CN100431728C - 挤压方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于工件(10)挤压的方法和设备，包括提供一套挤压模具(40；50)和用于迫使工件穿过挤压模具的驱动机构(20)，使工件(10)的一个表面和驱动机构(20)的一个表面接触形成一个界面。对工件(10)在指向上述界面的方向施加一个力确保界面上的摩擦力，此摩擦力迫使工件(10)穿过挤压模具(40；50)。工件(10)材料在被挤压穿过模具(40；50)过程中发生塑性形变但不改变几何尺寸。

Description

挤压方法和设备

本发明涉及对金属，合金和其它晶体材料实施形变处理的方法和设备，目的是控制材料的显微组织，织构及物理和机械性能。本发明特别涉及连续摩擦角挤压的方法和设备，以获得晶体材料的大塑性形变。

晶体材料的性能在很大程度上取决于其显微组织，特别是晶粒尺寸。晶粒细化对性能通常有明显改善。例如，小晶粒尺寸在低温可提高材料的强度和韧性，在高温则细晶合金可表现出超塑性。

工业金属和合金的铸态晶粒尺寸一般很大(＞100μm)，可采用机械热处理等方法进行细化，包括对材料进行各种热和机械组合处理，其中形变是一个重要环节。实际上，亚微晶粒结构可以通过很大的塑性形变直接形成，稍加或不加后续的退火[参见：F.J.Humphreys，P.B.Prangnell，J.R.Bowen，A.Gholinia and C.Harris，用大应变形变开发稳定细晶显微组织，皇家学会伦敦哲学汇刊，357卷(A)，1999年，1663-1681页]。

获得细晶显微组织要求的应变很大，例如，在铝合金AA7075中获得小于10μm平均晶粒尺寸在温轧条件下要求真应变2.3[参见：J.A.Wert，N.E.Paton，C.H.Hamilton and M.W.Mahoney，用热机械处理方法对7075铝合金晶粒细化，冶金汇刊，12卷(A)，1981年，1267-1276页]。亚微米显微组织需要更高应变，具体数值取决于材料和形变方式。

许多工业生产中很重要金属成形方法如轧制和挤压等，虽然在个别情况下可以施加大应变而获得细晶，但在形变过程中，工件尺寸至少在一个方向上会不断减少，最终制品只能是丝材或箔.材，应用价值有限。

近年来，一些剧烈塑性形变处理方法被相继开发出来，以克服传统成形过程中在获得细晶显微组织所必须的高应变和织构形成等方面的困难。例如，循环挤-压(CEC)[参见：J.Richert and M.Richert，一种对金属和合金施加无限制形变的新方法，铝，62卷，1986年，604-607页]，高压扭转(HPT)[参见：I.Saunders and J.Nutting，用扭转和压缩组合对金属施加大应变，金属科学，18卷，1984年，571-575页]，等通道角挤压(ECAE)，累积叠轧(ARB)[参见：H.Saito，N.Utsunomiya and T.Tsuji，材料学报，47卷，1999年，579-583页]和连续薄带切变(C2S2))[参见：J-C Lee等，通过连续约束薄带剪切(C2S2)过程控制金属薄带的织构，材料研究快报，36卷，2001年，997-1004页]等。有些方法如ECAE等显示出令人振奋的施加超大应变的工艺特点并具有大规模应用潜力。但以现有形式，这些用于显微组织细化的剧烈塑变方法在商用品种，尺寸和产量等很多方面受到限制，生产率低，工业应用或可行性有限。

ECAE最初由VM Segal在前苏联发明[参见：V.M.Segal，证书为575892号的苏联发明专利，1974年10月22日]，后在美国得到进一步开发[参见：美国专利US5,400,633号，1993年9月3日；V，M.Segal，晶体材料的塑性形变，专利号为US5,513,512的美国专利，1994年6月17日；V.M.Segal，平板坯料剧烈塑性形变的方法和设备，专利号为US5,850,755的美国专利，1995年2月8日]。在ECAE过程中，坯料在一个封闭的模具中被挤压。该模具有两个尺寸相同并相交成一特定角度的通道。在理想情况下，ECAE形变方式为“简单剪切”，形变发生在两个通道的交界面上的狭窄区域。由于坯料在挤压后尺寸不变，该过程可以重复来产生超大应变。ECAE的问题是坯料尺寸由第一个模具通道长度限制，因为通道外面的材料会先屈服，并且挤压力随模具通道增大迅速增加。其它限制ECAE应用的问题有操作困难，废料率高，生产率低等。

有一种连续挤压过程叫做“连续成形”(Conform)，由英国原子能机构在上世纪七十年代初发明[参见：D.Green，英国原子能部，专利号为GB1370894的英国专利，1973年10月]，最近被用于与ECAE结合[参见：G.J.Raab等，材料科学与工程，382卷(A)，2004年，30-34页]以施加超大应变。等通道角挤压连续成形方法ECAE-Conform目前只能处理横截面为小尺寸的样品，如线材，在材料形变处理方面的应用受限。

本发明提供新的形变处理方法和设备以克服上述现有方法的缺陷。本发明的方法和设备特别用于大体积材料塑性形变，适合处理大量常规金属和合金以及其它晶体材料。采用本发明可对材料施加大塑性形变，最终获得细晶和超细晶显微结构，提高材料物理和力学性能。

本发明的第一方案是提供一种工件挤压方法，包括：提供挤压模具和迫使工件穿过模具的驱动机构；使得工件的一个表面和驱动机构的一个表面接触以形成一个界面；向工件施加一个指向工件和驱动机构界面的力以确保界面上的摩擦力；利用所述摩擦力迫使工件通过模具在工件被挤压通过模具过程中对工件材料施加塑性形变而不改变其几何尺寸。

上述施加在工件上的力形成一个指向工件和驱动机构界面的压力。主要地或实质上只用摩擦力来迫使工件进入模具(如：推)。

这样，在工件和驱动机构表面在压力下获得接触的情况下，运动界面上的驱动表面将在界面上施加摩擦力。

例如，本发明提供一个细化晶体材料工件显微组织的方法，包括连续摩擦角挤压过程。这个过程使用角模具设计和可在动力驱动下平移或转动的驱动机构，通过驱动机构借助其与工件之间的摩擦力连续将晶体材料工件挤压通过角模具，在工件通过角模具时发生塑变。角模具设计是这样的，工件在被挤压通过它时发生塑性形变但不改变几何形状。摩擦力用施加在工件和驱动机构界面上的正压力来建立和维持。

