CN111479639A - 电磁挤压 - Google Patents

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Abstract

提供了一种通过在磁场中改变材料特性来改善穿过挤压机的材料流变的***和方法。电磁挤压***包括柱塞，该柱塞被移动至容纳挤压材料的室中，以迫使挤压材料从至少部分地由模具限定的开口离开，以生成具有与开口的预定形状对应的截面形状的挤压件。导电材料的电磁绕组嵌入在围绕容器的工具保持器块内并且绕室螺旋地缠绕，并且导电材料的电磁绕组承载DC电流以在挤压材料内产生具有至少2特斯拉的磁通密度的磁场，以经由磁塑性效应消散被挤压的挤压材料中的位错缺陷结构。因此，磁场提供了减小的针对加工设备的流变应力。

Description

电磁挤压
相关申请的交叉引用
本PCT国际专利申请要求于2017年12月15日提交的标题为“ElectromagneticExtrusion”的美国临时专利申请序列第62/552,893号的权益，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分并且通过引用并入本文。
政府许可权
本发明是根据麦格纳国际公司(Magna International Inc.)与美国能源部橡树岭国家实验室运营和管理承包商UT-Battelle,LLC之间的能源部(DOE)合同第DE-AC05-00OR22725号做出的。政府对本发明具有某些权利。
背景技术
1.技术领域
本公开内容总体上涉及用于通过在磁场中改变挤压材料的材料特性来改善穿过挤压机的材料流变的***和方法。
2.相关技术
本部分提供与本公开内容相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
挤压是通过推动材料穿过模具中的成形开口而使材料例如塑料、金属、合金或坯料成形的过程。被推动穿过模具的材料作为具有与模具开口相同的形状的细长材料件离开模具。使用金属(例如，铝坯料)的挤压过程用于批量生产直的半成品。例如，在汽车工业中使用高强度铝制品，并且所述高强度铝制品必须贯穿其整体具有一致的材料特性(例如，微结构和机械特性)。然而，产品的材料特性可能受挤压过程影响，从而导致劣质产品。例如，可以通过间接挤压来生产铝制品的实心截面或中空截面；然而，当均质化处理温度条件或/和高挤压温度允许这些元件的金属间化合物生长时，制造条件可能导致坯料的长边的再结晶。另外，工具本身可能因挤压过程而损坏。
已经表明，施加磁场可以改变晶体材料的塑性行为——一种被称为磁塑性的现象。已经通过假设顺磁性杂质的悬空键与位错芯的悬空键形成自由基对来解释该磁塑性现象。已经表明，施加磁场可以引起以不同的结合能为特征的这种对的不同自旋状态之间的转变，并且因此促进与杂质脱钉的位错，从而提高晶体塑性。
发明内容
本部分提供了本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征、方面和目标的全面公开。提供了一种用于挤压材料的电磁挤压***。该电磁挤压***包括：容器，该容器限定用于容纳挤压材料的室；以及模具，该模具限定与室流体连通的开口，以用于挤压材料离开作为挤压件。本主题电磁挤压***还包括绕室设置的电磁绕组，所述电磁绕组被配置成承载电流以产生磁场，来减小挤压材料的流变应力。
电磁挤压***还可以包括柱塞，该柱塞被配置成将挤压材料推出开口。
根据本公开内容的一个方面，电磁挤压***可以设置有具有带有管状侧壁的杯形的容器，该管状侧壁限定内表面并且从实心基部沿轴向方向延伸。模具可以被配置成与柱塞一起移动通过室，并且其中，开口在模具的外表面与室的管状侧壁的内表面之间延伸。
根据本公开内容的一个方面，电磁挤压***可以设置有容器，该容器包括管状侧壁，该管状侧壁从被开口以接纳柱塞的第一端延伸，并且其中，模具相对于容器固定并且被设置在管状侧壁的与第一端相对的第二端处。
