CN106077118B - 一种超细晶金属型材的连续加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超细晶金属型材的连续加工装置及加工方法，装置包括单螺杆挤压机、挤压杆、八方体转角挤压模、横向挡板、纵向挡板、导架、横向堵头、纵向堵头及正挤压成型模，单螺杆挤压机与挤压杆相连，金属坯料水平送入八方体转角挤压模内，单螺杆挤压机通过挤压杆可以水平挤压金属坯料；八方体转角挤压模连接在导架上，挤压模内有相互贯通的丁字型挤压通道，分为垂直通道和水平通道，纵向堵头用于封堵垂直通道，横向堵头用于封堵水平通道；横向挡板设置在八方体转角挤压模与正挤压成型模之间，撤去横向挡板则可将正挤压成型模与八方体转角挤压模相连通进行后续加工。本发明装置极大地提高了大规模生产的效率、质量，降低了生产成本和能耗。

Description

一种超细晶金属型材的连续加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及一种制备超细晶金属型材的连续加工装置，具体来说是一种通过等径转角挤压和正挤压大塑性变形技术的组合以实现超细晶金属型材连续加工的装置，属于金属材料塑性加工技术领域。

背景技术

晶粒细化被视为提升金属材料力学性能的最重要、最基本的方法。当前，由于航空航天、机械电子、交通运输、国防军工等国民经济支柱产业需求的牵引，对高强高韧金属结构材料的需求日益递增。开发超细晶金属产品是金属加工发展的必然趋势，超细晶材料因晶粒细小（<1μm）、晶界体积分数高，表现出了诸多优异的机械-功能特性，因而倍受世人关注。传统金属制品工业采用的挤压、轧制、锻造等塑性加工技术，由于受每次加工时形变量的限制，难以获得超细晶材料；而采用先进的大塑性变形加工技术，可实现金属材料的剧烈塑性变形（每次加工的形变量可达到100%）从而获得亚微米晶乃至纳米晶组织，显著提高金属材料的比强度、比刚度和塑、韧性。近三十年来，以等通道转角挤压（又称等径角挤压，简称ECAP)为代表的大塑性变形加工工艺得到了广泛的研究和重视。采用大塑性变形工艺制备的超细晶金属有良好的塑性成形能力，可通过后续常规挤压变形制造出多种规格的管、棒、条、带型材和断面形状比较复杂的型材，其应用潜力巨大、前景看好。尽管国内外许多研究机构和学者已就连续ECAP技术展开了大量有益的探索，但均未从根本上解决连续ECAP加工制备超细晶金属型材的关键技术或尚停留在实验室研究阶段难以工业化应用。其关键在于，迄今尚未有一种可供实际工业生产连续制备超细晶金属型材的设备。

发明内容

本发明的目的是，针对当前缺乏高效的大塑性变形加工生产设备而难以实现超细晶金属型材工业化生产的问题，提供一种超细晶金属型材的连续加工装置及加工方法，该装置是连续驱动的、能批量化生产超细晶金属型材的挤压加工设备，以实现工业化生产并大幅降低加工成本和能耗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超细晶金属型材的连续加工装置，包括单螺杆挤压机、挤压杆、八方体转角挤压模、横向挡板、纵向挡板、导架、横向堵头、纵向堵头及正挤压成型模。单螺杆挤压机与挤压杆相连，金属坯料水平送入八方体转角挤压模内，单螺杆挤压机通过挤压杆可以水平挤压金属坯料；八方体转角挤压模连接在导架上，挤压模内有相互贯通的丁字型挤压通道，分为垂直通道和水平通道，纵向堵头用于封堵垂直通道，横向堵头用于封堵水平通道；横向挡板设置在八方体转角挤压模与正挤压成型模之间，撤去横向挡板则可将正挤压成型模与八方体转角挤压模相连通进行后续加工。

