CN109047363A - 一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具与方法，属于金属塑性加工技术领域。反复挤镦模具包括上挤压头、下挤压头、凹模、凹模预应力圈、垫板、上压平凸模、下压平凸模。上挤压头和下挤压头放置于凹模通道中，下挤压头上端开设有梯形凹槽，上挤压头下端开设有相同的梯形凹槽，工件位于上挤压头和下挤压头之间。采用该装置的制备块体超细晶材料的方法为：上挤压头下行，将工件压入上挤压头和下挤压头的凹槽中，取下两个挤压头，更换上上压平凸模和下压平凸模，将工件压回到原来的形状。重复上述过程即可细化材料组织。该模具结构简单，加工方便，易于操作，在常规压力加工设备上即可实现，能在材料中获得均匀变形，适用材料范围广。

Description

一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具与方法
技术领域
本发明涉及金属塑性加工技术领域，具体地说，是一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具与方法。
背景技术
超细晶材料一般是指晶粒尺寸在亚微米级（100nm~1000nm）或纳米级（＜100nm）的材料，由于组织细化，晶界占比增加，使超细晶材料表现出良好的强度、耐磨性、抗疲劳性能以及低温或高应变速率超塑性，同时具有良好的物理、化学以及生物性能等，可以充分挖掘材料潜能，在航空航天、国防、机械、生物医疗等领域有重要的应用前景。
剧烈塑性变形技术（SPD）是实现材料组织超细化的有效方法，其主要特点是在几乎不改变工件形状和尺寸的情况下通过反复变形逐渐在材料内部累积足够大的应变，细化材料组织。目前研究较为广泛的剧烈塑性变形技术包括等径角挤压技术（ECAP）、高压扭转技术（HPT）、反复挤压技术（CEC）、累积反挤压（ABE）以及反复镦压技术（CCDC）等。
经过对现有技术文献的检索发现，S. M. Fatemi-Varzaneh等人在《MaterialsScience and Engineering A》（2009，504：104-106）上发表的“Accumulative backextrusion (ABE) processing as a novel bulk deformation method”一文中首次提出了累积反挤压（ABE）技术，通过采用一对相互配合的实心和空心压头实现块体材料反复反挤压，实现材料组织细化。然而该方法中实心和空心压头侧表面均需平行于压头轴线，材料流过压头下端面与侧表面的转角时易于产生剧烈的剪切集中，对于材料室温变形难度较大，目前主要用于镁合金的热挤压，而且容易在实心压头下端形成“倒三角”状的变形死区。
进一步的检索发现，中国发明专利授权号CN102766832B，发明了一种镁合金块的双向反复挤压增强方法，从两个方向对工件进行反复挤压变形，但该方法需要专用反复挤压设备，且挤压头与挤压环一直反向运动，对设备要求高。
发明内容
针对现有背景技术的不足，本发明的目的是提供一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具与方法。
本发明通过交替使用两个带梯形凹槽的挤压凸模和压平凸模，使块体工件在不取出凹模的情况下方便地实现双向挤压与镦压，经挤压与镦压后工件形状与尺寸与变形前一致，可进行多道次变形。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，包括上挤压头、下挤压头、凹模、凹模预应力圈、垫板、上压平凸模、下压平凸模；所述的凹模沿竖直中心开设有一贯穿通道，该通道横截面为长方形，凹模外设有凹模预应力圈，凹模与凹模预应力圈放置在垫板上；所述的下挤压头横截面形状为长方形，其上端开设有横向贯通的梯形凹槽，所述的下挤压头放置于凹模的方形通道里面；所述的上挤压头横截面形状为长方形，其下端开设有横向贯通的梯形凹槽，所述的上挤压头放置于凹模的方形通道里面；所述的工件为一长方体，放置于凹模的通道中，置于上挤压头和下挤压头之间，上挤压头下压，长方体工件将变为上下带梯形凸台的形状；所述的上压平凸模为一长方体，下压平凸模也是一长方体，上述带梯形凸台形状的零件置于上压平凸模和下压平凸模之间，上压平凸模下压，将工件压回到原来的长方体状。
本发明的进一步改进，上挤压头横截面形状为长方形，下端中心开设有纵截面为等腰梯形的贯通凹槽，凹槽底部夹角β取100°～130°，凹槽左右凸台底面与直壁夹角α取50°~90°，凹槽周围四个拐角均为光滑圆角过渡，上挤压头与凹模通道之间采用间隙配合。
本发明的进一步改进，下挤压头上端开设有与上挤压头一样的梯形凹槽，下挤压头与凹模通道之间采用间隙配合。
本发明的进一步改进，上压平凸模与下压平凸模横截面尺寸相同，与凹模通道采用间隙配合。
当凹模通道横截面不是正方形时，上挤压头凹槽的方向与下挤压头凹槽方向一致。当凹模通道横截面为正方形时，上挤压头凹槽的方向与下挤压头凹槽方向可以一致，也可以呈90°交叉。
