一种金属及金属基复合材料成形装置的制作方法

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种金属及金属基复合材料成形装置。

背景技术：

金属及金属基复合材料是装备制造、航空航天、交通运输等国家战略产业领域的重要材料。目前，金属及金属基复合材料的常规加工方法为：金属熔炼→加入增强体→铸造→塑性成形锻造、挤压、轧制、拉拔等，具有工艺流程长、能耗高、污染重等缺点。同时，随着国民经济和高技术发展，上述领域对金属及金属基复合材料的要求不断提高，因此高性能金属及金属基复合材料的制备成为了当今研究的热点问题。晶粒细化是同时提高金属强度和塑性的优选方法。大塑性变形通过强烈的塑性变形使金属晶粒显著细化，从而获得纳米晶或超细晶金属，同时提高金属的强度和塑性，因此备受研究人员的关注。

现有的大塑性变形方法主要有等通道转角挤压、累积叠轧、高压扭转、多向锻造和管高压剪切等。等通道转角挤压方法使金属通过截面尺寸、形状相同并互成为一定角度的通道，在通道拐角处发生剪切变形，经过多道次的累积变形量达到细化晶粒的目的，但该方法存在生产效率低、模具寿命短、尺寸受限等问题，限制了其应用。

累积叠轧方法将叠在一起的两层或多层金属板材进行轧制，使其界面焊合，经过多道次的叠片、轧制、焊合从而细化金属晶粒，但该方法难以解决界面结合问题，只能制备板材，制品厚度也受到限制。

高压扭转方法对金属轴向施加很高的静水压力，并使其旋转，通过摩檫力对金属横截面施加扭矩，金属发生切向扭转变形，从而实现晶粒细化，但该方法沿径向存在较大的应变梯度，变形不均匀，晶粒细化程度也不均匀。

多向锻造方法通过不断改变外加轴向载荷，金属不断被压缩和拉长，反复变形实现晶粒细化，但该方法工艺稳定性差，制品组织不均匀。

管高压剪切方法将管状金属置于一个固定轴和旋转外筒之间，然后对金属轴向施加压力使其变形后与外筒摩檫力增大，通过摩檫力使金属发生剪切变形，从而实现晶粒细化但该方法只能制备管材，制品尺寸也受到限制。

同时，上述大塑性变形方法均需要按照常规加工工艺准备坯料，间接引入了常规加工方法工艺流程长、能耗高、污染重等缺点。

综上，现有的高性能金属及金属基复合材料的制备方法普遍存在工艺复杂、流程长、成本高、产品尺寸受限等问题，因此开发工艺流程短、成本低、可连续生产、能够制备大尺寸及多种截面制品的高性能金属及金属基复合材料的大变形成形装置与方法具有重要意义。

技术实现要素：

针对背景技术中所存在的问题，本发明提供一种高性能金属及金属基复合材料的连续短流程大塑性变形成形装置与方法，该成形装置与方法可以加工液态、半固态、固态粉末状、固态块状等不同的金属及金属基复合材料的原料。

一种金属及金属基复合材料成形装置，包括剪切辊1、液压缸2、挤压杆3、挤压筒4，其特征在于：所述剪切辊1外侧设置有液压缸2，所述液压缸2前端设置有环形的挤压杆3，还包括设置于所述剪切辊1外侧的位于挤压杆3前端的挤压筒4，挤压筒4端部设置有挤压筒端盖7，所述剪切辊1侧边与挤压筒4之间形成成形腔i13，所述剪切辊1前端与挤压筒端盖7之间形成成形腔ii12，所述挤压筒4外侧设置有加热装置6，挤压筒端盖7上设置有扩展挤压模具9，所述剪切辊1及挤压筒4可旋转。

优选地，挤压筒端盖7内有一个成形腔iii11连通扩展挤压模具9内的扩展腔10。

优选地，所述剪切辊1与液压缸2、挤压杆3分别为间隙配合。

优选地，所述剪切辊1设置为空心结构。

优选地，所述剪切辊1及挤压筒4上均设置有对应的冷却系统5，所述冷却系统5分别设置于剪切辊1内靠近成形腔i13和成形腔ii12处，挤压筒4内靠近成型腔i13和成形腔ii12处。

