CN103551415A - 一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法，它涉及一种大塑性变形技术的装置及方法，以解决现有挤扭工艺需要在两侧往复多次加载后才能达到晶粒细化且生产效率低的问题。装置：第一挤扭模由上至下依次为第一大截面矩形通道、第一棱锥螺旋通道和第一小截面矩形通道，第一棱锥螺旋通道的截面积由上至下逐渐减小，第一棱锥螺旋通道的截面为矩形，第一冲头同轴设置在第一挤扭模的上方。方法：一、螺旋角为10°～60°，螺旋通道的长度为0.5d～3d，挤压比为4～100；二、坯料在第一冲头作用下进入第一大截面矩形通道内；三、坯料的挤扭角为90°～180°；四、完成金属材料变截面挤扭成形零件。本发明用于高性能金属材料的制备或加工成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种大塑性变形技术的装置及方法，具体涉及一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法。
背景技术
随着科技的不断进步，航空航天、汽车制造及武器装备等领域对所需金属材料的强度和性能要求也日趋增高。合金强化、形变强化、细晶强化和固溶-沉淀强化等都是改善材料组织及提高性能的主要途径。但现有研究结果表明，仅依靠一两种强化机制来实现材料综合性能提高的作用效果仍十分有限，如能通过理想加工方法实现多种机制有效地结合，不仅利于充分挖掘材料的使用性能，也是材料科学发展的必然趋势。现有大塑性变形(Severe plastic deformation,SPD)主要包括高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)、等径道挤压(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)、多向锻造(Multi-Directional Forging,MDF)、累积轧制(Accumulative Roll-Bounding,ARB)、反复折皱压直法(Repetitive Corrugation andStraightening,RCS)、往复挤压(Cyclic Extrusion Compression,CEC)和挤扭(Twist Extrusion,TE)等。大塑性变形技术具有强烈的晶粒细化能力，可直接将材料内部组织细化到亚微米乃至纳米级，是制备块体纳米超细晶材料最有前途的方法。
由于工艺自身特点所限，现有大塑性变形技术客观上都存在着一定的不足之处。以挤扭工艺为例，该方法可用来制备在某一维方向上具有较大尺寸且轮廓精度好的高性能挤压制品，由于挤扭工艺装置中的两端部截面积相同，即S1/S2=1，材料流经型腔通道时实际上仅受到了垂直于挤出方向的截面上施加的扭转剪切变形作用。为了达到晶粒充分细化的目的，需要在两侧往复多次加载来实现，效率较低，难于在生产实践中大量地应用。为此，探究和发展高性能金属材料的大塑性变形技术具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为解决现有挤扭工艺需要在两侧往复多次加载后才能达到一定的晶粒细化程度且生产效率较低的问题，而提供一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法。
金属材料变截面挤扭成形装置一：包括第一冲头和第一挤扭模，第一挤扭模由上至下依次为第一大截面矩形通道、第一棱锥螺旋通道和第一小截面矩形通道，第一棱锥螺旋通道的截面积由上至下逐渐减小，第一棱锥螺旋通道的截面为矩形，第一冲头同轴设置在第一挤扭模的上方。
利用装置一实现金属材料变截面挤扭成形的方法步骤如下：
步骤一、设定成形参数：第一棱锥螺旋通道的第一螺旋角为10°～60°，第一棱锥螺旋通道的长度为0.5d～3d，其中d为第一棱锥螺旋通道入口处矩形截面外接圆的直径，该该外接圆的直径d为30mm～100mm，第一大截面矩形通道与第一小截面矩形通道的挤压比为4～100；
步骤二、第一冲头下行施载，坯料在第一冲头的作用下进入第一大截面矩形通道内；
步骤三、第一冲头继续向下，坯料进入第一棱锥螺旋通道内，坯料在第一棱锥螺旋通道内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；
步骤四、随着挤扭过程的进行，坯料进入第一小截面矩形通道中，并从第一小截面矩形通道被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件。
