大型噴射沉積環件的緻密化加工方法及其裝置的製作方法
2023-06-09 14:44:56
專利名稱：大型噴射沉積環件的緻密化加工方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種緻密化加工方法，特別是涉及一種對大型噴射沉積環件進行緻密化加工的方法，本發明還涉及一種實現該緻密化加工方法的裝置。
背景技術：
航天航空、兵器、高速列車等領域都需要一些大型和特大型的輕質化零部件，主要是鋁合金、鎂合金及其複合材料。如飛船前端框體(環件，直徑＞1200mm)，空間站框體(直徑＞3000mm)、蒙皮(大面積高性能鋁合金或鈦合金薄板)、運載火箭燃料儲箱(大型板材和框架結構)、深水魚雷殼體(直徑＞500mm的帶加強筋管材)，高速列車制動盤(直徑＞1000mm的鋁基複合材料環件)。
在眾多的金屬材料製備技術中，湖南大學陳振華教授等人提出並發明的一項新型的坩堝移動式自動化控制噴射沉積技術及一系列裝置是製備大型快速凝固高性能合金材料的理想技術。該技術克服了鑄造成型大型零部件，由於坯件的冷卻速度很慢，錠坯內外的溫差極大，容易產生很大的內應力，造成錠坯炸裂，以及在製備大型複合材料的製備，鑄造成型由於存在增強相攪拌不均勻，產生不良的界面反應等問題遇到了難以逾越的障礙。同時，解決了傳統噴射沉積技術難以高質量製備大型坯件的問題。目前採用該技術已製備重達1000kg的耐熱鋁合金大直徑厚壁管坯，直徑達到800mm以上，壁厚達到250mm以上，冷速達到104K/s以上；圓柱錠的直徑最大已經達到750mm，冷速達到103～104K/s，環件的最大直徑達到3500mm坯件。這些坯件的晶粒尺寸一般在5μm以下。
噴射沉積坯件均含有一定的孔隙度，屬於非連續介質體系，必須經過後續塑性變形進一步緻密化加工才能真正實現其高性能。
然而，採用通常的擠壓、鍛造、軋制等技術，卻難以實現大型環件的緻密化加工。一方面，受到設備噸位的限制，如高速列車制動盤用直徑＞1000mm的鋁基複合材料環件的緻密化壓制需要壓機噸位大於12000噸，國內目前還不具備此噸位的設備。另一方面，若採用擠壓或模鍛，則受到模具尺寸和性能的限制，如對於直徑3500mm環件，模具製備困難。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能對大型噴射沉積環件進行緻密化加工的方法。
本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種實現該緻密化加工方法的裝置。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是採用一小平面與一斜面光滑過渡組成或斜面組成的楔形壓頭，採用普通壓機施以一定壓力，對模具中欲緻密化的大型噴射沉積坯件進行局部小變形，小平面部分為主變形區，斜面為預變形區，逐步向斜面方向推進，進行逐次壓制，最後實現噴射沉積坯件的整體壓制。
逐次壓制過程的逐步推進，採用楔形衝頭移動或模具及噴射沉積坯件反向移動的方式，每次移動的距離小於楔形衝頭小平面寬度。
模具及坯件可採用模具加熱裝置進行預熱，以實現對噴射沉積坯件的熱緻密化加工。
為了實現該緻密化加工方法的裝置，本發明提供的裝置是一種噴射沉積大型坯件的壓製成型裝置，包括壓機工作檯和壓機壓頭，在所述的壓機工作檯上安裝有環形模具，在壓機壓頭頂部上設有旋轉盤，在所述的旋轉盤上至少設有兩個與所述的環形模具對應的、成軸向對稱布置的楔形衝頭，在所述的壓機工作檯上設有與所述的壓機壓頭對應的限位裝置。
所述的楔形衝頭端面為弧形或端面一小部分為平面其餘部分為斜面，平面部分與斜面採用小角度過渡，角度值為3～7度。
作為本發明的一種改進，在所述的環形模具外模壁內和內模壁內設有模具加熱裝置。
