CN114974866A - 一种热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热压‑热变形稀土永磁环的一体化成形模具及其制备方法。一体化成形模具包括：同轴设置的压头、阶梯套筒、阶梯阴模和垫块，且需配套使用。该一体化模具仅通过合理调整压头卡扣与套筒周向槽的旋入与旋出，控制压头与阶梯套筒的组合与分离，改变模具模腔体积，在无需更换模具的情况下，分别完成热压‑热变形制备稀土永磁环的整个工艺流程。本发明通过简单机械零件的配合与调整，即可在同一模具内完成由磁粉到磁环的整个热压‑热变形工艺流程，有效避免因更换模具造成的升温‑降温‑升温‑降温的大范围温度变化过程，不仅提升制备效率，而且避免了更换模具过程中可能带来的氧化以及温度大范围变化带来的晶粒粗化等问题，确保磁体性能。

Description

一种热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具及其制备 方法

技术领域

本发明涉及稀土永磁材料的制造加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具及其制备方法。

背景技术

稀土永磁环在电机、车载音箱以及机器人驱动装置等方面应用非常广泛。随着新能源汽车、机器人等高新技术产业的崛起与不断发展，对于具有辐射取向的稀土永磁环的性能要求也越来越高。现在采用稀土材料制备环状磁体的方法有多种，如采用永磁体拼接成永磁环、各向同性磁粉粘结成永磁环等，但由于工艺特点，制备的永磁环性能较低且均匀性较差。

相较于传统的方法，热压-热变形工艺短流程、近终成型等特点使其成为生产纳米晶永磁环的主要方式之一，国内外采用热压-热变形工艺生产稀土永磁环均有成功的案例。如日本大同公司已经稳定生产永磁环；国内的成都银河、宁波金鸡等也相继进行永磁环的小批量生产。受工艺特点与成形方式限制，传统热压-热变形稀土永磁环大多采用冷压-热压-热变形的方式进行，整个过程中至少需要更换两次模具，经历大范围的升温-降温-升温-降温的过程，这不仅导致生产效率较低，而且不利于细化磁体的微观结构，使得磁体性能降低。

发明专利CN109994310A公开了“一种热压热变形磁体的制备方法”，提出通过传统的热压-热变形工艺可将MQ粉制备成各向异性的稀土永磁环，且磁环均匀性较好拥有较高的磁性能。但热压后的磁体需要冷却后更换一次尺寸更大的模具后，再升温进行热变形，不仅降低了效率，而且不利于制备磁性能更加均匀的磁环。文献《Net-shape and crack-freeproduction of Nd–Fe–B magnets by hot deformation》提出一种将磁粉热压成各向同性磁环后再转换模具热变形为各向异性永磁环的方法，虽然制得的磁环相比传统方式具有一定的性能提升，但在成形过程中依旧至少需要更换两次模具，降低了生产效率，增加了模具相关的制作成本。

因此，为了提升工业化生产稀土永磁环的生产效率，减少热压-热变形工艺过程中温度大范围变化的系列工艺过程，降低更换模具的次数，设计出一种将冷压-热压-热变形结合到一起的模具，对于工程实际具有一定的意义。

发明内容

根据上述提出在制备稀土永磁环的过程中需要对施压温度进行大范围控制，且在制备过程中需要更换模具影响生产效率等的技术问题，而提供一种热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具及其制备方法，使热压磁体在热变形前已经具有一定织构取向，同时可以保证热压-热变形整个工艺流程在同一套模具内进行，从而优化了工艺流程，简化了模具结构，提升了生产效率，降低了模具制作成本。

本发明采用的技术手段如下：

一种热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具，其特征在于，包括：同轴设置的压头、阶梯套筒、阶梯阴模和垫块；

所述压头上设有压头上卡扣和压头下卡扣；

所述阶梯套筒具有内轴与外轴两个部分，同时开有上部周向槽、下部周向槽、轴向槽导轨以及上部观察槽；所述外轴末端开对称槽，形成对称的套筒凸台；所述内轴贯穿所述外轴，且内轴外径与外轴内径相等；

