阅读说明：本技术 一种多向复合超声振动辅助ecap成形加工设备及成形方法 (Multidirectional composite ultrasonic vibration assisted ECAP (electron cyclotron resonance imaging) forming processing equipment and forming method ) 是由 韩光超 沈豫楚 张召臣 程健峰 张海鸥 王桂兰 孙明 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备,包括上压板、下压板、第一超声振动平台、第二超声振动平台和第三超声振动平台,第一超声振动平台固定于上压板,第二超声振动平台固定于下压板,第三超声振动平台固定于上压板和下压板之间,第一超声振动平台包括第一超声变幅器,第二超声振动平台、第三超声振动平台与第一超声振动平台结构相同,第一超声变幅器设有竖向微挤压工具,第二超声变幅器设有ECAP模具,第三超声变幅器设有横向微挤压工具,通过分别控制个超声振动平台可实现多种超声辅助ECAP和连续ECAP加工过程。本发明的有益效果：实现在较小的空间高度内安装超声辅助ECAP成形加工设备并实现多种超声辅助ECAP工艺成形过程。(The invention provides multidirectional composite ultrasonic vibration assisted ECAP forming and processing equipment which comprises an upper pressing plate, a lower pressing plate, a first ultrasonic vibration platform, a second ultrasonic vibration platform and a third ultrasonic vibration platform, wherein the first ultrasonic vibration platform is fixed on the upper pressing plate, the second ultrasonic vibration platform is fixed on the lower pressing plate, the third ultrasonic vibration platform is fixed between the upper pressing plate and the lower pressing plate, the first ultrasonic vibration platform comprises a first ultrasonic amplitude transformer, the second ultrasonic vibration platform and the third ultrasonic vibration platform are the same in structure as the first ultrasonic vibration platform, the first ultrasonic amplitude transformer is provided with a vertical micro-extrusion tool, the second ultrasonic amplitude transformer is provided with an ECAP die, the third ultrasonic amplitude transformer is provided with a transverse micro-extrusion tool, and various ultrasonic assisted ECAP and continuous ECAP processing processes can be realized by respectively controlling the ultrasonic vibration platforms. The invention has the beneficial effects that: the ultrasonic-assisted ECAP forming processing equipment is installed in a small space height, and various ultrasonic-assisted ECAP technological forming processes are realized.)

一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备及成形方法

技术领域

本发明涉及微挤压成形设备技术领域，尤其涉及一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备及成形方法。

背景技术

超声振动辅助成形工艺是目前金属零件微塑性成形领域前沿研究方向之一。在超声振动辅助微塑性成形工艺中，超声系统通过超声振动电源、超声换能器和超声变幅杆将产生超声频机械振动并将振动的幅值增大，传递给微塑性成形工具或被加工工件，使其产生高频谐振，从而实现超声振动辅助微塑性成形加工过程。现有研究文献报道的超声振动辅助微塑性成形工艺主要有超声微拉伸、超声微挤压、超声微压印、超声微镦粗、超声微弯曲和超声微冲裁等。

ECAP是一种典型的大塑性变形制备超细晶的工艺，全称为equal channelangular pressing，即等通道转角挤压。传统ECAP装置示意图如附图7中所示。材料在模具转角处受到强烈剪切变形，而横截面尺寸基本保持不变，故可反复进行挤压，从而积累大量应变，主要用于细化金属材料的晶粒尺寸。

在现有的超声振动辅助ECAP成形工艺研究中，超声换能器与超声变幅杆组成的超声振动系统一般沿竖直挤压方向设置，超声变幅杆的末端与ECAP挤压工具连接为一个整体并实现竖直方向或水平方向的高频振动，由于竖直放置的超声设备需要较大的安装空间，并且施加的超声振动只能施加在挤压工具上，且挤压方向只能在单一竖直方向或水平方向，不能同时实现多个方向的复合超声挤压，不仅不利于在现有上进行安装，而且施加的超声效果也没有达到最佳。另外，目前所报道的超声振动辅助ECAP工艺中，主要通过对被成形工件或ECAP工具施加单一方向辅助超声振动，还没有对被成形工件和ECAP工具同时施加多向复合超声振动的研究报道。

