CN104138918B - 连续变断面循环挤压用复合模具及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续变断面循环挤压用复合模具及其操作方法，包括上模、组合下模和工作台；组合下模是由分成两半的锥模和与之相配合的模套组成；锥模设置于模套的倒圆台形锥孔中，并与模套锥面配合；锥模沿轴线设有模腔，模腔上部设计成第一圆柱孔，中部为倒圆台孔，下部为第二圆柱孔；第一圆柱孔的直径等于倒圆台孔大端的直径，第二圆柱孔的直径等于倒圆台孔小端的直径；上模中心设有导向孔，挤压杆穿过所述导向孔伸入所述第一圆柱孔中。本发明模具在挤压时材料不会沿上模和下模之间的缝隙流动，不产生毛边，提高材料利用率；易于模料分离，操作简便；热挤压时只需对锥模进行加热，提高模具强度且降低了模具成本。

Description

连续变断面循环挤压用复合模具及其操作方法

技术领域

本发明涉及金属塑性加工领域，特别涉及一种连续变断面循环挤压用复合模具及其操作方法。

背景技术

大塑性变形技术具有强烈的晶粒细化能力，可以将材料内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已被材料科学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的方法。

目前受到材料科学界广泛关注的大塑性变形方法主要有等通道转角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)、往复挤压(CEC)、大比率挤压(挤压比在100以上)等，已在实验室研究制备细晶材料中广泛应用。在工业生产中采用锻造的方法，使材料反复镦粗－拔长也能起到细化晶粒的作用。而连续变断面循环挤压法(continuousvariablecross-sectionrecycledextrusion，CVCE)是最近几年提出的，其特征是：(1)可制备大规格块体细晶材料；(2)模具成本低，操作简单；(3)镦粗时克服了传统镦粗时出现的鼓形、失稳；(4)效率高、质量好等。因此在制备纯铝、镁合金、钛合金等方面进行了一些研究。在采用CVCE对铸态纯铝1A85进行挤压8个循环后，平均晶粒尺寸达到750nm。在采用CVCE对AZ31镁合金进行循环挤压时发现经16个循环后，平均晶粒尺寸由变形前25.3μm有效细化到5.5μm。在采用CVCE对TC4钛合金进行挤压时发现当挤压6个循环后，晶粒从15μm细化至2～3μm。

在采用发明专利ZL200610041960.8中图1所示的连续变断面循环挤压装置对材料进行变形时发现：

(1)由于挤压模锥面的锥度一直从下模2的上表面延伸到下表面，在将圆柱试样放入挤压模的模腔时，圆柱试样全部位于上模1中。当圆柱试样在挤压杆4的作用下进入下模2时，由于上下模之间没有锁紧装置，可能会使挤压杆4与试料3不能进入下模模孔，影响挤压过程的顺利进行；此外，当圆柱试样从上模模腔1进入下模模腔2时，金属处于强烈的三向压应力状态，而在上模1和下模2的模腔交界处要由圆柱体成形为具有一定锥角的圆台体，是变形程度最大的部位，因此金属流动的阻力最大；相比而言，在上下模之间(1和2)缝隙处的金属流动阻力较小。根据最小阻力定律，挤压时金属不仅会沿主应力最大的方向即纵向进行流动，而且会沿着上下模之间(1和2)的缝隙进行径向流动，使其成形为一个带有毛边的连续变断面试样。在后续的镦粗时，为了将试样顺利放入镦粗下模(12)的模腔，还需要对其毛边进行打磨予以去除，这就增加了变形的辅助时间且增大了材料的损耗；此外，热挤压的材料进行打磨毛边之后会导致温度降低，要在设定的温度进行变形必须进行较长时间的加热，会导致细化后的晶粒有所长大，降低了材料的细化效率和细化效果。

