专利名称：多向复合式循环镦压装置及镦压方法
技术领域：
本发明涉及的是一种塑性成形技术领域的方法，具体是一种多向复合式循环镦压 装置及镦压方法。
背景技术：
大塑性变形技术简称SPD具有显著的细化晶粒能力，可以将材料的晶粒组织细化 到亚微米甚至纳米级，被国际材料学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的 方法。但是，块体材料组织均勻性和工艺的连续性，可控性一直是大塑性变形技术的主要问 题。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利号ZL2007100456^. 3，发明名称制备 大块超细晶材料的镦压模具，该专利采用上、下型腔构成的分型模具，通过利用与上型腔截 面相同的冲头，对位于上型腔内的材料施压，材料在此压力作用下进入下型腔。由于上、下 型腔形状完全相同但成90°夹角，使每道次镦压变形后，经历剧烈剪切变形的材料恢复到 原来形状。冲头退回，打开模具销钉取出材料后，可再次放入上型腔进行第二道次镦压加 工。该技术的特点如下(1)制备的材料晶粒尺寸细小，可达到IOOnm 1μπι;2加工的材 料受到强烈剪切作用，变形量大，且不易发生破裂；3可以制备大块的试样，块体在加工前 后形状相同，可以实现多道反复加工来累计应变量，从而达到细化晶粒的作用。该技术虽然 在材料流动方面已超越等通道角挤达到了 360°周向流动，但由于为达到多道次加工的顺 利进行，必须保证试样在加工前后有相同的尺寸，以至于在下模型腔设计上采用相对于上 模型腔成90°夹角的等体积结构。此结构导致了材料在前后方向的流动实际上没有左右方 向那么充分。从而一方面材料在加工中的变形量大小受到限制，另一方面由于前后方面流 动受限制，剪切塑性成形导致的高密度相互交错的位错程度较低，影响晶粒细化效果。
进一步检索发现，K.B. Nie 等人在《Materials Science and Engineering A)) 材料科学与工程 A 干丨J,2010，527 :7364-7368 上发表的"Multidirectional forging of magnesium matrix composites :Effect on microstructures and tensile properties”(多向锻造对镁基复合材料微观组织和拉伸性能的影响)一文中，介绍了一种 多向锻造加工方式及其成形原理，该方法是利用空气锤锤头垂直方向上的运动对六面体试 样依次在其长、宽和高方向进行锻造加工，通过在三维空间相互垂直的三个方向的锻造，使 材料在变形过程形成显著的晶粒取向各异、变形带和微剪切带相互交错分布的特征。这些 微观组织特征对材料的超细化过程有重大影响，使材料的晶粒细化程度明显优于普通的单 向锻造。但是，用该方法制备变形较困难材料时，通常需要选择加工温度较高，高温加工对 材料的晶粒细化产生不良影响。若选择温度较低，由于材料侧面没有模具的反作用力限制， 加工过程中易于形成侧面弧形，每工步加工后不易恢复到原始形状，从而不便于后续加工， 更有严重者甚至发生材料侧面破裂，导致加工失败。此外，没有类似于等通道角挤的拐角剪 切变形，多向锻造每道次变形量较小，所制备的超细晶材料在组织的均勻性和细化程度方 面依然存在一定的不足。发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多向复合式循环镦压装置及镦压 方法，通过正向镦压和侧向镦压的循环复合镦压变形，实现制备组织均勻的超细晶块体，可 用于制备纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料、半导体材料等多种超细晶材 料。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤
第一步，正向镦压过程将方形截面棒材坯料预置于正向镦压装置的正向上模型 腔内，利用正向冲头施加20 300t的压力，使坯料向下发生压缩塑性变形，并最终填充满 正向下模型腔；
所述的坯料在放入正向上模型腔前进行200 500°C的预热并保温，同时坯料在 整个正向镦压过程中维持温度不变。
