CN105964715B - 可变角度的连续变断面循环挤压装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变角度的连续变断面循环挤压装置及操作方法，包括挤压杆、上模、下模、垫片和紧固装置；上模中心设有贯通的矩形上模腔，上模腔的横截面尺寸为L×B；下模中心设有贯通的下模腔，下模腔包括中心的矩形模腔和位于矩形模腔四个边上的四个装垫片槽；矩形模腔的横截面尺寸与上模腔的横截面尺寸相同且对齐；装垫片槽的厚度与垫片截面厚度L1相同；四个装垫片槽中相对的两个横截面尺寸相同，其中一组的横截面尺寸为L×L1，另一组为B×L1；所述紧固装置用于在挤压时紧固上模和下模。使用本发明装置能制备出工程应用的大体积块状细晶材料。本发明方法适应多种材料，操作简便，节约模具材料，便于加工，椎体倾斜度可变化，紧固性牢靠。
Description
技术领域
本发明术语材料塑性加工领域，特别涉及一种适用于变断面循环挤压制作大块状(立方体)细晶材料的装置及方法。
背景技术
大塑性变形方法是近几年来发展起来制备块状超细晶材料有效的方法，已是科学界公认的制备块状超细晶材料的最有前途的方式。它是在低温条件下，金属坯料在大应力作用下发生大塑性变形而获得大角度晶界超微粒子。俄罗斯科学家Valiev指出，SPD技术应该满足多项条件，其中主要有:大塑性变形量；相对低的变形温度；变形材料内部承受高压。在这一原则的指导下，强烈塑性变形工艺得到了迅猛发展。其主要工艺有:等径弯曲通道变形((Equal Channel Angular Pressing,ECAP)、高压扭转[ZS](High CompressionTorsion,HPT)、循环挤压(Cyclic Extrusion)或往复挤压(Reciprocal Extrusion andCompression,CEC)、大挤压比挤压(High Ratio Extrusion)、积轧制(Accumulative RollBonding,ARB)、连续变断面循环挤压(continuous variable cross-section recycledextrusion,CVCE)等。
近几年对连续变断面循环挤压法的研究表明，连续循环挤压的特点是：(1)可制备大规格块体细晶材料；(2)模具成本低，操作简单；(3)墩粗时克服了传统墩粗时出现的鼓形、失稳问题；(4)效率高、质量好等。
在对纯铝、镁合金、钦合金等材料的研究表明，在采用CVCE对铸态纯铝1A85进行挤压8个循环后，平均晶粒尺寸达到750nm。在采用CVCE对AZ31镁合金进行循环挤压时发现经16个循环后，平均晶粒尺寸由变形前25.3um有效细化到5.5um。在采用CVCE对TC4钦合金进行挤压时发现当挤压6个循环后，晶粒从15um细化至2～3um。
中国专利ZL201410299685.4公开了一种连续变断面循环挤压用复合模具及其操作方法，然其只能应用于柱状材料的连续变断面循环挤压，无法进行块状、板状、条状等材料的变断面挤压制备超细晶材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变角度的连续变断面循环挤压装置及操作方法，以实现块状、板状、条状等材料的变断面挤压制备超细晶材料。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
可变角度的连续变断面循环挤压装置，包括挤压杆、上模、下模、垫片和紧固装置；上模中心设有贯通的矩形上模腔，上模腔的横截面尺寸为L×B；下模中心设有贯通的下模腔，下模腔包括中心的矩形模腔和位于矩形模腔四个边上的四个装垫片槽；矩形模腔的横截面尺寸与上模腔的横截面尺寸相同且对齐；装垫片槽的厚度与垫片截面厚度L1相同；四个装垫片槽中相对的两个横截面尺寸相同，其中一组的横截面尺寸为L×L1，另一组为B×L1；所述紧固装置用于在挤压时紧固上模和下模。
