一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法
阅读：328发布：2024-02-21
专利汇可以提供一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及塑性加工技术领域，具体涉及一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法。该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压 力 机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中。本发明通过合理模具设计，组合挤扭过程与变通道 角 挤压 过程，不仅可以实现挤压与扭转复合 变形 ，还可以实现多方向剪切变形(周向剪切与径向剪切)，利用压缩变形与剪切变形的配合，起到改善材料组织及调控织构的目的，同时增加背压装置使得材料处于三向压 应力 状态，提高材料变形能力，继而完成低塑性难加工材料变形。本发明可以实现棒材和 型材 的变形加工，所制备材料具有细晶或者超细晶组织。，下面是一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法专利的具体信息内容。
1.一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中；背压装置安放在模芯型腔的出口端，坯料放置在模芯型腔中。
2.根据权利要求1所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，模芯型腔自上而下依次为导入段、挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段。
3.根据权利要求2所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，在挤压扭转周向剪切段实现径向压缩的同时，发生周向剪切，在变通道挤压段实现径向压缩与剪切复合变形，材料通过单道次变形，实现3～4的等效塑性变形及1～2剪切变形累积。
4.根据权利要求2所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，模芯型腔的导入段长度为80～100mm，挤压扭转周向剪切段长度为30～60mm，扭转角度为0～90°，整形段长度40～60mm，变通道角挤压径向剪切段通道夹角为90～150°，背压装置施加背压力为0～150MPa。
5.根据权利要求1所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，模芯型腔的出口端通过顶杆作为背压装置施加背压，增加材料所受静水压力，提高工件材料的变形能力。
6.根据权利要求1所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，凹模的模座和模芯分为对称的左侧和右侧两部分，方便加工后试样取出。
7.一种使用权利要求1～6之一所述加工模具的可实现多方向剪切的挤扭复合加工方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)多方向剪切的挤扭复合模具设计，根据材料制备和加工需要，确定模具关键挤压扭转周向剪切段、变通道角挤压径向剪切段的主要变形参数；
(2)整体模具设计，模具整体外形尺寸，主要包括模具高度、长度及宽度；
(3)将步骤(1)和步骤(2)设计完成的模具，根据需要选择是否加入背压及加入背压的大小，同时确定凸模的挤压速度；
(4)利用步骤(3)中装配好的模具，选择压力机进行模具装配，并进行坯料多方向剪切挤压扭转变形加工。
8.根据权利要求7所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工方法，其特征在于，步骤(4)中，首先在型腔内壁均匀涂抹润滑剂，将坯料放进导入段，凸模将坯料推入导入段进行加工，随着凸模的压下，坯料依次通过挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段，最终完成加工。
一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法
技术领域
[0001] 本发明涉及塑性加工技术领域，具体涉及一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法。
