CN105537305B - 变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法,包括模具和挤压杆,所述模具内设置有圆柱体模腔和圆台体模腔,圆台体模腔的锥度为α;圆柱体模腔和圆台体模腔相连通,二者连接位置形成转角;挤压工件在挤压杆的作用下,在圆柱体模腔和圆台体模腔内往复运动。本发明的装置将圆柱体模腔和圆台体模腔相结合;设置转角,使得挤压工件在转角处受到连续的整体性压力,使得在剪切应力下的挤压工件受到的挤压变形力更加均匀,晶粒细化程度提高并且更加均匀。本发明的挤压方法使得循环变断面挤压过程中工件中部变形不均匀甚至不变形的情况消失。
Description
技术领域
本发明属于金属塑性加工领域,涉及变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法。
背景技术
大塑性变形技术(SPD)作为一种能够有效细化晶粒,提高材料力学性能的深度塑性变形方法,在制备细晶材料方面具有明显的优势,目前,受到科学界青睐的大塑性变形技术有等通道转角挤压技术(ECAP)、往复挤压技术(CEC)、高压扭转变形技术(HPT)等,这些制备细晶材料的方法得到了广泛应用。上述大塑性变形方法还存在着诸多问题,需要加以克服。ECAP在制备的细晶材料存在着织构倾向,试样在变形过程中,变形区较小,挤压道次较多等问题。CEC、HPT制备细晶材料时,因为模具需要承受的压力过大,因为制备的材料尺寸较小。往复挤压过程中,由于工件受到约束,因而易开裂。近年新出连续变断面循环挤压技术(CVCE),连续变断面循环挤压过程中,工件变形量较小,易造成晶粒大小分布不均匀。。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题或缺陷,本发明的目的在于,提供一种变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
变断面转角挤压制备细晶的装置,包括模具和挤压杆,所述模具内设置有圆柱体模腔和圆台体模腔;圆柱体模腔和圆台体模腔相连通,二者连接位置形成转角;挤压工件在挤压杆的作用下,在圆柱体模腔和圆台体模腔内往复运动。
具体地,所述挤压杆包括第一挤压杆和第二挤压杆,第一挤压杆与圆柱体模腔配合使用,第二挤压杆与圆台体模腔配合使用。
进一步地,所述转角的外角Ψ的大小为0°-18°。
进一步地,所述转角的内角Φ的半径大小为0-9mm。
进一步地,所述圆台体模腔的锥度α的大小为5°-7°。
进一步地,所述内角Φ的大小为94°-97°。
应用所述的变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法,具体包括以下步骤:
步骤1,将挤压工件放置在圆柱体模腔内,利用挤压杆对挤压工件进行挤压,挤压工件在压力作用下经过转角进行转角变形后,到达圆台体模腔,在圆台体模腔内形成圆台体;
步骤2,将装置逆时针旋转90°,利用挤压杆对圆台体模腔内的挤压工件进行挤压,挤压工件经过转角进行转角变形,进入圆柱体模腔中,成型为圆柱体;
步骤3,将挤压工件取出,并首尾颠倒,重复步骤1和2,则挤压过程结束。
与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:
1、本发明的装置将圆柱体模腔和圆台体模腔相结合,即将挤压工件的纯剪切变形和挤压工件的墩粗变形相结合,不仅使得挤压工件的晶粒细化的效率和均匀性得到提高,并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的缺陷消失。
2、本发明的装置在一次挤压过程中,挤压工件始终处于模具当中,可以减少挤压工件的热能损失,同时可以确保变形过程中没有其他的赃物被压入挤压工件中。
