梯度结构棒材的拉拔挤压-扭转加工装置及加工方法

本发明涉及金属加工成型，具体涉及一种梯度结构棒材的拉拔挤压-扭转加工装置及加工方法。

背景技术：

1、金属棒材是长度与截面周长之比相当大，横截面无明显的凸凹部分的金属塑性加工的直条制品，在现代交通、建筑、航空航天、深海作业装备等领域都有广泛的应用。随着现代装备和部件向快速、轻型、舒适、安全等方向发展，要求产品具有高硬度、高强度、耐磨损、轻量化等特点，传统材料和制备工艺已越来越难满足高端特需制造技术的发展需求。

2、梯度材料以其优异的物理及力学性能表现出较大的工程应用前景，其微观结构和物理、化学等单一或综合性能呈连续变化，形成缓和应力的过渡层。制备梯度金属材料的方法主要有高压扭转、高能喷丸、表面机械研磨处理以及扭转变形等。其中扭转变形又被认为是制备高体积含量梯度结构材料的主要方法之一。一般情况下，经过扭转变形后，材料的尺寸和形状不会发生太大改变，所以扭转变形被认为是制备梯度材料的最简单便捷的方法。然而扭转工艺过程中是材料整体变形，由于材料的不均匀性等因素，难以可控地制备合适的梯度金属长棒材。

3、而材料拉拔加工是制备长管、棒、线型的主要生产方法之一，通过拉力作用于金属材料的前端，使金属材料在拉力作用下从具有模孔小于材料断面面积的模具中被逐渐拉出，从而获得生产加工所需要的尺寸。该技术有利于金属的晶粒细化，获得高精度和高表面质量，而且拉拔没有浪费材料，所用的生产工具与设备简单，维护方便，尤其在当今注重资源节约型的发展时代，拉拔技术被越来越重视。然而普通的拉拔工艺难以有效制备梯度金属材料。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种操作简单方便，加工效率高，加工质量好的梯度结构棒材的拉拔挤压-扭转加工装置。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了的技术方案：

3、一种梯度结构棒材的拉拔挤压-扭转加工装置，包括底板，底板的上表面相隔设置有滑动底座和驱动底座，滑动底座沿其与驱动底座相对方向滑动连接在底板上，滑动底座上还安装有能够将滑动底座锁止固定在底板上的滑动锁止装置ⅰ，驱动底座固定连接在底板上，滑动底座与驱动底座之间设置有防转座，防转座沿滑动底座与驱动底座相对方向滑动连接在底板上，防转座上还安装有能够将防转座锁止固定在底板上的滑动锁止装置ⅱ，滑动底座上固定连接有扭转驱动电机，驱动底座上固定连接有拉拔驱动缸，扭转驱动电机朝向拉拔驱动缸所在方向的一端伸出有驱动轴，驱动轴的中心线平行于滑动底座的滑动方向，驱动轴的端部安装有棒材固定装置ⅰ，防转座上安装有棒材固定装置ⅱ，棒材固定装置ⅰ与棒材固定装置ⅱ之间设置有拉拔模，拉拔模的拉拔孔与驱动轴同中心线设置，拉拔驱动缸朝向扭转驱动电机所在方向的一端伸出有能够沿扭转驱动电机与拉拔驱动缸相对方向进行伸缩的驱动杆，驱动杆通过拉力架与拉拔模固定连接。

4、在本发明中，梯度结构的棒材的小直径端穿过拉拔模并且与驱动轴进行同轴连接，而棒材的大直径端则是固定在防转座上，能够避免棒材的大直径端产生轴向旋转。在加工的时候，可以根据工艺分为两种情况：一种是滑动底座锁止固定、防转座可移动的方式，扭转驱动电机对棒材的小直径端提供扭矩，拉拔驱动缸提供拉拔力，其大直径端由于防转座的限制不能发生轴向转动，棒料朝向拉拔驱动缸所在侧伸长发生拉拔变形，小直径端在扭矩的作用以及拉拔模摩擦力和防转座的共同限制下发生扭转，联合产生“拉拔-扭转”协调变形；小直径端变形后的棒材产生梯度组织和性能，并产生加工硬化，因此棒料仅在拉拔模朝向扭转驱动电机侧的模口处发生连续、稳态的“拉拔-扭转变形”制备出梯度结构的长棒材。另一种是滑动底座可移动、防转座锁止固定的方式，棒料由于大直径端固定在防转座上不能移动，因此发生挤压朝向扭转驱动电机所在侧伸长变形，小直径端在扭矩的作用下以及拉拔模摩擦力和防转座的共同限制下发生扭转，联合产生“挤压-扭转”协调变形；小直径端变形后的棒材产生梯度组织和性能，并产生加工硬化，因此棒料仅在拉拔模朝向扭转驱动电机侧的模口处发生连续、稳态的“挤压-扭转变形”制备出梯度结构的长棒材。

