專利名稱：一種制備變通道超細(xì)晶銅鋁線材的裝置及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料銅鋁的超細(xì)晶制備和微塑性加工領(lǐng)域，具體是一種銅鋁線材 變通道拉拔方法和裝置。
背景技術(shù)：
晶粒尺寸1 IOOOnm塊體超細(xì)晶材料具有優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，是材料領(lǐng)域研 究的熱點(diǎn)之一。超細(xì)晶材料制備工藝目前主要有惰性氣體凝聚原位加壓法、高能球磨法、非 晶晶化法、熔體凝固法和大塑性變形法(Severe Plastic Deformation, SPD)等。SPD成形 方法與其他成形技術(shù)相比，最大優(yōu)點(diǎn)是能獲得結(jié)構(gòu)致密、無孔隙、無污染的塊體超細(xì)晶乃至 納米材料，所以SPD工藝方法是目前最受關(guān)注制備超細(xì)晶材料的成形方法，其主要有高壓 &$1 (High Pressure and Torsion, HPT), WiiM^B^W^i (Equal Channel Angular Pressing，ECAP)、疊層軋合法(Accumulative Roll Bonding，ARB)、反復(fù)折皺-壓直法 (Repetitive Corrugation and Straightening, RCS)禾口多向鍛造法(Multi Directional Forging, MDF)等技術(shù)。雖然HPT法可以制備優(yōu)良特性的超細(xì)晶材料，但由于模具和工具的限制，其形狀 一般只能為圓盤，厚度不能太大，同時(shí)產(chǎn)品數(shù)量有限，這些不足限制了 HPT法的發(fā)展。ECAP 方法也存在一些不足，如不能直接生產(chǎn)板材、工件規(guī)格較小、需要大功率的設(shè)備及昂貴 的模具，因此也限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。上海交通大學(xué)在公開號(hào)分別為CN101259493、 CN1709605.CN2757953XN2757954和CN2768921的發(fā)明專利申請(qǐng)中提出的制備超細(xì)晶材料 所用的L形、U形、C形、S形轉(zhuǎn)角往復(fù)擠壓模具和反復(fù)鐓粗?jǐn)D壓模具僅僅是ECAP方法的改 進(jìn)，但是上述方法由于所受設(shè)備擠壓力的限制，不適合制備大塊超細(xì)晶材料。連續(xù)的RCS過 程雖然很容易應(yīng)用到軋機(jī)上，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶材料的工業(yè)化生產(chǎn)，但反復(fù)彎曲會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，生 產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量不高。ARB法雖然對(duì)設(shè)備無特殊要求，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都高，但生產(chǎn)過程 中對(duì)毛坯表面處理與清洗過程繁瑣、變形溫度和應(yīng)變量不易控制也限制了它的發(fā)展。公開 號(hào)分別為CN101117694和CN201186305的發(fā)明專利申請(qǐng)中提出的鐓壓方法和公開號(hào)分別為 CN201088982和CN201338093的發(fā)明專利申請(qǐng)中提出的反復(fù)擠壓方法都是利用模具反復(fù)壓 縮的多向鍛造(Multi Directional Forging, MDF)方式，該技術(shù)工藝簡單、成本低，但該方 法制備的塊體納米材料結(jié)構(gòu)不均勻，且細(xì)化效果較差。西北工業(yè)大學(xué)在公開號(hào)為1446935 的發(fā)明專利申請(qǐng)中提到的利用強(qiáng)烈塑性變形區(qū)轉(zhuǎn)移法制備大面積或棒狀超細(xì)晶材料的方 法尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。西北工業(yè)大學(xué)在公開號(hào)為CN201371172的發(fā)明專利申請(qǐng)中提出的 由圓截面變?yōu)闄E圓截面，再由橢圓截面變?yōu)閳A截面的型腔變通道擠壓模具，用于鋼鐵和有 色金屬的棒材及線材生產(chǎn)，以及大型軸類零件、高速鋼和粉末冶金等難變形材料的鍛造制 坯，但該方法設(shè)備及壓力的限制，很難實(shí)現(xiàn)當(dāng)今的工業(yè)化和自動(dòng)化生產(chǎn)。由此可見目前的大塑性成形技術(shù)尚不成熟，不適合批量反復(fù)工藝過程，所用設(shè)備 昂貴且對(duì)設(shè)備要求也極高，加工成本大，工藝過程復(fù)雜，難以滿足微塑性成形批量生產(chǎn)的需 要。如何方便地制備超細(xì)晶材料，以滿足實(shí)際科研和生產(chǎn)的需要是材料研究所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不適于批量反復(fù)工藝過程，所用設(shè)備昂貴，加工成本大， 工藝過程復(fù)雜，難以滿足微塑性成形批量生產(chǎn)的需要的不足，本發(fā)明提出了一種制備變通 道超細(xì)晶銅鋁線材的裝置及制備方法。