專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)屋侐?qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的深度塑性變形法由于能夠加工具有超細(xì)晶粒尺寸、獨(dú)特缺陷結(jié)構(gòu)、優(yōu)異物理力學(xué)性能的金屬材料，以及能夠生產(chǎn)塊體超細(xì)晶材料而引起人們的極大關(guān)注，近幾年來(lái)發(fā)展迅速。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，俄羅斯科學(xué)家valiev在《Progress inMaterials Science》(《材料科學(xué)發(fā)展》)2000年NO.45發(fā)表的文章《Bulknanostructured materials from severe plastic deformation(深度塑性變形法加工的納米體材料)》中，介紹了等通道角擠壓法，它是深度塑性變形法最重要的一種，它采用的模具是由兩個(gè)等截面通道按照一定的角度相互交截而成的。擠壓過(guò)程中，在壓頭擠壓下的試樣向下經(jīng)過(guò)兩通道的交角時(shí)，試樣就會(huì)產(chǎn)生近似于純剪切的變形。由于擠壓后試樣外觀(guān)尺寸形狀不會(huì)發(fā)生改變，因此可以進(jìn)行多道次的擠壓，從而可使試樣經(jīng)過(guò)相當(dāng)大的累積變形。經(jīng)等通道角擠壓法加工的材料，性能得到了很大的提高。和其它制備方法(例如氣相沉積法、高能球磨法等)相比，等通道角擠壓法具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，譬如它可以克服其它方法制備的試樣中有孔洞、致密性差等問(wèn)題以及球磨所導(dǎo)致的不純、大尺寸坯體難以生產(chǎn)以及給定材料的實(shí)際應(yīng)用較困難等問(wèn)題。
等通道角擠壓法是目前最被看好的深度塑性變形法，也是目前唯一可以生產(chǎn)塊體亞微米、納米結(jié)構(gòu)材料的加工方法。但是由于擠壓加工時(shí)，壓頭的行程是有限的，所能加工材料的長(zhǎng)度也很有限，所以目前實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)等通道角擠壓的材料只能用來(lái)加工螺栓一類(lèi)的產(chǎn)品。此外，由于模具的通道截面尺寸是固定的，因此一個(gè)模具加工的材料截面尺寸也是固定的。普通等通道角擠壓法模具的這些缺點(diǎn)極大地限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中普通等通道角擠壓法的不足，提出一種單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，使其采用單輥驅(qū)動(dòng)，克服了普通等通道角擠壓法只能加工短尺寸材料的缺陷，理論上可以生產(chǎn)無(wú)限長(zhǎng)的材料，大大擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用大輥徑驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)鳛樽冃芜^(guò)程的動(dòng)力源，通過(guò)大輥徑驅(qū)動(dòng)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)連續(xù)提供變形力，從而解決了普通等通道角擠壓法中的壓頭行程過(guò)短的問(wèn)題。步驟如下(1)材料的導(dǎo)入將待加工的材料放在前導(dǎo)輥的咬入口處，在和導(dǎo)輥接觸后，由于摩擦力而被前導(dǎo)輥咬入后，因此整個(gè)材料在導(dǎo)輥的作用下垂直向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到由固定模具和活動(dòng)模具組成的上通道并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，材料只受到少量和模具壁作用的摩擦阻力。當(dāng)材料運(yùn)動(dòng)到上通道底部時(shí)，和設(shè)置的大輥徑驅(qū)動(dòng)輥發(fā)生接觸，材料停止向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)在導(dǎo)輥的推力和驅(qū)動(dòng)輥摩擦力的雙重作用下，材料開(kāi)始在由活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥組成的下通道運(yùn)動(dòng)，由于開(kāi)始時(shí)設(shè)置活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥的距離大于導(dǎo)入材料的厚度，因此材料在下通道的運(yùn)動(dòng)阻力并不大。材料在大輥徑驅(qū)動(dòng)輥提供的作用力下，在下通道中向出口側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至被后導(dǎo)輥咬入后導(dǎo)出，這時(shí)后導(dǎo)輥靠咬入的力也給材料一個(gè)向右的作用力，因此也可以給變形過(guò)程提供動(dòng)力。
