CN104226711B - 一种多转角挤压模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多转角挤压模具及成形方法，属于材料挤压技术领域。该挤压模具包括冲头、螺栓、上模和下模，上模和下模均为四面体，上模的下表面设有向下的凹槽，下模的上表面设有向上的凹槽，在上模和下模的凹槽两侧均匀设有螺栓孔，上模和下模扣合，通过螺栓紧固，上模和下模的凹槽形成挤压模具型腔，挤压模具型腔为多转角挤压型腔。采用上述模具，有利于形成等轴细小晶粒；有效地克服了原有ECAP成形材料组织不均匀，工艺繁琐的难题；模具结构简单，加工容易，可以制备各种纯金属、合金、金属间化合物、各种复合材料等超细晶材料，也可以制备难变形金属，如镁合金等，实现了一道次多转角挤压技术，生产效率高。

Description

一种多转角挤压模具及成形方法

技术领域

本发明属于材料挤压技术领域，具体涉及一种多转角挤压模具及成形方法。

背景技术

等通道转角挤压（EqualChannelAngularPressing，简称ECAP）是基于剧烈塑性变形技术制备块体超细晶材料的成形方法之一。材料在ECAP模具转角处受到强烈剪切变形，并通过材料横截面尺寸不变的特性，从而实现反复挤压，累积大量应变，达到细化材料组织、提高材料综合性能的目的。尽管ECAP制备超细晶材料的研究得到了大家的共识，但也发现其变形存在不均匀的问题，在靠近内角Φ

的材料，其应变大，细化效果好，但在其外角ψ处，应变小，细化效果就差一些。另外根据相邻挤压道次间ECAP试样相对于其纵轴旋转角度，加工路径通常分为四种A，B_A，B_C和C（ActaMaterialia,1998,46:3317），但研究表明由于B_C路径ECAP试样的剪切方向相互垂直，更有利于形成等轴的大角度超细晶组织。

此外，上海交通大学在中国专利公开号分别为CN101259493、CN1709605、CN2757953、CN2757954和CN2768921的发明专利申请中提出的制备超细晶材料所用的L形、U形、C形、S形转角往复挤压模具和反复镦粗挤压模具仅仅是ECAP方法的简单形式改进，并无实质性的工业创新及解决生产问题。为克服传统ECAP技术不能连续生产的问题，国内外研究提出了很多改进的ECAP技术，如连续剪切工艺、旋转模具ECAP、反复侧边挤压、等径角轧制等方法（中国有色金属学报,2010,20(4):587）。但上述ECAP改进技术存在所需工程力大，对设备要求高等工业问题。

综上所述，传统的ECAP模具和挤压方法成形材料具有变形不均匀，一道次累积应变小的不足之处，而改进的ECAP的成形方法也存在所用设备昂贵且对设备要求高，加工成本增大等问题，如何实现一道次制备组织均匀的超细晶材料，以满足实际科研与生产的需要是当今材料研究亟待解决的难题。

发明内容

本发明旨在提供一种多转角挤压模具及成形方法，解决了现有ECAP技术中挤压坯料变形不均匀，工艺繁琐的问题。

本发明提供的一种多转角挤压模具，包括冲头、螺栓、上模和下模，上模和下模均为四面体，上模的下表面设有向下的凹槽，下模的上表面设有向上的凹槽，在上模和下模的凹槽两侧均匀设有螺栓孔，上模和下模扣合，通过螺栓紧固，上模和下模的凹槽形成挤压模具型腔，挤压模具型腔为多转角挤压型腔，所述多转角挤压型腔从挤压入口开始依次分为引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，其中各个段型腔截面均为圆形，面积相等，但其中心线不在一条直线上，相邻段的中心轴线之间有夹角，各段型腔之间采用光滑小圆弧过渡。

所述第一转角型腔两端的第一截面和第二截面的横向位移为a，所述第二转角型腔的第二截面和第三截面的纵向位移为a，所述第三转角型腔两端的第三截面和第四截面的横向位移为a，所述第四转角型腔的第四截面和第五截面的纵向位移为a。其中，a为转角型腔横截面圆形直径的1/8~1/4。