所述的正向镦压装置包括正向上模、正向下模和正向冲头，其中上下设置的正 向上模和正向下模相接触，正向冲头截面尺寸与正向上模型腔截面配合；
所述的正向上模的中部轴心处自上而下设置有正向上模型腔，该正向上模型腔贯 穿整个正向上模构成一个自上而下的通孔；所述的正向下模的顶部轴心处设置有方形截面 的正向下模型腔，该正向下模型腔的高度等于上模型腔的截面边长。
所述的坯料的形状在正向镦压变形前后中从正向上模型腔的方形截面棒状变成 了正向下模型腔的块状。变形过程中坯料自下而上进入正向下模型腔，在其水平四周360° 方向发生充分的塑性变形。坯料变形前后体积不变，但形状发生从棒状到块状的剧烈变化。 坯料在水平四个轴的方向上变形程度均勻，材料流动方向呈从中心向四周的发散状。
第二步，打开正向镦压装置，取出的坯料并以侧面向下放置入侧向镦压装置的侧 向上模型腔内，利用侧向冲头施加20 300t的压力，使试样在侧向下模中朝着侧面开口处 发生侧向镦压变形，当侧向冲头压至侧向镦压装置分型面处时停止施压。
所述的侧向镦压装置包括侧向上模、侧向下模和侧向冲头，其中上下设置的侧 向上模和侧向下模相接触，侧向冲头截面尺寸与侧向上模型腔截面配合；
所述的侧向上模的中部轴心处自上而下设有侧向上模型腔，该侧向上模型腔的长 和宽分别等于侧向下模型腔的边长和高；所述的侧向下模的顶部设有侧向开口的侧向下模 型腔，该侧向下模型腔的宽度和深度都与侧向上模的宽度相等。
所述的块状坯料的形状通过侧向镦压变形从块状恢复到正向镦压前的棒状。变形 过程中坯料发生了一个朝着侧向下模侧面开口方向的非等通道的转角挤压变形，坯料沿此 方向发生转角剪切挤压变形。结合正向镦压变形构成的循环镦压体系，使得坯料可以实现 三维空间6个方向均发生较为充分的塑性变形。
第三步，重复第一步至第二步操作若干次实现多向复合式镦压循环进行。
所述的若干次侧向镦压加工可以通过转动坯料，实现坯料的4个侧面方向均得到 侧向镦压变形。
本发明包括以下技术效果
1.本发明专利采用镦压变形方式，加工过程中棒材只有端部进入下模型腔部分发 生剪切变形，其他部分位于上模型腔内并受到模具型腔壁反作用力保护，不易像锻造变形那样发生破裂，因此可以选择的变形温度相对较低，对晶粒细化有积极影响。
2.本发明专利采用的正向镦压工步，实现了坯料在加工过程既受到镦粗变形也受 到与等通道角挤类似的剪切变形，坯料的材料在360°周向的充分流动，与等通道角挤甚至 传统镦压相比，流动更充分且变形量更大，从而加工后的材料获得了更细小均勻的微观组幺口 /Ν ο
3.本发明专利采用的侧向镦压工步，除了具有正向镦压的优点外，该工步的侧向 塑性变形还有利于材料形成相互交错高密度位错墙，以较低应变即可产生大量具有高密度 位错亚晶，晶粒内部易形成取向各异，相互交错的变形带和微剪切带，随着应变的累积，这 些亚晶逐渐发生等轴化且位向差增大，最终提高组织的超细化程度。
4.本发明专利巧妙的将正向镦压与侧向镦压两种形式配合，解决了传统镦压变 形，加工前后材料尺寸需要一致，因此难以实现对棒状坯料进行加工的限制，突破性的实现 了棒材和块体材料之间循环加工，从而可以利用该加工方式得到棒材试样，提高了生产的 灵活性，扩大了应用范围。
5.设备轻巧，投资少，易于拆装，安全系数较高。
6.模具结构简单，模具型腔形状可根据材料的性能和生产需要进行调整，模具加 热方便，易于控制加工温度，调整工艺参数。
图1为实施例镦压装置结构示意图。
图2为图1中所标截面A和B的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
如图1所示，以下实施例涉及的镦压装置包括正向镦压装置1和侧向镦压装置 2，其中
所述的正向镦压装置1包括正向上模3、正向下模4和正向冲头5，其中上下设 置的正向上模3和正向下模4相接触，正向冲头5截面尺寸与正向上模型腔6截面配合；
所述的正向上模3的中部轴心处自上而下设置有正向上模型腔6，该正向上模型 腔6贯穿整个正向上模3构成一个自上而下的通孔；所述的正向下模4的顶部轴心处设置 有方形截面的正向下模型腔7，该正向下模型腔7的高度等于正向上模型腔6的截面边长。