根据本公开内容的一个方面，电磁绕组可以绕室螺旋地缠绕。根据另一方面，电磁绕组可以被配置成在挤压材料内产生至少2特斯拉的磁通密度。根据另一方面，电磁绕组中的电流可以是直流。
根据本公开内容的一方面，容器或模具中的至少之一可以包括铁磁材料，该铁磁材料被配置成增强挤压材料内的磁通量。根据本公开内容的另一方面，包含电磁绕组的工具保持器块可以围绕容器。
根据本公开内容的另一方面，挤压材料是金属。根据本公开内容的又一方面，磁场利用磁塑性效应消散挤压材料内的位错缺陷结构。
在本公开内容中还提供了一种操作挤压***的方法。该方法包括：迫使挤压材料穿过开口离开室；激励绕室设置的电磁绕组，以在挤压材料中产生磁场；以及通过在挤压材料中的磁场来减小挤压材料中的流变应力。
激励绕室设置的电磁绕组的步骤可以包括：使DC电流流过电磁绕组。根据本公开内容的一个方面，在挤压材料内，磁场可以具有至少2特斯拉的磁通密度。根据本公开内容的另一方面，将挤压材料维持处于固态。
总之，提供了一种利用电磁能通过改变正被挤压的挤压材料的材料特性来改善穿过挤压机的材料流变的挤压***和方法。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以最好地理解本公开内容。要强调的是，根据惯例，附图的各种特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或者缩小。
图1是本公开内容的电磁挤压***的截面图；以及
图2是本公开内容的电磁挤压***的另一实施方式的截面图；以及
图3是列出了用于方法中的步骤的流程图。
具体实施方式
通常，挤压***(也可以被称为挤压机)用于生产半成品金属制品。特别地，挤压***通常施加压力以迫使挤压材料穿过具有预定形状的开口34，以生成具有与开口34的预定形状对应的截面形状的挤压件12。
图1示出了根据本公开内容的电磁挤压***20。特别地，图1示出了电磁挤压***20，该电磁挤压***20被配置成生成中空的挤压件12，例如中空部的挤压件(即，具有腔的中空挤压件)，该电磁挤压***20利用电磁能通过在磁场中改变坯料10的材料特性来改善穿过电磁挤压***20的材料流变。在示例实施方式中，挤压材料为实心块的形式(也称为坯料10)，并且挤压材料由诸如铝或钢的金属或者包含两种或更多种金属元素的合金制成。
电磁挤压***20包括具有管状侧壁24的容器22，管状侧壁24在第一端26与第二端28之间延伸并且限定用于封闭用于容纳挤压材料的坯料10的室25的内表面30。挤压***20还包括模具32，该模具32限定与室25流体连通的开口34，以用于挤压材料从开口34离开作为挤压件12。
如图1所示，容器22具有带有管状侧壁24的杯形，管状侧壁24从封闭第一端26的实心基部40沿轴向方向延伸。如箭头所示，模具32由柱塞36沿直线被驱动到室25中，并且从而使坯料10的挤压材料变形并且沿与柱塞36的行进方向相反的方向被挤压。换句话说，模具32与柱塞36一起移动通过室25，以将挤压材料推出开口34作为挤压件12，因此挤压件12呈现由管状侧壁24的内表面30与模具32的外表面38之间的空间所限定的开口34的形状。柱塞36可以向坯料10施加大量的力并且可以例如由液压缸(图中未示出)驱动。
导电材料的电磁绕组50被嵌入在围绕容器22的工具保持器块52内。电磁绕组可以是传统的电阻式电磁铁，例如，毕特型(Bitter)电磁铁或者诸如铜的螺旋线圈。替选地，电磁绕组50可以是超导磁体，并且电磁绕组50必须被低温冷却以保持处于具有零电阻的超导状态。
电磁绕组50可以具有不同的材料或者构造，例如，配置成承载冷却流体的中空管。如图1和图2的示例所示，电磁绕组50绕室25螺旋地缠绕，并且被配置成承载电流，以在挤压材料内产生具有至少2特斯拉的磁通密度的磁场，来减小挤压材料的流变应力。因此，电磁绕组50被配置为螺线管。电流优选地为直流(DC)电流，这是因为AC电流可能用作感应加热线圈，从而在工具中和挤压材料中引起不期望的感应加热。