进一步的，上模和下模之间设置相互配合的凸凹台。
进一步的，紧固装置包括上紧固板、下紧固板和紧固螺钉；上挤压板是一个中间开矩形孔的平板；下紧固板的底部凿有四个用于放置紧固螺钉底头的凹坑；上模和下模夹持于上紧固板和下紧固板之间，且通过紧固螺钉紧固。
进一步的，下模底面设置槽形排气孔。
进一步的，所述垫片为平垫片、锥度垫片、圆面垫片或多段垫片；四个垫片放置在四个装垫片槽中，使得下模腔中形成一个上大下小的变断面型腔。
进一步的，锥度垫片位于下模腔中的面为锥度面；圆面垫片位于下模腔中的面为弧形面；多段垫片位于下模腔中的面包括上段面和下段锥度面，上段面为竖直面或锥度面，如果为锥度面，下段锥度面的锥度大于上段锥度面的锥度。
进一步的，挤压杆与上模腔内壁有0.5mm间隙。
进一步的，垫片的高度大于下模内壁高度0.5mm。
进一步的，上模凸台设有1.5mm倒角，便于模具组装，也减少了配合误差。
进一步的，挤压杆的横截面长宽比上模的模腔截面长宽的内径小0.25mm。
进一步的，挤压杆长度等于上紧固板加上模模高加10mm。
可变角度的连续变断面循环挤压装置的操作，包括以下步骤：
第1步，将四个垫片使用润滑油润滑后装入下模的装垫片槽内，置于压力机的平面上，然后安装上模并通过紧固装置紧固，最后将需要挤压的矩形试样装入上模腔中；
第2步，标定挤压杆下降高度，将挤压杆装入上模腔中，开动压力机，将挤压杆向下挤压直至标记位置，使试样上尾部刚好进入下模；
第3步，将压力机抬起，松开紧固装置，拆分模具，用挤压杆顶垫片和试样，使垫片和试样与下模分离；
第4步，将试样与垫片分离后，将上模倒置放于压力机上，将试样大断面朝下装入上模内，在挤压杆上做好标记，将挤压杆装入上模，使用压力机挤压至设定位置，取出得到矩形试样；
重复第1-4步，进行若干个变形循环，获得晶粒细化后的块体细晶材料坯料。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1)模具加工简便，通用性好，可根据需要更换多种配合垫片。
2)压下和卸料均使用同一顶杆。
3)模具高度相对较小，稳定性更强。
4)一套模具组合时可完成变断面挤压，分开单独使用上模(2)时可实现墩粗至试样原几何尺寸。
5)可自由设计垫片结构，从而改变型腔结构。
6)可变形细化矩形断面材料。
本发明装置，可以对连铸之后的矩形板坯直接进行连续变断面挤压，细化晶粒，然后再进行后续深加工；本发明通过更换不同的垫片，可以实现不同形状的连续变断面挤压。
附图说明
图1为将材料挤压变形成连续变断面试样过程的示意图；
图2为将连续变断面试样墩粗成原来形状的示意图；
图3下模俯视图；
图4(a)至图4(e)为图1中不同锥度垫片的放大示意图；
图5(a)和图5(b)分别为紧固件上紧固板的俯视图和正视图；
图5(c)和图5(d)分别为紧固件下紧固板的俯视图和正视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1至图3所示，本发明一种可变角度的连续变断面循环挤压装置包括上模2、下模3和垫片4；垫片4的尺寸与下模3配合，组成复合结构。对于同一套模具，可设置角度变化的系列垫片4，从而实现不同角度的挤压，降低了模具制作成本。
