CN107442592B - 一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具 - Google Patents

Abstract

一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具，包括上模座（8）、导向凹模套（4）、导向凸模（5）、凸模固定板（9）、凹模套（3）、凸模（10）、前模芯（12）、后模芯（17）和下模座（15）。所描述的前模芯（12）和后模芯（17）中的型腔由四个部分组成，第一部分为一段挤压腔；第二部分为一段锥形变径孔腔；第三部分由三段依次相交的圆柱等通道及两段圆弧连接段组成的剪切变形腔；第四部分为出料腔。本发明将挤压工艺与等径转角剪切工艺合二为一，集结两者的优点，能对金属材料实施高效、连续、平稳、表面平整并对晶体取向有强的调控功能的均匀大应变变形加工，并且降低生产成本。

Description

一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具

技术领域

本发明涉及一种金属材料的大应变变形加工模具，尤其是一种通过使金属材料通过挤压与等通道转角集成大变形后改变材料组织和性能的加工模具，具体地说是一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具。

背景技术

自20世纪90年代中期以来，等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP)技术受到全球材料界的高度重视，现已发展成为制备高性能金属材料的一个重要方法。ECAP技术对材料的加工具有剪切力大、剪切应变大、能高效细化材料组织与夹杂物、消除孔洞缺陷的特点，而且加工出来的材料具有几何形状基本不变、强度高、塑性好、成形性能好、疲劳性能好、抗腐蚀性好、超精密切削及阳极氧化表面质量高等许多性能。

但是，迄今为止，ECAP技术所用的模具一般都是单道次而且与挤压工艺分开不连续，严重阻碍了ECAP技术的工业化应用。ECAP技术在加工材料的过程中，前道工件需要后道工件的推挤才能出模，即才能实现连续化、量化生产。由于对于有些金属材料其内部会存在气孔、空洞等缺陷，仅仅经过ECAP技术很难将缺陷压合，从而导致金属材料的力学性能并不完善。为此，本发明的一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具，将挤压工艺与等径转角剪切工艺集成，一方面，通过挤压的方式可以对铝材产生三个不同方向上的应力，能够有效的将铝材中疏松、气孔等缺陷进行压合，然后直接进行ECAP工艺，提高材料的力学性能。此外，等径转角挤压由原来的单道次改成现在的2道次Bc方式，不仅能够使得材料产生较大的剪切应变，同时能够提高材料的组织细化程度，还可以保持剪切连续性，改变剪切应变方向。另一方面，通过将挤压工艺与等径转角剪切工艺集成，使得生产工艺简化，大幅度减少生产时间和成本。

因此，要在工业上推广应用ECAP技术，必须处理好模具强韧性、工件大应变变形质量(应变大小、应变均匀性等)、工件连续量化大应变加工生产之间的矛盾，这除了在模具整体要进行强韧化设计外，还必须对模具的工作腔(模芯型腔)的结构参数进行选择与优化。到目前为止，尚未有一种可供实际工业生产使用制备高性能金属材料的一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具。

发明内容

本发明的目的是针对现有的等通道转角挤压加工因缺乏一种集成挤压与等径转角剪切变形模具而难以实现工业化生产及对低硬度材料不能实现连续化生产的问题，设计一种能连续批量进行等通道转角挤压加工的挤压与Bc方式等通道转角挤压集成大变形的加工模具，以实现利用挤压工艺与Bc方式等通道转角挤压集成大应变技术大幅提高金属材料的组织与性能并能实现工业化生产提供了必需的装备。