容器22和/或模具32中之一或者容器22和/或模具32两者可以包含铁磁材料，例如，Fe、Ni或Co合金，该铁磁材料用于增强挤压材料内的磁场。自由空间中的螺线管的磁通密度B由式1描述：
Figure BDA0002534985910000041
其中μ0为磁常数，1.25663706×10-6m kg s-2A-2，N为匝数，I为电流(以安培为单位)，并且l是回路的长度。对于浸没在具有相对磁导率μr的材料中的螺线管，例如在本文公开的电磁挤压***20中的螺线管，磁通密度B由式2表示：
Figure BDA0002534985910000042
换句话说，由螺线管产生的磁场被具有高的相对磁导率的铁磁材料增强。例如，通常提供0.2T的磁通密度B的磁体设计可以通过使电磁绕组50内的铁磁材料饱和来潜在地实现1.2T的磁场密度B。换句话说，通过使工具例如容器22和/或模具32由铁磁材料制成，可以增强挤压材料中的磁场。
图2示出了替选装置，其中，容器22形成为具有管状侧壁24的开口管，管状侧壁24从被开口以接纳柱塞36的第一端26延伸，并且其中模具30相对于容器22固定，并且模具30设置在管状侧壁24的与第一端26相对的第二端28处。如箭头所示，柱塞36轴向地移动至室25中，以将挤压材料从模具32中的开口34中挤出作为挤压件12。柱塞36包括柱塞头42，该柱塞头42与室22的管状侧壁24的内表面30密封地接合。因此，柱塞头42防止在挤压过程中当柱塞移动至室25中时挤压材料从柱塞36周围的室25向后离开。
在图2所示的示例配置中，模具32限定整个开口34，挤压材料被推动穿过整个开口34作为挤压件12。这种配置可能最适合于例如具有实心截面的挤压件12。
总之，本公开内容的***提供了由于磁场允许挤压材料以提高的动态回复速率再结晶而减小的挤压材料的流变应力。由于磁场经由磁塑性效应消散位错缺陷结构，因此提高了动态回复速率。换句话说，由于在磁场中对材料特性的改变改善了穿过电磁挤压***20的挤压材料流变，因此减小了针对诸如室22和模具32以及柱塞36的加工设备的流变应力，从而减小了针对加工设备的压力。换句话说，磁塑性效应的净效应是能够实现更均匀的变形以产生更复杂的挤压形状，或者能够实现材料流变应力的减小从而允许更低的挤压压载荷，这可以增加加工设备的寿命或者促进使用针对特定应用的现存的较低吨位成型压力机来制造挤压件。
由于坯料10相对于容器22保持静止，因此摩擦损失和生成的热被保持为最小值。挤压***20的操作所需的温度足够低以抑制挤压件12上的晶粒的表面粗化，这致使成品具有较少的杂质。另外，使用该工艺的加工时间比其他挤压工艺快，并且因此使得能够增加产量。
如图3的流程图中所述，还提供了操作挤压***20的方法200。方法200包括：在步骤202处，迫使挤压材料穿过开口34离开室25。例如，可以通过以下方法执行该步骤202：将柱塞36移动至室25中以使容纳在室25中的固体材料的坯料10移位并且迫使挤压材料穿过至少部分地由模具32限定的开口34。
方法200还包括：在步骤204处，激励绕室25设置的电磁绕组50，以在挤压材料中产生磁场。电磁绕组50优选地形成为螺线管，该螺线管包括绕室25螺旋地缠绕的电导体。该步骤204可以包括：在子步骤204A处，使DC电流流过电磁绕组50。DC电流是优选的，但是在AC电流的频率被选择成使感应加热最小化并且避免使挤压材料熔化的条件下可以使用AC电流。此外，由DC电流产生的DC磁场更有效，这是因为DC磁场能够穿透整个导电挤压材料。另一方面，AC场具有较浅的表层深度，从而限制了到挤压材料表面的穿透深度。
方法200还包括：在步骤206处，通过在材料中的磁场来减小挤压材料中的流变应力。该步骤利用了磁塑性效应，通过由强磁场借助磁塑性效应消散位错缺陷结构来改变材料。在挤压材料中，磁场优选地具有至少2特斯拉的磁通密度，但是流变应力的减小可以取决于其他因素，例如诸如挤压材料的组成、温度以及施加至挤压材料的压力。
