一种集成挤压与C方式等通道转角挤压剪切变形的大应变模具的制作方法

本发明涉及一种金属材料的大应变变形加工模具，尤其是一种集成挤压和等通道转角挤压剪切变形改变型材组织结构和性能的加工模具，具体地说是一种基于挤压和等通道转角挤压剪切变形得到对大型材料能连续加工并获得高性能材料的大应变加工模具。

背景技术：

挤压技术是我国目前实现高效大应变加工的技术之一，在我国金属材料制造业已广为应用。这种技术具有连续生产和三向压应力且能有效压合材料疏松，气孔等缺陷的特征，但其存在着剪切应变小且变形方向单一、组织细化程度低、对材料晶体取向的调控能力差等缺点。

等通道转角挤压（equalchannelangularpressing，简称ecap）技术现已发展成为制备高性能金属材料的一个重要方法。ecap工艺具有独特的优点：可以产生大的剪切应变、能产生均匀的变形、能获得不同的组织结构、能高效细化材料组织与夹杂物、消除孔洞缺陷的特点，而且加工出来的材料具有几何形状基本保持不变、塑性好、成形性能好、抗腐蚀性好、疲劳性能好、强度高、超精密切削及阳极氧化表面质量高等许多性能。但是传统的ecap模具是不连续的，且存在工件尺寸小，极大地阻碍了ecap技术的产业化应用，因此，要在工业上推广应用ecap技术，必须处理好在获得较大应变的同时必须进行连续生产。

因此，结合挤压技术和ecap的特性，设计一种结合二者优点、弥补二者缺点的新型大应变模具，即一种集成挤压与等通道转角挤压剪切变形的大应变模具。该模具综合了挤压技术的工件尺寸大、驱动力大、连续生产和有效压合材料疏松、气孔等缺陷的特征和ecap技术的剪切应变大、对晶体取向调控能力大、组织细化程度高的特征，同时由于挤压技术与ecap在剪切应变方向有很大的差异，因此增加了该技术的大应变效果。同时随着ecap加工道次次数的不断增大，被加工试样的累积变形量也会随之不断增大，试样的晶粒也将得到不断细化。材料经ecap-c方式挤压时，由于每两道次产生的变形方向相反，因此经偶数次挤压后，材料的晶粒将变为等轴状，能获得比较均匀的组织结构。综上，集成挤压与c方式等通道转角挤压剪切变形模具能对金属材料实施高效、连续、平稳、低能耗并对晶体取向有强的调控功能的大应变变形加工。经查阅国内外未发现有相同的技术、设备及相关研究，也没有一种可供实际工业生产使用的模具可供使用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的等通道转角挤压加工技术不能连续生产而难以实现工业化生产和获得更大的应变量的问题，设计一种能连续生产，同时获得组织均匀大应变材料的模具，以实现集成挤压和ecap两道次加工大幅度改变材料的组织和提升金属材料的性能并实现工业化生产提供必需的装备。

本发明的技术方案是：

一种集成挤压与c方式等通道转角挤压剪切变形的大应变模具，包括上模座7、凸模固定板9、导向杆5、凸模10、导向套4、前模芯12、后模芯16、凹模套13、垫块14和下模座2。其特征是前模芯12和后模芯16中的型腔由四部分组成，第一部分为一段圆柱长度l1，直径d1；第二部分为锥形变径孔高度l2；第三部分为三段依次相交的圆柱长度分别为l3、l4和l5，直径为d2等通道，三段圆弧相交的内交角为φ；第四部分为便于材料出模的圆柱长度l6，直径d3；另外加工的零件的尺寸长度l7。所说的c方式是指：工件每道次等通道转角加工完成后，在下道次等通道转角加工前，将工件绕轴线转动180°。

所述上模座7固定于加载机械如液压机的上工作台上，凸模10和导向杆5安装于凸模固定板9内。上模座7、导向杆5、凸模10、凸模固定板9之间用销钉8定位和内六角圆柱头螺钉6紧固。前模芯12和后模芯16用销11定位后镶嵌于凹模套13内，凹模套13通过销钉和内六角圆柱头螺钉固定在下模座2上。导向套通过内六角圆柱头螺钉固定在下模座2上。前模芯12、后模芯16和凹模套13之间为锥度配合，下模座2安装于加载机械如液压机的下工作台上。

