一种累积挤压拉拔加工纳米金属材料工艺及其机床的制作方法

本发明涉及一种加工块体纳米金属材料的深度塑性加工方法及机床，属于金属塑性加工领域。

背景技术：

深度塑性加工技术(SPD)自上个世纪九十年代中后期发展至今，它可以利用传统的塑性加工手段加工块体的纳米金属材料或合金材料，虽然得到了广大学者的关注，目前仍然处于实验室研究阶段，取得了一定的阶段性研究成果，但是，因为这种加工技术的重复稳定性较难控制，又很难实现自动化，因而，目前没有得到有效的推广。在深度塑性加工技术中最有发展潜力和市场应用推广前景的是累积叠轧技术(ARB)，这种技术是利用轧制达到深度塑性变形的目的从而使其达到纳米级别，但是，由于在轧制的过程当中两块材料的微小滑动和宽展难以有效控制，使得材料的均匀一致性很难保证，制备的工件形状不规则，很容易造成工艺稳定性不好，尤其在反复轧制中，工艺的一致性很难有效控制。因而，如何有效地提高工艺的稳定性、改善塑性成形效果和工件的形状精度、实现自动化，这是解决推广深度塑性加工技术主要解决的三方面问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种累积挤压拉拔纳米金属材料加工工艺及机床，从而有效地提高工艺的稳定性、改善塑性成形效果和工件的形状精度、实现自动化生产。

为实现本发明目的，首先对加工机床及模具进行了设计，具体技术解决方案如下：

所述的加工机床包括控制柜、液压循环系统、表面处理装置、牵引装置、切割装置，挤压装置及工作台，控制柜连接各系统及装置，特征在于，液压循环系统并联连接挤压装置及切割装置；挤压装置由挤压液压缸和合模液压缸、挤压磨具组成；挤压模具由上模体和下模体两部分组成，中间为中空模具腔体，下模体固定在工作台上，上模体与合模液压缸的活塞杆垂直固定连接；挤压液压缸的活塞杆水平连接挤压冲头，挤压冲头在中空模具腔体内滑动；在挤压模具的出口依次连接有切割装置、牵引装置，分别固定在工作台上；在工作台上固定有装卸机械手和表面处理装置。

合模液压缸安装在立柱上。

切割装置底部连接导轨，通过步进电机控制其左右方向移动，通过液压装置完成切断动作。

牵引装置通过步进电机控制完成牵引动作。

装卸机械手通过步进电机控制完成工件的抓取动作。

整个工艺流程由控制柜完成总体控制。

利用上述装置通过如下步骤实现纳米金属材料的累积挤压拉拔加工工艺:首先利用表面处理装置对金属材料进行表面处理，纵向叠加金属材料，进入挤压磨具腔体，挤压液压缸和合模液压缸同时运行，对金属材料进行立体三方向挤压，同时牵引装置对金属材料进行拉拔，拉拔均匀后，通过切割装置移动切割。将切割后的金属材料重复多次上述挤压拉拔工序，完成最终产品定型。

根据材料的不同调整挤压拉拔次数，通常整个工艺需要6—10次完成。

工艺参数：可进行冷挤压拉拔或热挤压拉拔。

热挤压拉拔：坯料加热温度为350℃-550℃，润滑液采用乳液，挤压与拉拔速度为0.05m/s-0.1m/s，挤压力根据截面尺寸确定。

冷挤压拉拔：坯料经退火处理，润滑液采用乳液，挤压与拉拔速度为0.05m/s-0.1m/s，挤压力根据截面尺寸确定。

本发明创新点及原理：采用挤压工艺代替轧制工艺，挤出的高度比和轧制的压下量相同，同为2:1，为了便于挤出和防止两块材料的微小滑动，采用前端拉拔辅助的方式，每一次宏观的塑性变形和轧制类似，都是剪切面有大的宏观剪切变形，挤出道次为6—10次，但是横向宽展被防止了，而且，前端有牵引，工件的直线形状精度等有所保证，并且由于是以挤压方式为主拉拔为辅，所以金属主要的变形特征是三向压应力，这样有助于塑性变形。模具采用开式的上下挤压模，便于加工制造、安装、调试。采用机、电、液数控方式，合模、挤压、切断采用液压，牵引拉拔采用步进电机驱动，在机床上安装装卸机械手和表面处理装置后就可在一台机床上完成一次挤压的全流程：表面处理、叠加、挤压拉拔、切断，实现了整个加工过程的自动化。

