一种制备铝基纳米材料的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种制备铝基纳米材料的装置及方法，装置包括控制器、双柱凸模、上挤压凹模、中挤压凹模、下挤压凹模、挤压通道、模具包套、导向系统、加热装置、液压泵以及背压顶杆；上挤压凹模、中挤压凹模和下挤压凹模共同组成多道次的挤压通道，上挤压凹模和下挤压凹模挤压通道的截面均为矩形结构，中挤压凹模挤压通道的截面为V形结构；装置在使用时，实时计算输出力的大小并保证铝基坯料速度运行平稳，温度传感器则实时监控模具温度和铝基坯料温度。本发明专利技术的装置和方法能够得到晶粒组织均匀细化的铝基坯料，使铝基坯料力学性能得到大幅度提高，保证铝基坯料具有高密度的前提下同时具有高的强度和良好的韧性。高的强度和良好的韧性。高的强度和良好的韧性。

【技术实现步骤摘要】
一种制备铝基纳米材料的装置和方法


[0001]本专利技术涉及材料制备领域，具体地涉及一种制备铝基纳米材料的装置和方法。

技术介绍

[0002]铝基坯料具有密度低，导电性和抗蚀性优良，强度接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材的特点，从而在工业上广泛使用，随着经济的发展，对铝基坯料的要求也越来越高，如在快速发展的电力和航空航天领域，铝基坯料作为质轻的导体材料，希望在提高铝基坯料强度的同时，保证其导电性维持在较高的水平，同时希望其耐磨性越来越好。现有技术里，剧烈塑性变形(SPD)加工是目前较有效的通过金属细化进而提高材料性能的工艺，其中等通道挤压工艺因可稳定制备出具有良好综合性能的超细晶粒或纳米级材料而备受关注。
[0003]但是，目前，上述方法制备的铝基坯料仍然存在以下缺陷：
[0004]一方面，现在的制备装置都是单冲头挤压变形，效率较低，坯料在受挤压过程中，随着所处温度和挤压位置不同，坯料在变形过程中所受的力大小不同，如果一直采用恒定不变的力进行挤压，则会导致两种情况：1、铝基坯料某些地方过度变形，而另外一些地方变形不够剧烈，达不到细化晶粒的需求；2、铝基坯料运行速度不平稳，挤压件成形质量差，边角料多、材料浪费率高，并且制备得到的铝基坯料的晶粒组织不均匀，有的部位会局部晶粒粗大，导致铝基坯料的力学性能较差。
[0005]另一方面，铝基坯料在挤压变形中温度会急剧升高，如果温度到达铝基坯料的晶界融化温度，则坯料塑性会急剧下降，性能变差。另外，传统模具没有考虑到铝基坯料的换热系数a，挤压通道内如果温度过高，也会对模具通道造成一定程度损坏，影响模具寿命。综上，现有的传统挤压模具存在以下缺点：
[0006]第一、传统挤压模具往往存在铝基坯料出料难的问题，如果在挤压过程中出现挤压料积压在通道内，则需拆开整个模具装置，取出挤压废料，操作复杂，维修成本高。
[0007]第二、传统挤压模具缺少模具保护装置，在生产实践中，一套模具的生产成本非常高，一旦模具损坏，则会造成很大的损失。
[0008]第三、传统模具缺少对挤压过的坯料的后续处理，挤压出的坯料端部往往呈瘤状，在实际应用时，要去除棱尖状部分，导致了工艺更加复杂，并且表面光洁度较差，废料较多，间接的增加了生产成本。

