CN114472576B - 一种超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具及成形方法，包括上冲头和凹模，凹模内设置有模腔，上冲头对模腔内的棒坯进行加工，凹模内设置有由上至下依次设置的进料通道、变形通道和出料通道，变形通道包括挤压过渡段、整体扭转段和缩颈挤压段，挤压过渡段、整体扭转段和缩颈挤压段同轴设置，整体扭转段横截面设置为圆角四边形，圆角四边形的四个顶角沿轴向方向螺旋延伸；本发明采用渐进式的变形方式，将大直径的圆形截面变为小直径的圆形截面，挤压过渡段先是一组对边变形较大，缩颈挤压段则是另一组对边变形较大，此种变形方式在可降低挤扭过程中的载荷，提高模具的使用寿命，有利于解决难变形材料在大挤压比情况下载荷大的问题。

Description

一种超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具及成形方法

技术领域

本发明涉及模具设计技术领域，具体涉及一种超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具及成形方法。

背景技术

材料作为一个国家的基础产业，在国家建设的各个领域都发挥着不可小觑的作用。航空航天、武器装备、轨道交通、城市建筑等行业对高强高韧结构材料有着越来越高的要求，而位错强化、沉淀强化、弥散强化等强化机制往往只能提高材料强度和韧性中的一方面，但是细晶强化通过细化材料晶粒的粒度，提升材料的晶界数量。位错滑移至晶界前被晶界阻挡，无法直接传播到相邻的晶粒中去，并且由于晶粒的粒度减小、数量增多，外力导致的塑性变形可以分散在更多的晶粒内，塑性变形均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展，因此细晶强化可以同时做到强度和韧性的提升。研究发现，在挤压和扭转的大塑性变形作用下，材料的晶粒尺寸大大减小，并且出现了大量的大角度晶界，强度和韧性也获得了提高。

现在主流的大塑性变形方法，如等径角挤压，高压扭转、反复重叠压接法以及循环挤压法等，大多存在着一些问题，比如模具要求高、寿命低、成本高、生产效率低，成形载荷大，一直是大塑性变形需要突破的重点。本发明的大塑性变形模具及成形方法，在一次行进中完成3次大塑性变形，能够有效的提高效率，模具结构简单，易于操作，且各通道间采用渐进式的截面过渡，可有效的降低变形载荷，有利于解决难变形材料在大挤压比情况下载荷大的问题。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具，包括上冲头和凹模，所述凹模内设置有模腔，所述上冲头对所述模腔内的棒坯进行加工，所述凹模内设置有由上至下依次设置的进料通道、变形通道和出料通道，所述变形通道包括挤压过渡段、整体扭转段和缩颈挤压段，所述整体扭转段的一端通过所述挤压过渡段与所述进料通道连接，另一端通过所述缩颈挤压段与所述变形通道连接，所述挤压过渡段、所述整体扭转段和所述缩颈挤压段同轴设置，所述整体扭转段横截面设置为圆角四边形，所述挤压过渡段的横截面由所述进料通道的圆形逐渐过渡到所述整体扭转段的圆角四边形，所述缩颈挤压段的横截面由所述整体扭转段的圆角四边形逐渐过渡到所述出料通道的圆形，且所述挤压过渡段的横截面面积由所述进料通道向所述整体扭转段逐渐减小，所述缩颈挤压段的横截面面积由所述整体扭转段向所述出料通道逐渐减小，所述圆角四边形的四个顶角沿轴向方向螺旋延伸。

较佳的，所述整体扭转段的横截面包括对边等长的两圆弧边和对边等长的两直线边，两所述直线边平行设置，所述圆弧边两端分别连接两所述直线边的端部，形成对称的圆角四边形横截面。

较佳的，所述圆弧边的直径小于所述进料通道的直径，并大于所述出料通道的直径。

较佳的，所述进料通道设置为直径大于所述棒坯的圆柱形通道，所述进料通道由所述变形通道的上端延伸至所述凹模的上端面，所述出料通道由所述变形通道下端延伸至所述凹模的下端面。

较佳的，所述上冲头包括上段和下段，所述上段和所述下段均设置为圆柱结构，所述上段和所述下段同轴固定连接，所述上段直径大于所述下段直径，所述上段长度小于所述下段长度，所述下段设置在所述进料通道内。

