CN114515777A - 电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，所述成型装置的成型模腔与挤压轮相配合形成挤压轮槽，成型模腔一端开设有与挤压轮槽连通的进料口导板；在成型模腔另一端上安装有通槽；棒状毛坯送料装置由上下安装的带有轮槽的传输轮形成一个毛坯送料通道，进料口导板的进料端口切线与毛坯送料通道方向相互平行；前接线板和后接线板分别与电源的两极相连接；成型模腔中在出料方向上设有变径模腔；从进料口导板的进料端口端口至成型模腔的变径模腔入口，挤压轮槽的径向空间尺寸逐渐减小；设有连接变径模腔和通槽的定径模腔。本发明还提供成型方法。本发明将镁合金丝材电致塑性加工和连续挤压相结合，实现电弧增材制造用镁合金丝材高效率制备。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属塑性成形技术领域，具体涉及一种电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，本发明还涉及采用一种电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置成型镁合金丝材的方法。
背景技术
镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、良好的电磁屏蔽性，在航空、航天、汽车、电子通讯产品等领域获得了广泛的应用。同时镁合金具有良好的生物相容性，作为可降解植入器件收到越来越多的关注。镁合金具有密排六方结构，属于塑性加工成形性能差的金属材料。同时镁合金具有良好的铸造性能，因此镁合金产品以铸件为主。但是，铸件的力学性能较差，同时产品形状、尺寸存在明显的局限性，导致镁合金的应用范围受到很大限制。
增材制造技术是一种从数字化模型到实体零件的无模具近净成形技术，基于“离散-堆积”思想，通过微熔池逐点逐层堆积成形，为零部件修复、个性化产品定制提供了更多可能。其中，电弧增材制造技术以电弧为热源、以金属丝材为原料，具有制造成本低、成形效率高、适于制造大尺寸构件等优势，为镁合金产品制备提供了新的技术。然而，电弧增材制造所需要的丝材直径一般为1.2mm。常规的丝材制备流程为：铸造、挤压、轧制、拉拔+中间退火、精整等工序，直径跨度往往在两个数量级。这对于镁合金而言，特别是变形能力更差的稀土镁合金，是非常大的挑战。现有工艺的主要问题在于：1、工序长、生产效率低、成材率低、成本高；2、极易发生断丝、停机现象，影响连续化和高速化生产。所以，高质量丝材原料成为限制电弧增材制造镁合金产品的主要因素。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，该装置将镁合金丝材电致塑性加工和连续挤压相结合，实现电弧增材制造用镁合金丝材高效率制备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，挤压轮上设有轮槽，成型模腔与挤压轮相配合形成挤压轮槽，成型模腔一端开设有与挤压轮槽连通的进料口导板；
压实轮与挤压轮之间形成挤压空间；
在成型模腔另一端上安装有通槽；
棒状毛坯送料装置由上下安装的带有轮槽的传输轮形成一个毛坯送料通道，进料口导板的进料端口切线与毛坯送料通道方向相互平行；
棒状毛坯送料装置接有前接线板，通槽上接有后接线板，前接线板和后接线板分别与电源的两极相连接；
成型模腔中在出料方向上设有变径模腔，变径模腔从挤压轮槽到通槽截面积逐渐缩小；
从进料口导板的进料端口至成型模腔的变径模腔入口，挤压轮槽的径向空间尺寸逐渐减小；
通槽进料方向设有连接变径模腔和通槽的定径模腔。
挤压轮槽为半封闭挤压空间。
进料口导板沿挤压轮的外圆弧线开设。
压实轮、挤压轮、成型模腔和棒状毛坯送料装置均为绝缘材料制成。
所述绝缘材料为氮化硼。
前接线板和后接线板所接脉冲电源为高能连续RSD脉冲电源。
通槽的轴线穿过挤压轮的圆心，且通槽轴线延伸方向与进料口导板在其进料端口位置的进料端口切线平行。
压实轮与挤压轮的圆心连线垂直于毛坯送料通道方向，压实轮与挤压轮的圆心连线也垂直于通槽轴线延伸方向。
电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型方法，包括如下步骤：
