一种用于制备超细晶金属材料的自动化装置及控制方法与流程

本发明涉及材料加工的技术领域，尤其涉及一种用于制备超细晶金属材料的自动化装置及控制方法。

背景技术：

随着社会的不断发展和科学技术的更加进步，材料科学的发展和新材料的应用将面临着新的挑战和机遇，特别是在其他基础科学，如环境、能源、信息和生物等推动下，人们对材料使用性能的要求越来越高，一方面是加快对新材料的研发，另一方面是对现有材料的潜在功能将得到更全面、更充分的发挥和利用，而利用ecap(等通道转角挤压)工艺制备超细晶金属材料可以显著提高材料的力学及加工等性能。

目前，ecap工艺在使用的过程中，存在模具单一、无法一体化生产、加工效率低下、无法灵活地适应铸件的尺寸，无法轻易更换模具的内外模角等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于制备超细晶金属材料的自动化装置及控制方法，解决了现有ecap工艺中模具单一、无法一体化生产、加工效率低下、无法灵活地适应铸件的尺寸等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种用于制备超细晶金属材料的自动化装置，包括设置在液压机上的ecap模具，所述ecap模具采用对称的双挤压通道机构，能够同时加工两个铸件，其前方设置有运动机构，其出口处各设置一个力施加机构，所述运动机构用于将两个铸件放入对应的ecap模具的入口或者按照设定的ecap工艺路线将两个铸件同时从ecap模具的出口放入对应的ecap模具的入口，所述力施加机构用于向挤压过程中的铸件施加反向背压力。

进一步，所述力施加机构包括平台，所述平台上设置有转盘，所述转盘的中心与电动机的输出轴相连，其顶面与连杆的一端相连，所述连杆的另一端与滑块转动连接，所述滑块设置在导向通道内部，其顶端设置有堵杆，所述电动机通过带动转盘转动，带动与连杆相连的滑块沿导向通道往复运动，从而带动滑块上的堵杆进入或者离开ecap模具的出口通道，进而对进入出口通道的铸件施加反向背压力。

进一步，所述平台和导向通道设置在角度调整机构上，所述角度调整机构用于调整平台在垂直平面上的角度，以使堵杆与出口通道的轴向中心线共线。

进一步，所述滑块呈c字形，所述c字形的开口端通过连接轴与连杆的另一端转动连接，所述c字形的封闭端设置有堵杆。

进一步，所述ecap模具包括相互配合的上模和下模，所述上模设置在液压机的压板台上，包括朝向下模设置的两个导向柱、两个冲头，两个所述导向柱与两个冲头的连线相互垂直，所述下模设置在液压机的下板上，包括模芯，所述模芯设置在前后模板之间，其上对称设置有两个挤压通道，所述前后模板上设置有与导向柱配合的通道。

进一步，所述模芯能够拆卸地设置在前后模板之间，两个所述挤压通道将模芯分成三个部分，依次为左模芯、中间模芯和右模芯，所述左模芯、右模芯对称分布在中间模芯的两侧，所述左模芯、中间模芯和右模芯上均设置有多个加热棒，在所述中间模芯上对应挤压通道的转角位置设置测温探头，所述测温探头用于检测模芯的加热温度，所述导向柱沿轴向设置有多个环形凹槽，在所述前模板和后模板对应环形凹槽的位置设置有多个通气孔。

进一步，所述运动机构采用双机械臂结构，两个机械臂分别对应ecap模具的两个挤压通道。

一种基于上文所述的用于制备超细晶金属材料的自动化装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据铸件的加工要求，选择对应的模芯和冲头并将其安装到ecap模具上，启动液压机，利用机械臂将铸件放入ecap模具的挤压通道中；

步骤二、通过加热棒对模芯和铸件进行加热，直至达到所需温度值；

步骤三、利用液压机带动冲头向下移动，同时控制力施加机构使堵杆进入ecap模具的出口通道；

步骤四、当冲头向下移动接触铸件开始实施挤压时，再控制力施加机构使堵杆离开ecap模具的出口通道，直至完全离开出口通道，完成一次道挤压；

步骤五、利用机械臂按照设定的ecap工艺路线将两个铸件同时从ecap模具的出口放入对应的ecap模具的入口，重复步骤一至四，完成下一次道挤压，直至完成铸件的加工。

