磁致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細晶的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬塑性加工領(lǐng)域，涉及磁致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細晶的裝置及 其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大塑性變形技術(shù)(SPD)作為一種能夠有效細化晶粒，提高材料力學(xué)性能的深度塑 性變形方法，在制備細晶材料方面具有明顯的優(yōu)勢，目前，受到科學(xué)界青睞的大塑性變形技 術(shù)有等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)(ECAP)、往復(fù)擠壓技術(shù)(CEC)、高壓扭轉(zhuǎn)變形技術(shù)(HPT)等，這些制 備細晶材料的方法得到了廣泛應(yīng)用。上述大塑性變形方法還存在著諸多問題，需要加以克 月艮。ECAP在制備的細晶材料存在著織構(gòu)傾向，試樣在變形過程中，變形區(qū)較小，擠壓道次較 多等問題。CEC、HPT制備細晶材料時，因為模具需要承受的壓力過大，因為制備的材料尺寸 較小。往復(fù)擠壓過程中，由于工件受到約束，因而易開裂。近年新出連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓技 術(shù)(CVCE)，連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓過程中，工件變形量較小，易造成晶粒大小分布不均勻。
[0003] 國內(nèi)外研究表明，當(dāng)具有順磁特征的位錯靠近障礙時會激發(fā)電子并在位錯和障礙 間形成自由基對，使得位錯移動所需要的能量減少，位錯退釘扎的能力增強，因而使得材料 塑性變形的能力提高，而這種現(xiàn)象不是通過磁場力實現(xiàn)的，而是基于量子尺度的磁致塑性 效應(yīng)，此效應(yīng)即磁致塑形效應(yīng)。在磁致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓過程中，添加變化的磁場可以使 得變形過程中金屬均勻流動性提高，金屬塑性提高，成型更好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題或缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種磁致塑性 變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細晶的裝置及其方法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 磁致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細晶的裝置，包括模具和擠壓桿，所述裝置還包括 加磁裝置，所述模具內(nèi)設(shè)置有圓柱體模腔和圓臺體模腔；圓柱體模腔和圓臺體模腔相連通， 二者連接位置形成轉(zhuǎn)角;擠壓工件在擠壓桿的作用下，在圓柱體模腔和圓臺體模腔內(nèi)往復(fù) 運動;加磁裝置用于對擠壓工件施加磁場。
[0007] 具體地，所述加磁裝置包括交流電源和兩個線圈，交流電源的兩端分別通過一個 線圈均與所述擠壓工件連接。
[0008] 具體地，擠壓桿包括第一擠壓桿和第二擠壓桿，第一擠壓桿與所述圓柱體模腔配 合使用，第二擠壓桿與所述圓臺體模腔配合使用，第一擠壓桿和第二擠壓桿的端部分別套 裝所述的線圈。
[0009] 進一步地，所述轉(zhuǎn)角的外角Ψ的大小為0°-18°。
[0010]進一步地，所述轉(zhuǎn)角的內(nèi)角Φ的半徑大小為〇_9mm。
[0011]進一步地，所述圓臺體模腔的錐度α的大小為5°-7°。
[0012] 進一步地，所述內(nèi)角Φ的大小為94°-97°。
[0013] 進一步地，所述加磁裝置產(chǎn)生的此感應(yīng)強度為106bA，其中b為擠壓工件的高度。
