CN109985917A - 一种用于锌镁合金晶粒细化的等径角挤压模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于锌镁合金晶粒细化的等径角挤压模具，该模具采用凹模外层、凹模中层、凹模内层的三层组合预应力结构，凹模内层由左部和右部两部分组成，凹模内层左部和凹模内层右部中的挤压通道转角为90°，内转角半径R内为1.5mm，外转角半径R外为3.4mm，挤出通道的直径尺寸略小于竖直通道。本发明的挤压模具有操作简单、拆装方便、成本低、效率高等优点，该模具可实现对材料的多道次循环反复挤压，直至得到超细晶材料。

Description

一种用于锌镁合金晶粒细化的等径角挤压模具

技术领域

本发明涉及材料加工领域，尤其涉及一种通过大塑性变形实现新型合金材料晶粒细化，提升材料性能的挤压模具。

背景技术

近年来，随着经济和社会发展，对材料强度、韧性和耐腐蚀性等性能的要求越来越高，而晶粒细化是提高材料这些性能的重要方法之一。对金属材料而言，根据Hall-Petch方程，平均晶粒度减小，可大大提高材料的屈服强度和抗拉强度，也就是说细晶材料比粗晶材料有更好的机械性能。尺度效应的相关研究表明，当变形区仅有数个或单个晶粒时，会出现反Hall-Petch现象，材料强度会随着晶粒尺寸的减少而降低，即晶粒细化到一定程度，材料将具有超塑性能，这有利于提高材料利用率，同时节省了资源，也扩展了材料的应用领域。

而在实际生产过程中，超细晶材料的制备工艺复杂，成本高昂，亟需一种较为有效和廉价的方法实现晶粒细化，获得具有超塑性能的细晶材料。等通道转角挤压(ECAP)工艺主要是利用塑性变形，使晶界发生位错运动，达到细化晶粒的目的；晶粒越细小，晶界密度越大，这可有效阻碍位错运动和集结，使材料整体得到强化。而且，ECAP模具结构简单、拆装方便、效率高成本低，具有极大的应用前景。通过它进行超细晶材料的制备，比其他制备方法具有更多的优势；它避免了研磨过程带入杂质的可能性，也不会有微细粉末冷压合成过程会产生大量微孔隙的问题。为此，本发明设计了一种预应力复合结构等径角挤压模具，拆装简单，操作方便，可以循环加载实现块体超细晶材料的制备。同时，对模具结构进行优化设计，减轻自重，提高晶粒细化效率，且装卸及改装方便，成本低廉，为超细晶材料的制备和研究提供技术支持，也节省了资源和提高了材料的利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本操作简单的细化晶粒、改善材料性能的挤压模具，具有操作简单、拆装方便、成本低、效率高等优点，该模具可实现对材料的多道次循环反复挤压，直至得到超细晶材料。

本发明是一种用于锌镁合金晶粒细化的等径角挤压模具，其特征在于：包括凹模组件、凸模组件、上模座(3)、下模座(9)、导柱(5)、导套(4)和模柄(1)，所述凸模组件包括凸模垫板(11)、凸模固定板(12)和凸模(13)，模柄(1)一端插入液压机端头，用螺钉锁死，另一端设有多个均布的沉头孔，通过螺钉(2)与上模座(3)连接，上模座(3)避开与模柄(1)连接的螺孔位置，设有多个沉头孔，凸模垫板对应设有多个通孔，凸模固定板对应设有多个全螺纹孔，螺钉(14)穿过沉头孔、通孔、全螺纹孔将上模座(3)、凸模垫板(11)和凸模固定板(12)连接在一起，螺钉(14)头部不得超过凸模固定板下端面，凸模固定板(12)内设有凹槽，凸模(13)顶部与凹槽形状相适应，从而进行定位，上模座(3)的四角设有四个导套(4)，下模座(9)相应位置设有四个导柱(5)，导套(4)与导柱(5)相互配合；凹模组件采用三层组合预应力结构，包括凹模外层(10)、凹模中层(15)、凹模内层左部(17)和凹模内层右部(16)，凹模内层外侧面、凹模中层内外侧面、凹模外层内侧面均设有向上1.5°锥度，凹模内层左部(17)和凹模内层右部(16)中的挤压通道转角为90°，内转角半径R内为1.5mm，外转角半径R外为3.4mm，挤出通道的直径尺寸略小于竖直通道，凹模外层(10)的法兰台通过螺钉与凹模垫板(8)及下模座(9)连接。

