CN201776303U - 一种管材挤压实验装置 - Google Patents

Abstract

一种管材挤压实验装置，包括挤压轴、挤压筒、挤压模板，挤压筒底部的挤压模板上设置有挤压凹模，挤压轴插设在挤压筒的上部，挤压模板上设置有挤压坯料，挤压坯料的顶面上分别设置有石墨垫和挤压垫，挤压筒内设置有一挤压杆，挤压杆分别穿过挤压坯料、石墨垫及挤压垫，挤压杆的上端与挤压轴相连接，挤压杆的下端与挤压凹模相连接。本实用新型具有操作简单、测量成本低，可以测量不同温度、不同挤压速度、不同变形程度、不同材料的挤压力数值，为建立准确的管材挤压成形时材料本构关系模型提供必要的实验数据，以提高管材挤压成形时的数值计算或有关工艺参数确定及模具设计计算方面的精度。

Description

一种管材挤压实验装置

技术领域

本实用新型专利属于管材挤压实验装置及相关技术标准，为建立管材挤压成形时的材料本构关系模型提供实验数据。

背景技术

建立准确的材料热变形本构关系模型对于分析材料变形特征和成形性能，优化塑性成形工艺及模具设计具有重要意义。

材料本构关系模型是塑性变形过程数值模拟和模具设计不可缺少的基础理论模型，材料本构关系模型的计算精度和形式直接影响计算结果和计算速度。从文献上看，目前关于材料热变形本构关系模型的建立方法是依据Arrhenius型方程形式，对热模拟实验或热拉伸实验数据采用数理统计的方法建立起来的。热模拟实验或热拉伸实验时的变形体是一个自由镦粗或自由拉伸的变形过程，都是受单向外力作用，而且其未受力方向上都是自由表面，如果采用热模拟实验或热拉伸实验数据建立起来的材料本构关系模型应用到挤压变形过程中，由于应力状态等变形条件不同，必然产生计算误差，进而影响数值模拟精度。因为挤压变形时的受力状态与热模拟实验或热拉伸实验时的受力状态差别明显，挤压变形时变形体的三个方向都是受压应力作用，而热模拟实验或热拉伸实验时的变形体都是受单向压力或单向拉伸力作用，而且其它方向上都是自由表面。因此为了建立准确的管材挤压变形时材料本构关系模型，提出了本实用新型专利，为建立管材挤压成形时的材料本构关系模型提供实验数据。

实用新型内容

本实用新型专利的目的：在于提供一种管材挤压实验装置，以便为建立管材挤压成形时的材料本构关系模型提供实验数据。

采用的技术方案：

本实用新型专利的目的就是根据管材挤压成形时的应力-应变速率关系，而提供一种管材挤压实验装置。

一种管材挤压实验装置，包括挤压轴、挤压筒、挤压模板，挤压筒底部的挤压模板上设置有挤压凹模，挤压轴插设在挤压筒的上部，挤压模板上设置有挤压坯料，挤压坯料的顶面上分别设置有石墨垫和挤压垫，挤压筒内设置有一挤压杆，挤压杆分别穿过挤压坯料、石墨垫及挤压垫，挤压杆的上端与挤压轴相连接，挤压杆的下端与挤压凹模相连接。

一种管材挤压变形时材料本构关系模型建立方法，其特征在于包括以下工艺步骤：(1)准备挤压坯料，相关辅助材料；(2)用挤压装置通过由挤压实验测得挤压应力-应变速率曲线；(3)绘制

和

的曲线；(4)通过计算得到适用于管材挤压变形时的本构关系模型。

计算方法：

式中：A₁＝Aαⁿ，A₂＝A/2ⁿ，应变速率(S^-1)；Q，变形激活能(J/mol)，与材料有关；σ，单位挤压应力(MPa)；n，应力指数；T，绝对温度K；R，气体常数，其值为8.314J/(mol·K)；A，与材料有关的常数.n值的确定方法是通过测定应力的对数(lnσ)和应变速率的对数的直线斜率获得，α值的确定方法是通过测定应力σ和应变速率的对数的直线斜率获得，Q值的确定方法是通过测定应力的双曲正弦函数的对数(ln[sinh(ασ)])和对应的温度值(1/T)的直线斜率获得，A值的确定方法是根据获得的参数值(n，α，Q)再通过式(2)获得。

在温度不变的条件下，Q，R，T，A均是常数，根据式(3)可以确定n和α值，即：

$n=\frac{\∂\ln \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}{\∂\ln \mathrm{\σ}}\mathrm{and\α}=\frac{1}{n}\frac{\∂\ln \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}{\∂\mathrm{\σ}}---\left(3\right)$

在温度变化的条件下，Q随温度的变化而变化，R，α，n，A均是常数，根据式(2)可以得到Q和A的计算式(4)和式(5)。

$Q=\mathrm{Rn}\frac{\∂\left\{\ln \right[\sinh \left(\mathrm{\α\σ}\right)\left]\right\}}{\∂(1/T)}---\left(4\right)$

$A=\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}{\left[\sinh \left(\mathrm{\α\σ}\right)\right]}^{-n}\exp \left(\frac{Q}{\mathrm{RT}}\right)---\left(5\right)$

