基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置制造方法
【專利摘要】一種鈦合金加工【技術(shù)領(lǐng)域】的基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置，該裝置包括：活動設(shè)置于容器內(nèi)的擠壓驅(qū)動機構(gòu)和凹模機構(gòu)，其中：凹模機構(gòu)內(nèi)部設(shè)有螺紋矩形截面通道，該螺紋矩形截面通道中各段橫截面的面積相同且均為矩形；螺紋矩形截面通道的螺紋線的傾角β，即從凹模主軸線到擠壓軸線夾角的范圍為45°～60°。本實用新型與單調(diào)變形比較為周期性變形，具有更高塑性金屬特征，能夠獲得材料納米組織和超細(xì)晶粒組織。
【專利說明】基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及的是一種鈦合金加工【技術(shù)領(lǐng)域】的裝置，具體是一種基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)在，在全世界對材料的納米組織和超細(xì)小晶粒組織表現(xiàn)出極大興趣(晶粒尺寸10~100納米)。這樣的材料具有獨特的物理力學(xué)性能。
[0003]獲得具有納米材料和超細(xì)晶粒批量毛坯最有效方法是在整個毛坯體積內(nèi)積蓄劇烈塑性變形而不改變其形狀。屬于激烈塑性變形工藝是:等徑彎曲通道擠壓、全方位鍛造等。激烈塑性變形過程的特點是，毛坯變形一個周期之后仍回到原始形狀，這就允許多次變形。由于金屬大塑性變形結(jié)果(等效變形通常^=5~10)，其元素組織尺寸減小并達(dá)到納米和超細(xì)晶粒材料特征值。隨著超細(xì)晶粒變形之后，這些金屬具有獨特的性能，其中許多性能引起人們興趣。特別是它們既有極高的塑性又有綜合高的強度。極大地改變了這些金屬的基本特征，例如彈性模量、居里溫度、德拜電偶極矩和飽和磁化強度等等。受到航空航天等聞科技企業(yè)極大重視。
[0004]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CN1886446，
【公開日】2006_12_27，公開了一種螺桿型加工裝置及用該裝置加工的制品，該技術(shù)是螺桿式加工裝置，其能將物質(zhì)連續(xù)地與二氧化碳?xì)怏w一起壓縮而成為臨界狀態(tài)的流體并施以加工。其設(shè)置有真空部E，其后續(xù)于原料供給部X的擠壓螺桿，是使螺桿軸變細(xì)并增大螺紋葉片間的空隙容積，于該真空部E導(dǎo)入二氧化碳?xì)怏w；再于該真空部E后設(shè)置壓縮部F，是使螺桿軸再度變粗并使螺紋葉片間隙變窄而構(gòu)成，之后設(shè)置孔口部L，是使軸的口徑與筒內(nèi)周實質(zhì)上為相同，并于該軸表面或周圍設(shè)置 孔口 17。其中，孔口通過物質(zhì)的最大流速以設(shè)計為10~1500cm/秒為優(yōu)選。但該技術(shù)只能壓縮流體，屬于聚酯發(fā)泡體的制造；并不能應(yīng)用于固體金屬。
[0005]中國專利文獻(xiàn)號CN201950084U，
【公開日】2011_08_31，公開了一種用于連續(xù)地擠壓金屬的設(shè)備，該技術(shù)包括布置成關(guān)于實質(zhì)上垂直的軸線旋轉(zhuǎn)的可旋轉(zhuǎn)的螺桿、實質(zhì)上包圍螺桿的螺桿外殼、布置在螺桿的下游部分以形成擠壓金屬的形狀的模具組件、含有適合于驅(qū)動螺桿的主馬達(dá)和適合于將來自主馬達(dá)的動力轉(zhuǎn)移到螺桿的齒輪箱組件的基座框架，以及用于冷卻至少螺桿外殼的冷卻組件。冷卻組件包括與基座框架相結(jié)合的冷卻液容器。但該技術(shù)主要是螺桿制造裝置，該裝置用于連續(xù)擠壓鉛類軟金屬，且被擠壓件只能向一個方向排出，無法用于反復(fù)擠壓或超細(xì)晶粒硬金屬或合金領(lǐng)域。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置，與單調(diào)變形比較為周期性變形，具有更高塑性金屬特征，能夠獲得材料納米組織和超細(xì)晶粒組織。
