CN103331319A - 一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置及方法，装置包括模具部分和夹具部分；夹具部分由上夹具、下夹具、夹具座、固定板和弹簧组成，上、下夹具外侧的斜面与夹具座内部的斜面滑动连接，夹具座上安装有固定板，固定板上固定有弹簧与夹具连接；模具部分由模具、模具座和模具驱动装置组成，模具固定在模具座上；模具座连接有一个模具驱动装置。方法为：将金属棒/板带材作为变形件通过送料辊传输到变形件通道，启动模具驱动装置使模具进行往复运动，实现金属的步进式连续挤压变形。本发明的方法可制备长尺寸超细晶材料以及严重塑性变形的材料，且可降低变形负荷，具有工艺简单、节能、节材等优点。

Description

一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置及方法

技术领域

本发明涉及对金属棒/板带材进行金属严重塑性变形的装置及方法，特别涉及一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置及方法。

背景技术

金属材料的强韧化控制一直是材料领域关注的技术，在常见的强化方式中只有细晶强化是能够同时提高强度和改善塑性与韧性的方法。近年来，晶粒尺寸小于1μm的亚微米晶（大于100nm）和纳米晶（小于100nm）材料的制备技术、微观组织和性能的研究引起国内外学者的高度关注。20世纪80年代初，Gleiter等人采用惰性气体冷凝法获得纳米颗粒，通过原位加压的方法制备了Pd、Cu和Fe等金属纳米晶体，使纳米材料迅速成为人们研究的热点，但对晶粒尺寸在100nm~1μm之间的超细晶材料的研究却较少。至90年代，在Segal提出的获得大塑性变形思想的基础上，Valiev等研究并发展了严重塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD）方法制备超细晶的技术，提出了SPD技术应该满足大的塑性变形量、相对低的变形温度以及变形材料内部承受高压等条件，为发展新的SPD技术提供了参考依据。在目前已知的SPD方法中，等通道转角挤压法（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）是研究最为广泛和最具代表性的一种方法，此技术产生以来就在材料科学领域引起持续的高度关注，并成功地用于金属Al、Cu和Ti及合金等、以及Mg合金和钢铁等超细晶材料的制备。目前国际上一些发达国家如俄罗斯、美国、德国、日本等都开展了较多的研究工作，我国在这方面的研究工作也不断增加，SPD技术在制备块体纳米和超细晶材料上的特殊优势和应用前景已被国内外材料领域的专家和学者所共识。

由于超细晶材料的晶粒细小，且内部仍可存在位错、孪晶等缺陷，晶界所占的体积分数较大，且处于高能、非平衡态，这些特性对超细晶材料的物理、化学和力学性能有重要影响。人们曾经认为超细晶材料的塑性较差，尤其是晶粒尺寸小于100nm的完全纳米晶材料，拉伸至断裂的延伸率大多在2~5%以下。原因之一是晶粒尺寸接近或小于常规塑性变形机制发生作用的尺度范围，使位错源的启动及位错运动受到抑制；再者，以狭窄剪切带形式出现的局部应变集中也极大地降低塑性；另外，材料的致密度差异对塑性的影响结果也不同。在改善塑性方面，用ECAP方法制备的超细晶材料可同时获得高的屈服强度和大延伸率。Tellkamp等人最早发现在纯铝纳米晶基体上存在的某些大晶粒区域可以改善整体塑性。2002年，Wang等人在Nature上报道了纯铜（99.99%）经过低温大变形轧制和短时退火处理后，形成了主要由大于1.5μm的微米晶和300nm的超细晶组成的双峰组织，屈服强度和拉伸强度分别达到330MPa和420MPa，延伸率高达65%，揭示了双峰组织在改善纳米材料塑性方面的作用。上述工作表明了超细晶材料不仅可以具有较高的强度，而且同时完全可以获得较高塑性，对于工业化应用具有重要意义。