本發(fā)明提出的制備變通道超細(xì)晶銅鋁線材的裝置包括模具、導(dǎo)向輪、換向輪、加熱 冷卻組件和拉拔組件。模具由模芯和模套組成，模套的內(nèi)徑等同于模芯的外徑。模芯是分 為兩瓣的中空?qǐng)A柱體，其內(nèi)腔為一由圓截面變?yōu)闄E圓截面、再由橢圓截面變?yōu)閳A截面的圓 滑過渡變截面形狀的型腔；模芯固定在模套內(nèi)。模芯的型腔分為第一引導(dǎo)段、變形段和第二引導(dǎo)段；模芯型腔的第一引導(dǎo)段為圓 形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為1. 1倍銅鋁線材直徑，與變形段相鄰處的內(nèi)圓 直徑等同于銅鋁線材直徑；第一引導(dǎo)段的長度為0. 5倍銅鋁線材直徑；變形段的型腔為變 截面，包括圓-橢圓過渡通道、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道和橢圓-圓過渡通道，其中，圓-橢圓過渡通道與第一引導(dǎo)段相接；圓-橢圓過渡通道型腔的截面由第一引導(dǎo) 段的圓形逐漸光滑過渡為橢圓形，并且圓-橢圓過渡通道型腔的橢圓形截面的面積等同于 圓形截面的面積；圓-橢圓過渡通道橢圓形截面的長短軸之比為1.4 1 1.8 1，長度 為0. 5 0. 8倍銅鋁線材直徑。橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道一端與圓-橢圓過渡通道相接，另一端與橢圓-圓過渡通道相 接。橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道型腔的截面為橢圓形，并且該橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道的橢圓形型腔繞模 芯中心軸線光滑扭轉(zhuǎn)，使橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道兩端的橢圓形截面旋轉(zhuǎn)60 90°。橢圓轉(zhuǎn)角過 渡通道的長度為0. 8 1倍銅鋁線材直徑。橢圓-圓過渡通道與第二引導(dǎo)段相接；橢圓-圓過渡通道型腔的截面由橢圓轉(zhuǎn)角 過渡通道的截面橢圓形逐漸光滑過渡為第二引導(dǎo)段的圓形，并且圓形截面的面積等同于橢 圓-圓過渡通道型腔的橢圓形截面的面積；長度為0. 5 0. 8倍銅鋁線材直徑。模芯型腔的第二引導(dǎo)段為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為1. 1倍銅 鋁線材直徑，與變形段相鄰處的內(nèi)圓直徑等同于銅鋁線材直徑；第二引導(dǎo)段的長度為0. 5 倍銅鋁線材直徑。本發(fā)明的加熱冷卻組件包括3片熱電偶、加熱電阻絲、冷卻水套、陶瓷套、溫控儀。 模具位于陶瓷套內(nèi)。陶瓷套位于冷卻水套內(nèi)。溫控儀的兩端通過導(dǎo)線分別與模具的模套的 兩端連接。3片熱電偶分別鑲嵌在模套殼體兩端及中間的內(nèi)表面。加熱電阻絲緊密纏繞在 模套上。拉拔組件包括電動(dòng)機(jī)、貯絲筒和兩個(gè)漲緊輪；貯絲筒安裝在電動(dòng)機(jī)主軸上，兩個(gè)漲 緊輪分別位于貯絲筒兩側(cè)；銅鋁線材通過貯絲筒經(jīng)該貯絲筒一側(cè)的漲緊輪、換向輪和導(dǎo)向輪，穿過模芯，再經(jīng) 貯絲筒另一側(cè)的導(dǎo)向輪、換向輪和漲緊輪，回到貯絲筒，形成一封閉的金屬絲環(huán)。本發(fā)明提出的變通道超細(xì)晶線材的制備裝置制備超細(xì)晶銅鋁線材的方法包括以 下步驟第一步，對(duì)模芯和銅鋁線材預(yù)熱；將銅鋁線材卡入模芯中，經(jīng)導(dǎo)向輪、換向輪漲緊輪和貯絲筒形成封閉金屬絲環(huán)；冷卻水套通入冷卻水；對(duì)模芯和銅鋁線材預(yù)熱，預(yù)熱溫度 為90 100°C ；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0. 5 lmm/s ；第二步，銅鋁線材進(jìn)行往復(fù)拉拔3 6道次；對(duì)銅鋁線材的拉拔溫度控制在200 400°C，銅鋁線材的拉拔速度控制在1 2mm/s。進(jìn)行第一道次拉拔時(shí)，銅鋁線材從貯絲筒引 出，電動(dòng)機(jī)牽拉銅鋁線材通過漲緊輪、換向輪和導(dǎo)向輪進(jìn)入模芯，穿過第一引導(dǎo)段進(jìn)入變形 段，依次經(jīng)過圓-橢圓過渡通道、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道和橢圓-圓過渡通道后，從第二引導(dǎo)段 出來，經(jīng)電動(dòng)機(jī)牽拉經(jīng)導(dǎo)向輪、換向輪和漲緊輪再到達(dá)貯絲筒，完成貯絲筒的線材第一道次 的拉拔。進(jìn)行第二道次的拉拔時(shí)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；銅鋁線材從貯絲筒引出，電動(dòng)機(jī)牽 拉銅鋁線材通過漲緊輪、換向輪和導(dǎo)向輪進(jìn)入模芯，穿過第二引導(dǎo)段進(jìn)入變形段，依次經(jīng)過 橢圓-圓過渡通道、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道和圓-橢圓過渡通道后，從第一引導(dǎo)段出來，經(jīng)電動(dòng) 機(jī)牽拉經(jīng)導(dǎo)向輪、換向輪和漲緊輪再到達(dá)貯絲筒，完成貯絲筒的線材第二道次的拉拔。