CN107309290A - 集成挤压与等通道转角剪切变形的大应变模具 - Google Patents
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Abstract
一种集成挤压与等通道转角剪切变形的大应变模具,主要包括上模座(6)、凹模套(12)、凸模(7)、下模座(16)、前模芯(11)和后模芯(10)以及两者之间形成的工作腔,包括挤压腔(17)、等通道转角剪切腔(18)、出料腔(19)。其特征是凸模(7)和导柱(3)安装于凸模固定板(8)内,上模座(6)、凸模固定板(8)紧固成一个整体,前模芯(11)和后模芯(10)镶嵌于凹模套(12)内,凹模套(12)和导套(2)紧固于下模座(16)上,前模芯(11)、后模芯(10)和凹模套(12)之间为锥度配合。本发明能有效压合材料疏松、气孔等缺陷,制备出大量晶粒细化的材料,并有效控制晶体组织,以达到提高材料性能的目的。结构简单,调整方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料改性加工模具,尤其是一种通过使金属材料先通过挤压再进行等通道转角剪切变形来改变材料组织和性能的加工模具,具体地说是一种推挤式连续挤压与等通道转角剪切变形加工模具。
背景技术
自20世纪90年代中期以来,等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing,简称ECAP)技术受到全球材料界的高度重视,现已发展成为制备高性能金属材料的一个重要方法。ECAP技术对材料的加工具有剪切力大、剪切应变大、能高效细化材料组织与夹杂物、消除孔洞缺陷的特点,在进行ECAP挤压过程中样品的横截面积不变,而且加工出来的材料具有强度高、塑性好、成形性能好、疲劳性能好、抗腐蚀性好、超精密切削及阳极氧化表面质量高等许多性能,因此可以通过多道次挤压实现对材料的严重塑性变形成功获得亚微米晶甚至纳米晶材料。
迄今为止,ECAP技术对于有疏松、气孔等缺陷的材料,其加工出来的效果都不是很好。而挤压技术在挤压材料时,塑性变形区内变形体单位截面上的应力状态基本为三向压应力状态,即轴向压应力、周向压应力和径向压应力,能有效压合材料疏松、气孔等缺陷,但是其变形方向单一,剪切应变小,材料组织细化程度较低。
挤压与等通道转角剪切变形大应变技术是将传统的挤压与ECAP结合在一起,即在ECAP前增加一道挤压工序,实现一套模具一道工序完成挤压与ECAP,材料进入模具先挤压再进行等通道转角剪切变形,该技术集成了挤压与ECAP两者的优点,克服了两者的不足,也可以加工大尺寸材料,并且加大应变量和晶粒组织细化的性能。
因此,要在工业上推广应用挤压与ECAP集成大应变技术,必须处理好模具强韧性、工件大应变变形质量(内部缺陷、应变大小、应变均匀性等)、工件连续量化大应变加工生产之间的矛盾,这除了在模具整体要进行强韧化设计外,还必须对模具的工作腔(模芯型腔)的结构参数进行选择与优化。该技术解决了传统ECAP模具无法有效压合有疏松、气孔等缺陷的材料的问题,对进一步改善材料性能具有重要意义,到目前为止,尚未有一种利用挤压与ECAP连续挤压变形来制备高性能金属材料的模具可供使用,目前国内外也还没有该项技术的相关报道,此技术具有独创性。
发明内容
本发明的目的是针对现有的等通道转角挤压模具在加工材料时缺乏压应力而难以有效压合材料疏松、气孔等缺陷,设计一种将传统的挤压与ECAP结合在一起,能连续进行挤压与等通道转角剪切变形的新型挤压与等通道转角剪切变形集成大应变加工模具,以连续制备出大量晶粒细化的材料,并有效控制晶体组织,以达到提高材料性能的目的,并能实现工业化生产提供了必需的装备。
本发明的技术方案是:
一种集成挤压与等通道转角剪切变形的大应变模具,其特征是它包括上模座6、凸模固定板8、凹模套12、导柱3、凸模7、导套2、下模座16、前模芯11和后模芯10以及两者之间形成的挤压腔17、等通道转角剪切腔18和出料腔19,上模座6固定于加载机械的上工作台上,凸模7和导柱3安装于凸模固定板8内,上模座6、凸模固定板8之间用销钉4定位和内六角圆柱头螺钉5紧固,前模芯11和后模芯10用销9和13定位后镶嵌于凹模套12内,凸模7的下端插装在挤压腔17中,凹模套12和导套2安装在下模座16上,前模芯11、后模芯10和凹模套12之间为锥度配合,在凹模套12上设有与出料腔19相通的出料通道,下模座16安装于加载机械的下工作台上;前模芯11和后模芯10形成的型腔主要由三部分组成:第一部分型腔是挤压腔17,长度为L1,直径为Φ1,挤压腔17中能放入长度为L5,直径为Φ1的原材料;第二部分型腔是等通道转角剪切腔18,在挤压腔17和等通道转角剪切腔18之间有一段变径锥形通道,其上下直径分别为Φ1和Φ2,高度为L2;等通道转角剪切腔18是由两个相交的圆柱形等通道组成,直径均为Φ2,两个相交的圆柱形等通道长度分别为L3和L4,夹角为120度,内外剪切角为θ;第三部分型腔为出料腔19,直径为Φ3。
所述的挤压腔17与转角剪切腔18变径的挤压比挤压腔17的直径为Φ1,0.6≤L2/Φ1≤0.8,40mm≤L5≤45mm为材料长度;等通道转角剪切腔18的直径为Φ2、剪切的内外角θ即连接二个圆柱段L3、L4均的圆弧段的两个端面的夹角为60度、转角剪切腔的夹角即圆柱段L3与L4的轴线交角为120度,通道长度L3、L4与直径Φ2必须保持0.9≦L3/Φ2≦1.1,0.9≦L4/Φ2≦1.1的关系,为了减小挤压过程中的摩擦力,通道尾部出料腔19的直径Φ3保证1.2Φ2≦Φ3≦1.4Φ2。
所述的前模芯11和后模芯10之间形成的工作腔即模芯型腔由挤压腔17、变径后的等通道转角剪切腔18和出料腔19组成。
所述的前模芯11和后模芯10用销9,13定位后镶嵌于凹模套12内。
所述的前模芯11、后模芯10和凹模套12之间的配合锥角为4~8度。
所述的凹模套12上的出料通道必须与出料腔19连接畅通,锥形通道直径必须保持在16mm-20mm之间。
所述的上模座6、凸模固定板8之间用销钉4定位并通过内六角圆柱头螺钉5紧固成一个可拆卸的整体结构。
所述的下模座16、凹模套12和导套2通过内六角圆柱头螺钉1,14和销钉15紧固。
通过优化设计模具模芯结构参数,设计过渡斜面的角度,弯道夹角,通道直径与长度的比例关系等,调和了模具强韧性、工件大应变变形质量大小、均匀性等、低硬度材料工件连续量化生产之间的矛盾。
模芯采用前模芯和后模芯的对模形式,解决模具模芯型腔难加工的技术难题。
模芯镶嵌于凹模套、凹模套固定于下模座,保证大型模具的强韧性、稳定性、可靠性、安全性。
模芯和凹模套之间采用锥度配合锥度为4~8度,提高模芯的可拆卸性。
下模座16和凹模套12用销钉15定位和内六角圆柱头螺钉14紧固,下模座16安装于液压机工作台上。
本发明的有益效果:
(1)本发明在等通道转角剪切变形前增加了一道挤压工序,实现了挤压与ECAP连续加工,解决了现有ECAP不能有效压材料疏松、气孔等缺陷的问题,解决了理论与实际结合的难题。
(2)本发明通过模具结构的优化设计,很好地解决了模具强韧性、工件大应变变形质量应变大小、应变均匀性等、工件连续挤压与等通道转角剪切变形加工生产之间的矛盾。
(3)本发明可对直径20mm的铝合金材料实施挤压与等通道转角剪切变形加工并碎化其夹杂物压合材料疏松、气孔等缺陷,调控晶体取向,获得超细晶组织。
(4)本发明模具所有零件都可拆卸,模具保养维护方便。
附图说明
图1是本发明的挤压与等通道转角剪切变形集成大应变模芯图。
图2是本发明的挤压与等通道转角剪切变形大应变模具装配主视图。
图3是本发明的挤压与等通道转角剪切变形大应变模具装配俯视图
图4是本发明的挤压与等通道转角剪切变形集成大应变仿真结果图
图中:4、9、13、15为定位销;11为前模芯;12为凹模套;2为导套;1、5、14为内六角头螺钉;16为下模座;6为上模座;7为凸模;3为导柱;8为凸模固定板;10为后模芯;17为挤压腔;18为等通道转角剪切腔;19为出料腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示。