背景技术
[0002] 近些年，带有剪切应变的大塑性成形技术成为人们的研究热点和重点。材料经过大塑性变形之后，可以累积较大的等效塑性应变，从而使得材料晶粒发生细化，可以达到超细晶甚至纳米晶；同时，剪切应变有利于材料内部能量累积，可以改善材料的织构分布情况，明显降低其各向异性。常用的大塑性变形技术有：等通道角挤压(Equal Channnel Angular Pressing,ECAP)、高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)、往复挤压(Cyclic Extrusion Compression,CEC)、多向锻造(Multi-Directional Forging,MDF)、挤压剪切(Extrusion Shear,ES)等，但普遍存在成形道次多、模具设备较为复杂、样品尺寸小等缺点，且多为单一的剪切变形或者压缩变形，无法实现大压缩变形与剪切变形同时复合累积。
[0003] 为了克服以上缺点，专利公开号CN103447341A提出等通道挤压模具，可以利用截面形状的变化实现剪切变形，但该方法仅适用于棒材加工，且挤压比较小，无法实现较大等效应变累积效应。专利公开号CN101966536A介绍一种扭转式往复挤压装置，通过型腔的紧缩区实现挤压变形，通过冲头的高速旋转实现工件的扭转变形，但是需要多道次成形实现较大的塑性变形，冲头高速旋转实现较为复杂，不可控因素较多。专利公开号CN102430609A提出一种等通道变截面挤压模具，可以利用截面形状及角度的扭转变化，实现剪切变形，但该方法无法积累较大的塑性应变且需要多道次成形，工序较为复杂。专利公开号CN205732338U介绍一种连续正向挤压和挤扭复合成型装置，该装置通过三级挤压通道实现挤压扭转变形，但是该装置仅用于长方形棒料，无法实现圆形棒料的加工。专利公开号CN104475475A介绍一种扭挤成形模具，该模具通过型腔设计可以单道次实现挤压和扭转变形，但其挤压变形与扭转变形分开进行，其扭转段只发生周向扭转，未存在挤压变形。专利公开号CN103551415A介绍一种金属变截面挤扭成形装置及方法，该方法可以实现在挤压变形的同时发生扭转变形，但其扭转变形仅为周向剪切变形。专利公开号CN103785702A介绍一种涡旋挤压式大塑性变形装置，采用一些带状凸起或者凹槽形成的变形带，通过变形带辅助实现扭转剪切变形，该方法实现挤压扭转复合变形，但其材料利用率较低。专利公开号CN201520075843介绍一种变截面螺旋式挤压模具，通过螺旋通道的设计，使得材料在挤压变形的同时产生周向剪切变形，无法实现径向剪切变形。以上的模具设计及加工方法，可以实现挤压变形与剪切变形同时累积，但其剪切方向多为单一类型剪切(多为周向剪切)，无法实现压缩变形与多方向剪切类型的配合。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法，该方法和模具适用于金属型材和棒材加工，通过挤压扭转模具与变通道角挤压模具组合，可以引入多方向且较大的剪切应变，从而改善材料组织和性能，在该发明中，通过顶杆在坯料加工过程中加入背压力，可以使得材料处于三向压应力状态，提高材料的成形能力，而且通过总体挤压比设计可以实现材料的大塑性变形过程。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中；背压装置安放在模芯型腔的出口端，坯料放置在模芯型腔中。
[0007] 所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，模芯型腔自上而下依次为导入段、挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段。
[0008] 所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，在挤压扭转周向剪切段实现径向压缩的同时，发生周向剪切，在变通道挤压段实现径向压缩与剪切复合变形，材料通过单道次变形，实现3～4的等效塑性变形及1～2剪切变形累积。
[0009] 所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，模芯型腔的导入段长度为80～100mm，挤压扭转周向剪切段长度为30～60mm，扭转角度为0～90°，整形段长度40～60mm，变通道角挤压径向剪切段通道夹角为90～150°，背压装置施加背压力为0～150MPa。