重復(fù) 第一道次和第二道次的拉拔過程，對(duì)銅鋁線材往復(fù)拉拔3 6道次，完成對(duì)銅鋁線材的超細(xì) 晶制備。由于本發(fā)明采取的技術(shù)方案，使變通道拉拔變形由相當(dāng)于在橫截面上扭轉(zhuǎn)剪切變 形以及鐓拔變形組成，實(shí)現(xiàn)了一次拉拔過程多種變形模式的組合，晶粒的細(xì)化主要由變形 過程中晶粒的剪切破碎和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所貢獻(xiàn)，而多次往復(fù)的拉拔過程所累積的等效塑性應(yīng) 變?yōu)榫Я５钠扑樘峁┝藯l件。材料在壁腔的限制而處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，晶粒發(fā)生了破碎和少量的動(dòng)態(tài) 再結(jié)晶。在由圓-橢圓及橢圓轉(zhuǎn)角通道變化的變形階段，即材料進(jìn)入金屬過渡區(qū)的扭轉(zhuǎn)剪 切變形帶，在剪切應(yīng)力的作用下，晶粒發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)和剪切應(yīng)變，引起材料組織結(jié)構(gòu)的取向， 即晶粒尺寸的變化和新的織構(gòu)的形成，形成改善同等變形程度下的變形織構(gòu)。變形材料進(jìn) 一步發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到了細(xì)化。在拉拔變形過程中變形溫度是影響金屬動(dòng)態(tài)再結(jié) 晶的主要因素之一。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是伴隨著熱變形所發(fā)生的再結(jié)晶，是一個(gè)新晶粒形核與核 長大的過程，因此溫度的升高可促進(jìn)金屬動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶又是一個(gè)速度控 制的過程，變形速度不僅影響新晶粒的形核，而且對(duì)新晶粒的尺寸有很大的影響。變通道拉拔變形是一種結(jié)合了扭轉(zhuǎn)剪切變形、拉壓和拉拔變形的新型變形方法， 具有變形效果好，速度快，效率高等優(yōu)點(diǎn)，極大地改善了材料內(nèi)部的應(yīng)變分布、應(yīng)力分布和 變形織構(gòu)，同時(shí)達(dá)到了細(xì)化晶粒，消除了原始線材變形織構(gòu)的目的。變通道拉拔成形方法能 夠細(xì)化金屬晶粒，提高成形件的力學(xué)性能，改善變形織構(gòu)，不僅能夠應(yīng)用于微塑性成形超細(xì) 晶材料的制備，還能夠應(yīng)用于線材拉拔成形的教學(xué)、科研和生產(chǎn)領(lǐng)域。綜上所述，本發(fā)明所涉及的一種銅鋁細(xì)晶材料制備方法及裝置，該方法是一種結(jié) 合了剪切變形和拉拔變形的變形方法，具有變形效果好，速度快，效率高等優(yōu)點(diǎn)，極大地改 善了材料內(nèi)部的應(yīng)變分布、應(yīng)力分布和形變織構(gòu)，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。對(duì)本發(fā)明變形方法 和裝置適當(dāng)修改，能夠嫁接到其他超細(xì)晶制備以及微塑性成形方法中。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理可 靠，工藝簡單，一致性好，而且適于批量生產(chǎn)，并且具有成形方法簡單，投資小，操作簡便等 優(yōu)點(diǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。


附圖1是變通道拉拔裝置示意附圖2是模芯的剖視圖；附圖3是模芯的截面形狀示意圖，其中，a-a視圖為第一引導(dǎo)段與圓-橢圓過渡通 道銜接處的剖面示意圖；b_b視圖為圓-橢圓過渡通道與橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道銜接處的剖面 示意圖；c-c視圖為橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道與橢圓-圓過渡通道銜接處的剖面示意圖；d-d視圖 為橢圓-圓過渡通道與第二引導(dǎo)段銜接處的剖面示意圖。附圖中1.導(dǎo)向輪2.銅鋁線材3.鍵槽4.模套5.陶瓷套6.熱電偶7.冷卻水套 8.模芯9.加熱電阻絲10.換向輪11.溫度控制儀12.電動(dòng)機(jī)13.漲緊輪14.貯絲筒 15.圓-橢圓過渡通道16.橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道17.橢圓-圓過渡通道A.第一引導(dǎo)段C.變 形段B.第二引導(dǎo)段
