适用于单向四柱液压机的金属材料模动式往复挤压装置的制作方法

本发明是一种适用于单向四柱液压机的金属材料模动式往复挤压装置(以下简称往复挤压装置)，属于金属材料塑性变形领域。

背景技术：

大应变量是各种塑性变形技术共同的发展方向。比如传统轧制发展为累积轧制(arb)、锻造发展为多次(向)锻造(mf)，常规挤压发展为大比率挤压(hre)，继续演变为等通道转角挤压(ecaeorecap)、往复挤压(reorcec)，扭转变形发展为高压扭转(hpt)等。大应变量的塑性变形技术被称为大塑性变形技术(spd)。大塑性变形技术，具有强烈的晶粒细化能力，可以直接将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级被国际材料学界公认为制备块体纳米的最有前途的方法。往复挤压技术作为大塑性变形技术的代表之一，具有许多的优点：1、应变量大，晶粒细化能力强：2、挤压与压缩同时进行，可以使金属和合金获得任意大的应变而没有破裂的危险；3、连续变形，无需改变试样的原始形状；4、材料在变形过程中基本处于压应力状态，有利于消除材料初始组织的各种缺陷；5、加工温度范围广。但目前往复挤压技术并未实现真正的工程化应用，主要因为存在以下瓶颈：1、随着挤压坯料规格增加，对设备能力要求较高，随之成本较大；2、现有市场缺少合适的双向挤压设备实现往复挤压工艺，多数情况下需要特制设备；3、先有部分研究利用挤压模具上下旋转实现往复挤压工艺，一方面效率较低，另一方面在挤压过程中坯料仅受单向压应力，对于改善材料内部缺陷作用较弱。4、高温往复挤压对于挤压模具的要求较高，模具损耗较大。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种适用于单向四柱液压机的金属材料模动式往复挤压装置，其目的是利用常规的四柱液压机作为设备载体，实现往复挤压从而达到金属晶粒细化的目的，并克服目前往复挤压技术的瓶颈问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种适用于单向四柱液压机的金属材料模动式往复挤压装置，其特征在于：该装置包括一个挤压外模套6，挤压外模套6的周边设置有对称承力臂25，对称承力臂25的两端均位于往复挤压装置的上、下往复挤压液压缸4的活塞杆之间，挤压外模套6的周边还设置有与对称承力臂25垂直的对称导向臂24套装于往复挤压装置的对称导向柱21上，对称导向柱21通过对称导向柱锁紧螺母20与往复挤压装置的预应力框架锁紧；

沿挤压外模套6的中轴线加工有通孔，在通孔内固定设置一个中间变形模套14，沿中间变形模套14的中轴线加工一个截面变化的双向开口腔体作为模腔，将挤压坯料13充填到该模腔内，并利用液压机的上顶杆1和下顶杆19分别通过上垫料12、下垫料16封堵该模腔的上、下开口；

当液压机的往复挤压液压缸4带动挤压外模套6并由挤压外模套6带动中间变形模套14上、下运动时，挤压坯料13随中间变形模套14的模腔的上、下运动在模腔内发生变形。

进一步，液压机的上顶杆1和下顶杆19分别通过上垫料12

下垫料16封堵该模腔的上、下开口。

进一步，在中间变形模套14的上方设置上挤压内模套11，并由安装在挤压外模套6通孔上端的上挤压腔封盖10固定；在中间变形模套14的下方设置下挤压内模套17，并由安装在挤压外模套6通孔下端的下挤压腔封盖18固定。

进一步，上挤压内模套11和下挤压内模套17的侧面通过安装在挤压外模套6上的顶丝27固定位置。

进一步，中间变形模套14上方的上挤压内模套11通过接触面上的上定位块28固定位置；中间变形模套14下方的下挤压内模套17通过接触面上的下定位块26固定位置。

进一步，沿中间变形模套14中轴线加工的模腔采用三段式设计，分别是上段内腔、中段内腔和下段腔，三段内腔的表面之间是无间隙的圆滑过渡；

上段内腔是等截面的柱形空腔，下段内腔也是等截面的柱形空腔，两个柱形空腔的内径相同，中段内腔则是变截面的漏斗形空腔。

进一步，沿中间变形模套14的外圆周表设置有感应加热元件15用于加热挤压坯料13。

进一步，在液压机的上顶杆1和下顶杆19之间加载交流或直流电流对模腔中的挤压坯料13进行加热。

所述单向四柱液压机具有四个往复挤压液压缸4，其预应力框架包括上横梁3和下横梁8，上横梁3和下横梁8之间通过框架立柱7连接并通过预应力拉杆5和预紧螺母2连接，下横梁9通过支座9安装在移动工作台29上，工作台29设置在四柱液压机的底座30上，上顶杆1的上方为四柱液压机的上滑块31。

