CN104874629B - 一种等通道u形挤压模具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等通道U形挤压模具及方法，属于材料加工领域。该模具包括螺栓和瓣模，两个瓣模在分型面处完全贴合，两个瓣模上对应位置分别设有螺栓孔，二者通过螺栓紧固；其特征在于：两个瓣模贴合后中心形成等通道U形挤压模腔，挤压模腔按照材料成形过程依次分为模腔引导段I、模腔渐变段I、模腔渐转段I、模腔弯曲段、模腔渐转段II、模腔渐变段II和模腔引导段II，各段模腔之间光滑过渡，并且各段横截面的面积相等。本发明通过设置等通道U形挤压型腔，产生了显著的晶粒细化效果，而且具有模具结构简单，加工方法容易，可连续变形等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种等通道U形挤压模具及方法，属于材料加工领域。
背景技术
近20年来，随着剧烈塑性变形（SPD）技术的兴起，将材料粗晶粒直接细化到亚微米乃至纳米级晶粒成为可能，并且由SPD技术制备的超细晶材料表现出优异的力学性能和使用性能。在各种各样的SPD工艺方法中，等通道转角挤压（ECAP）技术是SPD技术中发展最为快速的技术之一。材料ECAP成形过程中，可在模具通道交角产生近似于纯剪切的塑性变形，这类变形模式十分有利于材料的细化。由于ECAP模具的几何特点，材料可实现多道次挤压，从而累积得到更大的等效塑性应变，材料晶粒达到进一步细化，性能综合改善的目的。
常规ECAP变形只含有一个与轴向呈45°~60°角的剪切平面，近年来，ECAP得到不断改进与变形。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和解决生产问题。如何实现ECAP成形功效最大化，制备出性能优异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
本发明的目的在于提供一种等通道U形挤压方法及模具，该发明操作方便、可连续成形，工业实用性强。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种等通道U形挤压模具，包括螺栓和瓣模，两个瓣模在分型面处完全贴合，两个瓣模上对应位置分别设有螺栓孔，二者通过螺栓紧固；两个瓣模贴合后中心形成等通道U形挤压模腔，挤压模腔依次为模腔引导段I、模腔渐变段I、模腔渐转段I、模腔弯曲段、模腔渐转段II、模腔渐变段II和模腔引导段II，各段模腔之间光滑过渡，并且各段横截面的面积相等；
位于U形挤压模腔一侧的模腔引导段I、模腔渐变段I、模腔渐转段I中心轴线同轴，位于U形挤压通道另一侧的模腔引导段II、模腔渐变段II、模腔渐转段II的中心轴线同轴，位于U形挤压模腔下端的模腔弯曲段具有半圆弧的中心轴线，两直线型中心轴线与半圆弧的中心轴线平滑过渡相接。
所述模腔引导段I为等径圆通道，其截面为圆形，直径为D，模腔引导段I长度为3D~5D；
所述模腔渐变段I为任意横截面面积均相等的光滑过渡通道，该段模腔的横截面形状从圆形过渡到正N边形，与模腔引导段I相接的端面为圆形截面，与模腔渐转段I相接的端面为正N边形截面，模腔渐变段I的长度为0.1D~0.2D；
所述模腔渐转段I的任意横截面均为形状和面积相同的正N边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，模腔渐转段I的两个端面分别与模腔渐变段I和模腔弯曲段相接，两端面在竖直方向上有360°/N的扭转，模腔渐转段I的长度为0.2D~0.5D；
所述模腔弯曲段的任意横截面均为形状和面积相同的正N边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，两端面在竖直方向上有360°/N的扭转，该弯曲段为半圆弧结构，圆弧的内径为1.5D~2.5D，圆弧的外径比圆弧的内径大2D；
所述模腔渐转段II的任意横截面均为形状和面积相同的正N边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，模腔渐转段II的两个端面分别与模腔渐变段II和模腔弯曲段相接，两端面在竖直方向上有360°/N的扭转，模腔渐转段II的长度与模腔渐转段I的长度相等；
所述模腔渐变段II为任意横截面面积均相等的光滑过渡通道，该段模腔的横截面形状从正N边形过渡到圆形，与模腔渐转段II相接的端面为正N边形截面，与模腔引导段II相接的端面为圆形截面，模腔渐变段II的长度与模腔渐变段I的长度相等；
