CN107030236A - 一种金属等体积连续反复剪切成形方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属等体积连续反复剪切成形方法和装置，装置包括滑动板、上旋转板、下旋转板、顶板、连接块、开合板、固定板、底板、底座、加热装置、定距螺栓、连杆、叉杆。上旋转板、下旋转板分别与底板和顶板互相铰接；滑动板在开合板、固定板的导滑槽内滑动；开合板与固定板连接；所述的连接块焊接在滑动板上；所述的连杆穿过连接块与叉杆；所述的叉杆与压力机连接。压力机通过叉杆、连杆带动滑动板上下运动，实现上旋转板、下旋转板旋转，由滑动板、上旋转板、下旋转板、开合板、固定板、底板组成的平行六面体的型腔体积不变，但形状发生连续变化，实现对金属坯料的等体积连续反复均匀的剪切变形。本发明操作方便、成本低、效率高。

Description

一种金属等体积连续反复剪切成形方法与装置

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种金属等体积连续反复剪切成形方法与装置。

背景技术

大塑性变形技术（Severe Plastic Deformation, SPD）是使材料在较低温度、较高的压力条件下，将材料通过一次或者多次累积反复的塑性变形，使其获得相当大的累积应变，使材料晶粒细化，提高材料的综合力学性能。目前主要的SPD技术有：等通道挤压、往复挤压、高压扭转、累积叠轧、循环闭模锻造等。国内提出的制备超细晶材料的C形、L形、S形、U形往复挤压实际上是等通道挤压的一种，挤压后坯料存在不均匀塑性变形。公开号CN2768921Y提出一种反复镦粗挤压模具是往复挤压的一种形式。CN104511493A提出了剪切变形制坯的模具及方法需要不断更换冲头，效率不高。总之，目前提出的等径角挤压生产不连续、效率较低、难以生产宽幅板材；高压扭转、累积叠轧、循环闭模锻造的设备复杂或不好操作；往复挤压成形的坯料多以圆坯料或轴对称材料，难以成型块状坯料。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种操作方便、成本低、效率高的金属等体积连续反复剪切成形装置，它能够根据不同的材料实现相应的预热处理来改善剪切成形时坯料的塑性变形能力，且能够产生均匀强剪切变形和大的应变积累，有效的实现金属坯料的晶粒细化的目的。

本发明采用的技术方案是：一种金属等体积反复剪切成形装置，包括滑动板、上旋转板、下旋转板、顶板、连接块、开合板、固定板、底板、底座、定距螺栓、连杆、叉杆。所述的上旋转板、下旋转板分别与底板和顶板互相铰接；所述的滑动板在开合板、固定板的导滑槽内滑动；所述的开合板与固定板采用定距螺栓连接；所述的连接块焊接在滑动板上；所述的连杆穿过连接块，与叉杆连接；所述的叉杆与压力机连接。压力机通过叉杆、连杆带动滑动板上下运动，实现上旋转板、下旋转板旋转，由滑动板、上旋转板、下旋转板、开合板、固定板、底板组成的平行六面体的型腔体积不变，但形状发生连续变化，实现对金属坯料的等体积连续反复剪切变形；上旋转板、下旋转板为同步的旋转运动，整个坯料产生均匀的塑性剪切变形。

上述的金属等体积反复剪切成形装置中，靠近金属坯料，固定板、底板上均设有加热装置。

上述的金属等体积反复剪切成形装置中，定距螺栓大径部分的长度等于固定板厚度和上、下旋转板的宽度之和，小径螺纹部分用于紧固，保证本装置不溢料，同时保证上旋转板、下旋转板的旋转运动。

上述的金属等体积连续反复剪切成形装置中，滑动板在开合板、固定板的导滑槽内上下滑动，通过滑动板的上下运动带动上旋转板、下旋转板旋转，上旋转板、下旋转板与水平面的夹角的范围为：（-45º，45º）。

上述的金属等体积连续反复剪切成形装置中，滑动板、上旋转板、下旋转板、开合板，固定板和底板围成的平行六面体型腔，在滑动板上下运动过程中，滑动板带动上旋转板、下旋转板旋转，平行六面体型腔底面积和高在运动过程中没有变化，型腔形状变化但体积不变，实现金属等体积连续反复剪切成形。