所述垂直通道与水平通道的直径比为1.1：1 。

所述八方体转角挤压模为正八方体凹模。

正挤压成型模的入口端与八方体转角挤压模的水平通道等径。

采用所述的装置进行超细晶金属型材连续加工的加工方法，包括如下步骤：

1）启动单螺杆挤压机的挤压杆水平进给，将横向堵头经由八方体转角挤压模中水平通道一端顶入另一端，使水平通道的入口端A与垂直通道构成转角挤压加工型腔；

2）将金属坯料与八方体转角挤压模的水平通道对正，进行喂料，由单螺杆挤压机的挤压杆向右水平进给，将金属坯料顶入八方体转角挤压模的水平通道内，通过丁字型腔的转角进入垂直通道，完成第一道次转角挤压；

3）将挤压杆向左运行回退，撤出八方体转角挤压模的型腔，移开纵向挡板，借助导架使八方体转角挤压模逆时针方向左旋90°，垂直通道内的金属坯料再次同挤压杆对正后，放入纵向挡板，重新驱动挤压杆向右水平进给，将金属坯料由丁字型腔的垂直通道顶回水平通道，实现第二道次挤压；

4）完成第二道次挤压后，将挤压杆撤出八方体转角挤压模的型腔，重新移开纵向挡板，将八方体转角挤压模顺时针方向右旋90°回到初始方位，然后放入纵向挡板，一次往返挤压即告以结束，此为一个循环周期；

5）重复步骤2）~4），当完成预设的道次转角挤压后，金属坯料回到八方体转角挤压模中挤压通道的水平通道内，先撤除横向挡板使八方体转角挤压模出口对准正挤压成型模入口进行合模，使超细晶金属杆坯直接由八方体转角挤压模出口推入正挤压成型模，由成型通道正挤压后出模，实现超细晶金属型材的高效率连续加工。

加工次数为偶数道次。单螺杆挤压机由液压自动化系统控制。

本发明将等通道转角挤压和正挤压大塑性变形技术进行组合，先通过往复多次的近等径转角挤压实现金属原料组织的超细化，然后通过变径正挤压实现超细晶金属坯料的成型材，设备主体为呈正八方体的转角挤压模，内设用于容纳金属坯料的模腔为相互贯通的丁字型通道，所述挤压通道包括一个直径略大的垂直通道和两个等径的水平通道。连续挤压加工时，先用横向堵头堵住出口水平通道构成呈转角挤压型腔，再通过导架反复90°旋转转角挤压模完成连续的多道次转角挤压，获得组织均匀的超细晶杆状坯料；然后，移去横向堵头和横向挡板，推出超细晶合金杆坯，使其经由正挤压成型模连续变径挤压加工出模，即实现超细晶金属型材的连续加工。

所述八方体转角挤压模为正八方体凹模，内有相互贯通的丁字型模腔用来容纳金属坯料并构成挤压通道，其中垂直通道直径略大，两个水平通道是等径的；正挤压成型模的入口端与转角挤压模水平通道等径并对中。

八方体转角挤压模的两个等径水平通道分别用作坯料入口和出口，挤压时先用横向堵头将出口水平通道堵住，以使另两个相互垂直的通道构成转角挤压通道。转角挤压模的垂直通道与水平通道的直径比为1.1：1，以有效避免转角挤压时因体积膨胀造成的热裂。

八方体转角挤压模固定在导架上，借助导架反复90°旋转模具，利用余热不出模实现多道次连续转角挤压，挤压道次设定为偶数次，并可根据实际需要调整加工次数，使挤压后金属坯料的晶粒细化至于1μm以下。

金属坯料最终成型前，先撤除横向挡板使八方体转角挤压模出口对准正挤压成型模入口进行合模，使超细晶金属杆坯直接由八方体转角挤压模出口推入正挤压成型模，由成型通道正挤压后出模，实现超细晶金属型材的高效率连续加工。