本发明的一个最为重要的优点是可处理的工件长度没有限制，由于每次挤压后工件几何尺寸不变，可在一个工件上反复挤压多次，最终获得大塑性应变，从而有效地细化显微组织，提高材料的力学和物理性能。

本发明的另一个重要优点是可处理大量的金属，合金和其它晶体材料。并且材料可以有很多形式，如带，薄板，中厚板，方坯和棒材，这些是金属和合金在结构，汽车和飞机制造中主要的形式。由于过程连续，用本发明对材料进行形变处理生产效率高，材料浪费少。

本发明还有一个重要的优点，即连续摩擦角挤压过程适合工业开发并且可以很容易纳入现有生产线上。例如，本挤压过程可直接在连续薄带铸造或热轧等工艺后采用。

工件在预定的移动方向进入模具。模具的构造使得工件从模具挤出的方向与其进入模具的方向成一定角度，称为挤压角。挤压角可以为大于或等于90度，最好在90至135度之间。

本方法包括在基本上垂直于工件和驱动机构界面方向上施加一个力以确保上述的摩擦力。本方法包括提供第一挤压通道和第二挤压通道，第二挤压通道与第一挤压通道相接但倾斜一个角度，即挤压角，迫使工件从第一挤压通道进入模具，从第二挤压通道被挤压出去。第一和第二挤压通道在垂直于工件通过挤压通道的方向上有相等的尺寸，且与工件的厚度相应。

模具的第一挤压通道由驱动机构提供的驱动表面和第一模块的一个表面之间构成，其中驱动表面的尺度在工件运动方向要比第一模块表面大很多以便带动工件材料。与第一挤压通道相连接的第二挤压通道则由上述第一模块的另一个表面和第二模块的一个表面之间构成。上述第一和第二挤压通道具有相同的横截面尺寸，与工件横截面尺寸相对应，或具有相同的开口横截面，截面高度与工件厚度相等。上述的第二挤压通道与第一挤压通道倾斜一个角度，即挤压角。工件从第一挤压通道进入模具，从第二挤压通道出来。模块在工件运动方向采用小尺寸设计是本发明的一个优点，它可有效减少工件与模具表面的摩擦阻力并降低工件在进入变形区之前的屈服倾向。

作为一个优先选择，本方法包括提供由驱动表面和与之相对的模具表面之间形成的空间作为第一挤压通道，这样，借助摩擦力，通过相对于模具表面的驱动表面的运动而将工件送入第一挤压通道并穿过模具。

连续摩擦角挤压过程包括一个传送工件穿过模具的步骤，该步骤借助于工件与驱动机构的驱动表面(第一挤压通道构成表面)的摩擦力，通过相对第一模块的第一挤压通道构成表面运动上述驱动表面来完成。工件在穿过模具过程中发生塑性形变。驱动机构可以是一个辊(称为驱动辊)。

该辊可由动力驱动而转动。驱动辊的采用提供了可连续将所需挤压的工件材料送入模具并实施连续挤压的手段。

本方法包括用驱动表面向工件施压以确保上述驱动摩擦力。本方法也包括将工件压向驱动表面以确保驱动摩擦力。

驱动辊可采用平面辊，即辊表面无模槽。该辊表面即构成第一挤压通道的驱动表面。第一和第二模块可为平板，方坏，或任何需要的形状。工件可为带材包括薄带和板材。带材工件的宽厚比可大于5，最好大于10，这样可形成平面应变状态。

本发明还提供若干其它技术优点。例如，摩擦作为驱动手段大大减少了其在第一挤压通道中对工件的阻碍作用，这种摩擦阻力在ECAE过程中很严重。平面应变挤压在本过程中很容易得到，形变以简单剪切方式在一个狭窄区域里发生。流过模具的材料基本上经历同样的形变条件和同样的塑性应变。由于形变方式确定，预先给定的应变量可以准确地得到。因此，用本发明可在整个工件中获得均匀分布的高强度应变，因而获得均匀细化的显微组织，从而提高工件材料的力学和物理性能。

另外，可以采用在表面上做有沿周线方向封闭的模槽的驱动辊，与这种驱动辊相匹配的是靴形第一模块，靴形第一模块与驱动辊上的模槽构成第一挤压通道。第二模块则采用支座式结构，插入驱动辊的模槽中。有模槽的驱动辊特别用于挤压具有矩形或圆形截面的棒状工件。

可对平面驱动辊和有模槽的驱动辊表面进行改性处理以提高其润滑性能，耐热和耐磨性能。这种表面改性处理对高温挤压尤其重要。

连续摩擦角挤压过程包括一个在工件上施加正压力步骤，以确保在驱动机构的驱动下有足够高的摩擦力作用在工件上，使得将工件挤压通过模具过程得以进行。可用驱动机构对工件施加正压力。在这种情况下，需要采用一个工件支撑机构来支撑工件，平衡驱动机构施加的压力。可以配有传输带装置的支撑机构，因为这种机构可以大大减少工件与其支撑机构之间的摩擦阻力并进而减少启动挤压过程需要的施加在工件上的正压力。施加在工件上的正压力也可以采用一个独立的压力机来实现。所述压力机施加的力由驱动表面或定义第一挤压通道的驱动机构表面来平衡。压力机也可以采用传输带施压装置。

本方法包括提供一个对工件的反作用压力以平衡驱动表面施加的压力。本方法还包括提供这样一个工件支撑机构，在驱动表面向工件施加压力时该工件支撑机构在相反方向向工件施加压力，平衡驱动表面施加的压力。

