CN103252377A - 纯钛等通道径角挤压的模具及工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种纯钛等通道径角挤压的模具，其采用整体凹模设计，所述凹模包括有凹模主体、凹模底座及凹模盖板，所述纯钛等通道径角挤压的模具包括有一等径角通道，所述凹模主体包含有该等径角通道，所述凹模盖板包含有该等径角通道的一个侧面，所述凹模主体和凹模盖板通过螺栓和螺母紧固，本发明纯钛等通道径角挤压的模具采用了新的整体性凹模的模具结构，使得模具能承受的挤压力增大；采用了等温挤压技术，能满足硬度较高、塑性较低的密排六方结构纯钛及其合金的等通道径角的挤压；模具结构相对简单、便于通道的润滑和故障处理，模具寿命得到了一定程度的提高。

Description

纯钛等通道径角挤压的模具及工艺方法

技术领域

本发明涉及一种等通道径角挤压的模具及工艺方法，尤其涉及一种纯钛等通道径角挤压的模具及工艺方法，属于塑性加工装备领域。

背景技术

通道径角挤压技术（ECAP）是一种剧烈塑性变形引起晶粒细化和机械性能提高的方法。经过近几十年的研究，ECAP方法已发展成为当今科学界公认的行之有效的大塑性变形方法之一，它能够使材料的晶粒细化至亚微米甚至纳米级，在提高材料的极限强度的同时，其塑性基本没有降低或者只是轻微的下降。鉴于此技术的突出优点，它被越来越多地应用于工程领域，被用来提高常规材料的性能。国内外学者近期热衷于纯钛的等通道挤压的研究，纯钛由于具有高的比强度和高的耐腐蚀性是优质的生物医用材料，然而，纯钛的强度和疲劳性能还比较低，难以应用于植入体等需要高强度、高耐疲劳的场合，采用ECAP方法对纯钛进行处理满足了上述要求，而且，由于亚微米晶粒的晶界面积的大幅提高，导致其生物活性的增加，有利于生物相容性的提高，为ECAP技术成功地应用于高性能医用植入体的制造创造了条件。

ECAP模具是由两个互成角度的具有相同形状和面积的横截面的通道相交接而成，被加工材料从弯道里被剪切挤出。研究表明，模具角度（包括外角和内角）、挤压道次、挤压路径、试验温度对材料的细化效果和均匀程度具有影响作用，而且温度、通道摩擦、挤压速度的不同会对挤压力和模具的有效使用产生影响，因此模具结构的优化设计和工艺参数的选择对于提高模具的寿命最为重要。由于模具设计和工艺参数选择的不足而造成压头在通道内折弯和断裂，导致模具失效不乏先例。国内有研究者采用大的ECAP转角在室温对纯钛进行等通道径角挤压，可以推测，室温ECAP的挤压力将非常大，需要配备的压力机的吨位也要相应地增大，模具结构的复杂性增加。ECAP过程的润滑能减少摩擦力，从而降低挤压力，所以便于通道的润滑也是模具设计中需要考虑的因素。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

发明内容

本发明提供一种纯钛等通道径角挤压的模具及工艺方法，其采用高效和简易的纯钛等通道径角挤压的模具及工艺方法，对纯钛成功地进行了多道次的挤压。

本发明采用如下技术方案：一种纯钛等通道径角挤压的模具，其采用整体凹模设计，所述凹模包括有凹模主体、凹模底座及凹模盖板，所述纯钛等通道径角挤压的模具包括有一等径角通道，所述凹模主体包含有所述等径角通道，所述凹模盖板包含有所述等径角通道的一个侧面，所述凹模主体和凹模盖板通过螺栓和螺母紧固。

