CN101670385A - 一种脉冲电流辅助挤压成形装置及挤压成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲电流辅助挤压成形装置及挤压成形方法，它涉及一种挤压成形装置及方法。本发明解决了现有的挤压成形装置存在热损耗大、加热时间长以及现有的挤压成形方法工艺流程复杂、工作效率低和坯料内部产生的电流密度在断面分布不均匀，易产生集肤现象的问题。装置的导电凹模置于绝缘外膜的型腔中，导电凸模和导电凹模作为电极连接在高频脉冲电源上；根据待成形坯料所选温度下屈服强度值，通过上压头向导电凸模施加压力，压力范围是5～200MPa，使坯料发生塑性挤压变形后经模具挤压成所需形状；本发明的装置加热速度快、提高了工作效率；本发明的方法利用脉冲电流的热效应及电塑性效应，可显著提高坯料的成形效率、增加材料塑性、节省能源。
Description
技术领域
本发明涉及一种挤压成形装置及利用该装置进行挤压成形的方法。
背景技术
挤压成形是对将放在模具模腔或挤压筒内的金属坯料施加外力，迫使金属从模孔中挤出，获得所需断面的形状和尺寸，具有一定力学性能的挤压制件的塑性加工方法。挤压按照挤压坯料的温度分类可分为冷挤压、温挤压和热挤压。现有的温挤压或热挤压成形(在金属的再结晶温度以下、回复温度以上温度范围内或者在再结晶温度以上进行的挤压变形)，涉及到较复杂的加热工艺。通常在工程中，在挤压前对坯料进行加热的方法有：
一、火焰加热：利用燃料在加热炉内燃烧产生含有大量热能的高温气体(火焰)，通过对流、辐射把热能传递给坯料表面，通过由表及里的热传导而使金属坯料加热到预定的温度。火焰加热来源方便、加热炉造价较低、对坯料的适应性广等，因此应用广泛。其缺点是：劳动条件较差、加热速度慢、加热炉温度比较难控制，还存在较大的金属烧损(烧损率在3％以上)，对环境也有较大影响。
二、电加热：
1感应电加热：感应电加热是交变电流通过感应线圈产生感应交变磁场，进而感应出交变电场。将金属坯料置于电场中，在坯料内产生感应电流而达到加热的目的。特点是加热速度快、氧化烧损少(小于0.5％)、热效率高、炉温可控，易于实现自动化加热。缺点是坯料内部产生的电流密度在断面分布不均匀，中心电流密度小，表层电流密度大，即产生集肤现象，导致坯料表里温度不一，表层易产生过热、过烧。
2、电阻炉加热：电阻炉加热是利用电流通入炉内的电热体所产生的热量，以辐射对流传热的方式来加热金属坯料，其加热的形式和炉型与火焰加热类似。其对坯料的适应性广，特别适应加热有色金属坯料。缺点是它的加热温度受电热体的限制，热效率要比感应电加热方式低得多，加热速度也较慢，坯料加热结束后，加热后坯料需送入模具型腔或挤压筒，在输送过程中由于坯料表面散热会造成一定热损耗。
综上所述，现有的挤压成形的加热工艺中模具与坯料接收热量的方式主要是热辐射与热传导，热量传输速度较慢，为了使坯料达到均匀的成形温度，加热时间往往要很长，根据工艺的不同一般可达1至数小时，因此加热方式的加热效率低；加热后坯料被送入模具型腔或挤压筒中，导致工艺流程增加和更多的热损耗，势必造成整个挤压成形工艺的低效率和高能耗；现有的挤压成形装置存在的问题如下：热损耗大、加热时间长；
过低的能量利用率、过长的加热时间、过多的工艺流程造成了现有挤压成形工艺具有大能耗、低效率的缺点，这些都不利于大规模的推广和应用。
发明内容
本发明为了解决现有的挤压成形装置存在热损耗大、加热时间长以及现有的挤压成形方法工艺流程复杂、工作效率低和坯料内部产生的电流密度在断面分布不均匀，易产生集肤现象的问题，进而提出了一种脉冲电流辅助挤压成形装置及挤压成形方法。
本发明的脉冲电流辅助挤压成形的装置包括高频脉冲电源、炉体、真空***、加压装置和模具；真空***与炉体的内腔相连通，模具由绝缘外膜、导电凸模和导电凹模组成，加压装置由上压头和下压头组成，上压头的下端设置在炉体内的上部，下压头设置在炉体内的下部，导电凹模的下端设置在下压头的上端面上，导电凸模的上端与上压头的下端面相连接，导电凹模置于绝缘外膜的型腔中，导电凸模和导电凹模作为电极连接在高频脉冲电源上。
本发明脉冲电流辅助挤压方法是按着以下步骤实现的：
步骤一：将待成形坯料置于导电凸模和导电凹模构成的型腔中，调整上压头和下压头的压力，压力值保持在1～5Mpa之间，保持待成形坯料、导电凸模、导电凹模三者紧密接触，以形成通电回路；
步骤二：通过真空***将炉体内抽真空，保持炉体内的压力在10-2～10-3Pa之间；高频脉冲电源输出的电压为0～20V、电流为0～3000A。
步骤三：根据待成形坯料的材料熔点、电阻和坯料横截面尺寸选择脉冲电源的频率为1～5000HZ，脉冲电流输出波形为线性、陡降或方波，脉冲电流密度为5～50A/mm2，脉冲电流大小为0～3000A；
步骤四：根据选定脉冲电流参数接通电源，使电流在导电凸模、坯料和导电凹模间流通，按预设升温速度0.5～100℃/s将待成形坯料进行加热；
