CN105537307A - 管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置及方法 - Google Patents

管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置及方法，包括环形挤压筒、变截面挤压芯杆、上固定压盘、下固定压盘以及扭转式工作台；其中，所述环形挤压筒的上端连接所述上固定压盘，下端连接所述下固定压盘；所述变截面挤压芯杆设置在所述环形挤压筒的内侧；所述变截面挤压芯杆的外侧面设置有平滑过渡的凸台；所述变截面挤压芯杆的一端通过所述上固定压盘的第一通孔穿出，所述变截面挤压芯杆的另一端通过所述下固定压盘的第二通孔穿出，实现所述变截面挤压芯杆的定位；所述下固定压盘设置在所述扭转式工作台上。本发明通过引入变截面挤压芯杆以及挤压芯杆相对于坯料的轴向运动，提高了管材组织的均匀性。

Description

管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置及方法
技术领域
本发明涉及塑性成形技术，具体地，涉及一种管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置及方法。
背景技术
超细晶材料是集优异的强度与良好的塑韧性于一体的高性能材料。而大塑性变形技术(SPD)具有显著的晶粒细化能力，是一种公认的制备超细晶(晶粒大小为100nm-1um)和块体纳米(晶粒小于100nm)材料最有前途的方法。
经过对现有技术的文献检索发现，公开号为CN103894436A的中国发明专利，发明名称：一种增强镁合金管的往复挤压装置及加工方法，该技术通过环状往复式挤压对镁合金管进行多道次加工，实现“镁合金管——镁合金块——镁合金管”的连续变形，制备出晶粒细小、组织均匀的镁合金管。但是该装置以及加工方法在实际应用中，随着“管”“块”交替变换，不断的有洁净的金属表面裸露以及沾污表面的卷积，导致制得的管材存在明显组织缺陷；同时，该方法制得的管材实为筒形结构，在往复挤压变形结束后，往往需要后续机加工，将筒形结构二次加工为管形结构，因此，管材坯料耗损严重，生产效率低下。
进一步检索发现，L.S.Toth等人在《ScriptaMaterialia》，2009,60:175-177上发表的“Severeplasticdeformationofmetalsbyhigh-pressuretubetwisting”(高压管式扭转大塑性变形)一文中，提出了用于制备超细晶、甚至纳米晶管材的高压管式扭转装置。该装置利用芯棒轴向受压后产生的弹性膨胀，将管形坯料紧紧夹在挤压筒与芯棒之间，在管材内部形成巨大的静水压力；与此同时，扭转挤压筒，使管形坯料沿厚度方向发生连续剪切。将该装置用于制备铝合金管材，凹模仅周向转动30°，铝合金管材内部的晶粒随即得到明显的细化。但几乎所有的晶粒均沿管材轴线发生一定程度的切变，呈现出椭圆形状；同时，当铝合金管材外径处剪切应变量达到14时，管材内径处剪切应变量仅为2，即扭转产生的剪切应变沿管壁厚度方向极其不均匀。此外，尽管理论上该扭转应变可以无限增加，但管材坯料与模具之间的摩擦限制了扭转应变的增加，上述一系列缺点严重制约了该方法在组织均匀的超细晶管状材料制备中的应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置及方法。本发明通过引入变截面挤压芯杆以及挤压芯杆相对于管形坯料的轴向运动，有效解决了高压扭转制备管材中出现的沿管壁厚度方向由外到内，管材变形量逐渐较小的现象，提高了管材组织的均匀性；同时，通过改变不同外形尺寸的变截面挤压芯杆，如端部直径、凸台最大截面直径和与之相配的固定压盘，可灵活控制管材内径尺寸以及反挤加工给予的道次应变量；管材坯料沿管壁厚度方向发生的剪切应变可通过扭转工作台得以控制；该方法可用于制备纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料、半导体材料超细晶管状材料。
根据本发明的一个方面提供的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，包括环形挤压筒、变截面挤压芯杆、上固定压盘、下固定压盘以及扭转式工作台；
其中，所述环形挤压筒的上端连接所述上固定压盘，下端连接所述下固定压盘；
所述变截面挤压芯杆设置在所述环形挤压筒的内侧；所述变截面挤压芯杆的外侧面设置有平滑过渡的凸台；
所述变截面挤压芯杆的一端通过所述上固定压盘的第一通孔穿出，所述变截面挤压芯杆的另一端通过所述下固定压盘的第二通孔穿出，实现所述变截面挤压芯杆的定位；