所述等径角通道整体埋入模具中。

所述纯钛等通道径角挤压的模具还包括有设置于所述等径角通道一侧的取料销孔。

所述等径角通道上形成内角和外角两个角度，所述内角为105°，外角为90°。

所述纯钛等通道径角挤压的模具还包括有用以保证所述纯钛等通道径角挤压的模具等温挤压的隔热和精度要求的垫块、隔热材料和卡位销。

本发明还采用如下技术方案：一种纯钛等通道径角挤压的模具的工艺方法，其特征在于： 

对等径角通道和待挤压件进行表面润滑；

安装压头及辅助装置；

安装凹模主体和并调试模具；

安装凹模盖板，通过螺栓和螺母紧固凹模主体和凹模盖板；

安装小型电阻加热炉，并加热，到温后保温，并放入待挤压件；

均温后进行慢速挤压；

挤压结束后，卸下凹模盖板，从取料销孔将挤压件顶出。

本发明具有如下有益效果：

（1）. 采用了新的整体性凹模的模具结构，使得模具能承受的挤压力增大；

（2）. 采用了等温挤压技术，能满足硬度较高、塑性较低的密排六方结构纯钛及其合金的等通道径角的挤压；

（3）. 模具结构相对简单、便于通道的润滑和故障处理，模具寿命得到了一定程度的提高。

附图说明

图1为本发明纯钛等通道径角挤压的模具中的凹模结构示意图。

图2为图1所示纯钛等通道径角挤压的模具中的凹模结构的俯视图。

图3为图1所示纯钛等通道径角挤压的模具的加热装置以及凹模/压力机平台的连接示意图。

其中：

1-等径角通道、2-通孔、3-凹模主体、4-凹模底座、5-凹模盖板、6-卡位孔 、7-夹紧孔、8-取料销孔、9-垫板、10-小型电阻加热炉、11-紧固螺栓螺母、12-垫块、13-卡位销、14-隔热材料、15-压头、16-待挤压件，挤压件、φ-内角、ψ=-外角。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行具体描述。

请参照图1至图2所示，本发明纯钛等通道径角挤压的模具采用了整体凹模的设计，即整体加工出凹模的凹模主体3和凹模底座4，凹模设置在具有隔热功能的垫板9上，并用紧固螺栓螺母11固定。整个凹模由两部分构成，一部分为含有等径角通道1的凹模主体3，另一部分为含有等径角通道1的一个侧面的凹模盖板5（如图2所示），且该两部分通过高强度螺栓和螺母紧固（未图示）。其中含有通道部分的凹模主体3是主要的受力件，此部分与凹模底座4为一整体，这样的结构增加了纯钛等通道径角挤压的模具的刚度。本发明纯钛等通道径角挤压的模具的通道为整体结构，用电火花加工方法制得，整体埋在凹模中，不存在弯道的分割问题，此种结构有利于模具承受较大的挤压力，实现纯钛的ECAP挤压。

请参照图1所示，本发明凹模主体3含有等径角通道1，其通过将一整体材料沿等径角通道1一棱边剖开再将凹模盖板5沿底座切下而成。其采用弯道镶嵌的设计方法，通过电火花加工方法制造，保证了模具结构的整体性。主要的等径角通道1整体埋入模具，此设计使得模具承受的挤压力增加，模具的刚度增加，可对纯钛等强度高的材料进行挤压。这些结构的运用使模具的结构极为简约，能承受的挤压力的大幅增加，保证了模具的可靠性，采用这样的剖面结构也方便了挤压前工作面的润滑，直接把凹模盖板5拿开就可以操作，无需借助其它设备，同时故障处理也很容易。

本发明中凹模主体3和凹模盖板5采用十个高强度螺栓紧固装置（未图示），纯钛等通道径角挤压的模具所受挤压力被平分到各个紧固装置，保证了ECAP过程的可靠性。

请参照图1至图2并结合图3所示，本发明纯钛等通道径角挤压的模具为了减小挤压力，增加纯钛的塑性，采用了等温挤压技术。在ECAP凹模的外部装备了小型电阻加热炉10，采用凹模和待挤压件16同时加热的等温挤压法（在这里需要指出的是，在挤压之前为待挤压件16，挤压之后为挤压件16）。温度范围在400～450°C之间。通过多次试验表明，此温度范围能够同时兼顾ECAP挤压力的减小和细晶效果。由于纯钛等通道径角挤压的模具设置在液压机的工作台上，所以增加了凹模（包括凹模主体3、凹模底座4及凹模盖板5）与工作台间的隔热措施。而压头15不加热，这样有利于压头承受较大的挤压力，增加了压头的寿命。

请参照图1所示，N道次ECAP处理产生的应变量由公式

                                                 

计算，设计了φ=105°，ψ=90°的转角，N道次总的应变量得到提高。

一道次结束，试样的取出采用取料销结构。在凹模通道的挤出通道一侧，设计了取料销，在试样的一道次挤压后，用锤子敲打取料销就可以将试样取出，这样可以继续进行下一道次的挤压。