(2)挤压模具中的下模2是整体结构，在热挤压时需对整个下模进行加热。因此，整块下模均需采用耐热高温材料，模具成本高。

(3)在将圆柱体试样挤压为连续变断面试样时，采用一根小于圆锥体小头直径的细杆将其顶出而使模料分离时，难度较大，对一些强度较低的材料甚至易出现顶出杆压入材料而形成压坑的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续变断面循环挤压用复合模具及其操作方法，以克服现有连续变断面循环挤压变形装置存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种连续变断面循环挤压用复合模具，包括上模、组合下模和工作台；组合下模是由分成两半的锥模和与之相配合的模套组成；锥模设置于模套的倒圆台形锥孔中，并与模套锥面配合；锥模沿轴线设有模腔，模腔上部设计成第一圆柱孔，中部为倒圆台孔，下部为第二圆柱孔；第一圆柱孔的直径等于倒圆台孔大端的直径，第二圆柱孔的直径等于倒圆台孔小端的直径；组合下模设置在工作台上，上模设置于组合下模上端；上模中心设有导向孔，挤压杆穿过所述导向孔伸入所述第一圆柱孔中。

优选的，下模为复合式结构，由锥模和模套两部分组成；在热挤压时仅需对锥模进行加热，而模套不需加热。因此，热挤压时仅锥模需要选用耐高温材料，而模套只需选用普通材料，从而既保证模具强度又降低模具成本。

优选的，锥模沿轴线分为两半，易于模料分离，操作简便。

优选的，工作台上设有通孔，该通孔中设有顶出杆，顶出杆的上表面与工作台的顶面平齐；顶出杆与锥模同轴设置，顶出杆的直径小于锥模下端的直径，大于第二圆柱孔的直径。

优选的，上模和组合下模之间设有一对相互配合的凸台和凹槽，该对凸台和凹槽在挤压时，便于上模和组合下模对中，而上模对圆柱试样和挤压杆有导向作用，保证挤压过程顺利进行。

优选的，挤压时，圆柱试样完全位于第一圆柱孔内，是在密闭的模腔内成形，而且轴向主应力是最大主应力，因此材料仅沿轴向流动，不会产生毛边。

优选的，挤压杆的直径比上模的导向孔的内径小0.5mm。

优选的，顶出杆直径比锥模下底面直径小4mm。

连续变断面循环挤压用复合模具的操作方法，包括以下步骤：

第1步，首先将挤压模的锥模和圆柱试样分别进行加热，然后将锥模和模套组合在一起，随后将圆柱试样从加热炉内取出放入组合下模模腔的第一圆柱孔中，之后将其放在工作台上，并使锥模的下端与工作台上的顶出杆对齐；接着将上模与组合下模进行配合，然后放入挤压杆；挤压杆下行加压对预先放置于组合下模模腔中的圆柱体试样进行挤压，在压力的作用下，材料进入锥模的倒圆台孔成形为具有锥度的连续变断面试样(圆台体)，挤压变形结束；接着先取掉挤压杆，再移走上模，随后使顶出杆上行，在压力的作用下将锥模和试样顶出，随着顶出行程的增加，锥模分成两半，取出连续变断面试样；接着将试样放入加热炉进行加热，随后又将两半锥模放入另一个加热炉中进行加热；

第2步，将挤压后的试样小头朝上进行镦粗，获得圆柱试样；记录好圆柱试样变形大小方向，之后放入加热炉加热；

第3步，从加热炉中取出试样，并将第1步中变形量小的一端先置入挤压模的组合下模模腔中，重复第1步的动作进行挤压；

第4步，重复第2步的动作，将挤压后的试样镦粗成圆柱体，此步完成后实现了1个变形循环；

重复步骤1～4进行若干个变形循环。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、挤压时材料不会沿上模和下模之间的缝隙流动，不产生毛边，提高材料利用率。

2、挤压后易于模料分离，操作简便；

3、热挤压时仅需对锥模进行加热，提高了模具的强度，降低了模具的成本。

附图说明

图1为将材料从圆柱体挤压变形成连续变断面试样的示意图；

图2为将连续变断面试样镦粗成圆柱体的示意图；

图3为图1中锥模的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图3所示，本发明一种连续变断面循环挤压用复合模具为挤压模具时，包括上模1和组合下模；组合下模是由分成两半的锥模2和与之相配合的模套3组成。锥模2设置于模套3的倒圆台形锥孔30中，并与模套3锥面配合。在加热时仅对锥模2进行加热，模套3不加热，提高了模具的强度和寿命，降低了模具成本。