所述阶梯阴模上设有台阶状凸台，分别为阴模第一凸台、阴模第二凸台以及所述阴模第二凸台与所述阶梯阴模的平面之间形成的凹槽；所述阴模第一凸台与所述阴模第二凸台的截面均为具有一定圆心角的圆环，且二者同心同轴关于阴模轴线对称，数量各自有两个；其中，所述阴模第一凸台位于所述阴模第二凸台之上，所述阴模第一凸台所对的圆心角度数小于所述阴模第二凸台所对圆心角度数；

所述阶梯套筒内壁与所述压头外壁贴合；

所述阶梯套筒的内轴的外径与所述垫块的直径相等；

所述阶梯阴模的内径与所述垫块的外径相等；

所述压头上卡扣和所述压头下卡扣轴向上可在所述阶轴向槽导轨内上下行进，径向上可在所述上部周向槽与下部周向槽内径向旋转，通过卡扣与周向槽配合实现所述压头和所述阶梯套筒的分离与组合。

进一步地，所述压头上卡扣和压头下卡扣的卡扣截面形状为三角形或矩形或具有一定圆弧边界的鼓形。

进一步地，所述上部周向槽、下部周向槽的截面形状为与所述卡扣截面形状相匹配的三角形或矩形或具有一定圆弧边界的鼓形；优选地，为矩形或具有一定圆弧边界的鼓形，以增大接触面积，降低加工难度，同时提高适用范围；所述轴向槽导轨的截面形状为矩形。上部观察槽以便观察压头与阶梯套筒之间的装配与相对运动关系，防止发生运动干涉。

进一步地，所述阶梯阴模与所述阶梯套筒配套使用，当所述阶梯套筒的内轴下端与所述垫块接触时，所述外轴上的套筒凸台位于凹槽中，以限制套筒的径向转动；当阶梯套筒在压头作用下可发生径向旋转时，套筒凸台下端面在轴向上可处于阴模第二凸台端面之上且处于阴模第一凸台端面之下，以发生一定角度的径向旋转。

本发明还公开了一种采用上述的一体化成形模具制备热压-热变形稀土永磁环的方法，其特征在于包括如下步骤，

冷压过程：将稀土永磁粉放入所述模具中，洗气2-3次后，在真空条件下进行冷压机械压实，得到一定致密性的冷压永磁块体；

热压过程：冷压永磁块体压制完成，改变压头与阶梯套筒的相对位置，直接以较快的升温速率升温，将温度提升至500-650℃，在同样的真空条件下进行热压，得到热压块体；

热变形过程：热压块体制备完成，进一步改变压头与阶梯套筒的相对位置，在热压温度基础上，进一步升温至700-900℃，并充入少量氩气为保护气，制备各向异性稀土永磁环。

进一步地，所述冷压过程中，套筒内轴下端与垫块上端贴合，套筒外轴上的凸台位于阴模上的凹槽之中，以限制阶梯套筒的径向转动，稀土永磁粉处于阶梯套筒、垫块以及压头所形成的空腔中。压头下行过程中，压头上卡扣与压头下卡扣处于套筒轴向槽导轨中，外界动力促使压头的下行，实现冷压机械压实。

进一步地，所述热压过程中，冷压完成后，所述压头上移，当压头下卡扣与阶梯套筒上的上部周向槽同高度时，压头径向旋转一定角度，使得压头下卡扣旋进套筒上部周向槽中，并二者上端面接触。此时，压头上行，并带动阶梯套筒上行。轴向上，当阶梯套筒上的套筒凸台下端面处于阴模第二凸台端面与阴模第一凸台端面之间时，压头与阶梯套筒停止上行。此后，压头按照顺时针或逆时针方向旋转一定角度，阶梯套筒在压头的带动下，也发生径向旋转，并使得套筒凸台下端平面落在阴模第二凸台的上端平面上。阶梯套筒轴向上受到阴模第二凸台端面的支撑作用，径向上受到阴模第一凸台的侧端面的限位作用，此时，完成阶梯套筒的上移。