金属材料变截面挤扭成形装置二：包括第二冲头和第二挤扭模，第二挤扭模由上至下依次为第二大截面矩形通道、第二大截面矩形螺旋通道、第二棱锥通道和第二小截面矩形通道，第二棱锥通道的截面积由上至下逐渐减小，第二棱锥通道的截面为矩形，第二冲头同轴设置在第二挤扭模的上方。
利用装置二实现金属材料变截面挤扭成形的方法步骤如下：
步骤一、设定成形参数：第二大截面矩形螺旋通道的第二螺旋角为10°～60°，第二大截面矩形螺旋通道的长度为0.5d～3d，其中d为第二大截面矩形螺旋通道入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，所述第二大截面矩形通道与第二小截面矩形通道的挤压比为4～100；
步骤二、第二冲头下行施载，坯料在第二冲头的作用下进入第二大截面矩形通道内；
步骤三、第二冲头继续向下，坯料进入第二大截面矩形螺旋通道内，坯料在第二大截面矩形螺旋通道内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；
步骤四、随着挤扭过程的进行，坯料进入第二棱锥通道内，并在第二棱锥通道产生挤压变形；
步骤五、随着挤压过程的进行，坯料进入第二小截面矩形通道中，并从第二小截面矩形通道被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件。
金属材料变截面挤扭成形装置三：包括第三冲头和第三挤扭模，第三挤扭模由上至下依次为第三大截面矩形通道、第三棱锥通道、第三小截面螺旋通道和第三小截面矩形通道，第三棱锥通道的截面积由上至下逐渐减小，第三棱锥通道的截面为矩形，第三冲头同轴设置在第三挤扭模的上方。
利用装置三实现金属材料变截面挤扭成形的方法步骤如下：
步骤一、设定成形参数：第三小截面螺旋通道的第三螺旋角为10°～60°，第三小截面螺旋通道的长度为0.5d～3d，其中d为第三小截面螺旋通道入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，所述第三大截面矩形通道与第三小截面矩形通道的挤压比为4～100；
步骤二、第三冲头下行施载，坯料在第三冲头的作用下进入第三大截面矩形通道内；
步骤三、第三冲头继续向下，坯料进入第三棱锥通道内，坯料在第三棱锥通道内产生挤压变形；
步骤四、随着挤压过程的进行，坯料进入第三小截面螺旋通道内，并在第三小截面螺旋通道内发生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；
步骤五、随着挤扭变形的进行，坯料进入第三小截面矩形通道中，并从第三小截面矩形通道被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件。
本发明与传统挤扭工艺相比具有以下有益效果：
一、本发明方法在受力状态和剪切变形作用形式等方面，与现有挤扭方法都有显著差异。利用本发明装置可使挤出制品在成形过程中“横向”和“纵向”同时施加很大程度的剧烈剪切变形作用，在一个挤压道次内即可达到对挤出制品晶粒组织深度细化的效果，相对于传统挤扭工艺，其效率可提高20%～60%。
二、本发明的创新之处在于挤扭模两端部截面积不同，即S1/S2>1，将此截面积的比值定义为挤压比，也就是材料流经整个型腔通道时除了沿着截面方向（横向）发生扭转剪切变形，同时沿着挤出方向（纵向）也产生了显著地剪切变形，制品实际受到的是挤压成形+扭转变形的复合作用。而现有挤扭工艺装置中的两端部截面积相同，即S1/S2=1，因此，与前者相比，材料流经型腔通道时实际上仅受到扭转剪切变形作用，晶粒细化程度及效果自然低于前者。采用本发明方法，随着变形过程的进行，试样将产生强烈塑性变形，其横截面先沿某一方向扭转一定的角度，然后再沿相反方向扭转一定的角度，一道次应变幅值大小约为该道次所获总应变量的1/2。这样可使挤出材料在一个加工道次内即获得较大变形量，从而达到致密材料、深度细化材料组织等实效，加工效率也更高。
三、本发明采用扭转变形与挤压成形的同时复合加载，使挤出坯料受到双向剪切变形共同作用，材料组织得到深度细化，力学性能也随之提高。
四、本发明可通过改变型腔两侧截面大小（即挤压比）和挤扭通道结构（螺旋角和扭转角）参数来调整挤出坯料的受力状态，达到获得理想剪切变形量的目的。
五、由于挤出截面形状可以改变，因此本发明可用于制备和加工出轮廓精度较高的异形截面挤压制品或零件。
六、本发明结构简单可靠，工艺流程短，易于在生产中实施、推广和应用。
附图说明