连续ECAP是在普通ECAP的基础上通过增加挤压需要的等径角通道从而减少挤压道次的一种加工方法，连续ECAP装置的示意图如图8中所示，连续ECAP装置同样存在挤压方向单一，不能同时实现多个方向的复合超声挤压等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备及成形方法。

本发明的实施例提供一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备，包括上压板、下压板、第一超声振动平台、第二超声振动平台和第三超声振动平台，所述上压板和所述下压板相对设置，所述第一超声振动平台横向固定于所述上压板，所述第二超声振动平台纵向固定于所述下压板，所述第三超声振动平台纵向固定于所述上压板和所述下压板之间，所述第一超声振动平台包括第一超声变幅器，所述第二超声振动平台、所述第三超声振动平台与所述第一超声振动平台结构相同，所述第一超声变幅器的下端面至少设有一个竖向微挤压工具，第二超声变幅器的上端面设有ECAP模具，第三超声变幅器右端面至少设有一个横向微挤压工具，所述第一超声振动平台用于驱动所述竖向微挤压工具在竖直方向上产生超声振动，所述第二超声振动平台用于驱动所述ECAP模具在竖直方向上产生超声振动，所述第三超声振动平台用于驱动所述横向微挤压工具在水平方向上产生超声振动。

进一步地，所述第一超声振动平台还包括两超声换能器和两超声变幅杆，所述第一超声变幅器的左右两端分别连接两所述超声变幅杆的一端，两所述超声变幅杆的另一端分别连接一所述超声换能器，所述第一超声振动平台是以所述第一超声变幅器为中心左右对称的直线型结构。

进一步地，所述第一超声变幅器、所述第二超声变幅器和所述第三超声变幅器结构均相同且均为多孔超声变幅器，所述第一超声变幅器的下端面设有若干下盲孔，所述竖向微挤压工具通过所述下盲孔固定于所述第一超声变幅器的下端面，所述第二超声变幅器的上端面设有若干上盲孔，所述ECAP模具通过所述上盲孔固定于所述第二超声变幅器的上端面，所述第三超声变幅器的右端面设有若干右盲孔，所述横向微挤压工具通过所述右盲孔固定于所述第三超声变幅器的右端面。

进一步地，所述ECAP模具的长宽高均不大于20mm，所述ECAP模具内设有成形腔，所述成形腔内用于放置待成形工件。

进一步地，还包括机架，所述上压板和所述下压板位于所述机架内，所述机架上方设有驱动装置，所述驱动装置的输出轴连接丝杠，所述丝杆连接所述上压板，所述驱动装置用于驱动所述丝杠转动，所述丝杠带动所述上压板上升或下降。

进一步地，所述机架上端设有向下延伸的两L形固定杆，每一所述固定杆分别连接所述第三超声振动平台一端。

进一步地，所述竖向微挤压工具和所述横向微挤压工具均为阶梯型圆柱体。

进一步地，所述ECAP模具的侧面和顶面均设有若干***孔，所述***孔的孔径与所述竖向微挤压工具和所述横向微挤压工具末端的外径相同，且所述ECAP模具侧面和顶面上的所述***孔均连通所述成形腔。

进一步地，所述第一超声振动平台、所述第二超声振动平台和所述第三超声振动平台分别连接一超声振动电源，并由其对应的所述超声振动电源驱动。

进一步地，一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备的成形方法，包括以下步骤：

S1、分别在所述第一超声变幅器的下端面和所述第三超声变幅器的右端面安装所述竖向微挤压成形工具和所述横向微挤压成形工具，将带有所述待成形工件的所述ECAP模具固定在所述第二超声变幅器的上端面；

S2、将所述横向微挤压成形工具***到所述ECAP模具侧面的所述***孔内，使所述横向微挤压成形工具的末端接触并压紧所述待成形工件的左侧面；控制所述上压板下降，使所述竖向微挤压成形工具穿过所述ECAP模具顶面的所述***孔，并使得使所述竖向微挤压成形工具的末端接触并压紧所述待成形工件的上表面；

