CN104148430A - 一种非晶态合金圆管挤压成形装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非晶态合金圆管挤压成形装置及工艺，装置包括液压式挤压结构、挤压模具、挤压工装框架，挤压模具包括挤压凸模、挤压筒、挤压凹模、定形套，挤压筒、挤压凹模、定形套依次连接固定在一起，挤压模具内形成的腔体有坯料室、分流室、焊合室和成形室四部分，所述的挤压凹模设计为拼块结构，每个拼块的拼合线选择在焊合室处，挤压凹模为圆柱形模体，模体轴线上有型芯，挤压凹模外套有挤压凹模夹紧套，挤压凹模的外表面与挤压凹模夹紧套的内表面以渐进式锥形面的方式结合，挤压凹模夹紧套固定在挤压工装框架上。本发明挤压成形装置拆装方便、结构合理，成形的圆管尺寸精度高、表面质量好，挤压废料清理容易，生产效率高。
Description
技术领域
本发明涉及非晶态金属玻璃圆管挤压成形工艺及装置，属于非晶态金属成形技术领域。
背景技术
金属玻璃又称非晶态合金，由于其独特的无序微观结构，使其既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊端。玻璃易碎，没有延展性；但金属玻璃的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性，所以，人们称金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。非晶态合金具有高强度、高硬度、良好的耐磨性和耐蚀性等较好的力学、物理和化学性能，从而决定其应用的领域非常广泛，具有广阔的应用前景。
锆基非晶对于极限冷却速度的要求较低，可以在低于100K/s以下的冷却速度下得到完全的非晶态组织，因而针对锆基非晶的零件有多种成形工艺。专利CN 102877010A“一种锆基块体非晶合金铸件的铸造成形方式”公开了一种锆基块体非晶合金铸件的铸造成形方法，其铸件的化学成分的at％是：Zr 35-45、Ti 11-16、Cu 10-15、Ni 8-12、Be 16-25，熔炼前对上述原材料用超声波在酒精介质中进行净化处理，再将每一种平均分成两份，按其各自的密度，由下到上两次重复布料装入坩埚中，布料时要避免原料铜和铜坩埚相接触，以防止原料铜熔化时与铜坩埚发生粘结；然后合炉进行抽真空，充入0.05MPa的氩气保护，开始加热熔炼，在60KW、80KW、120KW各保持5分钟后将功率加至140KW使合金熔体的温度达到800℃以上。专利CN101164722A“一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法”公开一种非晶合金工件的制备加工净成形一体化方法。本发明方法是把合金母料加热熔化后注入可溃型模具中，待熔融合金冷却后形成非晶态合金，模具溃型后对试件进行简单的清理即可获得所需工件。利用可溃型模具通过铸造的方法制备出任何复杂形状的临界厚度在一定范围内的非晶合金工件，实现了复杂非晶合金工件的制备、加工，净成形一体化技术。专利CN 1199747C“一种非晶合金精密零部件超塑性模锻成形装置及方法”公开了一种用于大块非晶合金精密零部件超塑性模锻成形的装置及采用这种装置制备大块非晶合金精密零件的工艺。可以成形外廓直径尺寸0.1～100mm、厚度尺寸0.1～50mm的各种复杂形状零部件，如齿轮类、实心或实心台阶轴(锥度轴)类以及等轴类扁薄零件等。所发明的装置由真空炉、可更换压头和模具三部分组成。专利CN 100473472C“金属玻璃的成形方法”公开了一种金属玻璃的成形方法。该方法在保持金属玻璃的非晶质的同时成形不产生表面缺陷的成形品，即便是薄壁或厚度不等的成形品或复杂形状的成形品也可简单地成形。
