連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具及其操作方法，包括上模、組合下模和工作臺；組合下模是由分成兩半的錐模和與之相配合的模套組成；錐模設(shè)置于模套的倒圓臺形錐孔中，并與模套錐面配合；錐模沿軸線設(shè)有模腔，模腔上部設(shè)計成第一圓柱孔，中部為倒圓臺孔，下部為第二圓柱孔；第一圓柱孔的直徑等于倒圓臺孔大端的直徑，第二圓柱孔的直徑等于倒圓臺孔小端的直徑；上模中心設(shè)有導(dǎo)向孔，擠壓桿穿過所述導(dǎo)向孔伸入所述第一圓柱孔中。本發(fā)明模具在擠壓時材料不會沿上模和下模之間的縫隙流動，不產(chǎn)生毛邊，提高材料利用率；易于模料分離，操作簡便；熱擠壓時只需對錐模進行加熱，提高模具強度且降低了模具成本。
【專利說明】連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具及其操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬塑性加工領(lǐng)域，特別涉及一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具及其操作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]大塑性變形技術(shù)具有強烈的晶粒細化能力，可以將材料內(nèi)部組織細化到亞微米乃至納米級，已被材料科學(xué)界公認為是制備塊體納米和超細晶材料的最有前途的方法。
[0003]目前受到材料科學(xué)界廣泛關(guān)注的大塑性變形方法主要有等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、往復(fù)擠壓(CEC)、大比率擠壓(擠壓比在100以上)等，已在實驗室研究制備細晶材料中廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中采用鍛造的方法，使材料反復(fù)鐓粗一拔長也能起到細化晶粒的作用。而連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓法(continuous variable cross-sect1nrecycled extrus1n, CVCE)是最近幾年提出的,其特征是:(I)可制備大規(guī)格塊體細晶材料；(2)模具成本低，操作簡單；(3)鐓粗時克服了傳統(tǒng)鐓粗時出現(xiàn)的鼓形、失穩(wěn)；(4)效率高、質(zhì)量好等。因此在制備純鋁、鎂合金、鈦合金等方面進行了一些研究。在采用CVCE對鑄態(tài)純鋁1A85進行擠壓8個循環(huán)后，平均晶粒尺寸達到750nm。在采用CVCE對AZ31鎂合金進行循環(huán)擠壓時發(fā)現(xiàn)經(jīng)16個循環(huán)后，平均晶粒尺寸由變形前25.3 μ m有效細化到5.5 μ m。在采用CVCE對TC4鈦合金進行擠壓時發(fā)現(xiàn)當(dāng)擠壓6個循環(huán)后，晶粒從15 μ m細化至2?3 μ m0
[0004]在采用發(fā)明專利ZL200610041960.8中圖1所示的連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓裝置對材料進行變形時發(fā)現(xiàn):