自从Valiev等发现采用纯剪切大变形方法可获得亚微米级晶粒以来，SPD方法及由此制备的超细晶材料便成为人们研究的热点，迄今已有十多种不同形式的SPD方法，主要有等通道转角挤压法、高压扭转法（High Pressure Torsion，HPT）、循环挤压—墩粗法（Cyclic Extrusion-Compression，CEC）、大挤压比挤压法（High Ratio Extrusion，HRE）、反复折皱—压直法（Repetitive Corrugation and Straightening，RCS）、多向锻造（Multiple Forging, MF）、累积轧制—复合方法（Accumulative Roll Bonding，ARB），另外还有薄壁管扭转、三向压扭法、表面喷丸、表面摩擦等方法，这些方法各具优势和特色，但也存在各自不同的缺点。HPT法被认为是SPD方法中晶粒细化能力最强的，可达20~150nm，但制备的材料通常是尺寸较小的圆片，而且模具要承受高压；CEC法也称沙漏挤压法，循环挤压次数多达70以上，且材料尺寸受限；HRE的挤压比通常大于50，须用大型挤压机制备较大尺寸的块体材料，且晶粒细化能力较有限；RCS或称反复弯曲加工，在板材中央的变形量小，且板材表面容易产生裂纹。MF或多轴压缩（Multi-axial Compression，MAC）和多轴锻造（Multi-axial Forging, MAF），无约束的多次大变形锻造易出现开裂；ARB法也称叠轧法，曾被Tsuji等认为是唯一可应用于连续生产的SPD工艺，但复合界面的存在使得必须进行表面处理等复杂工艺，且只适合于薄板材料；ECAP的工艺简单、成本低廉、晶粒细化效果显著，被认为是最有前途的一种SPD工艺，但制备的块体材料的尺寸较小，而且其操作过程是非连续性的；用于加工长尺寸铝合金管棒材的连续挤压方法与ECAP的变形特点有相似之处，解决了制备长尺寸超细晶材料的问题，但将变形材料带入变形区的通道中存在一个无用的摩擦面，不仅降低了对试样的有效驱动力，且因生热使能耗增大，不利于晶粒细化，适用的合金有限；与此连续挤压方法相类似的连续摩擦转角挤压方法（Continuous Frictional Angular Extrusion，CFAE）克服了上述不足，可以生产长尺寸超细晶板带材，其驱动力源自驱动辊和工件支撑块与板带之间的摩擦力之差，在工件支撑块与板带之间要通过润滑尽量减小摩擦，而在驱动辊和板带之间要尽量增大摩擦，因此，工件支撑块的磨损较大，而且适用的金属也有限。综上可见，开发新的具有实际工业应用前景的可连续制备大尺寸超细晶材料的SPD方法具有实用价值和理论意义，而且是超细晶材料工业化生产和应用亟待解决的技术。

发明内容

针对现有严重塑性变形方法制备超细晶在技术上存在的上述问题，本发明提供一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置及方法，通过在生产过程中对变形件进行连续挤压，生产不同断面形状和尺寸的超细晶金属棒/板带材以及严重塑性变形金属棒/板带材等，克服现有SPD方法制备大规格超细晶金属件时在实现连续产生严重塑性变形方面存在的不足。

本发明的用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置包括模具部分和夹具部分；夹具部分由上夹具、下夹具、夹具座、固定板和弹簧组成，上、下夹具为楔形夹具，上、下夹具之间的空间构成变形件通道；其中上夹具的出口端的高度大于入口端的高度，下夹具的出口端的高度大于入口端的高度；上、下夹具外侧的斜面与夹具座内部的斜面滑动连接，夹具座上安装有固定板，固定板位于变形件通道出口端一侧，固定板上还固定有两个弹簧分别与上、下夹具连接；模具部分由带有转角通道的模具、模具座和模具驱动装置组成，模具固定在模具座上；转角通道的进口与变形件通道的出口相对应；模具座连接有一个模具驱动装置，模具驱动装置与夹具装置分别位于模具座的两侧，模具驱动装置为液压式驱动装置或机械式驱动装置；所述的转角通道分为前段通道、后段通道和两者之间的变形通道，前段通道的轴线与后段通道的轴线之间的夹角为90o~120o；前段通道与变形件通道的轴线重合。

上述装置中，前段通道的长度为10~20mm。

上述装置中，当模具驱动装置为液压式驱动装置时，该装置主要包括液压缸和活塞，活塞与模具座固定连接。

上述装置中，当模具驱动装置为机械式驱动装置时，该装置主要由安装架、传动轴、传动辊轮和驱动辊组成；安装架一端与模具座固定在一起，另一端与传动轴固定在一起；传动轴上装配有传动辊轮，传动辊轮的辊面与驱动辊的辊面接触；驱动辊的横截面为椭圆形，驱动辊两侧的外缘处设有环形凸台，每个环形凸台的内壁与一个带回辊轮连接，每个带回辊轮分别套在连杆的一端，两个连杆的另一端均套在固定轴上，固定轴固定在安装架上，带回辊轮、连杆和固定轴构成一个模具带回机构。

