CN109290383B - 一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置及方法，属于金属塑性加工领域。该带螺旋凸台芯棒旋转挤镦装置主要由带螺旋凸台芯棒、挤镦凹模、上端盖、下端盖以及垫环组成。带螺旋凸台芯棒在轴向中间位置设有等截面螺旋凸台，芯棒放置于挤镦凹模内，上端盖、下端盖通过内六角螺栓与挤镦凹模相连接，与垫环、带螺旋凸台芯棒组成封闭型腔。该挤镦装置通过下端盖由螺栓固定在旋转挤压机工作台上。带螺旋凸台芯棒下压，同时绕其自身轴线进行旋转，在使材料产生挤压镦粗的同时，管材壁厚方向产生剪切变形，可以细化组织，从而获得高性能管材。该方法一次即可产生剧烈变形，晶粒细化效率高，该方法适于冷、温、热变形，适用材料范围广。

Description

一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置及方法
技术领域
本发明涉及金属塑料加工技术领域，具体地说，是一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置及方法。
背景技术
管材在机械、化工、航空航天、汽车等行业领域广泛使用，提高管材力学性能是实现构件轻量化的重要途径。组织超细化是制备高性能管材的重要手段，近年来受到各国学者的重视。而剧烈塑性变形是细化材料组织最有效的方法，近年来开发的剧烈塑性变形技术主要包括等径角挤压（ECAP）、高压扭转（HPT）、往复挤压（CEC）等。
经过对现有技术文献的检索发现，A. Babaei等人在《Progress in NaturalScience: Materials International》（2014，24（6）：623-630）上发表的“Tubular purecopper grain refining by tube cyclic extrusion–compression (TCEC) as a severeplastic deformation technique”一文中首次介绍了管材往复挤镦技术。管材坯料被密封于芯棒和凹模之间，通过带凸台的芯棒往复运动，使管材先挤压后镦粗，通过4道次变形将纯铜晶粒尺寸由45μm细化至200-350nm，但该方法需要的变形道次多，变形效率低。常规往复挤镦技术中材料主要沿轴向挤压后再被镦粗，变形主要发生在壁厚方向，而沿管材切向的变形小。常规往复挤镦技术经多道次变形后其组织沿管材圆周方向仍呈带状，组织具有一定的方向性。
进一步的检索发现，中国发明专利授权号CN104801558B，发明名称：一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法，该方法采用带有两个圆环凸台的芯棒制备镁铝合金复合管，推进一次可实现两次塑性变形，有效地细化晶粒组织，获得了具有优异综合性能的增强型镁铝层状复合管材。该方法与采用传统的带一圈凸台的芯棒相比，虽然提高了变形程度，但变形程度仍然偏低，需要往复变形，降低了生产效率。
进一步的检索发现，中国发明专利授权号CN105537307B，发明名称：管材制备的连续剪切往复反挤复合式加工装置及方法。该方法的优点是在变截面挤压杆轴向运动的同时，可以通过旋转式工作台使管壁产生剪切变形，但该剪切变形主要依赖管材与挤压杆和挤压筒之间的摩擦。但对于轴对称件，管材与挤压杆和挤压筒之间易于产生滑动，影响剪切变形程度。因此，开发一种高效、效果好的超细晶管材制备技术具有重要意义。
发明内容
