CN102029300A - 带背压式四向往复镦压装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种塑性变形技术领域的带背压式四向往复镦压装置及其加工方法，该装置包括：上冲头、下冲头、凹模、左背压顶杆和右背压顶杆，凹模为正六面体结构，该凹模内分别设有上、下、左、右四个长相等且对称分布并相交于凹模的中心的型腔上、下冲头分别位于凹模的上、下型腔内，左、右背压顶杆分别位于凹模的左、右型腔。本发明通过往复式连续镦压，从而以较高工作效率，制得较大体积的，组织均匀的超细晶试样。

Description

带背压式四向往复镦压装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种塑性变形技术领域的装置及方法，具体是一种带背压式四向往复镦压装置及其加工方法。

背景技术

大塑性变形技术简称SPD具有显著的细化晶粒能力，可以将材料的晶粒组织细化到亚微米甚至纳米级，被国际材料学界公认为是制备试样纳米和超细晶材料的最有前途的方法。但是，试样组织均匀性和工艺的连续性，可控性一直是大塑性变形技术的主要问题。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利申请号01104059.9，发明名称：往复式挤压成型方法及其加工装置，该技术采用左挤压筒与右挤压筒构成挤压容器，在左挤压筒与右挤压筒之间设有一双向挤模，该双向挤模具有至少一相对狭小的窄道，将待加工的合金材料加热至软化温度，于加工装置中交互施以不同方向压力，得以搓揉合金材料，使形成微细结构细化且均匀分布的合金。但是，该技术的缺点在于集挤压与镦粗变形于一体，因此每道次变形量不能太大，否则挤压材料在镦粗时将弯曲失稳。其次，由于挤压和镦粗变形都不可避免的造成中心应变与边缘应变不等，因此在没有足够大的应变下，很难制备组织均匀的超细晶材料，并且易于出现加工死区等不利影响。

进一步检索发现，中国专利号ZL200710045628.3，发明名称：制备大块超细晶材料的镦压模具，该技术采用上、下型腔构成的分型模具，通过利用与上型腔截面相同的冲头，对位于上型腔内的材料施压，材料在此压力作用下进入下型腔。由于上、下型腔形状完全相同但成90°夹角，使每道次镦压变形后，经历剧烈剪切变形的材料恢复到原来形状。冲头退回，打开模具销钉取出材料后，可再次放入上型腔进行第二道次镦压加工。该技术的特点如下：(1)制备的材料晶粒尺寸细小，可达到100nm～1μm；2加工的材料受到强烈剪切作用，变形量大，且不易发生破裂；3可以制备大块的试样，试样在加工前后形状相同，可以实现多道次反复加工来累计应变量，从而达到细化晶粒的作用。但是，该技术在每一道次加工之间，需要打开模具、取出试样、重新放入试样、模具再次加热等较为繁琐的步骤，一方面影响了生产效率，另一方面试样在反复加热过程中易出现晶粒长大现象，影响了组织细化效果。其次，从上而下的单向挤压，材料流动的效果一般，当制备流动性较差，或者厚度较薄的材料时，易于造成材料填充不完整的不利影响。此外，由于下型腔的封闭结构难以实现对材料施加背压，当在较低温度加工塑性不高的材料时，材料表面质量较差，试样的周边处甚至出现裂纹。