[0005](I)由于擠壓模錐面的錐度一直從下模2的上表面延伸到下表面,在將圓柱體放入擠壓模的模腔時，圓柱體試樣全部位于上模I中。當(dāng)圓柱體試樣在擠壓桿4的作用下進入下模2時，由于上下模之間沒有鎖緊裝置，可能會使擠壓桿4與試料3不能進入下模?？?，影響擠壓過程的順利進行；此外，當(dāng)圓柱體試料從上模模腔I進入下模模腔2時，金屬處于強烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，而在上模I和下模2的模腔交界處要由圓柱體成形為具有一定錐角的圓臺體，是變形程度最大的部位，因此金屬流動的阻力最大；相比而言，在上下模之間(I和2)縫隙處的金屬流動阻力較小。根據(jù)最小阻力定律，擠壓時金屬不僅會沿主應(yīng)力最大的方向即縱向進行流動，而且會沿著上下模之間(I和2)的縫隙進行徑向流動，使其成形為一個帶有毛邊的連續(xù)變斷面試樣。在后續(xù)的鐓粗時，為了將試樣順利放入鐓粗下模(12)的模腔，還需要對其毛邊進行打磨予以去除，這就增加了變形的輔助時間且增大了材料的損耗；此外，熱擠壓的材料進行打磨毛邊之后會導(dǎo)致溫度降低，要在設(shè)定的溫度進行變形必須進行較長時間的加熱，會導(dǎo)致細化后的晶粒有所長大，降低了材料的細化效率和細化效果。
[0006](2)擠壓模具中的下模2是整體結(jié)構(gòu)，在熱擠壓時需對整個下模進行加熱。因此，整塊下模均需采用耐熱高溫材料，模具成本高。
[0007](3)在將圓柱體試樣擠壓為連續(xù)變斷面試樣時，采用一根小于圓錐體小頭直徑的細桿將其頂出而使模料分離時，難度較大，對一些強度較低的材料甚至易出現(xiàn)頂出桿壓入材料而形成壓坑的現(xiàn)象。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具及其操作方法，以克服現(xiàn)有連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓變形裝置存在的缺陷。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0010]一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，包括上模、組合下模和工作臺；組合下模是由分成兩半的錐模和與之相配合的模套組成；錐模設(shè)置于模套的倒圓臺形錐孔中，并與模套錐面配合；錐模沿軸線設(shè)有模腔，模腔上部設(shè)計成第一圓柱孔，中部為倒圓臺孔，下部為第二圓柱孔；第一圓柱孔的直徑等于倒圓臺孔大端的直徑，第二圓柱孔的直徑等于倒圓臺孔小端的直徑；組合下模設(shè)置在工作臺上，上模設(shè)置于組合下模上端；上模中心設(shè)有導(dǎo)向孔，擠壓桿穿過所述導(dǎo)向孔伸入所述第一圓柱孔中。
[0011]優(yōu)選的，下模為復(fù)合式結(jié)構(gòu)，由錐模和模套兩部分組成；在熱擠壓時僅需對錐模進行加熱，而模套不需加熱。因此，熱擠壓時僅錐模需要選用耐高溫材料，而模套只需選用普通材料，從而既保證模具強度又降低模具成本。
[0012]優(yōu)選的，錐模沿軸線分為兩半，易于模料分離，操作簡便。
[0013]優(yōu)選的，工作臺上設(shè)有通孔，該通孔中設(shè)有頂出桿，頂出桿的上表面與工作臺的頂面平齊；頂出桿與錐模同軸設(shè)置，頂出桿的直徑小于錐模下端的直徑，大于第二圓柱孔的直徑。
[0014]優(yōu)選的，上模和組合下模之間設(shè)有一對相互配合的凸臺和凹槽，該對凸臺和凹槽在擠壓時，便于上模和組合下模對中，而上模對試料和擠壓桿有導(dǎo)向作用，保證擠壓過程順利進行。
[0015]優(yōu)選的，擠壓時，待擠壓圓柱狀試樣完全位于第一圓柱孔內(nèi)，是在密閉的模腔內(nèi)成形，而且軸向主應(yīng)力是最大主應(yīng)力，因此材料僅沿軸向流動，不會產(chǎn)生毛邊。
[0016]優(yōu)選的，擠壓桿的直徑比上模的導(dǎo)向孔的內(nèi)徑小0.5mm。
[0017]優(yōu)選的，頂出桿直徑比錐模下底面直徑小4mm。
[0018]連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具的操作方法，包括以下步驟:
