專利名稱：扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓裝置及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種塑性成形技術(shù)領(lǐng)域的裝置和方法，具體是一種用于制備超細(xì) 晶材料的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓裝置及其加工方法。
背景技術(shù)：
大塑性變形技術(shù)簡稱SPD具有顯著的細(xì)化晶粒能力，可以將材料的晶粒組織細(xì)化 到亞微米甚至納米級(jí)，被國際材料學(xué)界公認(rèn)為是制備塊體納米和超細(xì)晶材料的最有前途的 方法。近幾年，大塑性變形技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，主要有等通道轉(zhuǎn)角擠壓ECAE，高壓扭 轉(zhuǎn)HPT，往復(fù)擠壓CEC等。但是，由于工藝條件限制，這三種變形方式存在各自的缺陷。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，M. Richert等人在《Canadian Metal Iurgical Quarterly》(加拿大冶金季刊，1998，5 :449-457)上發(fā)表的 “MICROBAND FORMATION IN CYCLIC EXTRUSIONCOMPRESSION OF ALLUMINUM”(往復(fù)擠壓中織構(gòu)的形成)一文中，介紹了 往復(fù)擠壓的基本原理，模具內(nèi)有兩個(gè)截面積相等、在一條直線上、中間有一個(gè)緊縮區(qū)分開的 模腔，在模腔的兩邊分別裝置一個(gè)油壓式?jīng)_頭。在擠壓過程中，材料在沖頭的作用下，到達(dá) 緊縮區(qū)，此時(shí)，材料將受到正擠壓變形，擠壓后的材料在另一個(gè)模腔的沖頭作用下，發(fā)生鐓 粗變形。當(dāng)?shù)谝荒Ｇ粌?nèi)的材料全部被擠壓到第二模腔時(shí)，再重復(fù)上述過程反向壓回，這完成 一個(gè)動(dòng)作循環(huán)。重復(fù)以上的過程，直至獲得所要的應(yīng)變?yōu)橹?，這時(shí)移去一側(cè)沖頭，就可以將 材料擠出成型，這一過程原則上可以無限次的進(jìn)行下去，從而獲得細(xì)小均勻的等軸晶粒。該 技術(shù)具有如下特點(diǎn)(1)能夠制備大體積均勻細(xì)晶材料，有實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的前途；(2)可以 獲得任意大的應(yīng)變而沒有材料破裂的危險(xiǎn)；(3)擠壓工藝與壓縮工藝同時(shí)進(jìn)行，連續(xù)變形， 無需改變材料的原始形狀。但是，該技術(shù)的成形過程缺少剪切變形，并且通常選用的擠壓比 較小(否則擠壓材料在鐓粗時(shí)將彎曲失穩(wěn))，造成材料組織不均勻，細(xì)化程度不理想，并且 易于出現(xiàn)加工死區(qū)等不利影響。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號(hào)ZL200520103326. 3的一種致試樣細(xì)晶化的高壓扭 轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)裝置，采用兩個(gè)砧頭和側(cè)環(huán)圍成的空腔，在幾個(gè)GPa的靜水壓力P作用下，兩個(gè)砧頭 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，材料在砧頭端面摩擦力的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)剪切變形，形成組織細(xì)小且分布均勻 的合金。該技術(shù)具有如下特點(diǎn)⑴制備的材料晶粒尺寸細(xì)小，可以達(dá)到50nm 150nm ；⑵ 加工的材料受到強(qiáng)烈剪切作用，變形量大，但不易破裂；(3)可將樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榻蚓?，?高材料力學(xué)性能。但是，該技術(shù)的缺點(diǎn)在于制備材料形狀為餅狀，且體積小，應(yīng)用受到限制， 無法進(jìn)行工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。