锥模2沿轴线设有模腔，模腔上部设计成第一圆柱孔21，中部为倒圆台孔22，下部为第二圆柱孔23；第一圆柱孔21的直径等于倒圆台孔22大端的直径，第二圆柱孔23的直径等于倒圆台孔22小端的直径；使圆柱体试样4整个放入模具后，全部位于第一圆柱孔21内，挤压时试样4不会沿上下模之间的缝隙流动，不产生毛边，提高材料利用率。

锥模2沿轴线分为两半，在将圆柱试样4挤压成形为连续变断面试样后，采用顶出杆6将锥模2顶出后分开取出圆柱试样4，易于模料分离。锥模2的下部第二圆柱孔23是为解决当采用顶杆6将锥模2顶出但未能使模料分离时，采用小顶杆顶入下部第二圆柱孔23内将料取出。

组合下模设置于工作台7上，工作台上设有通孔，该通孔中设有顶出杆6，顶出杆6的上表面与工作台7的顶面平齐；顶出杆6与锥模2同轴设置，顶出杆6的直径小于锥模2下端的直径，大于第二圆柱孔23的直径，能够在脱模时将锥模2从模套3中顶出。

上模1和组合下模之间设有一对相互配合的凸台和凹槽，挤压时，便于上模和组合下模对中，而上模对试料和挤压杆有导向作用，保证挤压过程的顺利进行。

本发明一种连续变断面循环挤压用复合模具，节约模料分离时间和坯料的加热时间，提高材料细化效率和细化效果。

镦粗模具包括上模11和下模12，挤压杆14。挤压模上模1的模腔和镦粗模的上模11的模腔均为直径一致的通孔，挤压模下模12的锥模模腔为两端是直线的圆柱段，中间为倒圆台孔段。

本发明一种连续变断面循环挤压用复合模具的操作方法，包括以下步骤：

第1步(参见图1)，首先将挤压模的锥模2和试样4分别进行加热，满足所要求的温度和时间后，将锥模2和模套3组合在一起，随后将圆柱试样4从加热炉内取出放入组合下模模腔的上部圆柱段中，之后将其放在工作台7上，并使锥模2的下端与工作台7上的顶出杆6对齐；接着将挤压上模1与组合下模进行配合，然后放入挤压杆5。挤压杆下行加压对预先放置于组合下模模腔中的圆柱试样4进行挤压，在压力的作用下，材料进入锥模2的倒圆台孔22成形为具有锥度的连续变断面试样，挤压变形结束。接着先取掉挤压杆4，再移走上模1，随后使顶出杆6上行，在压力的作用下将锥模2和试样4顶出，随着顶出行程的增加，锥模分成两半，取出试样4，得到连续变断面试样13。接着将连续变断面试样进行加热，接着又将两半锥模2放入另一个加热炉中进行加热。

第2步(参见图2)，将镦粗上模11和镦粗下模12进行组装，放置于镦粗工作台15上，接着将第1步加热后的连续变断面试样的小头朝上，放入组装的镦粗模具模腔，之后放入镦粗挤压杆14，镦粗挤压杆14下行加压对预先放置于镦粗模模腔中的连续变断面试样13进行挤压，在压力的作用下，连续变断面试样被变形为圆柱试样。接着用挤压杆14将圆柱试样从下模12中顶出，记录好圆柱试样变形大小方向，之后放入加热炉加热，最后移走镦粗模。

第3步，从加热炉中取出试样，并将第1步中变形量小的一端先置入挤压模的组合下模模腔中，重复第1步的动作进行挤压；

第4步，重复第2步的动作，将挤压后的试样镦粗成圆柱体，此步完成后实现了1个变形循环；

重复步骤1～4进行若干个变形循环，就可以使材料获得大的塑性变形，制备出块体细晶材料的坯料，再进行深加工，制成所需要形状和尺寸的零部件。

模具尺寸和材料形状尺寸的设计原则

首先根据需要确定连续变断面试样尺寸，这主要依据材料的塑性而定。材料在热变形时，连续变断面试样的高度相对取得大一些，以提高材料的细化效率和细化效果。

挤压模组合下模模腔从直线段下端面开始朝下与连续变断面试样尺寸一致，且锥度仍然要向下延伸，即锥模的锥度部分高度要高于连续变断面试样的高度。挤压模上模大的模孔内径与连续变断面试样下底直径一致。根据体积相等，就可以由连续变断面试样的体积计算出圆柱体的高度。这样挤压模的组合下模的锥模2的直线段高度就可确定(比圆柱试样高5mm左右，以对挤压杆5起到导向作用和保护作用)。上模模孔的尺寸与圆柱试样直径相同，高度设计为30mm左右(挤压上模只是对挤压杆起到一个导向作用，不承受力)。为了避免摩擦，挤压杆的直径比上模的模孔内径小0.5mm，顶出杆直径比锥模下底面(直径较小的一端)直径小4mm。