图1是具体实施方式一的结构主视图，图2是图1的A-A截面视图，图3是图1的B-B截面视图，图4是图1的C-C截面视图，图5是具体实施方式三的结构主视图，图6是图5的D-D截面视图，图7是图5的E-E截面视图，图8是图5的F-F截面视图，图9是图5的G-G截面视图，图10是具体实施方式五的结构主视图，图11是图10的H-H截面视图，图12是图10的I-I截面视图，图13是图10的J-J截面视图，图14是图10的K-K截面视图，图15是利用具体实施方式一的装置对坯料3进行挤扭变形过程的立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4和图15说明本实施方式，本实施方式包括第一冲头1和第一挤扭模2，第一挤扭模2由上至下依次为第一大截面矩形通道2-1、第一棱锥螺旋通道2-2和第一小截面矩形通道2-3，第一棱锥螺旋通道2-2的截面积由上至下逐渐减小，第一棱锥螺旋通道2-2的截面为矩形，第一冲头1同轴设置在第一挤扭模2的上方。挤压比为两通道截面积比值。
具体实施方式二：结合图1和图15说明本实施方式，本实施方式是利用具体实施方式一的装置实现金属材料变截面挤扭成形的方法，其步骤如下：
步骤一、设定成形参数：第一棱锥螺旋通道2-2的第一螺旋角β1为10°～60°，第一棱锥螺旋通道2-2的长度为0.5d～3d，其中d为第一棱锥螺旋通道2-2入口处矩形截面外接圆的直径，该该外接圆的直径d为30mm～100mm，第一大截面矩形通道2-1与第一小截面矩形通道2-3的挤压比为4～100；
步骤二、第一冲头1下行施载，坯料3在第一冲头1的作用下进入第一大截面矩形通道2-1内；
步骤三、第一冲头1继续向下，坯料3进入第一棱锥螺旋通道2-2内，坯料3在第一棱锥螺旋通道2-2内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；挤扭角是指挤扭变形前后坯料3横截面的旋转角度，例如：坯料3在发生扭转变形和挤压成形前，坯料3上的标记点M位于左后位置，坯料3在发生扭转变形和挤压成形后，坯料3上的标记点M位于左前位置，见图15。由于该通道为螺旋形及截面积逐渐减小，坯料3在第一棱锥螺旋通道2-2的通道内发生扭转变形和挤压变形；第一棱锥螺旋通道2-2起到芯模的作用，从而达到扭转变形与挤压成形相结合的作用效果；
步骤四、随着挤扭过程的进行，坯料3进入第一小截面矩形通道2-3中，并从第一小截面矩形通道2-3被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件4。
本实施方式的第一棱锥螺旋通道2-2使得扭转变形与挤压成形同时发生成为可能，这样更有利于材料的大塑性变形，从而使得达到组织细化，性能提高的目的。
具体实施方式三：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式是步骤一中设定第一棱锥螺旋通道2-2的第一螺旋角β1为30°，第一大截面矩形通道2-1与第一小截面矩形通道2-3的挤压比为25。这样成形零件4的挤扭角为90°。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图5、图6、图7、图8和图15说明本实施方式，本实施方式包括第二冲头11和第二挤扭模12，第二挤扭模12由上至下依次为第二大截面矩形通道12-1、第二大截面矩形螺旋通道12-2、第二棱锥通道12-3和第二小截面矩形通道12-4，第二棱锥通道12-3的截面积由上至下逐渐减小，第二棱锥通道12-3的截面为矩形，第二冲头11同轴设置在第二挤扭模12的上方。
具体实施方式五：结合图5和图15说明本实施方式，本实施方式是利用具体实施方式五的装置实现金属材料变截面挤扭成形的方法，其步骤如下：
步骤一、设定成形参数：第二大截面矩形螺旋通道12-2的第二螺旋角β2为10°～60°，第二大截面矩形螺旋通道12-2的长度为0.5d～3d，其中d为第二大截面矩形螺旋通道12-2入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，第二大截面矩形通道12-1与第二小截面矩形通道12-4的挤压比为4～100；
步骤二、第二冲头11下行施载，坯料3在第二冲头11的作用下进入第二大截面矩形通道12-1内；
步骤三、第二冲头11继续向下，坯料3进入第二大截面矩形螺旋通道12-2内，坯料3在第二大截面矩形螺旋通道12-2内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°，由于该通道为螺旋形，坯料3在第二大截面矩形螺旋通道12-2的通道内发生扭转变形；
步骤四、随着挤扭过程的进行，，坯料3进入第二棱锥通道12-3内，并在第二棱锥通道12-3产生挤压变形；第二大截面矩形螺旋通道12-2和第二棱锥通道12-3达到扭转变形与挤压成形相复合的效果；
步骤五、随着挤压过程的进行，坯料3进入第二小截面矩形通道12-4中，并从第二小截面矩形通道12-4被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件4。