Y. Iwahashi 等人在《Scripta Material》(材料導(dǎo)報(bào)，1996，35 143-146)上發(fā)表的 "principle of equal-channel angular pressing for the processing of ultra-fine grainedmaterials”(制備超細(xì)晶材料的等通道轉(zhuǎn)角擠壓原理)一文中，介紹了等通道轉(zhuǎn)角 擠壓制備超細(xì)晶材料的原理，擠壓模具內(nèi)有兩個(gè)截面相等的通道，兩通道以一定的角度相 交，擠壓時(shí)，試樣在沖頭的作用下經(jīng)過兩通道的轉(zhuǎn)角處(常見的內(nèi)角為90°和120° )產(chǎn) 生局部大剪切塑性變形。采用該技術(shù)具有如下特點(diǎn)(1)可以制備大體積試樣；(2)材料在擠壓前后橫截面形狀和面積不改變，故多次反復(fù)擠壓可使各次變形的應(yīng)變量累積迭加，從 而得到相當(dāng)大的總應(yīng)變量；(3)細(xì)化能力強(qiáng)，經(jīng)過該工藝加工的材料晶粒大小約為IOOnm 200nm。但是，該技術(shù)最大的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，模具拆卸非常不方便，并且通道轉(zhuǎn)角的內(nèi)外 角附近材料的變形方式和變形程度不同，導(dǎo)致用該方法制備的超細(xì)晶材料在組織的均勻性 方面存在一定的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓裝置及其加工方 法，通過新型加工方法使得材料產(chǎn)生一個(gè)往復(fù)擠壓和扭轉(zhuǎn)剪切的復(fù)合成形，從而制得較大 體積的，組織均勻的超細(xì)晶材料。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工裝置，包括凹模、凹模套板和凹模固定板， 其中凹模固定板固定設(shè)置于工作臺(tái)上，變截面紡錘體結(jié)構(gòu)的凹模位于凹模固定板和凹模 套板之間。所述的凹模內(nèi)設(shè)有上通道、下通道的位于兩者之間的直線型變截面圓形結(jié)構(gòu)的擠 壓通道，其中上通道和下通道的截面積相等且均為圓形，變形通道的截面積均小于上通道 及下通道的截面積，所述的擠壓通道與上通道和下通道的連接處外部設(shè)有工作帶，該工作 帶為光順倒圓角。所述的上通道和下通道處分別設(shè)有上壓頭和下壓頭，上壓頭和下壓頭固定相連且 尾部截面均為方形，端部的工作部分截面均為圓形，上壓頭和下壓頭的截面與凹模內(nèi)的擠 壓通道的截面相配合，該上壓頭和下壓頭的端面均經(jīng)過粗糙化處理。本裝置可制備純金屬、合金、金屬間化合物、復(fù)合材料、高分子材料、半導(dǎo)體材料等 多種超細(xì)晶材料。本發(fā)明涉及上述裝置的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工方法，其具體步驟包括第一步，將上壓頭下行加壓，對(duì)預(yù)先置于上通道中的試樣進(jìn)行擠壓，使試樣通過變 形通道進(jìn)入下通道；所述的預(yù)先置于上通道中的試樣是指將試樣置于上通道內(nèi)部之前先進(jìn)行預(yù)熱并 保溫，同時(shí)該試樣在整個(gè)擠壓過程中維持溫度不變。所述的預(yù)熱并保溫是指預(yù)熱到390-400°C。第二步，在試樣頭部與預(yù)先置于下通道中的下壓頭接觸時(shí)增大上壓頭的擠壓力， 同時(shí)下壓頭對(duì)試樣頭部反向施加背壓，使得下通道內(nèi)試樣鐓粗至充滿整個(gè)上通道和下通 道；所述的擠壓力的壓力為40t 1000t，擠壓速度為2mm/s。所述的背壓的壓力為400MPa lOGPa。第三步，驅(qū)動(dòng)上壓頭和下壓頭逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn)變形，使試樣發(fā)生擠壓和 扭轉(zhuǎn)復(fù)合變形，至試樣完全進(jìn)入下通道，停止推進(jìn)，完成一道次加工；所述的逆向轉(zhuǎn)動(dòng)是指保持?jǐn)D壓速度的同時(shí)上、下壓頭以0. Irpm IOrpm的速度 逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn)剪切變形，在整個(gè)擠壓過程中，施加的扭轉(zhuǎn)角度范圍為90° 180° 。