[0010] 所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，模芯型腔的出口端通过顶杆作为背压装置施加背压，增加材料所受静水压力，提高工件材料的变形能力。
[0011] 所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，凹模的模座和模芯分为对称的左侧和右侧两部分，方便加工后试样取出。
[0012] 一种实现多方向剪切的挤扭复合加工方法，具体步骤如下：
[0013] (1)多方向剪切的挤扭复合模具设计，根据材料制备和加工需要，确定模具关键挤压扭转周向剪切段、变通道角挤压径向剪切段的主要变形参数；
[0014] (2)整体模具设计，模具整体外形尺寸，主要包括模具高度、长度及宽度；
[0015] (3)将步骤(1)和步骤(2)设计完成的模具，根据需要选择是否加入背压及加入背压的大小，同时确定凸模的挤压速度；
[0016] (4)利用步骤(3)中装配好的模具，选择压力机进行模具装配，并进行坯料多方向剪切挤压扭转变形加工。
[0017] 所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工方法，步骤(4)中，首先在型腔内壁均匀涂抹润滑剂，将坯料放进导入段，凸模将坯料推入导入段进行加工，随着凸模的压下，坯料依次通过挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段，最终完成加工。
[0018] 本发明的优点及有益效果如下：
[0019] (1)本发明通过模具设计，组合挤压扭转模具与变通道角挤压模具，可以方便在变形区同时实现压缩变形与剪切变形的复合应力状态，且可以实现多方向剪切应变累积。
[0020] (2)本发明通过变形段模具设计，可以实现单道次大塑性变形及大剪切变形累积。
[0021] (3)本发明通过背压装置的加入，提高材料加工过程中所受静水压力，可以实现低塑性材料的加工成形。
[0023] 图1(a)为多方向剪切挤扭复合模具之一示意图，图1(b)为图1(a)中的模芯型腔示意图，1导入段，2挤压段，3挤压扭转周向剪切段，4整形段，5变通道角挤压径向剪切段，6凸模，7模芯，8模座，9加热孔，10测温孔，11背压顶杆。
[0024] 图2(a)为多方向剪切挤扭复合模具之二示意图，图2(b)为图2(a)中的模芯型腔示意图，1导入段，2挤压段，3挤压扭转周向剪切段，4整形段，5变通道角挤压径向剪切段，6凸模，7模芯，8模座，9加热孔，10测温孔，11背压顶杆。
[0025] 图3(a)-图3(i)为棒材加工模具横截面示意图。其中，图3(a)为模芯剖视图，图3(b)为图3(a)的模芯型腔各部分尺寸图，图3(c)为图3(a)的A-A截面图，图3(d)为图3(a)的B-B截面图，图3(e)为图3(a)的C-C截面图，图3(f)为图3(a)的D-D截面图，图3(g)为图3(a)的E-E截面图，图3(h)为图3(a)的F-F截面图，图3(i)为图3(a)的E-E截面到F-F截面纵截面形状变化图。
[0026] 图4(a)-图4(i)为型材加工模具横截面示意图。其中，图4(a)为模芯剖视图，图4(b)为图4(a)的模芯型腔各部分尺寸图，图4(c)为图4(a)的A-A截面图，图4(d)为图4(a)的B-B截面图，图4(e)为图4(a)的C-C截面图，图4(f)为图4(a)的D-D截面图，图4(g)为图4(a)的E-E截面图，图4(h)为图4(a)的F-F截面图，图4(i)为图4(a)的E-E截面到F-F截面纵截面形状变化图。具体实施方式：
[0027] 在具体实施过程中，本发明可实现多方向剪切的挤扭复合加工方法，包括如下步骤：
[0028] (1)变形段模具设计，根据材料制备和加工需要，确定模具关键变形段的主要变形参数，主要为挤压扭转周向剪切段初始截面尺寸及形状、终了截面尺寸及形状、挤压扭转周向剪切段距离、扭转角度及变通道角挤压径向剪切段通道夹角及终了截面尺寸及形状；
[0029] (2)整体模具设计，模具整体外形尺寸设计(主要包括模具高度、长度、宽度设计)；
[0030] (3)根据需要选择是否加入背压及加入背压的大小，将(1)和(2)设计完成的模具，选择合适的压力机进行模具装配；
