CN108380802A - 一种循环转模挤镦成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种循环转模挤镦成形装置及方法，它属于金属塑性成形工艺技术领域，它包括上冲头、凹模、下冲头和底座；凹模安装在底座上，且凹模能相对底座转动；凹模上设置有与凹模腔相通的挤压通道，所述下冲头滑动设置在底座内。挤镦成形方法步骤为：一、将圆柱形的坯料置于凹模内，将坯料和凹模进行预热并保温；二、上冲头下行，将坯料压入挤压通道，完成挤压成形；三、将挤压后的坯料从挤压通道顶回至凹模内，在凹模内形成镦粗型腔；四、上冲头下行，坯料在凹模内发生镦粗变形并充满镦粗型腔；五、重复以上若干次，实现坯料循环转模挤镦成形。本发明能够使材料在同一道次实现挤压和镦粗变形，同时材料还产生较大的剪切变形，从而实现组织的细化。

Description

一种循环转模挤镦成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制备超细晶材料的循环转模挤镦成形装置及方法，属于金属塑性成形工艺技术领域。

背景技术

对于铝合金、镁合金等一些轻质材料，其原始的力学性能并不是很理想，其经一定的塑性成形后可以改善其力学性能。随着航空、航天及武器装备的轻量化发展要求，对铝合金、镁合金等轻质材料的性能指标也提出了更高的要求。细晶强化是提高材料力学性能的有效方法之一，强塑性变形方法通过强烈的剪切变形，可以细化晶粒，获得超细晶材料，从而提高材料的力学性能。

目前比较常用的强塑性变形技术主要有等通道角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)和往复挤压(CEC)等方法，但这几种技术也存在一定的工艺局限性。

等通道挤压技术是前苏联的Segal在1977年提出的(USSR Patent No.575892)，其基本原理是在模具上设置一条截面尺寸相同但方向和角度不同的通道，试样被压入这条等径道之后产生纯剪切变形，使试样获得很大的累积变形量，后来经学者研究，该方法可以实现粗晶金属或合金的晶粒超细化，以达到提高材料性能的目的。但是等通道挤压由于在通道转角的内外角处材料的变形程度不同，采用该方法制备的超细晶材料的组织和性能不是十分均匀，而且挤压后试样端部会出现棱尖状，该棱尖状部分不适于做后续的多道次成形，这势必造成了材料的浪费。

经检索发现，中国申请号200510089151X提出了一种致试样细晶化的高压扭转实验方法，该方法可以获得比等通道挤压更细的超细晶材料，其工艺原理是通过旋转的上下模对中间的片状试样施加很大的载荷，使片状试样产生强烈的扭转剪切变形。该技术的缺点是只能制备小块的片状试样，难以实现规模工业生产。

往复挤压的基本原理是模具由两个同轴的相同尺寸的模腔和一个紧缩区组成，每个型腔配备一个冲头。在挤压过程中，试样在冲头的作用下，到达紧缩区，此时试样将受到正挤压变形，挤压后的试样在另一个模腔的冲头作用下发生镦粗变形。然后，另一边冲头将试样按上述过程反向压回完成一个挤压循环。重复以上过程直至获得所要的应变为止，然后移去一侧冲头就可以将试样挤出成型。材料经过往复来回的挤压和压缩受到很大的应变，从而得到细小、等轴的细晶组织。该技术的缺点是单道次变形量较小，组织细化程度不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种制备超细晶材料的循环转模挤镦成形装置及方法。该方法能够使材料在同一道次实现挤压和镦粗变形，同时材料还产生较大的剪切变形，从而实现组织的细化。

方案一：一种循环转模挤镦成形装置，它包括上冲头、凹模、下冲头和底座；凹模安装在底座上，且凹模能相对底座转动；凹模上设置有与凹模腔相通的挤压通道，所述下冲头滑动设置在底座内，下冲头上设有与挤压通道滑动的顶头，上冲头上设有与凹模腔滑动的顶头。

方案二：一种循环转模挤镦成形方法包括如下步骤：

一、凹模底部形成挤压通道，将与液压机的顶出缸相连接的下冲头调整至低于凹模挤压通道出口位置，将圆柱形的坯料置于凹模内，将坯料和凹模进行预热并保温；

二、启动伺服电机，通过传动机构驱动凹模转动，对与液压机的主油缸相连接的上冲头施压，上冲头下行，将坯料压入挤压通道，完成挤压成形，关闭伺服电机，凹模停止转动；

三、下冲头在液压机的顶出缸作用下上行，将挤压后的坯料从挤压通道顶回至凹模内，且使下冲头上端面与凹模底部处于同一平面，在凹模内形成镦粗型腔；

四、上冲头下行，坯料在凹模内发生镦粗变形并充满镦粗型腔，上冲头上行，使上冲头的下表面与坯料相脱离，下冲头下行至低于凹模挤压通道出口位置；

五、重复以上第二步至第四步若干次，实现坯料循环转模挤镦成形。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、本发明可以使坯料在一个循环中实现转模挤压和镦粗成形，由于挤压过程中采用了转动凹模，由于转动凹模的作用，挤压成形时的变形区产生剧烈的剪切变形，解决了往复挤压是单道次变形量较小、组织细化程度不理想的缺陷，有利于获得强塑性变形，经过多个循环转模挤镦成形，可以得到超细晶块体材料。从而达到细化晶粒，提高挤压材料力学性能的目的。