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本實(shí)施例是一種用于成形銅絲規(guī)格為直徑φ為4mm，晶粒尺寸達(dá)到50 IOOnm的變通道裝置及拉拔方法。本實(shí)施例提出的變通道裝置包括模具、導(dǎo)向輪1、換向輪10、加熱冷卻組件和拉拔 組件。模具由模芯8和模套4組成；模套4的內(nèi)徑等同于模芯8的外徑，均為7mm ；模芯 8是分為兩瓣的中空?qǐng)A柱體，其內(nèi)腔為一由圓截面變?yōu)闄E圓截面、再由橢圓截面變?yōu)閳A截面 的圓滑過渡變截面形狀的型腔；模芯8固定在模套4內(nèi)。模芯8的型腔分為第一引導(dǎo)段A、變形段C和第二引導(dǎo)段B。模芯8型腔的第一引導(dǎo)段A為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑φ為 4. 4mm,是1. 1倍銅線材2直徑，與變形段C相鄰處的內(nèi)圓直徑φ為4mm，等同于銅線材2直 徑；第一引導(dǎo)段A的長度2mm，是0. 5倍銅線材2直徑。模芯8型腔的變形段C的型腔為變截面，包括圓-橢圓過渡通道15、橢圓轉(zhuǎn)角過渡 通道16和橢圓-圓過渡通道17，其中圓-橢圓過渡通道15與第一引導(dǎo)段A相接；圓-橢圓過渡通道15型腔的截面由 第一引導(dǎo)段A的圓形逐漸光滑過渡為橢圓形，并且圓-橢圓過渡通道15型腔的橢圓形截面 的面積等同于圓形截面的面積；圓-橢圓過渡通道15橢圓形截面的長軸短軸分別為5mm和3.2mm，長短軸之比是1.56 1 ；圓-橢圓過渡通道15長度為2mm，是0. 5倍銅線材2直徑。橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16 —端與圓-橢圓過渡通道15相接，另一端與橢圓-圓過渡 通道17相接；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16型腔的截面為橢圓形，并且該橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的 橢圓形型腔繞模芯8中心軸線光滑扭轉(zhuǎn)，使橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16兩端的橢圓形截面旋轉(zhuǎn) 60° ；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16長度為3. 2mm,是0. 8倍銅線材2直徑。橢圓-圓過渡通道17與第二引導(dǎo)段B相接；橢圓-圓過渡通道17型腔的截面由 橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的截面橢圓形逐漸光滑過渡為第二引導(dǎo)段A的圓形，并且圓形截面的 面積等同于橢圓-圓過渡通道17型腔的橢圓形截面的面積；橢圓-圓過渡通道17長度為 2mm，是0.5倍銅線材2直徑。模芯8型腔的第二引導(dǎo)段B為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為φ為4.4mm,是1. 1倍銅線材2直徑，與變形段C相鄰處的內(nèi)圓直徑φ為4mm，等同于銅線材2直徑；第二引導(dǎo)段B的長度為2mm，是0. 5倍銅線材2直徑。加熱冷卻組件包括3片熱電偶6、加熱電阻絲9、冷卻水套7、陶瓷套5和溫控儀11 ； 溫控儀11采用XMT7100智能PID溫度控制儀，加熱電阻絲9緊密纏繞在模套4上；模套4 位于陶瓷套5內(nèi)；陶瓷套5位于冷卻水套7內(nèi)；冷卻水套7兩端有進(jìn)水口和出水口 ；溫控儀 11的兩端通過導(dǎo)線分別與模具的模套4的兩端連接；3片熱電偶6分別鑲嵌在模套4殼體 兩端及中間的內(nèi)表面。拉拔組件包括電動(dòng)機(jī)12、貯絲筒14和兩個(gè)漲緊輪13 ；電動(dòng)機(jī)12采用型號(hào)55SZ09 直流伺服電動(dòng)機(jī)，貯絲筒14安裝在電動(dòng)機(jī)12主軸上，兩個(gè)漲緊輪13分別位于貯絲筒14兩 側(cè)；銅線材2通過貯絲筒14經(jīng)該貯絲筒一側(cè)的漲緊輪13、換向輪10和導(dǎo)向輪1，穿過模芯 8，再經(jīng)貯絲筒另一側(cè)的導(dǎo)向輪1、換向輪10和漲緊輪13，回到貯絲筒14，形成一封閉的銅絲 環(huán)。本實(shí)施例提出的對(duì)銅線材變通道拉拔方法包括以下步驟第一步，對(duì)模芯8和銅線材預(yù)熱；將銅線材卡入模芯8中，經(jīng)導(dǎo)向輪1、換向輪10漲 緊輪13和貯絲筒14形成封閉銅絲環(huán)；冷卻水套7通入冷卻水；對(duì)模芯8和銅線材預(yù)熱，預(yù) 熱溫度為90°C ；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)12，電動(dòng)機(jī)12轉(zhuǎn)速為0. 5mm/s ；第二步，對(duì)銅線材進(jìn)行拉拔；本實(shí)施例共拉拔四道次，具體過程是對(duì)銅線材進(jìn)行第一道次的拉拔；在本道次拉拔過程中，溫度控制在200°C，銅線材 的拉拔速度控制在lmm/s，銅線材從貯絲筒14引出，電動(dòng)機(jī)12通過漲緊輪13、換向輪10和 導(dǎo)向輪1牽拉銅線材進(jìn)入模芯8，穿過第一引導(dǎo)段A進(jìn)入變形段C，依次經(jīng)過圓-橢圓過渡 通道15、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16和橢圓-圓過渡通道17后，從第二引導(dǎo)B段出來，經(jīng)電動(dòng)機(jī) 12牽拉經(jīng)導(dǎo)向輪1、換向輪10和漲緊輪13再到達(dá)貯絲筒14，完成貯絲筒14的線材第一道 次的拉拔；對(duì)銅線材進(jìn)行第二道次的拉拔；在本道次拉拔過程中，溫度控制在200°C，銅線材 的拉拔速度控制在lmm/s，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)12反向轉(zhuǎn)動(dòng)；使銅線材2在電動(dòng)機(jī)12的牽引下依次 經(jīng)過第二引導(dǎo)段B、變形段C和第二引導(dǎo)段A，完成銅線材在模芯8中的第二道次的拉拔變 形；重復(fù)第一道次的拉拔過程，完成對(duì)銅線材的第三道次拉拔，在本道次拉拔過程中， 溫度控制在200°C，銅線材的拉拔速度控制在lmm/s ；重復(fù)第二道次的拉拔過程，完成對(duì)銅線材的第四道次拉拔，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)銅線材2 的超細(xì)晶制備，成形為規(guī)格為直徑φ為4mm、晶粒度達(dá)到60nm的預(yù)制銅線材，滿足預(yù)制線材 晶粒度50 IOOnm規(guī)格需要。