CN109365560A - 一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属塑性加工技术领域，具体地说，是一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置与方法，包括凸模固定座、反挤压凸模、挤压筒、垫块、顶杆、下模板；反挤压凸模外表面设置有螺旋状凸台，反挤压凸模上端与凸模固定座相连，反挤压凸模设置于挤压筒中；挤压筒中心开设有圆形通孔；垫块置于挤压筒中，垫块上表面设有螺旋状凹槽，垫块下端设置有多边形状凸台；下模板中心开设有多边形通孔；顶杆形状为一多边形，置于下模板的通孔中，下模板通过螺栓与挤压筒相连，下模板通过螺栓固定在压力机工作台上；坯料放置于挤压筒中，坯料置于垫块与反挤压凸模之间。该方法具有剪切变形程度大、凸模轴向载荷小、成形效率高、成形质量好的特点。

Description

一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置与方法

技术领域

本发明涉及金属塑性加工技术领域，具体地说，是一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置与方法。

背景技术

杯形件是工业生产中的常见产品，近年来对高性能杯形件的需求日益增加。反挤压是用来制备杯形件的常规技术，但常规反挤压很难在材料中获得具有大角度晶界的超细晶组织，从而影响了材料性能的充分挖掘，而且，常规反挤压时，凸模与材料之间的摩擦力阻碍材料向外流动，造成作用在凸模的轴向载荷增大，对设备及模具材料的要求提高，同时由于摩擦的作用也极易造成杯形件变形不均匀，造成不同部位力学性能的差异，影响零件的使用。

剧烈塑性变形（SPD）通过对块体材料施加大变形制备出具有大角度晶界的超细晶组织，是制备块体超细晶材料最为有效的方法，高压扭转是最常见的剧烈塑性变形方法之一，扭转引起的剪切变形是使材料组织细化的主要原因，因此，将扭转变形引入到材料的变形过程是当前剧烈塑性变形技术发展的方向之一。

经过对现有技术文献的检索发现，Fadi Abu-Farha在《Scripta Materialia》（2012，66：615-618）上发表的“A preliminary study on the feasibility of frictionstir back extrusion”一文中首次提出了搅拌摩擦反挤压（FSBE）技术，通过一旋转的压头对工件施加载荷，高速旋转的压头与工件接触后通过摩擦使接触工件部位温度明显提高，降低工件变形抗力，在压头下压的作用下，实现管材连续反挤压过程。该技术的优点是在反挤压的同时通过压头的旋转使工件内壁相对于外壁产生剪切变形，细化材料组织。该技术的不足是由于旋转速度高，工件温升较高，通过塑性变形细化的材料组织在较高的温度下发生动态回复或再结晶甚至是晶粒长大，降低了组织细化效果。由于管材内壁相对于外壁的旋转是在模具和工件之间摩擦的作用下完成的，管材相对于挤压筒和压头之间会产生明显滑动，且材料反向流动与压头间的摩擦力阻碍了管材的成形，使压头承受的轴向载荷增加，模具冲头下端采用“扇叶”形结构凸台，挤压时凸台同时进行旋转，“扇叶”形结构凸台有利于增大剪切变形程度，降低变形载荷。

现有的技术通过在凸模底面设置一个梯形截面凹槽，利用梯形凹槽内的金属形成对整个金属的扭转，有利于降低变形载荷，但是流过冲头拐角边缘时仍存在较大的摩擦阻力，杯形件侧壁一旦成形后几乎不再产生变形，附加的剪切变形程度相对较小。因此，开发一种可以产生更大程度剪切变形的装置及方法具有重要意义。

发明内容

针对现有背景技术的不足，本发明提供了一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置与方法，采用带螺旋凸台的反挤压凸模，加速了材料组织的细化过程，垫块上表面开设了螺旋状凹槽，减小旋转挤压时坯料相对于挤压筒的相对转动，提高了旋转反挤压变形的效率。

本发明采用的具体技术方案如下：一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置，包括凸模固定座、反挤压凸模、挤压筒、垫块、顶杆、下模板；反挤压凸模外表面设置有螺旋状凸台，反挤压凸模上端与凸模固定座相连，反挤压凸模设置于挤压筒中；挤压筒中心开设有圆形通孔；垫块置于挤压筒中，垫块上表面设有螺旋状凹槽，垫块下端设置有多边形状凸台；下模板中心开设有多边形通孔；顶杆形状为一多边形，置于下模板的通孔中，下模板通过螺栓与挤压筒相连，下模板通过螺栓固定在压力机工作台上；坯料放置于挤压筒中，坯料置于垫块与反挤压凸模之间。

