CN104985014A - 一种螺旋阶梯挤压模具及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋阶梯挤压模具，具有锥形凸或凹表面，所述锥形凸或凹表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。本发明还公开了应用本模具的一种自旋转挤压加工管材或棒材装置，同时又公开了应用本模具的自旋转挤压加工管材或棒材的方法。本发明通过旋转挤压塑性变形将金属材料晶粒细化为微纳米，使得金属材料的性能大幅度提高；通过调整旋转阶梯挤压模的几何参数可实现不同尺寸的晶粒，使材料性能达到不同要求；也可实现金属材料整体、局部或表面晶粒细化；本发明旋转挤压装配结构简单；本发明生产产品一次成型，能耗低、产品率高；能够生产企业现有大尺寸金属制品。

Description

一种螺旋阶梯挤压模具及其应用

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，特别涉及一种螺旋阶梯挤压模具及其应用。

背景技术

金属材料在日常生活中广泛使用，金属材料的晶粒尺寸强烈影响它的力学、物理和化学性质，对可变形金属常采用挤压技术改善性能。但块体金属材料经常规塑性挤压加工后，由于工艺参数限制和金属在垂直于挤压方向没有流动的，决定了晶粒细化有限，材料性能改善有限并限制了金属材料的使用范围。因此，开发新的金属材料塑性加工技术和相应的模具，对传统材料改性并进一步提高金属材料的性能，特别是力学性能，成为人类社会进步的重要技术问题。

传统上，对于可塑性变形加工金属，采用包括正挤压和反挤压等的常规挤压进行塑性变形加工以改善金属材料的性能并生产各种端面的金属制品。但由于晶粒变形方式单一，应变率低，且在挤压方向的二维剪切累积应变量较小(通常由挤压比控制)，由此在金属中获得粗大的微米级晶粒，不能充分提高或改变金属材料性能以满足更高使用要求

目前，为进一步提高金属的性能，等通道角挤压(Equal Channel Angle Pressing：ECAP)和高压扭(High Pressure Torsion：HPT)等剧塑性变形(Serve Plastic Deformation：SPD)技术在实验室研究中得到发展。虽然这两种技术高应变率和高累积真应变能有效细化金属材料中晶粒尺寸，但存在能耗高、周期长，受加工设备限制产品率低和产品尺寸较小，产品在实际生产中没有拓展应用或是应用范围较窄。

旋转挤压筒的挤压成形方法虽然能提高金属挤压时的塑性流动均匀性并改善缺陷，但需要特殊的装配结构转动轴承带动挤压筒转动，挤压模与挤压筒、挤压杆和挤压筒之间由于需要密封，存在较大的切向硬摩擦会严重损伤模具，降低模具使用寿命；同时挤压筒旋转速度与挤压杆压头速度需精确配合，否则毛坯出现撕裂等缺陷。旋转挤压筒的挤压成形方法其主要目的只是改善了塑性流动均匀性，设备复杂，挤压参数控制较难，产品尺寸较小。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一。

本发明的目的之一在于为克服当前金属材料微纳晶化塑性加工过程中能耗高、产品小或生产率低下等问题，提供一种新的金属材料塑性加工技术，采用新的模具，使金属材料在挤压加工过程中因挤压力作用和旋转阶梯挤压模的导流作用下发生自旋转，金属材料中产生三维剪切变形提高应变率和累积真应变量细化晶粒尺寸从而改善金属材料力学性能。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供第一种螺旋阶梯挤压模具，具有锥形凸表面，所述锥形凸表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。

本发明还将第一种螺旋阶梯挤压模具应用在一种自旋转挤压加工管材装置上。

进一步的，所述自旋转挤压加工管材装置还包括挤压筒、安装在所述挤压筒内的挤压垫以及与所述挤压垫连接的挤压杆，所述螺旋阶梯挤压模具设置在所述挤压筒内，将毛坯置于所述挤压垫和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

进一步的，所述自旋转挤压加工管材装置还包括挤压筒、连接在所述挤压筒的堵头、挤压杆，设置在所述挤压筒内的螺旋阶梯挤压模具与所述挤压杆连接，将毛坯置于所述堵头和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

本发明还提供了一种自旋转挤压加工管材的方法，所述方法采用了一种自旋转挤压加工管材装置，所述自旋转挤压加工管材装置包括挤压筒、安装在所述挤压筒内的挤压垫、与所述挤压垫连接的挤压杆、第一种螺旋阶梯挤压模具以及固定所述挤压筒的模座，所述螺旋阶梯挤压模具设置在所述挤压筒内并固定在所述模座上，将毛坯置于所述挤压垫和螺旋阶梯挤压模具之间加工，

