CN114713652B - 一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置和方法，装置包括：支撑机架、主挤压轮机构、从动压延轮机构和形变组合模具，主挤压轮机构的挤压轮通过第一轴及轴承连接于支撑机架，挤压轮的外周表面设有环形容置槽；从动压延轮机构的调整支架固连于支撑机架，压延轮通过第二轴及轴承安装在调整支架上，压延轮的外周表面设有凸起，压延轮在支撑机架的调整下可与挤压轮做相切转动，且凸起在相切转动时位于环形容置槽内；形变组合模具的模具底座连接于支撑机架，剪切模具的一端与环形容置槽相适配，并可抵触于环形容置槽的底壁，限位模具朝向挤压轮的表面与环形容置槽的外边缘齐平。本发明的装置对于长度较短的试样也可实现连续加工。

Description

一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置和方法

技术领域

本发明属于金属及合金材料加工技术领域，具体涉及一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置和方法。

背景技术

随着航空航天、军工、高速铁路、电力输送、汽车及高端装备等领域的高速发展，对高强度、高导电金属及合金材料要求不断提升，该类材料的匮乏严重制约了我国重大工程建设。目前高强度高导电铜合金材料制备基于以下两个方面，其一是通过合金化提高金属及合金材料强度，该类方法对金属强度提升具有较好效果，但合金化带来了导电性能的降低，纯铜中添加0.3％的Sn，其强度由220MPa增加至350MPa，但其导电率由100％IACS降低至75％IACS，导电率降低明显，通过合金化的手段难以获得高强度高导电的金属及合金材料；其二是通过加工硬化提升金属及合金材料强度，该类方法在提升金属及合金材料强度的同时导电性能降低不多，但该类方法对强度提升有限，且在一定的温度条件下出现回复现象使加工硬化程度降低，无法满足高强度高导电材料在苛刻条件下的使用要求。在提高金属及合金材料强度的同时，不降低导电率，是制备高强度高导电金属及合金材料的理想方法。低能态的共格孪晶界不仅能够严重限制位错的滑移和攀移，极大的提高金属材料的强度，且对材料电导性能的影响可以忽略不计，金属及合金材料在超高应变速率和低温条件下塑性变形产生的孪晶界和小角晶界等低能态界面具有更好的热稳定性和机械稳定性，孪晶强化是高强度高导电金属及合金材料制备的有效方法，等径角挤压作为一种超高应变速率加工方式，通过对金属及合金材料剪切变形可获得显著的共格晶界从而实现孪晶强化，是获得高强度高导电金属及合金材料的有效手段。

但是，等径角挤压目前主要存在如下技术难点：现有等径角挤压主要是通过设计好的模具在压力机上进行，试样长度较短，无法实现连续加工，进而限制了该方法在材料加工中的应用，则无法获得满足通讯、电气、航空、高速铁路等重要领域对高强度高导电金属及合金材料的迫切需求。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置和方法，以解决等径角挤压目前主要存在的试样长度较短而无法实现连续加工问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置，所述装置包括：

支撑机架；

主挤压轮机构，所述主挤压轮机构包括挤压轮，所述挤压轮通过第一轴及轴承连接于所述支撑机架，所述挤压轮的外周表面设置有环形容置槽；

从动压延轮机构，所述从动压延轮机构包括压延轮和调整支架，所述调整支架固连于所述支撑机架，所述压延轮通过第二轴及轴承安装在所述调整支架上，所述压延轮的外周表面设置有与所述环形容置槽相适配的凸起，所述压延轮在所述调整支架的调整下可与所述挤压轮做相切转动，且所述凸起在相切转动时位于所述环形容置槽内；

