一种超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置的制造方法
【技术领域】
本发明涉及金属大塑性变形技术领域，具体是一种超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置。
【背景技术】
超细晶材料是指晶粒尺寸在lOOnm?lum的亚微米级或纳米级材料。超细晶结构材料常常表现出一系列优异的力学性能，如高强度和良好的韧性、耐磨性等，因此广泛应用于航空航天、高层建筑、大跨度重载桥梁、轻量节能汽车、大型工程机械等。
在众多细化方法中，剧烈塑性变形作为一种独特的、以组织控制为目的的塑性加工方法可直接获得亚微晶和纳米晶组织。等径角挤压是目前制备尚性能块状超细晶材料最有效的剧烈塑性变形方法，也是目前最具工业化应用前景的技术之一。等径角挤压法(ECAP)最早由Segal提出并得到许多研究者的重视，ECAP关键在于纯剪切变形，剪切变形的交互作用导致晶粒细化，被挤压材料的微观组织演变可通过挤压过程中加工硬化、动态回复和动态再结晶来控制，最终达到细化晶粒、提高材料综合力学性能的目的。ECAP变形制备块体超细晶金属材料的技术已表现出诱人的市场前景，如生物医学材料、高技术精密锻件、贵金属溅射靶材、超塑性成形材料、高技术武器装备等都是ECAP制备超细晶金属材料的潜在应用领域。现有的ECAP模具有三个缺点:1)制备的挤压件表面易产生裂纹或划痕；2)制备的试样组织的均匀性和塑性变形区的分布不好；3)现有的ECAP模具制备的超细晶材料在尺度上很难达到200nm以下。因此，研制一套合适的等径角挤压实验装置，对于开展金属材料的ECAP研究是十分必要的。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有等径角挤压技术中的不足，提供一种超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置，将超声波应用到等径角挤压模具中，超声波在固体材料中传播时能够增加材料位错密度、降低材料的内摩擦力并产生热，超声波产生的交变应力场与弹塑性变形产生的应力场的耦合作用下，使坯料发生剧烈塑性变形；等径角挤压过程中施加背压力可以扩大ECAP过程塑性变形区域，可以有效地增加试件变形量和变形均匀性，提高了材料塑性应变能力。以上施加在ECAP过程中的超声波与背压力均能提高组织的均匀性和细化材料晶粒，制备块体纳米晶。本发明能有效提高挤压件晶粒的细化和组织的均匀性，制备出高质量的挤压件。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:一种超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置，包括上模板、垫块、挡圈、应力圈、导套、凹模、顶料杆、导柱、下模板、液压柱塞、凸模以及超声波振动装置，具体结构和连接关系为:所述上模板上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞相连接，垫块上端与上模板连接，垫块下端与凸模连接，凸模固定在挡圈内，挡圈上端与垫块固定连接，导套的上端与上模板固定连接，导套的下端和导柱相接，导柱的下端与下模板固定连接，凹模下端固定在下模板上，凹模侧面用分体应力圈固定，顶料杆前段穿过凹模上的顶料杆通孔，超声波振动装置固定于顶料杆上。
所述的超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置的施工方法，包括如下步骤:
1)根据挤压件的尺寸，确定凸模的外径；
2)将挤压件放入凹模内；
3)启动液压机，模具的上模板和下模板在液压机作用下作相对运动并带动垫块和凸模运动；
4)启动超声波振动装置，使顶料杆超声波作用下产生共振，顶料杆产生高频振动；
5)液压机的液压柱塞下行，推动凸模下行，推动挤压件向下通过凹模，制备得到工件；
6)打开应力圈，分开凹模，取出挤压件。
所述的超声波振动装置包括超声波放大器、超声波换能器和超声波发生器；超声波放大器通过螺钉或定位销与顶料杆连接，超声波放大器通过螺杆与超声波换能器连接，超声波换能器通过电缆与超声波发生器连接。
所述超声波换能器置于超声波放大器上。
所述凹模为对称两分体，对称两分体凹模下端通过定位销固定在下模板上，对称两分体凹模侧面用应力圈固定。
本发明的有益效果是:
将超声波与背压力应用到等径角挤压技术中，在ECAP变形过程中施加背压力，由于静水压力的作用，材料尤其难加工材料可以在低的温度下变形，能够有效地细化晶粒，避免裂纹的形成。
通过将高强度超声波输入到顶料杆中，在顶料杆表面产生高频周期振动位移，超声波辅助等径角挤压过程中顶料杆与挤压件之间由于振动而产生瞬间分离，从而使挤压件产生强烈的“体积效应”和“表面效应”，还有背压力的静水压力，主要体现在以下几个方面:1)振动改变传统塑性变形中的摩擦行为及金属流动行为，有利于变形加工；2)振动增加材料位错密度、降低材料的内摩擦力并产生热，减少局部黏焊现象；3)超声波产生的交变应力场与弹塑性变形产生的应力场的耦合作用下，是材料发生剧烈塑性变形，提高组织的均匀性和细化材料晶粒；4)背压力可有效地细化晶粒而且可以避免裂纹的形成。因此，通过超声波高频振动和施加背压力，提高挤压件均匀化和细化晶粒，有效克服当前等径角挤压模具所存在的问题。
【附图说明】
图1为本发明所述的超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置的结构示意图。
图2为本发明所述的超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置的挤压件示意图。 图3为本发明所述的超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置的凹模结构示意图。
图4为本发明所述的超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置的应力圈结构示意图。
图5为本发明所述的超声波与背压力联合作