CN110560501A - 一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，包括：挤压轮、模腔和料斗；通过挤压轮圆周面上的环形沟槽与模腔的弧面以及挡料块装配形成多条相互平行的圆弧形通道，通道之间通过挤压轮和模腔弧面之间的间隙连通，通道长度不相等所有通道中只有一个通道有径向出口，金属粉末通过距离径向出口最远端的无径向出口的通道加入，金属粉末在挤压轮的环形沟槽与模腔的模腔弧面之间通道内挤压摩擦，摩擦力产生的高温和高压作用下，金属粉末之间形成冶金结合，并被迫由模腔与挤压轮弧面之间的间隙挤出进入下一个通道，如此攀越几个通道之后，由模腔的径向出口挤出。

Description

一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置
技术领域
本发明涉及先进制造技术领域，具体而言，尤其涉及一种大长度超细晶金属基复合材料型线材的加工装置。
背景技术
以金属杆料或者颗粒为原材料，采用连续挤压法可以实现大长度型线材的高效、节能、绿色制造，在连续挤压过程中形成的溢料，同时受到挤压轮外表面和模腔弧面摩擦力的作用，二者方向相反，同时溢料还受到三向压应力的作用，产生强烈的剪切变形，晶粒细化效果显著。随着纳米技术的不断进步和轻量化的迫切需求，纳米增强相强化轻合金复合材料的研究和应用领域也逐步扩大，目前纳米增强体强化轻合金复合材料的研究主要集中在提升增强体的分散性和界面结合等方面，针对轻金属基体组织的关注较少，使用等通道挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)、搅拌摩擦(FSP)、大压下量控轧等变形方法，将金属基体细化为超细晶或纳米晶组织，发展以纳米材料作为增强体、以超细晶或纳米晶轻金属为基体的复合材料，有望开发具有高温超塑性、室温高强度的轻质金属基复合材料。在以金属粉末为原材料，采用传统连续挤压工艺进行金属基复合材料型线材连续挤压时，由于变形不充分，会形成增强相偏聚以及空洞等缺陷。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种以添加增强体的金属粉末为原材料，利用阶梯式连续挤压法，生产大长度超细晶金属基复合材料型线材的方法和设备。利用挤压轮与模腔之间的相对运动，使二者之间的金属粉末基体发生强烈的剪切变形，晶粒细化，同时通过大变形和高应变速率，使纳米增强体在金属基体中弥散分布，经过几次强烈塑性变形的复合坯料进入到挤压轮沟槽中，在轮槽摩擦力的作用下由模孔挤出后形成型线材产品。
本发明采用的技术手段如下：
一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，包括：挤压轮、模腔和料斗；
模腔装配于挤压轮一侧，且模腔与挤压轮临近一侧为与挤压轮外圆周面配合的模腔弧面；
挤压轮圆周面上至少有两个环形沟槽，模腔的模腔弧面上有与之相等数量的挡料块，二者装配到一起，形成多条相互平行的圆弧形通道，通道之间通过挤压轮和模腔弧面之间的间隙连通，通道长度不相等，呈“V”形或阶梯形排列，所有通道中只有一个通道有径向出口，即只有一个挡料块的端面附近有径向出料孔，金属粉末通过距离径向出口最远端的无径向出口的通道加入，金属粉末在挤压轮的环形沟槽与模腔的模腔弧面之间通道内挤压摩擦，摩擦力产生的高温和高压作用下，金属粉末之间形成冶金结合，并被迫由模腔与挤压轮弧面之间的间隙挤出进入下一个通道，如此攀越几个通道之后，由模腔的径向出口挤出；
料斗设置于模腔一侧，且其进料口与模腔与挤压轮配合形成的最远端的无径向出口的通道预设的开口连通。
挤压轮外圆周面与模腔弧面配合间隙在0.1～0.4mm之间，挤压轮的工作面的宽度L比模腔的工作面的宽度W大0.2～0.6mm。
金属粉末原材料可替换为金属杆为原材料。
进一步的，