本发明的技术方案是：

一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具，包括上模座8、导向凹模套4、导向凸模5、凸模固定板9、凹模套3、凸模10、前模芯12、后模芯17和下模座15；凸模10安装于凸模固定板9内，上模座8的凸模固定板9相连，前模芯12和后模芯17用销11定位后镶嵌于凹模套3内，凹模套3镶嵌于下模座15内，前模芯12、后模芯17和凹模套3之间为锥度配合，导向凹模套4和凹模套3安装在下模座15上，其特征是所述的前模芯12和后模芯17形成的型腔由四个部分组成，第一部分为一段挤压腔高度为H，直径为D和圆柱；第二部分为一段高度为h的锥形变径孔腔，锥形变径孔腔的上端直径为D，下端直径为d；第三部分由三段长度分别为L1、L2和L3，直径均为d的轴线依次相交的圆柱等通道及两段圆弧连接段组成的剪切变形腔；第四部分为便于材料出模的出料腔长度为L4，直径为d1的圆柱；所述的Bc方式是指：工件每道次等通道转角加工完成后，在下道次等通道转角加工前，将工件绕轴线转动90°；在挤压比小于4时，模具模芯型腔的尺寸满足以下要求，挤压腔长度与挤压腔直径比例即H/D为2～3，为保证挤压材料能够在1道次完成挤压并且顺利地进入2道次，因此过渡段比例L2/d为0.7～0.85；为了保证经过挤压变形之后的试样能完整出模，三段长度分别为L1、L2和L3圆柱的内交角Φ1和Φ2，及二段圆弧连接段的过渡外圆角ψ1和ψ2分别相等，其中内交角Φ1和Φ2范围为110°～135°，过渡外圆角ψ1和ψ2的范围为45°～70°。

所述的上模座8固定于加载机械液压机的上工作台上，下模座15固定于加载机械液压机的下工作台上。

所述的前模芯12、后模芯17和凹模套3之间的配合为锥角为4～8°日的锥度配合。

所述的上模座8、导向凸模5、凸模10、凸模固定板9之间通过销钉7定位，并通过内六角圆柱头螺钉6紧固连城一个可以拆卸的整体结构。

所述的前模芯12和后模芯17用销11和12定位后镶嵌于凹模套3内，凹模套3通过销钉和内六角圆柱头螺钉固定在下模座15上。

所述的导向凹模套4通过内六角圆柱头螺钉1紧固在下模座15上；凹模套通过销钉16定位和内六角圆柱头螺钉2紧固在下模座15上，构成一个便于拆卸和维修的结构。

本发明的有益效果：

(1)将挤压工艺与等径转角剪切工艺集成，通过挤压的方式可以对铝材产生三个不同方向上的应力，能够有效的将铝材中疏松、气孔等缺陷进行压合，然后直接进行等径转角剪切工艺，提高材料的力学性能。

(2)等径转角挤压由原来的单道次改成现在的2道次Bc方式，不仅能够使得材料产生较大的剪切应变，同时能够提高材料的组织细化程度，还可以保持剪切连续性，改变剪切应变方向。

(3)通过将挤压工艺与等径转角剪切工艺集成，使得生产工艺简化，大幅度减少生产时间和成本。

(4)本发明为等通道转角挤压加工方法提供了一种可工业化生产的一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具，解决了理论与实际结合的难题。

(5)本发明通过模具结构的优化设计，很好地解决了集成模具强韧性、工件大应变变形质量(应变大小、应变均匀性等)、工件连续量化大应变加工生产之间的矛盾。

(6)本发明可对直径20mm的铝合金等低硬度金属材料实施等通道转角大应变挤压加工并碎化其夹杂物。

(7)本发明模具所有零件都可拆卸，模具保养维护方便。

附图说明

图1是本发明的装配主视图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图3是本发明的前模芯的轴测图。

图4是本发明的前模芯的侧视图。

图5是本发明的前模芯的主视图。

图6是本发明的后模芯的轴测图。

图7是本发明的模芯三维实体图。

图8铝合金经本发明的模具结构为模具外角ψ＝45°，H/D＝2.35,L/d＝0.75的挤压过程的仿真效果图。

图9铝合金以本发明的模具结构模具外角ψ＝45°，H/D＝2.5,L/d＝0.75挤压过程的仿真效果图。

图中：7、11、16、18为定位销；3为凹模套；10为凸模；15为下模座；8为上模座；10为凸模；9为凸模固定板；1、2、6内六角圆柱头螺钉；12为前模芯；17为后模芯；4为导向凹模套；5为导向凸模；13为等径转角剪切腔；14为出料腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-7所示。