2、由于挤压成形过程中变形区材料产生剪切变形，在轴向正应变和剪切应变的共同作用下，导致在发生相同大小的变形量时，变形所需的轴向变形应力减小，从而降低了成形载荷，这对于节能、环保、经济有重要意义。

3、解决了高压扭转只能制备小块片状试样的限制，可以用于工业生产中大块超细晶坯料的制备。

附图说明

图1为本发明循环转模挤镦成形装置的结构示意图；

图2为利用循环转模挤镦成形装置实现坯料挤镦成形的过程示意图；

图3为实施例中稀土镁合金材料成形前的金相组织图；

图4为实施例中稀土镁合金材料利用循环转模挤镦成形后的金相组织图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明进行详细说明。

参见图1说明，一种循环转模挤镦成形装置，它包括上冲头1、凹模2、下冲头6和底座5；凹模2安装在底座5上，且凹模2能相对底座5转动；凹模2上设置有与凹模腔相通的挤压通道，所述下冲头6滑动设置在底座5内，下冲头6上设有与挤压通道滑动的顶头，上冲头1上设有与凹模腔滑动的顶头。

本实施方式中上冲头1和下冲头6分别加工有与凹模腔和挤压通道相配合的顶头，具体的来说上冲头1和下冲头6分别作成T形结构。坯料成形时，上冲头1与液压机的主油缸相连接，下冲头6与液压机的顶出缸相连接。

参见图1说明，在坯料成形过程中，凹模2在传动机构8带动下相对底座5转动。所述传动机构8采用齿轮传动，动力源为伺服电机7。齿轮传动中凹模2和伺服电机7的输出轴上分别安装一个齿轮，两个齿轮相互啮合实现凹模转动。

或者所述传动机构8采用链传动，动力源为伺服电机7。链传动中凹模2和伺服电机7的输出轴上分别安装一个链轮，两个链轮通过链条连接实现凹模转动。

参见图1说明，为了保证凹模2转动平稳可靠，凹模2通过推力轴承4安装在底座5上，凹模2与推力轴承4过盈配合。具体来说，凹模2与推力轴承4外圈的外周面相配合，底座5与推力轴承4内圈的内周面相配合。推力轴承4可选用推力球轴承或推力滚子轴承。推力轴承4可承受轴向力。

参图2说明，本发明还提供一种循环转模挤镦成形方法，该方法如下步骤：

一、凹模2底部形成挤压通道，将与液压机的顶出缸相连接的下冲头6调整至低于凹模2挤压通道出口位置，将圆柱形的坯料3置于凹模2内，将坯料3和凹模2进行预热并保温；

二、启动伺服电机7，通过传动机构8驱动凹模2转动，对与液压机的主油缸相连接的上冲头1施压，上冲头1下行，将坯料3压入挤压通道，完成挤压成形，关闭伺服电机7，凹模2停止转动；

三、下冲头6在液压机的顶出缸作用下上行，将挤压后的坯料3从挤压通道顶回至凹模2内，且使下冲头6上端面与凹模2底部处于同一平面，在凹模2内形成镦粗型腔；

四、上冲头1下行，坯料3在凹模2内发生镦粗变形并充满镦粗型腔，上冲头1上行，使上冲头1的下表面与坯料3相脱离，下冲头6下行至低于凹模2挤压通道出口位置；

五、重复以上第二步至第四步若干次，实现坯料循环转模挤镦成形。

上述挤镦成形过程中，预热并保温是加热到350-450℃，保温10-20分钟。

上述挤镦成形过程中，凹模2的转动速度为2-40转/分钟。

所述上冲头、下冲头、凹模的材料和性能要求，可以根据处理的材料的特性进行选择和设计。

下面以镁合金为例更进一步地说明本发明，如图1和图2所示，本实施例所涉及的循环转模挤镦成形装置包括：上冲头1、凹模2、下冲头6、推力滚动轴承4、底座5、传动机构8和伺服电机7。所述上冲头1与液压机的主油缸相连接；所述推力滚动轴承4设置于凹模2与底座5之间，与凹模2呈过盈配合；所述底座5固定在液压机的工作平台上；所述下冲头6与液压机的顶出缸相连接。