步骤五：当待成形坯料被加热至其成形温度≤1600℃时，根据待成形坯料所选温度下屈服强度值，通过上压头向导电凸模施加压力，压力范围是5～200MPa，使坯料发生塑性挤压变形后经模具挤压成所需形状；
步骤六：经过保温保压，挤压成形过程完成后，断开电源，维持原压力不变，随炉冷却即可。
本发明的有益效果是：本发明装置的导电凸模和导电凹作为电极连接在高频脉冲电源上，利用高频脉冲电流流经坯料所产生的焦耳电阻热直接对坯料本身进行加热，避免了传统坯料加热消耗在炉体、模具等部件上的热量损失，加热速度快、能量利用率高，热效率高；本发明的装置结构紧凑、使用简便、可实现自动化加热；本发明的装置只需更换模具就可以在同一台设备上生产形状、尺寸规格和品种不同的产品，灵活性大、生产效率高；本发明的装置适应性广，可应用于各类导电材料的挤压成形加工；本发明的方法坯料加热后无需送入模具型腔或挤压筒，避免了坯料输送过程的热散失，大大降低了能源的消耗，工艺流程简单、设备投资较少；本发明的方法利用高频脉冲电源加热，坯料内部产生的电流密度在断面分布均匀，坯料表里温度一致，无集肤现象产生；本发明的方法在变形过程中，坯料内部通有高频脉冲电流，产生“电塑性”效应，可进一步提升坯料的塑性性能，降低坯料的变形抗力，提高成形极限，并在一定程度上消除产品的残余应力，使得挤压制品尺寸精度高、表面质量好；本发明的方法利用脉冲电流的热效应及电塑性效应，可显著提高坯料的成形效率、增加材料塑性、节省能源。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的装置包括高频脉冲电源7、炉体9、真空***10、加压装置和模具；真空***10与炉体9的内腔相连通，模具由绝缘外膜2、导电凸模3和导电凹模4组成，加压装置由上压头6和下压头8组成，上压头6的下端设置在炉体9内的上部，下压头8设置在炉体9内的下部，导电凹模4的下端设置在下压头8的上端面上，导电凸模3的上端与上压头6的下端面相连接，导电凹模4置于绝缘外膜2的型腔中，导电凸模3和导电凹模4作为电极连接在高频脉冲电源7上。导电凸模3为上电极，导电凹模4为下电极，所述高频脉冲电源7、导电凸模3、导电凹模4和待成形坯料5形成通电回路。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式绝缘外膜2由陶瓷材料制成，绝缘陶瓷材料的外模不会分流流经待成形坯料的电流，减少能量损失。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述挤压成形装置还包括远红外测温仪1，红外测温仪1上设有探头1-1，探头1-1设置在炉体9内。通过远红外测温仪实时测量待成形坯料的温度。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式挤压成形方法的工艺步骤如下：
步骤一：将待成形坯料5置于导电凸模3和导电凹模4构成的型腔中，调整上压头6和下压头8的压力，压力值保持在1～5Mpa之间，保持待成形坯料5、导电凸模3、导电凹模4三者紧密接触，以形成通电回路；
步骤二：通过真空***10将炉体9内抽真空，保持炉体9内的压力在10-2～10-3Pa之间；高频脉冲电源7输出的电压为0～20V、电流为0～3000A。
步骤三：根据待成形坯料5的材料熔点、电阻和坯料横截面尺寸选择脉冲电源的频率为1～5000HZ，脉冲电流输出波形为线性、陡降或方波，脉冲电流密度为5～50A/mm2，脉冲电流大小为0～3000A；以使坯料加热过程中实现按照预设升温速度(0.5～100℃/s)升温；
步骤四：根据选定脉冲电流参数接通电源，使电流在导电凸模3、坯料5和导电凹模4间流通，按预设升温速度0.5～100℃/s将待成形坯料5进行加热；
步骤五：当待成形坯料5被加热至其成形温度≤1600℃时，根据待成形坯料5所选温度下屈服强度值，通过上压头6向导电凸模3施加压力，压力范围是5～200MPa，使坯料发生塑性挤压变形后经模具挤压成所需形状；
步骤六：经过保温保压，挤压成形过程完成后，断开电源，维持原压力不变，随炉冷却即可。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤二中通过红外测温仪1实时测量待成形坯料5的温度，并依据其温度实时调整高频脉冲电源的输出高频脉冲电流参数，当温度比预定温度高时，降低电流值，保持试验温度值保持恒定。在所述的回路中待成形坯料5的电阻要远远大于回路其它部分的电阻，所以高频脉冲电流会在待成形坯料5上产生大量的焦耳热，待成形坯料5能够在几秒至十几秒内被加热至塑性成形温度，其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤三中选择频率为3000～5000HZ的脉冲电源。