工件支撑机构可以用一个传输支撑机构来实现。本方法包括借助摩擦力用传输支撑装置在工件支撑机构上传输工件。

压力机也最好用传输压力装置对着驱动表面向工件施加压力。本方法包括借助摩擦力用压力传输装置在压力机下传送工件。

压力传输装置包括一组传输辊和一个传输带，传输带由一组传输辊支撑并围绕该辊组系列运动。

驱动表面与工件之间的摩擦系数要控制在大于工件与工件支撑机构或工件与压力机施压机构之间的摩擦系数。

本方法包括根据驱动表面与工件之间的摩擦系数和工件与工件支撑机构或工件与压力施压机构之间的摩擦系数的差值来确定施加在工件和驱动机构界面的压力。

连续摩擦角挤压过程包括一个向工件施加反压力的步骤，目的是提高工件材料在塑性形变区的静水压力从而减少或消除相对脆性的材料在形变过程中可能产生的缺陷。向被挤压工件施加反压力可以用安装在模具出口的一个摩擦机构来实现。

优选地，当工件被挤出挤压模时对工件的表面施加一个可变的反摩擦力，以产生一个作用于工件上的可变的反压力，进而对在挤压模中的工件提供一个压力(例如流体静压力)。工件上的可控制的反压力最好在第二挤压通道出口处施加。

在高温进行连续摩擦角挤压过程操作时，本过程包括对工件加热的步骤，此步骤可以在挤压之前或挤压之中进行。

本方法进一步还包括对经过模具挤压后的工件进行热处理的步骤。这样的热处理可以有效地保证获得优越的显微组织。连续再结晶退火是倾向选择的热处理方式。在一般情况下，在相对低温进行热处理比较好。

连续摩擦角挤压过程可通过模具对工件进行多次操作。在材料韧性允许的条件下通过多次重复连续摩擦角挤压过程获得基本上无限制的塑性应变是本发明的一个优点。

晶体材料经过细化可以形成细晶甚至超细晶显微组织。细晶一般是指材料的平均晶粒尺寸在一到十微米，而超细晶材料的平均晶粒尺寸是在一微米以下。

本发明的另一方案是提供一个用本发明第一方案所述的挤压方法细化晶体材料显微组织的方法，以生产细晶或超细晶材料。

本发明的第二方案是提供了对工件进行挤压的设备，包括：一套挤压模具和驱动工件穿过模具的驱动机构，该驱动机构有一个驱动表面与工件的一个表面接触形成一个界面；施压机构以用于向上述界面施加一个力从而确保该界面上的摩擦力；在挤压设备中，驱动机构借助其驱动表面与工件表面的摩擦力迫使工件进入模具并从模具中挤压出来，在这个过程中对工件材料施加塑性形变。模具的结构可使上述挤压发生而不改变工件的几何尺寸。

驱动表面和工件表面在他们之间的交界面处于压力接触状态，驱动机构运动其驱动表面从而施加一个摩擦力。

例如，本发明提供一个细化晶体材料工件显微组织的设备，由连续摩擦角挤压设备构成。它包括驱动机构，其在动力驱动下平移或转动，借助与工件之间的摩擦驱动晶体材料工件穿过模具。该模具结构使得工件穿过时发生塑性形变但不改变几何形状。施压机构被采用向基本上垂直于驱动表面和工件表面之间的界面施加一个压力以确保所述摩擦力，优选地，施压机构施加的压力垂直于驱动机构与工件界面，产生足够的摩擦力来启动和进行挤压形变过程。

本设备包括第一挤压通道和第二挤压通道，第二挤压通道与第一挤压通道相接但倾斜一个挤压角。驱动机构将工件从第一挤压通道挤入模具，从第二挤压通道挤出。第一和第二挤压通道在垂直于工件通过相应的挤压通道运动方向上有相同的尺寸，在相应于工件厚度方向上的截面尺寸相等。

连续摩擦角挤压设备在使用时，利用其驱动机构沿预先确定的方向将工件送入模具。设计的模具结构使得工件从模具中被挤出的预定方向与进入模具的方向成一个角度，即挤压角。挤压角应大于或等于90度，最好在90度至135度之间。

模具的第一挤压通道由驱动表面和相对的第一模块的一个表面之间形成的空间构成，驱动机构通过相对模具表面移动驱动表面从而利用摩擦力将工件经第一挤压通道送入并穿过模具。压力机构通过驱动表面向工件施压以确保上述摩擦力。压力机构也可对着驱动表面向工件施压来确保上述摩擦力。

模具可由第一挤压通道和第二挤压通道构成，第一挤压通道由驱动机构提供的驱动表面和相对的第一模块的一个表面构成，其中驱动表面的尺度在工件运动方向要比第一模块表面大很多以便带动工件材料。与第一挤压通道相连接的第二挤压通道则于上述第一模块的另一个表面和第二模块的一个表面之间形成。上述第一和第二挤压通道具有相同的横截面尺寸且与工件横截面尺寸相对应，或具有尺寸相同、与工件厚度相应的开口横截面。上述的第二挤压通道与第一挤压通道倾斜一个角度，即挤压角。工件从第一挤压通道进入模具，从第二挤压通道出来。

驱动机构可由转动单元构成(驱动辊)。该辊可在动力驱动下转动，借助驱动辊与工件间的摩擦力迫使工件在预定方向穿过模具。驱动辊的采用提供了可连续将工件材料送入并通过模具实施连续挤压。驱动辊可采用平面辊以对板带工件进行形变处理，或采用具有表面模槽的辊来处理方型或圆型截面的棒材。

本设备包括一个平衡机构用以提供反作用压力来平衡由驱动表面施加在工件上的压力。平衡机构可以包括一个工件支撑机构，在驱动表面向工件施加压力时该支撑机构在相反方向向工件施加压力，用以平衡驱动表面施加的压力。

工件支撑可以配有传输带支撑装置，在工件相应于上述摩擦力运动时，用于传输在工件支撑机构上的工件。压力机构最好包括压力传输装置，可用压力传输装置对着驱动表面向工件施加压力，利用传输装置借助摩擦力传送位于压力机构上的工件。

传输装置包括传输辊组和一个传输带，传输带由传输辊组支撑并围绕该辊组系列运动。

连续摩擦角挤压设备包括在工件上施加正压力的机构，以确保有足够高的摩擦力作用在工件上，使得将工件挤压通过模具过程得以进行。向工件施加正压力机构可与驱动机构结合在一起，即由驱动机构对工件施加正压力。在这种情况下，需要采用工件支撑机构来支撑工件，平衡驱动机构施加的正压力。支撑机构可以配有带装置，因为这种机构可以大大减少工件与其支撑机构之间的摩擦阻力并进而减少启动挤压过程需要的施加于工件上的正压力。也可以用一个压力机向工件施加正压力。压力机也可以采用带装置。