5、作为优化，所述滑动底座上还固定连接有扭矩传感器，扭矩传感器位于所述扭转驱动电机朝向所述拉拔驱动缸所在方向的一侧，扭矩传感器的主轴与驱动轴同中心线设置，驱动轴与扭矩传感器的主轴输入端传动连接，所述棒材固定装置ⅰ安装在扭矩传感器的主轴输出端上。通过扭矩传感器获知扭矩大小，方便根据工艺需求进行调节扭转驱动电机的扭矩大小。

6、作为优化，所述滑动底座上且位于所述扭矩传感器背对所述扭转驱动电机的一侧还固定连接有轴承座，轴承座上穿设有与所述扭矩传感器的主轴同中心线的传动轴，转动轴通过轴承与轴承座转动连接，所述扭矩传感器的主轴输出端与传动轴的输入端传动连接，所述棒材固定装置ⅰ安装在传动轴的输出端上。通过间接连接的方式避免在扭转过程中对扭矩传感器造成损伤，提高扭矩传感器的使用寿命。

7、作为优化，所述底板上表面对应所述滑动底座的位置固定连接有两条相对且平行设置的导轨，导轨沿所述滑动底座与所述驱动底座相对方向延伸设置，所述滑动底座分别与两条导轨滑动连接，所述底板上表面对应所述防转座的位置固定连接有滑轨，滑轨的延伸方向平行于导轨的延伸方向，滑轨位于两条导轨延长线的内侧，所述防转座滑动连接在滑轨上。滑动底座和防转座各自独立使用导向轨道，避免相互之间造成干涉。

8、作为优化，所述滑动底座与所述防转座之间设置有拉力支撑座，拉力支撑座分别滑动连接在两条所述导轨上，所述拉拔模固定连接在拉力支撑座上，所述驱动杆通过所述拉力架与拉力支撑座固定连接。为长棒材提供一定的支撑力，减小重力对长棒材造成的影响。

9、作为优化，所述拉力架包括两根平行设置的拉力杆，拉力杆沿所述滑动底座与所述驱动底座相对方向延伸设置，两根拉力杆朝向于所述拉力支撑座的一端分别固定连接在所述拉力支撑座上，另一端之间设置有连接杆，连接杆沿两根拉力杆相对方向延伸且其两端分别固定连接在两根拉力杆上，所述驱动杆固定连接在连接杆上，所述拉拔模和所述防转座沿垂直于所述底板所在平面方向的投影位于两根连接杆沿垂直于所述底板所在平面方向的投影的内侧。从两侧去拉动拉拔模移动，对棒材的受力更加均匀。

10、本发明还公开了一种梯度结构棒材的拉拔-扭转加工方法，使用上述所述的梯度结构棒材的拉拔挤压-扭转加工装置进行加工；将所述滑动底座锁止固定在底板上；获取梯度结构的棒材，将棒材的小直径端从所述拉拔模位于所述拉拔驱动缸所在一侧朝向所述扭转驱动电机所在一侧穿过于拉拔模中的拉拔孔，然后将棒材的小直径端通过所述棒材固定装置ⅰ固定连接在所述驱动轴上，接着调节所述防转座的位置，将棒材的大直径端通过所述棒材固定装置ⅱ固定连接在所述防转座上，并且使棒材与所述驱动轴同中心线；启动所述扭转驱动电机为棒材提供扭矩输出动力，同时启动所述拉拔驱动缸使所述驱动杆朝向所述拉拔驱动缸所在方向移动，棒材开始产生拉拔-扭转协调变形。

11、本发明另外还公开了一种梯度结构棒材的挤压-扭转加工方法，使用上述所述的梯度结构棒材的拉拔挤压-扭转加工装置进行加工；将所述防转座锁止固定在底板上；获取梯度结构的棒材，将棒材的小直径端从所述拉拔模位于所述拉拔驱动缸所在一侧朝向所述扭转驱动电机所在一侧穿过于拉拔模中的拉拔孔，将棒材的大直径端通过所述棒材固定装置ⅱ固定连接在所述防转座上，接着调节所述滑动底座的位置，将棒材的小直径端通过所述棒材固定装置ⅰ固定连接在所述驱动轴上，并且使棒材与所述驱动轴同中心线；启动所述扭转驱动电机为棒材提供扭矩，同时启动所述拉拔驱动缸使所述驱动杆朝向所述拉拔驱动缸所在方向移动，棒材开始产生挤压-扭转协调变形。

12、相比现有技术，本发明具有以下优点：

13、（1）在同一个工艺装置中可同时实现“拉拔-扭转”或“挤压-扭转”协调变形工艺，材料变形区稳态，可以连续生产具有梯度结构的长棒材和线材；

14、（2）在对棒材进行拉拔扭转时，拉拔速度和扭转速度可任意设定，且该设备制造工艺简单，成本低，易实现产业化。