CN104307912A - 一种变通道挤压轧制成形装置及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料的热加工领域，具体是一种变通道挤压轧制装置及其成形方法。将现有ECAP法扩展用于块体坯料变为板材的应用，并能提高材料晶粒细化能力，缩短工艺流程，可实现坯料挤压轧制自动化生产过程。本发明可将块体坯料直接加工成板材产品，并且可对坯料同时进行挤压和轧制两次成形，剧烈剪切变形和压缩变形对于处于三向压应力状态下坯料的塑性变形是很有利的，不仅提高了材料的累积应变量，同时还改善了材料所受的应力状态，这对于提高材料的晶粒细化能力，缩短产品的工艺流程是很意义的。

Description

一种变通道挤压轧制成形装置及其成形方法

技术领域

本发明涉及金属材料的热加工领域，具体是一种变通道挤压轧制装置及其成形方法。 

背景技术

在锻造工艺中，挤压是一种常见的操作简单，生产率高的成形方法。等通道角挤压（Equal Channel Angular Press，ECAP）制坯技术通过对坯料多次反复剪切剧烈塑性变形来细化组织晶粒，进而改善材料的强度、塑性和韧性等力学性能。尽管ECAP具有其独特的优势，但是ECAP受设备结构等的限制，通常只用来生产棒材制品，因而制约了ECAP的工业应用推广。 

公开号分别为CN101259493、CN1709605、CN2757953、CN2757954和CN2768921的发明专利申请中提出的制备超细晶材料所用的L形、U形、C形、S形转角往复挤压模具和反复镦粗挤压模具仅仅是ECAP方法的改进，并没有实质性的创新。近年，为适应工业新需求，基于ECAP方法新模具和新工艺不断被开发研制，如多级连续弯曲通道ECAP、旋转模ECAP、等径角轧制和限制板带剪切法（塑性工程学报, 2010, 17(2): 123-129, 134），但前两者还主要应用于棒材坯料变形，后两者对ECAP进行了拓展创新，可应用于板材坯料的成形。此外，Tubular channel angular pressing和Tube channel pressing两种新方法（Sci China Tech Sci, 2012, 55(9): 2377-2390）可将传统ECAP法创新应用到了管材的改性生产中去。 

由此可见，不管是常规的ECAP还是改进的ECAP法应用主要局限于棒材、板材和管材原始坯料的改性生产。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何能通过挤压变形将块体坯料变为板材的同时，还能有效地提高材料晶粒细化能力，缩短工艺流程，并能实现坯料挤压轧制的连续自动化生产过程。 

本发明所采用的技术方案是：一种变通道挤压轧制成形装置，包括对原始坯料进行挤压变形的挤压模具和用于对挤压变形后的坯料进行后续轧制的轧辊，其中所述挤压模具包括冲头、第一半模、第二半模，所述冲头为与型腔的引导段横截面形状和尺寸相同的矩形冲头，所述第一半模和第二半模扣合形成一变通道型腔，型腔整体呈现为转角为90°的转角通道，型腔从挤压入口依次为引导段、扩展段、转角段和整形段。引导段横截面为与原始坯料横截面形状和尺寸相同的矩形截面，宽和长分别为a和b；扩展段为一类似燕尾槽的型腔，所述的引导段与燕尾槽连通，且光滑过渡，燕尾角度为φ，其中45°≤φ≤90°，宽度为c，a≤c≤1.2a；转角段与燕尾槽连通，转角段的宽度为c，高度为h，0.1b≤h≤0.5b；整形段与转角段连通，整形段的宽度为c，高度为h，0.1b≤h≤0.5b；所述轧辊为一安装在整形段出口对轧滚。 

一种变通道挤压轧制成形装置成形方法，按照如下的步骤进行： 

步骤一、对块体原始坯料进行加热去应力退火处理；

步骤二、将第一半模和第二半模通过紧固装置进行固定装配，并将组装成一体的变通道挤压成形模具置于液压机的工作台上，液压机活动横梁安装与型腔的引导段横截面形状和尺寸相同的矩形冲头，使型腔的引导段正对矩形冲头，在挤压成形模具型腔内表面和冲头外表面均匀涂抹复合润滑剂，并对变通道挤压成形模具和冲头进行预热。将待挤压第一个原始坯料放入在模具引导段内，再将冲头放入模具引导段内，冲头下底面与第一个原始坯料上端面相接触；

