CN108453143A - 金属张力挤压成形装置及方法 - Google Patents

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王雁鹏
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Abstract

金属张力挤压成形装置及方法，涉及一种张力挤压成形装置及方法。本发明为解决传统挤压和拉拔工艺成形制品过程中所需工序流程多、设备要求高、成形载荷大、工艺流程长、生产效率低等系列难题。本发明的方法在常规挤压的同时，对挤出构件自由端沿成形方向施加一定张力。使挤出成形后制品由自由态变为轴向拉应力状态，提高了制品的线性度，可省去常规挤压后所需的矫直工序，避免挤出制品因流速不均产生的扭拧弯曲缺陷，显著降低了成形载荷及所需设备的吨位，易于金属的挤出成形，扩大了金属的挤出成形能力及制品截面尺寸范围，挤压筒内发生塑性变形的区域范围明显变大，材料利用率随之提高，提高了生产效率并降低了生产成本。

Description

金属张力挤压成形装置及方法
技术领域
本发明涉及金属挤压成形方法，具体涉及一种张力挤压成形装置及方法，属于挤压成形技术领域。
背景技术
由于变形方式与模具结构等固有特点，挤压成形时金属变形流动的均匀性是相对的，不均匀性是绝对的。影响因素较多，如摩擦与润滑条件、模具结构、成形温度及成形速度等。长期以来，改善金属挤压流动行为的传统方法多限于工艺参数的单一优化，虽然从宏观角度来看可产生一定影响，但这不能从本质上防止缺陷的产生及控制挤出制品的性能。同时，成形能耗大、品质均匀性差等因素在一定程度上成为制约挤压制品应用及发展的内因所在，更难于进行复杂截面大尺寸挤压材的加工成形。
随着静液挤压、连续挤压、等温挤压、反向温度场挤压等有别于传统挤压的工艺方法不断涌现及应用，其在生产特殊要求制品方面的优势也日益渐增，进而得到业内人士的广泛关注。如传统挤压通常用来制造恒定截面的型材，通过对模具结构的特定设计，就能实现对挤出制品所需截面形状的有效定制。一般来说，对模具装置结构进行优化设计可以获得增大剪切变形量的效果，这对消除坯料内部缺陷，改善微观组织，进而提高综合性能都有着重要的现实意义。除了模具结构外，运动方式也是实现金属挤出制品形状与性能一体化精确调控的重要手段之一。众所周知，挤压过程中坯料是在工具的加载作用下产生塑性变形后而顺次被挤出成形的。因此，模具的运动方式对坯料的挤出变形流动行为有着重要影响，同时模具与坯料之间摩擦条件也随之发生改变，这势必会对挤出制品的性能产生作用。近年来涌现出了多种模具运动方式发生改变的挤压成形方法。这些富有创造性的方法是机械自动化及控制科学与挤压工艺相结合的产物，毫无疑问，这些新型的加工方式对今后挤压工艺的发展具有深远意义。
随着科技的不断进步和现代经济的高速化发展，挤压材的应用范围不断拓宽，并已由民用建筑型材为主体推广到了航空航天、武器装备、机械制造及能源动力等国计民生的各个方面。但我国挤压材产业目前尚存在着明显差距，与发达国家相比，如生产规模有限、设备吨位小且利用率低、技术差距大、产品档次差、工业型材比重小等因素也成为制约我国挤压工业飞速发展的主要瓶颈问题之一。因此，迫切需要开发一些优质、高效、低耗的挤压成形新技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统挤压或拉拔工艺在成形棒材、型材或线材制品时存在的对设备要求高、成形载荷较大、工序流程长、模具寿命低及成本高等系列难题，同时金属的挤出成形能力及制品截面尺寸范围都受到了一定限制。进而提出了一种张力挤压成形方法，由于挤出制品的受力状态及变形行为均发生了改变，成形能力显著得到提升且所需设备简单。
本发明是通过以下技术方案实现的：
装置：本发明所属装置包括：凸模1、挤压筒2、坯料3、芯模4、底座5、夹持工具6、热电偶7、加热炉8、电源9、直线电机控制器10、直线电机11及牵引臂12。装置结构的关键在于凸模1对坯料3加载施压的同时，夹持工具6通过直线电机11控制的牵引臂12对坯料3挤出端夹持并向后退移产生一定的张力作用，由芯模4的模孔截面控制挤出件的截面形状及尺寸。
方法：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、根据成形构件的截面形状和尺寸要求，选择相应结构的芯模4；
步骤二、将加热炉8固定在挤压机工作台上，将底座5放置于加热炉8中靠近夹持工具6一侧；
步骤三、将挤压筒2固定在底座5上，将芯模4、坯料3和凸模1依次装进挤压筒2；
步骤四、使夹持工具6和牵引臂12的中心与芯模4中心同轴设置，以此为基准固定直线电机11；
步骤五、将热电偶7***加热炉8内，使热电偶7接触到挤压筒2进行测温，开启加热炉8进行加热；
步骤六、当加热炉8的温度达到预设温度后停止加热开始保温；
步骤七、保温结束后开动挤压机通过凸模1对坯料3进行初次加载，当坯料3挤出一小段距离为L后即停止加载，采用夹持工具6夹紧坯料3的挤出端部分；
步骤八、再次通过凸模1对坯料3进行加载成形，同时开启电源9并打开直线电机控制器10，直线电机11工作，使夹持工具6在牵引臂12引导作用下呈匀速后退运动；