优选地，所述成形腔ii12也可设置为垂直于成形腔i13的第一腔14连接水平于成形腔i13的第二腔15，第二腔15连接垂直于成形腔i13的第三腔16，所述成型腔ii12为圆环柱状阶梯结构；所述成型腔ii12可重复多个设置第一腔14、第二腔15和第三腔16。

优选地，所述成形腔ii12还可设置为与成形腔i13呈一定角度的第一圆环锥腔17连接与成形腔i13呈水平的水平腔18，水平腔18连接与水平腔18呈一定角度的第二圆环锥腔19，所述成型腔ii12可重复多个设置第一圆环锥腔17、水平腔18、第二圆环锥腔19。

优选地，所述扩展挤压模具9上设置有通孔，扩展挤压模具9设置为柱状或环状。

优选地，所述剪切辊1上设置有剪切辊套，所述挤压筒4上设置有挤压筒套。

通过剪切辊和挤压筒的旋转可造成高温剪切变形和高温扭转变形可得到超细晶和纳米晶。

可根据需求开启和关闭冷却系统及加热装置从而适应不同原材料及工艺，可以加工液态、半固态、固态粉末状、固态块状等铁、铁合金及铁基复合材料，铝、铝合金及铝基复合材料，镁、镁合金及镁基复合材料，铜、铜合金及铜基复合材料，锌、锌合金及锌基复合材料，钛、钛合金及钛基复合材料，铅、铅合金及铅基复合材料，锡、锡合金及锡基复合材料，镍、镍合金及镍基复合材料，金、金合金及金基复合材料，银、银合金及银基复合材料，铂族金属、铂族合金及铂族金属基复合材料，硬质合金等金属及金属基复合材料

通过成形腔ii、成型腔iii、扩展腔的多种不同变化可实现在变形过程中多级等通道转角挤压变形和扩展变形可得到纳米晶或超细晶组织的高性能金属或金属基复合材料。

挤压杆的往复过程中可多次添加原料从而实现成品的长度不受限制。

原料在经过成形腔i、成形腔ii、成型腔iii、扩展挤压模具便可一步成型，工艺流程短。

通过扩展挤压模具的变化可生产柱状和环状成品，柱状可以是圆柱也可以是其他柱状，环状可以是圆环也可以是其他环状。

通过多个垂直水平阶梯设置的成型腔ii，可增大挤压转角变形的变形量和变形次数，从而细化晶粒，可得到性能好的产品。

通过多个带一定角度圆环锥阶梯设置的成型腔ii，可用于变形抗力较大的材料，在变形过程中可预防因为变形量太大而造成材料撕裂。

现有技术相比本发明的优点是：

(1)工艺流程短，可实现高性能金属及金属基复合材料原料到制品的一步成形。

(2)适用面广，可以加工液态、半固态、固态粉末状、固态块状等金属及金属基材料。

(3)单道次变形量大且变形量可控，原料凝固或烧结后经过高压剪切变形、多级等通道转角挤压变形、高压扭转变形，可以通过改变剪切辊辊套、挤压筒筒套、挤压筒端盖、模具座和扩展挤压模具实现不同级数和角度的等通道转角挤压变形，进而获得不同的变形量。

(4)制品长度不受限制，只要不断加入原料，本发明能够制备无限长的高性能金属及金属基复合材料。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明成型腔ii为阶梯状结构示意图。

图3为本发明成型腔ii为圆锥阶梯状结构示意图。

图4为本发明生产管材结构示意图。

主要元件符号说明：

1为剪切辊、2为液压缸、3为液压杆、4为挤压筒、5为冷却系统、6为加热装置、7为挤压筒端盖、；8为模具座、9为扩展挤压模具、10为扩展腔、11为成型腔iii、12为成型腔ii、13为成型腔i、14为第一腔、15为第二腔、16为第三腔、17为第一圆环锥腔、18为水平腔、19为第二圆环锥腔

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明：

一种金属及金属基复合材料成形装置，包括剪切辊1、液压缸2、挤压杆3、挤压筒4，其特征在于：所述剪切辊1外侧设置有液压缸2，所述液压缸2前端设置有环形的挤压杆3，还包括设置于所述剪切辊1外侧的位于挤压杆3前端的挤压筒4，挤压筒4端部设置有挤压筒端盖7，所述剪切辊1侧边与挤压筒4之间形成成形腔i13，所述剪切辊1前端与挤压筒端盖7之间形成成形腔ii12，所述挤压筒4外侧设置有加热装置6，挤压筒端盖7上设置有扩展挤压模具9，所述剪切辊1及挤压筒4可旋转。