所述模具模芯型腔的尺寸满足一定的要求，在挤压比小于4时，0.3≤l7/l1≤0.75；0.6≤l2/d1≤0.8；为保留挤压对工件的影响，1.4≤l3/d2≤1.8；为保证ecap一道次顺利完成之后再进行第二道次的挤压，0.6≤l4/d2≤0.8；为了减小挤压时的摩擦力，同时保证二道次的挤压质量，1.2≤l5/d2≤1.8、0.3≤l6/d2≤0.9；为了保证经过挤压变形之后的试样能垂直出模，内交角φ1和φ2，过渡外圆角ψ1和ψ2分别相等，其中内交角φ范围为110°~135°，过渡外圆角ψ范围为30°~60°。

本发明的模具能对金属材料实施高效、连续、平稳、表面平整并对晶体取向有强的调控功能的均匀大应变变形加工。

所述的前模芯12、后模芯16和凹模套13之间为锥面配合，为了保证加工材料时模具的强韧性、稳定性、可靠性和安全性配合锥角为4~8°。

所述的上模座7、凸模固定板9之间通过销钉8定位，并通过内六角圆柱头螺钉6紧固连成一个可以拆卸的整体结构。

所述的导向套4通过内六角圆柱头螺钉3紧固在下模座2上。凹模套通过销钉15定位和内六角圆柱头螺钉1紧固在下模座2上构成一个便于拆卸和维修的结构。

本发明的有益效果是：

（1）本发明综合了挤压技术和等通道转角挤压技术两者的优点，能对金属材料实施高效、连续、平稳、表面平整并对晶体取向有强的调控功能的均匀大应变变形加工。

（2）本发明为工件获得大应变和均匀的组织与性能加工方法提供了一种可工业化连续生产的大型模具，解决了ecap模具不能连续生产的难题。

（3）本发明通过模具模芯型腔结构参数的优化设计，很好地解决了连续化加工工件获得大应变与工件顺利出模，并保证良好的表面质量之间的矛盾，保证的连续生产的进行。

（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是本发明的集成挤压与c方式等通道转角挤压剪切变形大应变模具模芯型腔尺寸标注示意图。

图2是本发明的集成挤压与c方式等通道转角挤压剪切变形大应变模具装配主视图。

图3是图2的俯视结构示意图。

图4是7075al经本发明的模具在deform中仿真加工后的有效应变图。

图5是7075al经本发明的模具在deform中仿真加工后的总应变和挤压时凸模受力图。

图中：1内六角螺钉；2凹模套；3内六角螺钉；4导向套；5导向杆；6内六角螺钉；7上模座；8销钉；9凸模固定板；10凸模；11销钉；12前模芯；13凹模套；14垫块；15销钉；16后模芯。

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c方式等通道转角挤压剪切变形的大应变模具，它包括上模座7、凸模固定板9、导向杆5、凸模10、导向套4、前模芯12、后模芯16、凹模套13、垫块14和下模座2，上模座7固定于加载机械（如液压机）的上工作台上，凸模10和导向杆5安装于凸模固定板9内，所述的上模座7、导向杆5、凸模10、凸模固定板9之间用销钉8定位和内六角圆柱头螺钉6紧固连成一个可以拆卸的整体结构；前模芯12和后模芯16镶嵌于凹模套13内，凹模套13固定在下模座2上；所述的前模芯12、后模芯16和凹模套13之间为锥面配合，为了保证加工材料时模具的强韧性、稳定性、可靠性和安全性配合锥角为4~8°；所述的导向套4通过内六角圆柱头螺钉3紧固在下模座2上。凹模套通过销钉15定位和内六角圆柱头螺钉1紧固在下模座2上构成一个便于拆卸和维修的结构，下模座2安装于加载机械（如液压机）的下工作台上；所述的前模芯12和后模芯16用销11定位后镶嵌于凹模套13内，凹模套13通过销钉和内六角圆柱头螺钉固定在下模座2上，如图2、3所示。所述的前模芯12和后模芯16中的型腔由四部分组成，第一部分为一段长度为l1，直径为d1圆柱；第二部分为一段高度为l2的锥形变径孔，该锥形变径孔的上端直径等于第一部分的直径d1，它的下端直径为第三部分的第一段的圆柱的直径d2；第三部分由三段长度分别为l3、l4和l5，直径均为d2的轴线依次相交的圆柱等通道及二段圆弧连接段组成；第四部分为便于材料出模的长度为l6，直径为d3的圆柱；加工的零件的长度为l7；所述的c方式是指：工件每道次等通道转角加工完成后，在下道次等通道转角加工前，将工件绕轴线转动180°；模具模芯型腔的尺寸满足以下要求，即在挤压比小于等于4时，0.3≤l7/l1≤0.75；0.6≤l2/d1≤0.8；为保留挤压对工件的影响，1.4≤l3/d2≤1.8；为保证ecap一道次顺利完成之后再进行第二道次的挤压，0.6≤l4/d2≤0.8；为了减小挤压时的摩擦力，同时保证二道次的挤压质量，1.2≤l5/d2≤1.8、0.3≤l6/d2≤0.9；为了保证经过挤压变形之后的试样能垂直出模，三段长度分别为l3、l4和l5圆柱的内交角φ1和φ2，及二段圆弧连接段的过渡外圆角ψ1和ψ2分别相等，其中内交角φ1和φ2范围为110°~135°，过渡外圆角ψ1和ψ2的范围为30°~60°，如图1所示。

