CN108296297B - 一种平行双通道ECAP-Conform方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料挤压技术领域，公开的一种平行双通道ECAP‑Conform方法及装置；包括螺栓、边缘带有矩形凹槽的挤压轮、压实轮、上模、下模、挡料块、挤压模具等；以具有一定长度的条料或棒料为预制坯料，坯料在分别与挤压轮Ⅰ、挤压轮Ⅱ边缘矩形凹槽相接触所产生的三面主动摩擦力作用下，随轮顺时针或逆时针转过四分之一圆周，受凸入到挤压轮边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡，矩形型腔内坯料被迫在剪切作用下转过两个ECAP中的通道交角，完成了两次剪切变形。本发明在一次连续等通道转角挤压过程中完成两次剪切变形且两次剪切变形分别主要作用于坯料的两个面，等同于路径C的ECAP变形，生产效率高，挤压后材料组织性能更加均匀。
Description
技术领域
本发明属于材料挤压技术领域，具体涉及一种平行双通道ECAP-Conform方法及装置。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：目前业内常用的现有技术为连续等通道转角挤压技术(ECAP-Conform技术)，该技术是将等通道转角挤压(ECAP)和连续挤压工艺(Conform)结合起来实现连续制备超细晶材料的技术。挤压时，坯料在挤压轮边缘矩形凹槽内与之相接触所产生的三面主动摩擦力作用下随轮旋转并通过ECAP中的通道交角，材料在ECAP通道交角处受到强烈剪切变形。根据材料挤压前后横截面尺寸不变的特性，可以实现反复挤压变形，累积大量应变，达到细化材料组织、提高材料综合性能的目的。虽然现有连续等通道转角挤压技术巧妙的将等通道转角挤压和连续挤压工艺相结合制备超细晶材料，实现了超细晶材料的大批量连续化生产，吸引大批专家学者对其开展了比较广泛的研究，但在实际应用方面该技术还表现出些许问题和不足。由于利用现有ECAP-Conform技术在一次加工过程中只能对坯料某一个方向进行一次剪切变形，如果要使材料产生大变形，往往需要使材料在某一方向剪切变形后，绕其纵轴旋转一定方向，再进行挤压，反复挤压，加工次数多，致使加工效率低下；剪切变形能够拉长等轴晶、破碎大直径晶粒、形成位错与大量特定方向的滑移带，然而，利用现有技术在某一个方向上连续进行多次剪切变形时，材料内部的等轴晶拉长方向一致，容易形成ECAP变形织构，并且在ECAP通道交角处进行剪切变形时，靠近两通道内交角
的材料，其应变大，细化效果好，但在外接弧角(Φ)处，应变小，细化效果就差一些，挤压后所得材料制品组织性能不均匀。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的ECAP-Conform技术在一次加工过程中累积应变小，产生大变形往往需加工次数多，反复挤压，加工效率低；并且现有技术存在有成型材料变形不均匀，所得材料制品组织性能均匀性差等问题。如何实现利用ECAP-Conform方法在一次加工过程高效制备组织均匀的超细晶材料，以满足实际科研与生产的需要是当今材料研究亟待解决的难题。
发明内容
在ECAP工艺中目前有一个重要的新进展为平行双通道转角挤压，即平行双通道ECAP工艺，实质是在一次挤压过程中完成两次剪切变形。该工艺不仅可以有效减少挤压次数，而且使挤压后的材料均匀性比单通道挤压材料的均匀性高得多(Progress inMaterials Science,2000,45(2):886-891)。由此，针对现有ECAP-Conform技术存在的问题，综合优化改进现有ECAP-Conform装置(有色金属工程,2008,60(4):18-21)，本发明开创性的提出了一种平行双通道ECAP-Conform方法及装置，解决了现有ECAP-Conform技术中挤压材料不均匀，工艺繁琐，效率低等问题。