较佳的，所述顶角沿轴向方向螺旋延伸形成的螺旋线的螺旋角为90°。

较佳的，所述挤压过渡段为由所述进料通道的圆形截面过渡到所述整体扭转段的圆角四边形截面的圆台结构，所述挤压过渡段上所述直线边对应的过渡区为圆弧型向直线型过渡的平滑渐变曲面，所述圆弧边对应的过渡区为同轴设置的渐变半径圆弧型过渡的圆锥外圆渐变曲面，单个所述圆锥外圆渐变曲面或所述圆锥外圆渐变曲面为所述挤压过渡段圆台侧面的1/4。

较佳的，所述缩颈挤压段为由所述整体扭转段的圆角四边形截面过渡到所述出料通道的圆形截面的圆台结构，所述缩颈挤压段上所述直线边对应的过渡区为圆弧型向直线型过渡的平滑渐变曲面，所述圆弧边对应的过渡区为同轴设置的渐变半径圆弧型过渡的圆锥外圆渐变曲面，单个所述圆锥外圆渐变曲面或所述圆锥外圆渐变曲面为所述缩颈挤压段圆台侧面的1/4。

较佳的，所述凹模为圆台状，所述凹模包括对称的两纵模具，所述纵模具的截面上按一条对角线开有两个螺纹孔，另一条对角线开有两个定位孔。

较佳的，一种使用所述超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具的成形方法，包括步骤：

S1：对所述凹模进行预热，将圆柱形的所述棒坯进行加热至指定温度范围后进行保温；

S2：将所述凹模放置在液压机上，所述棒坯放入所述模腔内将所述冲头插入所述进料通道；

S3：启动所述液压机，带动所述冲头挤压棒材，完成变形。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明实现了一次行进中完成三次大塑性变形的模具，解决了大塑性中需要反复取料、装料的重复阶段；2，本发明使得棒坯在一次完整的变形中，先进行由圆形截面到圆弧正方形的挤压变形，再进行截面形状不变的整体扭转变形，最后进行由圆弧正方形到圆形的缩颈挤压变形；3，本发明可将每次大塑性变形产生变形量累加起来，并将变截面挤压当中对棒坯产生的正应力和整体扭转当中对棒坯产生的剪切应力分别作用在棒坯上，使得棒坯在变形过程中受到不同尺度上的应力作用，有效的减小晶粒尺寸，提高大塑性变形的作用；4，本发明可以通过调整进料通道和出料通道的直径，获得不同初始棒坯尺寸下的多种变形棒坯尺寸，有着一定的工艺适应性；5，本模具中只含有左右两瓣凹模和四个定位销，结构简单，操作简便，实用性好；6，本发明采用渐进式的变形方式，将大直径的圆形截面变为小直径的圆形截面，挤压过渡段先是一组对边变形较大，缩颈挤压段则是另一组对边变形较大，此种变形方式在可降低挤扭过程中的载荷，提高模具的使用寿命，有利于解决难变形材料在大挤压比情况下载荷大的问题。

附图说明

图1为所述超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具的结构视图；

图2为所述模腔的立体结构视图；

图3为所述模腔的结构正视图；

图4为图3中A-A的剖视截面图；

图5为图3中B-B的剖视截面图；

图6为图3中C-C的剖视截面图；

图7为图3中D-D的剖视截面图；

图8为图3中E-E的剖视截面图；

图9为图3中F-F的剖视截面图；

图10为图3中G-G的剖视截面图。

图中数字表示：

1-上冲头；2-棒坯；3-定位孔；4-进料通道；5-变形通道；6-出料通道；7-螺纹孔；51-挤压过渡段；52-整体扭转段；53-缩颈挤压段。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1、图2、图3所示，图1为所述超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具的结构视图；图2为所述模腔的立体结构视图；图3为所述模腔的结构正视图。

本发明所述超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具包括上冲头1和凹模，所述凹模内设置有模腔，所述上冲头1对所述模腔内的棒坯2进行加工，所述凹模内设置有由上至下依次设置的进料通道4、变形通道5和出料通道6，所述进料通道4设置为直径略大于所述棒坯2的圆柱形通道，所述进料通道4由所述变形通道5的上端延伸至所述凹模的上端面，所述出料通道6由所述变形通道5下端延伸至所述凹模的下端面。