3、本发明的装置设置转角,目的在于使得挤压工件在转角完成后晶粒得到一定程度的细化,随之进行变断面变形,挤压工件在圆柱体模腔内完成第一次变形之后,在转角处受到连续的整体性压力,使得在剪切应力下的挤压工件受到的挤压变形力更加均匀,使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。
4、本发明的挤压方法为一种新的细化晶粒方法,克服了现有转角挤压和循环变断面的技术问题,变断面挤压可以使得在转角挤压工件内外角的死区减少,转角变形使得循环变断面挤压过程中工件中部变形不均匀甚至不变形的情况消失;可以使得材料细化速率提高,并且使得材料细化程度提高,效率提高,大大节约时间成本和能耗成本。
5、本发明的变断面转角挤压装置和方法可以通过其原理可以实现材料的冷挤压,同时也可以满足热挤压的要求,设备较为简单,同时操作较为方便。
附图说明
图1为本发明的装置整体结构示意图;
图2为变断面转角挤压工件变形机理分析示意图;
图3为挤压工件为圆台体和圆柱体的示意图;其中,(a)为圆台体,(b)为圆柱体;
图4为挤压工件变形死角示意图;
图5为采用本发明的装置及方法获取的工件金相组织图片;
图6为采用变断面循环挤压方式制备样品的金相组织图片
图中标号代表:1—挤压杆,1-1—第一挤压杆,1-2—第二挤压杆,2—模具,3—转角,4—圆台体模腔,5—圆柱体模腔,6—挤压工件,7—第一变形死区,8—第二变形死区。
下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案,参见图1,本发明的变断面转角挤压制备细晶的装置,包括模具2和挤压杆1,所述模具2内设置有圆柱体模腔5和圆台体模腔4,圆台体模腔4的锥度为α;圆柱体模腔5和圆台体模腔4相连通,二者连接位置形成转角3;挤压工件6在挤压杆1的作用下,在圆柱体模腔5和圆台体模腔4内往复运动。其中,圆柱体模腔5竖直设置,圆台体模腔4水平设置。
本发明的装置的工作原理为:将挤压工件6放置在圆柱体模腔5内,利用挤压杆1对挤压工件6进行挤压,挤压工件6在压力作用下经过转角3进行转角变形后到达圆台体模腔4,在圆台体模腔4内形成圆台体;将装置逆时针旋转90°,利用挤压杆1对圆台体模腔4内的挤压工件6进行挤压,挤压工件6经过转角3进行转角变形,进入圆柱体模腔5中,成型为圆柱体;上述过程完成后,由于转角3的存在,导致挤压工件6存在一定的变形“死区”,因而需对挤压工件6进行二次挤压,即将挤压工件6取出,并首尾颠倒,重复以上步骤,则挤压过程结束。
本发明的装置将圆柱体模腔5和圆台体模腔4相结合,即将挤压工件6的纯剪切变形和挤压工件6的墩粗变形相结合,不仅使得挤压工件6的晶粒细化的效率和均匀性得到提高,并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的缺陷消失。
本发明的装置在一次挤压过程中,挤压工件6始终处于模具2当中,可以减少挤压工件6的热能损失,同时可以确保变形过程中没有其他的脏物被压入挤压工件6中。
本发明的装置设置转角3,目的在于保证挤压工件6在转角3变形后晶粒得到一定程度的细化,随之进行变断面变形,挤压工件6在圆柱体模腔5内完成第一次变形之后,在转角3处受到连续的整体性压力,使得在剪切应力下的挤压工件6受到的挤压变形力更加均匀,使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。
所述挤压杆1包括第一挤压杆1-1和第二挤压杆1-2,第一挤压杆1-1的直径比第二挤压杆1-2的直径大2atanαmm,第一挤压杆1-1与圆柱体模腔5配合使用,第二挤压杆1-2与圆台体模腔4配合使用,其中,a为挤压工件6的高度。