所述的侧向镦压装置2包括侧向上模8、侧向下模9和侧向冲头10，其中上下设 置的侧向上模8和侧向下模9相接触，侧向冲头10截面尺寸与正向上模型腔6截面配合；
所述的侧向上模8的中部轴心处自上而下设有侧向上模型腔11，该侧向上模型腔 11的长和宽分别等于侧向下模型腔12的边长和高；所述的侧向下模9的顶部设有侧向开 口的侧向下模型腔12，该侧向下模型腔12的宽度和深度都与侧向上模8的宽度相等。
所述的正向镦压过程如图2(a)所示，将方形截面棒材坯料13预置于正向镦压装 置的正向上模型腔6内，利用正向冲头5向下施加20 300t的压力，使坯料向下发生压缩塑性变形，并最终填充满正向下模型腔7 ；
所述的坯料13在放入正向上模型腔6前进行200 500°C的预热并保温，同时坯 料在整个正向镦压过程中维持温度不变。
所述的正向镦压装置1包括正向上模3、正向下模4和正向冲头5，其中上下设 置的正向上模和正向下模相接触，正向冲头截面尺寸与正向上模型腔6截面配合；
所述的正向上模的中部轴心处自上而下设置有正向上模型腔6，该正向上模型腔 贯穿整个正向上模构成一个自上而下的通孔；所述的正向下模4的顶部轴心处设置有方形 截面的正向下模型腔7，该正向下模型腔的高度等于上模型腔的截面边长。
所述的坯料13的形状在正向镦压变形前后中从正向上模型腔6的方形截面棒状 变成了正向下模型腔7的块状。变形过程中坯料自下而上进入正向下模型腔，在其水平四 周360°方向发生充分的塑性变形。坯料变形前后体积不变，但形状发生从棒状到块状的剧 烈变化。坯料在水平四个轴的方向上变形程度均勻，材料流动方向呈从中心向四周的发散 状。
所述的侧向镦压过程如图2(b)所示，打开正向镦压装置1，取出的块状坯料13 并以其侧面向下放入侧向镦压装置2的侧向上模型腔11内，利用侧向冲头10施加20 300t的压力，使试样在侧向下模6中朝着侧向下模型腔12侧面开口处发生侧向镦压变形， 当侧向冲头压至侧向镦压装置分型面处时停止施压。
所述的侧向镦压装置2包括侧向上模8、侧向下模9和侧向冲头10，其中上下设 置的侧向上模和侧向下模相接触，侧向冲头截面尺寸与侧向上模型腔11截面配合；
所述的侧向上模的中部轴心处自上而下设有侧向上模型腔11，该侧向上模型腔的 长和宽分别等于侧向下模型腔12的边长和高；所述的侧向下模的顶部设有侧向开口的侧 向下模型腔，该侧向下模型腔的宽度和深度都与侧向上模的宽度相等。
所述的块状坯料13的形状在侧向镦压变形前后从块状恢复到正向镦压前的棒 状。变形过程中坯料发生了一个朝着侧向下模顶部侧面开口方向的非等通道的转角挤压变 形，坯料沿着此方向发生转角剪切挤压变形，结合正向镦压变形构成的循环镦压体系，使得 坯料可以实现三维空间6个方向均发生较为充分的塑性变形。
重复交替进行正向和侧向镦压加工操作若干次实现多向复合式镦压循环进行。
所述的若干次侧向镦压加工可以通过转动坯料13，实现坯料的4个侧面方向均得 到侧向镦压变形。
将截面为边长20mm的正方形，长度为500mm的镁合金棒材坯料13放入正向镦压 上模型腔6内，并用正向冲头5顶住坯料尾部。把坯料与模具一起加热到390 400°C，保 温20 30分钟，用正向冲头以2mm/s的速度沿着图中竖直向下的方向，对坯料进行正向镦 压加工，所述的压力为50t。镦压速度保持不变，当冲头4行至正向上、下模型腔6、7的分型 面处时停止加压，完成正向镦压工步加工。打开正向镦压模具1取出块状坯料13，将之放入 侧向镦压上模8内，进行侧向镦压加工。与此同时，可对正向镦压模具型腔进行清理，并涂 上下次加工所需润滑剂。
侧向镦压工步操作与正向镦压类似，将正向镦压制备的块体材料13尺寸为 IOOmmX IOOmmX 20mm侧面向下，放入侧向镦压模具侧向上模型腔11中，用侧向冲头10顶住 坯料13尾部。用侧向冲头下行加压对坯料进行镦压加工，所述的压力为50t，镦压速度保持2mm/s不变。试样在此压力作用下，沿着侧向下模型腔12的侧向开口方向，块状坯料发生非 等通道转角挤压剪切变形，最终了变回初始的棒状，完成侧向镦压工步变形。以此类推，将 上述正向镦压和侧向镦压工步反复交替进行，即可实现坯料的多向复合式循环镦压加工。