[0007]本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:[0008]本實用新型涉及一種基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置，包括:活動設(shè)置于容器內(nèi)的擠壓驅(qū)動機構(gòu)和凹模機構(gòu)，其中:凹模機構(gòu)內(nèi)部設(shè)有螺紋矩形截面通道，該螺紋矩形截面通道中各段橫截面的面積相同且均為矩形。
[0009]所述的螺紋矩形截面通道的螺紋線的傾角β，即從凹模主軸線到擠壓軸線夾角的范圍為45。?60。。
[0010]所述的容器內(nèi)優(yōu)選設(shè)有支撐套筒，其中:支撐套筒位于擠壓驅(qū)動機構(gòu)和凹模機構(gòu)之間并與擠壓驅(qū)動機構(gòu)相連，支撐套筒和擠壓驅(qū)動機構(gòu)之間構(gòu)成第一腔室且其腔室中充滿高壓液體。
[0011]所述的凹模機構(gòu)與容器之間構(gòu)成第二腔室且其腔室中通過閥控制充滿恒定壓力液體，該第二腔室的一端設(shè)有工質(zhì)排出孔。
[0012]所述的擠壓驅(qū)動機構(gòu)為帶有輔助沖頭的柱塞或直接采用柱塞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為毛坯通過螺紋形凹模后示意圖。
[0014]圖2為凹模的為矩形通道和螺紋矩形截面通道示意圖。
[0015]圖3為實施例中流體力學(xué)擠壓裝置示意圖；
[0016]圖中:1柱塞、2輔助沖頭、3、9腔室、4容器、5毛坯、6支撐套筒、7矩形通道、8螺桿凹模、10通道。
[0017]圖4為實施例中機械擠壓裝置示意圖；
[0018]圖中:1柱塞、4容器、8螺桿凹模、11、12毛坯加工、臺階13。
[0019]圖5為圖4局部放大示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面對本實用新型的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本實用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0021]實施例1
[0022]如圖3所示，本實施例涉及一種基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置，包括:活動設(shè)置于容器4內(nèi)的擠壓驅(qū)動機構(gòu)I和凹模機構(gòu)8，其中:凹模機構(gòu)8內(nèi)部設(shè)有螺紋矩形截面通道7，該螺紋矩形截面通道7中各段橫截面的面積相同且均為矩形。
[0023]所述的螺紋矩形截面通道7的螺紋線的傾角β，即從凹模主軸線到擠壓軸線夾角的范圍為45°?60°。
[0024]在本實施例中，高的液體靜壓力提高了金屬的工藝塑性并儲存了無破壞大的塑性變形。為了保證毛坯穩(wěn)定，所述的容器4內(nèi)設(shè)有支撐套筒6，其中:支撐套筒6位于擠壓驅(qū)動機構(gòu)I和凹模機構(gòu)8之間，在實施擠壓時與擠壓驅(qū)動機構(gòu)I相接觸，支撐套筒6和擠壓驅(qū)動機構(gòu)I之間構(gòu)成第一腔室3且其內(nèi)部設(shè)有高壓液體；該高壓液體的壓力為1500MPa。
[0025]為配合支撐套筒6，所述的擠壓驅(qū)動機構(gòu)I采用帶有輔助沖頭2的柱塞。
[0026]所述的凹模機構(gòu)8與容器4之間構(gòu)成第二腔室9且其內(nèi)部設(shè)有60MPa的恒壓液體，用于對待處理毛坯輔助擠壓的凹模機構(gòu)起到了閥及背壓的作用，以保證容器中實實實在在恒定的壓力。