模腔外形为长方体，上表面为弧形曲面，其余侧面为平面，在弧形曲面的一端至少有两个挡料块，挡料块的宽度小于挤压轮沟槽的宽度，间距与轮槽间距相等，相邻两个挡料块的端面不在同一平面；所有挡料块挡料块中，只有一个挡料块的端面附近有径向出料孔，该挡料块端面与前端面的距离最小；其余挡料块前有弧形沟槽，弧形沟槽与弧面同轴，距离径向出料孔最远的弧形沟槽的另一端与进料孔相连通，进料孔由后端面向内延伸至弧形沟槽，前端面与后端面为长方体的两个相对侧面，与弧面轴线平行；圆弧面的半径大于圆弧面的半径，进料孔对应的挡料块端面距离面最远。
进一步的，
挡料块为“V”形排列时，挡料块的数量为奇数，进料孔位于两侧，径向出料孔位于中间；挡料块为阶梯形排列时，进料孔与径向出料孔分别位于最外侧两个通道上。
进一步的，
挤压轮为圆环形零件，外圆周面上至少有两个环形沟槽，两端有凸台，两个环形沟槽之间的圆周面上有横向沟槽，横向沟槽的中心线与挤压轮的轴线的夹角在0～30°之间。
采用上述技术方案的本发明，通过挤压轮圆周面上的环形沟槽，与模腔的模腔弧面的挡料块装配形成多条相互平行的圆弧形通道，通道之间通过挤压轮和模腔弧面之间的间隙连通，通道长度不相等(通过挡料块在不同长度位置的封堵实现)，呈“V”形或阶梯形排列(即挡料块的封堵位置排列规则，“V”形为向中心倾斜汇聚排列，阶梯形为由高点逐级向低点排列)，所有通道中只有一个通道有径向出口，金属粉末通过距离径向出口最远端的无径向出口的通道加入，金属粉末在挤压轮的环形沟槽与模腔的模腔弧面之间通道内挤压摩擦，摩擦力产生的高温和高压作用下，金属粉末之间形成冶金结合，并被迫由模腔与挤压轮弧面之间的间隙挤出进入下一个通道，如此攀越几个通道之后，由模腔的径向出口(径向出口位置可额外装配挤出模具便于成型)挤出。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、适用金属粉末原料也适用金属杆原料。
2、可根据金属原料的不同以及所需工艺的不同定制挤压级数。
3、经过多道次强烈的剪切变形，金属晶粒细化，产品性能优异。
4、通过模具挤出，可以一次形成达成度复合材料型线材。
5、结构设计成熟，装置稳定性高，可稳定连续加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明工作结构立体结构示意图。
图2为本发明挤压轮立体结构示意图。
图3为本发明挤压轮局部横向剖视图。
图4为本发明的挤压轮与模腔工作位置局部放大图。
图4a为本发明的通道成“V”形排列时图4的A-A剖视图。
图4b为本发明的通道成“V”形排列时图4的B-B剖视图。
图4c为本发明的通道成“V”形排列时图4的C-C剖视图。
图4d为本发明的通道成阶梯形排列时图4的A-A剖视图。
图4e为本发明的通道成阶梯形排列时图4的B-B剖视图。
图4f为本发明的通道成阶梯形排列时图4的C-C剖视图。
图5为本发明的通道成“V”形排列时模腔轴侧俯视角度立体结构示意图。
图6为本发明的通道成“V”形排列时模腔轴侧仰视视角度立体结构示意图。
图7为本发明的通道成“V”形排列时的模腔的剖视图。
图8为本发明的通道成“V”形排列时的模腔的俯视图。
图9为本发明的通道成阶梯形排列时模腔轴侧俯视角度立体结构示意图。
图中：
21、圆弧形通道；
22、间隙；
23、径向出口、
31、挤压轮；311、环形沟槽；312、外圆周面；313、凸台；314、横向沟槽；
32、模腔；321、挡料块；322、弧面；323、径向出料孔；324、弧形沟槽；325、进料孔；326、前端面；327、圆弧面；328、后端面；329、端面；
33、料斗。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1至图9所示，本发明提供了一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，包括：挤压轮31、模腔32和料斗33；
模腔32装配于挤压轮31一侧，且模腔32与挤压轮31临近一侧为与挤压轮外圆周面312配合的模腔弧面322；