[0019]第I步，首先將擠壓模的錐模和圓柱試樣分別進行加熱，然后將錐模和模套組合在一起，隨后將圓柱試樣從加熱爐內(nèi)取出放入組合下模模腔的第一圓柱孔中，之后將其放在工作臺上，并使錐模的下端與工作臺上的頂出桿對齊；接著將擠壓上模與組合下模進行配合，然后放入擠壓桿；擠壓桿下行加壓對預(yù)先放置于組合下模模腔中的圓柱體試樣進行擠壓，在壓力的作用下，材料進入組合錐模的倒圓臺孔成形為具有錐度的連續(xù)變斷面試樣(圓臺體)，擠壓變形結(jié)束；接著先取掉擠壓桿，再移走上模，隨后使頂出桿上行，在壓力的作用下將錐模和試樣頂出，隨著頂出行程的增加，錐模分成兩半，取出連續(xù)變斷面試樣；接著將試樣放入加熱爐進行加熱，隨后又將兩半錐模放入另一個加熱爐中進行加熱；
[0020]第2步，將擠壓后的試樣小頭朝上進行鐓粗，獲得圓柱試樣；記錄好圓柱試樣變形大小方向，之后放入加熱爐加熱；
[0021]第3步，從加熱爐中取出試樣，并將第I步中變形量小的一端先置入擠壓模的組合下模模腔中，重復(fù)第I步的動作進行擠壓；
[0022]第4步，重復(fù)第2步的動作，將擠壓后的試樣鐓粗成圓柱體，此步完成后實現(xiàn)了 I個變形循環(huán)；
[0023]重復(fù)步驟I?4進行若干個變形循環(huán)。
[0024]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是:
[0025]1、擠壓時材料不會沿上模和下模之間的縫隙流動，不產(chǎn)生毛邊，提高材料利用率。
[0026]2、擠壓后易于模料分離，操作簡便；
[0027]3、熱擠壓時僅需對錐模進行加熱，提高了模具的強度，降低了模具的成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為將材料從圓柱體擠壓變形成連續(xù)變斷面試樣的示意圖；
[0029]圖2為將連續(xù)變斷面試樣鐓粗成圓柱體的示意圖；
[0030]圖3為圖1中錐模的放大示意圖。

【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0032]請參閱圖1至圖3所示，本發(fā)明一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具為擠壓模具時，包括上模I和組合下模；組合下模是由分成兩半的錐模2和與之相配合的模套3組成。錐模2設(shè)置于模套3的倒圓臺形錐孔30中，并與模套3錐面配合。在加熱時僅對錐模2進行加熱，模套3不加熱，提高了模具的強度和壽命，降低了模具成本。
[0033]錐模2沿軸線設(shè)有模腔，模腔上部設(shè)計成第一圓柱孔21，中部為倒圓臺孔22，下部為第二圓柱孔23 ;第一圓柱孔21的直徑等于倒圓臺孔22大端的直徑，第二圓柱孔23的直徑等于倒圓臺孔22小端的直徑；使圓柱體試樣4整個放入模具后，全部位于第一圓柱孔21內(nèi)，擠壓時試樣4不會沿上下模之間的縫隙流動，不產(chǎn)生毛邊，提高材料利用率。
[0034]錐模2沿軸線分為兩半，在將圓柱體試樣4擠壓成形為連續(xù)變斷面試樣后，采用頂出桿6將錐模2頂出后分開取出試樣4，易于模料分離。錐模2的下部第二圓柱孔23是為解決當(dāng)采用頂桿6將錐模2頂出但未能使模料分離時，采用小頂桿頂入下部第二圓柱孔23內(nèi)將料取出。
[0035]組合下模設(shè)置于工作臺7上，工作臺上設(shè)有通孔，該通孔中設(shè)有頂出桿6，頂出桿6的上表面與工作臺7的頂面平齊；頂出桿6與錐模2同軸設(shè)置，頂出桿6的直徑小于錐模2下端的直徑，大于第二圓柱孔23的直徑，能夠在脫模時將錐模2從模套3中頂出。
[0036]上模I和組合下模之間設(shè)有一對相互配合的凸臺和凹槽，擠壓時，便于上模和組合下模對中，而上模對試料和擠壓桿有導(dǎo)向作用，保證擠壓過程的順利進行。