一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具，包括上模座8、导向凹模套4、导向凸模5、凸模固定板9、凹模套3、凸模10、前模芯12、后模芯17和下模座15，如图1、2所示。上模座8固定于加载机械液压机的上工作台上，凸模10安装于凸模固定板9内，上模座8、凸模固定板9之间用销钉7定位和内六角圆柱头螺钉6紧固，前模芯12和后模芯17用销11定位后镶嵌于凹模套3内，凹模套3镶嵌于下模座15内，前模芯12、后模芯17和凹模套3之间为锥度配合(锥度为4～8°)，下模座15、导向凹模套4和凹模套3用销钉16定位和内六角圆柱头螺钉1和2紧固，下模座15安装于加载机械(液压机)的下工作台上。所述的前模芯12和后模芯17中的型腔由四个部分组成，第一部分为一段挤压腔高度为H，直径为D圆柱(图3)；第二部分为一段锥形变径孔腔高度为h(图3)，孔的上端直径为D，下端直径为d。第三部分由三段长度分别为L1、L2和L3(图4、5)，直径均为d的轴线依次相交的圆柱等通道及两段圆弧连接段组成的剪切变形腔；第四部分为便于材料出模的出料腔长度为L4，直径为d1的圆柱。所述的Bc方式是：工件每道次等通道转角加工完成后，在下道次等通道转角加工前，将工件绕轴线转动90°。模具模芯型腔的尺寸满足以下要求，即在挤压比小于4时，为了能够达到良好的挤压效果，挤压腔长度与挤压腔直径比例即H/D为2～3，为保证挤压材料能够在1道次完成挤压并且顺利地进入2道次，因此过渡段比例L2/d为0.7～0.85。为了保证经过挤压变形之后的试样能完整出模，三段长度分别为L1、L2和L3圆柱的内交角Φ1和Φ2，及二段圆弧连接段的过渡外圆角ψ1和ψ2分别相等，其中内交角Φ1和Φ2范围为110°～135°，过渡外圆角ψ1和ψ2的范围为45°～70°，如图4和5所示。本发明的尺寸D＞d1＞d。

本发明的模具安装过程为：将凹模套3镶嵌于下模座15内，用销16和内六角头螺钉1和2进行定位和紧固；将前后模芯12、17用销11、18定位后放入凹模套3内；将凸模10安装于凸模固定板9内；将上模座8、、凸模固定板12用销钉7定位和内六角圆柱头螺钉6紧固；将以上装配好的模具的凸模部分和凸模部分合模后，安装到加载机械(液压机上)。

大应变挤压工作过程为：将工件放入垂直通道中，工件在加载机械(液压机)的压力作用下，经过模芯内的相交转角发生大应变变形；当工件上端下行到模芯挤压腔末端时，停止加载，反向开动加载机械上行凸模，放入后续工件至垂直通道中，再次加载，利用后续工件将先前工件推挤出模具；如此往复，实现连续等通道大应变挤压加工。

以下是按照本发明的方法进行集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具的仿真实例，但不仅仅限于这些实例，对于不同成分的坯料，只要采用本发明所述方法，均可达到本发明的目的。

实例1：在挤压比为4时，集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具的通道直径为20mm、模具内角Φ＝110°、模具外角ψ＝70°。H/D＝3,L/d＝0.75。仿真时凸模下行速度3mm/s，加工时初始温度400℃。等效应变数值变大，根据凸模受力分析图看出，凸模下降至45mm，达到理论值(Deform仿真凸模理论下降值)。虽然能够对直径20mm的铝合金进行挤压加工，但是材料在挤压过程中被破坏，无法挤出良好质量的样品。

实例2：在挤压比为4时，模具的通道直径为20mm、模具内角Φ＝120°、模具外角ψ＝60°。H/D＝3,L/d＝0.85。仿真时的凸模下行速度3mm/s，加工时的初始温度400℃。此情况下，材料受到的应变大小符合理论值。通过凸模受力图看出挤压力出现震荡不稳且无穷大，凸模没有达到Deform仿真凸模理论下降值(45mm)。因此不能顺利地对直径20mm的铝合金进行连等通道大应变挤压挤压加工。