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第四步，反向驅(qū)動(dòng)上壓頭和下壓頭，對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)式擠壓加工；第五步，重復(fù)第三步和第四步若干次實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工。本發(fā)明包括以下技術(shù)效果1.本發(fā)明專利通過采用擠壓變形和扭轉(zhuǎn)變形的復(fù)合變形手段，一方面解決了往復(fù) 擠壓剪切變形不足的缺陷，另一方面解決了高壓扭轉(zhuǎn)材料體積較小的限制。利用這一獨(dú)特 的復(fù)合變形，實(shí)現(xiàn)制備較大體積超細(xì)晶鎂合金材料的目的。所生產(chǎn)的棒材晶粒細(xì)化充分，擁 有更高的韌性，機(jī)械性能得以大幅提高。2.設(shè)備輕巧，投資少，易于拆裝，安全系數(shù)較高。3.模具結(jié)構(gòu)簡單，模具型腔形狀可根據(jù)材料的性能和生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)整，模具加 熱方便，易于控制加工溫度，調(diào)整工藝參數(shù)。


圖1為此模具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為此模具的俯視示意圖。圖3為通道的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例涉及的擠壓裝置包括上壓頭1，凹模2，下壓頭3，定位銷4， 凹模套板5，凹模固定板6，套板固定螺釘7，其中凹模固定板6固定在工作臺(tái)上，凹模2內(nèi) 置直線型變截面圓形擠壓通道。凹模2的外形采用中間大兩頭小的變截面方形結(jié)構(gòu)(見圖 3)，裝配于凹模固定板6和凹模套板5之間。通過定位銷4定位后用套板固定螺釘7連接 固定(見圖2)，上、下壓頭1、3分別位于上、下通道9、11處。如圖2所示，所述的上壓頭1和下壓頭3的尾部為方形截面，采用專用夾具對(duì)其連 接固定，受驅(qū)動(dòng)后可同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓頭端部的工作部分為圓形截面，與通 道截面相配合。如圖3所示，所述的凹模2內(nèi)置的直線型變截面擠壓通道，其特征是，上、下通道9、 11截面積相等，形狀為圓形。變形通道10位于上、下通道9、11之間，形狀也是圓形，但尺寸 比上、下通道9、11小，通道連接處的工作帶為光順倒圓角。所述的上、下壓頭1、3端面經(jīng)過粗糙化處理，以保證它們和試樣8之間有足夠的摩 擦力，驅(qū)動(dòng)試樣8在往復(fù)擠壓過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在加工時(shí)，通道內(nèi)部涂抹潤滑劑，通過 改變上、下壓頭1、3的壓力值實(shí)現(xiàn)往復(fù)擠壓運(yùn)動(dòng)；通過改變上、下壓頭1、3的扭矩，實(shí)現(xiàn)不同 方向和速度的扭轉(zhuǎn)剪切變形。將長度為25-30mm的鎂合金棒材加工成截面為Φ 30mm的圓柱形試樣8。把此試樣 放入凹模3的上通道9內(nèi)，將試樣與模具一起預(yù)熱到390-400°C，用上壓頭1以2mm/s的速 度沿著附圖3中所示擠壓方向，把試樣擠入模具的變形通道10中，當(dāng)試樣頭部通過變形通 道10進(jìn)入了下通道11并與預(yù)先放置在出口通道中的下壓頭3接觸，增大上壓頭1的擠壓力。所述的擠壓力的壓力為40t 1000t。并同時(shí)用下壓頭3對(duì)試樣施加背壓。所述的背壓的壓力為400MPa lOGPa。保持2mm/s的擠壓速度不變，并通過上、 下壓頭1、3的逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn)剪切變形。所述的逆向轉(zhuǎn)動(dòng)的速度范圍為0. Irpm lOrpm，在整個(gè)擠壓過程中，施加的扭轉(zhuǎn) 角度范圍為90° 180°。當(dāng)試樣尾部完全進(jìn)入下通道11后，停止推進(jìn)完成一道次加工。第二道次加工是反 向施壓，利用下壓頭3進(jìn)行反向扭轉(zhuǎn)式擠壓變形。以此類推，總計(jì)進(jìn)行4個(gè)道次的往復(fù)扭轉(zhuǎn) 式擠壓變形。斷開電源，打開套板固定螺釘7，移去凹模套板5，取出試樣，使之在空氣中冷卻， 切除廢料。清理模具并涂上下次加工所需潤滑劑，完成加工。
權(quán)利要求
一種扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工裝置，包括凹模、凹模套板和凹模固定板，其中凹模固定板固定設(shè)置于工作臺(tái)上，變截面紡錘體結(jié)構(gòu)的凹模位于凹模固定板和凹模套板之間，其特征在于所述的凹模內(nèi)設(shè)有上通道、下通道的位于兩者之間的直線型變截面圓形結(jié)構(gòu)的擠壓通道，其中上通道和下通道的截面積相等且均為圓形，變形通道的截面積均小于上通道及下通道的截面積，所述的擠壓通道與上通道和下通道的連接處外部設(shè)有工作帶，該工作帶為光順倒圓角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工裝置，其特征是，所述的上通道和下通 道處分別設(shè)有上壓頭和下壓頭，上壓頭和下壓頭固定相連且尾部截面均為方形，端部的工 作部分截面均為圓形，上壓頭和下壓頭的截面與凹模內(nèi)的擠壓通道的截面相配合，該上壓 頭和下壓頭的端面均經(jīng)過粗糙化處理。