上述装置中，模具的材质选用Cr₁₂MoV钢。

上述装置中，夹具座下部固定有下轨道，下轨道与模具座滑动连接或者模具座底部设有轮子与下轨道连接。

上述装置中，夹具座上部固定有上轨道，上轨道与模具座上部滑动连接。

上述装置中，夹具外侧的斜面与变形件通道轴线之间的夹角为5o~11o。

本发明的用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、将金属棒/板带材作为待处理的变形件，设置变形件通道的高度为变形件高度的95~99%；

2、将待处理的变形件通过送料辊传输到上、下夹具之间的变形件通道入口端，上、下夹具受到变形件的推力作用向变形件通道出口端运动并压缩弹簧，上、下夹具松开，变形件通过变形件通道进入转角通道的前段通道内；

3、当变形件的前端面接触到转角通道的侧壁时，启动模具驱动装置使模具进行往复运动，先向夹具方向运动，然后再向反方向运动；

当模具向夹具方向运动时，模具对变形件进行挤压，此时上、下夹具受弹簧作用向变形件通道进口方向运动，并受到夹具座的约束使变形件通道的高度收缩，将变形件夹紧并在摩擦力和约束力的作用下产生自锁而固定，防止变形件向送料辊方向移动，变形件的前端产生挤压变形并进入后段通道；

当模具向反方向运动时，模具带动变形件沿夹具到模具方向移动， 夹具受变形件的摩擦力作用向变形件通道出口方向运动并压缩弹簧，上、下夹具松开；由于弹簧弹力的作用使得上、下夹具紧贴变形件，变形件在上、下夹具内表面滑动，并保证在下一个挤压动作开始时对变形件快速锁紧；

4、当变形件的后端进入变形件通道后，为保证变形件与上、下夹具之间的摩擦力，采用顶杆顶住变形件的后端，配合模具驱动装置继续对变形件进行挤压变形；顶杆横截面的尺寸与上、下夹具夹紧变形件时的变形件通道的横截面尺寸相同，顶杆的长度不小于前段通道末端与变形件通道入口端之间的距离；顶杆在送料辊的作用下与变形件一同运动；

5、当变形件的末端到达后段通道后，将经过1次挤压变形的变形件取出；

6、重复步骤1~5的操作4~8次，获得超细晶金属棒/板带材；或者重复步骤1~5的操作0~2次，获得严重变形金属棒/板带材。

上述方法获得的超细晶金属棒/板带材经退火处理稳定微观组织。

上述方法中，选用的变形件的平均晶粒尺寸为15~150μm。

上述方法中，获得的超细晶金属棒/板带材的平均晶粒尺寸为180~255nm。

上述方法中，获得的严重变形金属棒/板带材的平均晶粒尺寸为60~80μm，经过二次加热后形成半固态金属的平均晶粒尺寸为35~50μm。

上述方法中，顶杆的材质为碳钢。

上述方法中，当模具驱动装置为液压液压式驱动装置时，通过液压缸驱动活塞进行往复运动，使模具座和模具进行往复运动，对变形件进行挤压变形。

上述方法中，当模具驱动装置为机械式驱动装置时，开始时椭圆形的驱动辊的最小半径处位于水平位置，通过电机使驱动辊旋转，使模具座和模具向夹具方向运动；当最大半径处达到水平位置时，通过模具带回机构使模具和模具座向反方向运动，通过驱动辊的旋转完成往复运动；驱动辊的辊面与传动辊轮的辊面接触，在驱动辊旋转时传动辊轮同时旋转，减小旋转时的摩擦；驱动辊旋转时，带回辊轮沿环形凸台的内壁滚动，减少移动时的摩擦。

上述方法中，模具座沿上、下轨道往复运动。

本发明的装置和方法可对金属进行严重塑性变形，由于变形前后可保持变形件的横断面尺寸形状相同，因此可通过多道次反复挤压变形实现金属微观组织的细化，最后使用常规的热处理装置通过热处理消除组织缺陷，对金属的组织性能进行大幅度改善。本发明的装置和方法可对铝、铜、钛、镍等金属及其合金、镁合金及一些钢铁等金属材料进行严重塑性变形，针对不同材质的原料，可加工的棒材或板带材长度不限，加工后的断面尺寸与原料同。