S3、开启所述超声振动电源，所述超声振动电源将低频电信号转换为超声频电信号，所述超声换能器将超声频电信号转换为超声频的机械振动波输出，所述超声变幅杆将所述超声换能器输出的水平超声振幅放大；所述第二超声变幅器支撑所述ECAP模具和所述待成形工件一起实现竖直方向的超声谐振；所述第一超声变幅器支撑所述竖向微挤压成形工具实现竖直方向的超声谐振，所述第三超声变幅器支撑所述横向微挤压成形工具实现横向超声谐振，所述竖向微挤压成形工具持续运动到预定位置完成对所述待成形工件的ECAP成形加工；

S4、所述待成形工件完成ECAP成形后，先移除所述第二超声振动平台，再升起所述上压板，将所述竖向微挤压成形工具和已成形的工件分离，关闭所述超声振动电源，完成所述待成形工件的多向复合超声振动辅助ECAP成形过程。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明所提供的多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备通过多孔超声变幅器将水平超声振动转换为竖向超声振动，并使用可施加多个微挤压工具的横向超声变幅器，实现在较小的空间高度内安装超声辅助ECAP成形加工设备；

2、本发明所提供的复合超声振动辅助ECAP成形加工设备不仅能同时实施待成形工件和ECAP模具以及坯料横向振动的复合辅助超声振动，还能单独实施待成形工件或ECAP模具及坯料单一辅助超声振动，也可以实现ECAP模具加水平方向和待成形工件加水平方向的两两组合的振动，从而能实现多种超声辅助ECAP工艺成形过程。

3、本发明所提供的多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备的成形方法通过工具、工件的多向复合超声振动，有利于实现并改善金属材料的ECAP成形能力和制备超细晶的成形质量，并可以改善金属在水平方向成形流动性不足的问题。

附图说明

图1是本发明一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备的结构示意图一。

图2是本发明一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备的结构示意图二。

图3是本发明一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备的左示意图。

图4是图1中的A处的放大图。

图5是图1中ECAP模具14的结构示意图。

图6是图1中连续ECAP模具14的结构示意图。

图7是传统ECAP装置示意图。

图8是连续ECAP装置示意图。

图中：1-机架，2-上压板，3-下压板，4-驱动装置，5-丝杠，6-固定杆，7-第一超声振动平台，8-第二超声振动平台，9-第三超声振动平台，10-第一超声变幅器，11-第二超声变幅器，12-第三超声变幅器，13-竖向微挤压工具，14-ECAP模具，15-横向微挤压工具，16-超声换能器，17-超声变幅杆，18-超声振动电源，19-右盲孔，20-***孔，21-成形腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1、图2和图4，本发明的实施例提供了一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备，包括机架1、上压板2、下压板3、第一超声振动平台7、第二超声振动平台8和第三超声振动平台9。

所述上压板2和所述下压板3相对设置，所述上压板2和所述下压板3位于所述机架1内，所述机架1上方设有驱动装置4，所述驱动装置4的输出轴连接丝杠5，所述丝杆5连接所述上压板2，所述驱动装置4用于驱动所述丝杠5转动，所述丝杠5带动所述上压板2上升或下降，本实施例中所述驱动装置4为伺服电机或其他动力设备。

所述第一超声振动平台7横向固定于所述上压板2的下表面，所述第二超声振动平台8纵向固定于所述下压板3的上表面，所述第三超声振动平台9纵向固定于所述上压板2和所述下压板3之间，具体的，所述机架1上端设有向下延伸的两L形固定杆6，每一所述固定杆6分别连接所述第三超声振动平台9一端。

所述第一超声振动平台7、所述第二超声振动平台8和所述第三超声振动平台9分别连接一超声振动电源18，并由其对应的所述超声振动电源18驱动，本实施例中当所述第一超声振动平台7、所述第二超声振动平台8同时启动时可共用同一所述超声振动电源18。

