CN110605307A - 超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法及其生产装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法及其生产装置，通过一对挤压轮对称布置，同步反向旋转，驱动至少两根坯料从两侧进入模腔，搅拌棒由模腔的中心孔伸入模腔，直达两股坯料的汇合区，通过搅拌棒的转动实现对坯料的搅拌摩擦加工，通过挤压轮的旋转连续不断的将金属坯料送入搅拌区，成品坯料由挤压模具的孔挤出后快速冷却，形成连续大长度的超细晶型、线材产品；工作过程中搅拌棒内部通入冷却介质进行强制冷却。

Description

超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法及其生产装置
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型线材的制备方法及其生产装置。
背景技术
根据Hall-Petch关系，细化晶粒能明显提高金属材料的强度和硬度。目前制备致密、无污染的块体超细晶和纳米晶金属结构材料的方法主要采用各种剧烈塑性变形(Severe plastic deformation,SPD)工艺。SPD方法制备超细晶材料的过程中引入了大量的晶体缺陷，晶界大多处于非平衡态，因此用SPD制备的超细晶材料普遍存在强度高但是塑性低的问题。近年来，搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP)受到了越来越多的关注，与SPD制备的超细晶材料相比，FSP超细晶组织均匀稳定，力学性能优异,但是采用这种方法，超细晶材料只在搅拌加工区域形成，并且采用这种方法只能得到块体材料或对原有制品进行表面改性。对于具有超细晶粒，且组织均匀稳定、力学性能优异的大长度型、线材的制备则没有理想的解决方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种将搅拌摩擦加工(FSP)与连续挤压(Continuous Extrusion)相结合的加工方法—连续搅拌摩擦挤压法(CFSE)，用于制备晶粒细化、组织均匀稳定、力学性能优异的大长度型、线材。
本发明采用的技术手段如下：
一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法，包括以下步骤：
步骤一，填料，由对称分布的两个挤压轮挤压式将坯料从两侧挤压送入模腔；
步骤二，搅拌摩擦，由模腔预设中心孔伸入模腔的搅拌棒工作端位于两股坯料的汇合区，搅拌棒工作端摩擦加工；
步骤三，挤出成型，经过搅拌摩擦加工的坯料通过模腔预设的出料孔挤出，挤出后成品料由冷却介质喷淋，冷却至室温。
搅拌棒内部有冷却系统实时冷却，搅拌棒温度控制为400～550℃之间。
一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法的生产装置，包括：压料轮、挤压轮、搅拌装置、搅拌棒、模腔、导向模、挤出模具和机架；
两个直径相等的挤压轮对称布置，每个挤压轮对应匹配安装有一个压料轮，模腔内部设置有Y型流道，且Y型流道的中心位置顶部预设有开口，模腔位于两挤压轮的中间；模腔两侧与挤压轮送料位置对应处加工有进料口，进料口与Y型流道连通，位于进料口位置设置有挡料块，挡料块分别伸入到两个挤压轮的环形沟槽内，挡料块与进料口留有的间隙孔为进料通道；
搅拌装置安装在机架上，位于产品挤出的反方向，搅拌棒安装在搅拌装置上，导向模装配于模腔的上方，搅拌棒由导向模预设的内孔穿过，最终由模腔的开口伸入模腔的金属汇合区；两侧进料通道之间的夹角α在90°～180°之间；
挤出模具装配于模腔Y型流道的底部出料位置。
进一步的，
模腔一对侧面的一端为弧面，两个弧面分别与两个挤压轮的外圆周面相配合，在与圆弧面轴线垂直的方向上有中心通孔，通孔两端为螺纹孔，螺纹孔内径大于中心通孔直径；每个弧面上至少有一个挡料块，紧邻挡料块端面一侧有进料孔，进料孔由圆弧面向内延伸与中心通孔相连通，两侧进料孔的中心线在同一水平面内，夹角在90°～180°之间；
导向模装配于上端的螺纹孔内；
挤出模具装配于下端的螺纹孔内。
进一步的，
搅拌棒主体为圆柱体，工作端部为圆锥形凸起，圆锥形凸起与圆柱体轴线不重合，圆柱体中心有盲孔，直径小于导向模内孔直径0.2～1mm。
进一步的，
导向模为圆柱体，中心有台阶孔，一端为外凸圆锥面，另一端为法兰，台阶孔的小径端位于外凸圆锥面一侧，圆锥面夹角与α角相同。
进一步的，
挤压模具主体为圆柱体，中心有台阶孔，一端为内凹圆锥面，另一端为法兰，台阶孔的小径端位于内凹圆锥面一侧，圆锥面夹角与α角相同。