形变组合模具，所述形变组合模具包括模具底座、剪切模具和限位模具，所述模具底座连接于所述支撑机架，所述剪切模具和所述限位模具均安装于所述模具底座，所述剪切模具朝向所述挤压轮的一端与所述环形容置槽相适配，并可抵触于所述环形容置槽的底壁，所述限位模具朝向所述挤压轮的表面与所述环形容置槽的外边缘齐平。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，所述形变组合模具还包括第一固定轴和第二固定轴，所述模具底座包括第一底座和第二底座，所述第一底座的一端通过所述第一固定轴连接于所述支撑机架，所述第一底座的另一端通过所述第二底座的型面固定，所述第二底座远离所述第一底座的一端通过所述第二固定轴连接于所述支撑机架；所述剪切模具和所述限位模具均安装于所述第一底座。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，所述第一底座的表面开设有异形槽，所述异形槽的形状与所述剪切模具的形状相适配，所述剪切模具固定安装于所述异形槽内。

优选地，所述剪切模具的一侧面为折线面。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，所述形变组合模具还包括第一调整楔和第二调整楔，所述第一调整楔和所述第二调整楔均安装于所述第一底座，并与所述限位模具接触，用于对所述限位模具进行微调。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，所述形变组合模具还包括调整螺旋和螺旋支架，所述螺旋支架固定连接于所述支撑机架，所述调整螺旋可活动地连接于所述螺旋支架，并可抵接于所述第二底座，用于对所述第二底座进行调整。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，所述支撑机架包括机架、第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板均固定连接于所述机架；所述挤压轮通过第一轴及轴承连接于所述第一支撑板，所述第一底座的一端通过第一固定轴连接于所述第一支撑板，所述第二底座远离所述第一底座的一端通过所述第二固定轴连接于所述第二支撑板，所述螺旋支架固定连接于所述机架。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，所述第一支撑板和第二支撑板均为多边形板，所述支撑机架还包括第三固定轴、第四固定轴、第五固定轴、第六固定轴和第七固定轴，所述第一支撑板通过所述第三固定轴、所述第四固定轴和所述第五固定轴固定连接于所述机架，所述第二支撑板通过所述第六固定轴和所述第七固定轴固定连接于所述机架。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，定义所述剪切模具与所述挤压轮接触点处切线的夹角为A，则75°≤A≤145°；

优选地，所述环形容置槽的形状为方形或半圆形。

如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可选地，所述挤压轮的硬度、所述形变组合模具的硬度和所述压延轮的硬度均不低于60HRV。

本发明还提出了一种金属及合金材料连续等径角挤压的方法，采用如上所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，所述方法包括以下步骤：

调整从动压延轮机构，使得压延轮外周表面的凸起位于环形容置槽内，且压延轮的外圆面与挤压轮的外圆面相接触；

调整形变组合模具，使得限位模具与环形容置槽的外边缘齐平，使剪切模具朝向所述挤压轮的一端抵触于环形容置槽的底壁；

将金属及合金材料插放入所述挤压轮与所述压延轮中间，转动所述挤压轮和所述压延轮，在摩擦力作用下，金属及合金材料通过所述剪切模具和所述限位模具实现剪切变形，完成连续等径角挤压。

有益效果：

本发明的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，包括支撑机架、主挤压轮机构、从动压延轮机构和形变组合模具，通过对其结构设计和优化配合，可以实现金属及合金材料的连续等径角挤压，使得材料在加工过程中产生大的剪切变形，产生低能态共格孪晶，从而实现材料的孪晶强化，获得高强度高导电的高性能金属及合金材料，开创了新的高性能材料加工方法。并且，本发明的装置对于长度较短的试样也可实现连续加工，保证了连续等径角挤压在材料加工中的应用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的金属及合金材料连续等径角挤压的装置的结构示意图。

