专利名称：一种变通道挤压模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的热加工领域，具体是一种变通道挤压模具。
二、 背景技术。
随着现代科学技术的进步，重大装备正在向大型、重载、高功率、高可靠性的方 向发展。作为为重大装备提供主要承力构件的锻造技术在航空、航天、原子能、汽车、 机械等工业部门中起着不可替代的作用。锻造工艺不仅可以获得所需要的形状和尺寸， 而且还能显著地改善材料的强度、塑性和韧性等力学性能。
在重大机械装备中，如火车主轴、汽车曲轴、航空发动机涡轮盘、涡轮叶片等零 件的断裂事故与锻件质量有着很大的关系。零件断裂是一个非常复杂的过程，而材料 的微观组织结构是影响材料断裂的主要因素。在冶金、铸造、锻造等热加工过程中， 材料内部往往存在縮孔、疏松、夹杂、偏析、晶粒粗大等组织缺陷，而断裂裂纹首先 从这些位置形核并长大。因此，通过制坯工艺细化锻件的晶粒，打碎夹杂物，改善钢 材的冶金质量，对提高锻件力学性能至关重要。
常规的锻件制坯工艺有镦拔或挤压工艺。单次镦拔工艺变形程度小，不利于改善 坯料的内部组织，且坯料的外部边缘存在很大的拉应力，在成型过程中常会出现裂纹， 从而造成废品。而常规挤压工艺所需设备吨位高，模具承载复杂；外缘变形程度大， 内部变形程度小，不利于改善坯料的内部组织。
20世纪80年代初期，Segal及其合作者提出了在不改变坯料截面形状的条件下进 行强烈塑性变形的等通道角挤压(Equal Channel Angular Press ECAP)制坯技术， 其原理是通过多次反复剪切变形获得亚微米或纳米级组织。等通道角挤压制坯工艺在 一次挤压后，其剖面的应变分布极不均匀，需经多次改变方式和变换角度挤压，以获 得较大的应变和应变的均匀分布，且挤压过程中变形坯料所承受的应力状态不理想， 剖面的应变分布也难于控制均匀。
三、发明内容
为克服现有技术中存在的或者材料在成型过程中常会出现裂纹，或者所需设备吨 位高、模具承载复杂，或者等通道角挤压中，变形坯料所承受的应力状态不理想，剖 面的应变分布也难于控制均匀的不足，本发明提出了一种变通道挤压模具。本发明所采用变通道挤压模具，主要包括凸模和凹模。凸模为圆柱形， 一端为挤 压设备的装夹固定端，另一端为挤压工作端；凸模工作部位的外形尺寸同坯料的外形 尺寸。
凹模为中空柱形，其外形尺寸须满足挤压的强度要求。凹模的中空部分形成了挤 压模型腔，该挤压模型腔分为五个部分，由坯料入口至坯料出口，依次为进料段、前 成型段、中成型段、后成型段和出料段。迸料段为圆形等径通道，该进料段的长度略 大于坯料的长度；进料段的直径同坯料的直径。前成型段为圆-椭圆过渡通道，即该前 成型段的两端分别为圆形和椭圆形，并且圆形的直径同坯料的直径，椭圆形的面积为 坯料面积的80 85%，长短轴之比约为2 5;圆形和椭圆形之间光滑过渡；前成型段 的长度为l/3 l/4坯料长度。中成型段为等截面的椭圆形通道，其截面的长轴和短轴 均同前成型段的椭圆形端口的截面；中成型段6与后成型段7相邻端的椭圆截面绕凹 模中心线旋转0 45。以增加扭转变形成分；中成型段的长度为1/3 i/4坯料长度。 后成型段为椭圆-圆过渡通道，并且后成型段一端的椭圆形与中成型段的椭圆形相同， 另一端的圆形直径同成型后预制工件的直径；椭圆形和圆形之间光滑过渡；后成型段 的长度为1/3 1/4坯料长度。出料段为等截面圆形通道，其直径与后成型段圆形端口 的直径相同，该出料段的长度为1/2坯料长度。
利用本发明成型预制工件时，通过挤压设备驱动凸模，从而使凸模驱动坯料；使 坯料从凹模进口依次经过凹模的进料段、前成型段、中成型段、后成型段及出料段， 先由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面，最后成型出预制工件。
变通道挤压变形由常规沿坯料轴向截面变化的挤压压縮变形和两次相当于在横截 面上镦拔变形以及扭转变形组成，实现了一次挤压过程多种变形模式的组合，在同样 挤压比的情况下可以获得较大的变形程度，并能极大地改善坯料内部的应变分布，应 力分布和微观组织形态。适合于火车主轴、汽车曲轴、飞机起落架等大型轴类零件以 及高速钢、粉末冶金等难变形材料的锻造制坯，提高其力学性能。模具结构简单，载 荷吨位小，有利于降低生产成本，提高生产效率，实现生产自动化，可广泛应用于钢铁 和有色金属棒材及线材的生产。 四