针对现有背景技术的不足，本发明的目的是提供一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置及方法。本发明采用带螺旋凸台结构的新型芯棒，通过芯棒下压的同时旋转，使管材不仅产生挤压和镦粗变形，同时依靠螺旋结构凸台和摩擦的共同作用，使管材内表面相对于其外表面产生沿管材切向的剪切变形，加速晶粒细化，通过控制压下速度和旋转速度，可以实现一道次挤压累积大变形，达到细化晶粒的目的，明显提高生产效率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置：包括带螺旋凸台芯棒、挤镦凹模、上端盖、下端盖、垫环；所述挤镦凹模沿竖直中心开设有圆形通道，通道直径与管材外径相同，上端通过内六角螺栓与上端盖相连，下端通过内六角螺栓与下端盖相连；所述带螺旋凸台芯棒设置在挤镦凹模内，带螺旋凸台芯棒外圆面设置有等截面螺旋形凸台，带螺旋凸台芯棒的上端通过上端盖的中心圆形通孔穿出，带螺旋凸台芯棒的下端通过下端盖的中心圆形通孔穿出，实现带螺旋凸台芯棒的定位，带螺旋凸台芯棒的上端通过可旋转芯棒固定座与挤压机相连；所述垫环设置在挤镦凹模的圆形通道内，并套在带螺旋凸台芯棒的上端杆部，垫环下端与管材的上端面接触，垫环上端与上端盖的下端面接触；所述下端盖通过螺栓固定在挤压机工作台上。
本发明的进一步改进，挤镦凹模为整体圆环状，圆形通道内表面需经粗糙化处理。
本发明的进一步改进，带螺旋凸台芯棒纵向中间设置有等截面螺旋形凸台结构，螺旋凸台与芯棒杆部连接处均采用圆弧过渡，螺旋圈数为1-3圈，螺旋升角为5°-25°，螺旋凸台高度为所述管材壁厚的10%-60%。
本发明披露的一种用来制备超细晶管材的方法，使用上述的带螺旋凸台芯棒旋转挤镦装置，包括如下步骤：
步骤①：对待变形管材进行预处理（包括退火、固溶、球化处理等），以降低其变形抗力，提高塑性；
步骤②：对管材内外表面进行处理，清除氧化皮，并检查其内外壁与带螺旋凸台芯棒表面和挤镦凹模通道内壁的配合情况，然后对管材进行清洗；
步骤③：对管材内表面进行润滑处理；
步骤④：将管材放入挤镦凹模的圆形通道中，将带螺旋凸台芯棒自上而下穿入管材，将垫环自上而下套入带螺旋凸台芯棒，将带螺旋凸台芯棒上下两端分别套入上端盖和下端盖，通过内六角螺栓将下端盖与挤镦凹模紧固在一起，通过内六角螺栓将上端盖与挤镦凹模连接并预紧；
步骤⑤：通过螺栓将下端盖固定在挤压机工作台上，在上端盖上表面放置一圆环形垫块，挤压机自上而下压圆环形垫块，圆环形垫块依次推动上端盖、垫环和带螺旋凸台芯棒，使螺旋凸台挤入管材并使其充满螺旋凸台之间的空隙，紧固内六角螺栓，取下圆环形垫块，将带螺旋凸台芯棒与芯棒固定座相连并紧固；
步骤⑥：启动旋转挤压机，带螺旋凸台芯棒下压的同时绕其轴线旋转，随带螺旋凸台芯棒不断下移，使管材变形，直至螺旋凸台接近下端盖的上表面，挤镦过程结束；
步骤⑦：将芯棒固定座与带螺旋凸台芯棒分离，拆除挤压机工作台的螺栓和上端盖、下端盖的内六角螺栓，从挤镦凹模中取出带螺旋凸台芯棒，取下垫环，将带螺旋凸台芯棒从管材中推出，即可获得超细晶管材。
进一步的，所述带螺旋凸台芯棒的压下速度为0.05mm/s-10mm/s，旋转速度为0.1转/分钟-10转/分钟。
当管材材料不适合或者无法进行室温加工时，可在挤镦凹模外壁设置加热套，对管材和挤镦装置进行整体加热。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用带螺旋凸台芯棒代替传统的圆环状凸台芯棒，在下压的同时进行旋转，不仅依赖摩擦驱动管材内外壁之间产生剪切变形，螺旋凸台结构的旋转为剪切变形的产生提供了强大的驱动力，加速组织细化过程，提高了组织细化效率。
2、通过调整螺旋结构凸台的高度、结构、螺旋升角、压下速度、旋转速度，一次挤压即可能获得足够大的应变，细化材料组织，大大提高生产效率。
3、该模具结构简单，通过在挤镦凹模外配置加热装置和控温系统，可以实现材料的冷、温、热变形，扩大了适用材料的范围。
附图说明
图1为本发明披露用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置的半剖结构示意图。
图2为图1中带螺旋凸台芯棒结构示意图。
图3为用DEFORM模拟1100Al经本发明的装置及方法变形后的等效应变场。
图4为用DEFORM模拟1100Al经本发明的装置及方法变形后的等效应变场。