附图标号：

1-金属及合金材料；2-环形容置槽；3-第一轴及轴承；4-挤压轮；5-第三固定轴；6-第四固定轴；7-机架；8-第五固定轴；9-第一支撑板；10-第一固定轴；11-剪切模具；12-限位模具；13-第一底座；14-第一调整楔；15-第二调整楔；16-第二底座；17-第二固定轴；18-第二支撑板；19-第六固定轴；20-螺旋支架；21-调整螺旋；22-第七固定轴；23-调整支架；24-压延轮。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了解决现有的等径角挤压无法连续进行，材料强度、导电率同时提升困难等诸多问题，本发明提供了一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置，可以实现金属及合金材料连续等径角挤压，使得材料在加工过程中产生大的剪切变形，产生低能态共格孪晶，从而实现材料的孪晶强化，获得高强度高导电的高性能金属及合金材料，开创了新的高性能材料加工方法。并且，本发明的装置对于长度较短的试样也可实现连续加工，保证了连续等径角挤压在材料加工中的应用。

如图1所示，本发明实施例中，金属及合金材料连续等径角挤压的装置包括：支撑机架、主挤压轮机构、从动压延轮机构和形变组合模具，其中，主挤压轮机构包括挤压轮4，挤压轮4通过第一轴及轴承3连接于支撑机架，挤压轮4的外周表面设置有环形容置槽2；从动压延轮机构包括压延轮24和调整支架23，调整支架23固连于所述支撑机架，压延轮24通过第二轴及轴承固定在调整支架23上，压延轮24的外周表面设置有与环形容置槽2相适配的凸起，压延轮24可与挤压轮4做相切转动，且凸起在相切转动时位于环形容置槽2内；形变组合模具包括模具底座、剪切模具11和限位模具12，模具底座连接于支撑机架，剪切模具11和限位模具12均安装于模具底座，剪切模具11朝向挤压轮4的一端与环形容置槽2相适配，并可抵触于环形容置槽2的底壁，限位模具12朝向挤压轮4的表面与环形容置槽2的外边缘齐平。

需要说明的是，挤压轮4通过第一轴及轴承3连接于支撑机架，具体的安装方式为，轴固定连接于支撑机架，其固定连接方式可选为焊接，轴承套设于轴的外侧，其内圈固定连接于轴，外圈固定连接于挤压轮4，这样挤压轮4可相对于轴发生转动，且可以减小转动过程中挤压轮4与轴之间的摩擦。调整支架23可选为通过焊接方式固定于支撑机架，压延轮24通过第二轴及轴承(未标示)安装于调整支架23，并且，压延轮24在调整支架23的调整下可与挤压轮4做相切转动。可选地，调整支架23设置有两个相对的连接臂，第二轴的两端分别固定连接于两个连接臂，轴承套设于第二轴，压延轮24套设于轴承的外部，并连接于轴承的外圈，两个连接臂远离第二轴的一端通过连接件相连，连接件上设置有连接轴，连接轴朝着远离压延轮24的方向延伸，连接轴的外表面设置有外螺纹，调整支架23还设置有与连接轴相适配的连接筒，连接筒的内壁设置有内螺纹，连接轴插设于连接筒内，且二者螺纹连接。如此的设置，可以通过连接轴的螺纹旋转来调整压延轮24的伸出长度，进而调整至压延轮24与挤压轮4相切，且压延轮24外周表面的凸起位于环形容置槽2内。具体操作时，转动挤压轮4可带动压延轮24一起做相切转动，在转动过程中压延轮24外周表面的凸起刚好位于挤压轮4外周表面的环形容置槽2内。可以理解的是，在转动过程中，由于压延轮24外周表面的凸起位于环形容置槽2内，则可以有效地对压延轮24进行限位，以避免其因螺纹连接而发生偏转。当然地，在其他一些实施例中，也可以选用其他的结构设置，只要满足压延轮24在调整支架23的调整下可与挤压轮4做相切转动即可，均在本发明的保护范围之内。