阶梯套筒上移完成后，通过压头旋转，将压头卡扣旋回套筒轴向槽导轨中，并下行，当压头上卡扣、压头下卡扣分别于套筒上部周向槽、周向槽同高时，径向旋转一定角度，使得上卡扣、下卡扣分别旋入套筒周向槽。此后，阶梯套筒可在压头的带动下发生轴向的升降与径向的旋转运动。为减小套筒凸台下端面与阴模第二凸台端面之间的摩擦，阶梯套筒在径向旋转前，可先在压头的带动下轴向提升一小段距离后，再通过压头的径向旋转带动阶梯套筒的径向旋转，使得套筒凸台下端面离开阴模第二凸台端面。当套筒凸台下端平面离开第二凸台端面，并对准阶梯阴模上凹槽时，完成阶梯套筒与压头的组合。此时，压头的下端面与套筒内轴的下端面平齐。

具体地，完成阶梯套筒与压头组合的过程中，可同时伴随升温过程，将温度以2-3℃/s的升温速率，迅速升高至500-650℃，并保温20-40s，以消除温度梯度。外界动力输入作用在压头上，阶梯套筒在压头的带动下下行，完成热压块体的制备。

进一步地，所述热变形过程前，压头上移，并带动阶梯套筒一起上移。当套筒凸台下端平面在轴向高度上处于阶梯阴模第二凸台端面之上且处于第一凸台之下时，按照顺时针或逆时针旋转一定角度，使得套筒凸台下端平面落在阴模第二凸台的上端平面上，阴模第二凸台端面对阶梯套筒起到轴向支撑作用，径向则受到阴模第一凸台的侧端面的限位作用完成阶梯套筒的第二次上移。

进一步地，压头反向旋转使得上卡扣与下卡扣旋出套筒周向槽，并使之轴向对准套筒轴向槽导轨，压头下行至与热压稀土永磁块体上端面平齐。

进一步地，完成阶梯套筒与压头第二次上移的过程中，可向系统中充入少量氩气作为保护气，并在热压温度的基础上，以2-3℃/s的升温速率，进一步迅速升高至700-900℃，完成热变形挤出成环工艺。

进一步地，所述热变形过程中，由于发生上移，所述阶梯套筒内轴下端面距离稀土永磁块具有一定高度差，可在磁环成形过程中起到一定的轴向控压作用,以抑制磁环顶部开裂。

进一步地，所述热变形过程结束后，分多次充入少量氩气持续降温冷却，当温度降低至室温时，在套筒内轴的作用下，将所述稀土永磁环顶出。

进一步地，所述稀土永磁粉采用HDDR、快淬法或机械合金化法制备的RE-Fe-B，其中，RE为包含Nd在内但不仅限于Nd的镧系稀土元素或钇元素中的一种或多种；同时还能够添加一个或多个过渡族元素，如Co、Ni、Mn、Cr、Al等。

进一步地，所述冷压过程中，真空度高于0.05Pa，冷压压力为400-600Mpa；所述热压过程中，热压压力控制在200-400MPa，热压温度为500-650℃，并保压20-40s，以获得致密度优良的热变形前驱体；所述热变形过程中，压头挤压速率为0.4-1.5mm/s，热变形温度为700-900℃，并冲入少量氩气作为保护气，系统依旧维持负压。

进一步地，通过压头与阶梯套筒的组合与分离，改变阶梯套筒与阶梯阴模之间的相对位置，得到不同制备阶段中所需的模具模腔形态，和/或所述冷压过程、热压过程、热变形过程均在同一个模具内先后连续完成，无需更换模具。