本发明的模具的安装过程为：将导向套4通过内六角螺钉3固定在下模座2上；将凹模套13用销钉15和内六角螺钉1定位紧固于下模座2内；将垫块14放入凹模套13的内孔中；将前模芯12和后模芯16用销11定位后放入凹模套2内；将凸模10和导向杆5安装于凸模固定板9内，用销钉8定位和内六角螺钉6紧固在上模座上；将以上装配好的模具的凸模部分和凹模部分合模后，安装到加载机械如液压机上。

大应变挤压工作过程为：将工件放入垂直通道（直径d1的圆柱）中，工件在加载机械（如液压机）的压力作用下，经过模芯内的孔径变化处发生挤压变形；然后在等通道转角处继续发生大的应变变形，当工件上端下行到模芯孔径变化处时，停止加载，反向开动加载机械上行凸模，放入后续工件至垂直通道中，再次加载，利用后续工件将先前工件推挤出模具；如此往复，实现连续等通道大应变挤压加工。

以下是按照本发明的模具用deform进行仿真的实例。

实例1：在挤压比等于4时，l7/l1=1；l2/d1=0.5；l3/d2=2（l3/d1=0.9）；l4/d2=0.75；l5/d2=1.9、l6/d2=0.2；内交角φ=110°，过渡外圆角ψ=60°。仿真时的凸模下行速度3mm/s，加工时的初始温度400℃。在此情况下，等效应变vonmises数值异常变大。且工件被挤压一部分后停止移动即工件所受摩擦力和驱动力平衡。因此此参数下的模芯不能对所加工的7075铝合金进行顺利的挤压。

实例2：在挤压比等于4时，l7/l1=0.75；l2/d1=0.5；l3/d2=2（l3/d1=1）；l4/d2=0.75；l5/d2=1.9、l6/d2=0.2；内交角φ=120°，过渡外圆角ψ=60°。仿真时的凸模下行速度3mm/s，加工时的初始温度400℃。此情况下，材料挤压一段时间后停止下移即摩擦力与驱动力相等，工件不能顺利被挤出，因此此参数下的模芯不能对所加工的7075铝合金进行顺利的挤压。

实例3：与实施例2类同，不同之处在于将内交角φ变为135°。仿真时的凸模下行速度3mm/s，加工时的初始温度400℃。此情况下，根据力图看出，在挤压过程中力出现一次跳动，最终挤压顺利结束，与deform仿真中凸模理论下降值为52mm一样。但是等效应变vonmises异常变大，加工零件表面有缺陷，表明模具型腔参数有不合理之处。因此此参数下的模芯同样不能对所加工的7075铝合金进行顺利的挤压。

实例4：在挤压比等于4时，l7/l1=0.75；l2/d1=0.65；l3/d2=1.6（l3/d1=0.8）；l4/d2=0.75；l5/d2=1.5、l6/d2=0.6；内交角φ=120°，过渡外圆角ψ=60°。仿真时的凸模下行速度3mm/s，加工时的初始温度400℃。根据仿真试验所得结果分析可知，冲头受力曲线变化趋势符合实际情况。所加工的7075铝合金应力应变正常，表面质量光滑；见图4和图5。因此在此参数下的模具结构满足要求。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。