CN104511493B - 一种剪切变形制坯模具及成形坯料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剪切变形制坯模具，包括挤压筒、第一冲头、第二冲头、第三冲头、第四冲头；采用该模具成形坯料的方法包括：（1）坯料预处理；（2）挤压准备；（3）第一次端面挤压变形；（4）第一次镦粗挤压；（5）第二次端面挤压变形；（6）第二次镦粗挤压；（7）挤出坯料。本发明适用于小高径比（0.25≤直径D/高度H≤1）的金属的制坯，解决了现有ECAP技术中挤压坯料变形不均匀，工艺繁琐的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属制坯技术领域，具体涉及一种剪切变形制坯模具及成形坯料的方法。
背景技术
等通道转角挤压（ECAP）是基于剧烈塑性变形技术制备块体超细晶材料的成形方法之一。材料在ECAP模具转角处受到强烈剪切变形，并通过材料横截面尺寸不变的特性，从而实现反复挤压，累积大量应变，达到细化材料组织、提高材料综合性能的目的。
在中国专利公开号分别为CN101259493、CN1709605、CN2757953、CN2757954和CN2768921的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方法的简单形式改进，并无实质性的工业创新和解决生产问题。公开号为CN
101116880A发明专利中提出的一种制备大块超细晶材料的“倒T”镦压模具，使每道次镦压变形后材料恢复到原来形状，结构简单、晶粒细化能力强。在申请号为01104059.
9的发明专利中提出了一种往复式挤压成形方法及其加工装置，该方法实质上是沙漏挤压法，在挤压通道内设置一相对狭小的窄道，实现材料的镦粗和挤压相结合的成形方法。此外，为克服传统ECAP技术不能连续生产的问题，国内外研究提出了很多改进的ECAP技术，如连续剪切工艺、旋转模具ECAP、反复侧边挤压、等径角轧制等方法（中国有色金属学报,
2010, 20(4): 587）。但上述ECAP改进技术存在所需工程力大，对设备要求高等工业问题。
综上所述，传统的ECAP模具和挤压方法成形材料具有变形不均匀，一道次累积应变小的不足之处，而改进的ECAP的成形方法也存在所用设备昂贵且对设备要求高，加工成本增大等问题，如何实现一道次制备组织均匀的超细晶材料，以满足实际科研与生产的需要是当今材料研究亟待解决的难题。
发明内容
本发明旨在提供一种剪切变形制坯模具及成形坯料的方法，适用于小高径比（0.25≤直径D/高度H≤1）的金属的制坯，解决了现有ECAP技术中挤压坯料变形不均匀，工艺繁琐的问题。
本发明提供了一种剪切变形制坯模具，包括挤压筒、第一冲头、第二冲头、第三冲头、第四冲头；
所述挤压筒为圆柱形套筒，内部为挤压型腔，挤压型腔为圆柱体结构，挤压筒的内径与坯料直径D相同，长度为L，3H≤L≤4H，其中H为坯料高度；
第一冲头和第二冲头的一端为椭圆形斜面、另一端为平面，中部为圆柱体结构，其中平面端装夹在挤压设备上，椭圆形斜面为工作面，与坯料直接接触；第一冲头和第二冲头的直径与坯料直径D相同，中心轴线的有效高度为N，0.8 L≤N≤L，椭圆形斜面与水平面的夹角为α，30°≤α≤60°；
第三冲头和第四冲头为圆柱体结构，第三冲头和第四冲头直径与坯料直径D相同，高度为M，L≤M≤1.2 L。
本发明提供了一种采用上述剪切变形制坯模具成形坯料的方法，包括以下步骤：
（1）坯料预处理：根据生产实际需要处理坯料，使0.25≤H/D≤1；按照热处理工艺手册对坯料进行均匀化退火，依据坯料材料、形状尺寸及加热方式等选择在某一特定温度下保温退火，之后随炉冷却至室温，以减小其残余内应力且获得均匀组织；
（2）挤压准备：对剪切变形制坯模具型腔和第一冲头、第二冲头、第三冲头、第四冲头分别涂抹冷挤压润滑剂，将坯料居中放入剪切变形制坯模具的型腔内；
（3）第一次端面挤压变形：第一冲头和第二冲头分别从坯料两端以5~10
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，当第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面与坯料的两端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第一冲头和第二冲头同时以1~5
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，发生剪切变形，当坯料的两端面与第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面完全贴合，即坯料的圆形两端面完全变成椭圆形时，继续挤压1~2秒，即保压阶段，然后停止挤压；坯料由圆柱体变为两端为椭圆形斜面的圆柱；第一冲头和第二冲头同时以5~10
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第一冲头和第二冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第一次端面挤压变形；
（4）第一次镦粗挤压：第三冲头和第四冲头分别从坯料两端以5~10