实例3：在挤压比为4时，模具的通道直径为20mm、模具内角Φ＝135°、模具外角ψ＝45°，H/D＝2.35,L/d＝0.75。仿真时的凸模下行速度3mm/s，加工时的初始温度400℃。此情况下，铝合金受到的应变大小符合理论值，同时凸模下降45mm，达到理论值。因此能很顺利地对直径20mm的铝合金进行连等通道大应变挤压挤压加工效果良好(见图8)。

实例4：在挤压比为4时，模具的通道直径为20mm、模具内角Φ＝135°、模具外角ψ＝45°，H/D＝2.5,L/d＝0.75。仿真时的凸模下行速度3mm/s，加工时的初始温度400℃。等效应变值增大，变红出现异常。凸模下降值虽然达到理论值，但是在挤压过程中出现震荡受力过度增大，不利于挤压。因此可以对直径20mm的铝合金进行连等通道挤压加工，但应变量呈现无穷大异常，说明实际材料已经破坏，应用价值不大(见图9)。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种集成挤压与Bc方式等径转角剪切变形大应变模具，包括上模座（8）、导向凹模套（4）、导向凸模（5）、凸模固定板（9）、凹模套（3）、凸模（10）、前模芯（12）、后模芯（17）和下模座（15）；凸模（10）安装于凸模固定板（9）内，上模座（8）的凸模固定板（9）相连，前模芯（12）和后模芯（17）用定位销（11）定位后镶嵌于凹模套（3）内，凹模套（3）镶嵌于下模座（15）内，前模芯（12）、后模芯（17）和凹模套（3）之间为锥度配合，导向凹模套（4）和凹模套（3）安装在下模座（15）上，其特征是所述的前模芯（12）和后模芯（17）形成的型腔由四个部分组成，第一部分为一段挤压腔高度为H，直径为D和圆柱；第二部分为一段高度为h的锥形变径孔腔，锥形变径孔腔的上端直径为D，下端直径为d；第三部分由三段长度分别为L1、L2和L3，直径均为d的轴线依次相交的圆柱等通道及两段圆弧连接段组成的剪切变形腔；第四部分为便于材料出模的出料腔长度为L4，直径为d1的圆柱；所述的Bc方式是指：工件每道次等通道转角加工完成后，在下道次等通道转角加工前，将工件绕轴线转动90°；在挤压比小于4时，模具模芯型腔的尺寸满足以下要求，挤压腔长度与挤压腔直径比例即H/D为2~3，为保证挤压材料能够在1道次完成挤压并且顺利地进入2道次，因此过渡段比例L2/d为0.7~0.85；为了保证经过挤压变形之后的试样能完整出模，三段长度分别为L1、L2和L3圆柱的内交角Φ1和Φ2，及二段圆弧连接段的过渡外圆角ψ1和ψ2分别相等，其中内交角Φ1和Φ2范围为110°~135°，过渡外圆角ψ1和ψ2的范围为45°~70°。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征是所述的上模座（8）固定于加载机械液压机的上工作台上，下模座（15）固定于加载机械液压机的下工作台上。

3.根据权利要求1所述的模具，其特征是所述的前模芯（12）、后模芯（17）和凹模套（3）之间的配合为锥角为4~8°日的锥度配合。

4.根据权利要求1所述的模具，其特征是所述的上模座（8）、导向凸模（5）、凸模（10）、凸模固定板（9）之间通过销钉（7）定位，并通过内六角圆柱头螺钉（6）紧固连成一个可以拆卸的整体结构。

5.根据权利要求1所述的模具，其特征是所述的前模芯（12）和后模芯（17）用定位销（11，18）定位后镶嵌于凹模套（3）内，凹模套（3）通过销钉和内六角圆柱头螺钉固定在下模座（15）上。

6.根据权利要求1所述的模具，其特征是所述的导向凹模套（4）通过内六角圆柱头螺钉（1）紧固在下模座（15）上；凹模套通过销钉（16）定位和内六角圆柱头螺钉（2）紧固在下模座（15）上，构成一个便于拆卸和维修的结构。