形变组合模具可相对于支撑机架微调，微调后，剪切模具11朝向挤压轮4的一端轻微抵触于环形容置槽2的底壁，限位模具12朝向挤压轮4的表面与环形容置槽2的外边缘齐平。

可选地，环形容置槽2设置于挤压轮4的外周表面中间位置，相应地，凸起位于压延轮24的外周表面中间位置，二者相适配。

优选地，环形容置槽2的形状为方形或半圆形，其尺寸依据所加工的材料确定。

本发明的可选实施例中，形变组合模具还包括第一固定轴10和第二固定轴17，模具底座包括第一底座13和第二底座16，第一底座13的一端通过第一固定轴10连接于支撑机架，第一底座13的另一端通过第二底座16的型面固定，第二底座16远离第一底座13的一端通过第二固定轴17连接于支撑机架；剪切模具11和限位模具12均安装于第一底座13。

本发明的可选实施例中，第一底座13的表面开设有异形槽，异形槽的形状与剪切模具11的形状相适配，剪切模具11固定安装于异形槽内。本实施例中设置异形槽用来固定剪切模具11，设置简单且有效。

定义剪切模具11与挤压轮4接触点处切线的夹角为A，则75°≤A≤145°，比如夹角为75°、85°、95°、105°、115°、125°、135°或145°。

优选地，剪切模具11的一侧面(可选为下侧面)为折线面。如此的设置，可以有效地确保剪切模具11能够很好的固定在第一底座13上。

本发明的可选实施例中，形变组合模具还包括第一调整楔14和第二调整楔15，第一调整楔14和所述第二调整楔15均安装于第一底座13，并与限位模具12接触，用于对限位模具12进行微调。本实施例通过设置第一调整楔14和第二调整楔15对限位模具12进行微调，设置方式较为简单且有效。

本发明的可选实施例中，形变组合模具还包括调整螺旋21和螺旋支架20，螺旋支架20固定连接于支撑机架，调整螺旋21可活动地连接于螺旋支架20，并可抵接于第二底座16，用于对第二底座16进行调整。需要说明的是，螺旋支架20通过焊接的方式固定连接于支撑机架。

本发明的可选实施例中，支撑机架包括机架7、第一支撑板9和第二支撑板18，第一支撑板9和第二支撑板18均固定连接于机架7；挤压轮4通过第一轴及轴承3连接于第一支撑板9，第一底座13的一端通过第一固定轴10连接于第一支撑板9，第二底座16远离第一底座13的一端通过第二固定轴17连接于第二支撑板18，螺旋支架20固定连接于机架7。

本发明的可选实施例中，第一支撑板9和第二支撑板18均为多边形板，支撑机架还包括第三固定轴5、第四固定轴6、第五固定轴8、第六固定轴19和第七固定轴22，第一支撑板9通过第三固定轴5、第四固定轴6和第五固定轴8固定连接于所述机架7，第二支撑板18通过第六固定轴19和第七固定轴22固定连接于机架7。

本实施例中，第一支撑板9和第二支撑板18均多点固定于机架7，设置较为牢固，从而保证整个装置具有较好的牢固性和可靠性。

需要说明的是，挤压轮4的硬度、形变组合模具的硬度和压延轮24的硬度均不低于60HRV。如此可以有效保证整个装置的牢固性和可靠性。

本发明还提出了一种金属及合金材料连续等径角挤压的方法，采用如前所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，所述方法包括以下步骤：

调整从动压延轮机构，使得压延轮24外周表面的凸起位于环形容置槽2内，且压延轮24的外圆面与挤压轮4的外圆面相接触；

调整形变组合模具，使得限位模具12与环形容置槽2的外边缘齐平，使剪切模具11朝向挤压轮4的一端抵触于环形容置槽2的底壁；

将金属及合金材料1插放入挤压轮4与压延轮24中间，转动挤压轮4和压延轮24，在摩擦力作用下，金属及合金材料1通过剪切模具11和所述限位模具12实现剪切变形，完成连续等径角挤压。

本发明的方法可以使得材料在加工过程中产生大的剪切变形，产生低能态共格孪晶，从而实现材料的孪晶强化，获得高强度高导电的高性能金属及合金材料1。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述装置包括：

