一种扭挤成形模具及成形方法
【专利摘要】本发明公开了一种扭挤成形模具及成形方法，该模具包括第一半模和第二半模，第一半模和第二半模通过螺栓紧固扣合形成圆柱体，圆柱体内部为挤压模腔，且第一半模和第二半模的分型面贴合平齐；挤压模腔从挤压入口向下依次为引导段，大圆形-正八边形过渡段，正八边形扭转段，正八边形-小圆形扭转过渡段，出口段；本发明具有变形效果好，速度快，效率高的优点，克服了现有工艺变形不均匀、存在变形死角的不足，极大地改善了材料内部的应力应变分布，同时提高了材料综合性能。
【专利说明】一种扭挤成形模具及成形方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种扭挤成形模具及成形方法，具体涉及一种扭挤成形模具及其成形方法，属于金属材料的挤压成形【技术领域】。
【背景技术】
[0002]研宄发现，扭转与挤压相结合成形不仅能够降低材料成形的载荷，还可提高材料变形的均匀性，改善材料的物理性能。为实现传统挤压与扭转变形的相结合，国内外学者也提出了多种实现扭挤成形的方法。最常见的实现方法是通过对挤压杆施加扭矩(KuznechnoShtampovochnoe Proizvod, 1991, 9: 5_6)，但该方法的不足之处是对挤压杆整体性能要求较高。芯模扭转挤压法(Internat1nal Journal of Mechanical Sciences, 2004,46(3): 449-464; Journal of materials processing technology, 2008, 206(1-3):333-344)仅适用于截面为圆形的型材。旋转凹模的金属挤压成形方法通过对凹模施加扭转(材料科学与工艺，2012，20(2): 117-121; ZL200810064386.7)，可有效地避免挤出制品沿横断面方向轴向流线的“切断”，同时又显著降低了成形载荷，提高了设备利用率。研宄表明对模具施加转动可显著改善挤压成形后制品的组织及性能(Materials & Design,2008，29(7): 1316-1329)，但是该方法存在设备要求高的问题。
[0003]如何开发出简单易操作的棒材扭挤新方法，以满足科研和生产需求是材料研宄领域所面临的前沿挑战和发展需求。
【发明内容】
[0004]本发明旨在提供一种用于金属棒材的扭挤成形模具及成形方法，能将其应用于金属材料的挤压成形的科学研宄与工程【技术领域】。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种扭挤成形模具，其特征在于:包括第一半模和第二半模，第一半模和第二半模通过螺栓紧固扣合形成圆柱体，圆柱体内部为挤压模腔，且第一半模和第二半模的分型面贴合平齐；挤压模腔从挤压入口向下依次为引导段，大圆形-正八边形过渡段，正八边形扭转段，正八边形-小圆形扭转过渡段，出口段；
所述引导段为等径通道，截面形状尺寸与挤压棒材的形状尺寸相同，其截面为大圆形，直径为d，引导段的长度为a，a为挤压棒材长度的1.5-2倍；
所述大圆形-正八边形过渡段为等面积变形状的光滑过渡通道，该段模腔的结构从大圆形过渡到正八边形，与上端引导段相接的端面为圆形截面，与下端正八边形扭转段接触的截面为正八边形截面，大圆形-正八边形过渡段的长度为0.2a ;
所述正八边形扭转段的两端面以及该段模腔内的任意横截面均为形状和面积相同的正八边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，从上端面到下端面在竖直方向有0.5 β角度的扭转，正八边形扭转段的长度为0.2a ;
所述正八边形-小圆形扭转过渡段为变形状的光滑过渡通道，该段模腔的结构从横截面为正八边形过渡到小圆形，该段模腔从上端正八边形横截面扭转过渡到下端小圆形横截面，在竖直方向的扭转角度为0.5 β，正八边形-小圆形扭转过渡段的长度为0.2a ;
所述出口段为等径通道，截面形状为小圆形，直径长为0.5d -0.8d，出口段的长度为
0.4a0
[0006]所述β 为 10。~20。。
[0007]一种扭挤成形方法，采用上述的扭挤成形模具来实现扭挤成形，其特征在于:包括以下步骤:
步骤一，准备:对预处理棒材进行退火处理，并清洁棒材外表面和扭挤成形模具的模腔内壁，并在棒材外表面和扭挤模具的模腔内壁上涂抹挤压润滑剂；
步骤二，装配:通过螺栓和螺母紧固扣合第一半模和第二半模，使第一半模和第二半模的接触端面齐平，将棒材放置于挤压模腔的引导段中，挤压冲头的一端连接到挤压装置的装夹固定端，另一端为挤压工作端，与所挤压棒材的挤压端面相接触；