技术实现思路

[0009]为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供一种制备铝基纳米材料的装置和方法，能够得到晶粒组织均匀细化的铝基纳米坯料，简称铝基坯料，使铝基坯料力学性能得到提高，并能够保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。双挤压通道的设置大幅度提高了挤压的工作效率，并且得到的铝基坯料表面光洁度高，废料少。
[0010]具体地，本专利技术通过以下技术方案进行确定：
[0011]本专利技术提供一种制备铝基纳米材料的装置，其包括控制器、双柱凸模、上挤压凹模、中挤压凹模、下挤压凹模、挤压通道、模具包套、导向系统、加热装置、液压泵以及背压顶杆；
[0012]所述双柱凸模连接有两个挤压通道，所述双柱凸模上部安装有第一力传感器和速度传感器，所述第一力传感器用于监测双柱凸模输出挤压力，所述速度传感器用于监测进给速度，所述两个挤压通道外部分别均匀设置有多个第二力传感器，所述多个第二力传感器用于监测两个挤压通道所受的挤压力，第一力传感器、速度传感器和多个第二力传感器的输出端分别连接控制器的输入端，控制器根据多个第二力传感器监测的两个挤压通道所受的挤压力的大小计算两个挤压通道所受的挤压力差值，当两个挤压通道受力的差值大于预设阈值时，所述控制器停止双柱凸模工作，当两个挤压通道受力的差值小于预设阈值时，控制器对双柱凸模的挤压力进行调整；
[0013]所述两个挤压通道相互对称设置，两个挤压通道内部均放置有铝基坯料；
[0014]所述下挤压凹模的侧壁上借助于连接杆连接所述液压泵；所述下挤压凹模的底部设置有背压顶杆，所述背压顶杆设置有第三力传感器，所述第三力传感器和液压泵内部传感器的输出端分别连接控制器的输入端，控制器根据监测的背压顶杆和液压泵的实时力的大小调整背压顶杆和液压泵的输出力；
[0015]所述上挤压凹模上设置有用于监控模具温度和铝基坯料温度的温度传感器以及加热装置，所述加热装置根据所述温度传感器实时监测的温度与设定的温度阈值对模具和铝基坯料进行调控，当温度传感器实时监测的温度高于设定的温度阈值时，所述控制器发出报警信号；
[0016]所述上挤压凹模、中挤压凹模和下挤压凹模共同组成多道次的挤压通道，所述上挤压凹模和下挤压凹模挤压通道的截面均为矩形结构，所述中挤压凹模挤压通道的截面为V形结构，所述V形结构的夹角为60
‑
90
°
，所述上挤压凹模挤压通道与中挤压凹模挤压通道以及中挤压凹模挤压通道和下挤压凹模挤压通道之间的夹角均为120
‑
145
°
；
[0017]挤压开始时，双柱凸模提供的初始挤压力为F
初
，挤压过程中，通过以下公式计算双柱凸模应该提供的挤压力F
柱
并进行实时调控，F
柱
的计算公式如下：
[0018]F
柱
＝F
初
*δ*0.06；
[0019]其中，δ为中间参数，δ的计算公式如下：
[0020][0021]其中，V
进
为进给速度，F
时
为第二力传感器实时监测的两个挤压通道所受的挤压力的平均值，T
坯
为温度传感器实时监测的铝基坯料温度，T
模
为温度传感器实时监测的模具温度，t为设定的铝基坯料挤压时间，单位为分钟，ε为压缩量，其中，压缩量ε的计算公式如下：
[0022][0023]其中，L为整体挤压通道的长度，L
下
为下挤压凹模内部挤压通道的长度，L
下
的长度能够通过背压顶杆进行调节，压缩量的取值范围为5％～40％；
[0024]双柱凸模根据F
柱
的值输出误差为R的挤压力，当所述第一压力传感器监测到的双柱凸模输出的实时挤压力与F
柱
的误差R>5％时，利用优化算法对双柱凸模提供的实时挤压力进行迭代优化，直至所述第一压力传感器监测到的双柱凸模输出的实时挤压力与F
柱
的误差R≤5，结束优化；
[0025]同时，两个挤压通道设置的多个第二力传感器实时监控两个挤压通道所受的挤压力，当两个挤压通道所受坯料对其挤压力的差值|F
左
‑
F
右
|≥λ时，控制器发出报警信号，调控双柱凸模停止工作，其中，λ为预设阈值，F
左
为左侧挤压通道所受的挤压力，F
右
为右侧挤压通道所受的挤压力；
[0026]最后，当液压泵内部传感器监测到铝基坯料对液压泵的挤压力F≥0.55σ
max
