CN102513395A - 一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具 - Google Patents

Abstract

一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，设有凸模(7)和凹模，凹模内设有一个入口通道(8)和一个与入口通道(8)转角连通的出口通道(9)，入口通道(8)和出口通道(9)具有相同的横截面，凸模(7)与入口通道(8)间隙配合，其特征是：在出口通道(9)中设有一段螺旋状型槽构成的与出口通道(9)具有相同横截面的螺旋通道(10)。本发明在工艺过程中，入口通道与出口通道形成的转角给变形提供强大的剪切作用，螺旋通道在增加工件变形时内部静水压力的同时，也提供了较大的剪切变形量，积累有效应变，提高变形均匀程度、变形金属材料室温强度及其综合力学性能，获得高性能金属材料，降低金属材料处理成本，提高其成材率。

Description

一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体地说是一种制备高性能金属材料的等径角挤扭变形(Equal Channel Angular Pressing and Torsion，简称ECAPT)工具。

背景技术

等径角挤压工艺(Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP)和挤扭工艺(TwistExtrusion，简称TE)用于大塑性变形法制备高性能金属材料。等径角挤压工艺制备高性能金属材料时，由于挤压前后试样的截面形状基本不发生改变，在材料可加工性能允许的条件下，可以对其进行重复挤压，使得材料累积获得很大的塑性变形，从而有效地细化晶粒。挤扭工艺制备高性能金属材料时，工件通过一个中间带有矩形截面(非圆)的螺旋通道，来实现大的塑性变形，扭挤后工件的尺寸与形状不发生变化，因而可以重复进行多道次挤扭，累积大的塑性应变，以细化组织，改善性能。但两者都存在单道次变形量较小、变形不均匀的问题。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种变形量大、变形均匀程度高、设备要求低、流程短，并且易于制造的制备高性能金属材料等径角挤扭模具。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，设有凸模和凹模，所述凹模内设有一个入口通道和一个与入口通道转角连通的出口通道，所述入口通道和出口通道具有相同的横截面，所述凸模与入口通道间隙配合，其特征是：在所述出口通道中设有一段螺旋状型槽构成的与出口通道具有相同横截面的螺旋通道。

本发明结构特点还在于：

所述凹模由凹模一和凹模二组成，所述凹模一和凹模二为相互配合带有通道凹槽的两个半圆柱，通过螺栓连接成整体，所述模具设有用于装入凹模的固定筒，所述固定筒为圆环筒结构，其底部固定连接在下模板座上，所述下模板座通过固定连接至压力机下工作台上；在所述固定筒上方设置凹模压板，所述凹模压板为圆环板结构，用于向下压住凹模圆柱外侧边缘结构；所述凸模被定位挂在凸模固定板上，所述凸模固定板为中间开孔的方板结构，凸模固定板固定连接在上模座板底部，所述上模座板与压力机下滑快连接。

所述螺旋通道靠近入口通道的一端与入口通道之间的水平距离小于加工工件长度。所述螺旋通道采取矩形横截面旋转一定角度α，其螺旋角度与螺距具有如下关系：

$\tan \mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\πD}}{P}---\left(1\right),$

其中，D为方形横截面螺旋通道的外接圆直径，P为螺距，β为螺旋角度；所述β取值范围为50°≥β≥10°；

所述螺距P与螺旋通道长度L的关系为：

P＝L×360/α      (2)，

其中，所述横截面旋转角α为90°的整数倍，所述螺旋通道长度L为10-50mm。

所述入口通道和出口通道横截面为矩形，所述入口通道与出口通道连通处的内角角度φ取值范围为60°≤φ≤90°，所述外角角度ψ取值范围为20°≤ψ≤60°。

所述内角角度φ为90°，外角角度ψ为：37°。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明在工艺过程中，入口通道与出口通道形成的转角给变形提供强大的剪切作用，螺旋通道在增加工件变形时内部静水压力的同时，也提供了较大的剪切变形量，积累有效应变，提高变形均匀程度、变形金属材料室温强度及其综合力学性能，获得高性能金属材料，降低金属材料处理成本，提高其成材率。

2、本发明用于金属材料的挤压改性成形，细化内部组织晶粒，改善材料性能，对于挤压粉末材料，压合孔隙，提高致密度。

3、本发明采用不同的螺旋通道长度L，可以实现不同效果的应变积累，满足不同晶粒细化效果和材料性能改善程度要求。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图1a是本发明去除上模板座的俯视图。