一种金属等体积连续反复剪切成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将坯料加工成长方体，坯料的长、宽、高与长方体模具型腔（上旋转板、下旋转板与底板垂直时）的长、宽、高相等；

（2）松开定距螺栓的螺母，打开开合板，将坯料放入型腔，拧紧定距螺栓的螺母，保证坯料不溢出，同时保证上旋转板、下旋转板的旋转运动；

（3）用螺栓把模具底座与压力机底座连接，固定金属等体积连续反复剪切成形装置；

（4）坯料放置好后，启动加热装置，对坯料进行预热处理；

（5）连接压力机拉伸头和叉杆，调节压力机行程和加载参数，启动压力机，实现金属等体积连续反复剪切成形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的金属等体积连续反复剪切装置，能够实现块体材料的均匀剪切变形，能够有效的细化金属坯料的晶粒和调控组织，可以制备超细晶坯料，提高材料综合力学性能。

2、本发明的金属等体积连续反复剪切装置可以通过固定板、底板上的加热器加热，实现剪切成形前的预热处理，改善剪切成形时的坯料塑性变形能力。坯料在反复剪切过程中，模具的温度可以通过热电偶采集数据传输到外部测温装置上进行检测，采集数据传到外接电脑系统上进行温度控制。

3、本发明有效地解决了等径角挤压生产不连续、效率较低以及高压扭转、累积轧制、循环闭模锻造的设备复杂或不好操作的问题，实现块体材料和厚板的等体积连续反复剪切变形。

4、本发明的金属等体积连续反复剪切成形装置易于制造、使用方法简单可靠，可降低生产、实验成本。

附图说明

图1为本发明的坯料初始形状。

图2为本发明的坯料在上极限位置时的形状。

图3为本发明的坯料在下极限位置时的形状

图4为本发明的金属等体积连续反复剪切成形装置的结构示意图。

图5为本发明装置开合板1的示意图。

图6为本发明装置顶板5的示意图。

图7为本发明装置上旋转板6的示意图。

图8为本发明装置定距螺栓10的示意图。

图9为本发明装置底板12的示意图。

图10为本发明装置滑动板13的示意图。

图11为等体积连续反复剪切成形前AZ31镁合金的初始金相组织。

图12为等体积连续反复剪切成形后AZ31镁合金的金相组织。

其中：1、开合板，2、底座，3、下旋转板，4、连接块，5、顶板，6、上旋转板，7、连杆，8、叉杆，9、固定板，10、定距螺栓，11、加热装置，12、底板，13、滑动板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图3所示，本发明的金属等体积连续反复剪切成形装置由开合板1（图4）、底座2、下旋转板3、连接块4、顶板5（图5）、上旋转板6（图6）、连杆7、叉杆8、固定板9、定距螺栓10（图7）、加热装置11、底板12（图8）、滑动板13（图9）所组成。所述的上旋转板6、下旋转板3的一端分别与底板12铰接，顶板的两端分别与5上旋转板6、下旋转板3的另一端铰接，形成一截面为平行四边形的筒状结构。所述的固定板9和开合板1分别置于筒状结构的两端，固定板9与底板12固定连接，开合板1与固定板9 通过定距螺栓10连接。所述的定距螺栓10包括大径部分和小径螺纹部分，定距螺栓10大径部分的长度与上、下旋转板的宽度相等，小径螺纹部分用于紧固，保证本装置不溢料，同时保证上旋转板、下旋转板的旋转运动。定距螺栓10位于筒状结构的外侧。滑动板13在开合板1、固定板9的导滑槽内上下滑动，通过滑动板的上下运动带动上旋转板6、下旋转板3旋转，上旋转板6、下旋转板3与水平面的夹角的范围为：（-45º，45º）。

所述的开合板1与固定板9相对的面上分别设有一个竖直设置的导滑槽，所述的滑动板13位于筒状结构内，滑动板13的两端分别位于导滑槽内，所述的滑动板13在开合板1、固定板9的导滑槽内滑动。所述的连接块4焊接在滑动板13上，连杆7穿过连接4块与叉杆8，叉杆8与压力机拉伸头连接；通过压力机与叉杆连接控制滑动板13上下运动，从而带动上旋转板6、下旋转板3旋转，平行六面体的型腔体积不变，但形状发生连续变化，实现对金属坯料的等体积连续反复剪切变形。