专利CN 200967064A公开了一种用实心棒材挤压成管的冷挤压装置,包括具有上、下油缸的液压机和模具,所述模具由圆柱形压头、中模、下模、推板组成,压头的法兰盘与液压机上油缸的活塞固定连接；中模、下模通过中模上端圆形凸台上的连接法兰由螺杆固定在支撑板上,中模的中心设有圆柱形中模腔,下模的中心设有圆柱形模芯,压头、中模腔、模芯在同一轴线上；推板置于支撑板的下面,与液压机下油缸的活塞固定连接,推板上设有至少3根推杆,推杆均匀分布在中模腔与模芯之间所形成的圆环上。本实用新型的一种用实心棒材挤压成管的冷挤压装置,可以用实心棒材挤压成管,其金属的致密性比拉伸形成的管材高,用其加工的圆管形金属零部件使用寿命长,节约材料,加工成本低。非晶态合金在温度低于玻璃化温度时，具有很高的强度和硬度，利用专利CN 200967064A中的冷挤压装置根本无法完成非晶态合金圆管的挤压成形工艺。对于非晶态合金圆管的挤压成形，必须要满足以下条件：要将非晶态合金加热至玻璃化和晶化温度之间，在该温度区间，非晶态合金具有较低的粘度、强度和硬度，可以很容易地对其进行超塑性成形；圆管成形后要尽快采用保护气体进行冷却，避免非晶态合金晶化。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足而提供一种非晶态合金圆管挤压成形装置及工艺，挤压成形装置拆装方便、结构合理，成形的圆管尺寸精度高、表面质量好，挤压废料清理容易，生产效率高。
本发明采取的技术方案如下：
一种非晶态合金圆管挤压成形装置，包括液压式挤压结构、挤压模具、挤压工装框架，挤压模具包括挤压凸模、挤压筒、挤压凹模、定形套，挤压筒、挤压凹模、定形套依次连接固定在一起，挤压模具内形成的腔体有坯料室、分流室、焊合室和成形室四部分，所述的挤压凹模设计为拼块结构，每个拼块的拼合线选择在焊合室处，挤压凹模外套有挤压凹模夹紧套，挤压凹模的外表面与挤压凹模夹紧套的内表面以渐进式锥形面的方式结合，挤压凹模夹紧套固定在挤压工装框架上。
所述的挤压凹模为圆柱形模体，模体轴线上有型芯，型芯上加工有盲孔，型芯周围为多个焊合室腔，模体壁上也设有盲孔。
所述的挤压凹模内设置有冷却气体的通道，通道的一部分是沿着挤压凹模的型芯中心线加工的盲孔，另一部分从挤压凹模侧壁往挤压凹模中心线方向加工的盲孔，这两部分盲孔相交叉。在挤压过程中，为了避免冷却气体影响挤压凹模和非晶态合金坯料的温度，在挤压凹模的冷却气体的通道布置有隔热管。
所述的隔热管通过管路与氮气系统相连接，氮气系统主要包括氮气发生器、压缩机、油水分离器、储气罐、压力表，氮气系统向隔热管通氮气。
所述的挤压筒及定形套中均设置有电热元件和温度测量装置，挤压凹模中设置有温度测量装置，这些电热元件、温度测量装置均与温度控制器相连接。挤压凸模与挤压筒之间以过渡配合的形式相结合。
所述的挤压筒、挤压凹模、定形套通过螺钉和销钉紧固在一起；定形套固定在挤压工装框架上。
所述的液压式挤压结构包括油缸、液压系统，挤压凸模与液压式挤压结构中油缸的柱塞相连接。
挤压模具的夹紧套通过螺钉与挤压工装框架相连接。
在挤压筒中设置有电热元件和温度测量装置。温度控制器根据温度测量装置测试得到的挤压筒的温度，控制电热元件的电力供应，从而将挤压筒的温度控制在要求的范围之内。
在定形套中设置有电热元件和温度测量装置。温度控制器根据温度测量装置测试得到的定形套的温度，控制电热元件的电力供应，从而将定形套的温度控制在要求的范围之内。
挤压筒及定形套均与挤压凹模坚固在一起，在成形过程中，挤压筒和定形套的热量将传递给挤压凹模，并将挤压凹模的温度控制在要求的温度范围之内。在挤压凹模中只设置有温度测量装置，通过温度测量装置测试挤压凹模的温度。
利用上述装置进行非晶态合金圆管挤压成形的工艺：将非晶态合金坯料经挤压在分流室进行分流，分流后的坯料进入焊合室；在焊合室中有挤压凹模的型芯用于成形空心圆管的内孔，而且分流后的坯料在焊合室沿着圆管的纵向接合面进行融合；焊合以后的管材沿着定形套挤出，最终得到非晶态合金圆管。
以恒定压力的方式进行挤压成形，根据模具材料的屈服强度，选择成形压力，F＝0.8×P×A(F为成形压力，单位为牛顿(N)，P模具材料的屈服强度，单位为兆帕(MPa)，A是挤压筒垂直于中心线的截面积，单位为平方毫米(mm2)，也就是挤压筒中坯料的端面面积，0.8是安全系数，无量纲)。