本实施方式的第二大截面矩形螺旋通道12-2和第二棱锥通道12-3使得成形工件先发生扭转变形，随后进行挤压成形，这样更有利于材料产生大塑性变形，从而使得达到组织细化，性能提高的目的。
具体实施方式六：结合图5、图6和图9说明本实施方式，本实施方式是步骤一中设定第二大截面矩形螺旋通道12-2的第二螺旋角β2为30°，第二大截面矩形通道12-1与第二小截面矩形通道12-4的挤压比为25。这样成形零件4的挤扭角为90°。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图10、图11、图12、图13和图14说明本实施方式，本实施方式包括第三冲头21和第三挤扭模22，第三挤扭模22由上至下依次为第三大截面矩形通道22-1、第三棱锥通道22-2、第三小截面螺旋通道22-3和第三小截面矩形通道22-4，第三棱锥通道22-2的截面积由上至下逐渐减小，第三棱锥通道22-2的截面为矩形，第三冲头21同轴设置在第三挤扭模22的上方。
具体实施方式八：结合图10和图15说明本实施方式，本实施方式是利用具体实施方式五的装置实现金属材料变截面挤扭成形的方法，其步骤如下：
步骤一、设定成形参数：第三小截面螺旋通道22-3的第三螺旋角β3为10°～60°，第三小截面螺旋通道22-3的长度为0.5d～3d，其中d为第三小截面螺旋通道22-3入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，第三大截面矩形通道22-1与第三小截面矩形通道22-4的挤压比为4～100；
步骤二、第三冲头21下行施载，坯料3在第三冲头21的作用下进入第三大截面矩形通道22-1内；
步骤三、第三冲头21继续向下，坯料3进入第三棱锥通道22-2内，坯料3在第三棱锥通道22-2内产生挤压变形；
步骤四、随着挤压过程的进行，坯料3进入第三小截面螺旋通道22-3内，并在第三小截面螺旋通道22-3内发生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；第三棱锥通道22-2和第三小截面螺旋通道22-3相结合达到在挤压过程中同时施加扭转变形的效果；
步骤五、随着挤扭变形的进行，坯料3进入第三小截面矩形通道22-4中，并从第三小截面矩形通道22-4被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件4。
本实施方式的第三棱锥通道22-2和第三小截面螺旋通道22-3使得成形工件先发生挤压成形，随后进行扭转变形，这样更有利于材料的大塑性变形，从而使得达到组织细化，性能提高的目的。
具体实施方式九：结合图10、图11图14说明本实施方式，本实施方式的步骤一中设定第三小截面螺旋通道22-3的第三螺旋角β3为30°，所述第三大截面矩形通道22-1与第三小截面矩形通道22-4的挤压比为25。这样成形零件4的挤扭角为90°。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。
Claims (9)
1.一种金属材料变截面挤扭成形装置，其特征在于：所述装置包括第一冲头（1）和第一挤扭模（2），第一挤扭模（2）由上至下依次为第一大截面矩形通道（2-1）、第一棱锥螺旋通道（2-2）和第一小截面矩形通道（2-3），第一棱锥螺旋通道（2-2）的截面积由上至下逐渐减小，第一棱锥螺旋通道（2-2）的截面为矩形，第一冲头（1）同轴设置在第一挤扭模（2）的上方。
2.一种利用权利要求1所述装置实现金属材料变截面挤扭成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、设定成形参数：第一棱锥螺旋通道（2-2）的第一螺旋角（β1）为10°～60°，第一棱锥螺旋通道（2-2）的长度为0.5d～3d，其中d为第一棱锥螺旋通道（2-2）入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，第一大截面矩形通道（2-1）与第一小截面矩形通道（2-3）的挤压比为4～100；
步骤二、第一冲头（1）下行施载，坯料（3）在第一冲头（1）的作用下进入第一大截面矩形通道（2-1）内；
步骤三、第一冲头（1）继续向下，坯料（3）进入第一棱锥螺旋通道（2-2）内，坯料（3）在第一棱锥螺旋通道（2-2）内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；
步骤四、随着挤扭过程的进行，坯料（3）进入第一小截面矩形通道（2-3）中，并从第一小截面矩形通道（2-3）被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件（4）。