方法200还包括：在步骤208处，对挤压材料进行冷却以将挤压材料维持处于固态。为了充分利用磁塑性效应，优选将挤压材料维持在保持固体的温度下。电磁绕组50将通过焦耳热生成热，焦耳热由式P＝I2R描述，其中，P是作为热而被消耗的功率(以瓦特为单位)，I是电流(以安培为单位)，并且R是电磁绕组50的电阻(以欧姆为单位)。由于电磁绕组50可以承载大量的电流，因此焦耳热也可能是大量的。步骤208可以包括：在子步骤208A处，使冷却流体循环以与电磁绕组50导热连通，以去除在电磁绕组50中生成的热。冷却流体可以是液体或气体，并且可以是例如冷却剂，该冷却剂穿过工具保持器块52中的通道循环和/或穿过电磁绕组50本身循环。冷却流体可以通过传统的方式(例如，蒸发冷却***、一个或更多个热交换器和/或使用用于利用制冷剂的相变来传递热的一个或更多个冷却器)被冷却以去除多余的热。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的上述描述。上述描述并非旨在是穷举的或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或者特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的，并且可以在选择的实施方式中使用，即使没有具体示出或描述也是如此。特定实施方式的各个元件或者特征在许多方面也可以变化。这样的变化不应被认为是背离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (15)

1.一种用于对挤压材料进行挤压的电磁挤压***，包括：
容器，所述容器限定用于容纳所述挤压材料的室；
模具，所述模具限定与所述室流体连通的开口，以用于所述挤压材料从所述开口离开作为挤压件；以及
电磁绕组，所述电磁绕组被设置成绕所述室并且被配置成承载电流以产生磁场，来减小所述挤压材料的流变应力。
2.根据权利要求1所述的电磁挤压***，还包括柱塞，所述柱塞被配置成将所述挤压材料推出所述开口。
3.根据权利要求2所述的电磁挤压***，其中，所述容器具有带有管状侧壁的杯形，所述管状侧壁限定内表面并且从实心基部沿轴向方向延伸；以及
其中，所述模具被配置成与所述柱塞一起移动通过所述室，其中，所述开口在所述模具的外表面与所述室的所述管状侧壁的所述内表面之间延伸。
4.根据权利要求2所述的电磁挤压***，其中，所述容器包括管状侧壁，所述管状侧壁从被开口以接纳所述柱塞的第一端延伸；以及
其中，所述模具相对于所述容器固定并且被设置在所述管状侧壁的与所述第一端相对的第二端处。
5.根据权利要求1所述的电磁挤压***，其中，所述电磁绕组绕所述室螺旋地缠绕。
6.根据权利要求1所述的电磁挤压***，其中，所述电磁绕组被配置成在所述挤压材料内产生至少2特斯拉的磁通密度。
7.根据权利要求1所述的电磁挤压***，其中，所述电流是直流。
8.根据权利要求1所述的电磁挤压***，其中，所述容器或所述模具中至少之一包括铁磁材料，所述铁磁材料被配置成增强所述挤压材料内的磁场。
9.根据权利要求1所述的电磁挤压***，还包括围绕所述容器的工具保持器块；以及
其中，所述电磁绕组被设置在所述工具保持器块内。
10.根据权利要求1所述的电磁挤压***，其中，所述挤压材料是金属。
11.根据权利要求1所述的电磁挤压***，其中，所述磁场利用磁塑性效应消散所述挤压材料内的位错缺陷结构。
12.一种操作挤压***的方法，包括：
迫使挤压材料穿过开口离开室；
激励绕所述室设置的电磁绕组，以在所述挤压材料中产生磁场；以及
通过在所述挤压材料中的磁场来减小所述材料中的流变应力。
13.根据权利要求12所述的操作挤压***的方法，其中，所述激励绕所述室设置的电磁绕组的步骤包括：使DC电流流过所述电磁绕组。
14.根据权利要求12所述的操作挤压***的方法，其中，在所述挤压材料内，磁场具有至少2特斯拉的磁通密度。
15.根据权利要求12所述的操作挤压***的方法，其中，将所述挤压材料维持处于固态。
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