實(shí)施例二本實(shí)施例是一種用于成形鋁線材規(guī)格為直徑φ為6mm，晶粒尺寸達(dá)到80 150nm的變通道拉拔裝置及方法。本實(shí)施例提出的拉拔裝置包括模具、導(dǎo)向輪1、換向輪10、加熱冷卻組件和拉拔組 件。模具由模芯8和模套4組成；模套4的內(nèi)徑等同于模芯8的外徑，都為IOmm ；模芯 8是分為兩瓣的中空?qǐng)A柱體，其內(nèi)腔為一由圓截面變?yōu)闄E圓截面、再由橢圓截面變?yōu)閳A截面 的圓滑過渡變截面形狀的型腔；模芯8固定在模套4內(nèi)。
模芯8的型腔分為第一引導(dǎo)段A、變形段C和第二引導(dǎo)段B。模芯8型腔的第一引導(dǎo)段A為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為φ為 6. 6mm,是1. 1倍鋁線材2直徑，與變形段C相鄰處的內(nèi)圓直徑φ為6mm，等同于鋁線材2直 徑；第一引導(dǎo)段A的長度3mm，是0. 5倍鋁線材2直徑。模芯8型腔的變形段C的型腔為變截面，包括圓-橢圓過渡通道15、橢圓轉(zhuǎn)角過渡 通道16和橢圓-圓過渡通道17，其中圓-橢圓過渡通道15與第一引導(dǎo)段A相接；圓-橢圓過渡通道15型腔的截面由 第一引導(dǎo)段A的圓形逐漸光滑過渡為橢圓形，并且圓-橢圓過渡通道15型腔的橢圓形截面 的面積等同于圓形截面的面積；圓-橢圓過渡通道15橢圓形截面的長軸短軸分別為7mm和5.1mm，長短軸之比是1.4 1 ；長度為3. 6mm，是0. 6倍鋁線材2直徑。橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16 —端與圓-橢圓過渡通道15相接，另一端與橢圓-圓過渡 通道17相接；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16型腔的截面為橢圓形，并且該橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的 橢圓形型腔繞模芯8中心軸線光滑扭轉(zhuǎn)，使橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16兩端的橢圓形截面旋轉(zhuǎn) 80° ；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的長度為6mm，是1倍鋁線材2直徑。橢圓-圓過渡通道17與第二引導(dǎo)段B相接；橢圓-圓過渡通道17型腔的截面由 橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的截面橢圓形逐漸光滑過渡為第二引導(dǎo)段A的圓形，并且圓形截面的 面積等同于橢圓-圓過渡通道17型腔的橢圓形截面的面積；長度為3. 6mm,是0. 6倍鋁線 材2直徑。模芯8型腔的第二引導(dǎo)段B為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為φ為6.6mm,是1. 1倍鋁線材2直徑，與變形段C相鄰處的內(nèi)圓直徑φ為6mm，等同于鋁線材2直 徑；第二引導(dǎo)段B的長度為3mm，是0. 5倍鋁線材2直徑。加熱冷卻組件包括3片熱電偶6、加熱電阻絲9、冷卻水套7、陶瓷套5和溫控儀11 ； 溫控儀11采用XMT7100智能PID溫度控制儀，加熱電阻絲9緊密纏繞在模套4上；模套4 位于陶瓷套5內(nèi)；陶瓷套5位于冷卻水套7內(nèi)；冷卻水套7兩端有進(jìn)水口和出水口 ；溫控儀 11的兩端通過導(dǎo)線分別與模具的模套4的兩端連接；3片熱電偶6分別鑲嵌在模套4殼體 兩端及中間的內(nèi)表面；拉拔組件包括電動(dòng)機(jī)12、貯絲筒14和兩個(gè)漲緊輪13 ；電動(dòng)機(jī)12采用型號(hào)55SZ09 直流伺服電動(dòng)機(jī)，貯絲筒14安裝在電動(dòng)機(jī)12主軸上，兩個(gè)漲緊輪13分別位于貯絲筒14兩 側(cè)；鋁線材2通過貯絲筒14經(jīng)該貯絲筒14 一側(cè)的漲緊輪13、換向輪10和導(dǎo)向輪1，穿過模 芯8，再經(jīng)貯絲筒14另一側(cè)的導(dǎo)向輪1、換向輪10和漲緊輪13，回到貯絲筒14，形成一封閉 的鋁絲環(huán)。本實(shí)施例提出的對(duì)鋁線材變通道拉拔方法包括以下步驟第一步，對(duì)模芯8和鋁線材預(yù)熱；將鋁線材卡入模芯8中，經(jīng)導(dǎo)向輪1、換向輪10漲 緊輪13和貯絲筒14形成封閉鋁絲環(huán)；冷卻水套7通入冷卻水；對(duì)模芯8和鋁線材預(yù)熱，預(yù) 熱溫度為100°C ；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)12，電動(dòng)機(jī)12轉(zhuǎn)速為0. 