採用上述技術方案的噴射沉積大型環件的壓製成型裝置，第1步壓制準備，將噴射沉積大型環件放入環形模具的外模壁內和內模壁之間的模槽內，若採用熱壓，則利用模具加熱裝置將環形模具和噴射沉積大型環件通過內置發熱元件加熱到預定溫度；第2步進行第一次壓制，坯件從左到右受到不同程度的變形；壓下量可由限位裝置精確控制；第3步抬起楔形衝頭；第4步旋轉盤帶動楔形衝頭旋轉一定角度旋轉小段距離；第五步第二次楔形壓制。重複上述2-4步，將噴射沉積大型坯件整體壓制完成後即實現了一道次壓制，同樣過程進行坯件的第二道次壓制，直至噴射沉積大型坯件到達緻密度要求。在壓制過程中，楔形衝頭單次壓下量很小，並採取步進式方式，從一段開始壓制，每次向前移動一個跨距，直至壓完全程，通過逐道次累計，使多孔體噴射沉積大型坯件緻密成形、壓製出連續的噴射沉積大型環件。
根據上述壓制過程可見，楔形壓制為局部小變形，逐步進行使噴射沉積大型環件整體單道次小變形，經多道次累計實現整體大變形直至完全緻密化的過程。局部小變形時，所需壓力較小，可根據使用的壓機噸位和坯件特點設計小變形區的面積，小平面部分與斜面部分採用光滑過渡。其特點是模具結構簡單，操作簡便，環件尺寸不受壓力計噸位和工作檯尺寸限制，壓制坯件密度分布均勻。可以消除產品的組織缺陷，使得產品組織、性能均勻。同時，工藝可重複性高，產品尺寸精確，生產成本降低，可以進行大規模連續生產。本發明「楔形壓制」工藝與移動坩堝採用自動控制的噴射沉積裝置和技術相結合，可以製備出高新技術領域急需的大型複合材料。
綜上所述，本發明的方法能實現對大型噴射沉積環件進行緻密化加工，實現該方法的裝置結構簡單、製造方便、性能可靠。
圖1是本發明的裝置結構示意圖；圖2是本發明環件模具示意圖；圖3是本發明的一種楔形壓頭結構示意圖；圖4是本發明的另一種楔形壓頭結構示意圖；圖5是本發明的工作原理圖；圖6是對長條形坯件進行壓制的裝置結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1和圖2、圖3，在壓機工作檯10上安裝有環形模具12，在環形模具12的外模5壁內和內模壁2內設有模具加熱裝置3，在壓機壓頭6頂部通過凸形圓盤9和螺栓8設有旋轉盤7，與壓機壓頭6同步上下移動，在旋轉盤7上設有兩個與環形模具12對應的、成軸向對稱布置的第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16，第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16的端面為弧形15，旋轉盤7帶動一對第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16繞凸形圓盤9可360度旋轉，在壓機工作檯10上設有與壓機壓頭6對應的限位裝置11。
參見圖4，第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16的端面也可以是一小部分為平面13其餘部分為斜面14。
參見圖1、圖2、圖3和圖5，採用500T壓力，對高速列車用噴射沉積Al-20％Si鋁基SiC顆粒增強複合材料環件進行了楔形壓制，環件外徑1200mm，內徑790mm，厚80mm。第1步壓制準備，將噴射沉積大型坯件4放入環形模具12的外模5壁內和內模2壁之間的模槽內，若採用熱壓，則利用模具加熱裝置3將環形模具12和噴射沉積大型坯件4加熱到預定穩定；第2步進行第一次壓制，用第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16對噴射沉積大型坯件4從左到右受到不同程度的變形；單次壓下量可由限位裝置11精確控制；第3步抬起第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16；第4步旋轉盤帶7動第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16旋轉一定角度旋轉小段距離，每次移動的距離小於楔形衝頭小平面寬度；第五步第二次楔壓。