调整正挤压成型模尺寸规格，可实现不同规格的超细晶金属型材的连续加工。

有益效果

1、利用上述连续挤压成型装置，可沿水平方向进料后，按预设的转角挤压道次连续加工细化金属晶粒后，再沿水平方向进行变径正挤压出模成型，由于挤压过程中不需出模，流道短，可减少金属原料损失，便于实现连续的流水线作业。

2、本发明采用的转角挤压为近等径转角挤压，其垂直通道直径略大于坯料入口水平通道以有效避免挤压时的热裂，借助导架反复旋转模具以利用余热不出模实现连续转角挤压，在细晶强韧化的同时大幅提升金属坯料的后续成型能力；正向变径挤压时，更换成型模即可获得不同规格的型材。

本发明装置的单螺杆挤压机由液压自动化系统控制，通过连续大塑性变形实现晶粒细化和形变强化，将金属坯料直接挤压成各种超细晶型材，解决了现有常规挤压工艺存在流程长、多次加热能耗高、材料利用率低、生产成本高等突出的问题，极大地提高了大规模生产的效率、质量，降低了生产成本、能耗，具有良好的工业应用前景。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是图1所示转角挤压模具中丁字型模腔喂料前后的剖面结构示意图；

图3是本发明优选实施例的连续循环挤压过程示意图；

其中：1 — 单螺杆挤压机；2 — 挤压杆；3 —八方体转角挤压模；4 — 横向挡板；5 — 纵向挡板；6 — 导架；7 — 金属坯料；8-横向堵头；9 —丁字型挤压通道 ；10-正挤压成型模；11 — 纵向堵头；B—垂直通道； AC —水平通道； XX＇、YY＇分别表示水平方向和垂直方向。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图1、图2和图3及优选实施例对本发明做进一步的详述。

如图1和图2所示，本发明的超细晶金属型材的连续加工装置包括单螺杆挤压机1、挤压杆2、八方体转角挤压模3、横向挡板4、纵向挡板5、导架6、横向堵头8、纵向堵头11及正挤压成型模10。

所述八方体转角挤压模3为正八方体凹模，采用正八方体形状有利于转角挤压时模具的90°翻转和对中。

所述八方体转角挤压模3内有相互贯通的丁字型模腔用于容纳金属坯料7并构成挤压通道，其中垂直通道B直径略大，两个水平通道AC是等径的。垂直通道与水平通道的直径比为1.1：1，有利于避免转角挤压时因体积膨胀造成的热裂。

八方体转角挤压模3的两个等径水平通道分别用作坯料入口和出口，挤压时用横向堵头8将出口水平通道堵住，使入口水平通道与垂直通道构成转角挤压通道。

如图1所示，八方体转角挤压模3固定在导架6上，借助导架反复90°旋转模具，即可利用余热不出模实现多道次连续转角挤压，获得超细晶金属杆坯。

正挤压成型模10的入口端与八方体转角挤压模3水平通道等径，并与八方体转角挤压模3的坯料出口通道对中。

在实现金属坯料最终成型前，撤除横向挡板4使八方体转角挤压模3出口对准正挤压成型模10入口进行合模，使超细晶金属杆坯直接由八方体转角挤压模3出口推入正挤压成型模10，由成型通道正挤压后出模，实现超细晶金属型材的高效率连续加工。

下面结合附图3阐述本发明的加工过程：

首先按图1所示将整套装置组装连接完成后，启动单螺杆挤压机1的挤压杆2向右水平进给，单螺杆挤压机由液压自动化系统控制，将横向堵头8经由八方体转角挤压模3中丁字型腔的入口水平通道A顶入出口水平通道C（如图2所示），使入口水平通道A与垂直通道B构成转角挤压加工型腔，同时调试导架6等驱动结构。