进一步，所述堵杆的端部到达ecap模具的转角处的时间先于冲头接触铸件开始实施挤压的时间，所述堵杆离开ecap模具的出口通道的速度小于液压机带动冲头的下降速度。

进一步，根据所述模芯的出口通道的角度，调节力施加机构中堵杆的角度，以使堵杆与出口通道的轴向中心线共线。

本发明有益的技术效果在于：

1、在传统ecap模具的基础上，设计对称的双挤压通道结构，可以一次性加工两个铸件，大大提高了生产效率，并且整个模具采用拆分组装的形式，仅通过更换左右模芯和/或中间模芯可以调节挤压通道的尺寸以及挤压通道的转角角度，不需要将整体模具换掉，由此可以适应不同铸件的尺寸，增加了模具本身的使用范围，可以调节模具的挤压模角，以探究不同转角对制备超细晶材料的影响规律，同时安装方便易行，大大节约了加工成本。另外，借助上模上的导向柱，避免冲头在下降的过程中，产生垂直方向的位置偏差对模具或者冲头产生伤害。通过加热棒、测温探头、温度传感器可以方便检测ecap模具内部和铸件的温度，以确保挤压之前，铸件和ecap模具都达到所需温度，可以很好的获得超细晶组织。因为当温度较高，会让合金内部处于不稳定的高自由状态，晶粒之间回弹趋势会很大；温度较低，粗晶不易转变为细晶。

2、通过设置在ecap模具的出口处的力施加机构，向挤压过程中的铸件施加反向背压力，结合冲头和ecap模具转角对铸件的作用力，使铸件在挤压的过程中实现三向静水压力，可以让铸件内部的晶粒均匀化，并能够保证晶粒在一定程度上面的细化作用。

3、在ecap模具的前方设置有运动机构，可以按照设定的ecap工艺路线如a、ba、bc、c四种路线自动将铸件由ecap模具的出口放入ecap模具的入口，方便进行多道次挤压，节省人力，提高了安全性，并大大提高了生产效率。目前最常见的ecap挤压路径是。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图，仅示意一个力施加机构和一个运动机构；

图2为本发明的ecap模具的结构示意图；

图3为本发明的上模的结构示意图；

图4为本发明的下模的结构示意图；

图5为本发明的除去后模板的下模的结构示意图；

图6为本发明的力施加机构的在一个方向上结构示意图；

图7为本发明的力施加机构的在一个方向上结构示意图；

图8为本发明的不同转角的模芯对比示意图；

其中，1-液压机，11-压板台，12-下板，2-ecap模具，21-出口，22-入口，23-上模，231-导向柱，2311-环形凹槽，232-冲头，24-下模，241-模芯，2411-左模芯，2412-中间模芯，2413-右模芯，242-前模板，243-后模板，244-通道，245-加热棒，246-测温探头，3-运动机构，31-机械臂，4-力施加机构，41-平台，42-转盘，43-连杆，44-滑块，45-导向通道，46-堵块，47-连接轴，48-角度调整机构。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种用于制备超细晶金属材料的自动化装置，包括设置在液压机1上的ecap模具2，该ecap模具2采用对称的双挤压通道机构，能够同时加工两个铸件，其前方设置有运动机构3，其出口21处各设置一个力施加机构4，该运动机构3用于将两个铸件放入对应的ecap模具2的入口21或者按照设定的ecap工艺路线将两个铸件同时从ecap模具2的出口21放入对应的ecap模具的入口22，该力施加机构4用于向挤压过程中的铸件施加反向背压力。这样，在加工过程中，借助运动机构3可以自动将铸件放入ecap模具2或者按照设定的ecap工艺路线移动铸件，同时借助力施加机构4可以向铸件实施反向背压力，从而实现铸件的自动化加工，节省人工成本，提高加工效率，同时还可以使铸件在加工过程中受到三向静水压力，对其自身晶粒尺寸细化，减小塑性损伤方面起到了重要的作用。

如图2-5所示，该ecap模具2包括相互配合的上模23和下模24，该上模23设置在液压机1的压板台11上，包括朝向下模设置的两个导向柱231、两个冲头232，两个导向柱231与两个冲头232的连线相互垂直，该下模24设置在液压机1的下板12上，包括模芯241，该模芯241设置在前后模板242、243之间，其上对称设置有两个挤压通道，该前后模板242、243上设置有与导向柱231配合的通道244。这样，对称的双挤压通道的ecap模具2可以一次性完成两个铸件的加工，由于冲头232的精度高，跟挤压通道的配合较为紧密，为保证冲头232的安全性，在其两侧设定两根直径为40mm的导向柱231，其本身沿轴向设置有多个环形凹槽2311，在前后模板242、243对应环形凹槽2311的位置设置通气孔，从而保证在下降过程中气流通畅，使冲头232顺利下降到底端，不会因气流问题出现卡顿问题。同时，导向柱231本身不仅具有定位作用，保障了冲头232下降的安全性，而通道244贯穿整个前后模板242、243，当在冲头232和导向柱231快要到达底端时，导向柱231可接触到液压机1下板，帮助冲头232承担一部分压力，减少其损坏的可能，从而提高冲头232的利用率。

