CN108526282A - 多功能高压扭转纳米材料成型机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能高压扭转纳米材料成型机，通过控制器及固化软件设置高压扭转过程中的载荷、压强、旋转角度、扭矩、转速、温度、时间、真空度相关参数，配合液压泵、步进电机及加热冷却装置对金属块体及粉末材料进行高压扭转变形，制备广泛应用于航空、航天、船舶、兵器、核工业等领域的新型纳米材料。本发明的有益效果：对加工材料提供200吨压力及2300Nm极大扭矩；对材料进行加热、冷却、及惰性气体保护；配套模块化铁砧套件能在自由变形，半约束变形，全约束变形，块体成型条件下制备大尺寸纳米材料；加工过程中通过传感器及数据采集器进行闭环反馈精确控制；独立参数设置，在多种条件下制备不同性能的新型纳米型材。

Description

多功能高压扭转纳米材料成型机

技术领域

本发明属于机械电子技术领域，具体涉及液压执行控制，步进电机执行控制，机械传动装置设计制造，模具设计制造，夹具设计制造，模拟数字信号处理，加热系统设计制造，冷却系统设计制造，控制及采集分析软件编写。

背景技术

同类：采用高压扭转法制备金属纳米材料的方法属于块体金属及粉末金属大塑性变形的常规方法。目前国内及国外没有多功能高压扭转纳米材料成型的专用设备。通常只是在传统压力机上进行改进，但由于材料及工艺的复杂性，实际作用于样品的压力值不能满足试验及生产的要求，并且不具备加热，冷却，惰性气体保护，传感器闭环反馈控制，及模块化更换铁砧对样品进行自由变形高压扭转、半约束高压扭转、全约束高压扭转及块体成型高压扭转的功能。

相关：本发明中涉及的部分部件国内有类似应用，但本发明中有特殊改动：

1.常规压力设备中成型铁砧为单一固定式，本发明中成型铁砧可模块化更换，且成型铁砧能承受25.5Gpa压强。

2.常规压力扭转设备中不能对扭矩进行标定，本发明中能对传动轴施加给样品的扭矩进行标定，标定范围最大2300Nm。

3.常规压力扭转设备中不能对样品进行加热，本发明采用射频加热技术能对样品加热到700℃。

4.常规压力扭转设备中不能对样品进行冷却，本发明能对样品进行冷却其温度范围为-20℃～20℃。

5.常规压力扭转设备不能对样品进行惰性气体保护，本发明能在样品加热时进行氦气等惰性气体保护。

6.常规压力扭转设备不能同时软件控制步进电机及液压泵进行精确运动，本发明中集成控制软件能对样品在高压扭转过程中的载荷、压强、旋转角度、扭矩、转速、温度、时间、真空度通过数据采集系统进行闭环反馈控制。

具体比较：国内及国外无专业用于金属块体及金属粉末大塑性变形的多功能高压扭转纳米材料成型机。目前的高压扭转纳米材料制备设备通常是在压力机上进行改进，对样品施加一定的压力和扭矩，由于材料和工艺的特殊性，压力值得不到保证，样品的细晶化程度不高，同时不具备加热、冷却、惰性气体保护功能，在成型尺寸上不能进行大型块体材料的高压扭转纳米材料成型。

国内及国外尚无真正用于金属块体及金属粉末大塑性变形的多功能高压扭转纳米材料成型机，属于技术市场空白。不能满足航空、航天、船舶、兵器、核工业等领域对金属纳米材料的研究应用需求。

国内急需发明一款能在不同压力、扭矩、温度及不同约束条件下制备大型金属纳米材料的多功能成型机以满足航空、航天、船舶、兵器、核工业等应用领域对新型纳米材料的研究应用需求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能在不同压力、扭矩、温度、气氛条件下以不同约束方式制备不同尺寸的金属块体及金属粉末纳米材料的多功能高压扭转纳米材料成型机。以满足航空、航天、船舶、兵器、核工业等应用领域对新型纳米材料的研究应用需求。

解决本发明的具体技术方案：

通过控制器及固化软件设置高压扭转过程中的载荷、压强、旋转角度、扭矩、转速、温度、时间、真空度相关参数，装载样品及对应的约束方式铁砧，包括：自由变形铁砧、半约束铁砧、全约束铁砧、及块体成型铁砧。

开启程序执行开关，真空泵对密封样品舱进行抽真空，然后通入惰性气体对样品进行保护，加热装置随即对样品加热到指定温度，并施加设定的压力，同时按设定的挤压时间、圈数、转速、扭矩大小对样品进行扭转从而得到所需的金属纳米材料。根据不同参数设置制备性能不同的金属纳米材料。样品制备结束后通过冷却系统对样品进行冷却。然后从对应的铁砧中取出样品。在设置相关参数进行高压扭转时对应的传感器及数据采集系统将实时的载荷、压强、旋转角度、扭矩、转速、温度、时间、真空度等相关物理量进行闭环反馈控制。金属纳米材料制备过程中也可以不对样品加热而直接对样品进行冷却从而得到低温状态下制备的金属纳米材料。