参见图2,假设本发明的装置的转角3的内角为Φ,内角Φ的中心点为o,外角为Ψ,本发明的装置的应变量分别两部分,第一部分为剪切变形后的剪切应变量,第二部分为在进行变断面挤压后的真应变量。在进行剪切应变量的计算时,假设在挤压过程中,材料的流动均匀且连续,忽略挤压工件6与模具2之间的摩擦力,那么在挤压过程中,材料的流动速度一致,即有v竖直=v水平,在同样时间内,水平方向移动材料的位移和竖直方向材料的路径相等,因而可以选择任意一个变形单元,通过几何分析的方法获取变形的机理。
参见图2,选取变形单元abcd,经过变断面转角挤压之后变为等边梯形a’b’c’d’,过c’点坐c’f⊥ef,且有c’e||na’,a’b’||c’d’其中,n为oa’与转角的交点,ef为水平线,d’r与水平线的夹角为α,d’r为圆台体模腔4的底壁,由于变形过程中有v竖直=v水平,则:
b′c′cosα=bc=ad=a′d′cosα
由于材料在流动过程中各质点的材料流动速度一致,则在相同时间内,材料流经过的路径一致,则有:
dm+ma′+a′d′=cn+nb′+b′c′
其中,
ma′=om×Ψ,cn=oc×Ψ
则
nb′=dm+(om-oc)×Ψ
且由几何关系可以得到:
d′e=nb′
且有:
d′f=d′e+ef=2dm+cm×Ψ
其中,m为oc的延长线与转角处的交点。
则:
c′f=ab
则经过一个循环剪切变形后有的剪切应变量:
参见图3,为变断面挤压过程中挤压工件从圆柱体变为圆台体之后的示意图,由于变形过程为相互转化过程,因而每道工序的变形量相等,因为在挤压过程中体积不变,则有:
S0H=Snh
其中,S0为变形前圆柱体的横截面积;Sn为变形后圆台体的试样的横截面积,H为变形前圆柱体的高度,h为变形后圆台体的高度。
对上式取对数,则有
且在圆柱体变为圆台体的时候受的力只有轴向力,则反映的为试样在轴向力上的真应变,即为一个循环工序的真应变。
由塑性力学关系,变断面转角挤压的等效应变
在纯剪切应变时:
γxy=γyz=εx=εy=εz=0
在挤压变形过程中:
εy=εz=γxy=γyz=γzx=0
因此等效应变可以简化为
则挤压一个循环后的等效应变为:
则挤压N循环后之后的等效应变为:
由上述等效应变公式可知,在工具调节允许的情况下,通过调整模具2的转角3的角度,原则上可以认为真应变量的可以达到极高的值,因而可以保证,塑性变形量的大小,这在大塑性变形过程中较少。
参见图4,黑色区域为材料转角挤压过程中的变形死区,分别为内角形成的第一变形死区7和外角形成的第二变形死区8,外角Ψ的大小会对变形死区的大小产生影响,外角Ψ越大,第二变形死区8的范围越大,同时使得挤压工件6的表面形成未变形层,并且由上述等效应变公式知,外角Ψ越大,其等效应变的数值越小,因而将外角Ψ的大小选择为0°~18°,在保证所需要的应变量的情况下,保证挤压工件6底部不会出现未变形区。
经研究表明,随着内角Φ的半径的增大,模具2上部的金属的充满度增高,但是模具2上部对金属的作用区域平缓,并且内角Φ的半径的增加会使得外角Ψ的角度增大,因而在选择内角Φ时,根据外角Ψ的选择范围和模腔的大小确定内角Φ的半径,本发明给出的内角Φ的半径大小为0-9mm。
在将模具2逆时针旋转90°对挤压工件6进行挤压,即将圆台体挤压成圆柱体时,由于此过程属于墩粗变形,因圆台体与圆台体模腔4侧壁紧贴,因而不存在失稳的现象,并且不会产生鼓型,因而可以使得圆台体的高度和圆台体的小端直径比,即形状因子大于2,这样可以使得镦粗过程中镦粗变形死区范围较小。在锥度α为5°-7°时,若挤压工件的原始形状因子为1.5时,可以使得圆台体镦粗过程中的形状因子的比值达到2.1-2.3,因而选择的锥度α为5°-7°。
当内角为尖角时,容易致使转角3的上腔位形成空腔,并且材料也会因为流动不均匀而产生畸变,并且考虑到圆台体的锥度为5°-7°,以及第一变形死区7的位置,角度越大可以使得第一变形死区7的面积减少,并且为了避免形成尖角,因而内角的范围为94°-97°。
本发明的应用变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法,具体包括以下步骤:
步骤1,将挤压工件6放置在圆柱体模腔5内,利用挤压杆1对挤压工件6进行挤压,挤压工件6在压力作用下经过转角3进行转角变形后到达圆台体模腔4,在圆台体模腔4内形成圆台体;此过程中的转角变形,使得挤压工件6在转角变形后晶粒得到一定程度的细化,随之进行变断面变形,挤压工件6在圆柱体模腔5内完成第一次变形之后,在转角3处受到连续的整体性压力,使得在剪切应力下的挤压工件6受到的挤压变形力更加均匀,使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。
步骤2,将装置逆时针旋转90°,利用挤压杆1对圆台体模腔4内的挤压工件6进行挤压,挤压工件6经过转角3进行转角变形,进入圆柱体模腔5中,成型为圆柱体;此过程为墩粗变形,本发明将挤压工件6的纯剪切变形和挤压工件6的墩粗变形相结合,不仅使得挤压工件6的晶粒细化的效率和均匀性得到提高,并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的缺陷消失。
步骤3,将挤压工件6取出,并首尾颠倒,重复步骤1和2,则挤压过程结束。
本发明的挤压方法为一种新的细化晶粒方法,克服了现有转角挤压和循环变断面的技术问题,变断面挤压可以使得在转角挤压工件内外角的死区减少,转角变形使得循环变断面挤压过程中工件中部变形不均匀甚至不变形的情况消失;可以使得材料细化速率提高,并且使得材料细化程度提高,效率提高,大大节约时间成本和能耗成本。
实施例及对比分析:
结合上述实施步骤对挤压AZ31镁合金进行热挤压,工件高30mm,直径为20mm的圆柱体,模具的圆台体模腔的小端直径为4mm,挤压2道次,采用机油加石墨粉混合进行润滑,晶粒如图5所示从50um细化到5um,晶粒细化速度较快。
采用相同的工件采用变断面循环挤压之后,晶粒细化不均匀,在同样挤压道次下,晶粒细化程度较小,并且变形不均匀现象较为明显如图6所示,并且在实施过程中需要对模具和工件不断进行加热。
Claims (6)
1.变断面转角挤压制备细晶的装置,包括模具(2)和挤压杆(1),其特征在于,所述模具(2)内设置有圆柱体模腔(5)和圆台体模腔(4);圆柱体模腔(5)和圆台体模腔(4)相连通,二者连接位置形成转角(3);挤压工件(6)在挤压杆(1)的作用下,在圆柱体模腔(5)和圆台体模腔(4)内往复运动;
所述挤压杆(1)包括第一挤压杆(1-1)和第二挤压杆(1-2),第一挤压杆(1-1)与圆柱体模腔(5)配合使用,第二挤压杆(1-2)与圆台体模腔(4)配合使用。
2.如权利要求1所述的变断面转角挤压制备细晶的装置,其特征在于,所述转角(3)的外角Ψ的大小为0°-18°。
3.如权利要求1所述的变断面转角挤压制备细晶的装置,其特征在于,所述转角(3)的内角Φ的半径大小为0-9mm。
4.如权利要求1所述的变断面转角挤压制备细晶的装置,其特征在于,所述圆台体模腔(4)的锥度α的大小为5°-7°。
5.如权利要求3所述的变断面转角挤压制备细晶的装置,其特征在于,所述内角Φ的大小为94°-97°。
6.应用权利要求1所述的变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤1,将挤压工件(6)放置在圆柱体模腔(5)内,利用挤压杆(1)对挤压工件进行挤压,挤压工件(6)在压力作用下经过转角(3)进行转角变形后,到达圆台体模腔(4),在圆台体模腔(4)内形成圆台体;
步骤2,将装置逆时针旋转90°,利用挤压杆(1)对圆台体模腔(4)内的挤压工件(6)进行挤压,挤压工件(6)经过转角(3)进行转角变形,进入圆柱体模腔(5)中,成型为圆柱体;
步骤3,将挤压工件(6)取出,并首尾颠倒,重复步骤1和2,则挤压过程结束。
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