本发明的进一步改进，凹模预应力圈横截面形状为圆环状，与凹模之间采用过盈配合。
本发明还披露了一种提供制备块体超细晶材料的方法，采用上述的反复挤镦模具，包括如下步骤：
步骤①：将配合好的凹模和凹模预应力圈放在垫板上，将下挤压头放置于凹模的通道中，凹槽向上，对工件表面进行润滑后，将其放入凹模的通道中，将上挤压头放入通道中，凹槽向下。
步骤②：上挤压头下行，使工件变形，充填凹槽，直至充满。
步骤③：取出上挤压头和下挤压头，工件仍保留在凹模通道中，然后装入下压平凸模和上压平凸模，上压平凸模下行，将工件压回到原来的形状，取出两个压平凸模，重新装入上挤压头和下挤压头。
步骤④：在不取出工件的情况下，重复步骤②和③，直至达到所需要的变形程度，推出工件，反复挤镦过程结束。
优选地，当凹模中通道横截面形状为正方形时，根据上挤压头和下挤压头每次重新放入凹模通道时是否绕其纵向轴线旋转，存在如下变形路线：
路线A：每次放入时，保持原来的凹槽方位不变；
路线B：每次放入时，上挤压头和下挤压头均绕其纵向轴线顺时针旋转90°。
优选地，上挤压头和上压平凸模压下速度为0.05mm/s~10mm/s。
优选地，当工件材料不适合或者无法进行室温加工时，可在凹模预应力圈外加设加热套，或在凹模预应力圈纵向开孔，插入加热棒，对工件和挤镦模具整体进行加热。
经上述过程多次反复挤镦后，材料的组织将逐步细化。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1. 上挤压头和下挤压头分别带有梯形凹槽，凹槽转角均采用圆角过渡，该结构梯形凹槽使工件挤出部位持续产生压缩变形，能有效克服过于严重的应变集中，减少变形死区。
2. 该模具结构简单，加工方便，易于操作，仅需单向加载，在常规压力加工设备上即可实现，可在凹模预应力圈外加设加热套，或在凹模预应力圈纵向开孔，插入加热棒，实现冷、温、热变形，适用材料范围广。
3. 反复挤镦时，工件大部分区域处于压应力状态，有利于材料塑性变形，减少开裂倾向，通过多道次反复变形可显著细化材料组织，提高材料性能。
4、工件无需取出模具，变形效率高，可进行等温变形。
附图说明
图1为本发明中制备块体超细晶材料的反复挤镦模具半剖及流程示意图。
图2为图1中上挤压头结构示意图。
图3为本发明中上挤压头凹槽和下挤压头凹槽呈90°交叉状态半剖及流程示意图。
图中，1-上挤压头，2-凹模，3-凹模预应力圈，4-上挤压头凹槽，5-工件，6-下挤压头凹槽，7-下挤压头，8-垫板，9-上压平凸模，10-下压平凸模。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：如图1、图2和图3所示，一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，包括上挤压头1、下挤压头7、凹模2、凹模预应力圈3、垫板8、上压平凸模9、下压平凸模10；凹模2沿竖直中心开设有一贯穿通道，通道横截面为长方形，凹模2外设有凹模预应力圈3，凹模2与凹模预应力圈3放置在垫板8上；下挤压头7横截面形状为长方形，其上端开设有横向贯通的梯形凹槽6，下挤压头7放置于凹模2的方形通道里面；上挤压头1横截面形状为长方形，其下端开设有横向贯通的梯形凹槽4，上挤压头1放置于凹模2的方形通道里面；工件5为一长方体，放置于凹模2的通道中，置于上挤压头1和下挤压头7之间，上挤压头1下压，长方体工件5将变为上下带梯形凸台的形状；上压平凸模9为一长方体，下压平凸模10也是一长方体，带梯形凸台形状的工件置于上压平凸模9和下压平凸模10之间，上压平凸模9下压，将工件5压回到原来的长方体状。
在本实施例中，上挤压头1横截面形状为长方形，下端中心开设有纵截面为等腰梯形的贯通凹槽4，凹槽底部夹角β取100°～130°，凹槽左右凸台底面与直壁夹角α取50°~90°，凹槽周围四个拐角均为光滑圆角过渡，上挤压头1与凹模2通道之间采用间隙配合；下挤压头7上端开设有与上挤压头1下端一样的梯形凹槽6，下挤压头7与凹模2通道之间采用间隙配合；上压平凸模9与下压平凸模10横截面尺寸相同，与凹模2通道采用间隙配合；凹模预应力圈3横截面形状为圆环状，与凹模2之间采用过盈配合。
当凹模2中通道横截面形状为正方形时，根据上挤压头1和下挤压头7每次重新放入凹模通道时是否绕其纵向轴线旋转，存在如下变形路线：
路线A：每次放入时，保持原来的凹槽方位不变；
路线B：每次放入时，上挤压头1和下挤压头7均绕其纵向轴线顺时针呈90°交叉
利用上述实施例披露的制备块体超细晶材料的反复挤镦模具用来制备块体超细晶材料的具体方法如下：
步骤①：将配合好的凹模2和凹模预应力圈3放在垫板8上，将下挤压头7放置于凹模2的通道中，凹槽6向上，对工件5表面进行润滑后，将其放入凹模2的通道中，将上挤压头1放入通道中，凹槽4向下。
步骤②：上挤压头1下行，使工件5变形，充填凹槽4和6，直至充满。