本发明的有益效果组成：

1.液压泵提供极大的压力通过液压活塞传递到上铁砧产生最大200吨压力，在直径10mm的圆形样品上产生25.5G Pa的压强，铁砧不发生形变。

2.加热装置通过射频加热方式在上铁砧挤压样品的同时加热样品到700℃。

3.冷却装置对样品进行冷却，温度范围为-20℃～20℃。

4.步进齿轮电机通过传动轴作用于下铁砧对样品提供最大2300Nm扭矩。

5.扭矩标定装置对下铁砧受到的扭矩进行标定。

6.弹簧回转装置对传动轴及下铁砧进行自动复位。

7.真空泵对密封压力工作舱进行抽真空，达到真空度≤10^-2Pa。

8.惰性气体系统对密封压力工作舱中的样品进行包括氦气在内的惰性气体保护。

9.控制器及固化软件对样品在高压扭转工程中的载荷、压强、旋转角度、扭矩、转速、温度、时间、真空度通过数据采集系统进行闭环反馈控制。

10.上铁砧和下铁砧为模块化组合，对样品进行自由变形高压扭转、半约束高压扭转、全约束高压扭转及块体成型高压扭转，其成型面积1m×1m、厚度0.5m。

在自由变形高压扭转中上铁砧和下铁砧表面为平面。

在半约束高压扭转中上铁砧和下铁砧中部为圆形凹槽，上铁砧中部凹槽深度为样品厚度一半，直径为样品直径，下铁砧中部凹槽深度为样品厚度一半，直径为样品直径。

在全约束高压扭转中上铁砧和下铁砧表面为平面，直径为样品直径，并附环形约束环约束样品沿着圆周方向变形，约束环在圆周上为三瓣等分组合便于样品取出。约束环外为紧固套固定。

在块体成型高压扭转中上铁砧和下铁砧表面为平面，直径为10mm及20mm，并附正方形约块，约束样品沿圆周方向变形，约束块上下为约束板协同上铁砧和下铁砧约束样品厚度方向变形，上铁砧和下铁砧及约束板能共同对样品在其平面方向进行相对运动，分块对样品进行高压扭转，正方形约束块在样品厚度方向可进行模块化叠加，增加样品厚度。

附图说明

1.图1多功能高压扭转纳米材料成型机

(1)密封压力工作舱

(2)液压活塞

(3)上铁砧

(4)加热装置

(5)冷却装置

(6)传动轴

(7)下铁砧

(8)扭矩标定装置

(9)弹簧回转装置

(10)步进齿轮电机

(11)冷却泵

(12)真空泵

(13)惰性气体系统

(14)控制器及固化软件

(15)液压泵

(16)数据采集系统

2.图2自由变形高压扭转铁砧套件

(1)上铁砧(表面为平面。)

(2)样品

(3)下铁砧(表面为平面。)

3.图3半约束变形高压扭转铁砧套件

(1)上铁砧(中部为凹槽，深度为样品厚度一半，直径为样品直径。)

(2)下铁砧(中部为凹槽，深度为样品厚度一半，直径为样品直径。)

4.图4全约束变形高压扭转铁砧套件

(1)上铁砧(表面为平面。)

(2)样品

(3)环形约束环(约束样品沿着圆周方向变形，约束环在圆周上为三瓣等分组合便于样品取出。)

(4)紧固套

(5)下铁砧(表面为平面。)

5.图5块体成型高压扭转铁砧套件

(1)上铁砧(表面为平面。)

(2)上约束板(协同上铁砧和下铁砧约束样品厚度方向变形，能共同对样品在其平面方形进行相对运动。)

(3)下约束板(协同上铁砧和下铁砧约束样品厚度方向变形，能共同对样品在其平面方向进行相对运动。)

(4)下铁砧(表面为平面。)

(5)正方形约块A(约束样品沿圆周方向变形，可在样品厚度方向进行模块化叠加，增加样品厚度。)

(6)正方形约块B(约束样品沿圆周方向变形，可在样品厚度方向进行模块化叠加，增加样品厚度。)

(7)样品

具体实施方式

设计制造控制器及固化软件，设计制造传动装置及成型装置。设置高压扭转工程中的载荷200吨、压强25.5GPa、旋转角度45度、扭矩2300Nm、转速1rpm、温度700℃、时间2min、真空度10^-2Pa，装载直径10mm、厚度1mm样品于设计加工的半约束铁砧，开启启动开关进行样品的高压扭转成型。成型结束温度显示冷却到20℃，打开密封样品舱，取出样品。

实施例：

1.密封压力工作舱采用双层橡胶密封条密封，舱体统一成型，舱门为高强度有机玻璃。

2.采用matlab(vb，c或labview)编写驱动程序及采集控制操作软件。

3.设计制造液压活塞直径250mm，行程110mm，可模块化装载铁砧。

4.设计制造自由变形高压扭转铁砧套件直径60cm，半约束变形高压扭转铁砧套件直径10mm及20mm中部凹槽深度0.2-1mm。设计制造全约束变形高压扭转铁砧套件直径10mm及20mm，约束环深度5cm。设计制造块体成型高压扭转铁砧套件直径10mm及20mm，正方形约束块边长为1m，厚度5mm。