所述第一超声振动平台7包括第一超声变幅器10、两超声换能器16和两超声变幅杆17，所述第一超声变幅器10的左右两端分别连接两所述超声变幅杆17的一端，两所述超声变幅杆17的另一端分别连接一所述超声换能器16，所述第一超声振动平台7是以所述第一超声变幅器10为中心左右对称的直线型结构，且所述第一超声变幅器10、两所述超声换能器16和所述两超声变幅杆17的中心轴线均在同一条线上。

所述第二超声振动平台8、所述第三超声振动平台9与所述第一超声振动平台7结构相同，所述第一超声振动平台7用于驱动所述竖向微挤压工具13在竖直方向上产生超声振动，所述第二超声振动平台8用于驱动所述ECAP模具14在竖直方向上产生超声振动，所述第三超声振动平台9用于驱动所述横向微挤压工具15在水平方向上产生超声振动，本发明可分别通过启动或关闭连接所述第一超声振动平台7、所述第二超声振动平台8和所述第三超声振动平台9的各所述超声振动电源18，实现多种超声辅助ECAP和连续ECAP加工过程，包括实现所述竖向微挤压工具13的竖向超声振动、所述ECAP模具14的竖向超声振动和所述横向微挤压工具15横向超声振动三者之间的自由组合。

请参考图1、图3、图5和图6，所述第一超声变幅器10的下端面至少设有一个竖向微挤压工具13，第二超声变幅器11的上端面设有ECAP模具14，所述ECAP模具14的长宽高均不大于20mm，本实施例中所述ECAP模具14根据实际需要设计成各种不同的形状，包括但不限于圆柱体、正方体、长方体和圆台体等,本发明中的所述ECAP模具14均包括连续ECAP模具，所述ECAP模具14内设有成形腔21，所述成形腔21内用于放置待成形工件，第三超声变幅器12右端面至少设有一个横向微挤压工具15，本实施例中所述第三超声变幅器12右端面可根据实际应用需要设置1-7个所述横向微挤压工具15，所述竖向微挤压工具13和所述横向微挤压工具阶梯型15均为圆柱体。

所述第一超声变幅器10、所述第二超声变幅器11和所述第三超声变幅器12结构均相同且均为多孔超声变幅器，所述第一超声变幅器10的下端面设有若干下盲孔(附图中未画出)，所述竖向微挤压工具13通过所述下盲孔固定于所述第一超声变幅器10的下端面，所述第二超声变幅器11的上端面设有若干上盲孔(附图中未画出)，所述ECAP模具14通过所述上盲孔固定于所述第二超声变幅器11的上端面，所述第三超声变幅器12的右端面设有若干右盲孔19，所述横向微挤压工具15通过所述右盲孔19固定于所述第三超声变幅器12的右端面，本实施例中所述第一超声变幅器10的上端面也对称设有若干盲孔，所述第二超声变幅器11的下端面也对称设有若干盲孔，所述第三超声变幅器12的左端面也对称设有若干盲孔，以供在实际使用过程中进行选用，所述竖向微挤压工具13、所述ECAP模具14和所述横向微挤压工具15均采用螺纹连接的方式固定在对应的各所述盲孔内。

所述ECAP模具14的侧面和顶面均设有若干***孔20，所述***孔20的孔径与所述竖向微挤压工具13和所述横向微挤压工具15末端的外径相同，且所述ECAP模具14侧面和顶面上的所述***孔20均连通所述成形腔21。

请参考图1-图6，一种多向复合超声振动辅助ECAP成形加工设备的成形方法，包括以下步骤：

S1、分别在所述第一超声变幅器10的下端面和所述第三超声变幅器12的右端面安装所述竖向微挤压成形工具13和所述横向微挤压成形工具15，将带有所述待成形工件的所述ECAP模具14固定在所述第二超声变幅器11的上端面；