所述第一转角型腔、第二转角型腔、第三转角型腔、第四转角型腔的两端截面的垂直距离均为b；a与b的关系为：

或30°≤Arctan(b/a)≤60°；

所述螺栓均匀分布在上模、下模的两端。

本发明采用上述多转角挤压模具，实现材料的剧烈塑性变形，具体的成形方法为：

（1）将上模和下模由螺栓紧固，使上模和下模的接触面完全贴合，螺栓均匀分布，颗数根据挤压力的大小需要设计；

（2）对上模和下模形成的多转角挤压型腔涂抹冷挤压润滑剂，将第一预制坯料放入多转角挤压型腔的引导段型腔中，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，使冲头的右端面与第一预制坯料的左端面贴合，当第一预制坯料的右端面与引导段型腔的右端截面相贴合时，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，在挤压过程中，第一预制坯料在冲头的作用下，从引导段型腔向右挤压，到达引导段型腔和第一转角型腔的交接处，发生剪切变形，变成斜柱体；

（3）继续挤压，到达第一转角型腔和第二转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（4）继续挤压，到达第二转角型腔和第三转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（5）继续挤压，到达第三转角型腔和第四转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（6）继续挤压，到达第四转角型腔和整形段型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形，进入到整形段型腔，并恢复为原来的圆柱形状，完成第一预制坯料的半挤压成形；

（7）重复以上步骤（2），将第二预制坯料放入到引导段型腔，并通过冲头的挤压作用，第二个预制坯料依次经过引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，在第二预制坯料的挤压作用下，第一预制坯料从整形段型腔挤出，完成第一预制坯料的挤出成形，同时完成了第二预制坯料的半挤压成形。

同样地，继续放入第三预制坯料，第四预制坯料，……，从而完成更多预制坯料的挤压成形与该阶段的半挤压成形。

本发明采用的多转角挤压模具和挤压方法，经过多道次挤压制备出了均匀的超细晶材料，由于特殊的转角型腔，使得每次的挤压剪切方向相互垂直，这有利于形成等轴细小晶粒，和ECAP的Bc路径很相似。另外，尽管为多转角型腔，但由于每个转角的角度并不大，且转角的挤压行程很短，所需的挤压力也不大。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用的多转角挤压模具和挤压方法，有利于形成等轴细小晶粒；

（2）采用该挤压模具对材料进行一道次的多转角挤压，相当于四道次的传统的ECAP变形，所以可实现一道次挤压累积大塑性应变；有效地克服了原有ECAP成形材料组织不均匀，工艺繁琐的难题；

（3）模具结构简单，加工容易，可以制备各种纯金属、合金、金属间化合物、各种复合材料等超细晶材料，也可以制备难变形金属，如镁合金等，实现了一道次多转角挤压技术，生产效率高。

附图说明

图1本发明多转角挤压模具的结构示意图。

图2为图1的分解示意图。

图3为本发明冲头、预制坯料的结构示意图。

图4为模具型腔结构示意图。

图5为本发明模具型腔结构空间位置示意图。

图6为实施例1中等效应变的分布情况。

图7为实施例1中试样横截面金相图。

图中，1.上模；2.下模；3.冲头；4.预制坯料；5.螺栓；6.螺栓孔；7.引导段型腔；8.第一转角型腔；9.第二转角型腔；10.第三转角型腔；11.第四转角型腔；12.整形段型腔。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~5所示，一种多转角挤压模具，包括冲头3、螺栓5、上模1和下模2，上模1和下模2均为四面体，上模1的下表面设有向下的凹槽，下模2的上表面设有向上的凹槽，在上模1和下模2的凹槽两侧均匀设有螺栓孔6，上模1和下模2扣合，通过螺栓5紧固，上模1和下模2的凹槽形成挤压模具型腔，挤压模具型腔为多转角挤压型腔；如图4所示，所述多转角挤压型腔从挤压入口开始依次分为引导段型腔7，第一转角型腔8，第二转角型腔9，第三转角型腔10，第四转角型腔11和整形段型腔12，其中各个段型腔截面均为圆形，面积相等，但其中心线不在一条直线上，相邻段的中心轴线之间有夹角，各段型腔之间采用光滑小圆弧过渡。

所述第一转角型腔8两端的第一截面和第二截面的横向位移为a，所述第二转角型腔9的第二截面和第三截面的纵向位移为a，所述第三转角型腔10两端的第三截面和第四截面的横向位移为a，所述第四转角型腔11的第四截面和第五截面的纵向位移为a。其中，a为转角型腔横截面圆形直径的1/6。