此外，Yoshinori Nishida等人在《Scripta Material》材料导报，2005，52：433-437上发表的“Characteristics of plastic deformation by rotary-die equal-channel angularpressing”(旋转等通道转角挤压模具塑性变形特征)一文中，介绍了一种旋转式等通道转角挤压模具进行塑性成形的原理，该模具是以两条等截面通道在模具中心相交成90°夹角。模具的底部和一侧设置挡板，加工时在这两个通道内预置两枚顶杆，由于顶杆尾部与挡板相抵，加工时无法移动，所以迫使试样向另一侧未设置挡板通道运动，完成等通道转角变形。当一道次变形完成后，由于模具采用巧妙垂直相交的等通道设计，无需打开模具取出试样，只要把模具翻转90°角，使材料所在通道垂直于工作台面，即可进行第二道次的等通道变形，该方法显著的提高了生产效率，使等通道转角挤压工作效率低的缺陷得到很大补偿。但是，用该方法制备的材料，由于等通道转角的内外角附近材料的变形方式和变形程度不同，导致用该方法制备的超细晶材料在组织的均匀性方面依然存在一定的不足。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种带背压式四向往复镦压装置及其加工方法，通过往复式连续镦压，从而以较高工作效率，制得较大体积的，组织均匀的超细晶试样。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种带背压式四向往复镦压装置，包括：上冲头、下冲头、凹模、左背压顶杆和右背压顶杆，其中：凹模为正六面体结构，该凹模内分别设有上、下、左、右四个长相等且对称分布并相交于凹模的中心的型腔上、下冲头分别位于凹模的上、下型腔内，左、右背压顶杆分别位于凹模的左、右型腔。

所述的型腔的截面为长方形且四个型腔的截面相同；上、下型腔的高度与左、右型腔的宽度相等且上、下型腔的宽度与左、右型腔的高度相等。

所述的上、下型腔和左、右型腔的连接处设有工作带，该工作带为光顺倒圆角。

所述的上冲头和下冲头的一端分别与压机固定连接且头部与预先置于凹模内的试样接触。

所述的左、右背压顶杆的尾部分别与水平压机固定，左、右背压顶杆的头部置于左、右型腔中靠近凹模中心的一侧并与试样接触。

本发明可制备纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料、半导体材料等多种超细晶材料。

本发明涉及上述带背压式四向往复镦压装置的加工方法，其具体步骤包括：

第一步，将上、下冲头分别下行和上行加压，对预先置于凹模中心的试样进行双向挤压，使试样通过凹模心部，型腔连接处的工作带向左、右型腔发生镦压变形；

所述的试样的长度和宽度分别等于型腔的横截面的长度，试样的高度等于型腔的横截面的宽度，在放置试样前先进行预热并保温，同时该试样在整个镦压过程中维持温度不变，直到加工结束。

第二步，试样在受到上、下冲头的压力下向左右型腔发生镦压变形，利用左、右型腔的背压顶杆对试样施加背压，当上、下冲头行至凹模心部的型腔交接处时，停止加压，完成第一道次镦压加工。

第三步，将左、右背压顶杆作为冲头且将上、下冲头作为背压顶杆，对材料进行反向镦压，当左、右冲头行至凹模心部时停止加压，完成第二道次加工。

第四步，反复第二步和第三步若干次，实现带背压式往复镦压加工。

本发明包括以下技术效果：

1.本发明专利通过采用四向通道其中两向施压，两向背压的变形手段，可实现往复镦压加工，解决了镦压变形中加工道次之间难以持续进行的困难。一方面提高了生产效率，使镦压加工更易实现产业化；另一方面避免因打开模具等操作而导致的温度下降、反复加热等不利因素而导致的晶粒长大不利影响，从而获得了更细小均匀的微观组织。

2.本发明专利采用双向镦压方式，一方面可在模具尺寸大小相同的情况下制备相对于普通镦压两倍大小的试样，进一步实现了用SPD加工大尺寸材料的目标；另一方面双向镦压方式增大了变形量，进一步强化了细化微观组织的效果。

3.本发明专利采用的镦压方式，上、下挤压冲头压入时，坯料由凹模中心型腔交界处从整个周向压入左、右型腔中，完成镦压变形，此过程中坯料既受到镦粗变形也受到与等通道角挤类似的剪切变形不同于等通道角挤的是受到了360°周向的充分流动和变形。材料的横向流动较充分，变形量较大，从而更利于晶粒细化，增强材料的力学性能。