8mm/s ；第二步，對(duì)鋁線材進(jìn)行拉拔；本實(shí)施例共拉拔三道次，具體過程是在本道次拉拔過程中，溫度控制在400°C，鋁線材的拉拔速度控制在lmm/s，鋁線 材從貯絲筒14引出，電動(dòng)機(jī)12通過漲緊輪13、換向輪10和導(dǎo)向輪1牽拉鋁線材進(jìn)入模芯 8，穿過第一引導(dǎo)段A進(jìn)入變形段C，依次經(jīng)過圓-橢圓過渡通道15、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道169和橢圓-圓過渡通道17后，從第二引導(dǎo)B段出來，經(jīng)電動(dòng)機(jī)12牽拉經(jīng)導(dǎo)向輪1、換向輪10 和漲緊輪13再到達(dá)貯絲筒14，完成貯絲筒14的線材第一道次的拉拔；對(duì)鋁線材進(jìn)行第二道次的拉拔；在本道次拉拔過程中，溫度控制在400°C，鋁線材 的拉拔速度控制在lmm/s，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)12反向轉(zhuǎn)動(dòng)；使鋁線材2在電動(dòng)機(jī)12的牽引下依次 經(jīng)過第二引導(dǎo)段B、變形段C和第二引導(dǎo)段A，完成鋁線材在模芯8中的第二道次的拉拔變 形；重復(fù)第一道次的拉拔過程，完成對(duì)鋁線材的第三道次拉拔，在本道次拉拔過程中， 溫度控制在400°C，鋁線材的拉拔速度控制在lmm/s ；最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁線材2的超細(xì)晶制備，成 形成形為規(guī)格為直徑φ為6mm、晶粒度達(dá)到90nm的預(yù)制鋁線材，滿足預(yù)制線材晶粒度80 IOOnm規(guī)格需要。實(shí)施例三本實(shí)施例是一種用于成形鋁線材規(guī)格為直徑φ為8mm，晶粒尺寸達(dá)到30 SOnm的變通道拉拔裝置及方法。本實(shí)施例提出的拉拔裝置包括模具、導(dǎo)向輪1、換向輪10、加熱冷卻組件和拉拔組 件。模具由模芯8和模套4組成；模套4的內(nèi)徑等同于模芯8的外徑，都為15mm ；模芯 8是分為兩瓣的中空?qǐng)A柱體，其內(nèi)腔為一由圓截面變?yōu)闄E圓截面、再由橢圓截面變?yōu)閳A截面 的圓滑過渡變截面形狀的型腔；模芯8固定在模套4內(nèi)。模芯8的型腔分為第一引導(dǎo)段A、變形段C和第二引導(dǎo)段B。模芯8型腔的第一引導(dǎo)段A為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為φ為 8. 8mm,是1. 1倍鋁線材2直徑，與變形段C相鄰處的內(nèi)圓直徑φ為8mm，等同于鋁線材2直 徑；第一引導(dǎo)段A的長度4mm，是0. 5倍鋁線材2直徑。模芯8型腔的變形段C的型腔為變截面，包括圓-橢圓過渡通道15、橢圓轉(zhuǎn)角過渡 通道16和橢圓-圓過渡通道17，其中圓-橢圓過渡通道15與第一引導(dǎo)段A相接；圓-橢圓過渡通道15型腔的截面由第 一引導(dǎo)段A的圓形逐漸光滑過渡為橢圓形，并且圓-橢圓過渡通道15型腔的橢圓形截面的 面積等同于圓形截面的面積；圓-橢圓過渡通道15橢圓形截面的長軸短軸分別為10. 8mm 和6mm，長短軸之比是1.8:1 ；長度為6. 4mm,是0. 8倍鋁線材2直徑。橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16 —端與圓-橢圓過渡通道15相接，另一端與橢圓-圓過渡 通道17相接；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16型腔的截面為橢圓形，并且該橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的 橢圓形型腔繞模芯8中心軸線光滑扭轉(zhuǎn)，使橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16兩端的橢圓形截面旋轉(zhuǎn) 90° ；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的長度為8mm，是1倍鋁線材2直徑。橢圓-圓過渡通道17與第二引導(dǎo)段B相接；橢圓-圓過渡通道17型腔的截面由 橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16的截面橢圓形逐漸光滑過渡為第二引導(dǎo)段A的圓形，并且圓形截面的 面積等同于橢圓-圓過渡通道17型腔的橢圓形截面的面積；長度為6. 4mm,是0. 8倍鋁線 材2直徑。模芯8型腔的第二引導(dǎo)段B為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為φ為 8. 8mm,是1. 1倍鋁線材2直徑，與變形段C相鄰處的內(nèi)圓直徑φ為8mm，，等同于鋁線材2直 徑；第二引導(dǎo)段B的長度為4mm，是0. 5倍鋁線材2直徑。