本发明的装置对变形件施加的驱动力以及变形件的运动是通过模具的往复运动和夹具的开合配合实现，变形件以步进方式通过模具；挤压模具入口段（前段通道）的长度可大幅度缩短至一个最小尺寸，消除了制约长尺寸变形件连续变形的模具入口段长度大以及变形载荷大的不利因素。夹具部分的机构简单可靠，不需另外提供动力即可完成锁紧的开合功能，通过增加夹具通道的长度可以提供夹紧变形件所需的正压力。通过调节夹具与模具的间距改变变形件向模具中步进的量，实现对步进效率与变形件刚度综合考虑的目的，这一特点决定了装置可以处理直径或厚度小于10mm的棒材或板带材。

本发明的方法消除了ECAP方法的缺点，可制备长尺寸超细晶材料，且可降低变形负荷；与叠轧法和连续挤压法等其他方法相比，具有工艺简单、节能、节材等优点；单道次变形量可根据模具的转角度数调节，以满足晶粒尺寸控制在微米和亚微米等不同级别上的需要，其中微米量级控制适于半固态合金的制备和细晶材料的处理，而亚微米级控制适于超细晶和纳米晶材料的制备。用于制备晶粒尺寸在微米量级上的细晶材料时，由于单道次变形量较大，故处理效率较高。

本发明的装置和方法适应范围广，通过改变模具和夹具的形状尺寸，可生产不同断面尺寸的细晶/超细晶金属棒/板带材等，尤其是直径或厚度小于10mm的棒材或板带材。

采用本发明的装置和方法制备的金属材料的晶粒尺寸可达到微米和亚微米级，使材料的强度和塑性大幅度提高，同时可消除常规轧制等变形方式产生的材料各向异性；被处理的变形件在变形前后的横截断面的形状和尺寸可保持不变，因此可反复加工变形提高累积变形量；变形件的长度不限，取决于来料的实际尺寸，选用的板带材的厚度为1~20mm，宽度可根据需要达到500mm以上的规格水平。

附图说明

图1为本发明实施例1中的机械式的用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置结构原理示意图；

图2为本发明实施例2中的液压式的用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置结构示意图；

图中1、纯铜变形件，2、上夹具，3、下夹具，4、直角通道模具，5、送料辊，6、夹具座，7、弹簧，8、固定板，9、上轨道，10、直角通道模具座，11、轮子，12、下轨道，13、安装架，14、传动辊轮，15、驱动辊，16、环形凸台，17、带回辊轮，18、连杆，19、固定轴，20、6061铝合金变形件，21、120o通道模具，22、120o通道模具座，23、活塞，24、液压缸；

图3为本发明实施例1中的机械式的用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置的楔形夹具中的变形件受力原理示意图；

图4为本发明实施例1中的机械式的用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置中楔形夹具受力原理示意图；

图5为本发明的方法中变形体在转角通道内变形时的金属流动模型示意图；

图6为本发明的方法中变形件变形的速端图；

图7为本发明实施例1中纯铜板材开始挤压前的微观组织形貌金相照片图；

图8为本发明实施例1中纯铜板材挤压变形1道次后的微观组织形貌金相照片图；

图9为本发明实施例1中纯铜板材挤压变形2道次后的微观组织形貌金相照片图；

图10为本发明实施例1中纯铜板材挤压变形4道次后的微观组织形貌金相照片图；

图11为本发明实施例1中纯铜板材挤压变形8道次后的微观组织形貌金相照片图；

图12为本发明实施例2中半连续铸造6061铝合金的凝固组织形貌金相照片图；

图13为本发明实施例2中的严重变形铝合金板的微观组织形貌金相照片图；

图14为本发明实施例2中在630oC保温3min的半固态铝合金的微观组织形貌金相照片图。

具体实施方式

实施例1

用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置如图1所示，包括模具部分和夹具部分；夹具部分由上夹具2、下夹具3、夹具座6、固定板8和弹簧7组成，上夹具2和下夹具3均为楔形夹具，上、下夹具之间的空间构成变形件通道；其中上夹具2的出口端的高度大于入口端的高度，下夹具3的出口端的高度大于入口端的高度；上夹具2和下夹具3外侧的斜面与夹具座6内部的斜面滑动连接，夹具座6上安装有固定板8，固定板8位于变形件通道出口端一侧，固定板8上还固定有两个弹簧7分别与上夹具2和下夹具3连接；