挤压筒端盖7内有一个成形腔iii11连通扩展挤压模具9内的扩展腔10。

所述剪切辊1与液压缸2、挤压杆3分别为间隙配合。

所述剪切辊1设置为空心结构。

所述剪切辊1及挤压筒4上均设置有对应的冷却系统5，所述冷却系统5分别设置于剪切辊1内靠近成形腔i13和成形腔ii12处，挤压筒4内靠近成型腔i13和成形腔ii12处。

所述成形腔ii12也可设置为垂直于成形腔i13的第一腔14连接水平于成形腔i13的第二腔15，第二腔15连接垂直于成形腔i13的第三腔16，所述成型腔ii12为圆环柱状阶梯结构；所述成型腔ii12可重复多个设置第一腔14、第二腔15和第三腔16。

所述成形腔ii12还可设置为与成形腔i13呈一定角度的第一圆环锥腔17连接与成形腔i13呈水平的水平腔18，水平腔18连接与水平腔18呈一定角度的第二圆环锥腔19，所述成型腔ii12可重复多个设置第一圆环锥腔17、水平腔18、第二圆环锥腔19。

所述扩展挤压模具9上设置有通孔，扩展挤压模具9设置为柱状或环状。

所述剪切辊1上设置有剪切辊套，所述挤压筒4上设置有挤压筒套。

实施例1

结合图1，一种金属及金属基复合材料成形装置，包括剪切辊1、液压缸2、挤压杆3、挤压筒4，其特征在于：所述剪切辊1外侧设置有液压缸2，所述液压缸2前端设置有环形的挤压杆3，还包括设置于所述剪切辊1外侧的位于挤压杆3前端的挤压筒4，挤压筒4端部设置有挤压筒端盖7，所述剪切辊1侧边与挤压筒4之间形成成形腔i13，所述剪切辊1前端与挤压筒端盖7之间形成成形腔ii12，所述挤压筒4外侧设置有加热装置6，挤压筒端盖7上设置有扩展挤压模具9，所述剪切辊1及挤压筒4旋转。

挤压筒端盖7内有一个成形腔iii11连通扩展挤压模具9内的扩展腔10。

所述剪切辊1与液压缸2、挤压杆3分别为间隙配合。

所述剪切辊1设置为空心结构。

所述剪切辊1及挤压筒4上均设置有对应的冷却系统5，所述冷却系统5分别设置于剪切辊1内靠近成形腔i13和成形腔ii12处，挤压筒4内靠近成型腔i13和成形腔ii12处。

所述扩展挤压模具9上设置有通孔，扩展挤压模具9设置为柱状。

所述剪切辊1上设置有剪切辊套，所述挤压筒4上设置有挤压筒套。

实施例2

结合图2，一种金属及金属基复合材料成形装置，包括剪切辊1、液压缸2、挤压杆3、挤压筒4，其特征在于：所述剪切辊1外侧设置有液压缸2，所述液压缸2前端设置有环形的挤压杆3，还包括设置于所述剪切辊1外侧的位于挤压杆3前端的挤压筒4，挤压筒4端部设置有挤压筒端盖7，所述剪切辊1侧边与挤压筒4之间形成成形腔i13，所述剪切辊1前端与挤压筒端盖7之间形成成形腔ii12，所述挤压筒4外侧设置有加热装置6，挤压筒端盖7上设置有扩展挤压模具9，所述剪切辊1及挤压筒4可旋转。

挤压筒端盖7内有一个成形腔iii11连通扩展挤压模具9内的扩展腔10。

所述剪切辊1与液压缸2、挤压杆3分别为间隙配合。

所述剪切辊1设置为空心结构。

所述剪切辊1及挤压筒4上均设置有对应的冷却系统5，所述冷却系统5分别设置于剪切辊1内靠近成形腔i13和成形腔ii12处，挤压筒4内靠近成型腔i13和成形腔ii12处。

所述成形腔ii12设置为垂直于成形腔i13的第一腔14连接水平于成形腔i13的第二腔15，第二腔15连接垂直于成形腔i13的第三腔16，所述成型腔ii12为圆环柱状阶梯结构；所述成型腔ii12可重复多个设置第一腔14、第二腔15和第三腔16。