上模2为一横截面为矩形的通体结构，其中心设有贯通的矩形上模腔21，具体尺寸根据试样截面而设计。下模3为一横截面为矩形的通体结构，其中心设有贯通的下模腔30，下模腔30包括中心的矩形模腔31和位于矩形模腔31四个边上的四个装垫片槽32；矩形模腔31的横截面尺寸(长度为L，宽度为B)与上模腔21的横截面尺寸相同且对齐；装垫片槽32的厚度与垫片4上截面厚度L1相同；以保证组装后试样从上模2进入下模3内时，模腔内壁没有突出的凸台或凸棱。四个装垫片槽32中相对的两个横截面尺寸相同，其中一组的横截面尺寸为L×L1，另一组为B×L1。
请参阅图4(a)至图4(e)所示，垫片4的基础厚度L1应与挤压力和挤压材料相适应，下截面厚度根据设计的角度变化而变化。图4(a)中的垫片为平垫片，其高度为H，上宽度为L1，下宽度同为L1。图4(b)中的垫片为锥度垫片，其高度为H，上宽度为L1，下宽度同为L2；位于下模腔中的面为锥度面，另三个竖向的面均为竖直面。图4(c)中的垫片为圆面垫片，其高度为H，上宽度为L1，下宽度同为L2；位于下模腔中的面为弧形面，另三个竖向的面均为竖直面。图4(d)中的垫片为多段垫片，其高度为H，上宽度为L1，下宽度同为L2；位于下模腔中的面包括上段的锥度面和下段锥度面，下段锥度面的锥度大于上段锥度面的锥度，另三个竖向的面均为竖直面。图4(e)中的垫片为多段垫片，其高度为H，上宽度为L1，下宽度同为L2；位于下模腔中的面包括上段的竖直面和下段锥度面，另三个竖向的面均为竖直面。四个装垫片槽32中镶嵌四个垫片，使得下模腔30中形成一个上大下小的变断面型腔。
挤压杆1截面尺寸根据上模2内腔尺寸而设定，为减少挤压力，应该较上模内腔稍小0.5mm，挤压杆1长度应大于上紧固板5-1和上模2竖直高度之和，以便完全挤压，并且也便于标记挤压压下量。
紧固装置5是一个组合装置，起作用主要是对模具进行上下紧固，以免在挤压过程中，金属在上下模组合的缝隙中流动。紧固装置主要由上紧固板5-1、下紧固板5-2和紧固螺钉5-3组成，上挤压板5-1是一个中间开矩形孔5-1-1的厚平板，其厚度与所选材料强度适应；下紧固板5-2是底部凿有四个凹坑5-2-1(深度为紧固螺钉5-3底头可以恰好不凸出即可)，以保证下平面为一平面，其厚度也受材料的强度而影响。为了减少挤压因油润滑产生的气体，下模3底面设置槽形排气孔6，及时排除气体，保证挤压的顺利进行。
上模2和下模3配合设置凸凹台，便于上模2和下模3组装时对中和固定，上下模之间设置相互配合的凸凹台，其中凸凹台配合应用2-3mm间隙。
请参阅图2所示，墩粗模为上模2倒置和挤压杆1组合即可，可是坯料恢复到原几何尺寸。该过程可实现一模两用，提高模具利用率。
本发明一种可变角度的连续变断面循环挤压装置，由三部分组合而成，制作简单，便于加工；使用时，便于卸料，可变换挤压椎体角度。
本发明一种可变角度的连续变断面循环挤压装置的操作方法，包括以下步骤:
第1步，将四个垫片4使用润滑油润滑后装入下模3的装垫片槽32内，置于压力机的平面上，然后安装上模2并通过紧固装置紧固，确保配合良好，最后将需要挤压的矩形试样装入上模。
第2步，根据上模2和紧固垫片高度，标定挤压杆下降高度，将挤压杆装入挤压筒。开动压力机，将挤压杆1向下挤压直至标记位置，使试样上尾部刚好进入下模，以免破坏锥度垫片。
第3步，将压力机抬起，松开紧固螺丝5-3，拆分模具，用挤压杆顶垫片4和试样，使垫片和试样与下模3分离。
第4步，将试样与垫片分离后，将上模2倒置放于压力机上，将试样大断面朝下装入上模2内，在挤压杆上做好标记，将挤压杆装入上模2，使用压力机挤压至适当位置(需要提前标记)。取出试样。
重复步骤1-4进行若干个变形循环，就可以使材料获得大的塑性变形，制备出块体细晶材料的坯料，再进行深加工，制成所需要形状和尺寸的零部件。
模具尺寸和材料形状尺寸的设计原则
模具内部尺寸要根据需要所加工试样的尺寸确定，外部尺寸主要依据所选材料的强度和挤压力的大小而确定，以保证在复合强度的要求下完成试样加工。适用该发明的模具的试样，在长度方向应尽可能稍大，这样可以实现更好的效果。