进一步地，所述压头与所述阶梯套筒的组合通过所述压头上卡扣、压头下卡扣旋入所述套筒的上部周向槽、下部周向槽，实现阶梯套筒的径向旋转和/或轴向运动。

进一步地，所述压头与所述阶梯套筒的分离通过所述压头上卡扣、压头下卡扣旋出所述周向槽并对准轴向槽导轨实现，所述套筒凸台与阴模第一凸台、阴模第二凸台以及凹槽的配合对阶梯套筒起到支撑与限位作用。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用该一体化模具可以将稀土永磁粉在同一套模具中先后完成热压-热变形制备稀土永磁环的整个过程，中途无需更换模具，有效避免了因更换模具造成的升温-降温-升温-降温的大范围温度变化过程，不仅提升了制备效率，而且避免了更换模具过程中可能带来的氧化问题以及温度大范围变化带来的晶粒粗化等问题，确保了磁体性能。

2、本发明在整个成形过程中，外界动力输入系统的输入动力仅需要作用在压头上，通过压头卡扣进一步带动模具系统的其它部件发生运动，简化了模具系统与外界动力输入系统的搭配模式，降低了模具系统对成形环境中动力系统的高要求。

3、本发明制备的热压磁体在热变形初期就存在一定的织构取向，有利于热变形成环过程中优良的织构取向与各向异性的提升。

4、本发明采用的一体化模具可以通过合理设计压头卡扣以及阶梯套筒周向槽的数量、阴模上凹槽深度与阴模凸台高度以及阶梯套筒外轴深度，实现不同高度稀土永磁环的制备，降低了模具的制作成本，增加了模具的适用范围。

5、本发明采用的一体化模具通过合理调整阶梯套筒上移与压头下行的操作顺序，可以实现不同高径比冷、热压稀土永磁块的制备，同时不仅可以生产具有各向异性的辐射取向的永磁环，还可以生产具有各向异性的上下取向的永磁块，应用范围相对较广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一体化模具结构爆炸图。

图2为本发明一体化模具结构总装配图。

图3为本发明一体化模具A-A向视图。

图4为本发明一体化模具B-B视图。

图5为本发明压头结构示意图。

图6为本发明阶梯套筒结构示意图。

图7为本发明阶梯套筒C-C视图。

图8为本发明阶梯套筒D-D视图。

图9为本发明阶梯阴模结构示意图。

图10为冷压过程后模具各部分装配示意图，其中，(a)为A-A向视图，(b)为B-B向视图。

图11为热压前阶梯套筒2与压头1上移与组合完成后模具示意图，其中，(a)为A-A向视图，(b)为B-B向视图。

图12为热变形过程中模具各部分装配示意图，其中，(a)为A-A向视图，(b)为B-B向视图。

图中：1、压头；11、压头上卡扣；12、压头下卡扣；2、阶梯套筒；21、上部周向槽；22、下部周向槽；23、轴向槽导轨；24、上部观察槽；25、内轴；26、外轴；27、套筒凸台；3、阶梯阴模；31、阴模第一凸台；32、阴模第二凸台；33、凹槽；4、垫块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种采用热压-热变形工艺制备稀土永磁环的一体化成形模具及其制备方法，旨在同一模具内，完成热压-热变形制备稀土永磁环的全部工艺流程，同时热压的块体在热变形尚未开始之前便有一定的织构取向。从而降低生产成本，提高生产效率，制备出磁性能更均匀的稀土永磁环。

如图1与图2所示，为本发明热压-热变形稀土永磁环一体化成形模具结构爆炸图与装配图。该一体化模具包括：压头1、阶梯套筒2、阶梯阴模3及垫块4。所述压头1、阶梯套筒2、阶梯阴模3、垫块4同轴设置且需配套使用；所述阶梯套筒2内壁与压头1外壁贴合；所述阶梯套筒2内轴外径与所述垫块4直径相等；所述阶梯阴模3内径与所述垫块4外径相等。

如图3与图4所示，为一体化模具装配体的A-A向与B-B向视图，图5示出了本发明一体化模具压头结构示意图，压头1主体为圆柱状，在压头1中上部，制有压头上卡扣11和压头下卡扣12。卡扣截面形状可以为三角形或矩形或具有一定圆弧边界的鼓形。