进一步的，凹模内层左部(17)和凹模内层右部(16)为对称结构，通过圆柱销(18)进行定位。

进一步的，凹模内层、凹模中层(15)、凹模外层(10)各层之间存在一定的过盈量。

进一步的，下模座(9)的相对侧面各设置两个螺纹孔(19)。

进一步的，挤出通道的直径尺寸比竖直通道小0.2mm。

本发明的有益效果为：

1.优化凹模内层内部通道转角的设计，并通过模拟计算，采用90°转角，选定最佳内外转角半径，内转角半径R内为1.5mm，外转角半径R外为3.4mm，统筹实现了较大化等效应变量、较小化应变不均匀性和较大限度降低挤压力，凹模内层采用对称两半设计，不仅确保了通道尤其是转角的加工精度，而且方便拆装清理通道内部碎屑。

2.凹模采用三层组合预应力模具结构，增加凹模承载力，减轻自重，降低成本，方便装拆。可以通过具体情况灵活调整预紧力大小；由于预应力的存在，是凹模可承受更大的挤压力；同时，凹模各层采用向上1.5°锥度设计，不需要再在凹模上层设置压编圈，减轻了自重。

3.模具定位精度高，通过导套与导柱的配合导向，使模具下半部分与上半部分确定相对位置，凸模固定板与上模座不进行定位，可以防止凸模与凹模通道产生过大的内应力，导致凸模失稳。

4.本发明模具可用于各种尺寸试件的挤压，若想挤压其他截面尺寸的柱状材料，只需更换凹模内层左部、右部、凸模即可。

5.挤出通道的直径尺寸略小于竖直通道(略小0.2mm)，便于下一道次的挤压。试件在经过水平通道之后，直径会增大，故在模具通道的设计上，设置水平通道的直径小于竖直通道，确保经过挤压的试件取出后直径不会超过竖直通道直径，可直接再次放入竖直通道，进行下一道次的挤压。

附图说明

图1为本发明挤压模具的结构示意图；

图2为模柄结构示意图；

图3为模具上半部分的结构示意图；

图4为模具下半部分的结构示意图；

图5为凹模内层及定位销结构示意图；

图6为凸模固定板结构示意图；

图7为不同内、外转角半径组合模拟结果；

图8为采用非最佳内外转角半径模具的挤压试件；

图9为采用本发明最佳内外转角半径模具的挤压试件；

1.模柄，2.内六角螺钉，3.上模座，4.导套，5.导柱，6.内六角螺钉，7.圆柱销，8.凹模垫板，9.下模座，10.凹模外层，11.凸模垫板，12.凸模固定板，13.凸模，14.内六角螺钉，15.凹模中层，16.凹模内层右部，17.凹模内层左部，18.销钉，19.螺纹孔。

具体实施方式

参见图1，本发明是一种高强度循环加载等通道转角挤压模具，在空间位置上关于直角通道所在平面对称。进行循环加载试验时，下模座固定，上模座由模柄牵引，在导柱导套的导向下，对试件进行循环挤压。

参见图6，所述组件为凸模固定板(12)，通过凸模(13)端部两侧相对平面与凸模固定板进行定位，避免凸模发生相对旋转，发生失稳。凹模内层外侧面设计了1.5°向上的锥度。

参加图3，所述组件包括模柄(1)、上模座(3)、凸模垫板(11)、凸模固定板(12)和凸模(13)，以及四颗均匀排布的内六角螺钉(14)。上模座均匀设置四个沉头孔，用于连接凸模垫板(11)与凸模固定板(12)。连接销钉尾端不突出凸模固定板下端面，以防止与凹模产生干涉，影响凸模(13)行程。

参见图5，所述组件包括凹模内层右部(16)和圆柱销(18)，凹模内层是本发明的关键组件，尤其是直角通道的精度要求较高，故采用对称两半设计，以保证直角通道的加工精度；直角通道内径可根据具体需要挤压试件的形状和尺寸加工成相应形状尺寸，用于挤压其他尺寸的材料。对称两半凹模内层，通过圆柱销(18)进行定位，确保通道精准对齐，之后对外侧面进行润滑后再进行凸模中层(15)和外层(10)的装配。

参见图4，所述组件包括凹模内层右部(16)、凹模内层左部(17)、凹模中层(15)、凹模外层(10)、凹模垫板(8)和下模座(9)。凹模各层之间存在一定的过盈量，装配过程：凹模内层放至于凹模垫板上，在凹模各层侧面润滑条件下，将凹模中层(15)与内层水平通道出口对齐后向下压至下端面平齐；凹模外层(10)同样操作，各层之间存在一定量的预应力，此预应力组合凹模设计可以大大提高模具强度和有效的减少被挤压试件毛刺飞边；凹模外层(10)水平通道出口直径远大于中层的，减小了摩擦和方便了试件的取出。凹模外层(10)的法兰台和凹模垫板(8)设置四个同位置的光孔和两个定位销，通过内六角螺钉(6)与下模座连接，并通过两个定位销与下模座进行定位，确保凹模，尤其是凹模通道不发生相对导柱的侧向位移。下模座四角均布四个导柱孔，装配导柱(5)进行导向。下模座(9)的相对侧面各设置两个螺纹孔(19)，方便模具组装之后的搬移。凹模内层外侧面、凹模中层内外侧面、凹模外层内侧面都有向上1.5°锥度，此设计可以省去压边圈部件，提高了凹模抗压强度，克服拔模力，减轻自重和降低成本。