步骤③：取出上挤压头1和下挤压头7，工件5仍保留在凹模通道中，然后装入下压平凸模10和上压平凸模9，上压平凸模9下行，将工件5压回到原来的形状，取出上压平凸模9和下压平凸模10，重新装入上挤压头1和下挤压头7。
步骤④：在不取出工件5的情况下，重复步骤②和③，直至达到所需要的变形程度，推出工件5，反复挤镦过程结束。
在上述步骤中，当凹模2中通道横截面形状为正方形时，根据上挤压头1和下挤压头7每次重新放入凹模通道时是否绕其纵向轴线旋转，存在如下变形路线：
路线A：每次放入时，保持原来的凹槽方位不变；
路线B：每次放入时，上挤压头1和下挤压头7均绕其纵向轴线顺时针旋转90°。
上挤压头1和上压平凸模9压下速度为0.05mm/s~10mm/s。
在上述制备方法中，当工件5材料不适合或者无法进行室温加工时，可在凹模预应力圈3外加设加热套，或在凹模预应力圈纵向开孔，插入加热棒，对工件5和挤镦装置整体进行加热。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，其特征在于，包括上挤压头（1）、下挤压头（7）、凹模（2）、凹模预应力圈（3）、垫板（8）、上压平凸模（9）、下压平凸模（10）；所述凹模（2）沿竖直中心开设有一贯穿通道，所述通道横截面为长方形，所述凹模（2）外设有凹模预应力圈（3），所述凹模（2）与所述凹模预应力圈（3）放置在所述垫板（8）上；所述下挤压头（7）横截面形状为长方形，其上端开设有横向贯通的梯形凹槽（6），所述下挤压头（7）放置于所述凹模（2）的方形通道里面；所述上挤压头（1）横截面形状为长方形，其下端开设有横向贯通的梯形凹槽（4），所述上挤压头（1）放置于所述凹模（2）的方形通道里面；所述工件（5）为一长方体，放置于所述凹模（2）的通道中，置于所述上挤压头（1）和所述下挤压头（7）之间，所述上挤压头（1）下压，长方体工件（5）将变为上下带梯形凸台的形状；所述上压平凸模（9）为一长方体，所述下压平凸模（10）也是一长方体，所述带梯形凸台形状的工件置于所述上压平凸模（9）和所述下压平凸模（10）之间，所述上压平凸模（9）下压，将所述工件（5）压回到原来的长方体状。
2.根据权利要求1所述的制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，其特征在于，所述上挤压头（1）横截面形状为长方形，下端中心开设有纵截面为等腰梯形的贯通凹槽（4），所述凹槽底部夹角β取100°～130°，所述凹槽左右凸台底面与直壁夹角α取50°~90°，所述凹槽周围四个拐角均为光滑圆角过渡，所述上挤压头（1）与所述凹模（2）通道之间采用间隙配合。
3.根据权利要求1所述的制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，其特征在于，所述下挤压头（7）上端开设有与所述上挤压头（1）下端梯形凹槽（4）一样的梯形凹槽（6），所述下挤压头（7）与所述凹模（2）通道之间采用间隙配合。
4.根据权利要求1所述的制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，其特征在于，所述上压平凸模（9）与所述下压平凸模（10）横截面尺寸相同，与所述凹模（2）通道采用间隙配合。
5.根据权利要求1所述的制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，其特征在于，所述凹模预应力圈（3）横截面形状为圆环状，与所述凹模（2）之间采用过盈配合。
6.一种制备块体超细晶材料的方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的制备块体超细晶材料的反复挤镦模具，具体包括以下步骤：
步骤①：将配合好的凹模（2）和凹模预应力圈（3）放在垫板（8）上，将下挤压头（7）放置于凹模（2）的通道中，凹槽（6）向上，对工件（5）表面进行润滑后，将其放入凹模（2）的通道中，将上挤压头（1）放入通道中，凹槽（4）向下；
步骤②：上挤压头（1）下行，使工件（5）变形，充填凹槽（4）和（6），直至充满；
步骤③：取出上挤压头（1）和下挤压头（7），工件（5）仍保留在凹模通道中，然后装入下压平凸模（10）和上压平凸模（9），上压平凸模（9）下行，将工件（5）压回到原来的形状，取出上压平凸模（9）和下压平凸模（10），重新装入上挤压头（1）和下挤压头（7）；
步骤④：在不取出工件（5）的情况下，重复步骤②和③，直至达到所需要的变形程度，推出工件（5），反复挤镦过程结束。
7.根据权利要求6所述的制备块体超细晶材料的方法，其特征在于，所述上挤压头（1）和所述上压平凸模（9）压下速度为0.05mm/s~10mm/s。
8.根据权利要求6所述的制备块体超细晶材料的方法，其特征在于，当工件（5）材料不适合或者无法进行室温加工时，可在凹模预应力圈（3）外加设加热套，或在凹模预应力圈纵向开孔，插入加热棒，对工件（5）和挤镦模具整体进行加热。
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