调试正常后，将第一根金属坯料与八方体转角挤压模3的入口水平通道A对正进行喂料，由单螺杆挤压机1的挤压杆2向右水平进给，将金属坯料顶入八方体转角挤压模3的入口水平通道A。金属坯料在入口水平通道中前进时受剪切、摩擦作用温度升高，塑性流动能力增加，从而顺利通过丁字型腔的转角进入垂直通道B，完成第一道次转角挤压；再将挤压杆2向左运行回退，撤出八方体转角挤压模3的型腔，移开纵向挡板5，借助导架6使八方体转角挤压模3逆时针方向左旋90°，垂直通道内的金属坯料再次同挤压杆2对正后，放入纵向挡板5。重新驱动挤压杆2向右水平进给，将金属坯料由丁字型腔的垂直通道B顶回入口水平通道A，即实现两道次挤压。完成第二道次挤压后，将挤压杆2撤出八方体转角挤压模3的型腔，重新移开纵向挡板5，将八方体转角挤压模3顺时针方向右旋90°回到初始方位，然后放入纵向挡板5。一次往返挤压即告以结束，此为一个循环周期。

再次驱动挤压杆2向右水平进给，将金属坯料由丁字型腔的入口水平通道A顶入垂直通道B，便实现了金属坯料的第三道次转角挤压加工。如此往复进行，金属坯料无需出模就可实现多道次的连续转角挤压，根据实际需要，设置总加工次数为偶数道次（2N)，最终就能成功将挤压后金属坯料的晶粒细化至于1μm以下。

当完成预设的偶数道次转角挤压后，经组织超细化的金属坯料回到了八方体转角挤压模3中丁字型腔的入口水平通道内，便可将八方体转角挤压模3出口与正挤压成型模10合模，以使超细晶金属杆坯经正挤压后最终成型。

首先，利用抬起纵向挡板5，操作导架6将备用的纵向堵头11送入八方体转角挤压模3的垂直通道；然后撤除横向挡板4，启动单螺杆挤压机1的挤压杆2向右水平进给，将八方体转角挤压模3入口水平通道A中的超细晶金属坯料顶入出口水平通道C，等到横向堵头8被完全顶出后，即将八方体转角挤压模3出口对准正挤压成型模10入口进行合模，继续驱动挤压杆2向右水平进给，将超细晶金属杆坯经正挤压成型模10挤出后成型。

继续操作导架6取出纵向堵头11，使整套装置复位。不断地驱动单螺杆挤压机1由八方体转角挤压模3的入口水平通道喂入金属坯料，成品不断从正挤压成型模10挤出，实现超细晶金属型材的高效率连续加工。

本发明公开和提出了一种超细晶金属型材的连续加工装置及其加工方法，特别指出的是，所有针对转角挤压模的通道尺寸、正挤压成型模的型腔等的类似变更与组合都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (6)

1.一种超细晶金属型材的连续加工装置，其特征在于，包括单螺杆挤压机（1）、挤压杆（2）、八方体转角挤压模（3）、横向挡板(4)、纵向挡板(5)、导架（6）、横向堵头（8）、纵向堵头（11）及正挤压成型模（10），单螺杆挤压机（1）与挤压杆（2）相连，金属坯料（7）水平送入八方体转角挤压模（3）内，单螺杆挤压机（1）通过挤压杆（2）水平挤压金属坯料（7）；八方体转角挤压模（3）连接在导架（6）上，八方体转角挤压模（3）内有相互贯通的丁字型挤压通道，挤压通道分为垂直通道（B）和水平通道（AC），纵向堵头（11）用于封堵垂直通道（B），横向堵头（8）用于封堵水平通道（AC）；横向挡板(4)设置在八方体转角挤压模（3）与正挤压成型模（10）之间，撤去横向挡板（4）则可将正挤压成型模（10）与八方体转角挤压模（3）相连通进行后续加工；

采用上述装置的加工步骤具体如下：

1）启动单螺杆挤压机（1）的挤压杆（2）水平进给，将横向堵头（8）经由八方体转角挤压模（3）中水平通道（AC）的入口端顶到出口端，使水平通道的入口端与垂直通道（B）构成转角挤压加工型腔；