[0014] 應(yīng)用所述的磁致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細晶的裝置進行擠壓的方法，具體包括 以下步驟：
[0015]步驟1，開啟加磁裝置，對擠壓工件施加磁場；
[0016] 步驟2,將擠壓工件放置在圓柱體模腔內(nèi)，利用擠壓桿對擠壓工件進行擠壓，擠壓 工件在壓力作用下經(jīng)過轉(zhuǎn)角進行轉(zhuǎn)角變形后，到達圓臺體模腔，在圓臺體模腔內(nèi)形成圓臺 體；
[0017] 步驟3,將裝置逆時針旋轉(zhuǎn)90°，利用擠壓桿對圓臺體模腔內(nèi)的擠壓工件進行擠壓， 擠壓工件經(jīng)過轉(zhuǎn)角進行轉(zhuǎn)角變形，進入圓柱體模腔中，成型為圓柱體；
[0018] 步驟4,將擠壓工件取出，并首尾顛倒，重復(fù)步驟1~3,則擠壓過程結(jié)束。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
[0020] 1、本發(fā)明的裝置將圓柱體模腔和圓臺體模腔相結(jié)合，即將擠壓工件的純剪切變形 和擠壓工件的墩粗變形相結(jié)合，不僅使得擠壓工件的晶粒細化的效率和均勻性得到提高， 并且使得在變形過程中諸如容易開裂、易出現(xiàn)鼓型及表層缺陷等純剪切變形和墩粗變形的 缺陷消失。
[0021] 2、本發(fā)明的裝置在一次擠壓過程中，擠壓工件始終處于模具當(dāng)中，可以減少擠壓 工件的熱能損失，同時可以確保變形過程中沒有其他的贓物被壓入擠壓工件中。
[0022] 3、本發(fā)明的裝置設(shè)置轉(zhuǎn)角，目的在于使得擠壓工件在轉(zhuǎn)角完成后晶粒得到一定程 度的細化，隨之進行變斷面變形，擠壓工件在圓柱體模腔內(nèi)完成第一次變形之后，在轉(zhuǎn)角處 受到連續(xù)的整體性壓力，使得在剪切應(yīng)力下的擠壓工件受到的擠壓變形力更加均勻，使得 晶粒細化程度提高并且更加均勻。
[0023] 4、本發(fā)明的擠壓方法為一種新的細化晶粒方法，克服了現(xiàn)有轉(zhuǎn)角擠壓和循環(huán)變斷 面的技術(shù)問題，變斷面擠壓可以使得在轉(zhuǎn)角擠壓工件內(nèi)外角的死區(qū)減少，轉(zhuǎn)角變形使得循 環(huán)變斷面擠壓過程中工件中部變形不均勻甚至不變形的情況消失;可以使得材料細化速率 提高，并且使得材料細化程度提高，效率提高，大大節(jié)約時間成本和能耗成本。
[0024] 5、本發(fā)明的變斷面轉(zhuǎn)角擠壓裝置和方法可以通過其原理可以實現(xiàn)材料的冷擠壓， 同時也可以滿足熱擠壓的要求，設(shè)備較為簡單，同時操作較為方便。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為變斷面轉(zhuǎn)角擠壓工件變形機理分析示意圖；
[0027]圖3為擠壓工件為圓臺體和圓柱體的示意圖；其中，（a)為圓臺體，（b)為圓柱體； [0028]圖4為擠壓工件變形死角示意圖；
[0029] 圖5為磁致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓7道次之后的工件表面；
[0030] 圖6為變斷面循環(huán)擠壓2道次后工件外形；
[0031 ]圖中標(biāo)號代表：1 一模具，2-擠壓桿，2_1-第一擠壓桿，2_2-第二擠壓桿，3-加 磁裝置，3-1-交流電源，3-2-線圈，4一圓柱體模腔，5-圓臺體模腔，6-轉(zhuǎn)角，7-擠壓工 件，8-第一變形死區(qū)，9第二變形死區(qū)。
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的方案做進一步詳細地解釋和說明。
【具體實施方式】
[0033] 遵從上述技術(shù)方案，參見圖1，本發(fā)明的磁致塑性變斷面轉(zhuǎn)角擠壓制備細晶的裝 置，包括模具1和擠壓桿2，所述裝置還包括加磁裝置(3 )，所述模具（1)內(nèi)設(shè)置有圓柱體模腔 (4)和圓臺體模腔（5);圓柱體模腔（4)和圓臺體模腔（5)相連通，二者連接位置形成轉(zhuǎn)角 (6);擠壓工件(7)在擠壓桿(2)的作用下，在圓柱體模腔(4)和圓臺體模腔(5)內(nèi)往復(fù)運動； 加磁裝置(3)用于對擠壓工件(7)施加磁場。