模具部分由带有转角通道的直角通道模具4、直角通道模具座10和模具驱动装置组成，直角通道模具4固定在直角通道模具座10上；转角通道的进口与变形件通道的出口相对应；直角通道模具座10连接有一个模具驱动装置，模具驱动装置与夹具装置分别位于直角通道模具座10的两侧；

转角通道分为前段通道、后段通道和两者之间的变形通道，前段通道的轴线与后段通道的轴线之间的夹角为90o；前段通道与变形件通道的轴线重合，前段通道的长度为10mm；

模具驱动装置为机械式驱动装置，主要由安装架13、传动轴、传动辊轮14和驱动辊15组成；安装架13一端与直角通道模具座10固定在一起，另一端与传动轴固定在一起；传动轴上装配有传动辊轮14，传动辊轮14的辊面与驱动辊15的辊面接触；驱动辊15的横截面为椭圆形，驱动辊15两侧的外缘处各设有一个环形凸台16，每个环形凸台16的内壁与一个带回辊轮17连接，每个带回辊轮17分别套在一个连杆18的一端，两个连杆18的另一端均套在固定轴19上，固定轴19固定在安装架13上，带回辊轮17、连杆18和固定轴19构成一个模具带回机构；

模具的材质选用Cr₁₂MoV钢；

夹具座6下部固定有下轨道12，直角通道模具座10下部装配有轮子11，轮子11与下轨道12连接；

夹具座6上部固定有上轨道9，上轨道9与直角通道模具座10上部滑动连接；

夹具外侧的斜面与变形件通道轴线之间的夹角为10o；

用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

采用纯铜板材作为待处理的变形件，纯铜板材的尺寸为3mm×25mm×380mm，平均晶粒尺寸为15μm，设置变形件通道的高度为变形件厚度的95%；

将变形件通过送料辊传输到上、下夹具之间的变形件通道入口端，上、下夹具受到变形件的推力作用向变形件通道出口端运动并压缩弹簧，上、下夹具松开，变形件通过变形件通道进入转角通道的前段通道内；

当变形件的前端面接触到转角通道的侧壁时，启动模具驱动装置使直角通道模具进行往复运动，先向夹具方向运动，然后再向反方向运动；

模具驱动装置的工作方式为：开始时椭圆形的驱动辊的最小半径处位于水平位置，通过电机使驱动辊旋转，使模具座和模具向夹具方向运动；当最大半径处达到水平位置时，通过模具带回机构使模具和模具座向反方向运动，通过驱动辊的旋转完成往复运动；驱动辊的辊面与传动辊轮的辊面接触，在驱动辊旋转时传动辊轮同时旋转，减小旋转时的摩擦；驱动辊旋转时，带回辊轮沿环形凸台内壁滚动，减少移动时的摩擦；往复运动过程中，模具座沿上、下轨道往复运动；

当模具向夹具方向运动时，模具对变形件进行挤压，此时上、下夹具受弹簧作用向变形件通道进口方向运动，并受到夹具座的约束使变形件通道的高度收缩，将变形件夹紧并在摩擦力和约束力的作用下产生自锁而固定，防止变形件向送料辊方向移动，变形件的前端产生挤压变形并进入后段通道；

当模具向反方向运动时，模具带动变形件沿夹具到模具方向移动， 夹具受变形件的摩擦力作用向变形件通道出口方向运动并压缩弹簧，上、下夹具松开；由于弹簧弹力的作用使得上、下夹具松开的程度很小，变形件紧贴夹具内表面滑动，并保证在下一个挤压动作开始时对变形件快速锁紧；

当变形件的后端进入变形件通道后，为保证变形件与上、下夹具之间的摩擦力，采用顶杆顶住变形件的后端，配合模具驱动装置继续对变形件进行挤压变形；顶杆横截面的尺寸与上、下夹具夹紧变形件时的变形件通道的横截面尺寸相同，顶杆的长度不小于前段通道末端与变形件通道入口端之间的距离；顶杆在送料辊的作用下与变形件一同运动；

当变形件的末端到达后段通道后，将经过1次挤压变形的变形件取出；

重复上述操作7次，总共对纯铜变形件进行8道次挤压变形，获得超细晶铜板；

变形件原始微观组织形貌如图7所示，经过1次挤压变形后微观组织形貌如图8所示，经过2次挤压变形后微观组织形貌如图9所示，经过4次挤压变形后微观组织形貌如图10所示，经过8次挤压变形后微观组织形貌如图11所示；