所述传动机构8一端与凹模2相连接，另一端与伺服电机7相连接。

所述传动机构8为齿轮传动或链轮传动。

凹模2设置于底座5上，通过伺服电机7、传动机构8以及推力滚动轴承4实现凹模的转动。

坯料挤镦成形方法具体步骤为：将与液压机的顶出缸相连接的下冲头6调整至低于凹模2挤压通道出口位置，凹模2底部形成挤压通道，将圆柱形的镁合金坯料3置于凹模2内，将坯料3和凹模2一起预热到400℃并保温10分钟；启动伺服电机7，通过传动机构8驱动凹模2转动，对与液压机的主油缸相连接的上冲头1施压，上冲头1下行，下行速度5mm/s，在上冲头1的作用下，将坯料3压入凹模2的挤压通道，完成挤压成形，关闭伺服电机7，凹模2停止转动；下冲头6在液压机的顶出缸作用下上行，将挤压后的坯料3从凹模2的挤压通道顶回至凹模2内，且使下冲头6顶头的上端面与凹模2的底部处于同一平面，在凹模2内形成镦粗型腔；上冲头1下行，坯料3在上冲头1的作用下在凹模2内发生镦粗变形并充满镦粗型腔，从而完成一个循环的转模挤镦成形。以此类推，重复上述过程，进行5个循环的转模挤镦成形加工。

完成5个循环的转模挤镦成形后，下冲头6在液压机的顶出缸作用下上行，将经过5个循环转模挤镦成形后的坯料3从凹模2的上面顶出，取出坯料3，从而完成块体超细晶坯料3的制备。上述成形过程中，凹模2的转动速度为4.8转/分钟。如图3和图4所示，Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.6Zr稀土镁合金挤压前后的金相组织。如图3所示，挤压前材料的平均晶粒尺寸为70μm左右，抗拉强度为260MPa。经5个循环的转模挤镦成形后，如图4所示，所制备材料的平均晶粒尺寸为2.5μm，抗拉强度为410MPa。由此可见，利用本发明成形装置及方法可得到超细晶块体材料，从而达到细化晶粒，提高挤压材料力学性能的目的。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种循环转模挤镦成形装置，其特征在于：它包括上冲头(1)、凹模(2)、下冲头(6)和底座(5)；凹模(2)安装在底座(5)上，且凹模(2)能相对底座(5)转动；凹模(2)上设置有与凹模腔相通的挤压通道，所述下冲头(6)滑动设置在底座(5)内，下冲头(6)上设有与挤压通道滑动的顶头，上冲头(1)上设有与凹模腔滑动的顶头。

2.根据权利要求1所述一种循环转模挤镦成形装置，其特征在于：凹模(2)在传动机构(8)带动下相对底座(5)转动。

3.根据权利要求2所述一种循环转模挤镦成形装置，其特征在于：所述传动机构(8)采用齿轮传动，动力源为伺服电机(7)。

4.根据权利要求2所述一种循环转模挤镦成形装置，其特征在于：所述传动机构(8)采用链传动，动力源为伺服电机(7)。

5.根据权利要求1所述一种循环转模挤镦成形装置，其特征在于：凹模(2)通过推力轴承(4)安装在底座(5)上，凹模(2)与推力轴承(4)过盈配合。

6.利用权利要求1-5任一项权利要求所述成形装置实现循环转模挤镦成形方法，其特征在于：它包括如下步骤：

一、凹模(2)底部形成挤压通道，将与液压机的顶出缸相连接的下冲头(6)调整至低于凹模(2)挤压通道出口位置，将圆柱形的坯料(3)置于凹模(2)内，将坯料(3)和凹模(2)进行预热并保温；

二、启动伺服电机(7)，通过传动机构(8)驱动凹模(2)转动，对与液压机的主油缸相连接的上冲头(1)施压，上冲头(1)下行，将坯料(3)压入挤压通道，完成挤压成形，关闭伺服电机(7)，凹模(2)停止转动；

三、下冲头(6)在液压机的顶出缸作用下上行，将挤压后的坯料(3)从挤压通道顶回至凹模(2)内，且使下冲头(6)上端面与凹模(2)底部处于同一平面，在凹模(2)内形成镦粗型腔；

四、上冲头(1)下行，坯料(3)在凹模(2)内发生镦粗变形并充满镦粗型腔，上冲头(1)上行，使上冲头(1)的下表面与坯料(3)相脱离，下冲头(6)下行至低于凹模(2)挤压通道出口位置；

五、重复以上第二步至第四步若干次，实现坯料循环转模挤镦成形。

7.根据权利要求6所述一种循环转模挤镦成形方法，其特征在于：所述的预热并保温是加热到350-450℃，保温10-20分钟。

8.根据权利要求7所述一种循环转模挤镦成形方法，其特征在于：凹模(2)的转动速度为2-40转/分钟。

9.根据权利要求8所述一种循环转模挤镦成形方法，其特征在于：所述预热并保温是加热到400℃，保温10分钟。

10.根据权利要求6、7、8或9所述一种循环转模挤镦成形方法，其特征在于：坯料(3)为镁合金或铝合金。