专利名称：剪切拉拔用模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在利用线材、型材、角材等材料进行拉拔时使用的剪切拉拔 (Shear Drawing)用模具，更详细地讲，是关于这样的新型剪切拉拔用(Shear Drawing)模具，即通过连续进行拉拔使金属组织内的晶粒超微细化，并改善机械性质，且当材料为需要实施球化热处理的碳素钢时，在能进行降低热处理温度以及缩短时间的连续性拉拔的同时，能够进行剪切变形。
背景技术：
本发明属于作为强烈塑性变形(Severe plastic deformation)的一种的 ECAE (Equal Channel Angular Extrusion，等通道转角挤压法，参考资料[1]及[2])的技术领域，进一步进行细分，是关于ECAD (Equal Channel Angular Drawing，等通道转角拉拔法，参考资料[3])。ECAE是一种用同一截面的两个通道(入口和出口)交叉为任意角度的金属模对金属材料进行挤压，向所述金属材料赋予因剪切变形的强烈塑性的工艺，通过该工艺使晶粒微细化、球状化的时间缩短以并使机械特性得到改善(参考资料W])。可是，虽然ECAE是优秀的强烈塑性变形的技术，但由于是一种挤压方式而无法进行连续性的工艺，因此在普及上存在问题。之后公开了能够获得具有类似于ECAE特性的材料并在赋予强烈塑性变形的同时能够进行连续工艺的ECAD。与ECAE相同地，ECAD使用相同的两个具有相同截面积的通道相交叉的装置，但ECAD使用拉拔的方式来代替ECAE的挤压加工材料的方式，并在赋予强烈塑性变形的同时能够进行连续工艺。但是，拉拔加工时加工装置的金属模通道中没有均勻地填充材料，即材料填充情况较差，因此存在加工后，材料的截面积沿长度方向分布不均勻，且拉拔材料时存在发生颈缩现象的问题(参考资料[5])。除所述技术之外公开有适用强烈塑性变形技术并能够进行连续工艺的多种装置以及方法(参考资料[6])，但是适用材料主要是板材(sheet)，并没能对使材料通过等通道转角中的具体方法进行启示，也没能对加工后的板材表面品质及截面的均勻性进行提示。参考资料[1]美国专利 No. 5，400，633.[2]美国专利 No. 5，513，512.[3]U. Chakkingal，A. B. Suriadi，and P. F. Thomson,“ Microstructure Development during Equal Channel Angular Drawing of Al at Room Temperature" , Scripta Materialia, Vol. 39, No. 6,1998,pp.677-684.[4]韩国公开专利公报2002-0093403号[5] J. Alkorta, Μ. Rombouts, J. D. Messemaeker, L. Froyen, J. G. Sevillano, " On the Impossibility of Multi-Pass Equal Channel Angular Drawing " , Scripta Materalia Vol. 47，2002，pp.13-18.
[6]朴宗佑，任次勇，“根据加工的高强度纳米块体材料制造技术"，材料庭院第 16卷第5号，2003年10月pp. 10 四.
发明内容
发明要解决的课题本发明提供进行连续性的拉拔的同时能够进行剪切变形的剪切拉拔用模具。解决课题的方法本发明是一种剪切拉拔用模具，包括材料加工通道，所述材料加工通道使材料通过的同时对该材料进行剪切拉拔加工，其特征在于，从材料移动的方向来看，所述加工通道包括位于前方的入口侧通道及位于后方的出口侧通道；所述入口侧通道和所述出口侧通道以它们的通道中心轴交叉形成角度的方式相
结合；所述加工通道包括使出口侧通道的出口侧截面积比入口侧通道的入口侧截面积更小的截面减少区间，由此使材料至少在出口侧通道的出口部分填满并被抽取。有益效果根据本发明能够实现连续性剪切变形，由于剪切拉拔加工时材料在模具中的填充情况良好，因此剪切拉拔加工后材料截面的长宽比(Aspect ratio)能够在材料的整个长度上得到几乎恒定的大小。由此，可以对材料的晶粒进行超微细化，并能够改善机械性质，并在要实施球化热处理的碳素钢的情况下，能够得到降低热处理温度以及缩短时间的效果。