挤压轮31圆周面上至少有两个环形沟槽311，模腔32的模腔弧面322上有与之相等数量的挡料块321，二者装配到一起，形成多条相互平行的圆弧形通道21，通道之间通过挤压轮和模腔弧面322之间的间隙22连通，通道长度不相等，呈“V”形或阶梯形排列，所有通道中只有一个通道有径向出口23，即只有一个挡料块的端面329附近有径向出料孔323，金属粉末通过距离径向出口23最远端的无径向出口的通道加入，金属粉末在挤压轮31的环形沟槽311与模腔32的模腔弧面322之间通道内挤压摩擦，摩擦力产生的高温和高压作用下，金属粉末之间形成冶金结合，并被迫由模腔与挤压轮弧面之间的间隙22挤出进入下一个通道，如此攀越几个通道之后，由模腔32的径向出口23挤出；
挤出的成品料通过额外的冷却装置(通常选用喷淋冷却装置，冷却介质根据金属材料和温度而定)，直接冷却；
料斗33设置于模腔32一侧，且其进料口与模腔32与挤压轮31配合形成的最远端的无径向出口的通道预设的开口连通。
挤压轮外圆周面312与模腔弧面322配合间隙在0.1～0.4mm之间，挤压轮31的工作面的宽度L比模腔32的工作面的宽度W大0.2～0.6mm。
金属粉末原材料可替换为金属杆为原材料。
进一步的，如图5至图9所示，
模腔32外形为长方体，上表面为弧形曲面，其余侧面为平面，在弧形曲面的一端至少有两个挡料块321，挡料块321的宽度小于挤压轮沟槽的宽度，间距与轮槽间距相等，相邻两个挡料块的端面329不在同一平面；所有挡料块挡料块321中，只有一个挡料块的端面329附近有径向出料孔323，该挡料块端面329与前端面326的距离最小；其余挡料块321前有弧形沟槽324，弧形沟槽324与弧面322同轴，距离径向出料孔323最远的弧形沟槽324的另一端与进料孔325相连通，进料孔由后端面328向内延伸至弧形沟槽324，前端面326与后端面328为长方体的两个相对侧面，与弧面轴线平行；圆弧面327的半径大于圆弧面322的半径，进料孔325对应的挡料块端面距离面326最远。
进一步的，如图4a至图9所示，
挡料块321为“V”形排列时，挡料块的数量为奇数，进料孔位于两侧，径向出料孔323位于中间；挡料块321为阶梯形排列时，进料孔325与径向出料孔323分别位于最外侧两个通道上。
进一步的，如图2和图3所示，
挤压轮31为圆环形零件，外圆周面311上至少有两个环形沟槽312，两端有凸台313，两个环形沟槽311之间的圆周面上有横向沟槽314，横向沟槽314的中心线与挤压轮的轴线的夹角在0～30°之间。
采用上述技术方案的本发明，通过挤压轮31圆周面上的环形沟槽311，与模腔32的模腔弧面322的挡料块321装配形成多条相互平行的圆弧形通道21，通道之间通过挤压轮和模腔弧面322之间的间隙22连通，通道长度不相等(通过挡料块321在不同长度位置的封堵实现)，呈“V”形或阶梯形排列(即挡料块321的封堵位置排列规则，“V”形为向中心倾斜汇聚排列，阶梯形为由高点逐级向低点排列)，所有通道中只有一个通道有径向出口23，金属粉末通过距离径向出口23最远端的无径向出口的通道加入，金属粉末在挤压轮31的环形沟槽311与模腔32的模腔弧面322之间通道内挤压摩擦，摩擦力产生的高温和高压作用下，金属粉末之间形成冶金结合，并被迫由模腔与挤压轮弧面之间的间隙22挤出进入下一个通道，如此攀越几个通道之后，由模腔32的径向出口23(径向出口位置可额外装配挤出模具便于成型)挤出。
具体实施方式一：
挤压轮(31)的外径为400mm、台阶高5mm，圆周面上有三个环形沟槽，环形沟槽的宽度为12.5mm，轮槽间距40mm；对应的模腔(32)上有三个挡料块呈阶梯状分布，挡料块端面之间的距离为25mm；挤压轮外圆周面(312)与模腔弧面(322)配合间隙0.3mm，挤压轮的尺寸L比模腔的尺寸W大0.5mm。