附图1是变通道挤压模具的结构示意图；附图2是凹模的结构示意图； 附图3是凹模进料段的截面形状示意图； 附图4是凹模前成型段的截面形状示意图； 附图5是凹模定型段的截面形状示意图； 附图6是凹模后成型段的截面形状示意图； 附图7是凹模出料段的截面形状示意图。其中 1.凸模2.坯料3.凹模4.进料段5.前成型段6.定型段7.后成型段8.出料段 五具体实施方式实施例一
本实施例是一种用于成型预制工件的坯料2规格为0100 mmx400 mm、制备出规 格为080 mmx625 mm的预制工件的变通道挤压模具，包括凸模1和凹模3。凸模1 和凹模3均用为5CrMMo钢制成。凸模1为圆柱形， 一端为挤压设备的装夹固定端， 另一端为挤压工作端；凸模1工作部位的外形尺寸同坯料2的外形尺寸。
如图2所示，凹模3为中空方柱形，其外形尺寸须满足挤压的强度要求。凹模3 的中空部分形成了挤压模型腔，该挤压模型腔分为五个部分，由坯料2入口至坯料2 出口，依次为进料段4、前成型段5、中成型段6、后成型段7和出料段8。进料段4 为圆形等径通道，该进料段4的长度略大于坯料2的长度，本实施例中，进料段4的 长度为500 mm;进料段4的直径同坯料2的直径。前成型段5的长度为1/4坯料2长 度；前成型段5的型腔为圆-椭圆过渡通道，即该前成型段5的两端分别为圆形和椭圆 形，椭圆形的面积为坯料面积的80%，长短轴之比为2.5，即圆形的直径为100mm， 椭圆形的长轴为73mm，短轴为28.92 mm;圆形和椭圆形之间光滑过渡。中成型段6 的长度为1/4坯料2长度；中成型段6的型腔为等截面的椭圆形通道，其截面的长轴 和短轴均同前成型段5的椭圆形端口的截面。后成型段7的长度为1/4坯料2长度； 后成型段7的型腔为椭圆-圆过渡通道；该后成型段7 —端的椭圆形与中成型段6的椭 圆形相同，另一端的圆形的直径为80mm;椭圆形和圆形之间光滑过渡。出料S 8的 长度为1/2坯料2长度；出料段8的型腔为等截面的圆形通道，其直径与后成型段7 一端的圆形的直径相同。
利用本实施例成型预制工件时，挤压设备驱动凸模1，并通过凸模1驱动坯料2，使坯料2从凹模3的进口依次经过凹模3的进料段4、前成型段5、中成型段6、后成 型段7及出料段8，先由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面，最终成型 为规格为080 mmx625 mm的预制工件。
实施例二
本实施例是一种用于成型预制工件的坯料2规格为0120 mmx450 mm，制备出规 格为01OOmmx648 mm的预制工件的变通道挤压模具，包括凸模1和凹模3，凸模1 和凹模3均用为5CrMnMo制成。凸模1为圆柱形， 一端为挤压设备的装夹固定端， 另一端为挤压工作端；凸模1工作部位的外形尺寸同坯料2的外形尺寸。
凹模3为中空圆柱形，其外形尺寸须满足挤压的强度要求。凹模3的中空部分形 成了挤压模型腔，该挤压模型腔分为五个部分，由坯料2入口至坯料2出口，依次为 进料段4、前成型段5、中成型段6、后成型段7和出料段8。进料段4为圆形等径通 道，该进料段4的长度略大于坯料2的长度，本实施例中，进料段4的长度为550 mm; 进料段4的直径同坯料2的直径。前成型段5的长度为1/3坯料2长度；型腔为圆-椭 圆过渡通道，即该前成型段5的两端分别为圆形和椭圆形，椭圆形的面积为坯料面积 的85%，长短轴之比为2，、即圆形的直径为120 mm，椭圆形的长轴为78.24 mm，短 轴为39.12 mm;圆形和椭圆形之间光滑过渡。中成型段6的长度为1/3坯料2长度， 型腔为等截面的椭圆形通道，其截面的长轴和短轴均同前成型段5的椭圆形端口的截 面；中成型段6与后成型段7相邻端的椭圆截面绕凹模中心线顺时针旋转3(T 。后成 型段7的长度为1/3坯料2长度，型腔为椭圆-圆过渡通道；该后成型段7 —端的椭圆 形与中成型段6的椭圆形相同，另一端的圆形的直径为100mm;椭圆形和圆形之间光 滑过渡。出料段8的长度为1/2坯料2长度，型腔为等截面的圆形通道，其直径与后 成型段7 —端的圆形的直径相同。
利用本实施例成型预制工件时，挤压设备驱动凸模l，并通过凸模1驱动坯料2， 使坯料2从凹模3的迸口依次经过凹模3的进料段4、前成型段5、中成型段6、后成 型段7及出料段8，先由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面，最终成型 为规格为0100 mmx648 mm的预制工件。实施例三