本发明纯钛等通道径角挤压的模具弯角参数采用内角105°，外角90°。采用这种参数结构可以使ECAP钛及钛合金高强度材料的模具既满足大变形要求，又减小了对模具的冲击，由于在挤压过程中模具的冲击力的减小，模具的重复利用性大大增强，提高了模具的寿命，在一定程度上降低了模具成本。

本发明纯钛等通道径角挤压的模具首次采用内角为105°，外角90°的参数设计模具，它很好的规避了应变量小和模具所受冲击、磨损大之间的矛盾。成功实现了纯钛及其合金的ECAP处理，通过大剪切变形，提高了纯钛的生物相容性和机械性能。

本发明纯钛等通道径角挤压的模具首次采用整体凹模的设计方法，包括沿方形横截面剖开生产模具的技术，以及将整个弯道镶嵌在凹模中的方法，这样的设计不仅仅是结构简单，而且模具孔道润滑很容易，故障处理简单，大大增大了模具的重复利用性，不会因为一次挤压材料不顺利而导致模具功能丧失的状况，延长了模具的使用寿命。

为减少摩擦力，对通道的四个表面进行了抛光处理，通道的表面光洁度达到IT3（机械抛光能达到的粗糙度），在进行挤压前，对试样进行表面的打磨和抛光处理；在试验前应用MoS₂固体粉末对通道表面和试样表面进行润滑处理。

为解决模具整体性和凹模/压力机平台间的隔热，请参照图3所示，本发明纯钛等通道径角挤压的模具设计了兼顾模具整体性和隔热效果的结构，除了采用焊接在垫板9中的紧固螺栓和螺母即紧固螺栓螺母将凹模和垫板9紧固，还采用卡位销13限制凹模的位移。在夹层中加入具有隔热效果的隔热材料14，并应用高强度的垫块12保证模具的强度。

本发明纯钛等通道径角挤压的模具的工艺方法，其包括有如下步骤：对等径角通道和待挤压件进行表面润滑；安装压头及辅助装置；安装凹模主体和并调试模具；安装凹模盖板，通过螺栓和螺母紧固凹模主体和凹模盖板；安装小型电阻加热炉，并加热，到温后保温，并放入待挤压件；均温后进行慢速挤压；挤压结束后，卸下凹模盖板，从取料销孔将挤压件顶出。

本发明纯钛等通道径角挤压的模具采用了新的整体性凹模的模具结构，使得模具能承受的挤压力增大；采用了等温挤压技术，能满足硬度较高、塑性较低的密排六方结构纯钛及其合金的等通道径角的挤压；模具结构相对简单、便于通道的润滑和故障处理，模具寿命得到了一定程度的提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种纯钛等通道径角挤压的模具，其采用整体凹模设计，所述凹模包括有凹模主体、凹模底座及凹模盖板，其特征在于：所述纯钛等通道径角挤压的模具包括有一等径角通道，所述凹模主体包含有所述等径角通道，所述凹模盖板包含有所述等径角通道的一个侧面，所述凹模主体和凹模盖板通过螺栓和螺母紧固。

2.如权利要求1所述的纯钛等通道径角挤压的模具，其特征在于：所述等径角通道整体埋入模具中。

3.如权利要求1所述的纯钛等通道径角挤压的模具，其特征在于：所述纯钛等通道径角挤压的模具还包括有设置于所述等径角通道一侧的取料销孔。

4.如权利要求3所述的纯钛等通道径角挤压的模具，其特征在于：所述等径角通道上形成内角和外角两个角度，所述内角为105°，外角为90°。

5.如权利要求4所述的纯钛等通道径角挤压的模具，其特征在于：所述纯钛等通道径角挤压的模具还包括有用以保证所述纯钛等通道径角挤压的模具等温挤压的隔热和精度要求的垫块、隔热材料和卡位销。

6.一种纯钛等通道径角挤压的模具的工艺方法，其特征在于： 

对等径角通道和待挤压件进行表面润滑；

安装压头及辅助装置；

安装凹模主体和并调试模具；

安装凹模盖板，通过螺栓和螺母紧固凹模主体和凹模盖板；

安装小型电阻加热炉，并加热，到温后保温，并放入待挤压件；

均温后进行慢速挤压；

挤压结束后，卸下凹模盖板，从取料销孔将挤压件顶出。

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