本发明涉及微晶铝材制备成形，具体涉及一种大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置及方法。
背景技术：
1、空天控制能力的提升离不开高性能精密制造领域的突破，而探测制导等光学元件的突破则可促进在空间中的准确行动能力。无论是成像分辨能力，还是质量结构轻便，相较于传统玻璃、金属铍等材料，铝合金用来制作反射镜具有较好的性价比，被国内外广泛使用在各类军工、民用装备上。而更进一步提升高精密光学反射铝镜的轻量化、分辨率、光谱宽度、生产加工成本等方面，需要更先进的技术支撑。通常镜面加工精度会到达纳米级，以保证必要的观测成像质量，而影响加工精度的关键因素就是铝合金镜坯的晶粒大小，所以荷兰等国会采用甩带快速凝固和热等静压的方式制备平均晶粒尺寸约1～2μm的铝合金，那么获得均匀细小晶粒的镜坯是生产铝合金光学反射镜面的必要过程。然而产业化生产此类镜坯的技术方法与设备仍比较欠缺，同时面临着国际禁运，核心技术保密等封锁手段。
2、目前国内高端光学铝合金制造技术仍存在诸如晶粒粗大、杂质相粗大不均匀等问题，局部会有明显加工缺陷，所得到的反射镜镜面加工精度不高、表面粗糙度普遍大于5nm，总体不能满足高端光学反射镜镜面纳米/亚纳米加工静的的制造需求。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置及成形方法。
2、为解决上述技术问题，本发明首先公开一种大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，包括液氮制冷系统和深冷近等温锻造模具总成，所述深冷近等温锻造模具总成包括上凸模和下凹模，所述上凸模包括锻压头，所述下凹模内设置有与所述锻压头配合的锻压腔，所述锻压头的内部设置有上凸模液氮冷却通道，所述下凹模内靠近所述锻压腔设置有下凹模液氮冷却通道，所述下凹模液氮冷却通道和上凸模液氮冷却通道均与所述液氮制冷系统的液氮管路连接。
3、进一步的，所述上凸模还包括用于连接锻压机通用上模座的上模座连接板，所述上模座连接板设置有连接板阶梯孔，所述锻压头的上端凸缘卡接在所述连接板阶梯孔内，所述上模座连接板的周向设置有多个用于连接锻压机通用上模座的连接板槽。
4、进一步的，所述上凸模液氮冷却通道包括多个相联通的x向液氮通路、y向液氮通路和z向液氮通路，所述x向液氮通路、y向液氮首位连接且靠近所述锻压头的下端，其中一所述z向液氮通路上设置有液氮入口，另一所述z向液氮通路上设置有液氮出口。
5、进一步的，所述下凹模包括芯模和可拆式套设在所述芯模外以用于连接锻压机通用下模座的套筒，所述锻压腔和下凹模液氮冷却通道设置在所述芯模内，所述下凹模液氮冷却通道包括相连接的竖向液氮通路和横向液氮通路，所述竖向液氮通路相对所述锻压腔周向设置，多个所述横向液氮通路设置在所述锻压腔的底部。
6、进一步的，其中一所述竖向液氮通路的上部设置有液氮入口，其中另一所述竖向液氮通路的上部设置有液氮出口，其余相邻所述竖向液氮通路的上部通过沉槽连接，所述沉槽的上部通过长塞块封堵。
7、进一步的，所述套筒和芯模通过键连接定位，所述套筒底部的外侧设置有用于连接锻压机通用下模座的l型压板，所述套筒的外壁设置有卡入l型压板的压槽。
8、进一步的，所述锻压腔的底部设置有芯模底孔，所述锻压腔的底部安装有托板，所述芯模底孔内安装有顶出杆，所述顶出杆与所述托板连接以将所述锻压腔内坯料顶出或纳入。
9、然后，本发明公开了一种微晶铝合金深冷锻造模内成形方法，包括如下步骤：
10、s1：将上凸模和下凹模装配至锻压机的通用模座上，开启液氮制冷系统对深冷近等温锻造模具总成输送液氮以预冷至设定温度；
11、s2：将坯料置于铝合金超低温炉内同步预冷至设定温度并保温；
12、s3：启动锻压机，设置锻造参数，驱动所述托板托起坯料纳入所述锻压腔内，并通过液氮制冷系统保持对深冷近等温模具总成制冷以维持在设定温度，保持坯料以近等温状态锻造；
13、s4：锻压机开始超低温多向压缩，通过驱动所述托板将坯料顶出和调整坯料加载轴后纳入锻压腔，从而循环调整坯料加载轴以进行多次下压，直至预定工艺完成；
14、s5：关闭液氮制冷系统，关闭锻压机，锻压机复位后驱动所述托板以取出成形工件。
15、进一步的，在所述步骤s4中，所述超低温多向压缩是将坯料沿x、y、z三个正交方向依次压缩一次为一道次，如此循环压缩多个道次，坯料的单次变形量为10％～30％，坯料锻造终止温度≤-40℃。
16、进一步的，成形完成后的坯料的平均晶粒尺寸≤0.5μm，粗大相平均尺寸≤1μm，残余应力≤30mpa。
17、与现有技术相比，本发明的优点在于：