上述组件中，中间变形模套14、上垫料12、下垫料16、上挤压内模套11、上挤压腔封盖10、下挤压内模套17和下挤压腔封盖18组合成挤压内模22，在上挤压腔封盖10的中心加工有充填挤压坯料13的入料口23。在下挤压腔封盖18的中心加工有充填挤压坯料13的出料口。

本发明技术方案的优点是：

1、在往复挤压挤压坯料13受到三向压应力作用，显著改善金属变形过程中的裂纹、空隙等组织缺陷，同时通过往复挤压能够有效细化金属晶粒；

2、利用现有的四柱液压机的主压力将模动式往复挤压装置上下锁紧，再利用4个液压缸实现模动式往复挤压装置往复运动，结构简单，成本大大降低，且往复挤压速度连续可调，可满足不同材料对于塑性变形速度的不同要求，适用金属材料范围更广；

3、在一次装料后，可以进行多次往复挤压，使挤压坯料13积累较大变形量，相较普通自由锻造的方式极大提高了生产效率，降低成本；

4、利用本发明可实现高温条件下的数十次连续往复挤压工艺，相较传统的锻造开坯或挤压工艺缩短了工艺流程，极大提高了生产效率，降低了生产成本。

5、挤压坯料13进料和出料直径相等，对于如钛铝系金属间化合物等脆性金属材料制备棒材的材料收得率将有显著提高，可用于制备更大规格的金属棒材。

附图说明

图1为模动式往复挤压装置的安装结构示意图

图2为图1中去掉上顶杆1后的俯视图

图3为模动式往复挤压装置的结构示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1～3所示，该种适用于单向四柱液压机的金属材料模动式往复挤压装置包括一个挤压外模套6，挤压外模套6的周边设置有对称承力臂25，对称承力臂25的两端均位于往复挤压装置的上、下往复挤压液压缸4的活塞杆之间，挤压外模套6的周边还设置有与对称承力臂25垂直的对称导向臂24套装于往复挤压装置的对称导向柱21上，对称导向柱21通过对称导向柱锁紧螺母20与往复挤压装置的预应力框架锁紧；

沿挤压外模套6的中轴线加工有通孔，在通孔内固定设置一个中间变形模套14，沿中间变形模套14的中轴线加工一个截面变化的双向开口腔体作为模腔，将挤压坯料13充填到该模腔内，并利用液压机的上顶杆1和下顶杆19分别通过上垫料12、下垫料16封堵该模腔的上、下开口；

当液压机的往复挤压液压缸4带动挤压外模套6并由挤压外模套6带动中间变形模套14上、下运动时，挤压坯料13随中间变形模套14的模腔的上、下运动在模腔内发生变形。

其中：液压机的上顶杆1和下顶杆19分别通过上垫料12、下垫料16封堵该模腔的上、下开口。

其中：在中间变形模套14的上方设置上挤压内模套11，并由安装在挤压外模套6通孔上端的上挤压腔封盖10固定；在中间变形模套14的下方设置下挤压内模套17，并由安装在挤压外模套6通孔下端的下挤压腔封盖18固定；上挤压内模套11和下挤压内模套17的侧面通过安装在挤压外模套6上的顶丝27固定位置；中间变形模套14上方的上挤压内模套11通过接触面上的上定位块28固定位置；中间变形模套14下方的下挤压内模套17通过接触面上的下定位块26固定位置。

其中：沿中间变形模套14中轴线加工的模腔采用三段式设计，分别是上段内腔、中段内腔和下段内腔，三段内腔的表面之间是无间隙的圆滑过渡；上段内腔是等截面的柱形空腔，下段内腔也是等截面的柱形空腔，两个柱形空腔的内径相同，中段内腔则是变截面的漏斗形空腔。

其中：沿中间变形模套14的外圆周表设置有感应加热元件15用于加热挤压坯料13。

其中：在感应加热元件15内部加载交流或直流电流对模腔中的挤压坯料13进行加热或者直接使用加热电阻丝对模腔中的挤压坯料13进行加热。

挤压外模套6选用高强模具钢材料，厚度须根据整套装置挤压力及挤压坯料13尺寸进行强度校核后确定，工作温度应在400℃左右。挤压外模套6在轴向方向加工水冷孔，用于接入冷却循环水降温使用，水冷孔大小须根据变形模套加热温度与挤压外模套6选用材料耐温性经过换热计算后确定。