步骤三，挤压成形:开启挤压装置，冲头以l~10mm/s的挤压速度挤压棒材，当冲头的挤压工作端面与模腔引导段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，再开启挤压装置，冲头以10~20mm/s的速度提升，当冲头完全从模具模腔出来时，将下一个预处理棒材放置于挤压模腔的引导段中，开启挤压装置，冲头以l~10mm/s的挤压速度挤压棒材，当冲头的挤压端面与模腔引导段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，再开启挤压装置，冲头以10~20mm/s的速度提升，第二个预处理棒材会将第一个预处理棒材挤出挤压模具模腔，第一个预处理棒材依次经过大圆形-正八边形过渡段，正八边形扭转段，正八边形-小圆形扭转过渡段，出口段的变形，完成第一个棒材的扭挤变形；
步骤四，后续挤压:重复步骤三完成第二、第三……棒材的扭挤变形。
[0008]本发明提出了一种用于棒材的变截面扭挤模具，利用本发明通过挤压装置驱动冲头，使棒材依次经过扭挤模具模腔的引导段、大圆形-正八边形过渡段，正八边形扭转段，正八边形-小圆形扭转过渡段，出口段，棒材截面形状先由大圆形截面变为正八边形截面，再经正八边形截面扭转，然后由正八边形截面变为小圆形截面，最后形成均匀变形的高性能棒材。
[0009]本发明采取的扭挤成形的技术方案，实现了棒材的挤压成形与扭转剪切变形相结合的复合成形方式。挤压棒材受到模腔的限制处于强烈的三向压应力状态，在剪切应力的作用下，材料的内部组织发生扭转剪切应变，扭挤成形能够获得比传统挤压成形更大的变形程度，有利于破碎材料的铸造组织，以及改变夹杂物的形态和分布，消除棒材内部组织缺陷。
[0010]本发明提供的一种用于棒材的扭挤成形模具及成形方法，带来的有益效果:本发明具有变形效果好，速度快，效率高的优点，克服了现有工艺变形不均匀、存在变形死角的不足，极大地改善了材料内部的应力应变分布，同时提高了材料综合性能。该发明设计合理可靠，具有成形方法简单，载荷小，操作简便等优点，有利于降低生产成本，提高生产效率，实现生产自动化。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是扭挤模具的结构示意图； 图2是扭挤模具模腔的结构示意图；
图3是扭挤模具模腔空间变化结构示意图；
图4是AZ31镁合金坯料经扭挤变形前后组织金相图；
图中:1.第一半模，2.第二半模，3.引导段，4.大圆形-正八边形过渡段，5.正八边形扭转段，6.正八边形-小圆形扭转过渡段，7.出口段；I为第一截面，II为第二截面，III为第三截面，IV为第四截面。
【具体实施方式】
[0012]下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0013]实施例:扭挤成形模具及成形方法
图1~3示出了扭挤成形模具的结构，包括第一半模I和第二半模2，第一半模I和第二半模2通过螺栓紧固扣合形成圆柱体，圆柱体内部为挤压模腔，且第一半模I和第二半模2的分型面贴合平齐；挤压模腔从挤压入口向下依次为引导段3，大圆形-正八边形过渡段4，正八边形扭转段5，正八边形-小圆形扭转过渡段6，出口段7 ;
所述引导段3为等径通道，截面形状尺寸与挤压棒材的形状尺寸相同，其截面为大圆形，直径为50 mm，引导段的长度为225 mm;
所述大圆形-正八边形过渡段4为等面积变形状的光滑过渡通道，该段模腔的结构从大圆形过渡到正八边形，与上端引导段相接的端面为圆形截面，与下端正八边形扭转段相接的端面为正八边形截面，大圆形-正八边形过渡段4的长度为45 mm ;
所述正八边形扭转段5的两端面以及该段模腔内的任意横截面都为形状和面积相同的正八边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，从上端面到下端面在竖直方向存在5°角度的扭转，正八边形扭转段5的长度为45 mm ;
所述正八边形-小圆形扭转过渡段6为变形状的光滑过渡通道，该段模腔的结构从横截面为正八边形过渡到小圆形，该段模腔从上端正八边形横截面扭转过渡到下端小圆形横截面，在竖直方向的扭转角度为5°，正八边形-小圆形扭转过渡段6的长度为45 mm;所述出口段7为等径通道，截面形状为小圆形，直径长为30 mm，出口段7的长度为90
mm0
[0014]下面对直径为50 mm和长150 mm的圆柱形AZ31镁合金还料进行扭挤成形试验。
[0015]采用上述扭挤成形模具的成形方法，包括以下步骤:
步骤一，准备:对预处理棒材进行350 °0退火处理，并清洁棒材外表面和扭挤成形模具的模腔内壁，并在棒材外表面和扭挤模具的模腔内壁上涂抹挤压润滑剂MoS2;
步骤二，装配:通过螺栓紧固扣合第一半模和第二半模，使第一半模和第二半模的接触端面齐平，将棒材放置于挤压模腔的引导段中，挤压冲头的一端连接到挤压装置的装夹固定端，另一端为挤压工作端，与所挤压棒材的挤压端面相接触；