所述模腔引导段II为等径圆通道，其截面为圆形，直径为D，模腔引导段II的长度与模腔引导段I的长度相等；
所述N为偶数，且N≥4，相邻扭转面的扭转角为360°/N。
本发明模具使用过程中需要两个挤压杆，第一挤压杆和第二挤压杆分别位于U形挤压等截面通道的模腔引导段I和模腔引导段II中，可以自由进出两模腔引导段。挤压杆与挤压动力机构相连接，挤压动力机构为现有成熟技术。
本发明提供了一种采用上述模具进行的等通道U形挤压方法，包括以下步骤：
（1）采用本发明模具对坯料进行挤压时，将第一根待挤压坯料放入模腔引导段I中，在模腔引导段I中第一挤压杆的作用下，第一根待挤压坯料进入模腔渐变段I；
（2）当第一根待挤压坯料完全进入模腔渐变段I时，将第二根待挤压坯料放入模腔引导段I中，随着模腔引导段I中第一挤压杆的挤压作用，第一根待挤压坯料、第二根待挤压坯料依次进入模腔渐转段I，当第二根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段I时，完成第一根、第二根挤压坯料的第一道次挤压变形；
（3）在第一挤压杆的作用下，第一根待挤压坯料、第二根待挤压坯料依次进入模腔弯曲段、模腔渐转段II、模腔渐变段II；第一根待挤压坯料进入模腔引导段II中；
（4）模腔引导段II中的第二挤压杆开始进行挤压，当模腔引导段II中第一根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段II时，此时完成第一根、第二根待挤压坯料的第二道次挤压变形；
（5）此后，模腔引导段I中第一挤压杆开始进行挤压，当模腔引导段I中第二根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段I时，此时完成第一根、第二根挤压坯料的第三道次挤压变形；
（6）依照上述重复进行，可同时完成两根坯料的挤压变形。
（7）依照前述步骤（1）（2）放入第三根和第四根待挤压坯料，第一根和第二根挤压坯料就被挤出，结束第一根和第二根坯料的挤压变形，并同时完成第三根和第四根待挤压坯料的第一道次挤压变形；
反复进行以上过程，完成更多坯料的挤压变形。
所述待挤压坯料的形状尺寸与模腔引导段I的形状尺寸相同，挤压坯料横截面圆形的直径为D。
待挤压坯料长度是模腔引导段I的长度的0.6~0.9倍。
采用本发明方法，可在传统ECAP技术单一剪切平面的基础增加两个剪切平面，这样变形材料不仅具有圆弧过渡段的斜面剪切平面，还具有另外两个简单剪切平面，分别垂直和平行于其轴线方向，剪切平面的增加可增强材料的成形效率和晶粒细化能力；此外，变形材料横截面应变梯度很大，大的应变梯度有利于细化材料晶粒并提高其韧性，所以材料的变形效率更高。等通道U形挤压模具的螺旋通道引起变形材料表面呈现明显的非单调变化，即压入通道时，表面尺寸增大70%~80%，挤出通道时，表面又将恢复原状，因此可利用该方法，将不同的金属元素渗入到材料表层。
本发明通过设置等截面通道U形挤压型腔，产生了显著的晶粒细化效果，而且具有模具结构简单，加工方法容易，可连续变形等优点，适用于纯金属、合金、金属基复合材料、高分子材料等产品的制备。适当提高模具和材料的加热温度或者修改模具的结构参数，就可对难变形材料，如镁合金等进行加工。
附图说明
图1为本发明的模具挤压型腔结构示意图。
图2为图1中各个端面的截面示意图。
图3为本发明模具的剖视图。
图4为图3中沿A-A线的剖视图。
图5为AZ31镁合金两道次挤压变形前后的组织图。
图中：1. 模腔引导段I，2.模腔渐变段I，3.模腔渐转段I，4.模腔弯曲段，5.模腔渐转段II，6.模腔渐变段II，7.模腔引导段II，8.第一挤压杆，9.瓣模，10.螺栓，11.第二挤压杆。
具体实施方式
本实施例利用本发明的成形模具和方法对直径10mm，长度为25mm的AZ31镁合金进行等截面通道U形挤压变形。
本实施例所使用的等通道U形挤压模具，包括螺栓10和瓣模9，两个瓣模9在分型面处完全贴合，两个瓣模9上对应位置分别设有螺栓孔，二者通过螺栓10紧固；两个瓣模9贴合后中心形成等通道U形挤压模腔，挤压模腔依次分为模腔引导段I 1、模腔渐变段I 2、模腔渐转段I 3、模腔弯曲段4、模腔渐转段II 5、模腔渐变段II 6和模腔引导段II 7，各段模腔之间光滑过渡，并且各段横截面的面积相等；
位于U形挤压模腔一侧的模腔引导段I 1、模腔渐变段I 2、模腔渐转段I 3中心轴线同轴，位于U形挤压通道另一侧的模腔引导段II 7、模腔渐变段II 6、模腔渐转段II 5的中心轴线同轴，位于U形挤压模腔下端的模腔弯曲段4具有半圆弧的中心轴线，两直线型中心轴线与半圆弧的中心轴线平滑过渡相接。