等通道转角挤压的模具转角参数是一个非常重要的参数，角度太大，单道次挤压效果差；角度太小，模具寿命低和挤压均匀性差且不利于多道次挤压，本发明选定了较为理想的90°为转角参数。而通道转角处的内外转角半径对挤压效果有重大影响。本发明通过大量试验总结得到内外转角半径的最佳区间，并从中选择了若干个参数值进行组合计算(如表1所示)，分别对不同半径组合情况进行数值模拟，结果如图7所示。

表1.等通道挤压模具参数优化设计

图7(a)是R_内和R_外对等效应变量的影响；图7(b)是R_内和R_外对等效应变标准差的影响；图7(c)是R_内和R_外对挤压力峰值的影响。从图7(a)可以看出，等效应变量随着R_内的增大而增大，但是，由图7(b)可以看到应变标准差随R_内的增加而增加。当R_内为2.5mm时，应变标准差较大，这表明挤压后的应变均匀性较差。再结合图7(c)，内转角半径越大，峰值挤压力越小。综合考虑最大化等效应变量、最小化应变不均匀性和最大限度降低挤压力，确定ECAP最佳几何参数方案：内转角半径为1.5mm，外转角半径为3.4mm。上述参数的设计可避免试件上表面开裂，并取得卓越的等效应变量和应变均匀性。

图8和图9分别为非最佳内外转角半径和最佳内外转角几何参数模具挤压效果，可见合适的挤压半径对挤压效果有决定性影响。

本发明挤压模具的使用方法如下：将整个模具至于液压机工作台上，将模柄插入液压机锁死，下模座固定于液压机工作平台。启动液压机牵引上模座及凸模组件向上升起两个凸模长度的位移，不可使导柱和导套分离，根据通道直径与长度加工合适尺寸的试件，试件直径小于通道直径0.1mm，便于将试件放于凹模通道内，将试件放置于凹模通道内，设置好液压机下压速度及行程量，启动液压机进行挤压，挤压后升起凸模，进行第二根试件的挤压，第二根加压后，第一根挤压试件被第二根挤压时间从水平通道推出，将第一根试件按照ECAP工艺路线要求重新放入凹模内，对第一根试件进行再次挤压。每次挤压皆可得到不同晶粒尺寸及微观组织，从而研究不同道次对晶粒尺寸及微观组织的影响，进而晶粒尺寸及微观组织对材料性能的影响机理。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (5)

1.一种用于锌镁合金晶粒细化的等径角挤压模具，其特征在于：包括凹模组件、凸模组件、上模座(3)、下模座(9)、导柱(5)、导套(4)和模柄(1)，模柄(1)一端插入液压机端头，用螺钉锁死，另一端设有多个均布的沉头孔，通过螺钉(2)与上模座(3)连接，所述凸模组件包括凸模垫板(11)、凸模固定板(12)和凸模(13)，上模座(3)避开与模柄(1)连接的螺孔位置，设有多个沉头孔，凸模垫板对应设有多个通孔，凸模固定板对应设有多个全螺纹孔，螺钉(14)穿过沉头孔、通孔、全螺纹孔将上模座(3)、凸模垫板(11)和凸模固定板(12)连接在一起，螺钉(14)头部不得超过凸模固定板下端面，凸模固定板(12)内设有凹槽，凸模(13)顶部与凹槽形状相适应，从而进行定位，上模座(3)的四角设有四个导套(4)，下模座(9)相应位置设有四个导柱(5)，导套(4)与导柱(5)相互配合；凹模组件采用三层组合预应力结构，包括凹模外层(10)、凹模中层(15)、凹模内层左部(17)和凹模内层右部(16)，凹模内层外侧面、凹模中层内外侧面、凹模外层内侧面均设有向上1.5°锥度，凹模内层左部(17)和凹模内层右部(16)中的挤压通道转角为90°，内转角半径R内为1.5mm，外转角半径R外为3.4mm，挤出通道的直径尺寸略小于竖直通道，凹模外层(10)的法兰台通过螺钉与凹模垫板(8)及下模座(9)连接。

2.根据权利要求1所述的挤压模具，其特征在于：凹模内层左部(17)和凹模内层右部(16)为对称结构，通过圆柱销(18)进行定位。

3.根据权利要求1-2所述的挤压模具，其特征在于：凹模内层、凹模中层(15)、凹模外层(10)各层之间存在一定的过盈量。

4.根据权利要求1所述的挤压模具，其特征在于：下模座(9)的相对侧面各设置两个螺纹孔(19)。

5.根据权利要求1-4所述的挤压模具，其特征在于：挤出通道的直径尺寸比竖直通道小0.2mm。