(2)穩(wěn)態(tài)變形過(guò)程的建立材料被后導(dǎo)輥咬入后，這時(shí)降低活動(dòng)模具，把材料往大輥徑驅(qū)動(dòng)輥方向壓，因此材料和大驅(qū)動(dòng)輥的摩擦力變大，從而以此增加大輥徑驅(qū)動(dòng)輥的驅(qū)動(dòng)力。至此，單輥驅(qū)動(dòng)等通道角變形的穩(wěn)態(tài)變形過(guò)程建立了，這時(shí)在從上通道到下通道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，材料會(huì)產(chǎn)生近似于等通道擠壓法中純剪切的變形，該過(guò)程在材料上可連續(xù)進(jìn)行。
對(duì)于難變形材料，本發(fā)明上述過(guò)程可能難以實(shí)施，可以通過(guò)以下一些方法使變形過(guò)程順利進(jìn)行(1)先把材料讓前、后導(dǎo)輥咬入，然后再通過(guò)活動(dòng)模具把材料下壓到驅(qū)動(dòng)輥上面，這樣就使變形過(guò)程直接進(jìn)入到類(lèi)似于平衡狀態(tài)；(2)提高前、后導(dǎo)輥數(shù)目；(3)提高變形溫度。但是因?yàn)闇囟冗^(guò)高對(duì)提高材料性能不利，所以選擇把溫度提高到使變形過(guò)程能順利進(jìn)行的最低極限溫度，最低極限溫度根據(jù)各個(gè)材料的實(shí)際情況而定；(4)增加摩擦力；(5)增加上通道和下通道之間的夾角。因?yàn)樵黾由贤ǖ篮拖峦ǖ乐g的夾角對(duì)提高材料性能也不利，所以選擇把夾角增加到使變形過(guò)程能順利進(jìn)行的最小極限夾角。
單輥驅(qū)動(dòng)等通道角變形過(guò)程的條件為cosθ2AμdownAdown-μupAup≤σe2k]]>其中，θ是模具的轉(zhuǎn)角，A是剪切面的面積，μdown和Adown分別是材料和驅(qū)動(dòng)輥的接觸摩擦力和接觸面積，μup和Aup分別是材料和活動(dòng)模具的接觸摩擦力和接觸面積，σe是彈性極限，k是材料的屈服應(yīng)力。
總之，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，根據(jù)材料盡量選擇使變形過(guò)程能順利進(jìn)行的極限條件，這樣有利于細(xì)化材料晶粒和提高材料性能。
本發(fā)明提高摩擦力有三種方法第一種方法是增大活動(dòng)模具上的壓力。當(dāng)然向下壓應(yīng)力最大不能過(guò)超過(guò)材料彈性極限，否則活動(dòng)模具會(huì)向下壓扁材料，直至和驅(qū)動(dòng)輥接觸，從而阻止變形過(guò)程，甚至導(dǎo)致事故；第二種方法是提高驅(qū)動(dòng)輥和材料的摩擦系數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)一些毛化技術(shù)提高驅(qū)動(dòng)輥的表面摩擦系數(shù)；第三種方法是增大驅(qū)動(dòng)輥和材料的接觸面積。為了增大大輥徑驅(qū)動(dòng)輥和材料下表面的接觸面積，導(dǎo)輥的直徑應(yīng)該比較大，或者活動(dòng)模具也可以加工成具有和驅(qū)動(dòng)輥輥面一樣的弧度。
本發(fā)明采用大輥徑驅(qū)動(dòng)輥代替普通等通道角擠壓法中的壓頭作為變形過(guò)程的動(dòng)力源，通過(guò)大輥徑驅(qū)動(dòng)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)可以連續(xù)提供變形力，從而解決了普通等通道角擠壓法中的壓頭行程過(guò)短的問(wèn)題，使原本只能加工棒狀、短尺寸材料的等通道角擠壓法變成了能加工長(zhǎng)尺寸材料的連續(xù)等通道角變形方法，使等通道角變形具有了工業(yè)化生產(chǎn)的前景，可以連續(xù)加工具有超細(xì)晶、高性能的金屬材料，比如高強(qiáng)度的金屬線(xiàn)材、棒材和板材等。
具體實(shí)施例方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供本發(fā)明在AZ31鎂合金應(yīng)用的實(shí)施例，利用本發(fā)明生產(chǎn)AZ31鎂合金板材。具體過(guò)程如下