步骤三、开动液压机，液压机活动横梁下降，与活动横梁相连接的冲头以1-10mm/s对坯料进行变通道挤压变形，当冲头下底面接触到转角段的下底面时，完成第一个原始坯料的变通道挤压变形，冲头以10-20mm/s的速率抬升出挤压成形模具型腔，随后将第二个加热去应力退火处理好的原始坯料放入模具的引导段内，采用与第一个原始坯料挤压工序相同的工序，开始进行第二个原始坯料的变通道挤压变形，然后进行第三个，第四个，……直至最后一个原始坯料的挤压变形，在第二个原始坯料的变通道挤压变形时，第二个挤压坯料将第一个挤压坯料从整形段挤出，同样，第三个挤压坯料将第二个挤压坯料从整形段挤出，挤压变形时，后一个挤压坯料将前一个挤压坯料从整形段挤压，挤压坯料顺利进入模具出口处的轧辊，开始挤压坯料的轧制阶段，当轧制工序完成后，就完成坯料的变通道挤压和轧制变形过程。

本发明的有益效果是：本发明创新性地提供了一种可应用于块体坯料向板材坯料变形变性的挤压轧制装置及其方法，本发明装置结构简单，便于操作，工艺流程短、效率高、成本低，可广泛用于纯金属、合金等金属材料加工领域。 

本发明可将块体坯料直接加工成板材产品，并且可对坯料同时进行挤压和轧制两次成形，剧烈的剪切变形和压缩变形对于处于三向压应力状态下的坯料塑性变形是很有利的，不仅提高了材料的累积应变量，同时还改善了材料所受的应力状态，这对于提高材料的晶粒细化能力，缩短产品的工艺流程是很意义的。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明的型腔示意图；

图3是图2的A向视图示意图；

图4是图2的B向视图示意图；

其中：1、冲头， 2、原始坯料， 3、第一半模， 4、第二半模， 5、挤压坯料， 6、轧辊， 7、引导段， 8、扩展段， 9、转角段， 10、整形段。

具体实施方式

如图1所示，本发明成形装置主要分为用于对原始镁合金坯料进行挤压变形的挤压模具和用于对挤压变形后的坯料进行后续轧制的轧辊两个组成部分。其中变通道挤压模具主要包括：冲头、第一半模和第二半模组成，第一半模和第二半模扣合形成一变通道型腔，型腔整体呈现为一转角为90°的转角通道。如图2所示，型腔从挤压入口依次为引导段、扩展段、转角段和整形段。引导段横截面为与原始坯料横截面形状和尺寸相同的矩形截面，宽和长分别为100 mm和70 mm；扩展段为一类似燕尾槽的型腔，所述的引导段与燕尾槽连通，且光滑过渡，燕尾角度为φ，φ=60°，宽度为110 mm；转角段与燕尾槽连通，转角段的宽度为110 mm，高度为30 mm；整形段与转角段连通，整形段的宽度为110 mm，高度为30 mm；所述轧辊为一安装在整形段出口对轧滚。 

在整形段的出口有一对轧滚，可对变通道挤压后的坯料进行进一步轧制变形。 

本发明采用变通道挤压轧制成形装置，实现镁合金坯料的挤压和轧制变形，具体实施方法为： 

1、对块体原始镁合金坯料进行加热去应力退火处理，镁合金坯料放入电加热炉内加热至350℃，保温2h，镁合金坯料尺寸为100 mm×70 mm×80 mm；

2、将第一半模和第二半模通过紧固装置进行固定装配，并将组装成一体的变通道挤压成形模具置于液压机（吨位为60T）的工作台上，液压机活动横梁安装与型腔的引导段横截面形状和尺寸相同的矩形冲头，使型腔的引导段正对矩形冲头，在挤压成形模具型腔内表面和冲头外表面均匀涂抹石墨润滑剂，并对变通道挤压成形模具和冲头进行预热，预热温度为300℃。将待挤压第一个原始镁合金坯料放入在模具引导段内，再将冲头放入模具引导段内，冲头下底面与第一个原始镁合金坯料上端面相接触；