所述变形通道5包括挤压过渡段51、整体扭转段52和缩颈挤压段53，所述整体扭转段52的一端通过所述挤压过渡段51与所述进料通道4连接，另一端通过所述缩颈挤压段53与所述变形通道5连接，所述挤压过渡段51、所述整体扭转段52和所述缩颈挤压段53同轴设置，所述整体扭转段52横截面设置为圆角四边形，所述挤压过渡段51的横截面由所述进料通道4的圆形逐渐过渡到所述整体扭转段52的圆角四边形，所述缩颈挤压段53的横截面由所述整体扭转段52的圆角四边形逐渐过渡到所述出料通道6的圆形，且所述挤压过渡段51的横截面面积由所述进料通道4向所述整体扭转段52逐渐减小，所述缩颈挤压段53的横截面面积由所述整体扭转段52向所述出料通道6逐渐减小，所述圆角四边形的四个顶角沿轴向方向螺旋延伸。

具体的，所述整体扭转段52的横截面包括两圆弧边和两直线边，所述圆弧边螺旋延伸形成不规则圆柱面，所述直线边螺旋延伸形成突起，两所述直线边平行设置，所述圆弧边两端分别连接两所述直线边的端部，形成对称的圆角四边形横截面。

两所述圆弧边为对边等长圆弧，两所述直线边为对边等长直线。

较佳的，所述圆弧边的直径小于所述进料通道4的直径，并大于所述出料通道6的直径。

如图4-图10所示，图4-图10为图3中各位置上的截面视图。所述挤压过渡段51的截面形状从所述进料通道4处的圆形逐渐过渡到所述整体扭转段52的圆角四边形，其中与圆弧边对应的过渡区域类似于圆台的侧面，与直边对应的过渡区域则由平滑曲面连接，各过渡区域之间平滑连接，从俯视图看每个过渡区域各占90°。所述整体扭转段52由轴对称分布的两个突起和两个不规则圆柱面组成，所述两个突起与所述圆角四边形直线边连接，所述突起与所述圆柱面之间由光滑曲面过渡，所述突起由两条螺旋线组成，所述圆柱面与所述圆弧正方形的圆弧边连接，所述缩颈挤压段53连接了所述变形通道5的整体扭转段52与所述出料通道6，所述缩颈挤压段53连接了所述变形通道5的整体扭转段52与所述出料通道6，其截面形状从所述整体扭转段52处的圆角四边形逐渐过渡到所述出料通道6的圆角四边形，其中与圆弧边对应的过渡区域类似于圆台的侧面，与直边对应的过渡区域则由平滑曲面连接，各过渡区域之间平滑连接，从俯视图看每个过渡区域各占90°，类似于挤压过渡段51与整体扭转段52的过渡形式。

所述上冲头1包括上段和下段，所述上段和所述下段均设置为圆柱结构，所述上段和所述下段同轴固定连接，所述上段直径大于所述下段直径，所述上段长度小于所述下段长度，所述下段设置在所述进料通道4内。

所述变形通道5中的整体扭转段52突起由两条按照模具轴线旋转的螺旋线和直线边组成，所述螺旋线的螺旋角为90°。

所述变形通道5中的整体扭转通道截面形状为对边等长圆弧和对边等长直线边构成的四边形。

所述变形通道5中的整体扭转通道截面形状不变。

所述挤压过渡段51为由所述进料通道4的圆形截面过渡到所述整体扭转段52的圆角四边形截面的圆台结构，所述挤压过渡段51上所述直线边对应的过渡区为圆弧型向直线型过渡的平滑渐变曲面，所述圆弧边对应的过渡区为同轴设置的渐变半径圆弧型过渡的圆锥外圆渐变曲面，单个所述圆锥外圆渐变曲面或所述圆锥外圆渐变曲面为所述挤压过渡段51圆台侧面的1/4。

所述进料通道4直径大于整体扭转段52圆角四边形截面的对角线长度。

所述缩颈挤压段53为由所述整体扭转段52的圆角四边形截面过渡到所述出料通道6的圆形截面的圆台结构，所述缩颈挤压段53上所述直线边对应的过渡区为圆弧型向直线型过渡的平滑渐变曲面，所述圆弧边对应的过渡区为同轴设置的渐变半径圆弧型过渡的圆锥外圆渐变曲面，单个所述圆锥外圆渐变曲面或所述圆锥外圆渐变曲面为所述缩颈挤压段53圆台侧面的1/4。