(1)材料的導(dǎo)入由于AZ31鎂合金具有相當(dāng)?shù)乃苄?，所以采取較低的加熱溫度250℃，通道夾角為90°，將待加工的10厘米寬、1厘米厚的AZ31鎂合金材料放在一對(duì)前導(dǎo)輥的咬入口處，在和導(dǎo)輥接觸后，由于摩擦力而被前導(dǎo)輥咬入后，因此整個(gè)材料在導(dǎo)輥的作用下垂直向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到由固定模具和活動(dòng)模具組成的上通道并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，材料只受到少量和模具壁作用的摩擦阻力。當(dāng)AZ31鎂合金材料運(yùn)動(dòng)到上通道底部時(shí)，和設(shè)置的大輥徑驅(qū)動(dòng)輥發(fā)生接觸，材料停止向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)在導(dǎo)輥的推力和驅(qū)動(dòng)輥摩擦力的雙重作用下，材料開(kāi)始在由活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥組成的下通道運(yùn)動(dòng)，由于開(kāi)始時(shí)設(shè)置活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥的距離大于導(dǎo)入材料的厚度，因此材料在下通道的運(yùn)動(dòng)阻力并不大。材料在大輥徑驅(qū)動(dòng)輥提供的作用力下，在活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥組成的下通道中向出口側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至被一對(duì)后導(dǎo)輥咬入后導(dǎo)出，這時(shí)后導(dǎo)輥也給材料一個(gè)向右的作用力，因此也可以給變形過(guò)程提供動(dòng)力。
(2)穩(wěn)態(tài)變形過(guò)程的建立材料被后導(dǎo)輥咬入后，這時(shí)降低活動(dòng)模具，把材料往大輥徑驅(qū)動(dòng)輥方向壓，和大驅(qū)動(dòng)輥發(fā)生嚴(yán)密接觸，因此材料和大驅(qū)動(dòng)輥的摩擦力變大，從而增加大輥徑驅(qū)動(dòng)輥的驅(qū)動(dòng)力。至此，單輥驅(qū)動(dòng)等通道角變形的穩(wěn)態(tài)變形過(guò)程建立了，這時(shí)在從上通道到下通道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，材料會(huì)產(chǎn)生近似于等通道擠壓法中純剪切的變形，該過(guò)程在材料上可連續(xù)進(jìn)行。
對(duì)于難變形鎂合金材料Mg-Zn-Y合金，通過(guò)把加熱溫度提高到300-350℃(AZ系列的鎂合金不能高于300℃，否則晶粒細(xì)化效果不理想)；或者增大通道夾角，可使變形過(guò)程順利進(jìn)行，但由于通道夾角太大影響剪切變形效果，所以把夾角增加到使變形過(guò)程能順利進(jìn)行的最小極限夾角，一般不超過(guò)120℃。
通過(guò)本方法加工的板材，材料厚度沒(méi)有發(fā)生變化，不像軋制方法，軋后材料厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軋前厚度，材料性能也要優(yōu)于軋制、擠壓等其它普通變形方法。
權(quán)利要求
1.一種單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，其特征在于，步驟如下(1)材料的導(dǎo)入將待加工材料放在前導(dǎo)輥的咬入口處，在和導(dǎo)輥接觸后，由于摩擦力而被前導(dǎo)輥咬入，整個(gè)材料在導(dǎo)輥的作用下垂直向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到由固定模具和活動(dòng)模具組成的上通道并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)材料運(yùn)動(dòng)到上通道底部時(shí)，和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥發(fā)生接觸，材料停止向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)在導(dǎo)輥的推力和驅(qū)動(dòng)輥摩擦力的雙重作用下，材料進(jìn)入由活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥組成的下通道，材料在大輥徑驅(qū)動(dòng)輥提供的作用力下，在下通道中向出口側