步骤九、除少量压余外，坯料3被完全挤出成型后停止凸模1的加载，同时关闭电源9，停止直线电机11的工作，打开夹持工具6对坯料3挤出端的夹持；
步骤十、关闭加热炉8，取出热电偶7，顺次移除凸模1、芯模4，取出所需要求的挤压件。
本发明方法与现有技术相比具体以下有益效果：
一、本发明的创新之处在于集成了挤压和拉拔两种工艺的综合技术优势，扩大了金属的挤出成形能力及制品截面尺寸范围，品质性能明显提高；
二、挤出成形时在自由端施加了一个与成形同方向的张力且小于材料的屈服强度，能显著降低成形载荷及所需设备的吨位，易于金属的挤出成形，提高了生产效率，降低了生产成本；
三、在自由端施加张力作用，使挤出成形后制品由自由态变为轴向拉应力状态，提高了制品的线性度，可省去传统挤压后所需的矫直工序，避免了挤出制品因流速不均产生的扭拧弯曲缺陷；
四、张力挤压成形时单道次产生的变形量要显著大于单一挤压或拉拔工艺，挤压筒内发生塑性变形的区域范围明显变大，底角部死区范围缩小，材料利用率随之提高；
五、与拉拔工序相比，本发明方法省去了退火、多道次变形等附加工序，与传统正挤压相比，该方法则更易于生产低塑性及难变形材料、变形比较大等技术特征的金属棒材、型材或线材等制品，从而实现挤压-拉拔一体化成形的双重功效；
六、该方法无需专用设备、工艺流程短、模具寿命高同时兼具高效低耗等技术特点，易于在生产实践中实施推广。
附图说明
图1是本发明单孔挤压装置的主剖视图；
图2是本发明单孔挤压装置挤压制件与夹持工具6接触距离为L时的主剖视图；
图3是本发明单孔挤压装置挤压制件成形末期的主剖视图；
图4是本发明多孔挤压装置的主剖视图；
图5是本发明多孔挤压装置挤压制件与夹持工具6接触距离为L时的主剖视图；
图6是本发明多孔挤压装置挤压制件成形末期的主剖视图；
图7是本发明管材挤压装置的主剖视图；
图8是本发明管材挤压装置挤压制件与夹持工具6接触距离为L时的主剖视图；
图9是本发明管材挤压装置挤压制件成形末期的主剖视图；
图10是本发明多孔挤压装置芯模4的示意图；
图11是本发明管材挤压装置坯料3成形后的示意图；
图12是管材挤压装置夹持工具6的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式装置包括凸模1、挤压筒2、坯料3、芯模4、底座5、夹持工具6、热电偶7、加热炉8、电源9、直线电机控制器10、直线电机11及牵引臂12。底座5放置在加热炉8内靠近夹持工具6一侧，挤压筒2固定在底座5上，芯模4装配在挤压筒2的右端，坯料3装配在挤压筒2内并放置在芯模4的左方，凸模1放置在挤压筒2内并顶靠在坯料3的左端面，夹持工具6通过直线电机11调控坯料3挤出端的速度大小和张力值。
具体实施方式二：结合图1~图3说明本实施方式，本实施方式由以下几个步骤完成：一、根据坯料3的材料确定其屈服强度P0，设置夹持工具6的夹紧力P1和张力P2；二、根据坯料3的材料对变形速率的敏感程度，确定凸模1的挤压速度V1；三、根据构件的长度，选择高度为H1，直径为d的坯料3；四、根据所需制件的尺寸要求，选择合适的芯模4，调整夹持工具6，使两者内径均为D1；五、根据挤压比λ和凸模1的成形速度V0计算坯料4挤出端的挤出速度V1，确定夹持工具6的牵引速度V2，其中，V1和V2为均速，其中，1<V2/V1值<2；六、将底座5放入加热炉8内，将挤压筒2固定在底座5上，将芯模4、坯料3和凸模1依次装进挤压筒2；七、将热电偶7***加热炉8并接触到挤压筒2外壁，开启加热炉8。加热至一定温度K，将加热炉8设置为保温模式；八、开启挤压机对凸模1加载，当坯料3挤出端进入夹持工具6距离为L时挤压机停止对凸模1的加载，夹紧坯料3的挤出端；九、挤压机继续对凸模1加载，同时开启电源9，打开直线电机控制器10，直线电机11工作，使得夹持工具6右行，夹持工具6对坯料3施加一个小于坯料3屈服强度的张力；九、持续对凸模1加载，夹持工具6持续右行，直至坯料3完全被挤出后挤压机停止对凸模1加载，夹持工具6停止右行，完成坯料的一次成形；十、关闭电源9，停止直线电机11的工作，关闭加热炉8，取出热电偶7，打开夹持工具6对坯料3挤出端的夹持，顺次移除凸模1、芯模4，取出成形的制件。
具体实施方式三：结合图4~图6说明本实施方式，本实施方式的芯模4和夹持工具6均为N个孔的多孔模具，即“一模多件”，夹持工具6的牵引速度为V2，夹持工具6的夹紧力P1和张力P2，坯料3高度为H2，其它实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图7~图9说明本实施方式，本实施方式挤出的制件为管材，改变凸模1、坯料3、芯模4和夹持工具6的模具结构，得到壁厚为t的管材，夹持工具6的牵引速度为V2，夹持工具6的夹紧力P1和张力P2，坯料3高度为H3，其它实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：结合图1~图9说明本实施方式，本实施方式通过改变直线电机11的功率来改变夹持工具6的牵引速度V2，夹持工具6后退时做变速运动，确保V2/V1值在挤压过程中固定不变，其它实施方式与具体实施方式二相同。