下模高度可利用体积不变原理，计算出试样变形完成后的高度，再加上适当剩余值，上模因在完成挤压导向和挤压筒作用外，还要承担墩粗模的作用，其高度应大于变形后试样高度，还要保证挤压杆能够进入，并起到一定的导向作用(一般取10mm)。挤压垫片的高度与下模内壁高度一致，基本厚度L1由使用材料决定，下截面厚度与角度有关。紧固件尺寸由上下模(2，3)外观尺寸决定，做到不影响模具正常工作，且能起到优越的紧固作用，便于模具分析拆装。上紧固垫片应在中部开大于挤压杆截面的通孔，下截面应做螺钉紧固槽，紧固后保证下底面为平面。
此外，为保证上下模具紧密配合，上下模具结合外部应有2-3mm的间隙，挤压杆1截面长宽，应与上模腔21内壁有0.5mm间隙。垫片4应该大于下模内壁高度0.5mm，以保证组装后，上下模(2,3)之间更紧密。
Claims (4)
1.可变角度的连续变断面循环挤压装置，其特征在于，包括挤压杆(1)、上模(2)、下模(3)、垫片(4)和紧固装置(5)；上模中心设有贯通的矩形上模腔(21)，上模腔的横截面尺寸为L×B；下模中心设有贯通的下模腔(30)，下模腔包括中心的矩形模腔(31)和位于矩形模腔四个边上的四个装垫片槽(32)；矩形模腔的横截面尺寸与上模腔的横截面尺寸相同且对齐；装垫片槽的厚度与垫片截面厚度L1相同；四个装垫片槽中相对的两个横截面尺寸相同，其中一组的横截面尺寸为L×L1，另一组为B×L1；所述紧固装置(5)用于在挤压时紧固上模和下模；
上模和下模之间设置相互配合的凸凹台；
所述垫片为平垫片、锥度垫片、圆面垫片或多段垫片；四个垫片放置在四个装垫片槽(32)中，使得下模腔中形成一个上大下小的变断面型腔；
锥度垫片位于下模腔中的面为锥度面；圆面垫片位于下模腔中的面为弧形面；多段垫片位于下模腔中的面包括上段面和下段锥度面，上段面为竖直面或锥度面，如果为锥度面，下段锥度面的锥度大于上段锥度面的锥度；
挤压杆(1)与上模腔(21)内壁有0.5mm间隙；
垫片(4)的高度大于下模内壁高度0.5mm。
2.根据权利要求1所述的可变角度的连续变断面循环挤压装置，其特征在于，紧固装置包括上紧固板(5-1)、下紧固板(5-2)和紧固螺钉(5-3)；上紧固板(5-1)是一个中间开矩形孔(5-1-1)的平板；下紧固板的底部凿有四个用于放置紧固螺钉(5-3)底头的凹坑(5-2-1)；上模和下模夹持于上紧固板(5-1)和下紧固板(5-2)之间，且通过紧固螺钉(5-3)紧固。
3.根据权利要求1所述的可变角度的连续变断面循环挤压装置，其特征在于，下模底面设置槽形排气孔(6)。
4.权利要求1至3中任一项所述的可变角度的连续变断面循环挤压装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
第1步，将四个垫片(4)使用润滑油润滑后装入下模(3)的装垫片槽(32)内，置于压力机的平面上，然后安装上模(2)并通过紧固装置紧固，最后将需要挤压的矩形试样装入上模腔中；
第2步，标定挤压杆下降高度，将挤压杆(1)装入上模腔(21)中，开动压力机，将挤压杆向下挤压直至标记位置，使试样上尾部刚好进入下模；
第3步，将压力机抬起，松开紧固装置，拆分模具，用挤压杆顶垫片(4)和试样，使垫片和试样与下模(3)分离；
第4步，将试样与垫片分离后，将上模(2)倒置放于压力机上，将试样大断面朝下装入上模(2)内，在挤压杆上做好标记，将挤压杆装入上模(2)，使用压力机挤压至设定位置，取出得到矩形试样；
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