本发明的进一步改进，反挤压凸模下端设置有锥形结构，反挤压凸模外表面设置有螺旋状凸台，螺旋状凸台自锥形结构边缘处开始，凸台高度自下而上逐渐增高，螺旋圈数为1-3圈，凸台上方为等截面凸台，螺旋圈数为1-2圈；螺旋状凸台与凸模杆部连接处均采用圆弧过渡。

本发明的进一步改进，垫块外形为圆形，与挤压筒之间为间隙配合，垫块上端开设有螺旋状凹槽，垫块下端设置有多边形状凸台结构。

本发明的进一步改进，下模板中心开设有与垫块下端多边形凸台一样的多边形通孔，垫块下端多边形凸台置于多边形通孔中。

本发明的进一步改进，根据所述的用来制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置来制备超细晶杯形件的方法，具体包括以下步骤：

步骤①：对坯料进行预处理；

步骤②：通过螺栓将挤压筒与下模板相连，将下模板通过螺栓固定在压力机工作台上，顶杆放置于下模板的多边形孔中，其下端与压力机顶出缸相连，将垫块放置于挤压筒中，使垫块下端的多边形凸台与下模板的多边形通孔配合，将坯料放置于垫块上，将反挤压凸模与凸模固定座相连，调整反挤压凸模与挤压筒中圆孔对中；

步骤③：启动旋转挤压压力机，反挤压凸模下行的同时进行旋转，坯料在反挤压的同时受到螺旋凸台推挤作用，沿轴向向上流动的同时旋转，产生附加剪切变形，杯形件壁厚逐渐减薄直至定径，反挤压凸模达到所需压下量后停止挤压过程；

步骤④：反挤压凸模反向旋转，从所制备的杯形件中退出，顶杆在顶出缸的驱动下推动垫块顶出杯形件，完成杯形件的制备过程。

本发明的进一步改进，反挤压凸模的压下速度为0.05mm/s-10mm/s，旋转速度为0.1转/分钟-1000转/分钟。

本发明的进一步改进，当坯料材料不适合或无法进行室温加工时，将反挤压凸模、挤压筒、垫块加热后进行旋转反挤压，或通过提高反挤压凸模转速，降低压下速度，借助摩擦热和塑性变形热使坯料升温后挤压。

通过合理选择反挤压凸模压下速度、旋转速度、螺旋凸台高度、螺旋凸台圈数、变形温度等模具结构参数及工艺参数，可以通过该旋转反挤压方法制备出具有超细晶组织的杯形件。

本发明的设计原理为：本发明采用带螺旋凸台的反挤压凸模，使凸模在下压的同时进行旋转，由于反挤压凸模前端采用高度逐渐增大的凸台，杯形件的壁厚逐渐减薄，在摩擦力以及螺旋凸台的驱动下杯形件沿轴线连续产生相对转动（剪切变形），同时，杯形件内壁相对于外壁产生附加的剪切变形，加速材料组织的细化过程。为了减小旋转挤压时坯料相对于挤压筒的相对转动，垫块上表面开设了螺旋状凹槽，反挤压凸模压入坯料时，在轴向压力以及坯料旋转的作用下，坯料下端的材料挤入垫块上表面的凹槽中，因垫块下端通过多边形凸台与下模板固定，因此，带螺旋凹槽的垫块可以阻碍坯料的转动，提高旋转反挤压变形的效率。

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. 与常规反挤压相比，采用外表面带螺旋凸台的反挤压凸模，使管材内壁相对于外壁产生了沿管材切向的附加剪切变形；同时由于反挤压凸模前端采用了高度逐渐增加的渐变式凸台结构，管材壁厚逐渐减薄，管材沿高度方向逐层产生剪切变形，以上不同方向的剪切变形与反挤压变形叠加可以加速材料的组织细化过程。

