[发明专利]一种细径超细晶金属管棒材摩擦挤压扭转加工装置及方法

说明书

本发明公开了一种细径超细晶金属管棒材摩擦挤压扭转加工装置，该装置包括圆柱状本体，圆柱状本体的轴线上开设有材料变形区、定径带和出料区，材料变形区为倒圆锥台孔，定径带为通孔，出料区为直径大于定径带的通孔，出料区内插接有防甩动组件，另外，本发明还提供了细径超细晶金属管棒材摩擦挤压扭转加工方法，将坯料和圆柱状本体保持同轴相对转动并摩擦挤压扭转，得到细径超细晶金属棒管材。本发明通过坯料与圆柱状本体间相对高速旋转并对向运动至相互接触，以摩擦产热作为热源，受圆柱状本体约束而经历大变形量热压剪复合变形作用，制备出细径超细晶金属管棒材，无需外加热源，激活金属材料中的多系滑移，有效提高金属材料的热变形能力。

技术领域

本发明属于金属材料细径管棒材变形加工技术领域，具体涉及一种细径超细晶金属管棒材摩擦挤压扭转加工装置及方法。

背景技术

金属细径管棒材是重要的工业制品，既可以作为零部件直接用于生产，也可以作为中间产品进行精深加工，广泛应用于航天航空、汽车工业、医疗器械等领域。目前，由粗坯料挤压和轧制加工是制备金属细径管棒材的主要手段，但仍存在工艺复杂、工序长、成本高等缺憾。同时，对于变形能力较差的密排六方结构的金属镁、锌、钛等材料而言，单向大变形量的挤压变形易在管棒材挤压方向上形成条带状组织和强烈的织构，较难调控管棒材的显微组织和力学性能，也不利于后续的精深加工。因此，开发出能够细化材料显微组织，尤其适用于难变形金属加工的新型金属材料细径管棒材制备技术显得尤为重要。

为了提高镁、钛等难加工金属的变形能力，并进一步制备出高品质的金属细径薄壁管棒材，针对当前挤压加工变形方式单一的问题，研究人员提出了利用剪切变形参与材料加工，激发材料中多系滑移继而改善金属变形能力的思路，虽然已设计出了一系列能够引入剪切变形的加工装置和方法，但仍存在压剪变形分离、装置复杂、需要专用设备、难以推广等诸多问题。申请号为2018109964176的专利中公开了一种超细晶镁合金挤压棒材的制备方法，采用在镁合金热挤压工序后附加扭转变形的办法引入剪切变形优化镁合金棒材组织，虽然可以较好的细化镁合金棒材晶粒，但其材料变形方式仍为先挤压后扭转，挤压变形与剪切变形存在先后顺序，扭转变形作用的材料基础仍受到前段挤压加工较大影响。同时，此方法中可采用的扭转速度较低，剪切变形对细晶化的影响作用较小。申请号为2019110253038的专利中公开了用于制备超细晶镁合金的成型模具，提出了具有分流孔结构的镁合金成型模具，锭坯在变形过程中先分流后焊合，材料经历了等通道角挤压加工(ECAP)所提供的剪切变形后挤压焊合为最终管棒材，虽然也可制备出超细晶镁合金管棒材，但其加工过程中剪切变形和挤压变形仍次序发生，双通道ECAP叠加挤压加工时所需挤压力较大，装置结构较复杂而不利于推广。申请号为201980045070X的专利中公开了用于使用剪切辅助加工和挤压形成中空轮廓非圆形挤压件的方法和申请号为2021103849373的专利中公开了棒材搅拌摩擦加工装置，也提出了制备金属管棒材的加工装置与方法，但这两项专利均偏重于设计具有特殊结构的挤压头，通过其旋转、顶锻、刮擦待加工金属材料塑性变形并挤出以制备金属管棒材，加工过程中金属流动行为复杂，加工效果极为依赖挤压头端面的结构设计，装置复杂成本高，需使用专用设备完成加工。

因此需要一种细径超细晶金属管棒材摩擦挤压扭转加工装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种细径超细晶金属管棒材摩擦挤压扭转加工装置。通过依次设计有材料变形区、定径带和出料区的圆柱状本体作为摩擦挤压扭转加工装置，并控制材料变形区、定径带和出料区的形状，将压剪复合变形同时作用于坯料，在坯料接触材料变形区开始至挤出成为细径管棒材过程中，变形逐步增强作用于坯料，被加工的坯料逐渐承受并积累较大的总变形量，既可以保证坯料承受大变形量而不发生扭断，也可以利用大的累积变形量实现坯料的细晶化，从而实现细径超细晶金属管棒材的制备。