本發(fā)明涉及一種金屬材料改性加工模具，尤其是一種通過使金屬材料先通過擠壓再進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角剪切變形來改變材料組織和性能的加工模具，具體地說是一種推擠式連續(xù)擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形加工模具。

背景技術(shù)：

自20世紀(jì)90年代中期以來，等通道轉(zhuǎn)角擠壓(equalchannelangularpressing，簡稱ecap)技術(shù)受到全球材料界的高度重視，現(xiàn)已發(fā)展成為制備高性能金屬材料的一個(gè)重要方法。ecap技術(shù)對(duì)材料的加工具有剪切力大、剪切應(yīng)變大、能高效細(xì)化材料組織與夾雜物、消除孔洞缺陷的特點(diǎn)，在進(jìn)行ecap擠壓過程中樣品的橫截面積不變，而且加工出來的材料具有強(qiáng)度高、塑性好、成形性能好、疲勞性能好、抗腐蝕性好、超精密切削及陽極氧化表面質(zhì)量高等許多性能，因此可以通過多道次擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的嚴(yán)重塑性變形成功獲得亞微米晶甚至納米晶材料。

迄今為止，ecap技術(shù)對(duì)于有疏松、氣孔等缺陷的材料，其加工出來的效果都不是很好。而擠壓技術(shù)在擠壓材料時(shí)，塑性變形區(qū)內(nèi)變形體單位截面上的應(yīng)力狀態(tài)基本為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，即軸向壓應(yīng)力、周向壓應(yīng)力和徑向壓應(yīng)力，能有效壓合材料疏松、氣孔等缺陷，但是其變形方向單一，剪切應(yīng)變小，材料組織細(xì)化程度較低。

擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形大應(yīng)變技術(shù)是將傳統(tǒng)的擠壓與ecap結(jié)合在一起，即在ecap前增加一道擠壓工序，實(shí)現(xiàn)一套模具一道工序完成擠壓與ecap,材料進(jìn)入模具先擠壓再進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角剪切變形，該技術(shù)集成了擠壓與ecap兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的不足，也可以加工大尺寸材料，并且加大應(yīng)變量和晶粒組織細(xì)化的性能。

因此，要在工業(yè)上推廣應(yīng)用擠壓與ecap集成大應(yīng)變技術(shù)，必須處理好模具強(qiáng)韌性、工件大應(yīng)變變形質(zhì)量(內(nèi)部缺陷、應(yīng)變大小、應(yīng)變均勻性等)、工件連續(xù)量化大應(yīng)變加工生產(chǎn)之間的矛盾，這除了在模具整體要進(jìn)行強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)外，還必須對(duì)模具的工作腔(模芯型腔)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇與優(yōu)化。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)ecap模具無法有效壓合有疏松、氣孔等缺陷的材料的問題，對(duì)進(jìn)一步改善材料性能具有重要意義，到目前為止，尚未有一種利用擠壓與ecap連續(xù)擠壓變形來制備高性能金屬材料的模具可供使用，目前國內(nèi)外也還沒有該項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)報(bào)道，此技術(shù)具有獨(dú)創(chuàng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具在加工材料時(shí)缺乏壓應(yīng)力而難以有效壓合材料疏松、氣孔等缺陷，設(shè)計(jì)一種將傳統(tǒng)的擠壓與ecap結(jié)合在一起，能連續(xù)進(jìn)行擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形的新型擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形集成大應(yīng)變加工模具，以連續(xù)制備出大量晶粒細(xì)化的材料，并有效控制晶體組織，以達(dá)到提高材料性能的目的，并能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供了必需的裝備。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種集成擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形的大應(yīng)變模具，其特征是它包括上模座6、凸模固定板8、凹模套12、導(dǎo)柱3、凸模7、導(dǎo)套2、下模座16、前模芯11和后模芯10以及兩者之間形成的擠壓腔17、等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18和出料腔19，上模座6固定于加載機(jī)械的上工作臺(tái)上，凸模7和導(dǎo)柱3安裝于凸模固定板8內(nèi)，上模座6、凸模固定板8之間用銷釘4定位和內(nèi)六角圓柱頭螺釘5緊固，前模芯11和后模芯10用銷9和13定位后鑲嵌于凹模套12內(nèi)，凸模7的下端插裝在擠壓腔17中，凹模套12和導(dǎo)套2安裝在下模座16上，前模芯11、后模芯10和凹模套12之間為錐度配合，在凹模套12上設(shè)有與出料腔19相通的出料通道，下模座16安裝于加載機(jī)械的下工作臺(tái)上；前模芯11和后模芯10形成的型腔主要由三部分組成：第一部分型腔是擠壓腔17，長度為l1，直徑為φ1，擠壓腔17中能放入長度為l5，直徑為φ1的原材料；第二部分型腔是等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18，在擠壓腔17和等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18之間有一段變徑錐形通道，其上下直徑分別為φ1和φ2，高度為l2；等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18是由兩個(gè)相交的圓柱形等通道組成，直徑均為φ2，兩個(gè)相交的圓柱形等通道長度分別為l3和l4，夾角為120度，內(nèi)外剪切角為θ；第三部分型腔為出料腔19，直徑為φ3。