步骤三，挤压成形:开启挤压装置，冲头以5 mm/s的挤压速度挤压棒材，当冲头的挤压工作端面与模腔引导段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，再开启挤压装置，冲头以15 mm/s的速度提升，当冲头完全从模具模腔出来时，将下一个预处理棒材放置于挤压模腔的引导段中，开启挤压装置，冲头以5 mm/s的挤压速度挤压棒材，当冲头的挤压端面与模腔引导段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，再开启挤压装置，冲头以15 mm/s的速度提升，第二个预处理棒材会将第一个预处理棒材挤出挤压模具模腔，第一个棒材依次经过大圆形-正八边形过渡段，正八边形扭转段，正八边形-小圆形扭转过渡段，出口段的变形，完成第一个棒材的挤扭变形；
步骤四，后续挤压:重复步骤三完成第二、第三……棒材的扭挤变形。
[0016]图3为扭挤模具模腔空间变化结构示意图；挤压模腔从挤压入口向下依次为引导段3，大圆形-正八边形过渡段4，正八边形扭转段5，正八边形-小圆形扭转过渡段6，出口段7 ;截面变形情况依次为:第一截面I为大圆形，第二截面II为正八边形，第三截面III为扭转后的正八边形，第四截面IV为小圆形。
[0017]图4示出了 AZ31镁合金坯料的扭挤变形前后的金相图，经扭挤变形后，AZ31镁合金坯料从原始平均晶粒为9.87 ym细化至平均晶粒3 ym，由于扭挤变形的强烈剪切作用，看到晶粒被明显拉长和细化。另外，抗拉强度由196 MPa提高到244 MPa，伸长率则由15.4% 上升到 16.5%ο
[0018]本发明的目的在于提出了一种简单易操作的棒材扭挤新方法，以满足科研和生产需求是材料研宄领域所面临的前沿挑战和发展需求。通过更改模具的形状和尺寸，【具体实施方式】不变，满足不同镦粗坯料的成形要求，更多的成形实施例不便胜举。
【权利要求】
1.一种扭挤成形模具，其特征在于:包括第一半模和第二半模，第一半模和第二半模通过螺栓紧固扣合形成圆柱体，圆柱体内部为挤压模腔，且第一半模和第二半模的分型面贴合平齐；挤压模腔从挤压入口向下依次为引导段，大圆形-正八边形过渡段，正八边形扭转段，正八边形-小圆形扭转过渡段，出口段； 所述引导段为等径通道，截面形状尺寸与挤压棒材的形状尺寸相同，其截面为大圆形，直径为d，引导段的长度为a; 所述大圆形-正八边形过渡段为等面积变形状的光滑过渡通道，该段模腔的结构从大圆形过渡到正八边形，与上端引导段相接的端面为圆形截面，与下端正八边形扭转段接触的截面为正八边形截面，大圆形-正八边形过渡段的长度为0.2a ; 所述正八边形扭转段的两端面以及该段模腔内的任意横截面均为形状和面积相同的正八边形截面，该段模腔为光滑过渡通道，从上端面到下端面在竖直方向有0.5 β角度的扭转，正八边形扭转段的长度为0.2a ; 所述正八边形-小圆形扭转过渡段为变形状的光滑过渡通道，该段模腔的结构从横截面为正八边形过渡到小圆形，该段模腔从上端正八边形横截面扭转过渡到下端小圆形横截面，在竖直方向的扭转角度为0.5 β，正八边形-小圆形扭转过渡段的长度为0.2a ; 所述出口段为等径通道，截面形状为小圆形，直径长为0.5d ~0.8d，出口段的长度为0.4a0
2.根据权利要求1所述的扭挤成形模具，其特征在于:所述引导段的长度a为棒材长度的1.5~2倍，所述β为10° ~20°。
3.一种采用权利要求1或2所述的扭挤成形模具的成形方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一，准备:对预处理棒材进行退火处理，并清洁棒材外表面和扭挤成形模具的模腔内壁，并在棒材外表面和扭挤模具的模腔内壁上涂抹挤压润滑剂； 步骤二，装配:通过螺栓和螺母紧固扣合第一半模和第二半模，使第一半模和第二半模的接触端面齐平，将棒材放置于挤压模腔的引导段中，挤压冲头的一端连接到挤压装置的装夹固定端，另一端为挤压工作端，与所挤压棒材的挤压端面相接触； 步骤三，挤压成形:开启挤压装置，冲头以l~10mm/s的挤压速度挤压棒材，当冲头的挤压工作端面与模腔引导段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，再开启挤压装置，冲头以10~20mm/s的速度提升，当冲头完全从模具模腔出来时，将下一个预处理棒材放置于挤压模腔的引导段中，开启挤压装置，冲头以l~10mm/s的挤压速度挤压棒材，当冲头的挤压端面与模腔引导段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，再开启挤压装置，冲头以10~20mm/s的速度提升，第二个预处理棒材会将第一个预处理棒材挤出挤压模具模腔，第一个预处理棒材依次经过大圆形-正八边形过渡段，正八边形扭转段，正八边形-小圆形扭转过渡段，出口段的变形，完成第一个棒材的扭挤变形； 步骤四，后续挤压:重复步骤三完成第二、第三……棒材的扭挤变形。
【文档编号】B21C23/08GK104475475SQ201410701271
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】汪程鹏, 林飞, 池成忠, 曹晓卿 申请人:太原理工大学