图1是表示现有的拉拔工艺(a)和本发明的剪切拉拔工艺(b)的概略图。图2是表示本发明的剪切拉拔用模具的截面的截面图。图3表示本发明的实验评价用模具的制作图。图4表示现有的ECAD(a)和利用本发明的剪切拉拔(b)的有限元分析程序的模拟结果。图5是表示现有的ECAD(a)和本发明的剪切拉拔(b)的金属模制作结果的照片。图6是表示实验例2、5及19的剪切拉拔用模具的设计条件的图。图7是表示现有的只进行拉拔的情况和实验例2、5及19的截面有效变形率的图。图8是对在本发明的剪切拉拔的情况(a)和现有的拉拔情况(b)下进行球化后的材料进行观察的微细组织的照片。本发明优选实施方式下面对本发明进行详细的说明。本发明者们为了解决现有强烈塑性变形技术中认为最困难的连续工艺适用问题， 提出了一种剪切拉拔用模具，其以现有的拉拔工艺为基础，同时进行剪切变形和拉拔。本发明如图1(b)所示，如现有的拉拔模具(图1(a))那样，材料发生面积减少的同时被拉拔变形，但是与现有拉拔工艺的不同点，即本发明的特征是，与现有技术的ECAE 类似地具有模具加工通道、即具有入口侧通道和出口侧通道，所述入口侧通道和出口侧通道以它们的通道中心轴交叉成一定角度的方式相结合，因而通过此通道的加工材料被剪切变形。在本发明中所述入口侧通道和出口侧通道的中心轴形成的角定义为交叉角，如此地，将进行拉拔的同时赋予剪切变形的技术定义为剪切拉拔(Shear Drawing)技术。在本发明中，优选所述交叉角为120° -160°。为了提高经过剪切变形的材料的机械性质，优选所述交叉角不超过160°。所述交叉角越小剪切变形量则越增加，由此，晶粒的微细化被提高或加工通道中材料的填充程度下降，从而加工后难以得到截面均勻的材料，因此，优选120°为下限。更优选的交叉角为125° -140°。另外，从材料移动的方向来看所述加工通道包括位于前方的入口侧通道及位于后方的出口侧通道，此外，为了防止加工通道内材料填充情况变差，应包括使出口侧通道的出口侧截面积比入口侧通道的入口侧截面积小的截面积减小区间，由此使材料至少在出口侧通道的出口部分填满并被抽取。所述截面积是指与材料的移动方向相垂直的截面的面积， 其截面的形状不仅可以是圆形，还可以是椭圆、多边形等各种形状。优选地以如下方式形成加工通道因所述截面减少区间而面积减少的加工通道的出口侧通道的出口侧的减面率(RA) [((AI-AO)/Al) *100]为10-60%o所述AO表示加工通道的输出侧截面积，所述AI表示加工通道的输入侧截面积。所述减面率(RA)为10%以上时，对防止材料的颈缩现象有效，减面率越增加则加工通道的材料填充情况越好，因此加工后材料能够具有均勻的截面。但是当减面率超过 60%时，具有因拉拔负荷的增加材料在加工中有可能发生断裂的问题。另外，优选地，所述截面减少区间包括形成在所述加工通道一侧的第一截面减少区间和形成在另一侧的第二截面减少区间。另外，优选地，从与材料的移动方向相垂直的方向来看，所述第一截面减少区间和第二截面减少区间包括互相重叠的重叠区间，在该重叠区间，在加工通道的两侧实现所述加工通道的截面减少。另外，优选地，所述第一截面减少区间和第二截面减少区间中某一截面减少区间为一个以上。另外，优选地，所述第一截面减少区间和第二截面减少区间中某一截面减少区间为一个以上，并且另一个截面减少区间以一定的曲率半径(R)弯曲。另外，优选地，所述的一个以上的一个截面减少区间在所述入口侧通道及出口侧通道中的一侧上形成或在两侧上都形成，而且弯曲的另一个截面减少区间形成在所述入口侧通道及出口侧通道上。优选地，从材料的移动方向来看，所述一个以上的截面减少区间以后方部通道截面比前方部通道截面小的方式倾斜。优选地，所述截面减少区间的倾斜角为5-15°。下面，参照附图对本发明的剪切拉拔用模具进行详细的说明。图2表示本发明剪切拉拔用模具的一实施例的截面。下面，参照图2对本发明的剪切拉拔用模具进行详细的说明。但是不限定于此。如图2所示，在把加工通道L的大小能够以直径表示的情况下，分别将输入侧截面用输入侧直径DI、将输出侧截面用输出侧直径DO表示。如图2所示，本发明的剪切拉拔用模具10包括加工通道L，从材料移动的方向来看，该加工通道L包括位于前方的入口侧通道LI和位于后方的出口侧通道L0。所述入口侧通道LI和出口侧通道LO以各中心轴形成一定的交叉角CA的方式结