进一步的，该方法的步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

从挤压筒开口端放入挤压垫密封毛坯；

压力机推动挤压杆，挤压毛坯；

毛坯受到压力作用后在螺旋阶梯挤压模具的导流下旋转前进，沿挤压筒出口端挤出，形成管材。

本发明还提供了一种自旋转挤压加工管材的方法，所述方法采用了一种自旋转挤压加工管材装置，所述自旋转挤压加工管材装置包括挤压筒、连接在所述挤压筒的堵头、挤压杆、第一种螺旋阶梯挤压模具，设置在所述挤压筒内的螺旋阶梯挤压模具与所述挤压杆连接，将毛坯置于所述堵头和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

进一步的，该方法的步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

压力机推动挤压杆，推动螺旋阶梯挤压模具前进；

螺旋阶梯挤压模具受推动前进，在导流作用下对毛坯进行挤压，毛坯与挤压杆运动相反方向沿挤压筒开口端挤出，形成管材。

本发明还提供了第二种螺旋阶梯挤压模具，具有锥形凹表面的阶梯孔，所述锥形凹表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。

为达到上述目的，本发明还将第二种螺旋阶梯挤压模具应用在一种自旋转挤压加工棒材装置上。

进一步的，所述自旋转挤压加工棒材装置还包括挤压筒、与所述挤压筒连接的底座、设置所述挤压筒内的挤压垫以及与所述挤压垫连接的挤压杆，所述螺旋阶梯挤压模具设置在所述挤压筒内并固定在所述底座上，所述底座上设有连通所述螺旋阶梯挤压模具阶梯孔的通孔，将毛坯置于所述挤压垫和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

进一步的，所述自旋转挤压加工棒材装置还包括挤压筒、连接在所述挤压筒的堵头、挤压杆，设置在所述挤压筒内的螺旋阶梯挤压模具与所述挤压杆连接，将毛坯置于所述堵头和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

本发明还提供了一种自旋转挤压加工棒材的方法，所述方法采用了一种自旋转挤压加工棒材装置，所述自旋转挤压加工棒材装置包括挤压筒、与所述挤压筒连接的底座、设置所述挤压筒内的挤压垫、第二种螺旋阶梯挤压模具以及与所述挤压垫连接的挤压杆，所述螺旋阶梯挤压模具设置在所述挤压筒内并固定在所述底座上，所述底座上设有连通所述螺旋阶梯挤压模具阶梯孔的通孔，将毛坯置于所述挤压垫和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

进一步的，该方法的步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

从挤压筒开口端放入挤压垫密封毛坯；

压力机推动挤压杆，挤压毛坯；

毛坯受到压力作用后在螺旋阶梯挤压模具的导流下旋转前进，沿挤压筒从底座的通孔挤出，形成棒材。

本发明还提供了一种自旋转挤压加工棒材的方法，所述方法采用了一种自旋转挤压加工棒材装置，所述自旋转挤压加工棒材装置包括挤压筒、连接在所述挤压筒的堵头、挤压杆，设置在所述挤压筒内的螺旋阶梯挤压模具与所述挤压杆连接，将毛坯置于所述堵头和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

进一步的，该方法的步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

压力机推动挤压杆，推动螺旋阶梯挤压模具前进；

螺旋阶梯挤压模具受推动前进，在导流作用下对毛坯进行挤压，毛坯与挤压杆运动相反方向沿挤压筒开口端挤出，形成棒材。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过旋转挤压塑性变形将金属材料晶粒细化为微纳米，使得金属材料的性能大幅度提高；

2、本发明通过调整旋转阶梯挤压模的几何参数可实现不同尺寸的晶粒，使材料性能达到不同要求；也可实现金属材料整体、局部或表面晶粒细化；

3、本发明旋转挤压装配结构简单，现有的金属压力加工成型设备只要将普通挤压模具重新改造成旋转阶梯模面就能达到目的；

4、本发明生产产品一次成型，能耗低、产品率高；能够生产企业现有大尺寸金属制品。

附图说明

图1所示为本发明第一实施例的一种自旋转挤压加工管材装置的结构示意图；

图2所示为本发明第二实施例的一种自旋转挤压加工管材装置的结构示意图；

图3所示为本发明第一实施例和第二实施例中螺旋阶梯挤压模具的主视图；

图4所示为图3的仰视图；

图5所示为图3的剖视图；

图6所示为本发明第三实施例的一种自旋转挤压加工棒材装置的结构示意图；

图7所示为本发明第四实施例的一种自旋转挤压加工棒材装置的结构示意图；

图8所示为本发明第三实施例和第四实施例中螺旋阶梯挤压模具的半剖视图；

图9所示为图8的俯视图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例详细描述本发明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