加熱冷卻組件包括3片熱電偶6、加熱電阻絲9、冷卻水套7、陶瓷套5和溫控儀11 ； 溫控儀11采用XMT7100智能PID溫度控制儀，加熱電阻絲9緊密纏繞在模套4上；模套4 位于陶瓷套5內(nèi)；陶瓷套5位于冷卻水套7內(nèi)；冷卻水套7兩端有進(jìn)水口和出水口 ；溫控儀 11的兩端通過導(dǎo)線分別與模具的模套4的兩端連接；3片熱電偶6分別鑲嵌在模套4殼體 兩端及中間的內(nèi)表面；拉拔組件包括電動(dòng)機(jī)12、貯絲筒14和兩個(gè)漲緊輪13 ；電動(dòng)機(jī)12采用型號(hào)55SZ09 直流伺服電動(dòng)機(jī)，貯絲筒14安裝在電動(dòng)機(jī)12主軸上，兩個(gè)漲緊輪13分別位于貯絲筒14兩 側(cè)；鋁線材2通過貯絲筒14經(jīng)該貯絲筒一側(cè)的漲緊輪13、換向輪10和導(dǎo)向輪1，穿過模芯 8，再經(jīng)貯絲筒另一側(cè)的導(dǎo)向輪1、換向輪10和漲緊輪13，回到貯絲筒14，形成一封閉的鋁絲 環(huán)。本實(shí)施例提出的對(duì)鋁線材變通道拉拔方法包括以下步驟第一步，對(duì)模芯8和鋁線材預(yù)熱；將鋁線材卡入模芯8中，經(jīng)導(dǎo)向輪1、換向輪10漲 緊輪13和貯絲筒14形成封閉鋁絲環(huán)；冷卻水套7通入冷卻水；對(duì)模芯8和鋁線材預(yù)熱，預(yù) 熱溫度為100°C ；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)12，電動(dòng)機(jī)12轉(zhuǎn)速為lmm/s ；第二步，對(duì)鋁線材進(jìn)行拉拔；本實(shí)施例共拉拔六道次，具體過程是對(duì)鋁線材進(jìn)行第一道次的拉拔；在本道次拉拔過程中，溫度控制在250°C，鋁線材 的拉拔速度控制在2mm/s，鋁線材從貯絲筒14引出，電動(dòng)機(jī)12通過漲緊輪13、換向輪10和 導(dǎo)向輪1牽拉鋁線材進(jìn)入模芯8，穿過第一引導(dǎo)段A進(jìn)入變形段C，依次經(jīng)過圓-橢圓過渡 通道15、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道16和橢圓-圓過渡通道17后，從第二引導(dǎo)B段出來，經(jīng)電動(dòng)機(jī) 12牽拉經(jīng)導(dǎo)向輪1、換向輪10和漲緊輪13再到達(dá)貯絲筒14，完成貯絲筒14的線材第一道 次的拉拔；對(duì)鋁線材進(jìn)行第二道次的拉拔；在本道次拉拔過程中，溫度控制在250°C，鋁線材 的拉拔速度控制在2mm/s，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)12反向轉(zhuǎn)動(dòng)；使鋁線材2在電動(dòng)機(jī)12的牽引下依次 經(jīng)過第二引導(dǎo)段B、變形段C和第二引導(dǎo)段A，完成鋁線材在模芯8中的第二道次的拉拔變 形；重復(fù)第一道次的拉拔過程，完成對(duì)鋁線材進(jìn)行第三道次的拉拔；在本道次拉拔過 程中，溫度控制在250°C，鋁線材的拉拔速度控制在2mm/s ；重復(fù)第二道次的拉拔過程，完成對(duì)鋁線材進(jìn)行第四道次的拉拔；在本道次拉拔過 程中，溫度控制在250°C，鋁線材的拉拔速度控制在2mm/s ；重復(fù)第一道次的拉拔過程，完成對(duì)鋁線材進(jìn)行第五道次的拉拔；在本道次拉拔過 程中，溫度控制在250°C，鋁線材的拉拔速度控制在2mm/s ；重復(fù)第二道次的拉拔過程，完成對(duì)鋁線材進(jìn)行第六道次的拉拔；在本道次拉拔過 程中，溫度控制在250°C，鋁線材的拉拔速度控制在2mm/s ；最終完成對(duì)鋁線材2的超細(xì)晶制 備，成形為規(guī)格為直徑<P為8mm、晶粒度達(dá)到40nm的預(yù)制鋁線材，滿足預(yù)制線材晶粒度30 80nm規(guī)格需要。
權(quán)利要求
1. 一種變通道超細(xì)晶銅鋁線材的制備裝置，包括模具、導(dǎo)向輪(1)、換向輪(10)、加熱 冷卻組件和拉拔組件；其特征在于，I.模具由模芯⑶和模套⑷組成；模套⑷的內(nèi)徑等同于模芯⑶的外徑；模芯⑶ 是分為兩瓣的中空?qǐng)A柱體，其內(nèi)腔為一由圓截面變?yōu)闄E圓截面、再由橢圓截面變?yōu)閳A截面 的圓滑過渡變截面形狀的型腔；模芯(8)固定在模套內(nèi)；II.模芯(8)的型腔分為第一引導(dǎo)段(A)、變形段(C)和第二引導(dǎo)段(B)；模芯(8)型 腔的第一引導(dǎo)段(A)為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為1.1倍銅鋁線材(2)直徑，與變形段(C)相鄰處的內(nèi)圓直徑為等同于銅鋁線材直徑；第 一引導(dǎo)段A的長度為0. 5倍銅鋁線材( 直徑；變形段(C)的型腔為變截面，包括圓-橢圓 過渡通道(15)、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道(16)和橢圓-圓過渡通道(17)，其中，a.圓-橢圓過渡通道(15)與第一引導(dǎo)段(A)相接；圓-橢圓過渡通道(15)型腔的截 面由第一引導(dǎo)段(A)的圓形逐漸光滑過渡為橢圓形，并且圓-橢圓過渡通道(1 型腔的橢 圓形截面的面積等同于圓形截面的面積；圓-橢圓過渡通道(1 橢圓形截面的長短軸之比 為1.4 1 1.8 1，長度為0.5 0.8倍銅鋁線材( 直徑；b.橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道(16)—端與圓-橢圓過渡通道(15)相接，另一端與橢圓-圓過 渡通道(17)相接；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道(16)型腔的截面為橢圓形，并且該橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道 (16)的橢圓形型腔繞模芯(8)中心軸線光滑扭轉(zhuǎn)，使橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道(16)兩端的橢圓形 截面旋轉(zhuǎn)60 90° ；橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道(16)的長度為0. 