所述第一转角型腔、第二转角型腔、第三转角型腔、第四转角型腔的两端截面的垂直距离均为b；a与b的关系为：

或Arctan(b/a)=45°；

所述螺栓均匀分布在上模、下模的两端，螺栓的个数为10个。

本实施例采用上述多转角挤压模具，实现工业纯铜的剧烈塑性变形，具体的成形方法为：

（1）将上模和下模由螺栓紧固，使上模和下模的接触面完全贴合，螺栓均匀分布；

（2）对上模和下模形成的多转角挤压型腔涂抹冷挤压润滑剂，将第一预制坯料放入多转角挤压型腔的引导段型腔中，冲头以8mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，使冲头的右端面与第一预制坯料的左端面贴合，当第一预制坯料的右端面与引导段型腔的右端截面相贴合时，冲头以8mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，在挤压过程中，第一预制坯料在冲头的作用下，从引导段型腔向右挤压，到达引导段型腔和第一转角型腔的交接处，发生剪切变形，变成斜柱体；

（3）继续挤压，到达第一转角型腔和第二转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（4）继续挤压，到达第二转角型腔和第三转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（5）继续挤压，到达第三转角型腔和第四转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（6）继续挤压，到达第四转角型腔和整形段型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形，进入到整形段型腔，并恢复为原来的圆柱形状，完成第一预制坯料的半挤压成形；

（7）重复以上步骤（2），将第二预制坯料放入到引导段型腔，并通过冲头的挤压作用，第二个预制坯料依次经过引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，在第二预制坯料的挤压作用下，第一预制坯料从整形段型腔挤出，完成第一预制坯料的挤出成形，同时完成了第二预制坯料的半挤压成形。

同样地，继续放入第三预制坯料，第四预制坯料，……，从而完成更多预制坯料的挤压成形与该阶段的半挤压成形。

本实施例采用DEFORM-3D对工业纯铜坯料多转角挤压过程进行数值可视化模拟，获得其等效应变的分布情况如图6所示，可以看到随着多转角挤压的进行，坯料横截面的等效应变分布渐变趋于均匀化。

从多转角挤压工业纯铜各转角处的试样进行横截面金相进行观察（选取横截面圆周部位），如图7所示，可以看到坯料横截面圆周部位的晶粒细化部位越来越大，即细化越来越均匀。

Claims (6)

1.一种多转角挤压模具，包括冲头、螺栓、上模和下模，上模和下模均为四面体，上模的下表面设有向下的凹槽，下模的上表面设有向上的凹槽，在上模和下模的凹槽两侧均匀设有螺栓孔，上模和下模扣合，通过螺栓紧固，上模和下模的凹槽形成挤压模具型腔，其特征在于：所述挤压模具型腔为多转角挤压型腔，所述多转角挤压型腔从挤压入口开始依次分为引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，其中各个段型腔截面均为圆形，面积相等，但其中心线不在一条直线上，相邻段的中心轴线之间有夹角，各段型腔之间采用光滑小圆弧过渡。

2.根据权利要求1所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述第一转角型腔两端的第一截面和第二截面的横向位移为a，所述第二转角型腔的第二截面和第三截面的纵向位移为a，所述第三转角型腔两端的第三截面和第四截面的横向位移为a，所述第四转角型腔的第四截面和第五截面的纵向位移为a。

3.根据权利要求2所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述a为转角型腔横截面圆形直径的1/8~1/4。

4.根据权利要求2所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述第一转角型腔、第二转角型腔、第三转角型腔、第四转角型腔的两端截面的垂直距离均为b；a与b的关系为：

。

5.根据权利要求1所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述螺栓均匀分布在上模、下模的两端。

6.一种采用权利要求1~5任一项所述的多转角挤压模具的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将上模和下模由螺栓紧固，使上模和下模的接触面完全贴合，螺栓均匀分布，颗数根据挤压力的大小需要设计；

（2）对上模和下模形成的多转角挤压型腔涂抹冷挤压润滑剂，将第一预制坯料放入多转角挤压型腔的引导段型腔中，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，使冲头的右端面与第一预制坯料的左端面贴合，当第一预制坯料的右端面与引导段型腔的右端截面相贴合时，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，在挤压过程中，第一预制坯料在冲头的作用下，从引导段型腔向右挤压，到达引导段型腔和第一转角型腔的交接处，发生剪切变形，变成斜柱体；

（3）继续挤压，到达第一转角型腔和第二转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（4）继续挤压，到达第二转角型腔和第三转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（5）继续挤压，到达第三转角型腔和第四转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；

（6）继续挤压，到达第四转角型腔和整形段型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形，进入到整形段型腔，并恢复为原来的圆柱形状，完成第一预制坯料的半挤压成形；

（7）重复以上步骤（2），将第二预制坯料放入到引导段型腔，并通过冲头的挤压作用，第二个预制坯料依次经过引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，在第二预制坯料的挤压作用下，第一预制坯料从整形段型腔挤出，完成第一预制坯料的挤出成形，同时完成了第二预制坯料的半挤压成形。