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，分别使第三冲头和第四冲头的工作端面与坯料的两椭圆形端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第三冲头和第四冲头同时以1~5
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，由两端为椭圆形斜面的圆柱变为两端为平面的圆柱体，当坯料的两端面与第三冲头和第四冲头的工作端面完全贴合，即坯料的两端面完全变成圆形时，继续挤压1~2秒，即保压阶段，停止挤压；坯料由斜圆柱变为圆柱，且比变形初期的坯料高度缩小；第三冲头和第四冲头同时以5~10
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第三冲头和第四冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第一次镦粗；
（5）第二次端面挤压变形：将第一冲头和第二冲头分别绕其中心轴线旋转180º，分别从两端放入剪切变形制坯模具型腔内，按照步骤（3）完成坯料的第二次端面挤压变形；
（6）第二次镦粗挤压：按照步骤（4）完成坯料的第二次镦粗；
（7）挤出坯料：第三冲头以5~10 mm/s的挤压速度挤压坯料，将坯料从剪切变形制坯模具型腔中挤出，完成坯料的剪切变形挤压过程。
所述步骤（7）也可采用第四冲头将坯料挤出。
所述步骤（3）第一次端面挤压变形过程中，形成的斜圆柱的斜截面与正截面的夹角为α，30°≤α≤60°。
所述步骤（5）第二次端面挤压变形过程中，形成的斜圆柱的斜截面与正截面的夹角为α，30°≤α≤60°。
本发明的有益效果：
（1）本发明提出的剪切变形制坯模具及其成形方法可制备超细晶坯料；
（2）本发明有效地解决了原ECAP成形工艺繁琐的难题，生产效率提高，有望实现大规模工业化生产；
（3）由于变形前后坯料形状尺寸不发生变化，可拓展实现多道次剪切变形的挤压技术，可累计剧烈塑性变形，获得均匀稳定的超细晶块材；
（4）剪切变形制坯模具结构简单，延长挤压模具的使用寿命，加工容易，降低生产成本。
附图说明
图1本发明剪切变形制坯模具的挤压筒结构示意图；
图2为冲头结构示意图；
图3为坯料在第一次端面挤压变形中的的结构变化示意图；
图4为坯料成形过程中的结构变化示意图；
图5为实施例纯铜坯料经剪切变形制坯前后组织金相图。
其中，1.第一冲头，2.挤压筒，3.第二冲头，4. 坯料，5.第三冲头，6.第四冲头。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
对直径为100 mm，高为50 mm的圆柱形纯铜坯料进行剪切变形制坯。
图1~2示出了剪切变形制坯模具的结构示意图，剪切变形制坯模具包括挤压筒2、第一冲头1、第二冲头3、第三冲头5、第四冲头6；
所述挤压筒2为圆柱形套筒，内部为挤压型腔，挤压型腔为圆柱体结构，挤压筒的内径为100
mm，长度为180
mm；
第一冲头1和第二冲头3的一端为椭圆形斜面、另一端为平面，中部为圆柱体结构，其中平面端装夹在挤压设备上，椭圆形斜面为工作面，与坯料直接接触；第一冲头1和第二冲头3的直径为100 mm，中心轴线的有效高度为170 mm，椭圆形斜面与水平面的夹角为45°；
第三冲头5和第四冲头6为圆柱体结构，第三冲头5和第四冲头6直径为100 mm，高度为200 mm。
采用上述剪切变形制坯模具成形坯料的方法，包括以下步骤：
（1）坯料预处理：根据生产实际需要处理纯铜坯料，圆柱形坯料的坯料高度/坯料直径=0.5；按照热处理工艺手册对坯料进行均匀化退火，选择400℃下保温2小时退火，之后随炉冷却至室温，以减小其残余内应力且获得均匀组织；
（2）挤压准备：对剪切变形制坯模具型腔和第一冲头、第二冲头、第三冲头、第四冲头分别涂抹纯机油(84wt%)、猪油(13wt%)和十四醇(3wt%)混合配制而成的润滑剂，将坯料居中放入剪切变形制坯模具的型腔内；
（3）第一次端面挤压变形：第一冲头和第二冲头分别从坯料两端以8 mm/s的挤压速度相向挤压坯料，当第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面与坯料的两端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第一冲头和第二冲头同时以3
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，发生剪切变形，当坯料的两端面与第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面完全贴合，即坯料的圆形两端面完全变成椭圆形时，继续挤压1秒，即保压阶段，然后停止挤压；坯料由圆柱体变为两端为椭圆形斜面的圆柱；第一冲头和第二冲头同时以8
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第一冲头和第二冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第一次端面挤压变形；
（4）第一次镦粗挤压：第三冲头和第四冲头分别从坯料两端以8 mm/s的挤压速度相向挤压坯料，分别使第三冲头和第四冲头的工作端面与坯料的两椭圆形端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第三冲头和第四冲头同时以3