采用上述技术方案的本发明，一对挤压轮对称布置，同步反向旋转，驱动至少两根坯料从两侧进入模腔，搅拌棒由模腔的中心孔伸入模腔，直达两股坯料的汇合区，通过搅拌棒的转动实现对坯料的搅拌摩擦加工，通过挤压轮的旋转连续不断的将金属坯料送入搅拌区，成品坯料由挤压模具27的出料孔271挤出后快速冷却，形成连续大长度的超细晶型、线材产品；工作过程中搅拌棒24内部通入冷却介质进行强制冷却。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明加工产品具有超细晶粒、组织均匀稳定、力学性能优异且可加工大长度。
基于上述理由本发明可在研磨挤压成型等领域广泛推广。
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为本发明整体结构示意图。
图2为图1的研磨部分局部放大图。
图3为本发明的模腔上方视角的立体结构示意图。
图4为发明的模腔下方视角的立体结构示意图。
图5为本发明导向模剖视图。
图6为本发明导向模立体结构示意图。
图7为本发明挤压模具立体结构示意图。
图8为本发明挤压模具剖视图。
图9为本发明搅拌棒上方视角的立体结构示意图。
图10为本发明搅拌棒下方视角的立体结构示意图。
图11为本发明挤压轮立体结构示意图。
图中：20、坯料；21、压料轮；22、挤压轮；221、环形沟槽；222、通孔；23、搅拌装置；24、搅拌棒；25、模腔；251、圆弧面；252、中心通孔；253、螺纹孔；254、挡料块；255、进料孔；26、导向模；261、台阶孔Ⅰ；262、外凸圆锥面；263、法兰Ⅰ；27、挤出模具；271、台阶孔；272、内凹圆锥面；272、法兰；28、机架。
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。
一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法，包括以下步骤：
步骤一，填料，由对称分布的两个挤压轮挤压式将坯料从两侧挤压送入模腔；
步骤二，搅拌摩擦，由模腔预设中心孔伸入模腔的搅拌棒工作端位于两股坯料的汇合区，搅拌棒工作端摩擦加工；
步骤三，挤出成型，经过搅拌摩擦加工的坯料通过模腔预设的出料孔挤出，挤出后成品料由冷却介质喷淋，冷却至室温。
搅拌棒内部有冷却系统实时冷却，搅拌棒温度控制为400～550℃。
如图1、图2和图11所示，本发明提供了一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法的生产装置，包括：压料轮21、挤压轮22、搅拌装置23、搅拌棒24、模腔25、导向模26、挤出模具27和机架28；
两个直径相等的挤压轮22对称布置，每个挤压轮22对应匹配安装有一个压料轮21，模腔25内部设置有Y型流道，且Y型流道的中心位置顶部预设有开口，模腔25位于两挤压轮22的中间；模腔25两侧与挤压轮22送料位置对应处加工有进料口，进料口与Y型流道连通，位于进料口位置设置有挡料块254，挡料块254分别伸入到两个挤压轮22的环形沟槽221内，挡料块254与进料口留有的间隙孔为进料通道255；
搅拌装置23安装在机架28上，位于产品挤出的反方向，搅拌棒24安装在搅拌装置23上，导向模26装配于模腔25的上方，搅拌棒24由导向模26预设的内孔穿过，最终由模腔25的开口伸入模腔25的金属汇合区；两侧进料通道255之间的夹角α在90°～180°之间；
挤出模具27装配于模腔25Y型流道的底部出料位置。
进一步的，如图1、图3和图4所示，
模腔25一对侧面的一端为弧面，两个弧面251分别与两个挤压轮22的外圆周面222相配合，在与圆弧面轴线垂直的方向上有中心通孔252，通孔两端为螺纹孔253，螺纹孔内径大于中心通孔直径；每个弧面251上至少有一个挡料块254，紧邻挡料块端面一侧有进料孔255，进料孔255由圆弧面251向内延伸与中心通孔252相连通，两侧进料孔255的中心线在同一水平面内，夹角在90°～180°之间；
导向模26装配于上端的螺纹孔253内；
挤出模具27装配于下端的螺纹孔253内。
进一步的，如图9和图10所示，
搅拌棒24主体为圆柱体241，工作端部为圆锥形凸起242，圆锥形凸起242与圆柱体241轴线不重合，圆柱体241中心有盲孔243(冷却装置或者冷却液嵌入孔)，直径小于导向模内孔直径0.2～1mm。
进一步的，如图5和图6所示，
导向模26为圆柱体，中心有台阶孔Ⅰ261，一端为外凸圆锥面262，另一端为法兰Ⅰ263，台阶孔Ⅰ261的小径端位于外凸圆锥面262一侧，圆锥面夹角与α角相同。
进一步的，如图7和图8所示，
挤压模具27主体为圆柱体，中心有台阶孔271，一端为内凹圆锥面272，另一端为法兰273，台阶孔271的小径端位于内凹圆锥面272一侧，圆锥面夹角与α角相同。
具体实施方式一：
挤压轮22的直径为250mm，中心距400mm，挤压轮圆周面上有一个环形沟槽，沟槽宽度8mm，模腔25两侧弧面为对称结构，安装在两个挤压轮22中间，对称面过两挤压轮轴线最短连线的中点，进料孔255中心线的夹角为90°。
工作时先将导向模26和挤出模具27安装到模腔25内，并用螺母锁紧，将模腔安装到两挤压轮22中间并固定；将搅拌棒24伸入导向模，至轴肩端面与导向模端面平齐，启动搅拌装置23，令搅拌棒24旋转；启动主轴，使挤压轮22同步旋转，将坯料20由挤压轮22和压料轮21之间的孔喂入，待产品挤出模具27后开启冷却水对产品进行冷却，采用收线机对经过冷却的产品收卷。