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至被后導(dǎo)輥咬入后導(dǎo)出，這時(shí)后導(dǎo)輥靠咬入的力也給材料一個(gè)向右的作用力，給變形過(guò)程提供動(dòng)力；(2)穩(wěn)態(tài)變形過(guò)程的建立材料被后導(dǎo)輥咬入后，降低活動(dòng)模具，把材料往大輥徑驅(qū)動(dòng)輥方向壓，至此，單輥驅(qū)動(dòng)等通道角變形的穩(wěn)態(tài)變形過(guò)程建立了，這時(shí)在從上通道到下通道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，材料會(huì)產(chǎn)生變形，該過(guò)程在材料上能連續(xù)進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，其特征是，材料的導(dǎo)入開(kāi)始時(shí)，活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥的距離大于導(dǎo)入材料的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，其特征是，對(duì)于難變形材料，通過(guò)以下方法中的一項(xiàng)或者多項(xiàng)使變形過(guò)程順利進(jìn)行(1)先把材料讓前、后導(dǎo)輥咬入，然后再通過(guò)活動(dòng)模具把材料下壓到大輥徑驅(qū)動(dòng)輥上面；(2)提高前、后導(dǎo)輥數(shù)目；(3)提高變形溫度，把溫度提高到使變形過(guò)程能順利進(jìn)行的最低極限溫度；(4)增加摩擦力；(5)增加上通道和下通道之間的夾角，把夾角增加到使變形過(guò)程能順利進(jìn)行的最小極限夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，其特征是，所述的最小極限夾角小于等于120°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，其特征是，所述的摩擦力，通過(guò)以下方法中的一種或者多種提高(1)增大活動(dòng)模具上的壓力，但向下壓應(yīng)力應(yīng)該在材料彈性極限內(nèi)；(2)提高大輥徑驅(qū)動(dòng)輥和材料的摩擦系數(shù)；(3)增大驅(qū)動(dòng)輥和材料的接觸面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，其特征是，步驟(1)中，通過(guò)左右移動(dòng)活動(dòng)模具來(lái)調(diào)節(jié)上通道的截面積，使材料的截面積小于上通道的截面積，以減少運(yùn)動(dòng)阻力。
全文摘要
一種材料加工技術(shù)領(lǐng)域的單輥驅(qū)動(dòng)連續(xù)等通道角變形方法，具體為將待加工材料被前導(dǎo)輥咬入，整個(gè)材料進(jìn)入到由固定模具和活動(dòng)模具組成的上通道并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)材料運(yùn)動(dòng)到上通道底部時(shí)，和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥發(fā)生接觸，材料停止向下運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)輥的推力和驅(qū)動(dòng)輥摩擦力的雙重作用下，材料進(jìn)入由活動(dòng)模具和大輥徑驅(qū)動(dòng)輥組成的下通道，材料在大輥徑驅(qū)動(dòng)輥提供的作用力下，在下通道中向出口側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至被后導(dǎo)輥咬入后導(dǎo)出；材料被后導(dǎo)輥咬入后，降低活動(dòng)模具，把材料往大輥徑驅(qū)動(dòng)輥方向壓，在從上通道到下通道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，材料會(huì)產(chǎn)生變形，該過(guò)程在材料上能連續(xù)進(jìn)行。本發(fā)明采用單輥驅(qū)動(dòng)，可以生產(chǎn)無(wú)限長(zhǎng)的材料，大大擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)B21C23/02GK1712148SQ20051002772
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者陳彬, 林棟樑, 曾小勤, 丁文江, 盧晨 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)