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，由两端为椭圆形斜面的圆柱变为两端为平面的圆柱体，当坯料的两端面与第三冲头和第四冲头的工作端面完全贴合，即坯料的两端面完全变成圆形时，继续挤压1秒，即保压阶段，停止挤压；坯料由斜圆柱变为圆柱，且比变形初期的坯料高度缩小；第三冲头和第四冲头同时以8
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第三冲头和第四冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第一次镦粗；
（5）第二次端面挤压变形：将第一冲头和第二冲头分别绕其中心轴线旋转180º，分别从两端放入剪切变形制坯模具型腔内，第一冲头和第二冲头分别从坯料两端以8
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，当第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面与坯料的两端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第一冲头和第二冲头同时以3
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，发生剪切变形，当坯料的两端面与第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面完全贴合，即坯料的圆形两端面完全变成椭圆形时，继续挤压1秒，即保压阶段，然后停止挤压；坯料由圆柱体变为两端为椭圆形斜面的圆柱；第一冲头和第二冲头同时以8
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第一冲头和第二冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第二次端面挤压变形；
第二次端面挤压变形的步骤与第一次端面挤压变形的步骤基本相同，只是冲头的作用方向发生了变化；
（6）第二次镦粗挤压：第三冲头和第四冲头分别从坯料两端以8 mm/s的挤压速度相向挤压坯料，分别使第三冲头和第四冲头的工作端面与坯料的两椭圆形端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第三冲头和第四冲头同时以3
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，由两端为椭圆形斜面的圆柱变为两端为平面的圆柱体，当坯料的两端面与第三冲头和第四冲头的工作端面完全贴合，即坯料的两端面完全变成圆形时，继续挤压1秒，即保压阶段，停止挤压；坯料由斜圆柱变为圆柱，且比变形初期的坯料高度缩小；第三冲头和第四冲头同时以8
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第三冲头和第四冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第二次镦粗；
第二次镦粗挤压的步骤与第一次镦粗挤压的步骤相同；
（7）挤出坯料：第三冲头以8 mm/s的挤压速度挤压坯料，将坯料从剪切变形制坯模具型腔中挤出，完成坯料的剪切变形挤压过程。
所述步骤（7）也可采用第四冲头将坯料挤出。
所述步骤（3）第一次端面挤压变形过程中，形成的斜圆柱的斜截面与正截面的夹角为45°。
所述步骤（5）第二次端面挤压变形过程中，形成的斜圆柱的斜截面与正截面的夹角为45°。
图5示出了纯铜坯料的剪切变形制坯变形前后的金相图，经剪切变形后，纯铜坯料的平均晶粒得到细化，由于强烈剪切变形作用，晶粒被明显拉长和细化。
本发明的目的在于提出了一种简单易操作的剪切变形制坯新方法，以满足现代生产的发展需求。通过更改模具的形状和尺寸，具体实施方式不变，可满足不同坯料的等通道剪切挤压成形要求，更多的成形实施例不便胜举。
Claims (4)
1.一种剪切变形制坯模具，包括挤压筒、第一冲头、第二冲头、第三冲头、第四冲头；
所述挤压筒为圆柱形套筒，内部为挤压型腔，挤压型腔为圆柱体结构，挤压筒的内径与坯料直径D相同，长度为L，3H≤L≤4H，其中H为坯料高度；
第一冲头和第二冲头的一端为椭圆形斜面、另一端为平面，中部为圆柱体结构，其中平面端装夹在挤压设备上，椭圆形斜面为工作面，与坯料直接接触；冲头的直径与坯料直径D相同，第一冲头和第二冲头的直径与坯料直径D相同，中心轴线的有效高度为N，0.8 L≤N≤L，椭圆形斜面与水平面的夹角为α，30°≤α≤60°；
第三冲头和第四冲头为圆柱体结构，第三冲头和第四冲头直径与坯料直径D相同，高度为M，L≤M≤1.2 L。
2.一种采用权利要求1所述的剪切变形制坯模具成形坯料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）坯料预处理：根据生产实际需要处理坯料，使0.25≤H/D≤1；按照热处理工艺手册对坯料进行均匀化退火，之后随炉冷却至室温，以减小其残余内应力且获得均匀组织；
（2）挤压准备：对剪切变形制坯模具型腔和第一冲头、第二冲头、第三冲头、第四冲头分别涂抹冷挤压润滑剂，将坯料居中放入剪切变形制坯模具的型腔内；