所述下固定压盘设置在所述扭转式工作台上，当所述扭转式工作台驱动所述下固定压盘、所述环形挤压筒和所述上固定压盘以第一转速运动时，所述变截面挤压芯杆保持不动或以第二转速运动，所述第二转速小于所述第一转速。
优选地，所述环形挤压筒包括第一半环形筒体和第二半环形筒体；
其中，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的开口相对紧贴形成所述环形挤压筒；
所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的上端通过一固定销连接所述上固定压盘，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的下端通过另一固定销连接所述下固定压盘。
优选地，所述变截面挤压芯杆在长度方向上的中间位置设置有平滑过渡的圆截面凸台；
所述变截面挤压芯杆的非圆截面凸台区域的直径保持一致。
优选地，所述环形挤压筒的内表面经粗糙化处理。
本发明另一个方面提供的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工方法，采用所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，包括如下步骤：
步骤S1、将下固定压盘固定于扭转式工作台上，并将两片半环形挤压筒固定于下固定压盘之上组成环形挤压筒；插入变截面挤压芯杆，放入管形坯料，保证变截面挤压芯杆的下端部通过下固定压盘的第二通孔，将上固定压盘通过变截面挤压芯杆固定于环形挤压筒上；
步骤S2、对变截面挤压芯杆的上端面施压使变截面挤压芯杆发生下行运动，同时，扭转式工作台发生周向扭转运动，直至变截面挤压芯杆的凸台下行至下固定压盘位置处，完成第一道次加工；
步骤S3、当挤压机能够双向作业时，则对变截面挤压芯杆的下端面施压使变截面挤压芯杆发生反向上行运动，同时，扭转式工作台发生同向或反向扭转，直至变截面挤压芯杆的凸台上行至上固定压盘位置处，完成第二道次的加工；
或，当挤压机仅能够单向作业时，则先解除下固定压盘与扭转式工作台之间的连接，然后翻转所述管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，并将上固定压盘固定于扭转式工作台上，变截面挤压芯杆的上端面施压使变截面挤压芯杆发生下行运动，同时，扭转式工作台发生周向扭转运动，直至变截面挤压芯杆的凸台下行至上固定压盘位置处，完成第二道次加工。
优选地，-重复执行步骤S2～步骤S3，实现多道次连续剪切往复反挤复合式加工。
优选地，在步骤S2或步骤S3中，还包括如下步骤：
管形坯料在两端封闭的环形挤压筒内随着变截面芯杆的下行发生反向挤压；
经表面粗糙化处理的环形挤压筒在扭转运动时，在摩擦力作用下带动管形坯料的外径以第一转速进行周向运动，而管形坯料的内径与变截面挤压芯杆接触，不发生或发生第二转速的周向运动，使得管形坯料沿管壁厚度方向发生连续剪切；
所述第二转速小于所述第一转速。
优选地，当待加工管材不适合或无法进行常温加工时，管形坯料和管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置能够通过加热套进行原位加热。
优选地，所述变截面挤压芯杆的上行或下行的压力为40t～1000t，挤压速度为0.1mm/s～10mm/s；
所述扭转式工作台的周向扭转速率为0.1rpm～10rpm；在整个变形过程中，施加的扭转角度范围为30°～360°。
本发明再一个方面提供的所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置在纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料或半导体材料的超细晶管状材料制备中的用途。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过引入变截面挤压芯杆以及挤压芯杆相对于坯料的轴向运动，有效解决了常规扭转制备管材中出现的沿管壁厚度方向由外到内，管材变形量逐渐较小的现象，提高了管材组织的均匀性；
2、本发明可通过改变不同外形尺寸的芯杆，包括端部直径以及凸台最大截面直径和与之相配的上、下两块固定压盘，灵活控制管材内径尺寸以及反挤加工给予的道次应变量；
3、本发明中管材坯料沿管壁厚度方向发生的连续剪切应变可通过控制扭转工作台的扭转速率得以控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置的半剖面结构示意图；
图2为本发明中管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置的具体实施过程示意图；
图3为本发明变截面挤压芯杆的结构示意图。