[0037]本發(fā)明一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，節(jié)約模料分離時間和坯料的加熱時間，提高材料細化效率和細化效果。
[0038]鐓粗模具包括上模11和下模12，擠壓桿14。擠壓模上模I的模腔和鐓粗模的上模11的模腔均為直徑一致的通孔，擠壓模下模12的錐模模腔為兩端是直線的圓柱段，中間為倒圓臺孔段。
[0039]本發(fā)明一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具的操作方法，包括以下步驟:
[0040]第I步(參見圖1)，首先將擠壓模的錐模2和試樣4分別進行加熱，滿足所要求的溫度和時間后，將錐模2和模套3組合在一起，隨后將圓柱試樣4從加熱爐內(nèi)取出放入組合下模模腔的上部圓柱段中，之后將其放在工作臺7上，并使錐模2的下端與工作臺7上的頂出桿6對齊；接著將擠壓上模I與組合下模進行配合，然后放入擠壓桿5。擠壓桿下行加壓對預(yù)先放置于組合下模模腔中的圓柱體試樣4進行擠壓，在壓力的作用下，材料進入錐模2的倒圓臺孔22成形為具有錐度的連續(xù)變斷面試樣，擠壓變形結(jié)束。接著先取掉擠壓桿4，再移走上模I，隨后使頂出桿6上行，在壓力的作用下將錐模2和試樣4頂出，隨著頂出行程的增加，錐模分成兩半，取出試樣4，得到連續(xù)變斷面試樣13。接著將連續(xù)變斷面試樣進行加熱，接著又將兩半錐模2放入另一個加熱爐中進行加熱。
[0041]第2步(參見圖2)，將鐓粗上模11和鐓粗下模12進行組裝，放置于鐓粗工作臺15上，接著將第I步加熱后的連續(xù)變斷面試樣的小頭朝上，放入組裝的鐓粗模具模腔，之后放入鐓粗?jǐn)D壓桿14，鐓粗?jǐn)D壓桿14下行加壓對預(yù)先放置于鐓粗模模腔中的連續(xù)變斷面試樣13進行擠壓，在壓力的作用下，連續(xù)變斷面試樣被變形為圓柱體試樣。接著用擠壓桿14將圓柱體試樣從下模12中頂出，記錄好圓柱試樣變形大小方向，之后放入加熱爐加熱，最后移走繳粗豐吳。
[0042]第3步，從加熱爐中取出試樣，并將第I步中變形量小的一端先置入擠壓模的組合下模模腔中，重復(fù)第I步的動作進行擠壓；
[0043]第4步，重復(fù)第2步的動作，將擠壓后的試樣鐓粗成圓柱體，此步完成后實現(xiàn)了 I個變形循環(huán)；
[0044]重復(fù)步驟I?4進行若干個變形循環(huán)，就可以使材料獲得大的塑性變形，制備出塊體細晶材料的坯料，再進行深加工，制成所需要形狀和尺寸的零部件。
[0045]模具尺寸和材料形狀尺寸的設(shè)計原則
[0046]首先根據(jù)需要確定連續(xù)變斷面試樣尺寸，這主要依據(jù)材料的塑性而定。材料在熱變形時，連續(xù)變斷面試樣的高度相對取得大一些，以提高材料的細化效率和細化效果。
[0047]擠壓模組合下模模腔從直線段下端面開始朝下與連續(xù)變斷面試樣尺寸一致，且錐度仍然要向下延伸，即錐模的錐度部分高度要高于連續(xù)變斷面試樣的高度。擠壓模上模大的?？變?nèi)徑與連續(xù)變斷面試樣下底直徑一致。根據(jù)體積相等，就可以由連續(xù)變斷面試樣的體積計算出圓柱體的高度。這樣擠壓模的組合下模的錐模2的直線段高度就可確定(比圓柱體試樣高5_左右，以對擠壓桿5起到導(dǎo)向作用和保護作用)。上模?？椎某叽缗c圓柱體試樣直徑相同，高度設(shè)計為30mm左右(擠壓上模只是對擠壓桿起到一個導(dǎo)向作用，不承受力)。為了避免摩擦，擠壓桿的直徑比上模的?？變?nèi)徑小0.5mm，頂出桿直徑比錐模下底面(直徑較小的一端)直徑小4_。