[0034] 本發(fā)明的裝置的工作原理為:將擠壓工件7放置在圓柱體模腔4內(nèi)，擠壓工件7為圓 柱體，利用加磁裝置3對擠壓工件7施加磁場，利用擠壓桿2對擠壓工件7進行擠壓，擠壓工件 7在壓力作用下經(jīng)過轉(zhuǎn)角6進行轉(zhuǎn)角變形后到達圓臺體模腔5,在圓臺體模腔5內(nèi)形成圓臺 體;將裝置逆時針旋轉(zhuǎn)90°，利用擠壓桿2對圓臺體模腔5內(nèi)的擠壓工件7進行擠壓，擠壓工件 7經(jīng)過轉(zhuǎn)角6進行轉(zhuǎn)角變形，進入圓柱體模腔4中，成型為圓柱體;上述過程完成后，由于轉(zhuǎn)角 6的存在，導(dǎo)致擠壓工件7存在一定的變形死區(qū)，因而需對擠壓工件7進行二次擠壓，即將擠 壓工件7取出，并首尾顛倒，重復(fù)以上步驟，則擠壓過程結(jié)束，上述擠壓過程為一個循環(huán)過 程。
[0035] 本發(fā)明的裝置將圓柱體模腔4和圓臺體模腔5相結(jié)合，即將擠壓工件7的純剪切變 形和擠壓工件7的墩粗變形相結(jié)合，不僅使得擠壓工件7的晶粒細化的效率和均勻性得到提 高，并且使得在變形過程中諸如容易開裂、易出現(xiàn)鼓型及表層缺陷等純剪切變形和墩粗變 形的缺陷消失。
[0036] 本發(fā)明的裝置在一次擠壓過程中，擠壓工件7始終處于模具1當(dāng)中，可以減少擠壓 工件7的熱能損失，同時可以確保變形過程中沒有其他的贓物被壓入擠壓工件7中。
[0037] 本發(fā)明的裝置設(shè)置轉(zhuǎn)角6,目的在于保證擠壓工件7在轉(zhuǎn)角6變形后晶粒得到一定 程度的細化，隨之進行變斷面變形，擠壓工件7在圓柱體模腔4內(nèi)完成第一次變形之后，在轉(zhuǎn) 角6處受到連續(xù)的整體性壓力，使得在剪切應(yīng)力下的擠壓工件7受到的擠壓變形力更加均 勻，使得晶粒細化程度提高并且更加均勻。
[0038] 本發(fā)明設(shè)置加磁裝置，對擠壓工件7施加磁場，產(chǎn)生磁致塑性效應(yīng)，增加金屬的成 型性;磁場作用會產(chǎn)生渦流熱，熱量同樣會使得金屬的塑性得到提高，并且可以使得熱變形 工件所需要加熱的時間減少。加磁裝置3括交流電源3-1和兩個線圈3-2,交流電源3-1的兩 端分別通過一個線圈3-2均與所述擠壓工件7連接。
[0039] 為了簡化加磁裝置3與擠壓工件7的連接，擠壓桿2包括第一擠壓桿2-1和第二擠壓 桿2-2,第一擠壓桿2-1與所述圓柱體模腔4配合使用，第二擠壓桿2-2與所述圓臺體模腔5配 合使用，第一擠壓桿2-1和第二擠壓桿2-2的端部分別套裝所述的線圈3-2。所述第一擠壓桿 2-1用于將擠壓工件7由圓柱體擠壓成圓臺體;所述第二擠壓桿2-2用于墩粗變形過程對擠 壓工件7進行擠壓，將擠壓工件7由圓臺體變?yōu)閳A柱體，同時，第一擠壓桿2-1和第二擠壓桿 2-2起到連接加磁裝置3和擠壓工件7的作用。
[0040] 假設(shè)本發(fā)明的裝置的轉(zhuǎn)角6的內(nèi)角為Φ，內(nèi)角Φ的中心點為〇，外角為ψ，本發(fā)明的 裝置的應(yīng)變量分別兩部分，第一部分為剪切變形后的剪切應(yīng)變量，第二部分為在進行變斷 面擠壓后的真應(yīng)變量。在進行剪切應(yīng)變量的計算時，假設(shè)在擠壓過程中，材料的流動均勻且 連續(xù)，忽略擠壓工件7與模具1之間的摩擦力，那么在擠壓過程中，材料的流動速度一致，即 Vffi=v水T，在同樣時間內(nèi)，水平方向移動材料的位移和豎直方向材料的路徑相等，因而可以 選擇任意一個變形單元，通過幾何分析的方法獲取變形的機理。
[0041 ]參見圖2，選取變形單元abed，經(jīng)過變斷面轉(zhuǎn)角擠壓之后變?yōu)榈冗吿菪蝍 ' b ' c ' d '， 過c'點坐c'f丄ef，且有c'e| |na'，a'b' I |c'd'其中，n為oa'與轉(zhuǎn)角的交點，ef為水平線，d'r 與水平線的夾角為a，d'r為圓臺體模腔4的底壁，由于變形過程中有v!gi：= v水平，貝lj:
[0042] b7 c7 cosa = bc = ad = a/ d7 cosa
[0043] 由于材料在流動過程中各質(zhì)點的材料流動速度一致，則在相同時間內(nèi)，材料流經(jīng) 過的路徑一致