本发明是这样实现的，平行双通道ECAP-Conform方法是以一定长度的条料或棒料为原材料，一次连续等通道转角挤压过程中，坯料在分别与挤压轮Ⅰ、挤压轮Ⅱ边缘矩形凹槽相接触所产生的三面主动摩擦力作用下随轮旋转并通过连接两挤压轮边缘矩形型腔的水平通道，同时，受凸入到挤压轮边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡，型腔内坯料被迫在剪切作用下转过两个ECAP中的通道交角，完成了两次剪切变形且两次剪切变形分别作用于坯料的两个面，等同于路径C的ECAP变形(每次挤压后坯料绕纵轴旋转180°再挤压第二次)，相当于两次现有ECAP-Conform加工变形。
进一步，所述平行双通道ECAP-Conform方法具体包括：
(1)将一定长度的第一预制坯料送入挤压轮Ⅰ边缘的矩形凹槽内，坯料前端与凹槽咬合，同时坯料还被静约束模(由上模和下模组成)限制在型腔内，受轮Ⅰ内矩形凹槽与之相接触所产生的三面主动摩擦力作用，随轮进行旋转运动；
(2)当坯料顺时针转过四分之一圆周时，凸入到挤压轮Ⅰ边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡住矩形型腔内坯料并迫使其在剪切作用下转过一定角度(ECAP中的通道交角)，实现第一次剪切变形；
(3)经过第一次剪切变形后的坯料沿连接两挤压轮边缘矩形型腔的水平通道继续向前运动；
(4)在压实轮作用下，通过水平通道后的坯料前端与挤压轮Ⅱ内矩形凹槽咬合并随轮Ⅱ进行旋转运动，逆时针转过四分之一圆周时，同样，受凸入到挤压轮Ⅱ边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡，矩形型腔内坯料被迫在剪切作用下转过一定角度，完成第二次剪切变形；
(5)受两次剪切作用后的坯料在出口处经不同挤压模具作用，既可以满足坯料截面形状、尺寸不发生变化，也可以成型其它所需端面形状和尺寸的挤压制品；
(6)同样地，继续放入第二预制坯料，第三预制坯料，……，从而完成更多预制坯料的挤压成形。
本发明的另一目的在于提供一种新型平行双通道ECAP-Conform装置，装置包括螺栓、上模、下模、边缘带有矩形凹槽的挤压轮Ⅰ和挤压轮Ⅱ、压实轮、挡料块、挤压模具等。
所述挤压轮Ⅰ、挤压轮Ⅱ及压实轮均镶装于静约束模内(挤压轮与压实轮之间距离可适当调节)；挤压模具镶嵌在出口处的静约束模上；上模的下表面设有向下的腔体，下模的上表面设有向上的腔体。
进一步，所述新型平行双通道ECAP-Conform装置的上模和下模腔体的四周均匀分布有螺栓孔；通过螺栓紧固，上模、下模及挡料块接触面完全贴合，所组成的型腔壁与挤压轮外圆周面紧密结合，构成一个环挤压轮外圆周的矩形挤压型腔，所形成的水平型腔成为连接挤压轮边缘矩形型腔的平行通道。
在挤压轮Ⅰ顺时针转四分之一圆周和挤压轮Ⅱ逆时针转四分之一圆周处，均设置有凸入到挤压轮边缘矩形凹槽内的挡料块，对型腔内的坯料起阻挡作用。
本发明采用的新型平行双通道ECAP-Conform方法及装置由于存在两个挤压轮作用，两个挤压轮可分属两套独立的挤压体系，对其分别进行控制，例如分别设计挤压轮直径、矩形凹槽尺寸，分别控制挤压轮转速等，能够实现本发明制备超细晶材料的更多功能；另外，为应对在挤压过程中坯料的变形温度超过再结晶温度时晶粒的长大趋势，可以在挤压型腔周围静约束模中均匀布置冷却循环水管道，根据材料性质，有选择性通冷却循环水冷却，对坯料进行适当冷却处理，较好的控制变形温度，以便继续进行第二次剪切变形，进一步实现连续等通道挤压工艺的连续化。
本发明的优点及积极效果为：
(1)本发明方法由于特殊的转角型腔，使得在一次连续等通道转角挤压完成两次剪切变形，相当于两次现有ECAP-Conform变形，与两次现有ECAP-Conform挤压样品有着相同的变形状态，效果更好，有效减少了加工次数，解决了工艺繁琐的问题，生产效率提高约5％-8％；
(2)本发明在一次连续等通道转角挤压过程中的两次剪切变形分别主要作用于坯料的两个面，等同于路径C的ECAP变形(每次挤压后坯料绕纵轴旋转180°再挤压第二次)，有利于形成等轴小颗粒，达到晶粒超细化的效果，使挤压后材料组织性能更加均匀。