图2、图2a是本发明螺旋通道结构示意图。图2a中，P为螺距，β为螺旋角度，L为螺旋通道长度，α为横截面旋转角，D为方形横截面螺旋通道的外接圆直径。

图3是经一道次本发明模具(ECAPT)后的试样与现有模具(ECAP)后的变形效果比较，其中图3a为ECAP-X面、图3bECAP-Y面、图3c为ECAP-z面、图3d为ECAPT-X面、图3e为ECAPT-Y面、图3f为ECAPT-Z面。

图4是对退火态、1道次ECAP及1道次ECAPT后的试样对其中部横截面上点的硬度变化进行的显微硬度测量结果。

图5为本发明各螺旋通道长度下的载荷-行程曲线。

图6为本发明各螺旋通道长度下的载荷峰值。

图中标号：1为下模座板，2为上模座板，3为固定筒，4为凹模一，5为凹模二，6凹模压板，7为凸模，8为凸模固定板，9为入口通道，10为出口通道，11为螺旋通道，12为工件一，13为工件二，14为定位块。

以下结合附图通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

具体实施方式

参见图1、图2，扭变形模具，设有凸模7和凹模，凹模由凹模一4和凹模二5组成，凹模一4和凹模二5为相互配合带有通道凹槽的两个半圆柱，通过螺栓连接成整体，在凹模内设有一个入口通道9和一个与入口通道9转角连通的出口通道10，入口通道9和出口通道10具有相同的横截面，凸模7与入口通道9间隙配合，在出口通道10中设有一段螺旋状型槽构成的与出口通道10具有相同横截面的螺旋通道11。该模具还设有用于装入凹模的固定筒3，固定筒3为圆环筒结构，其底部固定连接在下模板座1上，下模板座1通过螺栓固定连接至压力机下工作台上；在固定筒上方设置凹模压板6，凹模压板为圆环板结构，凹模压板与固定筒4通过螺钉和定位销连接定位在固定筒4上方，用于向下压住凹模顶部外侧边缘；凸模7通过定位销定位挂在凸模固定板8上，凸模固定板8为中间开孔的方板结构，凸模固定板8固定连接在上模座板2底部，上模座板2与压力机下滑块连接。

具体实施中，螺旋通道11靠近入口通道9的一端与入口通道之间的水平距离小于加工工件长度。螺旋通道采取矩形横截面旋转一定角度α，其螺旋角度与螺距具有如下关系：

$\tan \mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\πD}}{P}---\left(1\right),$

其中，D为方形横截面螺旋通道的外接圆直径，P为螺距，β为螺旋角度；β取值范围为50°≥β≥10°；

螺距P与螺旋通道长度L的关系为：

P＝L×360/α           (2)，

其中，横截面旋转角α为90°的整数倍，如90°、180°、270°、360°等，螺旋通道长度L为10-50mm。

入口通道9和出口通道10横截面为矩形，入口通道9与出口通道10连通处的内角角度φ取值范围为60°≤φ≤90°，外角角度ψ取值范围为20°≤ψ≤60°。作为优先方案，其内角角度φ为90°，外角角度ψ为：37°。

本发明模具的使用方法：

将第一根工件一12放入模具通道入口9内，下行凸模7，凸模7进入凹模入口通道9深度需大于工件长度，回程凸模7，放入第二根工件二13，下行凸模7，凸模7进入凹模入口通道9深度需大于工件长度，再次回程凸模7，放入第三根工件，即可从出口通道出口取出第一根工件一12，完成1道次等径角挤扭变形。将完成1道次等径角挤扭的第一根工件一12继续放入模具通道入口9，再次完成等径角挤扭成形后即可得到完成2道次等径角挤扭工件，以此类推，可以完成N道次等径角挤扭工件，N≥1。定位块14用于限制凸模最大下行距离，为了防止凸模与凹模内出口通道刚性碰撞，在凹模的顶端放置定位块14用于限制凸模最大下行距离。

下面采用相同内外角(以内角角度φ为90°，外角角度ψ为：37°为例)的模具结构和相同工艺参数现有模具(ECAP)和本发明模具(ECAPT)，对纯铝进行ECAP和ECAPT实验研究，得出以下结论：(实验液压机为2000KN压扭试验机，型号为RZU200HF型；显微镜为倒置金相显微镜4XB-TV，放大400倍；显微硬度测试仪型号：MH-3)，

