CN108380683B - 高性能金属板材的短流程挤压成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
高性能金属板材的短流程挤压成形装置及方法，涉及一种金属板材的高效挤压成形装置及方法，用以解决目前金属板材挤压成形法所需能耗过大、工序流程多、材料利用率低、工艺柔性差及品质性能协调控制困难等系列问题。装置：凸模2端部设计了防打滑结构2‑1，套筒3和法兰7通过螺纹3‑1相互连接，通过环状限位块9或分体限位块10及其高度h的调整调控挤出板材形状与厚度。方法：坯料4放入套筒3后，通过扭转机构1带动凸模2下行加载，坯料4顺次流入底部型腔直至完全挤出。该方法无需额外工序即可实现强塑变技术的细晶改性功效并能定制不同规格的板材制品，本发明适用于高性能金属板材制品的挤压成形。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材的加工成形方法，具体涉及一种高性能金属板材的短流程挤压成形方法，属于挤压成形技术领域。
背景技术
钣金构件因具有质轻、壁薄等结构特征且可通过轻量化设计实现航空航天、交通运载、武器装备及民品制造等领域长期追求节能减排的目的，因此，高性能金属板材的用量逐年递增且使用范围也不断拓宽，备受研究者们的青睐。目前现有高性能金属板材加工成形途径主要有轧制、铸轧和挤压等。
板材传统轧制工艺分为：热轧、温轧、冷轧等。其中，热轧由于温度过高，轧制时轧件温度不易均匀，表面有氧化皮存在等原因，不利于控制板材形状、尺寸精度及表面质量；在温轧制过程中，由于轧件和轧辊的温度较高，要求冷却润滑条件必须与之相适应，因此必须提高乳液的稳定性及提高工艺润滑油的着火点；冷轧成形中易产生残余应力，对板形及质量控制必然产生影响。同时冷轧后形成了加工硬化，使得板材延伸率降低。
随着对轧制技术的不断改进及推陈出新，涌现出了交叉轧制、累积叠轧、异步轧制、侧面预轧等特种轧制技术。交叉轧制是指改变了轧制方向(改变90°)，虽然降低了各向异性，但由于轧制方式的限制，交叉轧制增加了制板的工艺难度，不适合大规模生产；累积叠轧是将板材先后进行裁剪—堆垛—轧制—再裁剪等工序，循环进行下去，以获得所需累积应变量的板材制造方法。虽然克服了轧制过程中因板材厚度减小而导致对总变形量要求的限制，但工艺流程长、生产效率偏低且易产生开裂缺陷；异步轧制是通过上下轧辊速度差异产生搓轧效应促使板材组织晶粒细化改善了板材性能，但仍存在一些问题需解决，如轧机震颤等；侧面预轧法则是先对侧面进行轧制产生拉伸孪生来调整基面织构，但需要增加中间退火工序，仅适用于具有一定厚度的板材。
铸轧是目前生产金属板材常用的一种工艺方法，即将熔融态金属液浇入由一对等径铸辊及其两侧封板围成的熔池中，铸辊同时起到铸造和轧制的双重作用，直接铸成薄带材。但铸轧法也存在易氧化且夹杂物难以排除，难以控制板件的表面缺陷和内部偏析缺陷，同时生产宽幅板材较困难且大多数需增加后续的精轧工序。
挤压也是制造高性能金属板材的主要方法之一，但传统挤压只能生产长、窄特征的板带材，宽幅受到限制且板带平面大多与挤压方向平行，压余和缩尾导致废料较多，板型控制困难，所需能耗大，模具寿命较低，生产不同厚度板材时常需更换芯模。传统挤压法生产的板材晶粒取向都是沿着某一方向且性能优于其他方向，各向异性显著。同时，多数板材挤压成形后还需轧制处理，工序流程较长，生产效率不高。
综上可知，传统加工成形方法难以满足高性能金属板材应用增量的实际需要，所形成的供求矛盾也逐渐凸显出来。如何实现高性能金属板材的高效、低耗、短流程制备或加工成形也是精确塑性成形前沿研究领域所关注的基础科学问题之一，随着科技创新的引领及推动，新工艺新方法将不断涌现并发挥重要作用。
发明内容
本发明的目的是提供了高性能金属板材的短流程挤压成形装置及方法。为了解决目前金属板材加工成形法所需工序流程长、道次较多、能耗偏大、工艺柔性差及品质性能调控困难等系列问题。该方法通过装置结构及加载模式的合理设计，可实现强塑变技术的细晶改性功效，在单道次内即可直接挤压成形出所需高性能板材制品，无需更换模具即可成形出不同厚度的板材，并能实现对板材形状尺寸及组织性能一体化的精确调控。
本发明是通过以下技术方案实现的：
装置：所述装置包括扭转机构、凸模、防打滑结构、套筒、螺纹、坯料、圆形板件、带状板件、局部约束环、螺栓、法兰、底座、环状限位块、分体限位块。装置结构的关键在于各部分结构设计。凸模端部设计了防打滑结构，套筒和法兰通过螺纹相互连接，根据实际需要，可更换不同内径d或圆角R的套筒满足多种尺寸坯料及变形比的要求，同时通过对具有不同高度h的环状限位块或分体限位块的调整挤出不同形状和厚度的板材。
方法：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、根据所制备板材形状尺寸及晶粒细化程度要求，选择不同高度h的环状限位块或分体限位块和不同内径d、不同圆角R的套筒，即得到相应的变形比；
步骤二、将螺栓放进底座中，一起放置在压力机工作台上；
步骤三、将所选择的环状限位块或分体限位块和局部约束环放在底座的指定位置；
步骤四、将所选择的套筒和法兰连接，用螺栓连接底座和套筒与法兰的组合体；