根据管材挤压变形时的应力-应变速率数值，可以确定n，α，Q，A值，这样材料本构关系模型就可以建立起来。在确定n，α，Q，A值时，式(1)-(5)中的单位挤压应力σ也可以取峰值应力σ_p，这样计算比较简单。测得峰值应力σ_p的值后，绘制

与lnσ_p、

与σ_p、与1/T的曲线，就可以确定n，α，Q，A值，代入式(1)中厚，就可以确定适合于管材挤压变形时的材料本构关系模型。

为了测定管材挤压变形时的应力-应变速率数值，绘制

与lnσ_p、

与σ_p、

与1/T的曲线，实用新型提出了管材挤压实验装置及相关技术标准。

工作原理：

本实用新型专利的原理是材料在挤压变形过程中，其挤压力的变化规律与圆柱体热压缩模拟实验时的热压缩变形力规律相似，因此采用挤压变形时的应力-应变速率数值来确定适用于管材挤压变形时的本构关系模型是可行的也是合理的。

管材挤压实验步骤：

(1)预热模具：根据具体挤压材料，确定模具预热温度，温度范围可以在室温～500℃；

(2)加热挤压坯料：将坯料加热到预定温度，根据具体材料的性能确定挤压坯料加热温度；

(3)涂覆润滑剂：在坯料表面和挤压筒内表面涂覆润滑剂；

(4)挤压成形：依次将挤压坯料、石墨垫、挤压垫装在挤压筒内，然后开始挤压，挤压速度为1.00～4.00mm/s，同时记录挤压工艺参数，如挤压速度、挤压温度、挤压力；

(5)根据实验数据，绘制

与lnσ_p、与σ_p、

与1/T的曲线，并测定曲线的斜率值；

(6)根据式(3)-(5)，确定式(1)中的n，α，Q，A值；

(7)将n，α，Q，A值代入式(1)中，即可得到适用于管材挤压变形时的本构关系模型。

本实用新型专利的挤压实验技术标准：

为了规范挤压实验，制定了以下技术标准：(1)挤压坯料尺寸是外径D＝40mm，内径D_i＝12mm，见图1；(2)挤压管材尺寸外径d＝20，内径d_i＝D_i＝12；(3)挤压凹模的凹模锥半角α为70°，H＝10×tan20°＝3.64；(4)挤压实验装置见图3；(5)其它工艺参数，挤压比G为5.69，摩擦系数为0.09，润滑剂的选择根据材料需要来选择。

本实用新型专利的优点：应用于建立管材挤压成形时材料本构关系模型的管材挤压实验装置及技术标准具有操作简单、测量成本低，可以测量不同温度、不同挤压速度、不同变形程度、不同材料的挤压力数值，为建立准确的管材挤压成形时材料本构关系模型提供必要的实验数据，以提高管材挤压成形时的数值计算或有关工艺参数确定及模具设计计算方面的精度。

附图说明

图1为实用新型的结构示意图。

具体实施方式：

本实用新型采用的挤压装置，包括挤压轴1、挤压筒2、挤压模板8，挤压筒2底部的挤压模板8上设置有挤压凹模7，挤压轴插设在挤压筒2的上部，挤压模板8上设置有挤压坯料6，挤压坯料6的顶面上分别设置有石墨垫4和挤压垫3，挤压筒2内设置有一挤压杆5，挤压杆5分别穿过挤压坯料6、石墨垫4及挤压垫3，挤压杆5的上端与挤压轴1相连接，挤压杆5的下端与挤压凹模7相连接。

管材挤压实验步骤：

采用本实用新型专利确定了ZK60镁合金管材挤压变形时的本构关系模型。具体步骤如下：

(1)挤压工艺参数：温度分别为270℃，300℃，330℃。挤压速度分别为(mm/s)1.00mm/s，2.00mm/s，4.00mm/s。对应的平均应变速率分别为(1/s)1.29，2.56，5.15.

(2)选择挤压设备：1000kN压力机。

(3)测得单位挤压应力-应变速率的数值，见表1。

(4)根据实验数据，绘制

与lnσ_p、

与σ_p、

与1/T的曲线。

(5)根据式(3)-(5)，得到n，α，Q，A值分别为n＝9.45，α＝0.00278，Q＝169388，A＝4.729×10¹⁴。

(6)ZK60镁合金管材挤压变形时的本构关系模型：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=4.729{\left[\sinh \left(0.00278\mathrm{\σ}\right)\right]}^{9.45}\exp \left(\frac{169388}{\mathrm{RT}}\right)---\left(8\right)$

表1  不同挤压工艺参数时的单位挤压力(MPa)

Claims (1)

1.一种管材挤压实验装置，包括挤压轴、挤压筒、挤压模板，其特征在于所述的挤压筒底部的挤压模板上设置有挤压凹模，挤压轴插设在挤压筒的上部，挤压模板上设置有挤压坯料，挤压坯料的顶面上分别设置有石墨垫和挤压垫，挤压筒内设置有一挤压杆，挤压杆分别穿过挤压坯料、石墨垫及挤压垫，挤压杆的上端与挤压轴相连接，挤压杆的下端与挤压凹模相连接。

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