为了便于根据铸件的尺寸和加工条件更换模具，该模芯241能够拆卸地设置在前后模板242、243之间，可以通过定位销加强模芯241在前后模板242、243上定位，利用螺栓将三者固定在一起，两个挤压通道将模芯241分成三个部分，依次为左模芯2411、中间模芯2412和右模芯2413，其中左模芯2411、右模芯2412对称分布在中间模芯2413的两侧，这样在更换时仅需更换模芯241就可以，同时，为了更好地检测模芯241在整个加工过程中的实际温度，在左模芯2411、中间模芯2412和右模芯2413上均设置有多个加热棒245，可沿挤压通道布置，在中间模芯2412上对应挤压通道的转角位置设置测温探头246，该测温探头246用于检测模芯241的加热温度。这样就可以为铸件提供合适的温度，以保证铸件在挤压的过程中，以最适合的温度进行挤压变形，以此得到晶粒细化组织。

如图6、7所示，该力施加机构4包括平台41，在平台41上设置有转盘42，该转盘42的中心与电动机的输出轴相连，其顶面与连杆43的一端相连，该连杆43的另一端与滑块44转动连接，该滑块44设置在导向通道45内部，其顶端设置有堵杆46，该滑块44呈c字形，在c字形的开口端通过连接轴47与连杆43的另一端转动连接，在c字形的封闭端设置有堵杆46。该电动机通过带动转盘41转动，带动与连杆43相连的滑块44沿导向通道45往复运动，从而带动滑块44上的堵杆46进入或者离开ecap模具2的出口通道，进而对进入出口通道的铸件施加反向背压力，加上冲头232的下压力和挤压通道的转角剪切力，使挤压过程中的铸件受到了三向静水压力，从而细化晶粒尺寸，减小塑性损伤的产生。

由于铸件的不同选用的模芯241的尺寸也不同，如图8所示，因此，可将平台41和导向通道45设置在角度调整机构48上，该角度调整机构48用于调整平台41和导向通道45在垂直平面上的角度，以使堵杆46与出口通道的轴向中心线共线，从而更好地向铸件施加反向背压力。

该运动机构3采用双机械臂31结构，两个机械臂31分别对应ecap模具的两个挤压通道，包括旋转底座，其上设置有第一机械支臂，该第一机械支臂依次与第二机械支臂、机械爪相连，可以通过舵机控制其运动。当铸件由冲头232挤压，经过等通道挤压，由出口通道挤出，从冲头232和导向柱231完全进入到ecap模具1内部，此为一道次挤压，完成后，由舵机控制旋转底座、第一机械支臂、第二机械支臂、机械爪将铸件加紧并向后拽出，然后根据设定的ecap工艺路线，将铸件从入口处重新放入挤压通道内部，以此进行下一道次挤压，在整个过程中，两端机械臂同时工作。完成加工后，由舵机控制机械臂将铸件取出后放入下一工序，然后回到初始点后停止运动。整个过程均是自动化操作，节省人力，提高安全性和生产效率。

本发明还提供了一种基于上文所述的用于制备超细晶金属材料的自动化装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据铸件的加工要求，选择对应的模芯241和冲头232并将其安装到ecap模具2上，启动液压机1，利用机械臂31将铸件放入ecap模具1的挤压通道中；

步骤二、通过加热棒245对模芯241和铸件进行加热，直至达到所需温度值；

步骤三、利用液压机1带动冲头232向下移动，同时控制力施加机构4使堵杆46进入ecap模具2的出口通道；

步骤四、当冲头232向下移动接触铸件开始实施挤压时，再控制力施加机构4使堵杆43离开ecap模具2的出口通道，直至完全离开出口通道，完成一次道挤压；

步骤五、利用机械臂31按照设定的ecap工艺路线将两个铸件同时从ecap模具的出口放入对应的ecap模具2的入口，重复步骤一至四，完成下一次道挤压，直至完成铸件的加工。

为了实施反向背压力，堵杆46的端部到达挤压通道的转角处的时间要先于冲头232接触铸件开始实施挤压的时间，同时，堵杆46离开ecap模具2的出口通道的速度小于液压机1带动冲头232的下降速度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。