将获得的超细晶铜板在360℃退火6min，以稳定微观组织；

超细晶铜板的平均晶粒尺寸为200nm，变形抗力为370MPa，抗拉强度为400MPa，延伸率为60%；

顶杆的材质为碳钢；

挤压变形过程中变形件的最大变形负荷为12T，单道次变形量为0.9，变形速率为14.4s^-1；

上述方法的工作原理如图3和图4所示， 楔形夹具和变形件之间的正压力N _w，楔形夹具和变形件之间的摩擦系数为μ _w，变形件受到的来自模具方向的挤压变形力为P，楔形夹具受到来自夹具座的压力为N，楔形夹具和夹具座之间的摩擦系数为μ，弹簧作用到楔形夹具上的力为F _b，θ为楔形夹具外侧的斜面与水平面之间从入口端向出口端方向的夹角；

对于变形件，水平方向的力平衡有

                                                                                              (1)

对于夹具上半部分，垂直方向的力平衡有

                                                                    (2)

在水平方向的力平衡有

                                                              (3)

若保证自锁，则必须使变形件满足，整理可得

                                                                 (4)

在夹具与夹具座之间通常采用润滑，故摩擦系数较小，取μ = 0.1；而夹具与变形件之间通过需要较大摩擦，可通过设计夹具实现，为保险起见，摩擦系数在0.15~0.3，这里取μ _w = 0.3；F _b/P是弹簧的影响，弹力越大，效果越好，若取F _b/P = 0.1；计算得θ ≤14.09 o，若取F _b/P = 0.0，计算得θ ≤10.99 o，可见，只要使夹具的倾斜角θ小于11o，即可完成上述功能，对变形件进行自锁，这里取θ= 10o；

夹具的宽度根据变形件的几何尺寸而定，而长度则需根据变形件的屈服强度而定，保证夹紧后不使金属横断面变形。设板式夹具与变形件的接触长度为l，接触宽度为w，夹紧后产生的应力σ应小于材料的屈服强度σ _s，即

                                                                                            (5)

由式(1)和式(5)得

                                                                                             (6)

例如，对于设备挤压力P 为40吨，变形件宽度w = 25mm，金属的屈服强度σ _s= 400 MPa时，若摩擦系数取0.3，则夹具的长度应大于约65mm；

上述方法的变形程度可用ECAP过程的方法计算，即

                                                (7)

当时，

= 0.9069N，单道次变形量可达0.9；

变形体在转角通道内变形时的金属流动模型如图5所示，变形件的速端图如图6所示，挤压力由变形力与摩擦力构成，其中变形力大小可参照ECAP方法用上限法确定，变形区的流动模型可简化，整个变形区由ABC、BCD两个刚性区域组成，BC面为速度间断面。当AB面以速度v ₁向下运动时，变形区ABC以同样的速度向下运动，沿间断面BC形成速度梯度；由于模具的约束，则变形区的上限变形功率W为

                                                                                          (8)

式中，A _i 为剪切面的面积，这里i为剪切面序号，取值1、2和3分别指代金属与工具的摩擦面AC、CD以及金属流动的速度间断面BC；v _i 为剪切面A _i 上的速度；K _i 为剪切面A _i 上的剪切屈服强度，其中在金属中的BC面上取剪切屈服极限，即

，而金属与模具的接触面上考虑加工和润滑等因素的影响系数β，取。推导可得单位面积的变形力p为

                                                (9)

或写作总的变形力P _s为

                                              (10)

式中s为模具入口段的横截面积；

变形区金属与模具间存在的总摩擦力P _f可表示为

                                                                                        (11)

式中S为接触面积；

从而，总的挤压力P为变形力P _s与摩擦力P _f之和，由式(8)和式(9)得

                  (12)

以挤压纯铜棒材为例进行估算，纯铜变形2道次后的变形抗力可达380~390MPa，出于安全考虑取400MPa，取模具转角为90o，即φ= π/2；取l ₀ = 20mm；对于直径为12mm的棒材，金属长度可取l = l ₀ + l _AC = 32mm；考虑模具润滑等因素，金属与模具的接触处可按半理想光滑边界处理，取β = 0.5，计算得挤压力为207.8kN，约21.2T，规格越大，挤压力越大，规格越小，随长度增加ECAP方法挤压力增加得越多，对于能提供50T挤压力的设备，要挤压100mm长的试样，用ECAP方法只能挤压直径为11.71mm的棒材；而用步进式连续挤压可挤压直径为20.25mm的棒材，且长度不限。