，并且第三力传感器监测到铝基坯料对背压顶杆的挤压力F...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备铝基纳米材料的装置，其特征在于：其包括控制器、双柱凸模、上挤压凹模、中挤压凹模、下挤压凹模、挤压通道、模具包套、导向系统、加热装置、液压泵以及背压顶杆；所述双柱凸模连接有两个挤压通道，所述双柱凸模上部安装有第一力传感器和速度传感器，所述第一力传感器用于监测双柱凸模输出挤压力，所述速度传感器用于监测进给速度，所述两个挤压通道外部分别均匀设置有多个第二力传感器，所述多个第二力传感器用于监测两个挤压通道所受的挤压力，第一力传感器、速度传感器和多个第二力传感器的输出端分别连接控制器的输入端，控制器根据多个第二力传感器监测的两个挤压通道所受的挤压力的大小计算两个挤压通道所受的挤压力差值，当两个挤压通道受力的差值大于预设阈值时，所述控制器停止双柱凸模工作，当两个挤压通道受力的差值小于预设阈值时，控制器对双柱凸模的挤压力进行调整；所述两个挤压通道相互对称设置，两个挤压通道内部均放置有铝基坯料；所述下挤压凹模的侧壁上借助于连接杆连接所述液压泵；所述下挤压凹模的底部设置有背压顶杆，所述背压顶杆设置有第三力传感器，所述第三力传感器和液压泵内部传感器的输出端分别连接控制器的输入端，控制器根据监测的背压顶杆和液压泵的实时力的大小调整背压顶杆和液压泵的输出力；所述上挤压凹模上设置有用于监控模具温度和铝基坯料温度的温度传感器以及加热装置，所述加热装置根据所述温度传感器实时监测的温度与设定的温度阈值对模具和铝基坯料进行调控，当温度传感器实时监测的温度高于设定的温度阈值时，所述控制器发出报警信号；所述上挤压凹模、中挤压凹模和下挤压凹模共同组成多道次的挤压通道，所述上挤压凹模和下挤压凹模挤压通道的截面均为矩形结构，所述中挤压凹模挤压通道的截面为V形结构，所述V形结构的夹角为60
‑
90
°
，所述上挤压凹模挤压通道与中挤压凹模挤压通道以及中挤压凹模挤压通道和下挤压凹模挤压通道之间的夹角均为120
‑
145
°
；挤压开始时，双柱凸模提供的初始挤压力为F
初
，挤压过程中，通过以下公式计算双柱凸模应该提供的挤压力F
柱
并进行实时调控，F
柱
的计算公式如下：F
柱
＝F
初
*δ*0.06；其中，δ为中间参数，δ的计算公式如下：其中，V
进
为进给速度，F
时
为第二力传感器实时监测的两个挤压通道所受的挤压力的平均值，T
坯
为温度传感器实时监测的铝基坯料温度，T
模
为温度传感器实时监测的模具温度，t为设定的铝基坯料挤压时间，单位为分钟，ε为压缩量，其中，压缩量ε的计算公式如下：其中，L为整体挤压通道的长度，L
下
为下挤压凹模内部挤压通道的长度，L
下
的长度能够通过背压顶杆进行调节，压缩量的取值范围为5％～40％；双柱凸模根据F
柱
的值输出误差为R的挤压力，当所述第一压力传感器监测到的双柱凸
模输出的实时挤压力与F
柱
的误差R>5％时，利用优化算法对双柱凸模提供的实时挤压力进行迭代优化，直至所述第一压力传感器监测到的双柱凸模输出的实时挤压力与F
柱
的误差R≤5，结束优化；同时，两个挤压通道设置的多个第二力传感器实时监控两个挤压通道所受的挤压力，当两个挤压通道所受坯料对其挤压力的差值|F
左
‑
F
右
|≥λ时，控制器发出报警信号，调控双柱凸模停止工作，其中，λ为预设阈值，F
左
为左侧挤压通道所受的挤压力，F
右
为右侧挤压通道所受的挤压力；最后，当液压泵内部传感器监测到铝基坯料对液压泵的挤压力F≥0.55σ
max
，并且第三力传感器监测到铝基坯料对背压顶杆的挤压力F
背
≥1.45σ
max
时，式中，σ
max
为铝基坯料的最大抗拉强度，控制器开始存储第三力传感器和液压泵内部传感器监测到的数据，计算i个F
背
和F
侧
的差值X，其中，X＝F
背
‑
F
侧
，并记X
i
＝X1,X2,X3,.....X
n
(i＝1，2，3.....n)，控制器对i个差值X进行计算处理，得到参数S，S的计算公式为：当S∈(
‑
1，3)时，控制器控制液压泵打开下挤压凹模，同时撤出背压顶杆，其中，为i个差值X的平均值。2.根据权利要求1所述的制备铝基纳米材料的装置，其特征在于：所述上挤压凹模、中挤压凹模和下挤压凹模为分体式结构。3.根据权利要求1所述的制备铝基纳米材料的装置，其特征在于：所述V形结构的夹角为90
°
，所述上挤压凹模挤压通道与中挤压凹模挤压通道以及中挤压凹模挤压通道和下挤压凹模挤压通道之间的夹角均为145
°
。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹宗园，王喜强，翟东林，郑伟，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：