如图6所示，为一体化模具阶梯套筒结构示意图，图7与图8分别为阶梯套筒C-C向与D-D向视图。由图6、图7与图8可知，所述阶梯套筒2具有内轴25与外轴26两个部分，同时开有上部周向槽21、下部周向槽22、轴向槽导轨23以及上部观察槽24。同时，外轴26末端开对称槽，形成对称的套筒凸台27；内轴25贯穿外轴26，且内轴25外径与外轴26内径相等；上部周向槽21、下部周向槽22截面形状为三角形或矩形或具有一定圆弧边界的鼓形。优选地，为矩形或具有一定圆弧边界的鼓形，以增大与压头卡扣的接触面积，降低加工难度，提高适用范围。同时，周向槽截面形状需与压头卡扣截面形状匹配。轴向槽导轨23截面形状为矩形。上部观察槽24以便于观察压头1与阶梯套筒2之间的装配与相对运动关系，防止发生干涉，同时起到压头轴向运动的导向作用。

如图9所示，为一体化模具阶梯阴模结构示意图。所述阶梯阴模3上设有台阶状凸台，分别为阴模第一凸台31与阴模第二凸台32，阴模第二凸台32与阴模平面之间形成一个凹槽33。阴模第一凸台31与阴模第二凸台32均为具有一定圆心角度的圆环状截面且二者同心同轴，数量各自有两个，分别关于圆心对称。其中，阴模第一凸台31位于阴模第二凸台32之上，第一阶凸台31所对的圆心角度数小于第二凸台32所对圆心角度数。

由图1、图2以及图3与图4可知，压头上卡扣11、压头下卡扣12轴向上可在套筒轴向槽导轨23上下行进，径向上可在上部周向槽21与下部周向槽22内径向旋转。通过所述卡扣与所述套筒周向槽配合实现所述压头1和所述阶梯套筒2的分离与组合。

同时，当阶梯套筒内轴25下端与垫块4接触时，套筒外轴26上的套筒凸台27位于凹槽33中，以限制套筒2的径向转动；当阶梯套筒2在压头1作用下可发生径向旋转时，套筒凸台27下端轴向上可处于阴模第二凸台32端面之上且位于第一凸台31端面之下。

下面以图示说明的方式，对采用本发明中所述的一体化模具进行热压-热变形制备永磁环的工艺过程与工艺条件予以阐述说明。值得说明的是，图中所示结构尺寸均为示意图，用来表示制备永磁环的过程中，各个部分之间的配合过程与关系，并不代表实际尺寸大小。

所述稀土永磁粉是RE-Fe-B，作为一种优选实施方式，所述稀土永磁粉采用HDDR、快淬法或机械合金化法制备。其中，RE包括包含Nd在内但不仅限于Nd的镧系稀土元素或钇元素中的一种或多种；同时还能够添加一个或多个过渡族元素，如Co、Ni、Mn、Cr、Al等。

步骤1：冷压前，将本发明所述模具装配好。压头1和阶梯套筒2处于分离状态，套筒内轴25下端面与垫块4上表面贴合，垫块4下端面与阶梯凹模3下端面在同一水平面上，此时垫块4上端面、套筒内轴25以及压头1之间形成空腔，用于存放稀土永磁粉。

步骤2：图10示出了冷压过程后模具各部分装配关系。其中，图10(a)为A-A向视图；图10(b)为B-B向视图。所述冷压过程前，将磁粉放入所述模具中，充入少量稀有气体，如氩气洗气2-3次后，抽真空，使真空度高于0.05Pa。内轴25下端与垫块4上端贴合，外轴26上的套筒凸台27位于阴模上的凹槽33之中，以限制阶梯套筒2的径向转动。外界动力输入作用在压头1上，使得压头1下行，对磁粉进行冷压机械压实，此时，压头上卡扣11与下卡扣12均在轴向槽导轨23中，外界动力促使压头1的下行，实现冷压机械压实。所述冷压过程中，冷压压力控制在400-600MPa之间。