[0027]所述的第二腔室的一端設(shè)有工質(zhì)排出孔10。
[0028]如圖1和圖2所示，通過帶螺紋凹模擠壓棱柱毛坯(圖1)，溝槽由通道部分a，螺桿部分b和孔型部分C，其中從通道部分至孔型部分各段橫截面幾何形狀相同。
[0029]所述的容器4的內(nèi)徑為50mm。
[0030]在螺桿擠壓的一個周期中，毛坯由第一腔室3位移到第二腔室9，柱塞I抵達(dá)凹模機構(gòu)8。之后，柱塞上行，帶有毛坯的凹模倒轉(zhuǎn)，毛坯又一次轉(zhuǎn)到凹模上面，即到達(dá)第一腔室
3。之后，再進(jìn)行下一個螺桿擠壓周期。
[0031]實施例2
[0032]如圖4和圖5所示，本實施例涉及的基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置，包括:活動設(shè)置于容器4內(nèi)的擠壓驅(qū)動機構(gòu)I和凹模機構(gòu)8，其中:凹模機構(gòu)8內(nèi)部設(shè)有螺紋矩形截面通道7，該螺紋矩形截面通道7中各段橫截面的面積相同且均為矩形。
[0033]所述的擠壓驅(qū)動機構(gòu)I采用單柱塞結(jié)構(gòu)。
[0034]如圖5所示，沿著凹模的通道部分a的全部周邊設(shè)有不大的臺階13，該臺階13的寬度為橫向尺寸的5%。
[0035]所述的臺階13用于方便毛坯11、12進(jìn)入凹模機構(gòu)8，在接著的變形中自由地進(jìn)入容器4。如沒有臺階13的條件下，從凹模機構(gòu)8擠出的毛坯形狀會由于彈性變形會產(chǎn)生一定的畸變。在螺桿擠壓的每一個`工步中，除了第一工步，毛坯略微發(fā)生了鐓粗，結(jié)果使其橫向尺寸還原到原始尺寸。
[0036]在室溫下機械冷擠壓螺桿裝置裝在2500kN壓力機上，裝置的工藝參數(shù)為:擠壓溫度:室溫、變形速度3mm/s、螺紋擠壓壓力2000MPa、最大背壓力500kN、毛坯尺寸:截面14mmX 16 mm ; 18mmX28mm、長度100mm。本實施例能夠用于加工具有足夠塑性材料,例如某些工業(yè)純鈦、鋁和銅合金。
[0037]實施例3
[0038]為了加工難變形材料(例如TC4鈦合金)必須預(yù)熱模具及毛坯，以便提高材料的塑性并降低變形抗力。為此，使用螺桿溫機械擠壓裝置，該裝置安裝在2500MN壓力機上，裝置的工藝參數(shù)為:容器和凹模的加熱溫度400°C、變形速度3mm/s、螺桿擠壓壓力2000MPa、最大背壓力5001^、毛還尺寸:截面18mm X 28mm、長度100mm、變性材料TC4。
[0039]變形模具
[0040]需要力學(xué)參數(shù)，制造精度，變形模具的表面粗糙度象用于模鍛的模具一樣。擠壓螺桿象通常擠壓模具一樣，使用多層組和凹模。凹模型腔使用專門電極電火花腐蝕加工。
[0041]在研究的基礎(chǔ)上推薦如下:β角(見圖2)應(yīng)該取45~60°，凹?？讖蕉蔚拈L度不小于通道橫截面外接圓的直徑。此時，一個工步下的等效變形ε i=l，對應(yīng)等徑彎曲通道90°擠壓變形。
[0042]在加工工業(yè)純鈦TAO時，螺桿擠壓壓力不超過2000MPa，對應(yīng)冷模鍛壓力。
[0043]模具壽命一螺桿擠壓關(guān)鍵問題之一。現(xiàn)在，螺桿擠壓工藝還是在實驗室中，暫時還沒有在各種擠壓條件下的模具壽命足夠數(shù)據(jù)。有個別模具壽命數(shù)據(jù)，各種有色金屬及其合金進(jìn)行冷溫螺桿擠壓到模具破壞壽命約600件。
[0044]為了提高模具壽命，現(xiàn)在進(jìn)行了在模具工作表面施以高強度涂層(氮化鈦，類似金剛石薄膜)，不僅降低了摩擦系數(shù)，而且也減小了通道磨損程度。甚至使用各種熱強鋼以提高結(jié)構(gòu)的強度。
[0045]獲得超細(xì)晶粒的TAl及TC4組織和性能改善