一种集成挤压与等通道转角剪切变形的大应变模具,它包括上模座6、凸模固定板8、凹模套12、导柱3、凸模7、导套2、下模座16、前模芯11和后模芯10以及两者之间形成的挤压腔17、等通道转角剪切腔18和出料腔19,上模座6固定于加载机械的上工作台上,凸模7和导柱3安装于凸模固定板8内,上模座6、凸模固定板8之间用销钉4定位和内六角圆柱头螺钉5紧固成一个可拆卸的整体结构,前模芯11和后模芯10用销9和13定位后镶嵌于凹模套12内,凸模7的下端插装在挤压腔17中,凹模套12和导套2安装在下模座16上,所述的下模座16、凹模套12和导套2通过内六角圆柱头螺钉1,14和销钉15紧固。前模芯11、后模芯10和凹模套12之间为锥度配合,配合锥角为4~8度。在凹模套12上设有与出料腔19相通的锥形出料通道,锥形通道直径必须保持在16mm-20mm之间。下模座16安装于加载机械的下工作台上;所述的前模芯11和后模芯10之间形成的工作腔即模芯型腔由挤压腔17、变径后的等通道转角剪切腔18和出料腔19三部分组成:第一部分型腔是挤压腔17,长度为L1,直径为Φ1,挤压腔17中能放入长度为L5,直径为Φ1的原材料;第二部分型腔是等通道转角剪切腔18,在挤压腔17和等通道转角剪切腔18之间有一段变径锥形通道,其上下直径分别为Φ1和Φ2,高度为L2;等通道转角剪切腔18是由两个相交的圆柱形等通道组成,直径均为Φ2,两个相交的圆柱形等通道长度分别为L3和L4,夹角为120度,内外剪切角为θ;第三部分型腔为出料腔19,直径为Φ3。具体而方所述的挤压腔17与转角剪切腔18变径的挤压比可为挤压腔17的直径为Φ1(如20mm时),0.6≤L2/Φ1≤0.8,40mm≤L5≤45mm为材料长度;等通道转角剪切腔18的直径为Φ2(则为10mm)、剪切的内外角θ即连接二个圆柱段L3、L4均的圆弧段的两个端面的夹角为60度、转角剪切腔的夹角即圆柱段L3与L4的轴线交角为120度,通道长度L3、L4与直径Φ2必须保持0.9≦L3/Φ2≦1.1,0.9≦L4/Φ2≦1.1的关系,为了减小挤压过程中的摩擦力,通道尾部出料腔19的直径Φ3保证12mm≦Φ3≦14mm。
模具安装过程为:将凹模套12和导套2固定于下模座16内,用销15和内六角头螺钉1、14进行定位和紧固;将前后模芯10、11用销9、13定位后放入凹模套12内;将凸模7和导柱3安装于凸模固定板8内;将上模座6、凸模固定板8用销钉4定位和内六角圆柱头螺钉5紧固;将以上装配好的模具的凸模部分和凹模部分合模后,安装到加载机械(液压机上)。
大应变挤压工作过程为:将工件放入挤压通道中,工件在加载机械(液压机)的压力作用下,工件一部分经过挤压变形进入垂直ECAP通道,继续挤压,工件在模芯内的相交转角发生剪切变形;当工件上端下行到挤压通道末端时,停止加载,反向开动加载机械上行凸模,放入纯铝至挤压通道中,再次加载,利用纯铝将先前工件推挤出模具;如此往复,实现挤压与等通道转角剪切变形加工。
以下是按照本发明的方法进行挤压与等通道转角剪切变形加工的仿真实例,但不仅仅限于这些实例,对于不同成分的坯料,只要采用本发明所述方法,均可达到本发明的目的。
实例1:挤压与等通道转角剪切变形集成大应变模具的挤压通道直径为20mm,挤压比为4:1,通道夹角为120°,L3与Φ2为1:1的比例关系。能顺利地将7075铝合金挤压加工,且有效应变与等效应变均正常,材料应变效果好,挤压力约为12t,符合预期,如图4。
实例2:挤压与等通道转角剪切变形集成大应变模具的挤压通道直径Φ1=20mm,挤压比为4:1,通道夹角为120°,L3与Φ2为1.2:1的比例关系,L5=40mm,L2/Φ1=0.5,L3=L4,θ=60°,Φ3=14mm。能顺利地将7075铝合金挤压加工,有效应变与等效应变均正常,但挤压力约为约为25t,且跳动较大,材料难以顺利挤出。