图中：1、变截面挤压芯杆；2、上固定压盘；3、环形挤压筒；4、固定螺母；5、下固定压盘；6、扭转式工作台；7、固定销；8、管形坯料；9、垫片；10、固定螺杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，本发明提供的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，包括环形挤压筒3、变截面挤压芯杆1、上固定压盘2、下固定压盘5以及扭转式工作台6；
其中，所述环形挤压筒3的上端连接所述上固定压盘2，下端连接所述下固定压盘5；
所述变截面挤压芯杆1设置在所述环形挤压筒3的内侧；所述变截面挤压芯杆1的外侧面设置有平滑过渡的凸台；
所述变截面挤压芯杆1的一端通过所述上固定压盘2的第一通孔穿出，所述变截面挤压芯杆1的另一端通过所述下固定压盘5的第二通孔穿出，实现所述变截面挤压芯杆1的定位；
所述下固定压盘5设置在所述扭转式工作台6上，当所述扭转式工作台6驱动所述下固定压盘5、所述环形挤压筒3和所述上固定压盘2以第一转速运动时，所述变截面挤压芯杆1保持不动或以第二转速运动，所述第二转速小于所述第一转速。
所述环形挤压筒3包括第一半环形筒体和第二半环形筒体；其中，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的开口相对紧贴形成所述环形挤压筒3；
所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的上端通过一固定销连接所述上固定压盘2，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的下端通过另一固定销连接所述下固定压盘5。所述变截面挤压芯杆1在长度方向上的中间位置设置有平滑过渡的圆截面凸台；所述变截面挤压芯杆1的非圆截面凸台区域的直径保持一致。所述环形挤压筒3的内表面经粗糙化处理。变截面挤压芯杆1除圆截面凸台外，其余部分直径保持一致；圆截面凸台和与之连接的芯杆之间保持圆滑过渡，凸台的最大截面直径由加工管材8的壁厚以及拟定的单道次变形量决定。
基于上述的“连续剪切——往复反挤”复合式加工装置的“连续剪切——往复反挤”复合式加工方法，包括如下步骤：
首先将下固定压盘5固定于扭转式工作台6上，然后将内径为50mm、经由表面粗糙化处理的两片半环形筒体通过固定7固定于下固定压盘5之上，组成内径为50mm的环形挤压筒3。放入铝合金管材8，该管形坯料的具体几何尺寸为：外径50mm、壁厚8mm、长度120mm。插入变截面挤压芯杆1，该变截面挤压芯杆1的外形几何尺寸为：端部直径30mm，工作凸台最大圆截面直径42mm；变截面挤压芯杆1的底部穿过下固定压盘5的第二通孔。将上固定压盘2穿过变截面挤压芯杆1的上端，固定于环形挤压筒3上。采用300吨双向液压机对变截面挤压芯杆1上端面施压使其以3mm/s的速度发生下行运动，使得管形坯料在封闭的环形挤压筒3内随着变截面挤压芯杆的下行运动发生反向挤压；同时，扭转式工作台6发生1r/min周向扭转，在摩擦力作用下，使管材坯料沿管壁厚度方向发生连续剪切。待变截面挤压芯杆1圆截面工作凸台下行至下固定压盘5位置处，停止压制，完成第一道次加工。反向对变截面挤压芯杆1的下端面施压使其以3mm/s的速度发生上行运动，同时，扭转式工作台6发生同向扭转，待变截面挤压芯杆1圆截面工作凸台上行至上固定压盘2位置处，停止压制，完成第二道次的加工；重复上述步骤，实现多道次“连续剪切——往复反挤”复合式加工。加工结束后，打开上固定压盘2，取出挤压芯杆1，拆卸环形挤压筒，取出管材坯料。彻底清理模具，同时涂覆模具护理剂。
加工作业时，管形坯料相对于变截面挤压芯杆1发生反挤，同时沿管形坯料的管壁厚度方向发生连续剪切，因此，利用该装置产生的任意其他可结合此两种变形的运动形式，如变截面挤压芯杆1同时发生轴向以及周向运动，或者环形挤压筒轴向运动、芯杆周向运动，均在本专利的权利要求范围内。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，其特征在于，包括环形挤压筒、变截面挤压芯杆、上固定压盘、下固定压盘以及扭转式工作台；
其中，所述环形挤压筒的上端连接所述上固定压盘，下端连接所述下固定压盘；
所述变截面挤压芯杆设置在所述环形挤压筒的内侧；所述变截面挤压芯杆的外侧面设置有平滑过渡的凸台；
所述变截面挤压芯杆的一端通过所述上固定压盘的第一通孔穿出，所述变截面挤压芯杆的另一端通过所述下固定压盘的第二通孔穿出，实现所述变截面挤压芯杆的定位；
所述下固定压盘设置在所述扭转式工作台上，当所述扭转式工作台驱动所述下固定压盘、所述环形挤压筒和所述上固定压盘以第一转速运动时，所述变截面挤压芯杆保持不动或以第二转速运动，所述第二转速小于所述第一转速。