实施例2

用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置结构如图2所示，模具驱动装置为液压式驱动装置，该装置主要包括液压缸24和活塞23；模具为120o通道模具21，模具座为120o通道模具座22，活塞23与120o通道模具座22固定在一起，转角通道的前段通道的轴线与后段通道的轴线之间的夹角为120o；前段通道的长度为20mm；其余部分同实施例1；

采用半连续铸造6061铝合金作为变形件，尺寸为5mm×30mm×100mm，组织为蔷薇状晶粒组织，平均晶粒尺寸为150μm；进行挤压变形的方法同实施例1，不同点在于：（1）设置变形件通道的高度为变形件厚度的99%；（2）模具驱动装置的工作方式为：通过液压缸驱动活塞进行往复运动，使模具座和模具进行往复运动，对变形件进行挤压变形；（3）将经过1次挤压变形的变形件取出，获得严重变形铝合金板，蔷薇状晶粒沿着根部断开，并呈拉长状，平均晶粒尺寸为80μm，严重变形铝合金板在630℃保温3min，得到圆整且分布均匀的半固态铝的平均晶粒尺寸为50μm；（4）挤压变形过程中变形件最大变形负荷为12.8T，单道次变形量为0.7，变形速率为11.2s^-1；

6061铝合金的微观组织形貌如图12所示，经过1次挤压变形后的严重变形铝合金板微观组织形貌如图13所示，630℃保温后的微观组织形貌如图14所示；

采用上述方法对半连续铸造6061铝合金连续进行2道次挤压变形，获得的严重变形铝合金板平均晶粒尺寸为60μm；然后在630℃保温3min，得到圆整且分布均匀的半固态铝合金的平均晶粒尺寸为35μm。

实施例3

用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置结构同实施例1，不同点在于：夹具外侧的斜面与变形件通道轴线之间的夹角为11o；

采用纯铝作为变形件，尺寸为5mm×50mm×380mm，平均晶粒尺寸为120μm；进行挤压变形方法同实施例1，不同点在于：（1）设置变形件通道的高度为变形件厚度的97%；（2）变形件经过8次挤压变形过程，获得超细晶铝，平均晶粒尺寸为255nm；在160℃退火6min，稳定微观组织；（3）挤压变形过程中变形件的最大变形负荷为18.2T，单道次变形量为0.9，变形速率为14.4s^-1； 

超细晶纯铝的变形抗力为220MPa，抗拉强度为240MPa，延伸率为35%。

实施例4

用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置结构同实施例1，不同点在于：夹具外侧的斜面与变形件通道轴线之间的夹角为5o；

采用纯钛作为变形件，尺寸为1mm×20mm×380mm，平均晶粒尺寸为60μm；进行挤压变形方法同实施例1，不同点在于：变形件经过8次挤压变形过程，获得超细晶钛，平均晶粒尺寸为180nm，然后在360℃退火10min，稳定微观组织；超细晶钛的变形抗力为820MPa，抗拉强度为980MPa，延伸率为15%；挤压变形过程中变形件的最大变形负荷为13.2T，单道次变形量为0.9，变形速率为14.4s^-1。

实施例5

用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置结构同实施例1；

采用Q235碳钢作为变形件，尺寸为2mm×30mm×380mm，平均晶粒尺寸为40μm；进行挤压变形方法同实施例1，不同点在于：变形件经过4次挤压变形过程，获得超细晶碳钢，平均晶粒尺寸为230nm，然后在360℃退火10min，稳定微观组织； 超细晶碳钢的变形抗力为900MPa，抗拉强度为940MPa，延伸率为14%；挤压变形过程中变形件的最大变形负荷为27.4T，单道次变形量为0.9，变形速率为14.4s^-1。

Claims (10)

