CN108637155B - 一种螺栓生产用模具、生产方法及制造出的螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺栓生产用模具，包括上模和下模，所述上模盖合在下模上形成模具型腔，所述模具型腔包括依次连接的挤压通道、梯度成型通道和定径通道；所述挤压通道背离梯度成型通道的端部设有第一挤压冲头。本发明还公开了一种螺栓的生产方法及螺栓，本发明的优点在于，实现螺栓从其表层到芯部的合金晶粒尺寸逐渐增大的梯度结构，使得合金材料制成的螺栓同时具有高强度和高塑性。

Description

一种螺栓生产用模具、生产方法及制造出的螺栓
技术领域
本发明涉及螺栓，具体涉及一种螺栓生产用模具、生产方法及制造出的螺栓。
背景技术
随着科技的发展，用于各种机械结构的螺栓等紧固件提出了更高的要求，以期获得更高的强度和塑性。但提高合金的强度往往会导致其塑性的降低，如TIMETAL-125钛合金的延伸率可达13％，但相应的抗拉强度则降为1250MPa，通过热处理可使抗拉强度最高可达1586MPa，但相应的延伸率降低至6％左右。
近年来，研究发现当材料表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，且晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布时，材料可以兼具高强度及优良的塑性。如K.Lu等人在《Science》发表“Making strong nanomaterials ductile with gradients”梯度结构原理制备强韧纳米材料，(2014,345(6203):1455.)指出当钢、铜、铝等材料的晶粒尺寸细化至纳米尺度时可以得到较高的强度，但由于应力集中，其塑性显著降低，而当材料表层为纳米晶或超细晶、芯部为粗晶，且晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度分布时，可以使材料兼具优良的塑性及高强度。
传统的螺栓生产工艺包括热轧盘条、冷拔、球化退火、机械除磷、酸洗、冷拔、冷锻成型、螺纹加工、热处理、检验等步骤，采用该方法生产的螺栓，并不能产生晶粒尺寸由表层向芯部呈梯度分布的结构特性，也就无法获得同时具有高强度、高塑性的螺栓。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：现有螺栓生产工艺难以制得同时具有高强度、高塑性的螺栓。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种螺栓生产用模具，包括上模和下模，所述上模盖合在下模上形成模具型腔，所述模具型腔包括依次连接的挤压通道、梯度成型通道和定径通道；所述挤压通道背离梯度成型通道的端部设有第一挤压冲头。
优选地，本发明所述的一种梯度节结构的螺栓生产用模具，所述梯度成型通道为自挤压通道向定径通道方向延伸并渐缩的锥形。
优选地，本发明所述的一种梯度结构的螺栓生产用模具，所述定径通道背离梯度成型通道的端部设有头部成型通道，所述头部成型通道背离定径通道的端部设有第二挤压冲头。
本发明提供了一种螺栓生产方法，其基于上述的生产模具，包括以下步骤：
(1)预热待加工坯料；
(2)将预热后的坯料放入挤压通道内，上模盖合在下模上；
(3)启动压力机，第一挤压冲头对坯料施加压力，将坯料挤入梯度成型通道内，变形后流入定径通道和头部成型通道；坯料靠近第二挤压冲头的端部在第二挤压冲头的作用下镦粗变形，至头部完全成型，得到预制坯；
(4)卸压开模，使第一挤压冲头及第二挤压冲头复位，取出预制坯；
(5)在预制坯上加工螺纹，得到成品。
优选地，本发明所述的一种螺栓生产方法，所述步骤(3)中第二挤压冲头在坯料完全流过梯度成型通道后调节其压力为恒压。
优选地，本发明所述的一种螺栓生产方法，所述步骤(1)中放入挤压通道内的坯料为两块，其中一块靠近第一挤压冲头，另一块靠近梯度成型通道，所述步骤(3)中，待靠近梯度成型通道的坯料完全流过梯度成型通道后，调节第二挤压冲头的压力为恒压。
优选地，本发明所述的一种螺栓生产方法，所述坯料由钛合金制成。
本发明还提供了一种梯度结构钛合金螺栓，所述螺栓采用上述方法制造而成，螺栓由其表面向芯部，合金晶粒尺寸逐渐增大。
优选地，本发明还提供了一种梯度结构钛合金螺栓，所述螺栓表层合金晶粒为超细晶或纳米晶。
本发明技术有益效果：
本发明技术方案通过梯度成型通道对坯料进行挤压，实现螺栓从其表层到芯部的合金晶粒尺寸逐渐增大的梯度结构，使得合金材料制成的螺栓同时具有高强度和高塑性；
在实现螺栓梯度结构的同时，完成螺栓头部的成型，操作简单，实用性强，易于工业化应用；
对两块坯料进行组合式挤压，可使单块坯料完全通过梯度成型通道，提高材料利用率。
附图说明
图1为本发明实施例所述一种螺栓生产用模具的结构示意图；
图2为将坯料放入所述模具后的结构示意图；