3.根据权利要求2所述金属材料变截面挤扭成形方法，其特征在于：所述步骤一中设定第一棱锥螺旋通道（2-2）的第一螺旋角（β1）为30°，第一大截面矩形通道（2-1）与第一小截面矩形通道（2-3）的挤压比为25。
4.一种金属材料变截面挤扭成形装置，其特征在于：所述装置包括第二冲头（11）和第二挤扭模（12），第二挤扭模（12）由上至下依次为第二大截面矩形通道（12-1）、第二大截面矩形螺旋通道（12-2）、第二棱锥通道（12-3）和第二小截面矩形通道（12-4），第二棱锥通道（12-3）的截面积由上至下逐渐减小，第二棱锥通道（12-3）的截面为矩形，第二冲头（11）同轴设置在第二挤扭模（12）的上方。
5.一种利用权利要求4所述装置实现金属材料变截面挤扭成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、设定成形参数：第二大截面矩形螺旋通道（12-2）的第二螺旋角（β2）为10°～60°，第二大截面矩形螺旋通道（12-2）的长度为0.5d～3d，其中d为第二大截面矩形螺旋通道（12-2）入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，所述第二大截面矩形通道（12-1）与第二小截面矩形通道（12-4）的挤压比为4～100；
步骤二、第二冲头（11）下行施载，坯料（3）在第二冲头（11）的作用下进入第二大截面矩形通道（12-1）内；
步骤三、第二冲头（11）继续向下，坯料（3）进入第二大截面矩形螺旋通道（12-2）内，坯料（3）在第二大截面矩形螺旋通道（12-2）内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；
步骤四、随着挤扭过程的进行，坯料（3）进入第二棱锥通道（12-3）内，并在第二棱锥通道（12-3）产生挤压变形；
步骤五、随着挤压过程的进行，坯料（3）进入第二小截面矩形通道（12-4）中，并从第二小截面矩形通道（12-4）被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件（4）。
6.根据权利要求5所述金属材料变截面挤扭成形方法，其特征在于：所述步骤一中设定第二大截面矩形螺旋通道（12-2）的第二螺旋角（β2）为30°，所述第二大截面矩形通道（12-1）与第二小截面矩形通道（12-4）的挤压比为25。
7.一种金属材料变截面挤扭成形装置，其特征在于：所述装置包括第三冲头（21）和第三挤扭模（22），第三挤扭模（22）由上至下依次为第三大截面矩形通道（22-1）、第三棱锥通道（22-2）、第三小截面螺旋通道（22-3）和第三小截面矩形通道（22-4），第三棱锥通道（22-2）的截面积由上至下逐渐减小，第三棱锥通道（22-2）的截面为矩形，第三冲头（21）同轴设置在第三挤扭模（22）的上方。
8.一种利用权利要求5所述装置实现金属材料变截面挤扭成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、设定成形参数：第三小截面螺旋通道（22-3）的第三螺旋角（β3）为10°～60°，第三小截面螺旋通道（22-3）的长度为0.5d～3d，其中d为第三小截面螺旋通道（22-3）入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，所述第三大截面矩形通道（22-1）与第三小截面矩形通道（22-4）的挤压比为4～100；
步骤二、第三冲头（21）下行施载，坯料（3）在第三冲头（21）的作用下进入第三大截面矩形通道（22-1）内；
步骤三、第三冲头（21）继续向下，坯料（3）进入第三棱锥通道（22-2）内，坯料（3）在第三棱锥通道（22-2）内产生挤压变形；
步骤四、随着挤压过程的进行，坯料（3）进入第三小截面螺旋通道（22-3）内，并在第三小截面螺旋通道（22-3）内发生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；
步骤五、随着挤扭变形的进行，坯料（3）进入第三小截面矩形通道（22-4）中，并从第三小截面矩形通道（22-4）被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件（4）。
9.根据权利要求8所述金属材料变截面挤扭成形方法，其特征在于：所述步骤一中设定第三小截面螺旋通道（22-3）的第三螺旋角（β3）为30°，所述第三大截面矩形通道（22-1）与第三小截面矩形通道（22-4）的挤压比为25。
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