驱动表面与工件之间的摩擦系数要大于工件与工件支撑机构或工件与压力机施加机构之间的摩擦系数。施加在驱动表面和工件界面上的压力最好由上述摩擦系数之差来确定。

本设备包括向工件施加反压力的机构，该机构在工件塑性形变后被出挤压模时向工件的一个表面施加一个可变的反摩擦力，因而对模具内的材料施加一个可变反压力。反压力机构最好施加可控制反压力，设置在第二挤压通道出口处。

连续摩擦角挤压设备对被挤压工件施加反压力以提高工件材料在形变区的韧性。  反压力机构可以是一个安装在模具出口的一个摩擦机构，施加的反压力在挤压过程中应该是恒定的和可以调节的(连续摩擦角挤压方法包括对被挤压工件施加反压力步骤，以提高工件材料在形变区的韧性。安装在模具出口的摩擦机构可以用来施加的反压力，在挤压过程中所施加的反压力是恒定的或可以调节的)。

本设备可包括加热装置，以便对工件在挤压之前或挤压之中进行加热。还可包括对经挤压模具挤压后的工件进行热处理的加热机构。优选地，采用热处理装置可对工件进行连续再结晶退火。加热处理可安排在两个挤压过程之间，用于恢复退火。

本发明的另一方案是提供一个细化晶体材料显微组织的设备，根据本发明第二方案，采用所述设备，可以生产细晶或超细晶材料。

下面将参考图例详述本发明的方法和设备的具体内容和实施例，其中：

图1a为本发明第一个实施例的中线剖面示意图，表明本发明的方法和设备的主要部件排布和操作原理。

图1b为沿图1a中A-A线的局部剖面图，表明模具模块在出口部分相对于处理中的带状工件和机架的排布情况。

图2为本发明第一个实施例的中线局部剖面原理示意图，表明工件，驱动机构，模具模块，工件支撑机构等的装配关系以及工作表面和过程参数等的定义。

图3为本发明第一个实施例改进型的局部中线剖面示意图，采用配有带-辊装置的工件支撑机构。

图4为本发明第一个实施例改进型的局部中线剖面示意图，采用配有平面带装置的工件支撑机构。

图5a示出一个放大的本发明第二个实施例的局部剖面示意图，表明驱动机构和模具的排布情况，此形式用于处理棒状工件。

图5b为沿图5aB-B线的局部剖面图，表明棒状工件在有模槽的驱动辊和工件支撑之间的排布情况。

图5c，图5d和图5e为图5a中模具的不同方位视图。

图6a为本发明第三个实施例的中线剖面示意图，示出具有水平出口排布的本发明设备的构造和主要部件，包括分立的压力机构和反压力机构。

图6b为本发明第三个实施例的中线放大剖面示意图，表示压力装置，模具和反压装置等的装配关系，以及与驱动辊，工件相关的各个模块工作表面的定义。

图7a为本发明第三个实施例改进型的一个局部剖示图，表示配有带装置的施压机构以及驱动辊，工件和模具。

图7b是沿图7a中C-C线的剖视图，表明在压力装置中带机构的装配。

本发明优选实施例由图1至图7b示出，当然，本发明不限于这些形式。同样的数字用于描述在不同图中同样的特征，结构和部件。本发明的第一个实施例由图1a至图4示出。图5a至图5e展示本发明的第二个实施例。图6a至图7b给出本发明的第三个实施例。这些图是示意性的，用以表明本方法的操作原理和设备的关键部件以及大致的相对位置和尺寸。

如图1a所示，本发明的第一个实施例主要包括进料机构1，驱动辊20，该驱动辊为过程的驱动机构，模块40和50，工件支撑机构30，和模块支撑43和53，以及一对出料辊2。工件10从开卷机或辊台上(未示出)由进料装置1送到驱动辊20上。驱动辊在动力作用下转动，如箭头A1所示，借助其与工件10的摩擦将工件向模具传送并迫使工件穿过模具。模具由模块40，50，加上模块支撑43和53构成。驱动辊20还用做施压机构，如箭头A2所示，向工件10施加一个正压力以产生足够大的摩擦力来启动并进行挤压过程。工件10在被挤压穿过模具过程中发生塑性形变，然后由出料辊2送到一个打卷机或辊台(未示出)上。如果需要，出料辊2可以对工件10施加一个适当的拉力以减少需要的挤压力。在过程的最后阶段，使用中的出料辊2或开卷机需要施加比较大的拉力以便将工件10从模具中拉出，因为在这个阶段，由驱动辊20提供的摩擦力可能不够大。

工件和模块支撑机构30，模块支撑43和53可以做成一个整体，也可做成各自独立的部件，可根据实际应用来决定。各个部件的在机架(图1b中100所示)中安装的详细结构为简化描述没有给出。

通过向被挤压工件施加一个正压力从而产生一个连续挤压过程所需要的摩擦力是本发明的一个独特之处，也是本发明的一个优越特征。不过，更优选的是：由于工件与驱动辊之间的摩擦提供过程的驱动力，而工件10与其支撑机构30之间的摩擦对过程施加一个阻力，工件与其支撑之间的摩擦系数(f_r)必须显著小于驱动辊20和工件10之间的摩擦系数(f_d)。这样才能使得驱动辊20在动力驱动下转动并对工件10施加一个正压力时，在工件上产生一个净驱动摩擦力。该摩擦力的方向与驱动辊20表面和工件任一接触点的切向一致并指向模具。如果在工件10上施加的正压力足够大，产生的摩擦力将能够迫使工件10穿过模具并使工件发生塑性形变。

图2为工件，驱动辊，模具和支撑机构关系的放大示意图并给出主要过程参数。从图中可以看出，工件支撑机构工作表面31是曲面，与驱动辊20的曲率相对应。这样，驱动辊施加在工件上的正压力在整个接触长度(L)上都是均匀的。接触长度(L)等于接触弧角(