本实施例是一种用于成型预制工件的坯料2规格为0110 mmx400 mm，制备出规 格为085 mmx670 mm的预制工件的变通道挤压模具，包括凸模1和凹模3，凸模1 和凹模3均用为5CrNiMo制成。凸模1为圆柱形， 一端为挤压设备的装夹固定端，另 一端为挤压工作端；凸模1工作部位的外形尺寸同坯料2的外形尺寸。
凹模3为中空圆柱形，其外形尺寸须满足挤压的强度要求。凹模3的中空部分形 成了挤压模型腔，该挤压模型腔分为五个部分，由坯料2入口至坯料2出口，依次为 进料段4、前成型段5、中成型段6、后成型段7和出料段8。进料段4为圆形等径通 道，该进料段4的长度略大于坯料2的长度，本实施例中，进料段4的长度为500 mm; 进料段4的直径同坯料2的直径。前成型段5的长度为1/3坯料2长度；型腔为圆-椭 圆过渡通道，即该前成型段5的两端分别为圆形和椭圆形，椭圆形的面积为坯料面积 的81%，长短轴之比为2，即圆形的直径为110mm，椭圆形的长轴为70mm，短轴为 35mm;圆形和椭圆形之间光滑过渡。中成型段6的长度为1/3坯料2长度，型腔为等 截面的椭圆形通道，其截面的长轴和短轴均同前成型段5的椭圆形端口的截面，中成 型段6与后成型段7相邻端的椭圆截面绕凹模中心线逆时针旋转45° 。后成型段7的 长度为1/3坯料2长度；型腔为椭圆-圆过渡通道，该后成型段7—端的椭圆形与中成 型段6的椭圆形相同，另一端的圆形的直径为85mm;椭圆形和圆形之间光滑过渡。 出料段8的长度为1/2坯料2长度，型腔为等截面的圆形通道，其直径与后成型段7 一端的圆形的直径相同。
利用本实施例成型预制工件时，挤压设备驱动凸模1，并通过凸模1驱动坯料2， 使坯料2从凹模3的进口依次经过凹模3的进料段4、前成型段5、中成型段6、后成 型段7及出料段8，先由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面，最终成型 为预制工件。
权利要求1.一种变通道挤压模具，主要包括凸模(1)和凹模(3)；凹模(3)为中空柱形，其中空部分形成了挤压模型腔；凸模(1)的一端为挤压设备的装夹固定端，另一端为挤压工作端。其特征在于，凹模(3)的挤压模型腔由坯料(2)的入口至坯料(2)的出口，依次为进料段(4)、前成型段(5)、中成型段(6)、后成型(7)和出料段(8)，进料段(4)为圆形等径通道，直径同坯料(2)的直径；前成型段(5)为圆-椭圆过渡通道，该椭圆形的面积为坯料面积的80～85％，长短轴之比为2～2.5，圆形和椭圆形之间光滑过渡；中成型段(6)为等截面的椭圆形通道，其截面的长轴和短轴均同前成型段的椭圆形端口的截面，中成型段(6)与后成型段(7)相邻端的椭圆截面绕凹模中心线旋转0～45°；后成型段(7)为椭圆-圆过渡通道，该后成型段(7)一端的椭圆形与中成型段(6)的椭圆形相同，另一端的圆形直径同成型后预制工件的直径，椭圆形和圆形之间光滑过渡；出料段(8)为等截面的圆形通道，其直径与后成型段一端的圆形的直径相同。
2.如权利要求1所述变通道挤压模具，其特征在于，进料段(4)的长度略大于坯料 (2)的长度；前成型段(5)的长度为1/3 1/4坯料(2)长度；中成型段(6) 的长度为1/3 1/4坯料(2)长度；后成型段(7)的长度为1/3 1/4坯料(2)长 度；出料段(8)的长度为1/2坯料(2)长度。
专利摘要一种变通道挤压模具，主要包括凸模(1)和凹模(3)。凹模型腔由坯料(2)的进口至出口依次为进料段(4)、前成型段(5)、中成型段(6)、后成型段(7)和出料段(8)。进料段(4)为圆形等径通道，前成型段(5)为圆-椭圆过渡通道，中成型段(6)为等截面的椭圆形通道，后成型段(7)为椭圆-圆过渡通道，出料段(8)为等截面的圆形通道。坯料(2)从凹模(3)的进口进入，受凹模3型腔的约束，由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面，成型为预制工件。本实用新型具有结构简单、载荷小、成本低和效率高的特点，能广泛应用于钢铁和有色金属的棒材及线材生产，以及大型轴类零件、高速钢和粉末冶金等难变形材料的锻造制坯。
文档编号B21C25/08GK201371172SQ20092003209
公开日2009年12月30日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者冀国良, 李付国 申请人:西北工业大学