工作时将挤压轮(31)与模腔(32)同心安装，将料斗(33)安装在模腔(32)的进料孔(325)上，在料斗内加入混合好的金属粉末，启动挤压轮(31)，使其沿顺时针防向旋转，待产品挤出后马上喷淋冷却，然后收卷。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，其特征在于，包括：挤压轮(31)、模腔(32)和料斗(33)；
所述模腔(32)装配于挤压轮(31)一侧，且模腔(32)与挤压轮(31)临近一侧为与挤压轮外圆周面(312)配合的模腔弧面(322)；
所述挤压轮(31)圆周面上至少有两个环形沟槽(311)，模腔(32)的模腔弧面(322)上有与之相等数量的挡料块(321)，二者装配到一起，形成多条相互平行的圆弧形通道(21)，通道之间通过挤压轮和模腔弧面(322)之间的间隙(22)连通，通道长度不相等，呈“V”形或阶梯形排列，所有通道中只有一个通道有径向出口(23)，即只有一个挡料块的端面(329)附近有径向出料孔(323)，金属粉末通过距离径向出口(23)最远端的无径向出口的通道加入，金属粉末在挤压轮(31)的环形沟槽(311)与模腔(32)的模腔弧面(322)之间通道内挤压摩擦，摩擦力产生的高温和高压作用下，金属粉末之间形成冶金结合，并被迫由模腔与挤压轮弧面之间的间隙(22)挤出进入下一个通道，如此攀越几个通道之后，由模腔(32)的径向出口(23)挤出；
所述料斗(33)设置于模腔(32)一侧，且其进料口与模腔(32)与挤压轮(31)配合形成的最远端的无径向出口的通道预设的开口连通。
2.根据权利要求1所述的一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，其特征在于：
所述挤压轮外圆周面(312)与模腔弧面(322)配合间隙在0.1～0.4mm之间，挤压轮(31)的工作面的宽度L比模腔(32)的工作面的宽度W大0.2～0.6mm。
3.根据权利要求1所述的一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，其特征在于：
金属粉末原材料可替换为金属杆为原材料。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，其特征在于：
所述的模腔(32)外形为长方体，上表面为弧形曲面，其余侧面为平面，在弧形曲面的一端至少有两个挡料块(321)，挡料块(321)的宽度小于挤压轮沟槽的宽度，间距与轮槽间距相等，相邻两个挡料块的端面(329)不在同一平面；所有挡料块(321)中，只有一个挡料块的端面(329)附近有径向出料孔(323)，该挡料块端面(329)与前端面(326)的距离最小；其余挡料块(321)前有弧形沟槽(324)，弧形沟槽(324)与弧面(322)同轴，距离径向出料孔(323)最远的弧形沟槽(324)的另一端与进料孔(325)相连通，进料孔由后端面(328)向内延伸至弧形沟槽(324)，前端面(326)与后端面(328)为长方体的两个相对侧面，与弧面轴线平行；圆弧面(327)的半径大于圆弧面(322)的半径，进料孔(325)对应的挡料块端面距离面(326)最远。
5.根据权利要求4所述的一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，其特征在于：
所述挡料块(321)为“V”形排列时，挡料块的数量为奇数，进料孔位于两侧，径向出料孔(323)位于中间；挡料块(321)为阶梯形排列时，进料孔(325)与径向出料孔(323)分别位于最外侧两个通道上。
6.根据权利要求5所述的一种以金属粉末为原材料的阶梯式连续挤压装置，其特征在于：
所述的挤压轮(31)为圆环形零件，外圆周面(311)上至少有两个环形沟槽(312)，两端有凸台(313)，两个环形沟槽(311)之间的圆周面上有横向沟槽(314)，横向沟槽(314)的中心线与挤压轮的轴线的夹角在0～30°之间。
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