步骤1、将棒状镁合金毛坯推入一个带有前接线板的棒状毛坯送料装置棒状镁合金毛坯通过带有轮槽的传输轮，棒状镁合金毛坯被压入一个带有轮槽的挤压轮，开动挤压轮，使其连续旋转，并在有压下量的压实轮的旋转下，通过棒状镁合金毛坯料与轮槽之间的摩擦力，将棒状镁合金毛坯连续不断地送入进料口导板，然后进入挤压轮槽；
步骤2、棒状镁合金毛坯进入挤压轮槽后，旋转的挤压轮继续通过摩擦作用驱动棒状镁合金毛坯前进，并进一步在已变型的棒状镁合金毛坯径向施加挤压力；
步骤3、在挤压轮的挤压力驱动力的作用下，棒状镁合金毛坯进入变径模腔，再缓慢通过定径模腔，进入装有后接线板的通槽，此时接通前接线板和后接线板的电流，挤压轮保持转动，棒状镁合金毛坯成型为较细直径镁合金棒材，并被均匀挤出；
步骤4、取出已成型的较细直径镁合金棒材，再次进行挤压，反复以上过程，直至成型目标直径丝材。
有益效果：
1、利用金属的电塑性性质，规避了传统热成型中先加热模具，再加热到坯料，以至于效率低下且浪费能源的问题。同时减少了温度变化对模具寿命的影响，提高了模具的生命周期。
2、连续挤压工艺与电塑性加工相结合，脉冲电流与挤压轮摩擦同时对毛坯进行加热，进一步利用电致塑性与三向压应力充分发挥材料塑性，保证其能在变形最剧烈的模具区域完成由粗直径毛坯转为细直径丝材。
3、单道次挤压变形量大，成型过程简单，模具损耗率低，产出丝材的速度和质量稳定。
附图说明
图1是本发明电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置的结构示意图：
图中：1：棒状镁合金毛坯；2： 棒状毛坯送料装置；3：前接线板；4：压实轮；5：挤压轮；6：成型模腔；61：进料口导板；62：挤压轮槽；63：变径模腔；64：进料端口；7：后接线板；8：通槽； 81：定径模腔；A：毛坯送料通道方向；B：通槽轴线延伸方向；C：进料端口切线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示：
本发明是一种电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，主要包括：压实轮4、挤压轮5、成型模腔6和棒状毛坯送料装置2。
挤压轮5上设有轮槽，成型模腔6与挤压轮5相配合形成半封闭挤压空间的挤压轮槽62。成型模腔6一端开设有与挤压轮槽62连通的进料口导板61，进料口导板61沿挤压轮5的外圆弧线开设。压实轮4上设有对应挤压轮5的轮槽的法兰，压实轮4与挤压轮5之间形成挤压空间，将棒状镁合金毛坯1送进进料口导板61。在成型模腔6另一端上安装有通槽8。通槽8沿挤压轮5的圆心外射线开设，也即，通槽8的轴线穿过挤压轮5的圆心。且通槽8与进料口导板61端口切线相互平行，也即：通槽轴线延伸方向B（也即丝材出料方向），进料口导板61在其进料端口64位置的进料端口切线C，通槽轴线延伸方向B与进料端口切线C平行。棒状毛坯送料装置2由上下安装的带有轮槽的传输轮形成一个毛坯送料通道，该毛坯送料通道方向A，进料口导板61的进料端口切线C与毛坯送料通道方向A相互平行以保证棒状镁合金毛坯1送入进料口导板61。压实轮4与挤压轮5的圆心连线垂直于毛坯送料通道方向A，压实轮4与挤压轮5的圆心连线也垂直于通槽轴线延伸方向B。棒状毛坯送料装置2接有前接线板3，通槽8上接有后接线板7，前接线板3和后接线板7分别与高能连续RSD脉冲电源的两极相连接。成型模腔6中在出料方向上设有变径模腔63，变径模腔63从挤压轮槽62到通槽8截面积逐渐缩小，是棒状镁合金毛坯1从棒材变形为丝材的主要成型结构，使棒状镁合金毛坯1的棒材变形量达到30%以上。从进料口导板61的进料端口64至成型模腔6的变径模腔63入口，挤压轮槽62的径向空间尺寸逐渐减小，使棒状镁合金毛坯1在挤压轮槽62预成型，以便后续在变径模腔63成型丝材。通槽8进料方向设有连接变径模腔63和通槽8的定径模腔81，以保证丝材尺寸的稳定成型。压实轮4、挤压轮5、成型模腔6和棒状毛坯送料装置2均为绝缘材料，所用材质均为氮化硼。
本发明的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型方法：
步骤1、将棒状镁合金毛坯1推入一个带有前接线板3的棒状毛坯送料装置2，棒状镁合金毛坯1通过四个带有轮槽的传输轮，棒状镁合金毛坯1被压入一个带有轮槽的挤压轮5，开动挤压轮5，使其连续旋转，并在有一定压下量的压实轮4的旋转下，通过棒状镁合金毛坯1与轮槽之间的摩擦力，将棒状镁合金毛坯1连续不断地送入进料口导板61，然后进入挤压轮槽62；