Claims (8)

1.一种连续变断面循环挤压用复合模具，其特征在于，包括上模(1)、组合下模和工作台；组合下模是由分成两半的锥模(2)和与之相配合的模套(3)组成；锥模(2)设置于模套(3)的倒圆台形锥孔(30)中，并与模套(3)锥面配合；

锥模(2)沿轴线设有模腔，模腔上部设计成第一圆柱孔(21)，中部为倒圆台孔(22)，下部为第二圆柱孔(23)；第一圆柱孔(21)的直径等于倒圆台孔(22)大端的直径，第二圆柱孔(23)的直径等于倒圆台孔(22)小端的直径；

组合下模设置在工作台上，上模(1)设置于组合下模上端；上模(1)中心设有导向孔，挤压杆(5)穿过所述导向孔伸入所述第一圆柱孔(21)中。

2.根据权利要求1所述的一种连续变断面循环挤压用复合模具，其特征在于，锥模(2)沿轴线分为两半。

3.根据权利要求1所述的一种连续变断面循环挤压用复合模具，其特征在于，工作台上设有通孔，该通孔中设有顶出杆(6)，顶出杆(6)的上表面与工作台的顶面平齐；顶出杆(6)与锥模(2)同轴设置，顶出杆(6)的直径小于锥模(2)下端的直径，大于第二圆柱孔(23)的直径。

4.根据权利要求1所述的一种连续变断面循环挤压用复合模具，其特征在于，上模(1)和组合下模之间设有一对相互配合的凸台和凹槽，该对凸台和凹槽在挤压时，便于上模(1)和组合下模对中，而上模(1)对圆柱试样(4)和挤压杆(5)有导向作用。

5.根据权利要求1所述的一种连续变断面循环挤压用复合模具，其特征在于，挤压时，圆柱试样(4)完全位于第一圆柱孔(21)内。

6.根据权利要求1所述的一种连续变断面循环挤压用复合模具，其特征在于，挤压杆的直径比上模的导向孔的内径小0.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种连续变断面循环挤压用复合模具，其特征在于，顶出杆直径比锥模下底面直径小4mm。

8.权利要求1所述连续变断面循环挤压用复合模具的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步，首先将挤压模的锥模(2)和圆柱试样(4)分别进行加热，然后将锥模(2)和模套(3)组合在一起，随后将圆柱试样(4)从加热炉内取出放入组合下模模腔的第一圆柱孔(21)中，之后将其放在工作台上，并使锥模(2)的下端与工作台上的顶出杆(6)对齐；接着将上模(1)与组合下模进行配合，然后放入挤压杆(5)；挤压杆下行加压对预先放置于组合下模模腔中的圆柱试样(4)进行挤压，在压力的作用下，材料进入锥模(2)的倒圆台孔(22)成形为具有锥度的连续变断面试样，挤压变形结束；接着先取掉挤压杆(5)，再移走上模(1)，随后使顶出杆(6)上行，在压力的作用下将锥模(2)和试样顶出，随着顶出行程的增加，锥模分成两半，取出试样，得到连续变断面试样；接着将连续变断面试样进行加热，随后又将两半锥模(2)放入另一个加热炉中进行加热；

第2步，接着将挤压后的连续变断面试样小头朝上进行镦粗，获得圆柱试样；记录好圆柱试样变形的大小方向，之后放入加热炉加热；

第3步，从加热炉中取出试样，并将变形量小的一端先置入挤压模的组合下模模腔中，重复第1步的动作进行挤压；

第4步，重复第2步的动作，将挤压后的试样镦粗成圆柱体，此步完成后实现了1个变形循环；

重复步骤1～4进行若干个变形循环。