)与驱动辊半径(R)的乘积。

从图2还可以看到，驱动辊20与模块40和模块50定义了工件10的通道。驱动辊20的驱动表面21和模块40的一个表面41确定了工件通道的第一部份，称为第一挤压通道。模块40的另一个表面42和模块50的一个表面52定义了工件通道的第二部分，称为第二挤压通道。模具结构是这样的，第一和第二挤压通道的横截面相等并与工件10的横截面相对应。两个挤压通道连在一起但成一个角度(2θ)，称为挤压角。需要注意的是，驱动表面21与模块表面51之间需要滑动配合，以确保第一和第二挤压通道形成一个连续的，完全封闭相接的工件通道。第一和第二挤压通道在工件运动方向的尺寸比驱动辊的圆周长度小得多。在挤压过程中，工件10在摩擦拖动下在第一挤压通道进入模具，从第二挤压通道被挤压出来，工件在两个通道交界面的一个狭窄区间发生塑性形变。

图2中，第一和第二挤压通道的交界面用虚线OC来表示，O为驱动表面21与模块表面52的交点，驱动20的表面21定义了第一挤压通道的一部分，模块50的表面52定义了第二挤压通道的一部分；C为模块40上表面41与表面42的交点，模块40的表面41定义了第一挤压通道的一部分，其表面42定义了第二挤压通道的一部分。AO为在驱动辊20上O点的切线，是工件10在第一挤压通道中的主运动方向。OB是工件10从第二挤压通道被挤压出的方向，即挤压方向。OA与OB的夹角即为挤压角(2θ)。该角大于或等于90度，通常在90至135度之间。因为两个挤压通道的横截面相等，它们的交面OC等分挤压角(2θ)从而使工件10挤压后尺寸不变。这样，可在几何条件不变的情况下重复挤压过程，最终获得大塑性应变，细化晶体材料工件的显微组织并改善其性能。

上述本发明的第一个实施例适合用于对带材工件(包括薄带和板材)的形变处理。图1b示出模块在模具出口端相对于带材工件的排布结构。工件的宽度可以比如图1b所示的挤压通道的宽度小一些。实际上，挤压通道在工件宽度方向，或严格地说在垂直于与工件运动方向一致的纵断面的方向上可以是开口的。如果工件的宽厚比大于5，最好大于10，材料在形变过程中将不发生横向流动，即形变在平面应变状态下进行。在理想情况下，即形变区内的摩擦可以忽略，任一塑性应变增量均为剪切，这样整个形变即为在OC平面中的“简单剪切”。工件经过模具发生的塑性应变仅仅取决于挤压角：

γ＝2cotθ        (1)

其中γ是每个道次的剪切应变。相应的每道次等效应变(ε)则为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2}{\sqrt{3}}\cot \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

在n个挤压道次后的总等效应变(ε_n)为

ε_n＝nε    (3)

如挤压角为120度，ε＝0.664，10道次后ε_n＝6.64。每个道次的应变的可加性是“简单剪切”形变方式的一个优点。单位挤压力(p)是材料屈服强度(σ_s)和挤压角(2θ)的函数：

$p=\frac{2}{\sqrt{3}}{\mathrm{\σ}}_s\cot \mathrm{\θ}---\left(4\right)$

或

p＝2kcotθ    (4’)

其中σ_s为被挤压的材料的屈服强度，k是材料的剪切强度。根据Levey-Mises屈服准则， $k={\mathrm{\σ}}_s/\sqrt{3}.$

本连续摩擦挤压过程是一个摩擦驱动的过程。有效摩擦系数(f_e)，定义为工件10和驱动辊20界面的摩擦系数f_d与工件10和其支撑机构30界面的摩擦系数f_r之差，即f_e＝f_d-f_r，是决定需要施加在工件上的正压力大小的几个关键参数之一。其它参数包括：材料屈服强度(σ_s)，工件厚度(t)和挤压角(2θ)。f_e值越高，可允许处理的材料的强度越高，工件可以越厚。对于具有一定强度和厚度的工件，f_e值越高，要求施加在工件上的正压力越小。一般来说，高f_e值一方面提高设备的能力，另一方面降低能量消耗。

如图2箭头F所示，作用在工件10上的摩擦的方向与相应的驱动辊表面上的接触点相切并指向第一挤压通道。但是，只有与AO方向平行的摩擦分力，如图2箭头P所示，才会对挤压过程作贡献。对挤压有贡献的总的摩擦力(F_e)是作用在工件10上的正压力(p_n)，与如图2中定义的角(

)相应的、施加有正压力的接触表面弧长度(L)，摩擦系数f_d和f_r，工件10的厚度(t)和宽度(w)以及驱动辊的半径(R)等的函数：

如果正压力p_n和摩擦系数f_d，f_r为常数，t＜＜R，那么

$F_e\≈{\mathrm{wf}}_e\mathrm{NR}\sin \left(\frac{L}{R}\right)---\left(6\right)$

为建立和实现本发明的连续挤压过程，此摩擦力F_e必须对沿交界面OC的形变区材料施加一个等于 $P=2\mathrm{wt}{\mathrm{\σ}}_s\cot \mathrm{\θ}/\sqrt{3}$ 的载荷，P为过程要求的挤压力。于是，要产生载荷所要求的施加在工件上的正压力为

$p_n=\frac{2t{\mathrm{\σ}}_s\cot \mathrm{\θ}}{\sqrt{3}{f}_{e}R\sin (L/R)}---\left(7\right)$

可以看出，进行挤压过程所要求的施加在工件上正压力依赖于材料的强度，工件的厚度，有效摩擦系数，挤压角，所施加的正压力的接触弧长和驱动辊半径等。如果R＝500mm，L＝200mm，2θ＝120°，t＝4mm，f_e＝0.25，σ_s＝750MPa，需要的正压力p_n＝40MPa。如果带状工件宽w＝500mm，产生这样一个正压力所需的压力为400吨。这个力小于冷轧同样强度和尺寸片材工件到同样应变所需要的力。

有若干提高有效摩擦系数(f_e)的途径，包括：(a)增加驱动表面21的粗糙度；(b)减少工件支撑表面31的粗糙度；(c)润滑工件支撑表面31。改变工件表面粗糙度作用不大，因为两面的作用会抵消。降低工件与支撑表面接触一侧表面的粗糙度，增加与驱动表面接触一侧的粗糙度对提高有效摩擦系数会有效，但实际操作成本会很高。