（3）第一次端面挤压变形：第一冲头和第二冲头分别从坯料两端以5~10
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，当第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面与坯料的两端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第一冲头和第二冲头同时以1~5
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，发生剪切变形，当坯料的两端面与第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面完全贴合，即坯料的圆形两端面完全变成椭圆形时，继续挤压1~2秒，即保压阶段，然后停止挤压；坯料由圆柱体变为两端为椭圆形斜面的圆柱；第一冲头和第二冲头同时以5~10
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第一冲头和第二冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第一次端面挤压变形；
（4）第一次镦粗挤压：第三冲头和第四冲头分别从坯料两端以5~10
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，分别使第三冲头和第四冲头的工作端面与坯料的两椭圆形端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第三冲头和第四冲头同时以1~5
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，由两端为椭圆形斜面的圆柱变为两端为平面的圆柱体，当坯料的两端面与第三冲头和第四冲头的工作端面完全贴合，即坯料的两端面完全变成圆形时，继续挤压1~2秒，即保压阶段，停止挤压；坯料由斜圆柱变为圆柱，且比变形初期的坯料高度缩小；第三冲头和第四冲头同时以5~10
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第三冲头和第四冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第一次镦粗；
（5）第二次端面挤压变形：将第一冲头和第二冲头分别绕其中心轴线旋转180º，分别从两端放入剪切变形制坯模具型腔内，第一冲头和第二冲头分别从坯料两端以5~10
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，当第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面与坯料的两端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第一冲头和第二冲头同时以1~5
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，发生剪切变形，当坯料的两端面与第一冲头和第二冲头的椭圆形工作端面完全贴合，即坯料的圆形两端面完全变成椭圆形时，继续挤压1~2秒，即保压阶段，然后停止挤压；坯料由圆柱体变为两端为椭圆形斜面的圆柱；第一冲头和第二冲头同时以5~10
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第一冲头和第二冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第二次端面挤压变形；
（6）第二次镦粗挤压：第三冲头和第四冲头分别从坯料两端以5~10
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，分别使第三冲头和第四冲头的工作端面与坯料的两椭圆形端面接触时，停止挤压；开启挤压设备，第三冲头和第四冲头同时以1~5
mm/s的挤压速度相向挤压坯料，坯料在冲头的挤压作用下，由两端为椭圆形斜面的圆柱变为两端为平面的圆柱体，当坯料的两端面与第三冲头和第四冲头的工作端面完全贴合，即坯料的两端面完全变成圆形时，继续挤压1~2秒，即保压阶段，停止挤压；坯料由斜圆柱变为圆柱，且比变形初期的坯料高度缩小；第三冲头和第四冲头同时以5~10
mm/s的挤压速度反向远离坯料，当第三冲头和第四冲头完全脱离剪切变形制坯模具型腔后，完成坯料的第二次镦粗；
（7）挤出坯料：第三冲头以5~10 mm/s的挤压速度挤压坯料，将坯料从剪切变形制坯模具型腔中挤出，完成坯料的剪切变形挤压过程。
3.根据权利要求2所述的剪切变形制坯模具成形坯料的方法，其特征在于：步骤（3）第一次端面挤压变形过程中，形成的斜圆柱的斜截面与正截面的夹角为α，30°≤α≤60°。
4.根据权利要求2所述的剪切变形制坯模具成形坯料的方法，其特征在于：步骤（5）第二次端面挤压变形过程中，形成的斜圆柱的斜截面与正截面的夹角为α，30°≤α≤60°。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20161005 Termination date: 20171212 |