5.设计制造3900W大功率冷却装置，采用R407C冷媒。

6.设计制造5KW大功率冷RF加热装置，末端采用环状结构。并采用激光温度传感器测试反馈。

7.采样机械泵及分子泵对样品舱抽真空达到真空度≤10^-2Pa，惰性气体瓶容积0.5立方米。

8.设计扭矩标尺对加压过程中扭矩进行标定，通过弹簧复位装置进行复位。

Claims (11)

1.本发明是一种多功能高压扭转纳米材料成型机，包括密封压力工作舱(1)、液压活塞(2)、上铁砧(3)、加热装置(4)、冷却装置(5)、传动轴(6)、下铁砧(7)、扭矩标定装置(8)、弹簧回转装置(9)、步进齿轮电机(10)、冷却泵(11)、真空泵(12)、惰性气体系统(13)、控制器及固化软件(14)、液压泵(15)、数据采集系统(16)，其特征在于液压泵(15)能提供极大的压力通过液压活塞(2)传递到上铁砧(3)产生最大200吨压力作用在直径10mm的圆形样品上产生25.5G Pa的压强，加热装置(4)能在上铁砧(3)挤压样品的同时加热样品到700℃，冷却装置(5)能对样品进行冷却其温度范围为-20℃～20℃，步进齿轮电机(10)通过传动轴(6)作用于下铁砧(7)能对样品提供最大2300Nm扭矩，扭矩标定装置(8)能对下铁砧(7)受到的扭矩进行标定最大标定范围2300Nm，弹簧回转装置(9)能对传动轴(6)及下铁砧(7)进行复位，真空泵(12)能对密封压力工作舱(1)抽真空达到真空度≤10^-2Pa，惰性气体系统(13)能对压力工作舱(1)中的样品进行包括氦气在内的惰性气体保护，控制器及固化软(14)能对样品在高压扭转工程中的载荷、压强、旋转角度、扭矩、转速、温度、时间、真空度通过数据采集系统(16)进行闭环反馈控制，上铁砧(3)和下铁砧(7)为模块化组合方式能对样品进行自由变形高压扭转、半约束高压扭转、全约束高压扭转、及块体成型高压扭转其成型面积1m×1m、厚度0.5m。

2.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，其特征是液压泵(15)提供极大的压力通过液压活塞(2)传递到上铁砧(3)产生最大200吨压力，在直径10mm的圆形样品上产生25.5G Pa的压强。

3.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，其特征是加热装置(4)在上铁砧(3)挤压样品的同时加热样品到700℃。

4.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，冷却装置(5)对样品进行冷却，温度范围为-20℃～20℃。

5.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，步进齿轮电机(10)通过传动轴(6)作用于下铁砧(7)对样品提供最大2300Nm扭矩。

6.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，扭矩标定装置(8)对下铁砧(7)受到的扭矩进行标定最大标定范围2300Nm。

7.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，弹簧回转装置(9)对传动轴(6)及下铁砧(7)进行复位。

8.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，真空泵(12)对密封压力工作舱(1)抽真空达到真空度≤10^-2Pa。

9.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，惰性气体系统(13)对压力工作舱(1)中的样品进行包括氦气在内的惰性气体保护。

10.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，控制器及固化软(14)对样品在高压扭转工程中的载荷、压强、旋转角度、扭矩、转速、温度、时间、真空度通过数据采集系统(16)进行闭环反馈控制。

11.根据权利要求1所述的多功能高压扭转纳米材料成型机，上铁砧(3)和下铁砧(7)为模块化组合，对样品进行自由变形高压扭转、半约束高压扭转、全约束高压扭转及块体成型高压扭转，其成型面积1m×1m、厚度0.5m。在自由变形高压扭转中上铁砧(3)和下铁砧(7)表面为平面。在半约束高压扭转中上铁砧(3)和下铁砧(7)中部为圆形凹槽，上铁砧(3)中部凹槽深度为样品厚度一半，直径为样品直径，下铁砧(7)中部凹槽深度为样品厚度一半，直径为样品直径。在全约束高压扭转中上铁砧(3)和下铁砧(7)表面为平面，直径为样品直径，并附环形约束环约束样品沿着圆周方向变形，约束环在圆周上为三瓣等分组合便于样品取出。约束环外为紧固套固定。在块体成型高压扭转中上铁砧(3)和下铁砧(7)表面为平面，直径为10mm及20mm，并附正方形约块，约束样品沿圆周方向变形，约束块上下为约束板协同上铁砧(3)和下铁砧(7)约束样品厚度方向变形，上铁砧(3)和下铁砧(7)及约束板能共同和样品在其平面方向进行相对运到，分区域对样品进行高压扭转，正方形约束块在样品厚度方向可进行模块化叠加，增加样品厚度。