挤压内模套22的上、下挤压内模套均为空心圆柱结构，空心腔体尺寸根据挤压坯料13直径确定，空心腔体的直径应比挤压坯料13直径大0.2-1mm。上挤压内模套11、下挤压内模套17和中间变形模套14接触端面应设计定位卡槽，通过上、下定位块保证上、下挤压内模套和中间变形模套装配后不会发生径向错位，顶丝27通过螺纹孔旋入保证上、下挤压外模套轴向相对固定，在挤压过程中不会出现上下滑动。上、下挤压内模套材质应选用耐热材料，常用工作温度应在900℃以上。

中间变形模套14的中心模腔变径形状可根据需求设计不同变径形状，材质选用耐高温材料，工作温度可达1100℃以上。中间变形模套14的外壁加工数个水平方向通孔或环槽，用于安装感应加热元件15或加热电阻丝，感应加热元件15为感应线圈。感应加热最高加热温度不低于1150℃，温度均匀度优于±20℃，控温仪表精度应优于±1℃。

4个往复挤压液压缸4两两上下对称固定在上、下横梁上，其活塞杆与对称承力臂25上、下面相接触，可以通过螺纹固定，也可通过导向盲孔接触。

上、下垫料可加工为实心圆柱体，也可直接使用粉状材料。上下垫料材质应选用易变形且不与挤压坯料13反应材料。应选用与挤压坯料13材质相同或相似的材料，也可选用石墨、玻璃粉等润滑材料。上、下垫料体积应略大于中间变形模套14的模腔体积。

液压控制系统主动力可借用单向四柱液压机液压站动力源，也可配置单独的液压站。液压系统推荐使用变量液压泵和伺服比例液压阀，确保压强连续可调。液压控制系统须实现多个液压油缸的同步动作，多个液压油缸的位移差应在0.2mm以内。液压控制系统须的保证挤压外模套上下移动速度连续可调，速度范围通常为0.1mm/s-100mm/s之间。

上顶杆1与单向四柱液压机的上滑块31的工作台32t型槽通过螺栓刚性连接，下顶杆19与下横梁8的下顶杆定位槽间隙配合，上、下顶杆均应采用过渡变径结构，保证挤压时顶杆强度和刚度满足制备直径为50mm的钛合金细晶棒料的挤压要求，该单向四柱液压机的主要技术参数如下：

4500吨四柱液压机参数

工作台面尺寸：2300mm×1800mm

公称压力：45000kn

滑块行程：1250mm

开口高度：3000mm

本发明所述的往复挤压装置主要技术参数如下：

往复挤压力：5000kn，连续可调

往复挤压行程：±150mm

挤压棒料规格：直径长度100mm

加热温度：最高温度1150℃，均温度优于±15℃

往复挤压速度：0.1mm/s-100mm/s，连续可调。

本发明装置的作业过程如下：

该作业过程的步骤如下：

步骤一、加热中间变形模套14。开启感应加热元件15的电源和冷却水系统，升温到至设定温度；

步骤二、预热挤压坯料。将挤压坯料13置于高温电阻加热炉中，加热至设定温度；

步骤三、装料。将下垫料16、挤压坯料13、上垫料12顺序放置到中间变形模套14的模腔内；若上、下垫料为粉状，则先将下垫料的粉体倒入，再将挤压坯料13装入，再将上垫料粉体倒入；

步骤四、预挤压。将4500吨四柱液压机上滑块31带着上顶杆1向下移动，将挤压坯料13挤压至中间变形模套14的模腔内；

步骤五、往复挤压。设定模动式往复挤压装置的挤压速度、往复挤压次数、挤压行程等参数后，启动往复挤压；

步骤六、出料。往复挤压液压缸4完成最后一次向上移动150mm动作后，停止往复挤压，撤出下顶杆19；将4500吨液压机上滑块31带着上顶杆1回到上极限位置，往中间变形模套14的模腔内再加入垫料后，用四柱液压机的上滑块31带着上顶杆1向下运动，将挤压坯料13向下挤出模腔，完成出料。

以上所述，仅是本发明提出的一种典型工艺路线，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明实质对以上实施例所做出的任何简单修改、变更及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围。