2.根据权利要求1所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，其特征在于，所述环形挤压筒包括第一半环形筒体和第二半环形筒体；
其中，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的开口相对紧贴形成所述环形挤压筒；
所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的上端通过一固定销连接所述上固定压盘，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的下端通过另一固定销连接所述下固定压盘。
3.根据权利要求1所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，其特征在于，所述变截面挤压芯杆在长度方向上的中间位置设置有平滑过渡的圆截面凸台；
所述变截面挤压芯杆的非圆截面凸台区域的直径保持一致。
4.根据权利要求1所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，其特征在于，所述环形挤压筒的内表面经粗糙化处理。
5.一种管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工方法，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，包括如下步骤：
步骤S1、将下固定压盘固定于扭转式工作台上，并将两片半环形挤压筒固定于下固定压盘之上组成环形挤压筒；插入变截面挤压芯杆，放入管形坯料，保证变截面挤压芯杆的下端部通过下固定压盘的第二通孔，将上固定压盘通过变截面挤压芯杆固定于环形挤压筒上；
步骤S2、对变截面挤压芯杆的上端面施压使变截面挤压芯杆发生下行运动，同时，扭转式工作台发生周向扭转运动，直至变截面挤压芯杆的凸台下行至下固定压盘位置处，完成第一道次加工；
步骤S3、当挤压机能够双向作业时，则对变截面挤压芯杆的下端面施压使变截面挤压芯杆发生反向上行运动，同时，扭转式工作台发生同向或反向扭转，直至变截面挤压芯杆的凸台上行至上固定压盘位置处，完成第二道次的加工；
或，当挤压机仅能够单向作业时，则先解除下固定压盘与扭转式工作台之间的连接，然后翻转所述管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置，并将上固定压盘固定于扭转式工作台上；变截面挤压芯杆的上端面施压使变截面挤压芯杆发生下行运动，同时，扭转式工作台发生周向扭转运动，直至变截面挤压芯杆的凸台下行至上固定压盘位置处，完成第二道次加工。
6.根据权利要求5所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工方法，其特征在于，重复执行步骤S2～步骤S3，实现多道次连续剪切往复反挤复合式加工。
7.根据权利要求5所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工方法，其特征在于，在步骤S2或步骤S3中，还包括如下步骤：
管形坯料在两端封闭的环形挤压筒内随着变截面芯杆的下行发生反向挤压；
经表面粗糙化处理的环形挤压筒在扭转运动时，在摩擦力作用下带动管形坯料的外径以第一转速进行周向运动，而管形坯料的内径与变截面挤压芯杆接触，不发生或发生第二转速的周向运动，使得管形坯料沿管壁厚度方向发生连续剪切；
所述第二转速小于所述第一转速。
8.根据权利要求5所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工方法，其特征在于，当待加工管材不适合或无法进行常温加工时，管形坯料和管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置能够通过加热套进行原位加热。
9.根据权利要求5所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工方法，其特征在于，所述变截面挤压芯杆的上行或下行的压力为40t～1000t，挤压速度为0.1mm/s～10mm/s；
所述扭转式工作台的周向扭转速率为0.1rpm～10rpm；在整个变形过程中，施加的扭转角度范围为30°～360°。
10.一种权利要求1至4任一项所述的管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置在纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料或半导体材料的超细晶管状材料制备中的用途。
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