工件支撑表面31用固态润滑剂润滑比较好，因为这种润滑在改进挤压过程的同时不会引起其它麻烦。直接对工件用液态润滑剂不是优选，可能引起问题，如需要在下一个挤压道次前对润滑表面进行清洗，并由于冷却作用可能在工件厚度方向产生温度梯度-在高温作业时是个很严重的问题。工件支撑表面31也可以采用自润滑材料，或衬上低摩擦系数的耐磨材料。再有，也可对工件支撑表面31进行改性处理以提高光洁度和耐磨性。

除了上述措施外，可以对工件支撑进行结构上的改进以减少对工件的净摩擦阻力，提高有效摩擦系数(f_e)。图3为本发明第一个实施例的一个改进型的局部中线剖面示意图，示出改进的工件支撑机构以及驱动辊20，工件10和模具。如图3所示，带131被用于与工件10接触，代替了直接用在支撑块130上表面。一组安装在支撑块130中的辊132支撑带131。这样，当工件10由驱动辊20向模具传送时，带131在一组辊132上绕支撑130运动。采用这种带-辊设置，工件10与其支撑机构没有相对运动，对工件的阻力只是发生在一组辊132和133上的滚动摩擦，几乎可以不计。一对辊133配在支撑130的底部，如图3所示，使得带131在挤压过程中连续平稳地做环状运动。带131的材料和结构的选择应使得辊组132对其的压力分布在整个带表面上。

工件支撑机构可以安装在驱动辊20下面，与驱动辊垂直中线对称，或设计中如果力学考虑方面有利亦可偏离驱动辊20的中线。

在这个改进型中，可能需要模具支撑与工件支撑分开以提供一点缝隙使带131的运动不影响模具工作，参见图3。缝隙越小越好以防止工件10被挤进去。

图3还示出一种模块140，150，在支撑143和153中用螺栓组144和154的装配方式，不过，模块和它们的支撑的结构及尺寸在实践中应考虑被处理的材料，工艺参数和设备规模等等。

采用带装置传送工件以减少摩擦阻力至最小是本发明的一个独特优点。

在图3所示的改进型中，由于带131通常会比较柔软，而一组辊132与带131的接触面积有限，可能会在工件10上形成局部应力，这样，作用在工件10上的正压力可能会分布不均，局部应力可能使工件在进入形变区前发生需要避免的局部塑性形变。为克服这个问题，如图4所示，直接用良好润滑的支撑块上表面234支撑带231而不用辊组支撑。辊232和233用来辅助带231绕支撑块230运动。

虽然本发明的连续摩擦角挤压过程适合用于板带晶体材料的形变处理，它也可以用于其它形状的晶体材料，如方棒和圆棒。由于棒材截面的长宽尺寸接近，材料在形变时除有沿轴向的流动外，还发生横向流动。如果发生材料横向流动，工件的形状在挤压后将发生改变，本发明设计的重复挤压过程则不可能进行，因此，在处理棒状工件时，要施加横向约束以防止棒形工件材料的横向流动。采用与工件宽度尺寸完全一样的封闭的挤压通道可以实现这一要求。另外，在驱动辊周向作成模槽可以限制材料在传送和挤压过程中的横向流动。图5a示出用于处理棒状工件的本发明的第二个实施例。图中，驱动辊为320，其表面上的模槽为321，模槽321的底表面为322，侧面为323。棒状工件310通过与第一个实施例相似的进料机构被送入模槽321，驱动辊320对由支撑机构330支撑的工件310施压，借助摩擦向模具传送并迫使其穿过模具进行挤压，其摩擦力为工件310与模槽底表面322及侧面323界面摩擦力之和。模具主要由模块340，350以及它们的支撑360构成。图5b示出工件310在带有模槽的驱动辊320和支撑块330之间的结构。图5c，5d和5e示出用于挤压方棒工件的模具结构。模槽的底表面322，模槽321的侧面323与模块340的上表面341及模块340的侧面343构成第一挤压通道，模块340的表面342和343，模块350的表面352与模槽321的侧面323一起构成第二挤压通道。上述定义的第一和第二挤压通道相接并具有相同的与工件310一致的横截面尺寸。第二挤压通道与第一挤压通道倾斜一个角度，即为挤压角，其定义与本发明的第一个实施例中的一致。同样，挤压角最好在90度至135度之间，使得形变以“简单剪切”方式发生在沿两个挤压通道相交界面的狭窄区域中。

本过程有许多独特的优点包括操作的连续性和各种形式大体积材料的适用性。作为一个实例，图5a至5e示出整体化的模具支撑360结构。楔形板361用来把模块350用一组螺栓362固定在支撑360上。模块表面351与模槽321底表面322之间应该是滑动配合。模块340由一组螺栓363和364固定到支撑360上。支撑360经其“肩”360’插入机架(未示出)中。

挤压棒状工件所要求的驱动辊工作长度比较小。在实际应用中，可在一个驱动辊上提供若干个模槽和相应多个模具以便同时处理多个棒状工件。用本过程处理棒状工件尺寸可以很大，只受设备能力限制。

采用棒状工件的一个好处是可通过改变不同道次的工件转向更好地控制内部织构。改变工件转向的意思是使工件绕其轴线转一个角度，通常为90度。

图6a为本发明第三个实施例的中线剖面示意图，这种形式比较适合处理板带工件。这种形式的主要特点是采用独立的压力机构向工件施加正压力以保证挤压要求的摩擦力。如图6a所示，这种形式设备的主要构成是：进料机构401，驱动辊420带两个辅助辊406和407，压力机构430和435，由模块440和450及它们的支撑443和453构成的模具，反压装置460和出料机构411至413。在这个过程中，进料辊405把工件10从开卷机或辊台(未示出)送到驱动辊420上。图6a箭头A1所示，驱动辊由动力转动，驱动挤压过程。驱动辊420用其与工件的摩擦力迫使工件穿过模具。模具的结构使工件穿过时发生塑性形变而不改变形状。

