶杆（1）、下模（2）、上模（3）、试样围挡装置（4）、试样顶出螺钉（5）、导向柱（6）、试样出口通道（7）、试样挡板（8）、挡板螺柱（9）、螺柱连接杆（10）、螺母（11）、顶杆导向槽（12）、等径角通道（13）、挡板槽（14）、小斜面（15）、大斜面（16）、光孔（17）、螺纹孔（18）和H型上部（19），其特征是：所述下模（2）、上模（3）通过多个螺母（11）及螺丝的配合相互固定在一起，顶杆（1）安装在下模（2）、上模（3）配合处的上部空隙处，下模（2）、上模（3）两侧通过光孔（17）均设有试样围挡装置（4）、试样顶出螺钉（5），下模（2）、上模（3）前侧设有试样出口通道（7）；试样围挡装置（4）由试样挡板（8）、挡板螺柱（9）、螺柱连接杆（10）构成，顶杆（1）由导向柱（6）、大斜面（16）、H型上部（19）构成。

2.根据权利要求1所述的一种半自动等径角挤压实验装置，其特征是：所述下模（2）由顶杆导向槽（12）、等径角通道（13）、试样出口通道（7）组成；上模（3）由顶杆导向槽（12）、试样出口通道（7）组成；二套试样围挡装置（4）初始时分别位于下模（2）、上模（3）的挡板槽（14）内，当准备装入试样时，推动试样围挡装置（4）至等径角通道（13）的外侧，则二套试样围挡装置（4）与等径角通道（13）形成四周封闭的井字形通道，便于试样的装入，顶杆（1）下移时，顶杆（1）的大斜面（16）与试样围挡装置（4）的小斜面（15）相接触，推动试样围挡装置（4）向外运动，使其自动返回挡板槽（14）。

3.根据权利要求1所述的一种半自动等径角挤压实验装置，其特征是：所述试样挡板（8）与二个挡板螺柱（9）通过螺纹连接，一个螺柱连接杆（10）与二个挡板螺柱（9）通过螺纹连接；下模（2）和上模（3）内的挡板螺柱（9）分别穿过下模（2）和上模（3）外侧的光孔（17）。

4.根据权利要求1所述的一种半自动等径角挤压实验装置，其特征是：所述挡板槽（14）位于下模（2）和上模（3）的顶杆导向槽（12）侧面。

5.根据权利要求1所述的一种半自动等径角挤压实验装置，其特征是：所述下模（2）和上模（3）外侧分别开有二个光孔（17）。

6.根据权利要求1所述的一种半自动等径角挤压实验装置，其特征是：所述下模（2）和上模（3）外侧分别开有三个螺纹孔（18），试样顶出螺钉（5）安装在螺纹孔（18）中。

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