步骤五、依次将坯料、凸模以及扭转机构放入套筒中；
步骤六、驱动扭转机构，带动凸模进行转动；
步骤七、压力机下行通过扭转机构和凸模对坯料进行施载，坯料顺次流入底部型腔直至完全挤出；
本发明方法与现有技术相比具体以下有益效果：
一、本发明的创新之处在于通过挤压工艺在单道次内无需额外工序直接成形出所需的高性能金属板材制品；
二、板材成形过程中坯料由轴心处底部沿径向型腔向四周呈发散状变形流动，所得流线也同向分布，与传统轧制板材流线的单一方向分布相比，综合力学性能得到显著改善，更易于深加工成形（如拉深、胀形等）复杂形状构件；
三、由于凸模对坯料的施载方向始终与板材成形方向垂直，能够提供较大剪切变形量，可实现大塑性变形技术的细晶改性功效，获得深度改性的高性能板材；
四、通过改变套筒与底座的间隙即可调控板材厚度，同时结合套筒底部内侧圆角半径大小即可根据实际需要定量调控晶粒的细化程度，工艺柔性好；
五、采用软金属材质制作的局部约束环可以在板材挤出成形过程中起到背压作用，使板材在成形过程中始终受到三向压应力，防止板材在成形过程中出现翘曲、褶皱等缺陷，显著提高板材成形质量；
六、凸模下行加载的同时，施加了扭转运动，改变了坯料与套筒接触面上的摩擦力作用方向，显著降低了所需成形设备的吨位及载荷；
七、通过该方法实现了高性能板材形状与组织性能一体化的短流程协同调控。装置结构简单、实效性强，易于在生产实际中实施推广。
附图说明
图1是本发明装置的主剖视图（圆形板件4-1成形前）；
图2是本发明装置的主剖视图（圆形板件4-1成形后）。
图3是本发明圆形板件4-1立体图；
图4是本发明环状限位块9与底座8的俯视图和立体图。
图5是本发明装置的主剖视图（带状板件4-2成形前）；
图6是本发明装置的主剖视图（带状板件4-2成形后）。
图7是本发明带状板件4-2立体图；
图8是本发明分体限位块10与底座8的俯视图和立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~4说明本实施方式，本实施方式包括扭转机构1、凸模2、防打滑结构2-1、套筒3、螺纹3-1、坯料4、圆形板件4-1、局部约束环5、螺栓6、法兰7、底座8、环状限位块9。本实施方式由以下几个步骤完成：一、根据所制备板材形状尺寸及晶粒细化程度要求，选择不同高度h的环状限位块9或分体限位块10和不同内径d、不同圆角R的套筒3，即得到相应的变形比；二、将螺栓6放进底座8的沉孔中，并将底座8和螺栓6一起放在压力机工作台上；三、将所选择的环状限位块9或分体限位块10上的螺栓孔对准螺栓6放在底座8上，将局部约束环5放在底座8的中心位置；四、将所选择的套筒3和法兰7用螺纹3-1连接，保证套筒3与法兰7的工作平面水平，用螺栓6连接底座8和套筒3与法兰7的组合体；五、将坯料4放入套筒3中，并卡在局部约束环5中，然后将凸模2以及扭转机构1依次放入套筒3中；六、驱动扭转机构1，让其带动凸模2做旋转运动；七、压力机下行通过扭转机构1和凸模2对坯料4进行施载，坯料4顺次流入底部型腔直至完全挤出；八、把扭转机构1与凸模2从套筒3中移出，将底座8和套筒3与法兰7的组合体分开，取出圆形板件4-1制品；
具体实施方式二：结合图5~8说明本实施方式，本实施方式的分体限位块10为两个小半圆状，挤出成形出带状板件4-2、其它连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1~4说明本实施方式，本实施方式中套筒3的圆角R与实施方式一的不同，其它连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1~4说明本实施方式，本实施方式套筒3的直径d与实施方式一的不同，其它连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1~4说明本实施方式，本实施方式环状限位块9的高度h与实施方式一的不同，其它连接关系与具体实施方式一相同。
Claims (9)
1.高性能金属板材的短流程挤压成形装置，其特征在于所述装置包括扭转机构（1）、凸模（2）、防打滑结构（2-1）、套筒（3）、局部约束环（5）、螺栓（6）、法兰（7）、底座（8）、环状限位块（9）或分体限位块（10），环状限位块（9）或分体限位块（10）设在底座（8）上，法兰（7）设在环状限位块（9）或分体限位块（10）上，套筒（3）设在法兰（7）内，套筒（3）外表面与法兰（7）内表面设有螺纹，局部约束环（5）设在坯料（4）底部，坯料（4）设在套筒（3）内，凸模（2）设在套筒（3）内，坯料（4）上方，扭转机构（1）设在凸模（2）上方，通过该装置将坏料（4）成形为圆形板件（4-1）或带状板件（4-2）。
2.根据权利要求1所述高性能金属板材的短流程挤压成形装置，其特征在于凸模（2）端部设计了防打滑结构（2-1）。
3.根据权利要求1所述高性能金属板材的短流程挤压成形装置，其特征在于通过在坯料（4）底部添加的局部约束环（5），可以在板材挤出成形过程中起到背压作用，使板材在成形过程中始终受到三向压应力。