4.本发明专利采用的整体模具结构，一方面可以避免普通镦压的分型模具结构在镦压力过大时模具易于分离，而造成的加工失效等不利影响；另一方面采用巧妙的四向等截面镦压方式，加工完成后可通过撤除一个方向背压推杆，用另一方向的推杆推出材料，克服了传统整体模具取料困难的缺陷，同样达到减少工作量，提高生产效率的效果。

5.本发明专利独特的四向加压方式可实现为镦压加工材料提供背压的目的，该背压一方面对提高加工材料表面质量有显著影响；另一方面在用传统镦压加工厚度较薄材料时，易于发生材料弯折失效的现象，而本发明所施加的背压很好的解决了这一问题，即使加工厚度较薄材料，本专利所述的背压仍可保证材料变形过程十分稳定。

6.本发明专利独特的四向加压方式，不但可以采用等截面型腔的模具结构，而且可以采用上、下型腔和左、右型腔截面长度相同，但宽度不同的模具结构。利用一套模具可以生产两种厚度不同的试样。突破了常规反复镦压上模型腔厚度与下模型腔厚度必须相同，以便下一道次镦压过程顺利进行的限制。从而使生产变得更具灵活性。

7.设备轻巧，投资少，易于拆装，安全系数较高。

8.模具结构简单，模具型腔形状可根据材料的性能和生产需要进行调整，模具加热方便，易于控制加工温度，调整工艺参数。

附图说明

图1为凹模三维结构示意图。

图2为图1中所标截面A的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：上冲头1、下冲头2、凹模3、左背压顶杆4和右背压顶杆5，其中：所述的凹模3为正六面体结构，该凹模3内分别设有上、下、左、右四个长相等且对称分布并相交于凹模3的中心的型腔6、7、8、9，上冲头1以及下冲头2分别位于凹模3的上型腔6以及下型腔7内，左背压顶杆4、右背压顶杆5分别位于凹模3的左型腔8以及右型腔9。

所述的型腔的截面为长方形且四个型腔的截面相同；上型腔6以及下型腔7的高度与左型腔8以及右型腔9的宽度相等且上型腔6以及下型腔7的宽度与左型腔8以及右型腔9的高度相等。(此外，所述的型腔截面亦可选择为截面长度相同，宽度不同的第二种形式，用以进行非等型腔截面的四向往复镦压加工。)

所述的上型腔6以及下型腔7和左型腔8以及右型腔9的连接处设有工作带，该工作带为光顺倒圆角。

所述的上冲头1和下冲头2的一端分别与压机固定连接且头部与预先置于凹模3内的试样接触。

所述的左、右背压顶杆4、5的尾部分别与水平压机固定，左、右背压顶杆4、5的头部置于左型腔8以及右型腔9中靠近凹模3中心的一侧并与试样11接触。

如图2所示，所述的上冲头1和下冲头2分别置于凹模3的上型腔6以及下型腔7内，其头部与试样材料11接触。左、右背压顶杆4、5分别置于凹模的左型腔8以及右型腔9内，其头部也与试样材料接触。上、下冲头1、2受纵向驱动后分别下行和上行，使试样11在凹模心部的工作带处发生横向镦压变形，此时左、右背压顶杆4、5向内施压，给试样提供背压，并随着材料向凹模左型腔8以及右型腔9出口处后退。当上、下压头行至凹模心部型腔交接处时停止加压，完成第一道次的镦压加工。图中10为凹模角部的四个通孔，其作用是加工过程中插入棒状加热元件为凹模加热，从而保持模具和材料能够在多道次加工的时间里，维持在一个较为稳定的温度下。

第一道次镦压加工完成后变换冲头和顶杆的压力值，此时横向的左、右顶杆作为冲头，而纵向的上、下冲头作为顶杆，进行反向的第二道次镦压，当横向的顶杆行至凹模中心部位停止加压，完成第二道次加工。以此类推，将上述方法反复进行，即可实现试样的往复镦压加工。