工件10在被传送到模具过程中发生弯曲。不过，详细计算表明，所需的弯矩或力与所需挤压力相比是可以忽略的，如果驱动辊420足够大，由于工件在挤压过程中弯曲造成的总的弯曲应变和反弹力也是可以忽略不计的。自由转动的辅助辊406和407用于在工件上施加一个适当的力以保证工件与驱动辊420的紧密接触。从进料辊405加一个拉力有助于这种接触。一旦工件10送进辅助辊406和407之下，最好使进料辊405处于闲置状态。

采用分立压力机构为设备的设计和过程控制提供了更多的选择。在实际应用中图6a所示的简单驱动辊可能会有优势，比如容易制造和维护。图中设计使用伺服控制液压系统，当然也可采用其它类型的压力机构。系统的主要部件是压头430和液压机435。箭头A4表示液压机施加的力。

为提高被挤压材料的韧性，可采用一个对在形变中的材料施加反压的机构。如图6a所示，加压梁460对在模具出口处的工件10施加压力(箭头A5)，模块支撑443支撑工件平衡这一压力。结果是，由于工件10与加压粱460之间的摩擦，在形变区中的材料便受到了一个压力。采用反压机构减少在形变中材料的缺陷并提高其韧性是本发明的一个重要优点。

工件10在挤压后经过渡导轨412被送到出料辊411上，然后由出料辊411通过出料导轨413送到辊台或卷板机(未示出)上。出料辊412可对工件加一个轻微的拉力，减少一些挤压力或至少拉直工件避免其与模具支撑的不必要接触。另外，类似与本发明第一个实施例的情况，在挤压的最后阶段，出料辊411需要将工件从模具里拉出来。图6a示出本发明第三个实施例的一个特点，即适合水平操作。这在实际应用中可能是一个优势。

图6b为本发明第三个实施例的中线放大剖面示意图，详细示出工件，驱动辊，压力装置，模具和反压装置等的机械及操作关系。压头430用于将液压机435施加的集中力传递到工件10上并转换为分布压力。压头的表面431与工件接触，其曲率与驱动辊420半径相对应。此压力机构在装配位置上与模具越近越好，使得驱动摩擦力更有效，也防止工件在设计的塑性形变区之上发生屈服。

压头430可以做成各种结构以使工件上正压力分布控制比第一个实施例更好，这在工件的宽度很大时尤其重要。

就驱动机构，工件和模具之间的关系以及形变方式而言，本发明第三个实施例中的模具结构与本发明第一个实施例中的完全一样。图6(b)所示，驱动辊420的驱动表面421与模块440的表面441构成第一挤压通道，模块440的表面442与模块450的表面452构成第二挤压通道。同样，第一和第二挤压通道的横截面相等并与工件的横截面相应。两个挤压通道相连并成一个角度，即挤压角。图6a，图6b中的挤压角为90度。表面421和表面541之间要求滑动配合，用以维持所设计的模具结构。在挤压过程中，工件10在摩擦驱动下从第一挤压通道进入模具，从第二挤压通道出来，塑性形变发生在沿着两个通道交面的一个狭窄区域里。图2中描述的所有原理均在此适用。

类似与本发明第一个实施例，挤压通道在工件10的宽度方向上是没有约束的，这样可处理具有不同宽度的工件(见图7b)。

模具支撑443的底面444要求与模块440的表面442在一个平面上，这样，表面461与工件10之间的摩擦力才能对着驱动辊420而作用在形变区的工件材料上，从而对形变区的材料有效地施加一个静水压力。可施加的反压力的大小取决于形变区与反压机构460的距离：距离越小，可施加的反压力越大。本发明实施例中可施加的最大反压力应当小于所处理材料的屈服强度。本方法施加的反压力可以稳定地保持不变，如果需要也可以很容易地改变。应当注意，施加反压力会增加过程的挤压力。

工件10与压头430之间的摩擦应控制在最小，采用带-辊装置或简单的带设置则可以满足这个要求。图7a和7b示出一个配有平带设置的施压机构以取代图6a和6b的压头430。缝隙533设于带支撑530中，带531从其支撑530中留出的缝隙533中穿过，借助一组支撑辊532可平滑连续运动。图7a和7b给出了双液压机配置，不过可采用任意其它配置。带支撑530和驱动辊颈420经由它们的“颈”530’和420’装在机架400中。为简化描述，机架详细机构未示出。

本发明的一个目的是生产具有细晶或超细晶显微组织的金属，合金及其它晶体材料。采用本发明连续摩擦角挤压过程获得大塑性形变可直接形成要求的显微组织。不过，由于材料和工艺参数不同，有时需要热处理。在相对低温退火能够提供恢复和连续再结晶需要的条件，形成稳定等轴的细晶显微组织。连续再结晶退火最好是变形后的最后一个热处理，尽管退火温度依材料和挤压形变参数而定。

几个挤压道次后的加工硬化和显微组织细化会引起材料强度的明显提高和韧性下降。在进一步挤压前，采用低温退火可以软化材料而保留高角度晶界。这种热处理可在形变处理的任一阶段进行。本发明的方法和设备既可以室温使用，也可在高温使用以产生大应变。在高温处理时，工件可在挤压前用一个独立的炉子加热，也可用在线加热装置(未示出)加热。由于工件两侧的冷却速率不同，沿工件厚度的温度梯度可能是高温处理的一个问题。工件与驱动辊20接触一侧的温度比其它侧可能会低一些，因为驱动辊的热容量大，加热的工件向其传热速度快。要克服这个问题，一是要对驱动辊加热，二是对驱动辊表面改性以提高其热阻和耐磨性能等。

本领域专业人员很容易看出，对上面所叙述的任一种发明形式可以给出各种变种和进一步改进而不违背本发明的原则。

Claims (31)

1.一种工件挤压方法，包括：

提供：由第一和第二挤压通道构成的模具，两个挤压通道相交一角度；驱动机构，该驱动机构具有迫使工件经第一和第二挤压通道穿过上述模具的驱动表面；上述第一挤压通道由所述驱动表面和相对的上述模具的一个表面之间所形成的空间构成，其中驱动表面在工件运动方向的尺度大于与之相对的模具表面，以便驱动工件材料；