4.根据权利要求1所述高性能金属板材的短流程挤压成形装置，其特征在于套筒（3）和法兰（7）通过螺纹相互连接，根据实际需要，可更换不同内径d或圆角R的套筒（3）满足多种尺寸坯料及变形比的要求。
5.根据权利要求1所述高性能金属板材的短流程挤压成形装置，其特征在于通过采用不同高度h的环状限位块（9）或分体限位块（10），挤出不同厚度的圆形板件（4-1）或带状板件（4-2）。
6.根据权利要求4或5所述高性能金属板材的短流程挤压成形装置，其特征在于通过更换不同内径d的套筒（3）和对环状限位块（9）或分体限位块（10）高度h的调整，可得到变形比的变化范围为5~100。
7.根据权利要求4所述高性能金属板材的短流程挤压成形装置，其特征在于套筒（3）的圆角R的变化范围为1~10mm。
8.一种采用权利要求1所述的装置制备高性能金属板材的短流程挤压成形方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：一、根据所制备板材形状尺寸及晶粒细化程度要求，选择不同高度h的环状限位块（9）或分体限位块（10）和不同内径d、不同圆角R的套筒（3），即得到相应的变形比；二、将螺栓（6）放进底座（8）的沉孔中，并将底座（8）和螺栓（6）一起放在压力机工作台上；三、将所选择的环状限位块（9）或分体限位块（10）上的螺栓孔对准螺栓（6）放在底座（8）上，将局部约束环（5）放在底座（8）的中心位置；四、将所选择的套筒（3）和法兰（7）用螺纹连接，保证套筒（3）与法兰（7）的工作平面水平，用螺栓（6）连接底座（8）和套筒（3）与法兰（7）的组合体；五、将坯料（4）放入套筒（3）中，并卡在局部约束环（5）中，然后将凸模（2）以及扭转机构（1）依次放入套筒（3）中；六、驱动扭转机构（1），让其带动凸模（2）做旋转运动；七、压力机缓慢下行，以一定的速度对扭转机构（1）施加载荷，坯料（4）顺次流入底部型腔直至完全挤出；八、迅速把扭转机构（1）与凸模（2）从套筒（3）中取出，将底座（8）和套筒（3）与法兰（7）的组合体分开，取出挤压制品。
9.根据权利要求8所述制备高性能金属板材的短流程挤压成形方法，其特征在于压力机下行加载速度范围为1~100mm/s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Effective date of registration: 20200724 Address after: 350000 Tongyang 217, Dongtai Village, Qingkou Town, Minhou County, Fuzhou City, Fujian Province Patentee after: FUJIAN XIANGXIN SHARES Co.,Ltd. Address before: 150040 No. 4 Lin Yuan Road, Xiangfang District, Heilongjiang, Harbin Patentee before: HARBIN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Device and method for short process extrusion forming of high performance sheet metal Effective date of registration: 20201221 Granted publication date: 20190924 Pledgee: China Exim Bank Fujian branch Pledgor: FUJIAN XIANGXIN SHARES Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009691 |
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Date of cancellation: 20220923 Granted publication date: 20190924 Pledgee: China Exim Bank Fujian branch Pledgor: FUJIAN XIANGXIN SHARES Co.,Ltd. Registration number: Y2020980009691 |
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Denomination of invention: Short Process Extrusion Forming Device and Method for High Performance Sheet Metal Effective date of registration: 20220923 Granted publication date: 20190924 Pledgee: China Exim Bank Fujian branch Pledgor: FUJIAN XIANGXIN SHARES Co.,Ltd. Registration number: Y2022350000122 |