第一实施例

本实施例提供一种自旋转挤压加工管材装置，包括螺旋阶梯挤压模具11，如图3和图4所示，所述螺旋阶梯挤压模具11具有锥形凸表面，所述锥形凸表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。所述螺旋阶梯挤压模具11的参数为：所述螺旋阶梯型台阶的头数为大于等于1，螺旋阶梯型台阶高度h小于2000mm，宽度d小于2000mm，如图5所示，螺旋阶梯型台阶壁的轴向倾角α大于0°而小于等于90°，螺旋阶梯型台阶面的径向倾角β大于等于0°而小于90°。

如图1所述，本实施例还包括挤压筒12、安装在所述挤压筒12内的挤压垫13、与所述挤压垫13连接的挤压杆14以及固定所述挤压筒12的模座(图中未示出)，所述螺旋阶梯挤压模具11设置在所述挤压筒12内并固定在所述模座上，将毛坯15置于所述挤压垫13和螺旋阶梯挤压模具11之间加工。

本实施例的自旋转挤压加工管材的方法，其步骤如下：

将制备好的毛坯15放入挤压筒12中；

从挤压筒12开口端放入挤压垫13密封毛坯15；

压力机推动挤压杆14，挤压毛坯15；

毛坯15受到压力作用后在螺旋阶梯挤压模具11的导流下旋转前进，沿挤压筒12出口端挤出，形成管材16。

第二实施例

本实施例提供一种自旋转挤压加工管材装置，包括螺旋阶梯挤压模具11，所述螺旋阶梯挤压模具11具有锥形凸表面，所述锥形凸表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。所述螺旋阶梯挤压模具11与第一实施例相同。

如图2所述，本实施例还包括挤压筒22、连接在所述挤压筒22的堵头23、挤压杆24，设置在所述挤压筒22内的螺旋阶梯挤压模具11与所述挤压杆24连接，将毛坯25置于所述堵头23和螺旋阶梯挤压模具11之间加工。

本实施例的自旋转挤压加工管材的方法，其步骤如下：

将制备好的毛坯25放入挤压筒22中；

压力机推动挤压杆24，推动螺旋阶梯挤压模具11前进；

螺旋阶梯挤压模具11受推动前进，在导流作用下对毛坯25进行挤压，毛坯25与挤压杆24运动相反方向沿挤压筒22开口端挤出，形成管材26。

第三实施例

本实施例提供一种自旋转挤压加工棒材装置，包括螺旋阶梯挤压模具31，如图8和图9所示，所述螺旋阶梯挤压模具31具有锥形凹表面的阶梯孔，所述锥形凹表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。所述螺旋阶梯挤压模具31的参数与第一实施例的螺旋阶梯挤压模具11的参数相同。

如图6所示，本实施例还包括挤压筒32、与所述挤压筒32连接的底座33、设置所述挤压筒32内的挤压垫34以及与所述挤压垫34连接的挤压杆35，所述螺旋阶梯挤压模具31设置在所述挤压筒32内并固定在所述底座33上，所述底座33上设有连通所述螺旋阶梯挤压模具31阶梯孔的通孔，将毛坯36置于所述挤压垫34和螺旋阶梯挤压模具31之间加工。

本实施例的自旋转挤压加工棒材的方法，其步骤如下：

将制备好的毛坯36放入挤压筒32中；

从挤压筒32开口端放入挤压垫34密封毛坯36；

压力机推动挤压杆35，挤压毛坯36；

毛坯36受到压力作用后在螺旋阶梯挤压模具31的导流下旋转前进，沿挤压筒32从底座33的通孔挤出，形成棒材37。

第四实施例

本实施例提供一种自旋转挤压加工棒材装置，包括螺旋阶梯挤压模具31，所述螺旋阶梯挤压模具31具有锥形凹表面的阶梯孔，所述锥形凹表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。所述螺旋阶梯挤压模具31与第三实施例的相同。

如图7所述，本实施例还包括挤压筒42、连接在所述挤压筒42的堵头43、挤压杆44，设置在所述挤压筒42内的螺旋阶梯挤压模具31与所述挤压杆44连接，将毛坯45置于所述堵头43和螺旋阶梯挤压模具31之间加工。