口 O本发明的剪切拉拔用模具的加工通道L包括使出口侧通道LO的输出侧直径DO比入口侧通道LI的输入侧直径DI更小的直径减少区间A及B，由此使材料至少在出口侧通道 LO的出口部分填满并被抽取。所述直径减少区间A及B包括形成在加工通道L的一侧的第一直径减少区间A和形成在另一侧的第二直径减少区间B。在图2中图示了只具有一个所述第二直径减少区间B的情况，但是本发明不限定于此，可以形成两个以上第二直径减少区间B。另外，在图2中所述第二直径减少区间B只形成在出口侧通道L0，但本发明不限定于此，可以在入口侧通道LI及出口侧通道LO的某一侧上形成或者在两侧上都形成。从与材料的移动方向相垂直的方向来看，所述第一直径减少区间A和所述第二直径减少区间B包括互相重叠的重叠区间A+B，在该重叠区间A+B，在加工通道L的两侧实现所述加工通道L的直径减少。从材料的移动方向来看，所述第二直径减少区间B以后方部分的通道直径比前方部分的通道直径小的方式倾斜一定角度AP。所述直径减少区间的倾斜角度AP优选为5-15°。所述第一直径减少区间A形成在所述入口侧通道及出口侧通道上，并以一定的曲率半径R弯曲。所述图2中未说明的附图标记RI为开始弯曲部分的入口侧通道的长度，RO为表示所述弯曲部分的出口侧通道的长度。另外，BL为本发明的连接于出口侧通道的轴承(bearing)长度，所述轴承作为材料被剪切拉拔变形后决定其最终直径的区间用于提高尺寸精度。在本发明中适用的材料不仅可以使用需要球化热处理的碳素钢，而且也可以使用 Al，Mg，Cu，等有色金属(又称非铁金属)，在适用本发明的剪切拉拔方法时比一般拉拔工艺增加有效变形量，最大能够增加到两倍，从而能够改善机械性质。
具体实施例方式下面对本发明实施例进行详细说明。但是不能用以下实施例限定本发明。(实施例1)准备与本发明的剪切拉拔用模具形状具有同一通道直径的ECAD模具形状，为了比较材料填充程度，制作有限元分析程序及模具并进行了实验。图3表示为了制作本发明的剪切拉拔用模具的金属模具以及连接装置。在有限元分析程序模拟以及实物装置制作实验中使用的材料为一般低碳钢(C 0. 1重量％)，设定初期直径为10mm、长度为500mm。利用同一通道直径的现有的ECAD模具和图3的本发明的剪切拉拔用模具实施有
6限元分析，比较材料填充程度，将其结果表示在图4中。图4中(a)表示根据现有ECAD模具的结果，(b)表示根据本发明的剪切拉拔用模具的结果。如图4的(a)所示，利用ECAD模具进行拉拔的材料呈现出没有填满于通道而被拉拔的现象。相反地，如图4的(b)所示，可知利用本发明的剪切拉拔用模具并赋予出口侧通道直径减面率为60%、交叉角为125°、进入倾斜角10°时，能够提高材料的填充程度。另外，图5表示利用实际制作的模具并使用所述材料进行拉拔的结果。如图5所示，可知本发明的剪切拉拔用模具(b)与现有ECAD模具(a)相比，材料填充程度更好。如上所述，可知随着赋予本发明的设计因子而提高材料的填充程度，另外，能够赋予适合加工条件和加工材料的最佳的设计因子值。(实施例2)如所述实施例一，为了设计材料填充程度最好的模具，实施了设计因子值最佳化实验。以图2所示的设计图为基础，定义本实施例中的设计因子如下。LI 入口侧通道长度，L0:出口侧通道长度，R 弯曲部分的曲率半径，RI 导入R的入口侧通道长度，R0:结束 R的出口侧通道长度，AP 进入倾斜角度，BL 轴承(bearing)长度，CA 交叉角，DI 输入侧直径，DO 输出侧直径。同时试求出最大有效变形率的设计因子条件。如所述实施例1那样使用了有限元分析程序。并且模拟条件如下，出口侧材料直径为10. 0mm、入口侧材料直径为8. 5mm(减面率观％ )、交叉角为135°、拉拔速度为lOOmm/min、摩擦系数为0. 13、试验材料使用了中碳 (C 0. 45 重量 ％ )。首先，执行了压缩试验，解释流动应力图表后，在有效变形1. 1以上的大变形率下求出有效应力并实施了最终有限元分析。如下述表1，赋予了一定范围的设计因子值。通过有限元分析求出根据各加工设计因子值后的最终材料截面的长/短轴平均直径，即材料填充程度。为求出使材料填充程度最好的设计因子值，选择了按照各自条件计算出的最终材料的直径接近于出口侧通道直径8. 5mm的实验例2、5及19，在图6中示出由选择的所述三个条件而设计的剪切拉拔用模具。表 权利要求