图中，1-芯棒固定座，2-带螺旋凸台芯棒，3-垫环，4-内六角螺栓，5-上端盖，6-挤镦凹模，7-管材，8-内六角螺栓，9-下端盖，10-挤压机工作台，11-螺栓。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：如图1和图2所示，一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置，包括带螺旋凸台芯棒2、挤镦凹模6、上端盖5、下端盖9、垫环3；所述挤镦凹模6沿竖直中心开设有圆形通道，该圆形通道直径与管材7外径相同，上端通过内六角螺栓4与所述上端盖5相连，下端通过内六角螺栓8与所述下端盖9相连；所述带螺旋凸台芯棒2设置在所述挤镦凹模6内，所述带螺旋凸台芯棒2外圆面设置有等截面螺旋形凸台，所述带螺旋凸台芯棒2的上端通过所述上端盖5的中心圆形通孔穿出，所述带螺旋凸台芯棒2的下端通过所述下端盖9的中心圆形通孔穿出实现带螺旋凸台芯棒2的定位，所述带螺旋凸台芯棒2的上端通过可旋转芯棒固定座1与挤压机相连，所述垫环3设置在所述挤镦凹模6的圆形通道内，并套在所述带螺旋凸台芯棒2的上端杆部，所述垫环3下端与所述管材7的上端面接触，所述垫环3上端与所述上端盖5的下端面接触，所述下端盖9通过螺栓11固定在挤压机工作台10上。
在本实施例中，所述挤镦凹模6为整体圆环状，其圆形通道内表面需经粗糙化处理；所述带螺旋凸台芯棒2纵向中间设置有等截面螺旋形凸台结构，螺旋凸台与芯棒杆部连接处均采用圆弧过渡，螺旋圈数为1-3圈，螺旋升角为5°-25°，所述螺旋凸台高度为所述管材7壁厚的10%-60%。
利用上述实施例披露的制备超细晶管材的装置用来制备超细晶管材的具体方法如下：
步骤①：对待变形管材7进行预处理，该预处理包括退火、固溶或球化处理等；
步骤②：对管材7内外表面进行处理，清除氧化皮，并检查其内外壁与带螺旋凸台芯棒2表面和挤镦凹模6通道内壁的配合情况，然后对管材7进行清洗；
步骤③：对管材7内表面进行润滑处理；
步骤④：将管材7放入挤镦凹模6的圆形通道中，将带螺旋凸台芯棒2自上而下穿入管材7，将垫环3自上而下套入带螺旋凸台芯棒2，将带螺旋凸台芯棒2上下两端分别套入上端盖5和下端盖9，通过内六角螺栓8将下端盖9与挤镦凹模6紧固在一起，通过内六角螺栓4将上端盖5与挤镦凹模6连接并预紧；
步骤⑤：通过螺栓11将下端盖9固定在挤压机工作台10上，在上端盖5上表面放置一圆环形垫块，挤压机自上而下压圆环形垫块，圆环形垫块依次推动上端盖5、垫环3和带螺旋凸台芯棒2，使螺旋凸台挤入管材7并使其充满螺旋凸台之间的空隙，紧固内六角螺栓4，取下圆环形垫块，将带螺旋凸台芯棒2与芯棒固定座1相连并紧固；
步骤⑥：启动旋转挤压机，使带螺旋凸台芯棒2下压的同时绕其轴线旋转，随带螺旋凸台芯棒2不断下移，管材7变形，直至螺旋凸台接近下端盖9的上表面，挤镦过程结束；
步骤⑦：将芯棒固定座1与带螺旋凸台芯棒2分离，拆除螺栓11，然后拆除内六角螺栓4和8，从挤镦凹模6中取出带螺旋凸台芯棒2，取下垫环3，将带螺旋凸台芯棒2从管材7中推出，即可获得超细晶管材。
进一步地，所述带螺旋凸台芯棒2的压下速度为0.05mm/s-10mm/s，旋转速度为0.1转/分钟-10转/分钟。
以下是按照本发明的装置及方法用DEFORM进行仿真的实例。
实例1：管材7内径25mm，管材7壁厚5mm，材料为1100Al，螺旋凸台芯棒2螺旋升角为8°，凸台高度1.3mm，螺旋凸台圈数为1圈，芯棒压下速度1mm/s，芯棒旋转速度48转/分钟，芯棒压下方向向下。此情况下管材等效应变场如图3所示，可以看出，一道次挤压即在管材内部产生了很高的等效应变，最大等效应变高达16.3，内表面大部分区域等效应变超过10，该等效应变足以明显细化材料组织。