提供压力机构，并用其向工件施加一个指向工件和驱动表面界面的压力，以确保在所述界面上的摩擦力；

使上述驱动表面相对于上述模具表面运动，因而，借助于上述界面的摩擦力，迫使工件从上述第一挤压通道进入上述第二挤压通道并从模具穿过；

在工件材料穿过模具过程中对其施加塑性形变。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一和第二挤压通道具有完全相同的横截面尺寸，工件发生塑性形变时其几何尺寸没有改变。

3.根据前述权利要求1所述的方法，其中施加在工件上的压力垂直于驱动表面和工件之间的界面，以确保该界面上的摩擦力。

4.根据前述权利要求1所述的方法，其中压力机构包括上述驱动表面，本方法包括由驱动表面向工件施压以确保上述界面摩擦力。

5.根据前述权利要求1所述的方法，包括提供工件支撑机构，用以支撑工件并平衡由驱动表面施加在工件上的压力。

6.根据前述权利要求1至3之一所述的方法，包括用上述压力机构对着驱动表面向工件施压，以确保上述摩擦力。

7.根据权利要求5所述的方法包括提供工件支撑机构，该工件支撑机构带有传输支撑装置，采用传输支撑装置在摩擦力作用下传送位于工件支撑机构上的工件。

8.根据权利要求6所述的方法，包括提供上述压力机构，该压力机构带有压力传输装置，对着驱动表面向工件施加压力，在压力机构上的工件在摩擦力作用下得以传送。

9.根据前述权利要求7和8之一所述的方法，其中传输装置包括一组辊和一个传输带，该传输带由一组辊支撑并绕一组辊运动。

10.根据前述权利要求5、7、8之一所述的方法，提供一驱动表面与工件界面之间的摩擦系数大于工件与工件支撑机构之间或工件与压力机构之间的摩擦系数。

11.根据前述权利要求1、2、3、4、5、7、8之一所述的方法，包括提供反压机构，用该反压机构在第二挤压通道出口处对形变区中的工件材料施加一个可控制的反压力。

12.根据前述权利要求1、2、3、4、5、7、8之一所述的方法，其中驱动表面包括可转动的驱动辊的一个表面，本方法包括转动驱动辊并借助该驱动辊表面与工件之间的摩擦以迫使工件穿过模具。

13.根据前述权利要求12所述的方法，其中驱动表面包括无模槽的上述驱动辊表面。

14.根据前述权利要求1、2、3、4、5、7、8、13之一所述的方法，其中所述工件为带材，包括薄带和板材。

15.根据前述权利要求12所述的方法，其中所述驱动辊上有一个周向封闭的模槽，其中模具的第一模块由靴形模块构成，与驱动辊上的它所覆盖的一段模槽合成第一挤压通道；模具的第二模块构成一个支座模块，插入驱动辊模槽中与第一模块形成第二挤压通道。

16.根据前述权利要求1、2、3、4、5、7、8、15之一所述的方法，其工件为方坯或圆棒。

17.根据前述权利要求之一所述的方法包括在挤压过程之前和/或挤压过程之中对工件进行加热。

18.一种工件挤压设备，包括：

一模具，该模具由第一和第二挤压通道构成，两个通道相交一角度；

一驱动机构，该驱动机构具有驱动表面，用以迫使工件经第一和第二挤压通道穿过上述模具；上述第一挤压通道由驱动表面和与之相对的上述模具的一个表面之间所形成的空间构成，其中驱动表面在工件运动方向的尺度大于相对的模具表面以便驱动工件材料；

一压力机构，用于向工件施加一个指向工件和驱动机构之间界面的压力，以确保在所述界面上的摩擦力；

其中：上述驱动机构的安装可使驱动表面相对于上述模具的表面运动，因而，借助于上述界面摩擦力，迫使工件从上述第一挤压通道进入上述第二挤压通道并从模具中穿过，从而对工件材料施加塑性形变。

19.根据权利要求18所述的设备，其中第一和第二挤压通道具有完全相同的横截面尺寸，因此工件发生塑性形变而其几何尺寸没有改变。

20.根据权利要求18和19之一所述的设备，其中安装有压力机构，用于在工件上施加一个压力，该压力垂直于驱动表面和工件之间的界面，以确保该界面上的摩擦力。

21.根据权利要求18和19之一所述的设备，其中压力机构包括上述驱动表面，其安装便于驱动表面向工件施压以确保上述界面摩擦力。

22.根据前述权利要求18和19之一所述的设备，包括工件支撑机构，以支撑工件并平衡由驱动表面施加在工件上的压力。

23.根据权利要求18和19之一所述的设备，所述压力机构的安装用来对着驱动表面向工件施压，以确保上述摩擦力。

24.根据权利要求22所述的设备，其中工件支撑机构带有传输支撑装置，工件在该传输支撑装置上在摩擦力作用下得以传送。

25.根据权利要求23所述的设备，其中所述压力机构带有压力传输装置，用于对着驱动表面向工件施加压力，并支撑工件使工件在摩擦力作用下得以传送。

26.根据权利要求24和25之一所述的设备，其中传输装置包括一组辊和一个传输带，该传输带由一组辊支撑并绕一组辊运动。

27.根据前述权利要求18、19、24、25之一所述的设备，包括反压机构，该反压机构的安装用于在第一挤压通道出口处对形变区中的工件材料施加一个可控制的反压力。

28.根据前述权利要求18、19、24、25之一所述的设备，其中所述驱动机构为可转动的驱动辊单元，且驱动表面为可转动的驱动辊的一个表面，这样在工件与驱动表面界面摩擦力作用下，驱动辊的转动将迫使工件穿过模具。

29.根据权利要求28所述的设备，其中驱动表面包括无模槽的上述驱动辊表面。

30.根据权利要求28所述的设备，其中驱动辊上有一个周向封闭的模槽，模具的第一模块由靴形模块构成，与驱动辊上的它所覆盖的一段模槽合成第一挤压通道；模具的第二模块由支座模块构成，插入驱动辊槽中与第一模块形成第二挤压通道。

31.根据前述权利要求18、19、24、25、29、30之一所述的设备，包括在挤压过程之前和/或挤压过程之中对工件进行加热的加热装置。

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