重複上述2-4步，將噴射沉積大型坯件4整體壓制完成後即實現了一道次壓制，同樣過程進行坯件的第二道次壓制，直至噴射沉積大型坯件4到達緻密度要求。在壓制過程中，第一楔形衝頭1和第二楔形衝頭16單次壓下量很小，並採取步進式方式，從一段開始壓制，每次向前移動一個跨距，直至壓完全程，通過逐道次累計，使多孔體噴射沉積大型坯件4緻密成形、壓製出連續的噴射沉積大型坯件。
壓制後性能得到較大幅度的提高，如附表所示。
楔壓緻密化鋁基複合材料摩擦磨損性能的影響
*磨損量為進行一組10次1∶1000制動試驗由附表可見經楔形壓制後，坯件的密度已接近理論密度，力學性能提高30％，作為摩擦材料，使其摩擦磨損性能得到提高，特別是磨損量為楔壓前的13％。
楔壓後各方面已到達小件試樣模壓或擠壓坯件的性能，而若採用模壓對上述尺寸制動盤進行緻密化加工，經理論計算需要12000噸位的壓機。而大型環件無法進行擠壓加工，因此，楔形壓制解決了大型坯件的緻密化加工的難題。
參見圖6，模具也可採用開放形式的長形條狀模具17，理論上可對無限長或無限大的長條形坯件進行壓制。
對模具和壓頭形狀進行相適應的調整，可以實現噴射沉積方形坯件、圓形錠坯實現緻密化加工。
權利要求
1.一種大型噴射沉積環件的緻密化加工方法，其特徵是採用一斜面或一小平面與一斜面光滑過渡組成的楔形壓頭，採用普通壓機施以一定壓力，對模具中欲緻密化大型噴射沉積環件進行局部小變形，小平面部分為主變形區，斜面為預變形區，逐步向斜面方向推進，進行逐次壓制，最後實現噴射沉積坯件的整體壓制。
2.根據權利要求1所述的一種大型噴射沉積環件的緻密化加工方法，其特徵是逐次壓制過程的逐步推進，採用楔形衝頭移動或模具及噴射沉積環件反向移動的方式，每次移動的距離小於楔形衝頭小平面寬度。
3.根據權利要求1或2所述的一種大型噴射沉積環件的緻密化加工方法，其特徵是模具及噴射沉積坯件可採用模具加熱裝置進行預熱，以實現對沉積坯件的熱緻密化加工。
4.實現權利要求1所述的緻密化加工方法的裝置，包括壓機工作檯(10)和壓機壓頭(6)，其特徵是在所述的壓機工作檯(10)上安裝有環形模具(12)，在壓機壓頭(6)頂部上設有旋轉盤(7)，在所述的旋轉盤(7)上至少設有兩個與所述的環形模具(12)對應的、成軸向對稱布置的楔形衝頭，在所述的壓機工作檯(10)上設有與所述的壓機壓頭(6)對應的限位裝置(11)。
5.根據權利要求4所述的緻密化加工方法的裝置，其特徵是所述的楔形衝頭端面為弧形(15)或端面一小部分為平面(13)其餘部分為斜面(14)，平面部分與斜面採用小角度過渡，角度值為3～7度。
6.根據權利要求4或5所述的緻密化加工方法的裝置，其特徵是在所述的環形模具(12)外模(5)壁內和內模(2)壁內設有模具加熱裝置(3)。
全文摘要
本發明公開了一種大型噴射沉積環件的緻密化加工方法，採用一斜面或一小平面與一斜面光滑過渡組成的楔形壓頭，採用普通壓機施以一定壓力，對模具中欲緻密化大型噴射沉積坯件進行局部小變形，小平面部分為主變形區，斜面為預變形區，逐步向斜面方向推進，進行逐次壓制，最後實現噴射沉積坯件的整體壓制。本發明還公開了一種實現該方法的裝置。本發明的方法能實現對大型噴射沉積環件進行緻密化加工，若對模具和壓頭形狀進行相適應的調整，可以實現噴射沉積方形坯件、圓形錠坯實現緻密化加工。實現該方法的裝置結構簡單、製造方便、性能可靠。
文檔編號B23P9/00GK1718356SQ20051003197
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月5日 優先權日2005年8月5日
發明者陳振華, 嚴紅革, 陳剛, 騰傑, 劉耀宗, 李健健 申請人:湖南大學