步骤3：热压过程前，阶梯套筒2的上移与旋转。压头1上移，当压头下卡扣12与阶梯套筒2上的上部周向槽21同高度时，压头1顺时针或逆时针径向旋转一定角度，该角度范围为60°-120°，使得压头下卡扣12旋进套筒上部周向槽21中，并二者上端面接触，使得压头1和阶梯套筒2可同时发生相同的运动。此时，压头1上行，带动阶梯套筒2上行，当阶梯套筒2上的套筒凸台27下端面在轴向上处于阴模第二凸台32端面与阴模第一凸台31端面之间时，上行运动停止。此后，阶梯套筒2在压头1的带动下按照相同方向继续旋转一定角度，使得套筒凸台27下端平面落在阴模第二凸台32的上端平面上，凸台端面对阶梯套筒起到轴向支撑作用，径向受到阴模第一凸台31的侧端面的限位作用，完成阶梯套筒2的上移。

优选地，此过程中，压头1的旋转角度为80°-100°，更有利于阶梯套筒2在压头1的带动下上移与旋转。

步骤4：热压过程前，阶梯套筒2与压头1的分离与组合。阶梯套筒2上移与旋转完成后，通过压头1旋转，将压头下卡扣12旋回套筒轴向对准槽导轨23，完成阶梯套筒2与压头1的分离。压头1下行，当压头上卡扣11、压头下卡扣12分别与套筒上部周向槽21、周向槽22同高时，径向旋转一定角度，使得上卡扣11、下卡扣12分别旋入套筒周向槽21、22中。此后，阶梯套筒2可在压头1的带动下发生轴向的升降与径向的旋转运动。为减小套筒凸台27下端面与阴模第二凸台32端面之间的摩擦，阶梯套筒2在径向旋转前，可先在压头1的带动下轴向提升一小段距离后，再通过压头1的径向旋转带动阶梯套筒2的径向旋转，使得套筒凸台27下端面离开阴模第二凸台32端面。当套筒凸台27下端平面离开第二凸台32端面，并对准阶梯阴模上凹槽33时，完成阶梯套筒2与压头1的组合。此时，压头1的下端面与内轴25的下端面平齐，压头1和阶梯套筒2内轴下端面共同组成一个“大压头”。

如图11所示，示出了阶梯套筒2与压头1上移与组合完成后结构的示意图。其中图11(a)为A-A向视图；图11(b)为B-B向视图。

步骤5：在完成步骤3与步骤4阶梯套筒2与压头1组合的过程中，可同时伴随升温过程。将温度以2-3℃/s的升温速率，迅速升高至500-650℃，并保温20-40s后，以消除温度梯度。启动压机，阶梯套筒2在压头1的带动下下行，完成热压块体的制备。此时热压后得到的磁体的外径与阶梯阴模3内径相同。

所述热压过程中，热压压力控制在200-400MPa，为使热压磁体的致密性更好，可优选地保压20-30s时间。

步骤6：热变形过程前，外界动力输入使得压头1上移，并带动阶梯套筒2一起上移。当套筒凸台27下端平面在轴向高度上处于阶梯阴模3第二凸台32端面之上且处于第一凸台31端面之下时，按照顺时针或逆时针旋转一定角度，使得套筒凸台27下端平面落在阴模第二凸台32的上端平面上，第二凸台32端面对阶梯套筒起到轴向支撑作用，径向则受到阴模第一凸台31的侧端面的限位作用完成阶梯套筒2的第二次上移。

步骤7：压头1反向旋转使得上卡扣11与下卡扣12旋出套筒周向槽21、22，并使之轴向对准套筒轴向槽导轨23，压头1下行至与热压稀土永磁块体上端面平齐。

如图12所示，示出了热变形工艺过程中，模具系统各部分装配结构示意图。其中图12(a)为A-A向视图；图12(b)为B-B向视图。

步骤8：完成步骤6-7的过程中，可向系统中充入少量氩气作为保护气，并在热压温度的基础上，以2-3℃的升温速率，进一步迅速升高至700-900℃，完成热变形挤出成环工艺。