2. 在螺旋凸台的驱动作用下，有利于降低材料向上流动时与凸模的摩擦阻力，甚至可以驱使材料沿轴向向上流动，从而降低作用在凸模轴向的载荷。

3. 上端等直径螺旋凸台可以对管材进行整形，提高其形状及尺寸精度。

4. 垫块上开设的螺旋状凹槽可以阻碍坯料与垫块之间的相对转动，提高旋转挤压变形的效果。

附图说明

图1为本发明中制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置半剖示意图。

图2为本发明中制备超细晶杯形件的旋转反挤压工作状态示意图。

图3为本发明中反挤压凸模结构示意图。

图4为本发明中垫块结构示意图。

图5是图4的俯视图。

图6为本发明中下模板结构示意图。

图7是图6的俯视图。

图8为旋转反挤压制备的超细晶杯形件。

图9为用DEFORM模拟1100Al经本发明的装置及方法变形后的等效应变场。

图10为用DEFORM模拟1100Al经本发明的装置及方法变形后的载荷-时间曲线。

图中，1-凸模固定座，2-反挤压凸模，3-挤压筒，4-坯料，5-垫块，6-下模板，7-压力机工作台，8-顶杆，9-螺栓，10-螺栓，2-1-反挤压凸模下端锥形结构，2-2-高度渐变式螺旋凸台，2-3-等截面螺旋凸台，5-1-螺旋状凹槽，5-2-垫块下端凸台。

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6所示：一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置，包括凸模固定座1、反挤压凸模2、挤压筒3、垫块5、顶杆8、下模板6；反挤压凸模2外表面设置有螺旋状凸台，反挤压凸模2上端与凸模固定座1相连，反挤压凸模2设置于挤压筒3中；挤压筒3中心开设有圆形通孔；垫块5置于挤压筒3中，垫块5上表面设有螺旋状凹槽，垫块5下端设置有多边形状凸台；下模板6中心开设有多边形通孔；顶杆8形状为一多边形，置于下模板6的通孔中，下模板6通过螺栓10与挤压筒3相连，下模板6通过螺栓9固定在压力机工作台7上；坯料4放置于挤压筒3中，坯料4置于垫块5与反挤压凸模2之间。

实施例：如图3所示：反挤压凸模2下端设置有锥形结构2-1，反挤压凸模2外表面设置有螺旋状凸台，螺旋状凸台自锥形结构2-1边缘处开始，凸台2-2高度自下而上逐渐增高，螺旋圈数为1-3圈，凸台2-2上方为等截面凸台2-3，螺旋圈数为1-2圈；螺旋状凸台与凸模杆部连接处均采用圆弧过渡。

实施例：如图1和图4所示：垫块5外形为圆形，与挤压筒3之间为间隙配合，垫块5上端开设有螺旋状凹槽5-1，垫块5下端设置有多边形状凸台结构5-2。

实施例：如图1、图2、图5和图6所示：下模板6中心开设有与垫块5下端多边形凸台一样的多边形通孔，多边形凸台置于多边形通孔中。

在本实施例中，根据所述的用来制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置来制备超细晶杯形件的方法，具体包括以下步骤：

步骤①：对坯料4进行预处理；

步骤②：通过螺栓10将挤压筒3与下模板6相连，将下模板6通过螺栓9固定在压力机工作台7上，顶杆8放置于下模板6的多边形孔中，其下端与压力机顶出缸相连，将垫块5放置于挤压筒中，使垫块5下端的多边形凸台与下模板6的多边形通孔配合，将坯料4放置于垫块5上，将反挤压凸模2与凸模固定座1相连，调整反挤压凸模2与挤压筒3中圆孔对中；

步骤③：启动旋转挤压压力机，反挤压凸模2下行的同时进行旋转，坯料在反挤压的同时受到螺旋凸台推挤作用，沿轴向向上流动的同时旋转，产生附加剪切变形，杯形件壁厚逐渐减薄直至定径，反挤压凸模2达到所需压下量后停止挤压过程。

步骤④：反挤压凸模2反向旋转，从所制备的杯形件中退出，顶杆8在顶出缸的驱动下推动垫块5顶出杯形件，完成杯形件的制备过程；

在本实施例中，反挤压凸模2的压下速度为0.05mm/s-10mm/s，旋转速度为0.1转/分钟-1000转/分钟。

在本实施例中，当坯料4材料不适合或无法进行室温加工时，将反挤压凸模2、挤压筒3、垫块5加热后进行旋转反挤压，或通过提高反挤压凸模2转速，降低压下速度，借助摩擦热和塑性变形热使坯料4升温后挤压。

以下是按照本发明的装置及方法用DEFORM进行仿真的实例。

实例1：初始坯料4直径17mm，高度40mm，材料为1100Al，反挤压凸模2最大直径12.5mm，渐变式凸台2-2圈数为2圈，等截面凸台2-3圈数为1圈，最大凸台高度1.25mm，螺旋凸台螺距为8.3mm，反挤压凸模2转速为50转/分钟，压下深度35mm。此情况下旋转反挤压后杯形件等效应变和载荷分别如图7和8所示，可以看出，最大等效应变为9.26，作用在反挤压凸模轴向最大载荷为2.2吨，且当坯料与螺旋凸台接触后载荷明显降至1.2吨以下，同尺寸无凸台、不旋转凸模反挤压最大等效应变为4.2，凸模轴向最大载荷为4.8吨，且载荷随时间呈上升趋势，表明采用带有螺旋凸台结构的反挤压凸模不仅可以获得更大的等效应变，还可以降低作用在凸模轴向的最大载荷。