8 1倍銅鋁線材( 直徑；c.橢圓-圓過渡通道(17)與第二引導(dǎo)段(B)相接；橢圓-圓過渡通道(17)型腔的截 面由橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道(16)的截面橢圓形逐漸光滑過渡為第二引導(dǎo)段A的圓形，并且圓形 截面的面積等同于橢圓-圓過渡通道(17)型腔的橢圓形截面的面積；長度為0. 5 0. 8倍 銅鋁線材( 直徑；d.模芯(8)型腔的第二引導(dǎo)段B為圓形變直徑的通道，該段端面處內(nèi)圓的直徑為1.1 倍銅鋁線材(2)直徑，與變形段(C)相鄰處的內(nèi)圓直徑等同于銅鋁線材(2)直徑；第二引導(dǎo) 段(B)的長度為0. 5倍銅鋁線材( 直徑；III.加熱冷卻組件包括3片熱電偶(6)、加熱電阻絲(9)、冷卻水套(7)、陶瓷套(5)、溫 控儀(11)；模具位于陶瓷套(5)內(nèi)；陶瓷套(5)位于冷卻水套(7)內(nèi)；溫控儀(11)的兩端 通過導(dǎo)線分別與模具的模套的兩端連接；3片熱電偶(6)分別鑲嵌在模套(4)殼體兩 端及中間的內(nèi)表面；IV.拉拔組件包括電動(dòng)機(jī)(12)、貯絲筒(14)和兩個(gè)漲緊輪(1 ；貯絲筒(14)安裝在 電動(dòng)機(jī)(1 主軸上，兩個(gè)漲緊輪(1 分別位于貯絲筒(14)兩側(cè)；V.銅鋁線材( 通過貯絲筒(14)經(jīng)該貯絲筒(14)一側(cè)的漲緊輪(13)、換向輪(10) 和導(dǎo)向輪(1)，穿過模芯(8)，再經(jīng)貯絲筒(14)另一側(cè)的導(dǎo)向輪(1)、換向輪(10)和漲緊輪 (13)，回到貯絲筒(14)，形成一封閉的金屬絲環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述一種變通道超細(xì)晶銅鋁線材的制備裝置，其特征在于，加熱電阻 絲(9)緊密纏繞在模套(4)上。
3.如權(quán)利要求1所述一種變通道超細(xì)晶線材的制備裝置制備超細(xì)晶銅鋁線材的方法， 包括以下步驟第一步，對(duì)模芯和銅鋁線材預(yù)熱；將銅鋁線材卡入模芯中，經(jīng)導(dǎo)向輪、換向輪漲緊輪和貯絲筒形成封閉金屬絲環(huán)；冷卻水套通入冷卻水；對(duì)模芯和銅鋁線材預(yù)熱，預(yù)熱溫度為 90 100°C ；啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0. 5 lmm/s ；第二步，銅鋁線材進(jìn)行往復(fù)拉拔3 6道次；對(duì)銅鋁線材的拉拔溫度控制在200 400°C，銅鋁線材的拉拔速度控制在1 2mm/s ；進(jìn)行第一道次拉拔時(shí)，銅鋁線材從貯絲筒引 出，電動(dòng)機(jī)牽拉銅鋁線材通過漲緊輪、換向輪和導(dǎo)向輪進(jìn)入模芯，穿過第一引導(dǎo)段進(jìn)入變形 段，依次經(jīng)過圓-橢圓過渡通道、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道和橢圓-圓過渡通道后，從第二引導(dǎo)段 出來，經(jīng)電動(dòng)機(jī)牽拉經(jīng)導(dǎo)向輪、換向輪和漲緊輪再到達(dá)貯絲筒，完成貯絲筒的線材第一道次 的拉拔；進(jìn)行第二道次的拉拔時(shí)，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；銅鋁線材從貯絲筒引出，電動(dòng)機(jī)牽 拉銅鋁線材通過漲緊輪、換向輪和導(dǎo)向輪進(jìn)入模芯，穿過第二引導(dǎo)段進(jìn)入變形段，依次經(jīng)過 橢圓-圓過渡通道、橢圓轉(zhuǎn)角過渡通道和圓-橢圓過渡通道后，從第一引導(dǎo)段出來，經(jīng)電動(dòng) 機(jī)牽拉經(jīng)導(dǎo)向輪、換向輪和漲緊輪再到達(dá)貯絲筒，完成貯絲筒的線材第二道次的拉拔；重復(fù) 第一道次和第二道次的拉拔過程，對(duì)銅鋁線材再往復(fù)拉拔1 4道次，完成對(duì)銅鋁線材的超 細(xì)晶制備。
全文摘要
一種制備變通道超細(xì)晶銅鋁線材的裝置及制備方法，裝置包括模具、導(dǎo)向輪(1)、換向輪(10)、加熱冷卻組件和拉拔組件；模具由模芯(8)和模套(4)組成；加熱冷卻組件包括熱電偶(6)、加熱電阻絲(9)、冷卻水套(7)、陶瓷套(5)、溫控儀(11)；拉拔組件包括電動(dòng)機(jī)(12)、貯絲筒(14)和漲緊輪(13)；制備時(shí)調(diào)節(jié)溫度和拉拔速度及方向，對(duì)銅鋁線材(2)往復(fù)多道次拉拔，完成超細(xì)晶材料的制備。本發(fā)明能夠細(xì)化材料晶粒，提高成形件的力學(xué)性能，改善變形織構(gòu)，不僅能夠應(yīng)用于微塑性成形超細(xì)晶材料的制備，還能夠應(yīng)用于銅鋁線材拉拔成形的科研和生產(chǎn)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B21C1/12GK102039324SQ20101051718
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者李付國, 汪程鵬, 陳波 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)