如图3所示，从细化效果上看，ECAP一道次后组织变的窄而长，因此细化效果不明显，ECAPT后，由于ECAP多经历了一个90°的旋转剪切变形，组织更加狭长，比初始组织与ECAP后组织在宽度方向上有细化效果。

如图4所示，对退火态、1道次ECAP及1道次ECAPT后的制件进行了显微硬度测量，对于ECAP及ECAPPT试样，分别对主要变形区横截面上的中心点及边缘点进行测量，在各处分别选5点，采用多次测量去平均值的方法，实验结果如图4所示，1道次ECAPT后，试样显微硬度迅速增大，与ECAP一样，ECAPT后边缘点的硬度小于中心处；以中心点为例，制件初始退火硬度为26.04kg/mm2，ECAP、ECAPT后的硬度为41.37kg/mm2、43.47kg/mm2，分别提高了58.87％、66.94％，且ECAPT后的硬度大于ECAP。

下面，采用相同内外角的模具结构和相同工艺参数的计算机有限元分析方法，对纯铝进行不同螺旋通道长度L的ECAPT数值模拟研究，得出以下结论：

本次有限元模拟中，分别选取螺旋通道长度L为10mm、20mm、30mm、40mm和50mm，与之相对应的螺旋角度β如表1所示。

表1螺旋通道长度与螺旋角度的对应关系

螺旋通道长度L(mm)

10

20

30

40

50

螺旋角度β(°)

47.98

29.03

20.30

15.5

12.52

不同螺旋通道长度下，试样单道次ECAPT变形过程中挤压力的变化情况如图5所示。不同螺旋通道长度下的载荷-行程曲线具有基本相同的变化趋势。随着螺旋通道长度L的减小，螺旋角度β不断增大，材料承受剪切变形的剧烈程度逐渐增加，挤压载荷峰值相应升高(图6)。当L＝10mm时，相比于传统的ECAP变形，载荷峰值由11424N上升为23300N，提高了约1倍。这对挤压设备和模具强度都提出了更高要求，在实验设计中应该予以充分考虑。

Claims (6)

1.一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，设有凸模(7)和凹模，凹模内设有一个入口通道(9)和一个与入口通道(9)转角连通的出口通道(10)，入口通道(9)和出口通道(10)具有相同的横截面，凸模(7)与入口通道(9)间隙配合，其特征是：在出口通道(10)中设有一段螺旋状型槽构成的与出口通道(10)具有相同横截面的螺旋通道(11)。

2.根据权利要求1所述的一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，其特征在于：所述凹模由凹模一(4)和凹模二(5)组成，所述凹模一(4)和凹模二(5)为相互配合带有通道凹槽的两个半圆柱，通过螺栓连接成整体，所述模具设有用于装入凹模的固定筒(3)，所述固定筒(3)为圆环筒结构，其底部固定连接在下模板座(1)上，所述下模板座(1)固定连接在压力机下工作台上；在所述固定筒上方设置凹模压板(6)，所述凹模压板为圆环板结构，用于向下压住凹模顶部外侧边缘；所述凸模(7)被定位挂在凸模固定板(8)下方，所述凸模固定板(8)为中间开孔的方板结构，凸模固定板(8)固定连接在上模座板(2)底部，所述上模座板(2)与压力机下滑块连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，其特征是：所述螺旋通道(11)靠近入口通道(9)的一端与入口通道之间的水平距离小于加工工件长度。

4.根据权利要求3所述一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，其特征是：所述螺旋通道采取矩形横截面旋转一定角度α，其螺旋角度与螺距具有如下关系：

$\tan \mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\πD}}{P}---\left(1\right),$

其中，D为方形横截面螺旋通道的外接圆直径，P为螺距，β为螺旋角度；所述β取值范围为50°≥β≥10°；

所述螺距P与螺旋通道长度L的关系为：

P＝L×360/α                (2)，

其中，所述横截面旋转角α为90°的整数倍，所述螺旋通道长度L为10-50mm。

5.根据权利要求1或4所述的一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，其特征在于：所述入口通道(9)和出口通道(10)横截面为矩形，所述入口通道(9)与出口通道(10)连通处的内角角度φ取值范围为60°≤φ≤90°，所述外角角度ψ取值范围为20°≤ψ≤60°。

6.根据权利要求5所述的一种大塑性成形工艺等径角挤扭变形模具，其特征在于：所述内角角度φ为90°，外角角度ψ为：37°。

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