本实施例的自旋转挤压加工棒材的方法，其步骤如下：

将制备好的毛坯45放入挤压筒42中；

压力机推动挤压杆44，推动螺旋阶梯挤压模具31前进；

螺旋阶梯挤压模具31受推动前进，在导流作用下对毛坯45进行挤压，毛坯45与挤压杆44运动相反方向沿挤压筒42开口端挤出，形成棒材46。

本发明通过旋转挤压塑性变形将金属材料晶粒细化为微纳米，使得金属材料的性能大幅度提高；通过调整旋转阶梯挤压模的几何参数可实现不同尺寸的晶粒，使材料性能达到不同要求；也可实现金属材料整体、局部或表面晶粒细化；本发明旋转挤压装配结构简单，现有的金属压力加工成型设备只要将普通挤压模具重新改造成旋转阶梯模面就能达到目的；本发明实现了生产产品一次成型，能耗低、产品率高；能够生产企业现有大尺寸金属制品。

本发明的描述中，术语“固定”以及“连接”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (16)

1.一种螺旋阶梯挤压模具，其特征在于，具有锥形凸表面，所述锥形凸表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。

2.一种自旋转挤压加工管材装置，其特征在于，包括权利要求1所述的螺旋阶梯挤压模具。

3.如权利要求2所述的自旋转挤压加工管材装置，其特征在于，还包括挤压筒、安装在所述挤压筒内的挤压垫以及与所述挤压垫连接的挤压杆，所述螺旋阶梯挤压模具设置在所述挤压筒内，将毛坯置于所述挤压垫和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

4.如权利要求2所述的自旋转挤压加工管材装置，其特征在于，还包括挤压筒、连接在所述挤压筒的堵头、挤压杆，设置在所述挤压筒内的螺旋阶梯挤压模具与所述挤压杆连接，将毛坯置于所述堵头和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

5.一种自旋转挤压加工管材的方法，其特征在于，采用权利要求3所述的自旋转挤压加工管材装置对毛坯进行加工。

6.如权利要求5所述的自旋转挤压加工管材的方法，其特征在于，其步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

从挤压筒开口端放入挤压垫密封毛坯；

压力机推动挤压杆，挤压毛坯；

毛坯受到压力作用后在螺旋阶梯挤压模具的导流下旋转前进，沿挤压筒出口端挤出，形成管材。

7.一种自旋转挤压加工管材的方法，其特征在于，采用权利要求4所述的自旋转挤压加工管材装置对毛坯进行加工。

8.如权利要求7所述的自旋转挤压加工管材的方法，其特征在于，其步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

压力机推动挤压杆，推动螺旋阶梯挤压模具前进；

螺旋阶梯挤压模具受推动前进，在导流作用下对毛坯进行挤压，毛坯与挤压杆运动相反方向沿挤压筒开口端挤出，形成管材。

9.一种螺旋阶梯挤压模具，其特征在于，具有锥形凹表面的阶梯孔，所述锥形凹表面上设有螺旋阶梯型台阶，所述螺旋阶梯型台阶呈现左螺旋或右螺旋。

10.一种自旋转挤压加工棒材装置，其特征在于，包括权利要求9所述的螺旋阶梯挤压模具。

11.如权利要求10所述的自旋转挤压加工棒材装置，其特征在于，还包括挤压筒、与所述挤压筒连接的底座、设置所述挤压筒内的挤压垫以及与所述挤压垫连接的挤压杆，所述螺旋阶梯挤压模具设置在所述挤压筒内并固定在所述底座上，所述底座上设有连通所述螺旋阶梯挤压模具阶梯孔的通孔，将毛坯置于所述挤压垫和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

12.如权利要求10所述的自旋转挤压加工棒材装置，其特征在于，还包括挤压筒、连接在所述挤压筒的堵头、挤压杆，设置在所述挤压筒内的螺旋阶梯挤压模具与所述挤压杆连接，将毛坯置于所述堵头和螺旋阶梯挤压模具之间加工。

13.一种自旋转挤压加工棒材的方法，其特征在于，采用权利要求11所述的自旋转挤压加工棒材装置对毛坯进行加工。

14.如权利要求13所述的自旋转挤压加工棒材的方法，其特征在于，其步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

从挤压筒开口端放入挤压垫密封毛坯；

压力机推动挤压杆，挤压毛坯；

毛坯受到压力作用后在螺旋阶梯挤压模具的导流下旋转前进，沿挤压筒从底座的通孔挤出，形成棒材。

15.一种自旋转挤压加工棒材的方法，其特征在于，采用权利要求12所述的自旋转挤压加工棒材装置对毛坯进行加工。

16.如权利要求15所述的自旋转挤压加工棒材的方法，其特征在于，其步骤包括：

将制备好的毛坯放入挤压筒中；

压力机推动挤压杆，推动螺旋阶梯挤压模具前进；

螺旋阶梯挤压模具受推动前进，在导流作用下对毛坯进行挤压，毛坯与挤压杆运动相反方向沿挤压筒开口端挤出，形成棒材。