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，其特征在于，包括上模(I)、組合下模和工作臺；組合下模是由分成兩半的錐模⑵和與之相配合的模套⑶組成；錐模⑵設(shè)置于模套(3)的倒圓臺形錐孔(30)中，并與模套(3)錐面配合； 錐模(2)沿軸線設(shè)有模腔，模腔上部設(shè)計成第一圓柱孔(21)，中部為倒圓臺孔(22)，下部為第二圓柱孔(23);第一圓柱孔(21)的直徑等于倒圓臺孔(22)大端的直徑，第二圓柱孔(23)的直徑等于倒圓臺孔(22)小端的直徑； 組合下模設(shè)置在工作臺上，上模(I)設(shè)置于組合下模上端；上模(I)中心設(shè)有導(dǎo)向孔，擠壓桿(5)穿過所述導(dǎo)向孔伸入所述第一圓柱孔(21)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，其特征在于，錐模(2)沿軸線分為兩半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，其特征在于，工作臺上設(shè)有通孔，該通孔中設(shè)有頂出桿￠)，頂出桿￠)的上表面與工作臺的頂面平齊；頂出桿(6)與錐模(2)同軸設(shè)置，頂出桿￠)的直徑小于錐模(2)下端的直徑，大于第二圓柱孔(23)的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，其特征在于，上模(I)和組合下模之間設(shè)有一對相互配合的凸臺和凹槽，該對凸臺和凹槽在擠壓時，便于上模(I)和組合下模(2)對中，而上模(I)對試樣(4)和擠壓桿(5)有導(dǎo)向作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，其特征在于，擠壓時，待擠壓圓柱狀試樣(4)完全位于第一圓柱孔(21)內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，其特征在于，擠壓桿的直徑比上模的導(dǎo)向孔的內(nèi)徑小0.5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具，其特征在于，頂出桿直徑比錐模下底面直徑小4mm。
8.權(quán)利要求1所述連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓用復(fù)合模具的操作方法，其特征在于，包括以下步驟: 第I步，首先將擠壓模的錐模(2)和圓柱試樣(4)分別進行加熱，然后將錐模(2)和模套(3)組合在一起，隨后將圓柱試樣(4)從加熱爐內(nèi)取出放入組合下模模腔的第一圓柱孔(21)中，之后將其放在工作臺上，并使錐模(2)的下端與工作臺上的頂出桿(6)對齊；接著將擠壓上模(I)與組合下模進行配合，然后放入擠壓桿(5);擠壓桿下行加壓對預(yù)先放置于組合下模模腔中的圓柱試樣(4)進行擠壓，在壓力的作用下，材料進入組合錐模(2)的倒圓臺孔(22)成形為具有錐度的連續(xù)變斷面試樣，擠壓變形結(jié)束；接著先取掉擠壓桿(5)，再移走上模(I)，隨后使頂出桿(6)上行，在壓力的作用下將錐模(2)和試樣頂出，隨著頂出行程的增加，錐模分成兩半，取出試樣，得到連續(xù)變斷面試樣；接著將連續(xù)變斷面試樣進行加熱，隨后又將兩半錐模(2)放入另一個加熱爐中進行加熱； 第2步，接著將擠壓后的連續(xù)變斷面試樣小頭朝上進行鐓粗，獲得圓柱試樣；記錄好圓柱試樣變形的大小方向，之后放入加熱爐加熱； 第3步，從加熱爐中取出試樣，并將變形量小的一端先置入擠壓模的組合下模模腔中，重復(fù)第I步的動作進行擠壓； 第4步，重復(fù)第2步的動作，將擠壓后的試樣鐓粗成圓柱體，此步完成后實現(xiàn)了 I個變形循環(huán)；重復(fù)步驟I?4進行若干個變形循環(huán)。
【文檔編號】B21C29/04GK104138918SQ201410299685
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】劉瑩瑩, 劉長瑞, 杜忠澤, 王快社 申請人:西安建筑科技大學(xué)