实例3:挤压与等通道转角剪切变形集成大应变模具的挤压通道直径为20mm,挤压比为5:1,通道夹角为120°,L3与Φ2为1:1的比例关系,L5=40mm,L2/Φ1=0.5,L3=L4,θ=60°,Φ3=14mm。在挤压过程中等效应变突然变大,挤压力约为10t,但跳动大,达不到预期效果。
实例4:挤压与等通道转角剪切变形集成大应变模具的挤压通道直径为20mm,挤压比为6:1,通道夹角为120°,L3与Φ2为1:1的比例关系,L5=40mm,L2/Φ1=0.5,L3=L4,θ=60°,Φ3=14mm。在挤压过程中等效应变变得非常大,材料难以顺利挤出,性能达不到预期效果,挤压力约为12t。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种集成挤压与等通道转角剪切变形的大应变模具,其特征是它包括上模座(6)、凸模固定板(8)、凹模套(12)、导柱(3)、凸模(7)、导套(2)、下模座(16)、前模芯(11)和后模芯(10)以及两者之间形成的挤压腔(17)、等通道转角剪切腔(18)和出料腔(19),上模座(6)固定于加载机械的上工作台上,凸模(7)和导柱(3)安装于凸模固定板(8)内,上模座(6)、凸模固定板(8)紧固相连,前模芯(11)和后模芯(10)相连后镶嵌于凹模套(12)内,凸模(7)的下端插装在挤压腔(17)中,凹模套(12)和导套(2)安装在下模座(16)上,在凹模套(12)上设有与出料腔(19)相通的出料通道,下模座(16)安装于加载机械的下工作台上;前模芯(11)和后模芯(10)形成的型腔主要由三部分组成:第一部分型腔是挤压腔(17),长度为L1,直径为Φ1,挤压腔(17)中能放入长度为L5,直径为Φ1的原材料;第二部分型腔是等通道转角剪切腔(18),在挤压腔(17)和等通道转角剪切腔(18)之间有一段变径锥形通道,其上下直径分别为Φ1和Φ2,高度为L2;等通道转角剪切腔(18)是由两个相交的圆柱形等通道组成,直径均为Φ2,两个相交的圆柱形等通道长度分别为L3和L4,夹角为120度,内外剪切角为θ;第三部分型腔为出料腔(19),直径为Φ3。
2.根据权利要求1所述的模具,其特征是所述的挤压腔(17)与转角剪切腔(18)变径的挤压比挤压腔(17)的直径为Φ1,0.6≤L2/Φ1≤0.8,40mm≤L5≤45mm为材料长度;等通道转角剪切腔(18)的直径为Φ2、剪切的内外角θ即连接二个圆柱段L3、L4均的圆弧段的两个端面的夹角为60度、转角剪切腔的夹角即圆柱段L3与L4的轴线交角为120度,通道长度(L3、L4)与直径(Φ2)必须保持0.9≦L3/Φ2≦1.1,0.9≦L4/Φ2≦1.1的关系,为了减小挤压过程中的摩擦力,通道尾部出料腔(19)的直径Φ3保证1.2Φ2≦Φ3≦1.4Φ2。
3.根据权利要求1所述的模具,其特征是所述的前模芯(11)和后模芯(10)之间形成的工作腔即模芯型腔由挤压腔(17)、变径后的等通道转角剪切腔(18)和出料腔(19)组成。
4.根据权利要求1所述的模具,其特征是所述的前模芯(11)和后模芯(10)用销(9,13)定位后镶嵌于凹模套(12)内。
5.根据权利要求1或4所述的模具,其特征是所述的前模芯(11)、后模芯(10)和凹模套(12)之间为锥度配合,锥角为4~8度。
6.根据权利要求1所述的模具,其特征是所述的凹模套(12)上的出料通道必须与出料腔(19)连接畅通,锥形通道直径必须保持在16mm-20mm之间。
7.根据权利要求1所述的模具,其特征是所述的上模座(6)、凸模固定板(8)之间用销钉(4)定位并通过内六角圆柱头螺钉(5)紧固成一个可拆卸的整体结构。
8.根据权利要求1所述的模具,其特征是所述的下模座(16)、凹模套(12)和导套(2)通过内六角圆柱头螺钉(1,14)和销钉(15)紧固。
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