1.一种剪切拉拔用模具，包括材料加工通道，所述材料加工通道使材料通过的同时对该材料进行剪切拉拔加工，其特征在于，从材料移动的方向来看，所述加工通道包括位于前方的入口侧通道及位于后方的出口侧通道；所述入口侧通道和所述出口侧通道以它们的通道中心轴交叉形成角度的方式相结合；所述加工通道包括使出口侧通道的出口侧截面积比入口侧通道的入口侧截面积更小的截面减少区间，由此使材料至少在出口侧通道的出口部分填满并被抽取。
2.根据权利要求1所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，所述入口侧通道和出口侧通道的中心轴形成的交叉角为120° -160°。
3.根据权利要求2所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，通过所述截面减少区间而减少的加工通道出口侧通道出口侧的减面率(RA) [((AI-AO)/Al)*100]为10-60%。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，所述截面减少区间包括第一截面减少区间，其形成在所述加工通道的一侧；第二截面减少区间，其形成在所述加工通道的另一侧。
5.根据权利要求4所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，从与材料的移动方向相垂直的方向来看，所述第一截面减少区间和第二截面减少区间包括互相重叠的重叠区间，在该重叠区间，在加工通道的两侧实现所述加工通道的截面减少。
6.根据权利要求4或5所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，所述第一截面减少区间和第二截面减少区间中某一截面减少区间为一个以上。
7.根据权利要求1-3的任一项所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，截面减少区间被弯曲。
8.根据权利要求4或5所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，所述第一截面减少区间和第二截面减少区间中某一截面减少区间为一个以上，并且另一个截面减少区间被弯曲。
9.根据权利要求8所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，所述一个以上的截面减少区间形成在所述入口侧通道及出口侧通道中的一侧或者在两侧上都形成，而且弯曲的另一个截面减少区间形成在所述入口侧通道及出口侧通道上。
10.根据权利要求9所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，从材料的移动方向来看，所述一个以上的截面减少区间以后方部通道截面积比前方部通道截面更小的方式倾斜。
11.根据权利要求10所述的剪切拉拔用模具，其特征在于，所述一个以上截面减少区间的倾斜角为5-15°。
全文摘要
本发明的目的是提供一种进行连续性的拉拔的同时能够剪切变形的剪切拉拔用模具。本发明提供如下的剪切拉拔用模具，该剪切拉拔用模具包括材料加工通道，所述材料加工通道使材料通过的同时对该材料进行剪切拉拔加工，其特征在于，从材料移动的方向来看，所述加工通道包括位于前方的入口侧通道及位于后方的出口侧通道；所述入口侧通道和出口侧通道以它们的通道中心轴交叉形成角度的方式相结合；所述加工通道包括使出口侧通道的出口侧截面积比入口侧通道的入口侧截面积更小的截面减少区间，由此使材料至少在出口侧通道的出口部分填满并被抽取。根据本发明能够实现连续性剪切变形，由于剪切拉拔加工时材料在模具中的填充情况良好，因此剪切拉拔加工后材料截面的长宽比(Aspect ratio)能够在材料的整个长度上得到几乎恒定的大小。
文档编号B21C3/02GK102264485SQ200980152840
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月10日 优先权日2008年12月26日
发明者孙一宪, 李基澔, 李德洛, 黄重起 申请人:Posco公司