图3为图2中的C向剖视图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
参阅图1，本实施例公开的一种螺栓生产用模具，包括上模1和下模2，所述上模1盖合在下模2上形成模具型腔3，所述模具型腔3包括依次连接的挤压通道31、梯度成型通道32和定径通道33；所述梯度成型通道32的截面呈梯形，且其自挤压通道31向定径通道33方向延伸并渐缩，挤压通道31背离梯度成型通道32的端部设有第一挤压冲头4。
所述定径通道33背离梯度成型通道32的端部设有头部成型通道34，所述头部成型通道34的截面以及第二挤压冲头5均对应于螺栓的头部形状，本实施例中以六角螺栓为例，此时，所述第二挤压冲头5的截面如图3所示。所述头部成型通道34背离定径通道33的端部设有第二挤压冲头5。
上述的一种螺栓生产用模具的使用如下：
(1)预热待加工坯料；
(2)将预热后的坯料A放入挤压通道31内，上模1盖合在下模2上；
(3)启动压力机，第一挤压冲头4对坯料A施加压力，将坯料A挤入梯度成型通道32内，变形后流入定径通道33和头部成型通道34；坯料A靠近第二挤压冲头5的端部在第二挤压冲头5的作用下镦粗变形，至头部完全成型，得到预制坯；
(4)卸压开模，使第一挤压冲头4及第二挤压冲头5复位，取出预制坯；
(5)在预制坯上加工螺纹，得到成品。
所述步骤(3)中第二挤压冲头5在坯料A完全流过梯度成型通道后调节其压力为恒压。
坯料可以选择多种合金制成，具体根据应用场合选择，例如应用于宇航飞行器上的螺栓大多采用钛合金制成。
通过第一挤压冲头4对坯料A施加压力，其在梯度成型通道32内挤压变形，通过梯度成型通道32的梯度挤压后，坯料A从其表面向芯部，其晶粒尺寸依次增大，呈梯度分布，进而实现在不降低合金塑性的前提下，提高其强度。
参阅图2，作为优选，所述步骤(1)中向挤压通道31内的放入坯料A和坯料B，其中坯料B靠近第一挤压冲头4，坯料A靠近梯度成型通道32，所述步骤(3)中，待坯料A完全流过梯度成型通道32后，再调节第二挤压冲头5的压力为恒压。
对两块坯料进行组合式挤压，通过控制坯料的长度，在坯料A完全通过梯度成型通道32时，第二挤压冲头5对已通过定径通道33的坯料A进行头部成型，由此提高材料利用率。当坯料A成型后，开模取出，此时原来的坯料B代替坯料A的位置，再向挤压通道31内放入新的坯料，占据原来坯料B的位置，并重复上述步骤(3)获取预制坯。
此外，上述方法中，坯料在模具中直接由第二挤压冲头5作用，形成螺栓头部，实际生产时，模具也可以不设头部成型通道34，待坯料经梯度成型通道32的梯度挤压，在定径通道33内定径后取出，再采用其他方式形成头部。
本实施例中通过上述方法制备的螺栓，其表面向芯部，合金的晶粒尺寸逐渐增大，特别是当螺栓的表层结构为超细晶或纳米晶时，其高塑性、高强度的性能更为显著。
本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种螺栓生产用模具，其特征在于，包括上模和下模，所述上模盖合在下模上形成模具型腔，所述模具型腔包括依次连接的挤压通道、梯度成型通道和定径通道、头部成型通道；所述挤压通道背离梯度成型通道的端部设有第一挤压冲头；所述头部成型通道背离定径通道的端部设有第二挤压冲头。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓生产用模具，其特征在于，所述梯度成型通道为自挤压通道向定径通道方向延伸并渐缩的锥形。
3.一种采用权利要求1-2任一项所述的螺栓生产用模具的螺栓生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预热待加工坯料；
(2)将预热后的坯料放入挤压通道内，上模盖合在下模上；
(3)启动压力机，第一挤压冲头对坯料施加压力，将坯料挤入梯度成型通道内，变形后流入定径通道和头部成型通道；坯料靠近第二挤压冲头的端部在第二挤压冲头的作用下镦粗变形，至头部完全成型，得到预制坯；
(4)卸压开模，使第一挤压冲头及第二挤压冲头复位，取出预制坯；
(5)在预制坯上加工螺纹，得到成品。
4.根据权利要求3所述的一种螺栓生产方法，其特征在于，所述步骤(3)中第二挤压冲头在坯料完全流过梯度成型通道后调节其压力为恒压。
5.根据权利要求3所述的一种螺栓生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中放入挤压通道内的坯料为两块，其中一块靠近第一挤压冲头，另一块靠近梯度成型通道，所述步骤(3)中，待靠近梯度成型通道的坯料完全流过梯度成型通道后，调节第二挤压冲头的压力为恒压。
6.根据权利要求3-5任一项所述的一种螺栓生产方法，其特征在于，所述坯料由钛合金制成。
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