S2、将所述横向微挤压成形工具15***到所述ECAP模具14侧面的所述***孔20内，使所述横向微挤压成形工具15的末端接触并压紧所述待成形工件的左侧面；通过所述驱动装置4驱动所述丝杠5转动，从而控制所述上压板2下降，使所述竖向微挤压成形工具13穿过所述ECAP模具14顶面的所述***孔20，并使得使所述竖向微挤压成形工具13的末端接触并压紧所述待成形工件的上表面，达到一定的预压力，从而满足稳定超声振动的需求；

S3、开启所述超声振动电源18，所述超声振动电源18将低频电信号转换为超声频电信号，所述超声换能器16将超声频电信号转换为超声频的机械振动波输出，所述超声变幅杆17将所述超声换能器16输出的水平超声振幅放大；所述第二超声变幅器11支撑所述ECAP模具14和所述待成形工件一起实现竖直方向的超声谐振；所述第一超声变幅器10支撑所述竖向微挤压成形工具13实现竖直方向的超声谐振，所述第三超声变幅器12支撑所述横向微挤压成形工具15实现横向超声谐振，所述竖向微挤压成形工具13持续运动到预定位置完成对所述待成形工件的ECAP成形加工；

S4、所述待成形工件完成ECAP成形后，先移除所述第二超声振动平台8，再通过所述驱动装置4升起所述上压板2，将所述竖向微挤压成形工具13和已成形的工件分离，关闭所述超声振动电源18，完成所述待成形工件的多向复合超声振动辅助ECAP成形过程。

上述步骤S3中，可根据实际需要分别控制各所述超声振动电源18的开启或关闭，实现如下8种工作模式：

1)同时开启三所述超声振动电源18，所述竖向微挤压工具13、所述ECAP模具14和所述横向微挤压工具15同时工作，所述待成型工件受到竖向和横向的辅助超声振动，同时所述ECAP模具14对所述待成型工件施加竖向的辅助超声振动；

2)分别开启连接所述第二超声振动平台8和所述第三超声振动平台9的所述超声振动电源18，同时关闭连接所述第一超声振动平台7的所述超声振动电源18，此时只有所述ECAP模具14和所述横向微挤压工具15工作，所述待成型工件受到横向的辅助超声振动，同时所述ECAP模具14对所述待成型工件施加竖向的辅助超声振动；

3)分别开启连接所述第一超声振动平台7和所述第三超声振动平台9的所述超声振动电源18，同时关闭连接所述第二超声振动平台8的所述超声振动电源18，此时只有所述竖向微挤压工具13和所述横向微挤压工具15工作，所述待成型工件只受到竖向和横向的辅助超声振动；

4)分别开启连接所述第一超声振动平台7和所述第二超声振动平台8的所述超声振动电源18，同时关闭连接所述第三超声振动平台9的所述超声振动电源18，此时只有所述竖向微挤压工具13和所述ECAP模具14工作，所述待成型工件只受到竖向的辅助超声振动，同时所述ECAP模具14对所述待成型工件施加竖向的辅助超声振动；

5)仅开启连接所述第一超声振动平台7的所述超声振动电源18，同时关闭连接所述第二超声振动平台8和所述第三超声振动平台9的所述超声振动电源18，此时只有所述竖向微挤压工具13工作，所述待成型工件只受到竖向的辅助超声振动；

6)仅开启连接所述第二超声振动平台8的所述超声振动电源18，同时关闭连接所述第一超声振动平台7和所述第三超声振动平台9的所述超声振动电源18，此时只有所述ECAP模具14工作，仅所述ECAP模具14对所述待成型工件施加竖向的辅助超声振动；

7)仅开启连接所述第三超声振动平台9的所述超声振动电源18，同时关闭连接所述第一超声振动平台7和所述第二超声振动平台8的所述超声振动电源18，此时只有所述横向微挤压工具15工作，所述待成型工件只受到横向的辅助超声振动；

8)同时关闭三所述超声振动电源18，所述竖向微挤压工具13、所述ECAP模具14和所述横向微挤压工具15均不工作，此时即为传统的ECAP成形方法。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。