完成指定道次的加工后，根据需要选择在正向或侧向镦压工步完成后停止加工， 得到块体或棒材试样。退出冲头，使模具在空气中冷却。彻底清理模具，涂上模具护理剂， 完成加工。
权利要求
1.一种多向复合式循环镦压装置，包括正向镦压装置和侧向镦压装置，其特征在于 正向镦压装置包括正向上模、正向下模和正向冲头，其中上下设置的正向上模和正向下 模相接触，正向冲头截面尺寸与正向上模型腔截面配合；侧向镦压装置包括侧向上模、侧 向下模和侧向冲头，其中上下设置的侧向上模和侧向下模相接触，侧向冲头截面尺寸与侧 向上模型腔截面配合。
2.根据权利要求1所述的多向复合式循环镦压装置，其特征是，所述的正向上模的中 部轴心处自上而下设置有正向上模型腔，该正向上模型腔贯穿整个正向上模构成一个自上 而下的通孔。
3.根据权利要求1所述的多向复合式循环镦压装置，其特征是，所述的正向下模的顶 部轴心处设置有方形截面的正向下模型腔，该正向下模型腔的高度等于上模型腔的截面边长。
4.根据权利要求1所述的多向复合式循环镦压装置，其特征是，所述的侧向上模的中 部轴心处自上而下设有侧向上模型腔，该侧向上模型腔的长和宽分别等于侧向下模型腔的 边长和高。
5.根据权利要求1所述的多向复合式循环镦压装置，其特征是，所述的侧向下模的顶 部设有侧向开口的侧向下模型腔，该侧向下模型腔的宽度和深度都与侧向上模的宽度相寸。
6.一种根据上述任一权利要求所述装置的镦压方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步，正向镦压过程将方形截面棒材坯料预置于正向镦压装置的正向上模型腔内，利用正向冲头施加20 300t的压力，使坯料向下发生压缩塑性变形，并最终填充满正向下 模型腔；第二步，打开正向镦压装置，取出的坯料并以侧面向下放置入侧向镦压装置的侧向上 模型腔内，利用侧向冲头施加20 300t的压力，使试样在侧向下模中朝着侧面开口处发生 侧向镦压变形，当侧向冲头压至侧向镦压装置分型面处时停止施压；第三步，重复第一步至第二步操作若干次实现多向复合式镦压循环进行。
7.根据权利要求6所述的镦压方法，其特征是，所述的坯料在放入正向上模型腔前进 行200 500°C的预热并保温，同时坯料在整个正向镦压过程中维持温度不变。
8.根据权利要求6所述的镦压方法，其特征是，所述的坯料的形状在正向镦压变形前 后中从正向上模型腔的方形截面棒状变成了正向下模型腔的块状，变形过程中坯料自下而 上进入正向下模型腔，在其水平四周360°方向发生充分的塑性变形，坯料变形前后体积不 变，但形状发生从棒状到块状的剧烈变化，坯料在水平四个轴的方向上变形程度均勻，材料 流动方向呈从中心向四周的发散状。
9.根据权利要求6所述的镦压方法，其特征是，所述的块状坯料的形状通过侧向镦压 变形从块状恢复到正向镦压前的棒状，变形过程中坯料发生了 一个朝着侧向下模侧面开口 方向的非等通道的转角挤压变形，坯料沿此方向发生转角剪切挤压变形，结合正向镦压变 形构成的循环镦压体系，使得坯料可以实现三维空间6个方向均发生较为充分的塑性变 形。
10.根据权利要求6所述的镦压方法，其特征是，所述的若干次侧向镦压加工可以通过 转动坯料，实现坯料的4个侧面方向均得到侧向镦压变形。
全文摘要
一种塑性成形技术领域的多向复合式循环镦压装置及其镦压方法，包括正向镦压装置和侧向镦压装置，包括正向镦压过程将方形截面棒材坯料预置于正向镦压装置的正向上模型腔内，使坯料向下发生压缩塑性变形，并最终填充满正向下模型腔；打开正向镦压装置，取出的坯料并以侧面向下放置入侧向镦压装置的侧向上模型腔内，使试样在侧向下模中朝着侧面开口处发生侧向镦压变形，当侧向冲头压至侧向镦压装置分型面处时停止施压；重复上述步操作若干次实现多向复合式镦压循环进行。本发明实现制备组织均匀的超细晶块体，用于制备纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料、半导体材料等多种超细晶材料。
文档编号B21C23/02GK102029299SQ201010595910
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月18日 优先权日2010年12月18日
发明者周浩, 王渠东, 郭炜 申请人:上海交通大学