一种超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置

摘要

一种超声波与背压力联合作用下的等径角挤压装置，该挤压装置由上模板和下模板组成，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。本发明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，以及施加背压力后，提高挤压件均匀化和细化晶粒，有效克服等径角挤压模具存在晶粒细化不均匀、挤压件有裂纹的问题。

说明书

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100nm～1um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高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。

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用下的等径角挤压装置的顶料杆结构示意 图。

图中标记为：1-上模板、2-垫块、3-挡圈、4-应力圈、5-导套、6-凹模、7-顶料杆、8- 导柱、9-下模板、10-液压柱塞、11-凸模、12-超声波放大器、13-超声波换能器、14-电缆、 15-挤压件、16-超声波发生器。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1至图5所示，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，包括 上模板1、垫块2、挡圈3、应力圈4、导套5、凹模6、顶料杆7、导柱8、下模板9、液压 柱塞10、凸模11以及超声波振动装置。上模板1和下模板9可作相对运动；垫块2上端固 定在上模板1上，上模板1上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞10相连接，挡圈3上端固定 在垫块2上，凸模11上端固定在垫块2上以及固定在挡圈3内；导套5的上端与上模板1 固定，导套5的下端和导柱8相接，导柱8的下端与下模板9固定；凹模6下端固定在下模 板9上，凹模6侧面采用分体应力圈4固定，分体应力圈4相互连接；顶料杆7前段穿过凹 模6上的顶料杆7的通孔；超声波振动装置固定于顶料杆7上。

所述的超声波振动装置包括超声波放大器12、超声波换能器13和超声波发生器16；顶 料杆7与超声波放大器12相连，超声波放大器12与超声波换能器13相连，超声波换能器 13通过电缆14连接超声波发生器16；超声波换能器13置于超声波放大器12上，超声波放 大器12和超声波换能器13置于顶料杆7上。

为了能够方便地取出挤压件，采用两对称分体凹模6，两对称分体凹模6下端固定在下 模板9上，而两对称分体凹模6侧面是采用应力圈4固定的，应力圈4有两部分组成并相互 连接。

工作原理及过程：

顶料杆提供的背压能显著细化晶粒及避免裂纹的形成，而超声波的热致软化能降低挤压 摩擦力。因此，超声波振动装置固定于顶料杆上将能同时提供超声波与背压力输入到挤压件 上，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，较背压等 径角挤压多提供了超声波振动作用，又较超声振动凸模与凹模的等径角挤压又多提供了背压 力的作用。工作过程为：根据挤压件15的尺寸，确定凸模11的外径；将挤压件15放入凹模 6内；启动液压机，模具的上模板1和下模板9在液压机作用下作相对运动并带动垫块2和 凸模11运动；启动超声波振动装置，使顶料杆7超声波作用下产生共振，顶料杆7产生高频 振动；液压机的液压柱塞下行，推动凸模11下行，推动挤压件15向下通过凹模6，从而制 备出高质量的工件；最后打开应力圈4，分开凹模6，取出挤压件15。