采用上述技术方案的本发明，一对挤压轮22对称布置，同步反向旋转，驱动至少两根坯料从两侧进入模腔25，搅拌棒24由模腔25的中心孔伸入模腔，直达两股坯料的汇合区，通过搅拌棒24的转动实现对坯料的搅拌摩擦加工，通过挤压轮的旋转连续不断的将金属坯料送入搅拌区，成品坯料由挤压模具27的台阶孔271挤出后快速冷却，形成连续大长度的超细晶型、线材产品；工作过程中搅拌棒24内部通入冷却介质进行强制冷却。
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 (8)

1.一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，填料，由对称分布的两个挤压轮挤压式将坯料从两侧挤压送入模腔；
步骤二，搅拌摩擦，由模腔预设中心孔伸入模腔的搅拌棒工作端位于两股坯料的汇合区，搅拌棒工作端摩擦加工；
步骤三，挤出成型，经过搅拌摩擦加工的坯料通过模腔预设的出料孔挤出，挤出后成品料由冷却介质喷淋，冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法，其特征在于：
所述步骤三，挤出后成品料由冷却介质喷淋，冷却至室温。
3.根据权利要求1或2所述的超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法，其特征在于：
所述搅拌棒内部有冷却系统实时冷却，搅拌棒温度控制为400-550℃之间。
4.根据权利要求1所述的一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产方法的生产装置，其特征在于：
包括：压料轮(21)、挤压轮(22)、搅拌装置(23)、搅拌棒(24)、模腔(25)、导向模(26)、挤出模具(27)和机架(28)；
两个直径相等的挤压轮(22)对称布置，每个挤压轮(22)对应匹配安装有一个压料轮(21)，模腔(25)内部设置有Y型流道，且Y型流道的中心位置顶部预设有开口，模腔(25)位于两挤压轮(22)的中间；模腔(25)两侧与挤压轮(22)送料位置对应处加工有进料口，进料口与Y型流道连通，位于进料口位置设置有挡料块(254)，挡料块(254)分别伸入到两个挤压轮(22)的环形沟槽(221)内，挡料块(254)与进料口留有的间隙孔为进料通道(255)；
搅拌装置(23)安装在机架(28)上，位于产品挤出的反方向，搅拌棒(24)安装在搅拌装置(23)上，导向模(26)装配于模腔(25)的上方，搅拌棒(24)由导向模(26)预设的内孔穿过，最终由模腔(25)的开口伸入模腔(25)的金属汇合区；两侧进料通道(255)之间的夹角α在90°～180°之间；
所述挤出模具(27)装配于模腔(25)Y型流道的底部出料位置。
5.根据权利要求4所述的种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产装置，
其特征在于：
所述模腔(25)一对侧面的一端为弧面，两个弧面(251)分别与两个挤压轮(22)的外圆周面(222)相配合，在与圆弧面轴线垂直的方向上有中心通孔(252)，通孔两端为螺纹孔(253)，螺纹孔内径大于中心通孔直径；每个弧面(251)上至少有一个挡料块(254)，紧邻挡料块端面一侧有进料孔(255)，进料孔(255)由圆弧面(251)向内延伸与中心通孔(252)相连通，两侧进料孔(255)的中心线在同一水平面内，夹角在90°～180°之间；
所述导向模(26)装配于上端的螺纹孔(253)内；
所述挤出模具(27)装配于下端的螺纹孔(253)内。
6.根据权利要求4或5所述的一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产装置，
其特征在于：
所述搅拌棒(24)主体为圆柱体(241)，工作端部为圆锥形凸起(242)，圆锥形凸起(242)与圆柱体(241)轴线不重合，圆柱体(241)中心有盲孔(243)，直径小于导向模内孔直径0.2～1mm。
7.根据权利要求5所述的一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产装置，
其特征在于：
所述导向模(26)为圆柱体，中心有台阶孔Ⅰ(261)，一端为外凸圆锥面(262)，另一端为Ⅰ法兰(263)，台阶孔Ⅰ(261)的小径端位于外凸圆锥面(262)一侧，圆锥面夹角与α角相同。
8.根据权利要求5或7所述的一种超细晶材料的连续搅拌摩擦挤压生产装置，
其特征在于：
所述挤压模具(27)主体为圆柱体，中心有台阶孔(271)，一端为内凹圆锥面(272)，另一端为法兰(273)，台阶孔(271)的小径端位于内凹圆锥面(272)一侧，圆锥面夹角与α角相同。
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