3.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述裝置的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工方法，其特征在于，包 括以下步驟第一步，將上壓頭下行加壓，對(duì)預(yù)先置于上通道中的試樣進(jìn)行擠壓，使試樣通過變形通 道進(jìn)入下通道；第二步，在試樣頭部與預(yù)先置于下通道中的下壓頭接觸時(shí)增大上壓頭的擠壓力，同時(shí) 下壓頭對(duì)試樣頭部反向施加背壓，使得下通道內(nèi)試樣鐓粗至充滿整個(gè)上通道和下通道；第三步，驅(qū)動(dòng)上壓頭和下壓頭逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn)變形，使試樣發(fā)生擠壓和扭轉(zhuǎn) 復(fù)合變形，至試樣完全進(jìn)入下通道，停止推進(jìn)，完成一道次加工；第四步，反向驅(qū)動(dòng)上壓頭和下壓頭，對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)式擠壓加工；第五步，重復(fù)第三步和第四步若干次實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述裝置的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工方法，其特征是，所述的預(yù)先置于 上通道中的試樣是指將試樣置于上通道內(nèi)部之前先進(jìn)行預(yù)熱并保溫，同時(shí)該試樣在整個(gè) 擠壓過程中維持溫度不變。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述裝置的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工方法，其特征是，所述的預(yù)熱并保 溫是指預(yù)熱到390-400°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述裝置的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工方法，其特征是，所述的擠壓力的 壓力為40t lOOOt，擠壓速度為2mm/s。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述裝置的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工方法，其特征是，所述的背壓的壓 力為:400MPa IOGPa0
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述裝置的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓加工方法，其特征是，所述的逆向轉(zhuǎn)動(dòng) 是指保持?jǐn)D壓速度的同時(shí)上、下壓頭以0. Irpm IOrpm的速度逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)試樣施加扭轉(zhuǎn) 剪切變形，在整個(gè)擠壓過程中，施加的扭轉(zhuǎn)角度范圍為90° 180°。
全文摘要
一種塑性成形技術(shù)領(lǐng)域的扭轉(zhuǎn)式往復(fù)擠壓裝置及其加工方法，包括凹模、凹模套板和凹模固定板，凹模固定板固定設(shè)置于工作臺(tái)上，變截面紡錘體結(jié)構(gòu)的凹模位于凹模固定板和凹模套板之間。本發(fā)明方法使得材料會(huì)產(chǎn)生一個(gè)往復(fù)擠壓和扭轉(zhuǎn)剪切的復(fù)合成形，從而制得較大體積的，組織均勻的超細(xì)晶材料。
文檔編號(hào)B21C23/00GK101966536SQ201010289359
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月22日
發(fā)明者周浩, 王渠東 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)