1.一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置，其特征在于该装置包括模具部分和夹具部分；夹具部分由上夹具、下夹具、夹具座、固定板和弹簧组成，上、下夹具为楔形夹具，上、下夹具之间的空间构成变形件通道；其中上夹具的出口端的高度大于入口端的高度，下夹具的出口端的高度大于入口端的高度；上、下夹具外侧的斜面与夹具座内部的斜面滑动连接，夹具座上安装有固定板，固定板位于变形件通道出口端一侧，固定板上还固定有两个弹簧分别与上、下夹具连接；模具部分由带有转角通道的模具、模具座和模具驱动装置组成，模具固定在模具座上；转角通道的进口与变形件通道的出口相对应；模具座连接有一个模具驱动装置，模具驱动装置与夹具装置分别位于模具座的两侧，模具驱动装置为液压式驱动装置或机械式驱动装置；所述的转角通道分为前段通道、后段通道和两者之间的变形通道，前段通道的轴线与后段通道的轴线之间的夹角为90o~120o；前段通道与变形件通道的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置，其特征在于所述的前段通道的长度为10~20mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置，其特征在于当模具驱动装置为液压式驱动装置时，该装置主要包括液压缸和活塞，活塞与模具座固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置，其特征在于当模具驱动装置为机械式驱动装置时，该装置主要由安装架、传动轴、传动辊轮和驱动辊组成；安装架一端与模具座固定在一起，另一端与传动轴固定在一起；传动轴上装配有传动辊轮，传动辊轮的辊面与驱动辊的辊面接触；驱动辊的横截面为椭圆形，驱动辊两侧的外缘处设有环形凸台，每个环形凸台的内壁与一个带回辊轮连接，每个带回辊轮分别套在连杆的一端，两个连杆的另一端均套在固定轴上，固定轴固定在安装架上，带回辊轮、连杆和固定轴构成一个模具带回机构。

5.根据权利要求1所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置，其特征在于所述的夹具座下部固定有下轨道，下轨道与模具座滑动连接或者模具座底部设有轮子与下轨道连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压装置，其特征在于所述的夹具座上部固定有上轨道，上轨道与模具座上部滑动连接。

7.一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：

（1）将金属棒/板带材作为待处理的变形件，设置变形件通道的高度为变形件高度的95~99%；

（2）将待处理的变形件通过送料辊传输到上、下夹具之间的变形件通道入口端，上、下夹具受到变形件的推力作用向变形件通道出口端运动并压缩弹簧，上、下夹具松开，变形件通过变形件通道进入转角通道的前段通道内；

（3）当变形件的前端面接触到转角通道的侧壁时，启动模具驱动装置使模具进行往复运动，先向夹具方向运动，然后再向反方向运动；

当模具向夹具方向运动时，模具对变形件进行挤压，此时上、下夹具受弹簧作用向变形件通道进口方向运动，并受到夹具座的约束使变形件通道的高度收缩，将变形件夹紧并在摩擦力和约束力的作用下产生自锁而固定，防止变形件向送料辊方向移动，变形件的前端产生挤压变形并进入后段通道；

当模具向反方向运动时，模具带动变形件沿夹具到模具方向移动，夹具受变形件的摩擦力作用向变形件通道出口方向运动并压缩弹簧，上、下夹具松开；由于弹簧弹力的作用使得上、下夹具紧贴变形件，变形件在上、下夹具内表面滑动，并保证在下一个挤压动作开始时对变形件快速锁紧；

（4）当变形件的后端进入变形件通道后，为保证变形件与上、下夹具之间的摩擦力，采用顶杆顶住变形件的后端，配合模具驱动装置继续对变形件进行挤压变形；顶杆横截面的尺寸与上、下夹具夹紧变形件时的变形件通道的横截面尺寸相同，顶杆的长度不小于前段通道末端与变形件通道入口端之间的距离；顶杆在送料辊的作用下与变形件一同运动；

（5）当变形件的末端到达后段通道后，将经过1次挤压变形的变形件取出；

（6）重复步骤1~5的操作4~8次，获得超细晶金属棒/板带材；或者重复步骤1~5的操作0~2次，获得严重变形金属棒/板带材。

8.根据权利要求7所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压方法，其特征在于当模具驱动装置为液压液压式驱动装置时，通过液压缸驱动活塞进行往复运动，使模具座和模具进行往复运动，对变形件进行挤压变形。

9.根据权利要求7所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压方法，其特征在于当模具驱动装置为机械式驱动装置时，开始时椭圆形的驱动辊的最小半径处位于水平位置，通过电机使驱动辊旋转，使模具座和模具向夹具方向运动；当最大半径处达到水平位置时，通过模具带回机构使模具和模具座向反方向运动，通过驱动辊的旋转完成往复运动；驱动辊的辊面与传动辊轮的辊面接触，在驱动辊旋转时传动辊轮同时旋转，减小旋转时的摩擦；驱动辊旋转时，带回辊轮沿环形凸台的内壁滚动，减少移动时的摩擦。

10.根据权利要求7所述的一种用于金属严重塑性变形的步进式连续挤压方法，其特征在于所述的模具座沿上、下轨道往复运动。

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