18、本发明通过设置模具内置的液氮冷却通路，均匀的包裹整个模具及坯料，并均匀布置热电偶，实时检测各处温度。液氮冷却通路可快速换热降温，又可保证在低温下的力学性能，防止降温不均匀而出现内部环境的不稳定和锻造过程中的模具损坏，通过控制液氮流量可实现-50～-160℃范围的近等温深冷多向锻造，抑制动态回复，实现多道次大变形，积累大料位错，促使晶粒均匀细化至微米、亚微米尺度，满足大口径反射镜纳米/亚纳米精度加工要求。
1.一种大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，其特征在于，包括液氮制冷系统(1)和深冷近等温锻造模具总成(3)，所述深冷近等温锻造模具总成(3)包括上凸模(31)和下凹模(32)，所述上凸模(31)包括锻压头(311)，所述下凹模(32)内设置有与所述锻压头(311)配合的锻压腔(321)，所述锻压头(311)的内部设置有上凸模液氮冷却通道(312)，所述下凹模(32)内靠近锻压腔(321)设置有下凹模液氮冷却通道(322)，所述下凹模液氮冷却通道(322)和上凸模液氮冷却通道(312)均与所述液氮制冷系统(1)的液氮管路(11)连接。
2.根据权利要求1所述的大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，其特征在于，所述上凸模(31)还包括用于连接锻压机通用上模座(2)的上模座连接板(313)，所述上模座连接板(313)设置有连接板阶梯孔(3131)，所述锻压头(311)的上端凸缘(3111)卡接在所述连接板阶梯孔(3131)内，所述上模座连接板(313)的周向设置有多个连接板槽(3132)。
3.据权利要求2所述的大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，其特征在于，所述上凸模液氮冷却通道(312)包括多个相联通的x向液氮通路(3121)、y向液氮通路(3122)和z向液氮通路(3123)，所述x向液氮通路(3121)、y向液氮通路(3122)首尾连接且靠近所述锻压头(311)的下端，其中一所述z向液氮通路(3123)上设置有液氮入口，另一所述z向液氮通路(3123)上设置有液氮出口。
4.据权利要求1所述的大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，其特征在于，所述下凹模(32)包括芯模(323)和可拆式套设在所述芯模(323)外以用于连接锻压机通用下模座(4)的套筒(324)，所述锻压腔(321)和下凹模液氮冷却通道(322)设置在所述芯模(323)内，所述下凹模液氮冷却通道(322)包括相连接的竖向液氮通路(3221)和横向液氮通路(3222)，所述竖向液氮通路(3221)相对所述锻压腔(321)周向设置，多个所述横向液氮通路(3222)设置在所述锻压腔(321)的底部。
5.根据权利要求4所述的大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，其特征在于，其中一所述竖向液氮通路(3221)的上部设置有液氮入口，其中另一所述竖向液氮通路(3221)的上部设置有液氮出口，其余相邻所述竖向液氮通路(3221)的上部通过沉槽(328)连接，所述沉槽(328)的上部通过长塞块(327)封堵。
6.根据权利要求4所述的大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，其特征在于，所述套筒(324)和芯模(323)通过键(327)连接定位，所述套筒(324)底部的外侧设置有用于连接锻压机通用下模座(4)的l型压板(325)，所述套筒(324)的外壁设置有卡入l型压板(325)的压槽(3241)。
7.根据权利要求4所述的大规格微晶铝合金深冷近等温锻造模内成形装置，其特征在于，所述锻压腔(321)的底部设置有芯模底孔(3211)，所述锻压腔(321)的底部安装有托板(3261)，所述芯模底孔(3211)内安装有顶出杆(3263)，所述顶出杆(3263)与所述托板(3261)连接以将所述锻压腔(321)内坯料顶出或纳入。
8.一种微晶铝合金深冷锻造模内成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的微晶铝合金深冷锻造模内成形方法，其特征在于，在所述步骤s4中，所述超低温多向压缩是将坯料沿x、y、z三个正交方向依次压缩一次为一道次，如此循环压缩多个道次，坯料的单次变形量为10％～30％，坯料锻造终止温度≤-40℃。
10.根据权利要求8所述的微晶铝合金深冷锻造模内成形方法，其特征在于，成形完成后的坯料的平均晶粒尺寸≤0.5μm，粗大相平均尺寸≤1μm，残余应力≤30mpa。