在加热过程中，当非晶态合金的温度高于玻璃化温度时，非晶态合金就以较慢的应变速率开始缓慢变形；随着非晶态合金温度的逐渐升高，材料的粘度越来越小，非晶态合金的应变速率越来越大；在成形过程中，通过成形设备的伺服控制系统将成形压力控制在设定的值。
挤压温度设置在非晶态合金玻璃化和晶化温度之间，一般比玻璃化温度高20～30℃。
本发明的有益效果是：
(1)将挤压凹模设计为拼块结构，在挤压结束后，有部分剩余坯料会留在分流室、焊合室，这样便于清理挤压凹模分流室中的剩余材料；
(2)挤压凹模夹紧套的设置在挤压过程中可保证挤压凹模的精度，避免由于挤压力的作用导致拼块沿着拼合面分开；可保证挤压凹模的各拼块可以紧紧地结合在一起，而且挤压力越大，拼合的越结实。另外，挤压凹模的外表面与夹紧套的内表面以锥面的形式结合，还便于挤压模具的拆装。
(3)在成形过程中，挤压筒和定形套的热量将传递给挤压凹模，并将挤压凹模的温度控制在要求的温度范围之内。在挤压凹模中只设置有温度测量装置，通过温度测量装置测试挤压凹模的温度。
(4)冷却气体通道的设置确保挤出成形后的非晶态合金圆管的温度尽快降至室温附近，避免非晶态合金圆管的晶化和氧化，隔热管可避免冷却气体影响挤压过程中凹模和非晶态合金坯料的温度。
(5)该成形工艺以恒定压力、非恒定的应变速率对非晶态合金成形，在整个成形过程中控制非晶态合金的流动应力，避免非晶态合金在成形过程中损坏，也对成形模具进行保护，避免过大的成形力导致模具表面损坏或整体破坏。
附图说明
图1本发明非晶态合金圆管挤压成形装置结构示意图；
图2为隔热管与挤压凹模的位置关系图；
图3挤压凹模的主视图；
图4挤压凹模的俯视图；
图5挤压凹模的轴侧视图；
图6定形套的剖视图；
图7非晶态合金圆管挤压模具结构示意图(爆炸图)；
其中，1、液压式挤压结构，2、挤压凸模，3、挤压筒螺钉，4、挤压筒，5、非晶态合金坯料，6、挤压凹模，6a、6b和6c、挤压凹模拼块，7、隔热管，8、销钉，9、定形套，10、挤压凹模夹紧套，11、挤压工装框架，12、非晶态合金圆管，13、夹紧圈螺钉。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明。
实施例
一种非晶态合金圆管挤压成形装置，包括液压式挤压结构1、挤压模具、挤压工装框架11，挤压模具包括挤压凸模2、挤压筒4、挤压凹模6、定形套9，挤压筒4、挤压凹模6、定形套9依次连接固定在一起，挤压模具内形成的腔体有坯料室、分流室、焊合室和成形室四部分，所述的挤压凹模6设计为拼块结构，每个拼块的拼合线选择在焊合室处，挤压凹模6外套有挤压凹模夹紧套10，挤压凹模的外表面与挤压凹模夹紧套10的内表面以渐进式锥形面的方式结合，挤压凹模夹紧套10固定在挤压工装框架11上。
整个挤压模具的腔体有坯料室、分流室、焊合室和成形室等部分组成。在挤压结束后，有部分剩余坯料会留在分流室、焊合室，为了便于清理挤压凹模分流室中的剩余材料，将挤压凹模设计为拼块结构，每个拼块的拼合线选择在焊合室处。液压式挤压结构包括油缸、液压系统，挤压凸模与液压式挤压结构中油缸的柱塞相连接。
在挤压过程中，为了保证挤压凹模的精度，避免由于挤压力的作用导致拼块沿着拼合面分开，在挤压模具中设计有挤压凹模夹紧套。挤压凹模的外圆面与夹紧套的内圆面以锥面的形式结合，而且挤压凹模夹紧套通过螺钉固定在挤压工装框架上，这种设计方式可保证挤压凹模的各拼块可以紧紧地结合在一起，而且挤压力越大，拼合的越结实。另外，挤压凹模的外圆面与挤压凹模夹紧套的内圆面以锥面的形式结合，还便于挤压模具的拆装。
在挤压筒中设置有电热元件和温度测量装置。温度控制器根据温度测量装置测试得到的挤压筒的温度，控制电热元件的电力供应，从而将挤压筒的温度控制在要求的范围之内。在定形套中设置有电热元件和温度测量装置。温度控制器根据温度测量装置测试得到的定形套的温度，控制电热元件的电力供应，从而将定形套的温度控制在要求的范围之内。
挤压筒及定形套均与挤压凹模坚固在一起，在成形过程中，挤压筒和定形套的热量将传递给挤压凹模，并将挤压凹模的温度控制在要求的温度范围之内。在挤压凹模中只设置有温度测量装置，通过温度测量装置测试挤压凹模的温度。定形套为轴心有阶梯状通孔的圆柱形套体，阶梯状通孔包括与焊合室相通部分、定径部分、出管部分。