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤三中脉冲电流输出密度为10～45A/mm2。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤四中的加热速度为2～90℃/s。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤五中向导电凸模3施加压力为10～200MPa。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式步骤二中高频脉冲电源7输出低电压为4～15V。其它与具体实施方式四相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
实施例：待成形坯料5为TiAl合金，密度为3.837g/cm3，熔点为1753k，待成形坯料5的横截面积为250mm2，预压力为2Mpa，选择的电流参数：脉冲电源频率为3000HZ，脉冲电流输出波形为方形波形，电流密度11.1A/mm2，电流为2800A。以40℃/s速度加热至1200℃，保温2分钟后，以0.8mm/s速度加压至40Mpa，保温保压1分钟，得到横截面积缩小到36mm2，长20mm的挤压件。
Claims (10)
1、一种脉冲电流辅助挤压成形装置，所述挤压成形装置包括高频脉冲电源(7)、炉体(9)、真空***(10)、加压装置和模具；其特征在于：真空***(10)与炉体(9)的内腔相连通，模具由绝缘外膜(2)、导电凸模(3)和导电凹模(4)组成，加压装置由上压头(6)和下压头(8)组成，上压头(6)的下端设置在炉体(9)内的上部，下压头(8)设置在炉体(9)内的下部，导电凹模(4)的下端设置在下压头(8)的上端面上，导电凸模(3)的上端与上压头(6)的下端面相连接，导电凹模(4)置于绝缘外膜(2)的型腔中，导电凸模(3)和导电凹模(4)作为电极连接在高频脉冲电源(7)上。
2、根据权利要求1所述的一种脉冲电流辅助挤压成形装置，其特征在于：绝缘外膜(2)由陶瓷材料制成。
3、根据权利要求1或2所述的一种脉冲电流辅助挤压成形装置，其特征在于：所述挤压成形装置还包括远红外测温仪(1)，红外测温仪(1)上设有探头(1-1)，探头(1-1)设置在炉体(9)内。
4、一种利用权利要求1、2或3的装置进行电脉冲辅助挤压成形的方法，其特征在于挤压成形的方法的工艺步骤如下：
步骤一：将待成形坯料(5)置于导电凸模(3)和导电凹模(4)构成的型腔中，调整上压头(6)和下压头(8)的压力，压力值保持在1～5Mpa之间，保持待成形坯料(5)、导电凸模(3)、导电凹模(4)三者紧密接触，以形成通电回路；
步骤二：通过真空***(10)将炉体(9)内抽真空，保持炉体(9)内的压力在10-2～10-3Pa之间；高频脉冲电源7输出的电压为0～20V、电流为0～3000A。
步骤三：根据待成形坯料(5)的材料熔点、电阻和坯料横截面尺寸选择脉冲电源的频率为1～5000HZ，脉冲电流输出波形为线性、陡降或方波，脉冲电流密度为5～50A/mm2，脉冲电流大小为0～3000A；
步骤四：根据选定脉冲电流参数接通电源，使电流在导电凸模(3)、坯料(5)和导电凹模(4)间流通，按预设升温速度0.5～100℃/s将待成形坯料(5)进行加热；
步骤五：当待成形坯料(5)被加热至其成形温度≤1600℃时，根据待成形坯料(5)所选温度下屈服强度值，通过上压头(6)向导电凸模(3)施加压力，压力范围是5～200MPa，使坯料发生塑性挤压变形后经模具挤压成所需形状；
步骤六：经过保温保压，挤压成形过程完成后，断开电源，维持原压力不变，随炉冷却即可。
5、根据权利要求4所述的电脉冲辅助挤压成形的方法，其特征在于：步骤二中通过红外测温仪(1)实时测量待成形坯料(5)的温度，并依据其温度实时调整高频脉冲电源的输出高频脉冲电流参数，当温度比预定温度高时，降低电流值，保持试验温度值保持恒定。
6、根据权利要求4所述的电脉冲辅助挤压成形的方法，其特征在于：步骤三中选择频率为3000～5000HZ的脉冲电源。
7、根据权利要求4所述的电脉冲辅助挤压成形的方法，其特征在于：步骤三中脉冲电流输出密度为10～45A/mm2。
8、根据权利要求4所述的电脉冲辅助挤压成形的方法，其特征在于：步骤四中的加热速度为2～90℃/s。
9、根据权利要求4所述的电脉冲辅助挤压成形的方法，其特征在于：步骤五中向导电凸模(3)施加压力为10～200MPa。
10、根据权利要求4所述的电脉冲辅助挤压成形的方法，其特征在于：步骤二中高频脉冲电源(7)输出低电压为4～15V。
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