步骤9：压头1下行，下行速率保持0.4-1.5mm/s之间，并保证压头1在下行过程中上卡扣11与下卡扣12能够在阶梯套筒2轴向槽导轨23内上下移动而不触碰到阶梯套筒2。热压后得到的磁块在压头1的挤压作用下成形为磁环。

所述步骤9过程中，当磁环上表面接触到套筒内轴25下表面时，磁环上表面的流动速度受到一定限制，有利于提升磁环上部的致密性，抑制磁环顶部开裂。

步骤10：当压头1下行至距垫块4上端面一定高度时，挤压过程结束，此时压头离垫块上表面仅有很短的距离。可分多次充入少量氩气降温冷却，当温度降低至室温时，通过压头1与阶梯套筒2的配合，在套筒内轴25的作用下，将所述稀土永磁环顶出。

值得说明的是，上述提及的步骤1-步骤10中所涉及的稀土永磁环的成形过程方法仅是该一体化模具可以实现过程中的其中之一，其它过程，还包含但不局限于以下过程：

1.在冷压过程后直接升温至一定温度热压，即热压永磁块与冷压永磁块的尺寸一致，阶梯套筒2一次上移后即可完成稀土永磁环的成形；

2.在冷压过程开始前，阶梯套筒2上移并与压头1配合，可以完成直径更大的冷、热压块体的制备。

值得说明的是，本发明所述的一体化模具，不仅可以生产具有辐射取向的稀土永磁环，还可以用于各向异性的稀土永磁块的制备，具体包含：

在冷压过程前，套筒内轴25下端与垫块4上端接触，冷压结束后直接升温至一定温度热压，即热压永磁块与冷压永磁块的尺寸一致，阶梯套筒2一次上移至内轴25下端与压头1下端平齐后，升温进行热变形。由于受到阶梯阴模内壁的限制，最终成形为圆柱状的各向异性的稀土永磁块。

综上所述，本发明提出的一种热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具及其制备方法，仅通过压头与阶梯套筒之间的组合与分离，可以实现在同一套模具中先后完成热压-热变形制备稀土永磁环的整个过程，中途无需更换模具，有效避免了因更换模具造成的升温-降温-升温-降温的大范围温度变化的繁琐工艺过程，不仅提升了制备效率，简化了形式，而且避免了更换模具过程中可能带来的氧化问题以及温度大范围变化带来的晶粒粗化等问题，确保了磁体性能。同时，在整个成形过程中，外界动力输入系统的输入动力仅需要作用在压头上，通过压头卡扣进一步带动模具系统的其它部件发生运动，简化了模具系统与外界动力输入系统的搭配模式，降低了模具系统对工作动力系统的高要求。并且，通过调整和设计压头卡扣以及阶梯套筒周向槽的数量、阴模上凹槽深度与阴模凸台高度以及阶梯套筒外轴深度，可以实现不同大小稀土永磁环的制备，降低了模具的制作成本，对于热压-热变形制备稀土永磁环领域具有一定的推广意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具，其特征在于，包括：同轴设置的压头、阶梯套筒、阶梯阴模和垫块；

所述压头上设有压头上卡扣和压头下卡扣；

所述阶梯套筒具有内轴与外轴两个部分，同时开有上部周向槽、下部周向槽、轴向槽导轨以及上部观察槽；所述外轴末端开对称槽，形成对称的套筒凸台；所述内轴贯穿所述外轴，且内轴外径与外轴内径相等；

所述阶梯阴模上设有台阶状凸台，分别为阴模第一凸台、阴模第二凸台以及所述阴模第二凸台与所述阶梯阴模的平面之间形成的凹槽；所述阴模第一凸台与所述阴模第二凸台的截面均为具有一定圆心角的圆环，且二者同心同轴关于阴模轴线对称，数量各自有两个；其中，所述阴模第一凸台位于所述阴模第二凸台之上，所述阴模第一凸台所对的圆心角度数小于所述阴模第二凸台所对圆心角度数；