所述模腔引导段I 1为等径圆通道，其截面为圆形，直径为10mm，模腔引导段I 1长度为30mm；
所述模腔渐变段I 2为任意横截面面积均相等的光滑过渡通道，该段模腔的横截面形状从圆形过渡到正八边形，与模腔引导段I 1相接的端面为圆形截面，与模腔渐转段I 3相接的端面为正八边形截面，模腔渐变段I 2的长度为2mm；
所述模腔渐转段I 3的任意横截面均为形状和面积相同的正八边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，模腔渐转段I 3的两个端面分别与模腔渐变段I 2和模腔弯曲段4相接，两端面在竖直方向上有45°的扭转（本发明采用的是正八边形，边数N为8，所述扭转角度为360°/8=45°），模腔渐转段I 3的长度为5mm；
所述模腔弯曲段4的任意横截面均为形状和面积相同的正八边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，两端面在竖直方向上有45°的扭转，该弯曲段为半圆弧结构，圆弧的内径为15mm，圆弧的外径为35mm；
所述模腔渐转段II 5的任意横截面均为形状和面积相同的正八边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，模腔渐转段II 5的两个端面分别与模腔渐变段II 6和模腔弯曲段4相接，两端面在竖直方向上有45°的扭转，模腔渐转段II 5的长度与模腔渐转段I 3的长度相等；
所述模腔渐变段II 6为任意横截面面积均相等的光滑过渡通道，该段模腔的横截面形状从正八边形过渡到圆形，与模腔渐转段II 5相接的端面为正八边形截面，与模腔引导段II 7相接的端面为圆形截面，模腔渐变段II 6的长度与模腔渐变段I 2的长度相等；
所述模腔引导段II 7为等径圆通道，其截面为圆形，直径为10mm，模腔引导段II 7的长度与模腔引导段I 1的长度相等；
本实施例模具使用过程中需要两个挤压杆，第一挤压杆8和第二挤压杆11分别位于U形挤压等截面通道的模腔引导段I 1和模腔引导段II 7中，可以自由进出两模腔引导段。挤压杆与挤压动力机构相连接，挤压动力机构为现有成熟技术。
图2中所述α为所选任意角，β为具有方向性的角，β=360°/8=45°。
本实施例采用上述模具进行的等通道U形挤压方法，包括以下步骤：
（1）采用本发明模具对坯料进行挤压时，将第一根待挤压坯料放入模腔引导段I中，在模腔引导段I中第一挤压杆8的作用下，第一根待挤压坯料进入模腔渐变段I；
（2）当第一根待挤压坯料完全进入模腔渐变段I时，将第二根待挤压坯料放入模腔引导段I中，随着模腔引导段I中第一挤压杆8的挤压作用，第一根待挤压坯料、第二根待挤压坯料依次进入模腔渐转段I，当第二根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段I时，完成第一根、第二根挤压坯料的第一道次挤压变形；
（3）在第一挤压杆8的作用下，第一根待挤压坯料、第二根待挤压坯料依次进入模腔弯曲段、模腔渐转段II、模腔渐变段II；第一根待挤压坯料进入模腔引导段II中；
（4）模腔引导段II中的第二挤压杆1开始进行挤压，当模腔引导段II中第一根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段II时，此时完成第一根、第二根待挤压坯料的第二道次挤压变形；
（5）依照前述步骤（1）（2）放入第三根和第四根待挤压坯料，第一根和第二根挤压坯料就被挤出，结束第一根和第二根坯料的挤压变形；
本实施例对AZ31镁合金坯料完成两道次等通道U形挤压变形，图5给出了AZ31镁合金等通道U形挤压变形前后的组织图，图5（a）为AZ31镁合金变形前的组织图，图5（b）为AZ31镁合金变形后的组织图。
从图5（a）和图5（b）的对比来看，明显看到，材料组织受到强烈的剪切变形，晶粒得到了细化。
Claims (6)
1.一种等通道U形挤压模具，包括螺栓和瓣模，两个瓣模在分型面处完全贴合，两个瓣模上对应位置分别设有螺栓孔，二者通过螺栓紧固；其特征在于：两个瓣模贴合后中心形成等通道U形挤压模腔，挤压模腔依次为模腔引导段I、模腔渐变段I、模腔渐转段I、模腔弯曲段、模腔渐转段II、模腔渐变段II和模腔引导段II，各段模腔之间光滑过渡，并且各段横截面的面积相等；