具体实施案例：AZ31镁合金块体材料反复剪切成形。

金属反复剪切成形装置的型腔尺寸100mm×50mm×100mm，反复剪切成形前AZ31镁合金的初始金相组织如图11所示，坯料为经400℃/12h处理的样品，其平均晶粒尺寸为100μm左右，采用本发明设计的方法和装置对试样按照如下步骤进行实验：

（1）坯料处理：用线切割将坯料加工成长100mm、宽50mm、高100 mm的长方形坯料,如图1所示；

（2）装载坯料：松开开合板1与固定板9的螺母，打开开合板1，将坯料放入型腔，拧紧开合板1与固定板9的螺母；

（3）固定模具：用螺栓把模具底座2与压力机底座连接，固定金属等体积连续反复剪切成形装置；

（4） 预热处理：坯料放置好后，启动加热装置11，对坯料进行预热至350℃，保温0.5小时；

（5）等体积反复剪切成形：连接压力机和叉杆8，调节压力机行程和加载参数，启动压力机，实现金属等体积连续反复剪切成形，图2和图3为坯料在上极限位置和时上极限位置的形状示意图。

对AZ31镁合金进行4次反复剪切变形，然后取样进行金相组织观察，图12为反复剪切成形后镁合金的金相组织，其平均晶粒尺寸为3-5μm，与图11对比可知，经过4次反复剪切变形，镁合金组织的晶粒明显细化，且经过反复剪切变形后，AZ31镁合金的抗拉强度增强为为320MPa，伸长率为16.5%。

Claims (6)

1.一种金属等体积连续反复剪切成形装置，其特征在于：包括滑动板、上旋转板、下旋转板、顶板、连接块、开合板、固定板、底板、底座、定距螺栓、连杆、叉杆；所述的上旋转板、下旋转板分别与底板和顶板互相铰接；所述的滑动板在开合板、固定板的导滑槽内滑动；所述的开合板与固定板采用定距螺栓连接；所述的连接块焊接在滑动板上；所述的连杆穿过连接块，与叉杆连接；所述的叉杆与压力机连接；压力机通过叉杆、连杆带动滑动板上下运动，实现上旋转板、下旋转板旋转，由滑动板、上旋转板、下旋转板、开合板、固定板、底板组成的平行六面体的型腔体积不变，但形状发生连续变化，实现对金属坯料的等体积连续反复剪切变形。

2.根据权利要求1所述的金属等体积连续反复剪切成形装置，其特征在于：靠近金属坯料，固定板、底板上均设有加热装置。

3.根据权利要求1所述的金属等体积连续反复剪切成形装置，其特征在于：定距螺栓大径部分的长度等于固定板厚度和上、下旋转板的宽度之和，小径螺纹部分用于紧固，保证本装置不溢料，同时保证上旋转板、下旋转板的旋转运动。

4.根据权利要求1所述的金属等体积连续反复剪切成形装置，其特征在于：滑动板能够在开合板、固定板的导滑槽内滑动，通过滑动板的上下运动带动上旋转板、下旋转板旋转，上旋转板、下旋转板与水平面的夹角的范围是：(-45º,45º)。

5.根据权利要求1所述的上述的金属等体积连续反复剪切成形装置，其特征在于：滑动板、上旋转板、下旋转板、开合板，固定板和底板围成的平行六面体型腔，在压力机拉伸头上下运动过程中，滑动板带动上旋转板、下旋转板旋转及顶板运动，平行六面体型腔底面积和高在运动过程中没有变化，型腔形状变化但体积不变，实现金属等体积连续反复剪切成形。

6.一种金属等体积连续反复剪切成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将坯料加工成长方体，坯料的长、宽、高与长方体模具型腔（上旋转板、下旋转板与底板垂直时）的长、宽、高相等；

（2）松开定距螺栓的螺母，打开开合板，将坯料放入型腔，拧紧定距螺栓的螺母，保证坯料不溢出，同时保证上旋转板、下旋转板的旋转运动；

（3）用螺栓把模具底座与压力机底座连接，固定金属等体积连续反复剪切成形装置；

（4）坯料放置好后，启动加热装置，对坯料进行预热处理；

（5）连接压力机拉伸头和叉杆，调节压力机行程和加载参数，启动压力机，实现金属等体积连续反复剪切成形。