支撑机架；

主挤压轮机构，所述主挤压轮机构包括挤压轮，所述挤压轮通过第一轴及轴承连接于所述支撑机架，所述挤压轮的外周表面设置有环形容置槽；

从动压延轮机构，所述从动压延轮机构包括压延轮和调整支架，所述调整支架固连于所述支撑机架，所述压延轮通过第二轴及轴承安装在所述调整支架上，所述压延轮的外周表面设置有与所述环形容置槽相适配的凸起，所述压延轮在所述调整支架的调整下可与所述挤压轮做相切转动，且所述凸起在相切转动时位于所述环形容置槽内；

形变组合模具，所述形变组合模具包括模具底座、剪切模具和限位模具，所述模具底座连接于所述支撑机架，所述剪切模具和所述限位模具均安装于所述模具底座，所述剪切模具朝向所述挤压轮的一端与所述环形容置槽相适配，并可抵触于所述环形容置槽的底壁，所述限位模具朝向所述挤压轮的表面与所述环形容置槽的外边缘齐平；

所述形变组合模具还包括第一固定轴和第二固定轴，所述模具底座包括第一底座和第二底座，所述第一底座的一端通过所述第一固定轴连接于所述支撑机架，所述第一底座的另一端通过所述第二底座的型面固定，所述第二底座远离所述第一底座的一端通过所述第二固定轴连接于所述支撑机架；

所述剪切模具和所述限位模具均安装于所述第一底座；

所述形变组合模具还包括第一调整楔和第二调整楔，所述第一调整楔和所述第二调整楔均安装于所述第一底座，并与所述限位模具接触，用于对所述限位模具进行微调；

所述形变组合模具还包括调整螺旋和螺旋支架，所述螺旋支架固定连接于所述支撑机架，所述调整螺旋可活动地连接于所述螺旋支架，并可抵接于所述第二底座，用于对所述第二底座进行调整。

2.如权利要求1所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述第一底座的表面开设有异形槽，所述异形槽的形状与所述剪切模具的形状相适配，所述剪切模具固定安装于所述异形槽内。

3.如权利要求1所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述剪切模具的一侧面为折线面。

4.如权利要求1所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述支撑机架包括机架、第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板均固定连接于所述机架；

所述挤压轮通过第一轴及轴承连接于所述第一支撑板，所述第一底座的一端通过第一固定轴连接于所述第一支撑板，所述第二底座远离所述第一底座的一端通过所述第二固定轴连接于所述第二支撑板，所述螺旋支架固定连接于所述机架。

5.如权利要求4所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述第一支撑板和第二支撑板均为多边形板，所述支撑机架还包括第三固定轴、第四固定轴、第五固定轴、第六固定轴和第七固定轴，所述第一支撑板通过所述第三固定轴、所述第四固定轴和所述第五固定轴固定连接于所述机架，所述第二支撑板通过所述第六固定轴和所述第七固定轴固定连接于所述机架。

6.如权利要求1所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，定义所述剪切模具与所述挤压轮接触点处切线的夹角为A，则75°≤A≤145°。

7.如权利要求1所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述环形容置槽的形状为方形或半圆形。

8.如权利要求1-7中任一项所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述挤压轮的硬度、所述形变组合模具的硬度和所述压延轮的硬度均不低于60HRV。

9.一种金属及合金材料连续等径角挤压的方法，采用如权利要求1-8中任一项所述的金属及合金材料连续等径角挤压的装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

调整从动压延轮机构，使得压延轮外周表面的凸起位于环形容置槽内，且压延轮的外圆面与挤压轮的外圆面相接触；

调整形变组合模具，使得限位模具与环形容置槽的外边缘齐平，使剪切模具朝向所述挤压轮的一端抵触于环形容置槽的底壁；

将金属及合金材料插放入所述挤压轮与所述压延轮中间，转动所述挤压轮和所述压延轮，在摩擦力作用下，金属及合金材料通过所述剪切模具和所述限位模具实现剪切变形，完成连续等径角挤压。