位于U形挤压模腔一侧的模腔引导段I、模腔渐变段I、模腔渐转段I中心轴线同轴，位于U形挤压模腔另一侧的模腔引导段II、模腔渐变段II、模腔渐转段II的中心轴线同轴，位于U形挤压模腔下端的模腔弯曲段具有半圆弧的中心轴线，两直线型中心轴线与半圆弧的中心轴线平滑过渡相接；
所述模腔引导段I为等径圆通道，其截面为圆形，直径为D，模腔引导段I长度为3D~5D；
所述模腔渐变段I为任意横截面面积均相等的光滑过渡通道，该段模腔的横截面形状从圆形过渡到正N边形，与模腔引导段I相接的端面为圆形截面，与模腔渐转段I相接的端面为正N边形截面，模腔渐变段I的长度为0.1D~0.2D；
所述模腔渐转段I的任意横截面均为形状和面积相同的正N边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，模腔渐转段I的两个端面分别与模腔渐变段I和模腔弯曲段相接，两端面在竖直方向上有β角度的扭转，模腔渐转段I的长度为0.2D~0.5D；
所述模腔弯曲段的任意横截面均为形状和面积相同的正N边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，两端面在竖直方向上有β角度的扭转，该弯曲段为半圆弧结构，圆弧的内径为1.5D~2.5D，圆弧的宽度为D；
所述模腔渐转段II的任意横截面均为形状和面积相同的正N边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，模腔渐转段II的两个端面分别与模腔渐变段II和模腔弯曲段相接，两端面在竖直方向上有β角度的扭转，模腔渐转段II的长度与模腔渐转段I的长度相等；
所述模腔渐变段II为任意横截面面积均相等的光滑过渡通道，该段模腔的横截面形状从正N边形过渡到圆形，与模腔渐转段II相接的端面为正N边形截面，与模腔引导段II相接的端面为圆形截面，模腔渐变段II的长度与模腔渐变段I的长度相等；
所述模腔引导段II为等径圆通道，其截面为圆形，直径为D，模腔引导段II的长度与模腔引导段I的长度相等。
2.根据权利要求1所述的等通道U形挤压模具，其特征在于：所述N为偶数，且N≥4。
3.根据权利要求1所述的等通道U形挤压模具，其特征在于：扭转角度β为360°/N。
4.一种等通道U形挤压方法，采用权利要求1~3任一项所述的等通道U形挤压模具，其特征在于：包括以下步骤：
（1）采用模具对坯料进行挤压时，将第一根待挤压坯料放入模腔引导段I中，在模腔引导段I中第一挤压杆的作用下，第一根待挤压坯料进入模腔渐变段I；
（2）当第一根待挤压坯料完全进入模腔渐变段I时，将第二根待挤压坯料放入模腔引导段I中，随着模腔引导段I中第一挤压杆的挤压作用，第一根待挤压坯料、第二根待挤压坯料依次进入模腔渐转段I，当第二根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段I时，完成第一根、第二根待挤压坯料的第一道次挤压变形；
（3）在第一挤压杆的作用下，第一根待挤压坯料、第二根待挤压坯料依次进入模腔弯曲段、模腔渐转段II、模腔渐变段II；第一根待挤压坯料进入模腔引导段II中；
（4）模腔引导段II中的第二挤压杆开始进行挤压，当模腔引导段II中第一根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段II时，此时完成第一根、第二根待挤压坯料的第二道次挤压变形；
（5）此后，模腔引导段I中第一挤压杆开始进行挤压，当模腔引导段I中第二根待挤压坯料完全被挤入模腔渐变段I时，此时完成第一根、第二根待挤压坯料的第三道次挤压变形；
（6）依照上述步骤（4）~（5）重复进行，可同时完成两根坯料的挤压变形；
（7）依照前述步骤（1）（2）放入第三根和第四根待挤压坯料，第一根和第二根待挤压坯料就被挤出，结束第一根和第二根坯料的挤压变形，并同时完成第三根和第四根待挤压坯料的第一道次挤压变形；
反复进行以上过程，完成更多坯料的挤压变形。
5.根据权利要求4所述的等通道U形挤压方法，其特征在于：所述待挤压坯料的形状尺寸与模腔引导段I的形状尺寸相同，待挤压坯料横截面圆形的直径为D。
6.根据权利要求4所述的等通道U形挤压方法，其特征在于：所述待挤压坯料长度是模腔引导段I的长度的0.6~0.9倍。
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Granted publication date: 20161005 Termination date: 20170602 |
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