所述的擠壓腔17與轉(zhuǎn)角剪切腔18變徑的擠壓比擠壓腔17的直徑為φ1，0.6≤l2/φ1≤0.8，40mm≤l5≤45mm為材料長度；等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18的直徑為φ2、剪切的內(nèi)外角θ即連接二個(gè)圓柱段l3、l4均的圓弧段的兩個(gè)端面的夾角為60度、轉(zhuǎn)角剪切腔的夾角即圓柱段l3與l4的軸線交角為120度，通道長度l3、l4與直徑φ2必須保持0.9≦l3/φ2≦1.1，0.9≦l4/φ2≦1.1的關(guān)系，為了減小擠壓過程中的摩擦力，通道尾部出料腔19的直徑φ3保證1.2φ2≦φ3≦1.4φ2。

所述的前模芯11和后模芯10之間形成的工作腔即模芯型腔由擠壓腔17、變徑后的等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18和出料腔19組成。

所述的前模芯11和后模芯10用銷9，13定位后鑲嵌于凹模套12內(nèi)。

所述的前模芯11、后模芯10和凹模套12之間的配合錐角為4～8度。

所述的凹模套12上的出料通道必須與出料腔19連接暢通，錐形通道直徑必須保持在16mm-20mm之間。

所述的上模座6、凸模固定板8之間用銷釘4定位并通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘5緊固成一個(gè)可拆卸的整體結(jié)構(gòu)。

所述的下模座16、凹模套12和導(dǎo)套2通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘1，14和銷釘15緊固。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)模具模芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)過渡斜面的角度，彎道夾角，通道直徑與長度的比例關(guān)系等，調(diào)和了模具強(qiáng)韌性、工件大應(yīng)變變形質(zhì)量大小、均勻性等、低硬度材料工件連續(xù)量化生產(chǎn)之間的矛盾。

模芯采用前模芯和后模芯的對(duì)模形式，解決模具模芯型腔難加工的技術(shù)難題。

模芯鑲嵌于凹模套、凹模套固定于下模座，保證大型模具的強(qiáng)韌性、穩(wěn)定性、可靠性、安全性。

模芯和凹模套之間采用錐度配合錐度為4～8度，提高模芯的可拆卸性。

下模座16和凹模套12用銷釘15定位和內(nèi)六角圓柱頭螺釘14緊固，下模座16安裝于液壓機(jī)工作臺(tái)上。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明在等通道轉(zhuǎn)角剪切變形前增加了一道擠壓工序，實(shí)現(xiàn)了擠壓與ecap連續(xù)加工，解決了現(xiàn)有ecap不能有效壓材料疏松、氣孔等缺陷的問題，解決了理論與實(shí)際結(jié)合的難題。

(2)本發(fā)明通過模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，很好地解決了模具強(qiáng)韌性、工件大應(yīng)變變形質(zhì)量應(yīng)變大小、應(yīng)變均勻性等、工件連續(xù)擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形加工生產(chǎn)之間的矛盾。

(3)本發(fā)明可對(duì)直徑20mm的鋁合金材料實(shí)施擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形加工并碎化其夾雜物壓合材料疏松、氣孔等缺陷，調(diào)控晶體取向，獲得超細(xì)晶組織。

(4)本發(fā)明模具所有零件都可拆卸，模具保養(yǎng)維護(hù)方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形集成大應(yīng)變模芯圖。

圖2是本發(fā)明的擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形大應(yīng)變模具裝配主視圖。

圖3是本發(fā)明的擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形大應(yīng)變模具裝配俯視圖

圖4是本發(fā)明的擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形集成大應(yīng)變仿真結(jié)果圖

圖中：4、9、13、15為定位銷；11為前模芯；12為凹模套；2為導(dǎo)套；1、5、14為內(nèi)六角頭螺釘；16為下模座；6為上模座；7為凸模；3為導(dǎo)柱；8為凸模固定板；10為后模芯；17為擠壓腔；18為等通道轉(zhuǎn)角剪切腔；19為出料腔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1-3所示。