所述阶梯套筒内壁与所述压头外壁贴合；

所述阶梯套筒的内轴的外径与所述垫块的直径相等；

所述阶梯阴模的内径与所述垫块的外径相等；

所述压头上卡扣和所述压头下卡扣轴向上可在所述阶轴向槽导轨内上下行进，径向上可在所述上部周向槽与下部周向槽内径向旋转，通过卡扣与周向槽配合实现所述压头和所述阶梯套筒的分离与组合。

2.根据权利要求1所述的热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具，其特征在于，所述压头上卡扣和压头下卡扣的卡扣截面形状为三角形或矩形或具有一定圆弧边界的鼓形。

3.根据权利要求2所述的热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具，其特征在于，所述上部周向槽、下部周向槽的截面形状为与所述卡扣截面形状相匹配的三角形或矩形或具有一定圆弧边界的鼓形；所述轴向槽导轨的截面形状为矩形。

4.根据权利要求1所述的热压-热变形稀土永磁环的一体化成形模具，其特征在于，所述阶梯阴模与所述阶梯套筒配套使用，当所述阶梯套筒的内轴下端与所述垫块接触时，所述外轴上的套筒凸台位于凹槽中，以限制套筒的径向转动；当阶梯套筒在压头作用下可发生径向旋转时，套筒凸台下端面在轴向上可处于阴模第二凸台端面之上且处于阴模第一凸台端面之下，以发生一定角度的径向旋转。

5.一种采用权利要求1-4任意一项权利要求所述的一体化成形模具制备热压-热变形稀土永磁环的方法，其特征在于包括如下步骤，

冷压过程：将稀土永磁粉放入所述模具中，洗气2-3次后，在真空条件下进行冷压机械压实，得到一定致密性的冷压永磁块体；

热压过程：冷压永磁块体压制完成，改变压头与阶梯套筒的相对位置，直接以较快的升温速率升温，将温度提升至500-650℃，在同样的真空条件下进行热压，得到热压块体；

热变形过程：热压块体制备完成，进一步改变压头与阶梯套筒的相对位置，在热压温度基础上，进一步升温至700-900℃，并充入少量氩气为保护气，制备各向异性稀土永磁环。

6.根据权利要求5所述的热压-热变形稀土永磁环的制备方法，其特征在于，所述稀土永磁粉采用HDDR、快淬法或机械合金化法制备的RE-Fe-B，其中，RE为包含Nd在内但不仅限于Nd的镧系稀土元素或钇元素中的一种或多种；同时还能够添加一个或多个过渡族元素，Co、Ni、Mn、Cr、Al。

7.根据权利要求5所述的热压-热变形稀土永磁环的制备方法，其特征在于，所述冷压过程中，真空度高于0.05Pa，冷压压力为400-600Mpa；所述热压过程中，热压压力控制在200-400MPa，热压温度为500-650℃，并保压20-40s，以获得致密度优良的热变形前驱体；所述热变形过程中，压头挤压速率为0.4-1.5mm/s，热变形温度为700-900℃，并冲入少量氩气作为保护气，系统依旧维持负压。

8.根据权利要求5所述的热压-热变形稀土永磁环的制备方法，其特征在于，通过压头与阶梯套筒的组合与分离，改变阶梯套筒与阶梯阴模之间的相对位置，得到不同制备阶段中所需的模具模腔形态，和/或所述冷压过程、热压过程、热变形过程均在同一个模具内先后连续完成，无需更换模具。

9.根据权利要求8所述的热压-热变形稀土永磁环的制备方法，其特征在于，所述压头与所述阶梯套筒的组合通过所述压头上卡扣、压头下卡扣旋入所述套筒的上部周向槽、下部周向槽，实现阶梯套筒的径向旋转和/或轴向运动。

10.根据权利要求8所述的热压-热变形稀土永磁环的制备方法，其特征在于，所述压头与所述阶梯套筒的分离通过所述压头上卡扣、压头下卡扣旋出所述周向槽并对准轴向槽导轨实现，所述套筒凸台与阴模第一凸台、阴模第二凸台以及凹槽的配合对阶梯套筒起到支撑与限位作用。

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