步骤2、棒状镁合金毛坯1进入挤压轮槽62后，旋转的挤压轮5继续通过摩擦作用驱动棒状镁合金毛坯1前进，并进一步在已变型的棒状镁合金毛坯1径向施加挤压力；
步骤3、在挤压轮5的挤压力驱动力的作用下，棒状镁合金毛坯1进入变径模腔63，再缓慢通过定径模腔81，进入装有后接线板7的通槽8，此时接通前接线板3和后接线板7的电流，挤压轮5保持转动，棒状镁合金毛坯1成型为较细直径镁合金棒材，并被均匀挤出。
步骤4、取出已成型的较细直径镁合金棒材，再次将较细直径镁合金棒材送入具有尺寸更小的挤压轮槽62、定径模腔81的成型装置中进行挤压，反复以上过程，直至成型目标直径丝材。
其中：
棒状镁合金毛坯的直径为10~30mm。挤压轮5直径为Φ600mm，压实轮4直径为Φ200mm，挤压轮转速为2~6r/min，挤压比为4:1～16:1。高能连续RSD脉冲电源的脉冲频率为2-25KHz，脉冲宽度为1.5 -10μs，电流密度15-150A/mm2。所得镁合金丝材的直径为1.0 ~1.5mm。
实施例1：
步骤1、预先加工出Φ10mm的AZ31镁合金棒状坯料1，将棒状镁合金毛坯1推入一个带有前接线板3的棒状毛坯送料装置2，棒状镁合金毛坯1通过四个带有轮槽的传输轮，棒状镁合金毛坯1被压入一个带有轮槽的挤压轮5，开动挤压轮5，并在一定压下量的压实轮4的旋转下，通过棒状镁合金毛坯1与轮槽之间的摩擦力，将坯料连续不断地送入进料口导板61，然后进入挤压轮槽62；
步骤2、棒状镁合金毛坯1进入挤压轮槽62后，旋转的挤压轮5继续通过摩擦作用驱动棒状镁合金毛坯1前进，并进一步在已变型的棒状镁合金毛坯1径向施加挤压力；
步骤3、在挤压轮5的挤压力驱动力的作用下，棒状镁合金毛坯1进入变径模腔63，再缓慢通过定径模腔81，进入装有后接线板7的通槽8，此时接通前接线板3和后接线板7的电流，启动高能连续RSD脉冲电源，脉冲频率为2KHz，脉冲宽度为10μs，电流密度15A/mm2。挤压轮5保持转动，棒状镁合金毛坯1较细直径镁合金棒材，并被均匀挤出。
步骤4、取出已成型的较细直径镁合金棒材，再次进行连续挤压，反复以上过程，直至成型1mm直径丝材。
实施例2：
步骤1、预先加工出Φ30mm的AZ31镁合金棒状坯料1，将棒状镁合金毛坯1推入一个带有前接线板3的棒状毛坯送料装置2，棒状镁合金毛坯1通过四个带有轮槽的传输轮，棒状镁合金毛坯1被压入一个带有轮槽的挤压轮5，开动挤压轮5，并在一定压下量的压实轮4的旋转下，通过棒状镁合金毛坯1与轮槽之间的摩擦力，将坯料连续不断地送入进料口导板61，然后进入挤压轮槽62；
步骤2、棒状镁合金毛坯1进入挤压轮槽62后，旋转的挤压轮5继续通过摩擦作用驱动棒状镁合金毛坯1前进，并进一步在已变型的棒状镁合金毛坯1径向施加挤压力；
步骤3、在挤压轮5的挤压力驱动力的作用下，棒状镁合金毛坯进入变径模腔63，再缓慢通过定径模腔81，进入装有后接线板7的通槽8，此时接通前接线板3和后接线板7的电流，启动高能连续RSD脉冲电源，脉冲频率为25KHz，脉冲宽度为1.5μs，电流密度150A/mm2。挤压轮5保持转动，棒状镁合金毛坯1较细直径镁合金棒材，并被均匀挤出。
步骤4、取出已成型的较细直径镁合金棒材，再次进行连续挤压，反复以上过程，直至成型1.5mm直径丝材。
实施例3
步骤1、预先加工出Φ18mm的AZ31镁合金棒状坯料1，将棒状镁合金毛坯1推入一个带有前接线板3的棒状毛坯送料装置2，棒状镁合金毛坯1通过四个带有轮槽的传输轮，棒状镁合金毛坯1被压入一个带有轮槽的挤压轮5，开动挤压轮5，并在一定压下量的压实轮4的旋转下，通过棒状镁合金毛坯1与轮槽之间的摩擦力，将坯料连续不断地送入进料口导板61，然后进入挤压轮槽62；
步骤2、棒状镁合金毛坯1进入挤压轮槽62后，旋转的挤压轮5继续通过摩擦作用驱动棒状镁合金毛坯1前进，并进一步在已变型的棒状镁合金毛坯1径向施加挤压力；
步骤3、在挤压轮5的挤压力驱动力的作用下，棒状镁合金毛坯进入变径模腔63，再缓慢通过定径模腔81，进入装有后接线板7的通槽8，此时接通前接线板3和后接线板7的电流，启动高能连续RSD脉冲电源，脉冲频率为10KHz，脉冲宽度为4μs，电流密度80A/mm2。挤压轮5保持转动，棒状镁合金毛坯1较细直径镁合金棒材，并被均匀挤出。