所述扩展挤压模具9上设置有通孔，扩展挤压模具9设置为柱状。

所述剪切辊1上设置有剪切辊套，所述挤压筒4上设置有挤压筒套。

实施例3

结合图4，一种金属及金属基复合材料成形装置，包括剪切辊1、液压缸2、挤压杆3、挤压筒4，其特征在于：所述剪切辊1外侧设置有液压缸2，所述液压缸2前端设置有环形的挤压杆3，还包括设置于所述剪切辊1外侧的位于挤压杆3前端的挤压筒4，挤压筒4端部设置有挤压筒端盖7，所述剪切辊1侧边与挤压筒4之间形成成形腔i13，所述剪切辊1前端与挤压筒端盖7之间形成成形腔ii12，所述挤压筒4外侧设置有加热装置6，挤压筒端盖7上设置有扩展挤压模具9，所述剪切辊1及挤压筒4可旋转。

挤压筒端盖7内有一个成形腔iii11连通扩展挤压模具9内的扩展腔10。

所述剪切辊1与液压缸2、挤压杆3分别为间隙配合。

所述剪切辊1设置为空心结构。

所述剪切辊1及挤压筒4上均设置有对应的冷却系统5，所述冷却系统5分别设置于剪切辊1内靠近成形腔i13和成形腔ii12处，挤压筒4内靠近成型腔i13和成形腔ii12处。

所述成形腔ii12设置为与成形腔i13呈一定角度的第一圆环锥腔17连接与成形腔i13呈水平的水平腔18，水平腔18连接与水平腔18呈一定角度的第二圆环锥腔19，所述成型腔ii12可重复多个设置第一圆环锥腔17、水平腔18、第二圆环锥腔19。

所述扩展挤压模具9上设置有通孔，扩展挤压模具9设置为柱状。

所述剪切辊1上设置有剪切辊套，所述挤压筒4上设置有挤压筒套。

实施例4

结合图1，一种金属及金属基复合材料成形装置，包括剪切辊1、液压缸2、挤压杆3、挤压筒4，其特征在于：所述剪切辊1外侧设置有液压缸2，所述液压缸2前端设置有环形的挤压杆3，还包括设置于所述剪切辊1外侧的位于挤压杆3前端的挤压筒4，挤压筒4端部设置有挤压筒端盖7，所述剪切辊1侧边与挤压筒4之间形成成形腔i13，所述剪切辊1前端与挤压筒端盖7之间形成成形腔ii12，所述挤压筒4外侧设置有加热装置6，挤压筒端盖7上设置有扩展挤压模具9，所述剪切辊1及挤压筒4可旋转。

挤压筒端盖7内有一个成形腔iii11连通扩展挤压模具9内的扩展腔10。

所述剪切辊1与液压缸2、挤压杆3分别为间隙配合。

所述剪切辊1设置为空心结构。

所述剪切辊1及挤压筒4上均设置有对应的冷却系统5，所述冷却系统5分别设置于剪切辊1内靠近成形腔i13和成形腔ii12处，挤压筒4内靠近成型腔i13和成形腔ii12处。

所述扩展挤压模具9上设置有通孔，扩展挤压模具9设置为环状，用于生产无缝管材。

所述剪切辊1上设置有剪切辊套，所述挤压筒4上设置有挤压筒套。

实施例5

生产原料为液态、半固态，打开冷却装置，关闭加热装置，启动电机使剪切辊和挤压筒旋转，启动液压缸使挤压杆挤压原料，使原料经过高压剪切耦合下亚快速凝固、高压剪切变形、多级等通道转角挤压变形、高压扭转变形、扩展挤压变形后成为制品。

实施例6

生产原料为固态粉末状，关闭冷却装置，打开加热装置，启动电机使剪切辊和挤压筒旋转，启动液压缸使挤压杆挤压原料，使原料经过高温高压剪切耦合下烧结、高压剪切变形、多级等通道转角挤压变形、高压扭转变形、扩展挤压变形后成为制品。

实施例7

生产原料为固态块状，将原料加工为与成形腔i同尺寸的半管状，关闭冷却装置，打开加热装置，启动电机使剪切辊和挤压筒旋转，启动液压缸使挤压杆挤压原料，使原料经过高压剪切变形、多级等通道转角挤压变形、高压扭转变形、扩展挤压变形后成为制品。