实例2：管材7内径25mm，管材7壁厚5mm，材料为1100Al，螺旋凸台芯棒2螺旋升角为8°，凸台高度1.3mm，螺旋凸台圈数为1圈，芯棒压下速度1mm/s，芯棒旋转速度96转/分钟，芯棒压下方向向下。此情况下管材等效应变场如图4所示，可以看出最大等效应变高达26，内表面大部分区域等效应变超过13。
以上实例说明本发明所提出的装置及方法一道次即可在管材内产生很大的塑性变形，变形效率较传统管材往复挤压工艺明显提高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置，其特征在于：包括带螺旋凸台芯棒（2）、挤镦凹模（6）、上端盖（5）、下端盖（9）、垫环（3）；所述挤镦凹模（6）沿竖直中心开设有圆形通道，该圆形通道直径与管材（7）外径相同，上端通过内六角螺栓（4）与所述上端盖（5）相连，下端通过内六角螺栓（8）与所述下端盖（9）相连；所述带螺旋凸台芯棒（2）设置在所述挤镦凹模（6）内，所述带螺旋凸台芯棒（2）外圆面设置有等截面螺旋形凸台，所述带螺旋凸台芯棒（2）的上端通过所述上端盖（5）的中心圆形通孔穿出，所述带螺旋凸台芯棒（2）的下端通过所述下端盖（9）的中心圆形通孔穿出实现带螺旋凸台芯棒（2）的定位，所述带螺旋凸台芯棒（2）的上端通过可旋转芯棒固定座（1）与挤压机相连，所述垫环（3）设置在所述挤镦凹模（6）的圆形通道内，并套在所述带螺旋凸台芯棒（2）的上端杆部，所述垫环（3）下端与所述管材（7）的上端面接触，所述垫环（3）上端与所述上端盖（5）的下端面接触，所述下端盖（9）通过螺栓（11）固定在挤压机工作台（10）上，所述带螺旋凸台芯棒（2）纵向中间设置有等截面螺旋形凸台结构，螺旋凸台与芯棒杆部连接处均采用圆弧过渡，螺旋圈数为1-3圈，螺旋升角为5°-25°，所述螺旋凸台高度为所述管材（7）壁厚的10%-60%。
2.根据权利要求1所述的用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置，其特征在于：所述挤镦凹模（6）为整体圆环状，其圆形通道内表面需经粗糙化处理。
3.一种制备超细晶管材的方法，其特征在于，使用如权利要求2所述的用来制备超细晶管材的旋转挤镦装置，具体包括以下步骤：
步骤①：对待变形管材（7）进行预处理；
步骤②：对管材（7）内外表面进行处理，清除氧化皮，并检查其内外壁与带螺旋凸台芯棒（2）表面和挤镦凹模（6）通道内壁的配合情况，然后对管材（7）进行清洗；
步骤③：对管材（7）内表面进行润滑处理；
步骤④：将管材（7）放入挤镦凹模（6）的圆形通道中，将带螺旋凸台芯棒（2）自上而下穿入管材（7），将垫环（3）自上而下套入带螺旋凸台芯棒（2），将带螺旋凸台芯棒（2）上下两端分别套入上端盖（5）和下端盖（9），通过内六角螺栓（8）将下端盖（9）与挤镦凹模（6）紧固在一起，通过内六角螺栓（4）将上端盖（5）与挤镦凹模（6）连接并预紧；
步骤⑤：通过螺栓（11）将下端盖（9）固定在挤压机工作台（10）上，在上端盖（5）上表面放置一圆环形垫块，挤压机自上而下压圆环形垫块，圆环形垫块依次推动上端盖（5）、垫环（3）和带螺旋凸台芯棒（2），使螺旋凸台挤入管材（7）并使其充满螺旋凸台之间的空隙，紧固内六角螺栓（4），取下圆环形垫块，将带螺旋凸台芯棒（2）与芯棒固定座（1）相连并紧固；
步骤⑥：启动旋转挤压机，使带螺旋凸台芯棒（2）下压的同时绕其轴线旋转，随带螺旋凸台芯棒（2）不断下移，管材（7）变形，直至螺旋凸台接近下端盖（9）的上表面，挤镦过程结束；
步骤⑦：将芯棒固定座（1）与带螺旋凸台芯棒（2）分离，拆除螺栓（11），然后拆除内六角螺栓（4）和（8），从挤镦凹模（6）中取出带螺旋凸台芯棒（2），取下垫环（3），将带螺旋凸台芯棒（2）从管材（7）中推出，即可获得超细晶管材。
4.根据权利要求3所述的制备超细晶管材的方法，其特征在于，所述带螺旋凸台芯棒（2）的压下速度为0.05mm/s-10mm/s，旋转速度为0.1转/分钟-10转/分钟。
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