步骤4、取出已成型的较细直径镁合金棒材，再次进行连续挤压，反复以上过程，直至成型1.2mm直径丝材。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：挤压轮（5）上设有轮槽，成型模腔（6）与挤压轮（5）相配合形成挤压轮槽（62），成型模腔（6）一端开设有与挤压轮槽（62）连通的进料口导板（61）；压实轮（4）与挤压轮（5）之间形成挤压空间；在成型模腔（6）另一端上安装有通槽（8）；棒状毛坯送料装置（2）由上下安装的带有轮槽的传输轮形成一个毛坯送料通道，进料口导板（61）的进料端口（64）切线与毛坯送料通道方向（A）相互平行；棒状毛坯送料装置（2）接有前接线板（3），通槽（8）上接有后接线板（7），前接线板（3）和后接线板（7）分别与电源的两极相连接；成型模腔（6）中在出料方向上设有变径模腔（63），变径模腔（63）从挤压轮槽（62）到通槽（8）截面积逐渐缩小；从进料口导板（61）的进料端口（64）至成型模腔（6）的变径模腔（63）入口，挤压轮槽（62）的径向空间尺寸逐渐减小；通槽（8）进料方向设有连接变径模腔（63）和通槽（8）的定径模腔（81）。
2.如权利要求1所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：挤压轮槽（62）为半封闭挤压空间。
3.如权利要求1所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：进料口导板（61）沿挤压轮（5）的外圆弧线开设。
4.如权利要求1所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：压实轮（4）、挤压轮（5）、成型模腔（6）和棒状毛坯送料装置（2）均为绝缘材料制成。
5.如权利要求4所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：所述绝缘材料为氮化硼。
6.如权利要求1所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：前接线板（3）和后接线板（7）所接脉冲电源为高能连续RSD脉冲电源。
7.如权利要求1所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：通槽（8）的轴线穿过挤压轮（5）的圆心，且通槽（8）轴线延伸方向与进料口导板（61）在其进料端口（64）位置的进料端口（64）切线平行。
8.如权利要求1所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，其特征在于：压实轮（4）与挤压轮（5）的圆心连线垂直于毛坯送料通道方向（A），压实轮（4）与挤压轮（5）的圆心连线也垂直于通槽（8）轴线延伸方向。
9.电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型方法，其特征在于：
使用如权利要求1所述的电弧增材制造用镁合金丝材连续挤压成型装置，包括如下步骤：
步骤1、将棒状镁合金毛坯（1）推入一个带有前接线板（3）的棒状毛坯送料装置（2），棒状镁合金毛坯（1）通过带有轮槽的传输轮，棒状镁合金毛坯（1）被压入一个带有轮槽的挤压轮（5），开动挤压轮（5），使其连续旋转，并在有压下量的压实轮（4）的旋转下，通过棒状镁合金毛坯（1）料与轮槽之间的摩擦力，将棒状镁合金毛坯（1）连续不断地送入进料口导板（61），然后进入挤压轮槽（62）；
步骤2、棒状镁合金毛坯（1）进入挤压轮槽（62）后，旋转的挤压轮（5）继续通过摩擦作用驱动棒状镁合金毛坯（1）前进，并进一步在已变型的棒状镁合金毛坯（1）径向施加挤压力；
步骤3、在挤压轮（5）的挤压力驱动力的作用下，棒状镁合金毛坯（1）进入变径模腔（63），再缓慢通过定径模腔（81），进入装有后接线板（7）的通槽（8），此时接通前接线板（3）和后接线板（7）的电流，挤压轮（5）保持转动，棒状镁合金毛坯（1）成型为较细直径镁合金棒材，并被均匀挤出；
步骤4、取出已成型的较细直径镁合金棒材，再次进行挤压，反复以上过程，直至成型目标直径丝材。
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