3、开动液压机，液压机活动横梁下降，与活动横梁相连接的冲头以5mm/s对镁合金坯料进行变通道挤压变形，当冲头下底面接触到转角段的下底面时，完成第一个原始镁合金坯料的变通道挤压变形，冲头以15mm/s的速率抬升出挤压成形模具型腔，随后将第二个加热去应力退火处理好的原始镁合金坯料放入模具的引导段内，采用与第一个原始镁合金坯料挤压工序相同的工序，开始进行第二个原始镁合金坯料的变通道挤压变形，然后进行第三个，第四个，……直至最后一个原始镁合金坯料的挤压变形，在第二个原始镁合金坯料的变通道挤压变形时，第二个挤压镁合金坯料将第一个挤压镁合金坯料从整形段挤出，同样，第三个挤压镁合金坯料将第二个挤压镁合金坯料从整形段挤出，挤压变形时，后一个挤压镁合金坯料将前一个挤压镁合金坯料从整形段挤压，挤压镁合金坯料顺利进入模具出口处的轧辊，开始挤压镁合金坯料的轧制阶段，当轧制工序完成后，就完成镁合金坯料的变通道挤压和轧制变形过程。

挤压轧制后镁合金板材的微观组织观察发现，其晶粒为分布均匀细小圆整的等轴晶粒，平均尺寸为5 μm左右，抗拉强度达到280Mpa，延伸率达到35%。 

通过更改模具型腔和冲头的尺寸，设计满足不同坯料成形要求的工艺参数，具体实施方式不变，更多的成形实施例不便胜举。 

Claims (2)

1.一种变通道挤压轧制成形装置，包括对原始坯料进行挤压变形的挤压模具和用于对挤压变形后的坯料进行后续轧制的轧辊，所述挤压模具包括冲头、第一半模、第二半模，所述冲头为与型腔的引导段横截面形状和尺寸相同的矩形冲头，所述第一半模和第二半模扣合形成一变通道型腔，型腔整体呈现为转角为90°的转角通道，型腔从挤压入口依次为引导段、扩展段、转角段和整形段，引导段横截面为与原始坯料横截面形状和尺寸相同的矩形截面，宽和长分别为a和b，扩展段为一类似燕尾槽的型腔，所述的引导段与燕尾槽连通，且光滑过渡，燕尾角度为φ，其中45°≤φ≤90°，宽度为c，a≤c≤1.2a；转角段与燕尾槽连通，转角段的宽度为c，高度为h，0.1b≤h≤0.5b；整形段与转角段连通，整形段的宽度为c，高度为h，0.1b≤h≤0.5b；所述轧辊为一安装在整形段出口对轧滚。

2.一种利用权利要求1所述的变通道挤压轧制成形装置成形方法，其特征在于按照如下的步骤进行：

步骤一、对块体原始坯料进行加热去应力退火处理；

步骤二、将第一半模和第二半模通过紧固装置进行固定装配，并将组装成一体的变通道挤压成形模具置于液压机的工作台上，液压机活动横梁安装与型腔的引导段横截面形状和尺寸相同的矩形冲头，使型腔的引导段正对矩形冲头，在挤压成形模具型腔内表面和冲头外表面均匀涂抹复合润滑剂，并对变通道挤压成形模具和冲头进行预热，将待挤压第一个原始坯料放入在模具引导段内，再将冲头放入模具引导段内，冲头下底面与第一个原始坯料上端面相接触；

步骤三、开动液压机，液压机活动横梁下降，与活动横梁相连接的冲头以1-10mm/s对坯料进行变通道挤压变形，当冲头下底面接触到转角段的下底面时，完成第一个原始坯料的变通道挤压变形，冲头以10-20mm/s的速率抬升出挤压成形模具型腔，随后将第二个加热去应力退火处理好的原始坯料放入模具的引导段内，采用与第一个原始坯料挤压工序相同的工序，开始进行第二个原始坯料的变通道挤压变形，然后进行第三个，第四个，……直至最后一个原始坯料的挤压变形，在第二个原始坯料的变通道挤压变形时，第二个挤压坯料将第一个挤压坯料从整形段挤出，同样，第三个挤压坯料将第二个挤压坯料从整形段挤出，挤压变形时，后一个挤压坯料将前一个挤压坯料从整形段挤压，挤压坯料顺利进入模具出口处的轧辊，开始挤压坯料的轧制阶段，当轧制工序完成后，就完成坯料的变通道挤压和轧制变形过程。