为了成形空心圆管，通过分流室将非晶态合金坯料进行分流，分流后的坯料进入焊合室；在焊合室中有挤压凹模的型芯用于成形空心圆管的内孔，而且分流后的坯料在焊合室沿着圆管的纵向接合面进行融合；焊合以后的管材沿着定形套挤出，最终得到非晶态合金圆管。在成形过程中，圆管的外径尺寸由定形套的内孔尺寸决定，圆管的内径尺寸由挤压凹模上的型芯的外径尺寸决定。
挤压凹模为圆柱形模体，模体轴线上有型芯，型芯上加工有盲孔，型芯周围为多个焊合室腔，模体壁上也设有孔。
为了确保挤出成形后的非晶态合金圆管的温度尽快降至室温附近，避免非晶态合金圆管的氧化，在挤压凹模内设置冷却气体的通道。冷却气体通道分为两部分，一部分是位于挤压凹模的中心的盲孔，另一部分是从凹模侧壁加工的与中心盲孔相通的孔。为了避免冷却气体影响挤压过程中凹模和非晶态合金坯料的温度，在挤压凹模的冷却气体通道中布置有隔热管7。由于挤压凹模是分为三部分，布置隔热管的另一个作用是对冷却气体进行密封，避免冷却气体沿着挤压凹模的拼接缝泄漏到其他的地方。隔热管7与挤压凹模6的位置关系如图1所示。
实施例：
挤出成形的非晶态合金管外径为10mm，非晶态合金管的壁厚为1mm，非晶态合金为Zr58.5Cu15.6Ni12.8Al10.3Nb2.8。非晶态合金Zr58.5Cu15.6Ni12.8Al10.3Nb2.8的玻璃化温度和晶化温度分别为385℃和470℃，在加热温度为405℃时，可以保温30分钟而没有晶化现象，可以满足挤压成形工艺的要求。在对非晶态合金挤压成形时，通过温度控制器将挤压筒和定形套的加热温度控制在403℃～407℃。
定形套、挤压凹模、挤压凸模的材料为H13热作模具钢。
Claims (9)
1.一种非晶态合金圆管挤压成形装置，包括液压式挤压结构、挤压模具、挤压工装框架，其特征是，挤压模具包括挤压凸模、挤压筒、挤压凹模、定形套，挤压筒、挤压凹模、定形套依次连接固定在一起，挤压模具内形成的腔体有坯料室、分流室、焊合室和成形室四部分，所述的挤压凹模设计为拼块结构，每个拼块的拼合线选择在焊合室处，挤压凹模为圆柱形模体，模体轴线上有型芯，挤压凹模外套有挤压凹模夹紧套，挤压凹模的外表面与挤压凹模夹紧套的内表面以渐进式锥形面的方式结合，挤压凹模夹紧套固定在挤压工装框架上。
2.根据权利要求1所述的一种非晶态合金圆管挤压成形装置，其特征是，在挤压凹模内设置冷却气体的通道，冷却气体通道分为两部分，一部分是位于挤压凹模的型芯的盲孔，另一部分是从凹模侧壁加工的与中心盲孔相通的孔。
3.根据权利要求2所述的一种非晶态合金圆管挤压成形装置，其特征是，所述的挤压凹模的冷却气体的通道内设有隔热管。
4.根据权利要求3所述的一种非晶态合金圆管挤压成形装置，其特征是，所述的隔热管通过管路与氮气系统相连接，氮气系统主要包括氮气发生器、压缩机、油水分离器、储气罐、压力表，氮气系统向隔热管通氮气。
5.根据权利要求1所述的一种非晶态合金圆管挤压成形装置，其特征是，所述的挤压筒及定形套中均设置有电热元件和温度测量装置，挤压凹模中设置有温度测量装置，这些电热元件、温度测量装置均与温度控制器相连接。
6.根据权利要求1所述的一种非晶态合金圆管挤压成形装置，其特征是，所述的挤压筒、挤压凹模、定形套通过螺钉和销钉紧固在一起；定形套固定在挤压工装框架上。
7.根据权利要求1所述的一种非晶态合金圆管挤压成形装置，其特征是，所述的液压式挤压结构包括油缸、液压系统，挤压凸模与液压式挤压结构中油缸的柱塞相连接。
8.利用权利要求1所述装置进行非晶态合金圆管挤压成形的工艺，其特征是，将非晶态合金坯料经挤压在分流室进行分流，分流后的坯料进入焊合室；在焊合室中有挤压凹模的型芯用于成形空心圆管的内孔，而且分流后的坯料在焊合室沿着圆管的纵向接合面进行融合；焊合以后的管材沿着定形套挤出，最终得到非晶态合金圆管。
9.根据权利要求8所述的进行非晶态合金圆管挤压成形的工艺，其特征是，以恒定压力的方式进行挤压成形。
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