2）将金属坯料（7）与八方体转角挤压模（3）的水平通道对正，进行喂料，由单螺杆挤压机（1）的挤压杆（2）向右水平进给，将金属坯料（7）顶入八方体转角挤压模（3）的水平通道（AC）内，通过丁字型腔的转角进入垂直通道（B），完成第一道次转角挤压；

3）将挤压杆（2）向左运行回退，撤出八方体转角挤压模（3）的型腔，移开纵向挡板（5），借助导架（6）使八方体转角挤压模（3）逆时针方向左旋90°，垂直通道内的金属坯料再次同挤压杆（2）对正后，放入纵向挡板（5），重新驱动挤压杆（2）向右水平进给，将金属坯料由丁字型腔的垂直通道顶回水平通道，实现第二道次挤压；

4）完成第二道次挤压后，将挤压杆（2）撤出八方体转角挤压模（3）的型腔，重新移开纵向挡板（5），将八方体转角挤压模（3）顺时针方向右旋90°回到初始方位，然后放入纵向挡板（5），一次往返挤压即告以结束，此为一个循环周期；

5）重复步骤2）~4），当完成预设的道次转角挤压后，金属坯料回到八方体转角挤压模（3）中挤压通道的水平通道内，先撤除横向挡板（4）使八方体转角挤压模（3）出口对准正挤压成型模（10）入口进行合模，使超细晶金属杆坯直接由八方体转角挤压模（3）出口推入正挤压成型模（10），由成型通道正挤压后出模，实现超细晶金属型材的高效率连续加工。

2.根据权利要求1所述的一种超细晶金属型材的连续加工装置，其特征在于，所述垂直通道（B）与水平通道（AC）的直径比为1.1：1 。

3.根据权利要求1所述的一种超细晶金属型材的连续加工装置，其特征在于，所述八方体转角挤压模（3）为正八方体凹模。

4.根据权利要求1所述的一种超细晶金属型材的连续加工装置，其特征在于，正挤压成型模（10）的入口端与八方体转角挤压模（3）的水平通道等径。

5.采用权利要求1的装置进行超细晶金属型材连续加工的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）启动单螺杆挤压机（1）的挤压杆（2）水平进给，将横向堵头（8）经由八方体转角挤压模（3）中水平通道（AC）的入口端顶到出口端，使水平通道的入口端与垂直通道（B）构成转角挤压加工型腔；

2）将金属坯料（7）与八方体转角挤压模（3）的水平通道对正，进行喂料，由单螺杆挤压机（1）的挤压杆（2）向右水平进给，将金属坯料（7）顶入八方体转角挤压模（3）的水平通道（AC）内，通过丁字型腔的转角进入垂直通道（B），完成第一道次转角挤压；

3）将挤压杆（2）向左运行回退，撤出八方体转角挤压模（3）的型腔，移开纵向挡板（5），借助导架（6）使八方体转角挤压模（3）逆时针方向左旋90°，垂直通道内的金属坯料再次同挤压杆（2）对正后，放入纵向挡板（5），重新驱动挤压杆（2）向右水平进给，将金属坯料由丁字型腔的垂直通道顶回水平通道，实现第二道次挤压；

4）完成第二道次挤压后，将挤压杆（2）撤出八方体转角挤压模（3）的型腔，重新移开纵向挡板（5），将八方体转角挤压模（3）顺时针方向右旋90°回到初始方位，然后放入纵向挡板（5），一次往返挤压即告以结束，此为一个循环周期；

5）重复步骤2）~4），当完成预设的道次转角挤压后，金属坯料回到八方体转角挤压模（3）中挤压通道的水平通道内，先撤除横向挡板（4）使八方体转角挤压模（3）出口对准正挤压成型模（10）入口进行合模，使超细晶金属杆坯直接由八方体转角挤压模（3）出口推入正挤压成型模（10），由成型通道正挤压后出模，实现超细晶金属型材的高效率连续加工。

6.根据权利要求5所述的超细晶金属型材连续加工的加工方法，其特征在于，加工次数为偶数道次。