实例2：初始坯料4直径17mm，高度40mm，材料为1100Al，反挤压凸模2最大直径12.5mm，渐变式凸台2-2圈数为2圈，等截面凸台2-3圈数为1圈，最大凸台高度1.25mm，螺旋凸台螺距为8.3mm，反挤压凸模2转速为300转/分钟，压下深度19mm。此情况下旋转反挤压后的最大等效应变为33.9，最大载荷为1.75吨，表明增加旋转速度会明显提高坯料的变形程度，该变形程度会明显细化材料组织，且转速的提高进一步降低了变形载荷。

上述模拟仿真结果表明旋转反挤压是比常规反挤压更优异的一种制备超细晶杯形件的方法。

Claims (7)

1.一种制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置，其特征在于，包括凸模固定座、反挤压凸模、挤压筒、垫块、顶杆、下模板；所述反挤压凸模外表面设置有螺旋状凸台，所述反挤压凸模上端与凸模固定座相连，所述反挤压凸模设置于挤压筒中；所述挤压筒中心开设有圆形通孔；所述垫块置于挤压筒中，所述垫块上表面设有螺旋状凹槽，所述垫块下端设置有多边形状凸台；所述下模板中心开设有多边形通孔；所述顶杆形状为一多边形，置于所述下模板的通孔中，所述下模板通过螺栓与挤压筒相连，所述下模板通过螺栓固定在压力机工作台上；所述坯料放置于挤压筒中，所述坯料置于垫块与反挤压凸模之间。

2.根据权利要求1所述的制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置，其特征在于，所述反挤压凸模下端设置有锥形结构，所述反挤压凸模外表面设置有螺旋状凸台，所述螺旋状凸台自锥形结构边缘处开始，凸台高度自下而上逐渐增高，螺旋圈数为1-3圈，所述凸台上方为等截面凸台，螺旋圈数为1-2圈；螺旋状凸台与凸模杆部连接处均采用圆弧过渡。

3.根据权利要求1所述的制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置，其特征在于，所述垫块外形为圆形，与挤压筒之间为间隙配合，垫块上端开设有螺旋状凹槽，垫块下端设置有多边形状凸台结构。

4.根据权利要求1所述的制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置，其特征在于，所述下模板中心开设有与垫块下端多边形凸台一样的多边形通孔，垫块下端多边形凸台置于多边形通孔中。

5.根据权利要求4所述的用来制备超细晶杯形件的旋转反挤压装置来制备超细晶杯形件的方法，具体包括以下步骤：

步骤①：对所述坯料进行预处理；

步骤②：通过所述螺栓将挤压筒与下模板相连，将所述下模板通过螺栓固定在压力机工作台上，所述顶杆放置于下模板的多边形孔中，其下端与压力机顶出缸相连，将所述垫块放置于挤压筒中，使垫块下端的多边形凸台与下模板的多边形通孔配合，将所述坯料放置于垫块上，将反挤压凸模与凸模固定座相连，调整反挤压凸模与挤压筒中圆孔对中；

步骤③：启动所述旋转挤压压力机，反挤压凸模下行的同时进行旋转，坯料在反挤压的同时受到螺旋凸台推挤作用，沿轴向向上流动的同时旋转，产生附加剪切变形，杯形件壁厚逐渐减薄直至定径，反挤压凸模达到所需压下量后停止挤压过程；

步骤④：所述反挤压凸模反向旋转，从所制备的杯形件中退出，顶杆在顶出缸的驱动下推动垫块顶出杯形件，完成杯形件的制备过程。

6.根据权利要求5所述的制备超细晶杯形件的旋转反挤压方法，其特征在于，所述反挤压凸模的压下速度为0.05mm/s-10mm/s，旋转速度为0.1转/分钟-1000转/分钟。

7.根据权利要求5所述制备超细晶杯形件的旋转反挤压方法，其特征在于，当所述坯料材料不适合或无法进行室温加工时，将反挤压凸模、挤压筒、垫块加热后进行旋转反挤压，或通过提高反挤压凸模转速，降低压下速度，借助摩擦热和塑性变形热使坯料升温后挤压。