本发明优点在于：

1、加工工艺采用累积挤压拉拔方式加工纳米块体金属材料，材料的相对滑动和宽展被有效避免了，变形特征为三向压应力，变形效果被改善了，而且工件的直线形状精度被提高了，塑性成形好。

2、机床结构简单，工艺一致性能有效控制，可以实现全程自动化。

3、挤压模具采用开式模具，便于加工制造、安装、调试。

本工艺与传统累积叠轧和等通道角挤压、高压扭转等深度塑性加工方法相比，工件成形好、晶粒细化均匀、设备简单、易自动化。

附图说明

图1为本发明加工工艺流程图；

图2为本发明挤压模具A-A剖面图；

图3为本发明机床结构示意图，图中，1—挤压液压缸；2—挤压装置；3—合模液压缸；

4—挤压模具；5—上模体；6—下模体；7—切割装置；8—牵引装置；9—工作台；10—装卸机械手；11—表面处理装置；12—液压循环系统；13—控制柜,14-模具腔体，15-活塞A，16-活塞B；17-挤压冲头。

图4为本发明机床控制原理图。

具体实施方式

为对本发明进行更好地说明，举实施例如下：

实施例1

所述的加工机床包括控制柜13、液压循环系统12、表面处理装置11、牵引装置8、切

割装置7，挤压装置2及工作台9，控制柜13连接各系统及装置，特征在于，液压循环系统12并联连接挤压装置2及切割装置7；挤压装置2由挤压液压缸1和合模液压缸3、挤压磨具4组成；挤压模具4由上模体5和下模体6两部分组成，中间为中空模具腔体14，下模体6固定在工作台9上，上模体5与合模液压缸3的活塞杆16B垂直固定连接；挤压液压缸1的活塞杆15A水平连接挤压冲头17，挤压冲头17在中空模具腔体14内滑动；在挤压模具的出口依次连接有切割装置7、牵引装置8，分别固定在在工作台9上；在工作台9上固定有装卸机械手10和表面处理装置11。

合模液压缸3安装在立柱上。

切割装置7底部连接导轨，通过步进电机控制其左右方向移动，通过液压装置完成切断动作。

牵引装置8通过步进电机控制完成牵引动作。

装卸机械手10通过步进电机控制完成工件的抓取动作。

整个工艺流程由控制柜完成总体控制。

实施例2

利用上述机床通过如下步骤实现纳米金属材料的累积挤压拉拔加工工艺:首先利用表面处理装置对金属材料进行表面处理，纵向叠加金属材料，进入挤压磨具腔体，挤压液压缸和合模液压缸同时运行，对金属材料进行立体三方向挤压，同时牵引装置对金属材料进行拉拔，拉拔均匀后，通过切割装置的移动切割。将切割后的金属材料重复多次上述挤压拉拔工序，完成最终产品定型。

根据材料的不同调整挤压拉拔次数，通常整个工艺需要6—10次完成。

工艺参数：可进行冷挤压拉拔或热挤压拉拔。

热挤压拉拔：坯料加热温度为400℃，润滑液采用乳液，挤压与拉拔速度为0.05m/s-0.1m/s，挤压力根据截面尺寸确定。

冷挤压拉拔：坯料经退火处理，润滑液采用乳液，挤压与拉拔速度为0.05m/s-0.1m/s，挤压力根据截面尺寸确定。