(3)一般连续等通道挤压过程中，坯料在变形时都有较大的挤压比，形成大量位错，位错密度增加，位错相互缠结，产生加工硬化，为减少变形抗力，变形通常在高温下进行。本发明挤压过程中由于两压实轮作用并且坯料与挤压轮凹槽以及模具之间能够产生足够的摩擦热，不需要外部加热即可实现热挤压，减小变形抗力。
(4)本发明充分利用摩擦力作为驱动力，可以挤压各种纯金属、合金，坯料经过两次剪切变形，在出口处经挤压模具作用即可以满足挤压前后材料横截面形状、尺寸不发生变化，实现反复挤压变形，也可以成型其它所需端面形状和尺寸的挤压制品。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新型平行双通道ECAP-Conform装置结构示意图。
图2是本发明实施例提供的螺栓固定上下模的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的边缘带有矩形凹槽的挤压轮结构示意图。
图4是本发明实施例提供的挡料块结构示意图。
图5是本发明实施例提供的上模腔体结构示意图。
图6是本发明实施例提供的下模腔体结构示意图。
图中：1、螺栓孔；2、挤压轮Ⅰ；3、压实轮；4、挤压轮Ⅱ；5、挡料块；6、挤压模具；7、(ECAP中)通道交角；8、矩形型腔；9、水平通道；10、螺栓；11、上模；12、下模；13、矩形凹槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图5所示，本发明实施例提供的新型平行双通道ECAP-Conform装置，包括挤压轮Ⅰ2和挤压轮Ⅱ4、压实轮3、挡料块5、挤压模具6、螺栓10、上模11、下模12。上模的下表面设有向下的腔体，下模的上表面设有向上的腔体，在上模和下模腔体的周边区域设置有均匀分布的螺栓孔1。将边缘带有矩形凹槽13的挤压轮Ⅰ、挤压轮Ⅱ及压实轮镶装于静约束模内，挤压模具镶嵌在出口处的静约束模上，通过螺栓紧固，上模、下模及挡料块的接触面完全贴合。所组成的型腔壁与挤压轮外圆周面紧密结合，构成一个环挤压轮外圆周的矩形挤压型腔8，所形成的水平型腔成为连接挤压轮边缘矩形型腔的平行通道9，通道内壁经打磨处理，减小坯料向前运动时的阻力；挤压轮Ⅰ顺时针转四分之一圆周或挤压轮Ⅱ逆时针转四分之一圆周处均设置有凸入到挤压轮边缘矩形凹槽内的挡料块，阻挡住矩形型腔内坯料并迫使其从通道交角7(
Φ＝20°)通过，完成两次剪切变形，坯料经剪切作用后，在出口处经挤压模具作用，即可以满足坯料截面形状、尺寸不发生变化，实现反复挤压变形，也可以成型其它所需端面形状和尺寸的挤压制品。
基于现有ECAP-Conform技术原理，本发明连续特性使得加工制造大尺寸的超细晶金属材料成为可能并且其最大的优点就是能够挤压无限长的材料(如条料或棒料等)。改进后形成的新型平行双通道ECAP-Conform方法对所加工坯料长度有一定的要求，其长度要大于连接两挤压轮边缘矩形型腔间的水平通道(通道长度具体数值的确定要综合考虑模具材料、机械加工等各方面因素)，以保证材料能够在与矩形凹槽产生的三面主动摩擦力作用下，从连接两挤压轮边缘矩形型腔的水平通道顺利平稳过渡。本发明所提供的实施例中连接两挤压轮边缘矩形型腔间的水平通道长度为200mm，紧固上、下模的螺栓颗数为12颗。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
本发明实施例提供的新型平行双通道ECAP-Conform方法具体实施流程，包括：
(1)坯料选用直径为9.5mm，长度为60cm的电工铝合金杆，镶装于静约束模内的挤压轮Ⅰ、挤压轮Ⅱ具有相同转速0.4r/min，环两挤压轮圆周边缘均开有槽深×槽底宽为9.86mm×8.62mm的矩形凹槽。将一定长度的第一预制坯料送入旋转挤压轮Ⅰ边缘的矩形凹槽内，坯料前端与矩形凹槽产生咬合，同时坯料还被静约束模限制在型腔内，受轮Ⅰ凹槽内与之相接触所产生的三面主动摩擦力作用，随轮进行旋转。
(2)当坯料顺时针转过四分之一圆周时，凸入到挤压轮Ⅰ边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡住矩形型腔内坯料并迫使其在剪切作用下转过一定角度(ECAP中的通道交角)，实现第一次剪切变形；