Claims (8)

1.一种张力挤压成形装置，其特征在于：所述装置包括凸模1、挤压筒2、坯料3、芯模4、底座5、夹持工具6、热电偶7、加热炉8、电源9、直线电机控制器10、直线电机11及牵引臂12，底座5放置在保温炉8内靠近夹持工具6一侧，挤压筒2固定在底座5上，芯模4装配在挤压筒2的右端，坯料3装配在挤压筒2内并放置在芯模4的左方，凸模1放置在挤压筒2内并顶靠在坯料3的左端面，夹持工具6通过直线电机11控制坯料3挤出端的速度和张力。
2.根据权利要求1所述的一种张力挤压成形装置，其特征在于：坯料3的屈服强度为P0，在对坯料3进行正向挤压的时候，挤出成形同时在自由端施加了一个与成形同方向的张力P2， P2/ P0的范围为0.05~0.5。
3.一种利用权利要求2所述装置实现张力挤压成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、根据成形构件的截面形状和尺寸要求，选择相应结构的芯模4；
步骤二、将加热炉8固定在卧式挤压机工作台上，将底座5放置于加热炉8中靠近夹持工具6一侧；
步骤三、将挤压筒2固定在底座5上，将芯模4、坯料3和凸模1依次装进挤压筒2；
步骤四、使夹持工具6和牵引臂12的中心与芯模4中心同轴设置，以此为基准固定直线电机11；
步骤五、将热电偶7***加热炉8内，使热电偶7接触到挤压筒2进行测温，开启加热炉8进行加热；
步骤六、当加热炉8的温度达到预设温度后停止加热开始保温；
步骤七、保温结束后开动压力机通过凸模1对坯料3进行初次加载，当坯料3挤出点距离为L后即停止加载，采用夹持工具6夹紧坯料3的挤出端部分；
步骤八、再次通过凸模1对坯料3进行加载成型，同时开启电源9并打开直线电机控制器10，直线电机11工作，使夹持工具6在牵引臂12引导作用下呈匀速后退运动；
步骤九、除少量压余外，坯料3被完全挤出成型后停止凸模1的加载，同时关闭电源9，停止直线电机11的工作，打开夹持工具6对坯料3挤出端的夹持；
步骤十、关闭箱式加热炉8，取出热电偶7，顺次移除凸模1、芯模4，取出所需要求的挤压件。
4.根据权利要求3所述的一种张力挤压成形方法，其特征在于：所述步骤一中的芯模规格可根据制件的要求选择，可以为单孔模、N孔模，可以实现一次成形多件的目的。
5.根据权利要求3所述的一种张力挤压成形方法，其特征在于：所述步骤一中的凸模1将坯料3加工为管材。
6.根据权利要求3所述的一种张力挤压成形方法，其特征在于：坯料3可以为不同材料，步骤六可以为不同温度。
7.根据权利要求3所述的一种张力挤压成形方法，其特征在于：所述步骤八中的夹持工具6的牵引速度为V2，坯料3挤出速度为V1，V2/ V1的范围为1~2。
8.根据权利要求3所述的一种张力挤压成形方法，其特征在于：所述步骤八中凸模1做速度为V0的匀速运动，坯料3的挤出速度为V3，由于各种条件的影响，V3在挤压过程中不断发生改变，改变直线电机11的功率，夹持工具6做变速运动，其速度为V4，V4/V3的范围是1~2，并且V4/V3在挤压过程中固定不变。
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