一種集成擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形的大應(yīng)變模具，它包括上模座6、凸模固定板8、凹模套12、導(dǎo)柱3、凸模7、導(dǎo)套2、下模座16、前模芯11和后模芯10以及兩者之間形成的擠壓腔17、等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18和出料腔19，上模座6固定于加載機(jī)械的上工作臺(tái)上，凸模7和導(dǎo)柱3安裝于凸模固定板8內(nèi)，上模座6、凸模固定板8之間用銷釘4定位和內(nèi)六角圓柱頭螺釘5緊固成一個(gè)可拆卸的整體結(jié)構(gòu)，前模芯11和后模芯10用銷9和13定位后鑲嵌于凹模套12內(nèi)，凸模7的下端插裝在擠壓腔17中，凹模套12和導(dǎo)套2安裝在下模座16上，所述的下模座16、凹模套12和導(dǎo)套2通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘1，14和銷釘15緊固。前模芯11、后模芯10和凹模套12之間為錐度配合，配合錐角為4～8度。在凹模套12上設(shè)有與出料腔19相通的錐形出料通道，錐形通道直徑必須保持在16mm-20mm之間。下模座16安裝于加載機(jī)械的下工作臺(tái)上；所述的前模芯11和后模芯10之間形成的工作腔即模芯型腔由擠壓腔17、變徑后的等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18和出料腔19三部分組成：第一部分型腔是擠壓腔17，長度為l1，直徑為φ1，擠壓腔17中能放入長度為l5，直徑為φ1的原材料；第二部分型腔是等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18，在擠壓腔17和等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18之間有一段變徑錐形通道，其上下直徑分別為φ1和φ2，高度為l2；等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18是由兩個(gè)相交的圓柱形等通道組成，直徑均為φ2，兩個(gè)相交的圓柱形等通道長度分別為l3和l4，夾角為120度，內(nèi)外剪切角為θ；第三部分型腔為出料腔19，直徑為φ3。具體而方所述的擠壓腔17與轉(zhuǎn)角剪切腔18變徑的擠壓比可為擠壓腔17的直徑為φ1(如20mm時(shí))，0.6≤l2/φ1≤0.8，40mm≤l5≤45mm為材料長度；等通道轉(zhuǎn)角剪切腔18的直徑為φ2(則為10mm)、剪切的內(nèi)外角θ即連接二個(gè)圓柱段l3、l4均的圓弧段的兩個(gè)端面的夾角為60度、轉(zhuǎn)角剪切腔的夾角即圓柱段l3與l4的軸線交角為120度，通道長度l3、l4與直徑φ2必須保持0.9≦l3/φ2≦1.1，0.9≦l4/φ2≦1.1的關(guān)系，為了減小擠壓過程中的摩擦力，通道尾部出料腔19的直徑φ3保證12mm≦φ3≦14mm。

模具安裝過程為：將凹模套12和導(dǎo)套2固定于下模座16內(nèi)，用銷15和內(nèi)六角頭螺釘1、14進(jìn)行定位和緊固；將前后模芯10、11用銷9、13定位后放入凹模套12內(nèi)；將凸模7和導(dǎo)柱3安裝于凸模固定板8內(nèi)；將上模座6、凸模固定板8用銷釘4定位和內(nèi)六角圓柱頭螺釘5緊固；將以上裝配好的模具的凸模部分和凹模部分合模后，安裝到加載機(jī)械(液壓機(jī)上)。

大應(yīng)變擠壓工作過程為：將工件放入擠壓通道中，工件在加載機(jī)械(液壓機(jī))的壓力作用下，工件一部分經(jīng)過擠壓變形進(jìn)入垂直ecap通道，繼續(xù)擠壓，工件在模芯內(nèi)的相交轉(zhuǎn)角發(fā)生剪切變形；當(dāng)工件上端下行到擠壓通道末端時(shí)，停止加載，反向開動(dòng)加載機(jī)械上行凸模，放入純鋁至擠壓通道中，再次加載，利用純鋁將先前工件推擠出模具；如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形加工。

以下是按照本發(fā)明的方法進(jìn)行擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形加工的仿真實(shí)例，但不僅僅限于這些實(shí)例，對(duì)于不同成分的坯料，只要采用本發(fā)明所述方法，均可達(dá)到本發(fā)明的目的。

實(shí)例1：擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形集成大應(yīng)變模具的擠壓通道直徑為20mm，擠壓比為4:1，通道夾角為120°，l3與φ2為1:1的比例關(guān)系。能順利地將7075鋁合金擠壓加工，且有效應(yīng)變與等效應(yīng)變均正常，材料應(yīng)變效果好，擠壓力約為12t，符合預(yù)期，如圖4。

實(shí)例2：擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形集成大應(yīng)變模具的擠壓通道直徑φ1＝20mm，擠壓比為4:1，通道夾角為120°，l3與φ2為1.2:1的比例關(guān)系，l5＝40mm，l2/φ1＝0.5，l3＝l4，θ＝60°,φ3＝14mm。能順利地將7075鋁合金擠壓加工，有效應(yīng)變與等效應(yīng)變均正常，但擠壓力約為約為25t，且跳動(dòng)較大，材料難以順利擠出。

實(shí)例3：擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形集成大應(yīng)變模具的擠壓通道直徑為20mm，擠壓比為5:1，通道夾角為120°，l3與φ2為1:1的比例關(guān)系,l5＝40mm，l2/φ1＝0.5，l3＝l4，θ＝60°,φ3＝14mm。在擠壓過程中等效應(yīng)變突然變大，擠壓力約為10t，但跳動(dòng)大，達(dá)不到預(yù)期效果。

實(shí)例4：擠壓與等通道轉(zhuǎn)角剪切變形集成大應(yīng)變模具的擠壓通道直徑為20mm，擠壓比為6:1，通道夾角為120°，l3與φ2為1:1的比例關(guān)系,l5＝40mm，l2/φ1＝0.5，l3＝l4，θ＝60°,φ3＝14mm。在擠壓過程中等效應(yīng)變變得非常大，材料難以順利擠出，性能達(dá)不到預(yù)期效果，擠壓力約為12t。

本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。