所述圆角四边形的对角线长度大于出料通道6的直径。

所述凹模为圆台状，且分为左右两瓣的两纵凹模，所述纵凹模截面上按一条对角线开有两个螺纹孔7，另一条对角线开有两个定位孔3，可以利用定位销定位。

一种使用所述超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具的成形方法，包括如下步骤：

步骤S1：将凹模安放在电阻加热炉内，启动加热，对凹模部分进行预热，将圆柱形棒材放入加热炉中进行加热，达到指定温度范围后进行保温。

步骤S2：将凹模取出放置在液压机的模座上，从加热炉中取出圆形棒材放入凹模内将冲头插入凹模的进料通道4。

步骤S3：启动液压机，控制滑块下行，带动冲头挤压棒材，完成变形。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具，其特征在于，包括上冲头和凹模，所述凹模内设置有模腔，所述上冲头对所述模腔内的棒坯进行加工，所述凹模内设置有由上至下依次设置的进料通道、变形通道和出料通道，所述变形通道包括挤压过渡段、整体扭转段和缩颈挤压段，所述整体扭转段的一端通过所述挤压过渡段与所述进料通道连接，另一端通过所述缩颈挤压段与所述变形通道连接，所述挤压过渡段、所述整体扭转段和所述缩颈挤压段同轴设置，所述整体扭转段横截面设置为圆角四边形，所述挤压过渡段的横截面由所述进料通道的圆形逐渐过渡到所述整体扭转段的圆角四边形，所述缩颈挤压段的横截面由所述整体扭转段的圆角四边形逐渐过渡到所述出料通道的圆形，且所述挤压过渡段的横截面面积由所述进料通道向所述整体扭转段逐渐减小，所述缩颈挤压段的横截面面积由所述整体扭转段向所述出料通道逐渐减小，所述圆角四边形的四个顶角沿轴向方向螺旋延伸；

所述整体扭转段的横截面包括对边等长的两圆弧边和对边等长的两直线边，两所述直线边平行设置，所述圆弧边两端分别连接两所述直线边的端部，形成对称的圆角四边形横截面；

所述圆弧边的直径小于所述进料通道的直径，并大于所述出料通道的直径；

所述顶角沿轴向方向螺旋延伸形成的螺旋线的螺旋角为90°；

所述挤压过渡段为由所述进料通道的圆形截面过渡到所述整体扭转段的圆角四边形截面的圆台结构，所述挤压过渡段上所述直线边对应的过渡区为直线型向圆弧型过渡的平滑渐变曲面，所述圆弧边对应的过渡区为同轴设置的渐变半径圆弧型过渡的圆锥外圆渐变曲面，单个所述圆锥外圆渐变曲面或所述平滑渐变曲面为所述挤压过渡段圆台侧面的1/4；

所述缩颈挤压段为由所述整体扭转段的圆角四边形截面过渡到所述出料通道的圆形截面的圆台结构，所述缩颈挤压段上所述直线边对应的过渡区为圆弧型向直线型过渡的平滑渐变曲面，所述圆弧边对应的过渡区为同轴设置的渐变半径圆弧型过渡的圆锥外圆渐变曲面，单个所述圆锥外圆渐变曲面或所述平滑渐变曲面为所述缩颈挤压段圆台侧面的1/4。

2.如权利要求1所述的超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具，其特征在于，所述进料通道设置为直径大于所述棒坯的圆柱形通道，所述进料通道由所述变形通道的上端延伸至所述凹模的上端面，所述出料通道由所述变形通道下端延伸至所述凹模的下端面。

3.如权利要求1所述的超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具，其特征在于，所述上冲头包括上段和下段，所述上段和所述下段均设置为圆柱结构，所述上段和所述下段同轴固定连接，所述上段直径大于所述下段直径，所述上段长度小于所述下段长度，所述下段设置在所述进料通道内。

4.如权利要求1所述的超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具，其特征在于，所述凹模为圆台状，所述凹模包括对称的两纵模具，所述纵模具的截面上按一条对角线开有两个螺纹孔，另一条对角线开有两个定位孔。

5.一种使用如权利要求1-4中任一项所述的超细晶棒材挤扭挤大塑性变形模具的成形方法，其特征在于，包括步骤：

S1，对所述凹模进行预热，将圆柱形的所述棒坯进行加热至指定温度范围后进行保温；

S2，将所述凹模放置在液压机上，所述棒坯放入所述模腔内将所述冲头插入所述进料通道；

S3，启动所述液压机，带动所述冲头挤压棒材，完成变形。