将长、宽、高分别为100mm、100mm、20mm的镁合金块状试样11竖着放入凹模3内，并用上、下冲头1、2顶住试样的头部和尾部，通过调节上、下冲头1、2的位置调节凹模中试样的位置，使试样在上型腔6以及下型腔7中各有一半。将左、右背压顶杆4、5分别推入凹模左型腔8以及右型腔9使之与材料的侧面接触。把材料与模具一起加热到390～400℃，保温20～30分钟，用上、下冲头1、2以1mm/s的速度沿着附图中所示挤压方向，对试样进行镦压加工，左、右背压顶杆4、5同时向内施压，为加工提供背压。所述的挤压力为：50t，背压大小为：80MPa。镦压速度不变，当上、下冲头行至凹模心部型腔交接处时停止加压，完成第一道次的镦压加工。第二道次加工是反向施压，横向的左、右顶杆用作冲头，而纵向的上、下冲头用顶杆，进行反向的第二道次镦压。若横向顶杆压力有限，无法达到镦压所需吨位，还有一种方法是，90°翻转模具后，依然用上、下冲头进行镦压。这两种方式原理是相同的。以此类推，将上述方法反复进行，即可实现试样的往复镦压加工。

完成指定道次的加工后，退出一个方向的背压顶杆，用另一个背压顶杆将试样顶出模具，取得加工完后的试样，使之在空气中冷却。清理模具，并涂上下次加工所需润滑剂，完成加工。

Claims (8)

1.一种带背压式四向往复镦压装置，包括：上冲头、下冲头、凹模、左背压顶杆和右背压顶杆，其特征在于：凹模为正六面体结构，该凹模内分别设有上、下、左、右四个长相等且对称分布并相交于凹模的中心的型腔上、下冲头分别位于凹模的上、下型腔内，左、右背压顶杆分别位于凹模的左、右型腔。

2.根据权利要求1所述的带背压式四向往复镦压装置，其特征是，所述的型腔的截面为长方形且四个型腔的截面相同，上、下型腔的高度与左、右型腔的宽度相等且上、下型腔的宽度与左、右型腔的高度相等。

3.根据权利要求2所述的带背压式四向往复镦压装置型腔的形状，亦可采用上、下型腔的高度与左、右型腔的宽度相等，但上、下型腔的宽度与左右型腔的高度不等的形式。

4.根据权利要求1所述的带背压式四向往复镦压装置，其特征是，所述的上、下型腔和左、右型腔的连接处设有工作带，该工作带为光顺倒圆角。

5.根据权利要求1所述的带背压式四向往复镦压装置，其特征是，所述的上冲头和下冲头的一端分别与压机固定连接且头部与预先置于凹模内的试样接触。

6.根据权利要求1所述的带背压式四向往复镦压装置，其特征是，所述的左、右背压顶杆的尾部分别与水平压机固定，左、右背压顶杆的头部置于左、右型腔中靠近凹模中心的一侧并与试样接触。

7.一种根据权利要求1所述装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将上、下冲头分别下行和上行加压，对预先置于凹模中心的试样进行双向挤压，使试样通过凹模心部，型腔连接处的工作带向左、右型腔发生镦压变形；

第二步，试样在受到上、下冲头的压力下向左右型腔发生镦压变形，利用左、右型腔的背压顶杆对试样施加背压，当上、下冲头行至凹模心部的型腔交接处时，停止加压，完成第一道次镦压加工；

第三步，将左、右背压顶杆作为冲头且将上、下冲头作为背压顶杆，对材料进行反向镦压，当左、右冲头行至凹模心部时停止加压，完成第二道次加工；

第四步，反复第二步和第三步若干次，实现带背压式往复镦压加工。

8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征是，所述的试样的长度和宽度分别等于型腔的横截面的长度，试样的高度等于型腔的横截面的宽度，在放置试样前先进行预热并保温，同时该试样在整个镦压过程中维持温度不变，直到加工结束。

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