[0046]工業(yè)純鈦TAl試樣經(jīng)過預(yù)變形和熱處理后，在實驗室里用流體力學(xué)擠壓裝置和機械擠壓裝置進(jìn)行螺桿擠壓。凹?？讬M截面14 X 16_，與擠壓軸線傾角β~60°，在室溫下變形。容器的壓力700MPa。
[0047]鈦組織用最佳微觀儀表Neophot-32觀察。組織元素平均尺寸用割線法計算。
[0048]鈦力學(xué)性能評定按照GJB2744-1996拉伸實驗結(jié)果。
[0049]一個工步等效變形的最大和最小值按照文中公式計算為:eimax=l.38，
=0.54。
[0050]金相學(xué)的分析指出，在螺桿擠壓時，無論是橫截面還是縱截面都增加了通過量，因此，增加了等效變形程度，晶粒尺寸d減小了。如果原始狀態(tài)(1=20μ Μ，則通過第一道工步后d < 10 μ M，而第三道工步后d < I μ M。因此，晶粒尺寸均勻性水平隨著工步數(shù)量的增加而增加。
[0051]螺桿擠壓拉伸結(jié)果證明，金相組織的極大改變，改善了鈦的力學(xué)性能。變形加工以后產(chǎn)生了極大的各向異性。
[0052]工業(yè)純鈦TAl在原始狀態(tài)下強度極限σ b=400MPa，假定流動極限σ Q 2=360MPa和對應(yīng)的伸長率3=40%。三工序螺桿擠壓之后，毛坯的縱向強度指標(biāo)增加不大，而塑性卻降低:ob=505MPa ，σ 0 2=463MPa, δ =31%。在這種情況下，進(jìn)行變形后退火，事實上沒有影響到鈦的強度指標(biāo)，但卻有限地改善了它的塑性指標(biāo):σ b=500MPa，σ 0 2=441MPa, δ =37.5%。
[0053]垂直于毛坯軸線方向上，強度極限和流動極限幾乎增加一倍:σ b=835MPa，
[0054]oQ 2=765MPa;與此同時，δ值由40%減少到17%。當(dāng)變形后退火溫度降低些(300。。，Ih)導(dǎo)致強度增加，甚至塑性指標(biāo)增加:σ b=865MPa, σ 0 2=737MPa, δ =37.5%。由工業(yè)純鈦TAl實心毛坯模鍛后和經(jīng)螺桿擠壓后力學(xué)性能比較列于表1。
[0055]表1TAl通過螺桿擠壓變形獲得超細(xì)晶粒與普通模鍛件力學(xué)性能比較
[0056]
【權(quán)利要求】
1.一種基于螺桿擠壓的鈦合金超細(xì)組織實現(xiàn)裝置，其特征在于，包括:活動設(shè)置于容器內(nèi)的擠壓驅(qū)動機構(gòu)和凹模機構(gòu)，其中:凹模機構(gòu)內(nèi)部設(shè)有螺紋矩形截面通道，該螺紋矩形截面通道中各段橫截面的面積相同且均為矩形； 所述的螺紋矩形截面通道的螺紋線的傾角β，即從凹模主軸線到擠壓軸線夾角的范圍為 45。?60。。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的容器內(nèi)設(shè)有支撐套筒，其中:支撐套筒位于擠壓驅(qū)動機構(gòu)和凹模機構(gòu)之間并與擠壓驅(qū)動機構(gòu)相連，支撐套筒和擠壓驅(qū)動機構(gòu)之間構(gòu)成第一腔室且其腔室中充滿高壓液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的凹模機構(gòu)與容器之間構(gòu)成第二腔室且其腔室中通過閥控制充滿恒定壓力液體，該第二腔室的一端設(shè)有工質(zhì)排出孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是，所述的擠壓驅(qū)動機構(gòu)為帶有輔助沖頭的柱塞或直接采用柱塞。
【文檔編號】B21C23/21GK203621126SQ201320719235
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】張驥偉, 閻東輝, 林健, 王以華, 唐勤麗 申請人:上海樺廈實業(yè)有限公司