(3)经过第一次剪切变形后的坯料沿连接两挤压轮边缘矩形型腔的水平通道继续向前运动；
(4)适当调节压实轮与挤压轮之间距离，在压实轮作用下，通过水平通道后的坯料前端与挤压轮Ⅱ内矩形凹槽咬合并随轮Ⅱ进行旋转运动，逆时针转过四分之一圆周时，同样，受凸入到挤压轮Ⅱ边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡，矩形型腔内坯料被迫在剪切作用下转过一定角度，完成第二次剪切变形；
(5)受两次剪切作用后的坯料在出口处经不同挤压模具作用，既可以满足坯料截面形状、尺寸不发生变化，也可以成型其它所需端面形状和尺寸的挤压制品；
(6)同样地，继续放入第二预制坯料，第三预制坯料，……，从而完成更多预制坯料的挤压成形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种平行双通道ECAP-Conform方法，其特征在于，所述平行双通道ECAP-Conform方法为：
以具有一定长度的条料或棒料为预制坯料，在一次连续等通道转角挤压过程中，坯料在分别与挤压轮Ⅰ、挤压轮Ⅱ边缘矩形凹槽相接触所产生的三面主动摩擦力作用下，随轮顺时针或逆时针转过四分之一圆周，受凸入到挤压轮边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡，矩形型腔内坯料被迫在剪切作用下转过两个ECAP中的通道交角，完成了两次剪切变形且两次剪切变形分别主要作用于坯料的两个面，等同于路径C的ECAP变形；
所述平行双通道ECAP-Conform方法具体包括：
(1)将一定长度的第一预制坯料送入挤压轮Ⅰ边缘的矩形凹槽内，坯料前端与凹槽咬合，同时坯料还被静约束模限制在型腔内，受轮Ⅰ边缘矩形凹槽与之相接触所产生的三面主动摩擦力作用，随轮进行旋转运动；所述静约束模由上模和下模组成；
(2)当坯料顺时针转过四分之一圆周时，凸入到挤压轮Ⅰ边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡住型腔内坯料并迫使其在剪切作用下转过一定角度，实现第一次剪切变形；所述一定角度为ECAP中的通道交角；
(3)经过第一次剪切变形后的坯料沿连接两挤压轮边缘矩形型腔的水平通道继续向前运动；
(4)在压实轮作用下，通过水平通道后的坯料前端与挤压轮Ⅱ内矩形凹槽咬合并随挤压轮Ⅱ进行旋转运动，逆时针转过四分之一圆周时，同样，受凸入到挤压轮Ⅱ边缘矩形凹槽内的挡料块阻挡，矩形型腔内坯料被迫在剪切作用下转过一定角度，完成第二次剪切变形；
(5)受两次剪切作用后的坯料在出口处经不同挤压模具作用，既可以满足坯料截面形状、尺寸不发生变化，也可以成型其它所需端面形状和尺寸的挤压制品；
(6)同样地，继续放入第二预制坯料，第三预制坯料，……，从而完成更多预制坯料的挤压成形。
2.一种如权利要求1所述的平行双通道ECAP-Conform方法的平行双通道ECAP-Conform装置，其特征在于，所述平行双通道ECAP-Conform装置包括螺栓、上模、下模、边缘带有矩形凹槽的挤压轮Ⅰ和挤压轮Ⅱ、压实轮、挡料块、挤压模具，挤压轮Ⅰ、挤压轮Ⅱ及压实轮均镶装于静约束模内，挤压轮Ⅰ和挤压轮Ⅱ分别与压实轮之间的距离可适当调节；挤压模具镶嵌在出口处的静约束模上，上模的下表面设有向下的腔体，下模的上表面设有向上的腔体。
3.如权利要求2所述的平行双通道ECAP-Conform装置，其特征在于，上模腔体和下模腔体的四周均匀分布有螺栓孔；通过螺栓紧固，上模、下模及挡料块接触面完全贴合，所组成的型腔壁与挤压轮Ⅰ和挤压轮Ⅱ外圆周面紧密结合，构成一个环挤压轮Ⅰ和挤压轮Ⅱ外圆周的矩形挤压型腔，所形成的水平型腔成为连接挤压轮Ⅰ和挤压轮Ⅱ边缘矩形型腔的平行通道。
4.如权利要求2所述的平行双通道ECAP-Conform装置，其特征在于，在挤压轮Ⅰ顺时针转四分之一圆周和挤压轮Ⅱ逆时针转四分之一圆周处，均设置有有凸入到挤压轮边缘矩形凹槽内的挡料块，对型腔内的坯料起阻挡作用。
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