[0031] (4)利用(3)中装配好的模具进行坯料挤压扭转变形加工，首先在型腔内壁均匀涂抹高温润滑剂，将坯料放进导入段，利用加热棒对坯料进行加热，加热到需要温度后，保温一段时间，使得坯料内部温度达到均匀，凸模将坯料推入导入段进行加工，随着凸模的压下，坯料依次通过挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段，最终完成加工。
[0032] 如图1(a)和图2(a)所示，本发明可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，该模具分为凸模6、凹模及背压装置，凸模6的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯7和模座8两部分，加工坯料的型腔在模芯7中，模芯7上开测温孔10，测温孔10中安放热电偶，测量和控制加工过程中样品的温度；模芯7安装在模座8里，模座8上钻取加热孔9，加热孔9中安放电阻加热棒对样品进行加热及保温；背压装置(背压顶杆11)安放在模芯型腔的出口端，坯料放置在模芯型腔中。
[0033] 其中，模芯型腔自上而下依次为导入段1、挤压段2、挤压扭转周向剪切段3、整形段4、变通道角挤压径向剪切段5，每段之间的连接光滑过渡。在挤压扭转周向剪切段实现径向压缩的同时，发生周向剪切及径向剪切变形，材料通过单道次变形，并累积较大的等效塑性变形及剪切变形，等效塑性变形一般为3～4，剪切变形一般为1～2。模芯型腔的导入段长度为80～100mm，挤压扭转周向剪切段长度为30～60mm，扭转角度为0～90°，整形段长度40～
60mm，变通道角挤压径向剪切段通道夹角为90～150°，背压装置施加背压力为0～150MPa。
模芯型腔的出口端通过顶杆作为背压装置施加背压，增加材料所受静水压力，提高工件材料的成形性。凹模的模座和模芯分为对称的左侧和右侧两部分，方便加工后试样取出。
60mm，变通道角挤压径向剪切段通道夹角为90～150°，背压装置施加背压力为0～150MPa。
模芯型腔的出口端通过顶杆作为背压装置施加背压，增加材料所受静水压力，提高工件材料的成形性。凹模的模座和模芯分为对称的左侧和右侧两部分，方便加工后试样取出。
[0034] 下面，结合实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
[0035] 实施例1：
[0036] 本发明不仅适用于棒材加工，还适用于型材加工。本实施例以棒材加工为例，说明模具设计及材料加工情况。
[0037] 如图1(b)和图3(a)-图3(i)所示，该模芯型腔包括圆形导入段1、圆-椭圆挤压段2、椭圆-椭圆挤压扭转周向剪切段3、椭圆-圆整形段4、圆-圆变通道角挤压径向剪切段5，其中：参见图3(c)，圆形导入段1的型腔横截面为圆形，圆形直径为D，导入段长度为L1；参见图3(d)，圆形-椭圆形挤压段2的型腔横截面分别为圆形到椭圆形的过渡，初始位置圆形直径为D，终止位置椭圆形的长短轴比为m，扭转段长度为L2；参见图3(e)，椭圆-椭圆挤压扭转周向剪切段3的型腔横截面为椭圆形到椭圆形的过渡，初始位置椭圆形的长短轴比为a，终止位置椭圆形的长短轴比为a，扭转角度为 扭转周向剪切段长度为L3；参见图3(f)，椭圆形到圆形整形段4的型腔横截面为椭圆形到圆形的过渡，初始位置椭圆形的长短轴比为a，终止位置圆形直径为d1，整形段长度为L4；参见图3(f)-图3(i)，圆-圆变通道角挤压径向剪切段5的型腔横截面为圆形到圆形的过渡，初始截面圆形直径为d1，终了截面圆形直径为d2，通道夹角为
[0038] 本实施例中，具体操作步骤如下：
[0039] 步骤1：模具参数设计。
[0040] 本实施例中，主要参数设计如下：棒材尺寸为直径30mm，长度不能超过圆形导入段1的长度L1＝80mm；圆-椭圆挤压段2的长度L2＝10mm，其中初始端圆形直径D＝30mm，终了端椭圆形长轴：短轴＝25mm：20mm，该挤压段减小材料的直径为挤压扭转段作准备；椭圆-椭圆挤压扭转周向剪切段3的长度L3＝40mm，其中初始端椭圆形长轴：短轴＝25mm：20mm，终了端椭圆形长轴：短轴＝15mm：12mm，两个椭圆长轴夹角为90°；椭圆-圆整形段4的长度L4＝
10mm，其中初始端椭圆形长轴：短轴＝15mm：12mm，终了端圆形直径d1＝15mm；圆-圆变通道角挤压径向剪切段5的型腔横截面为圆形到圆形的过渡，初始截面圆形直径为d1＝15mm，终了截面圆形直径为d2＝10mm，通道夹角为
10mm，其中初始端椭圆形长轴：短轴＝15mm：12mm，终了端圆形直径d1＝15mm；圆-圆变通道角挤压径向剪切段5的型腔横截面为圆形到圆形的过渡，初始截面圆形直径为d1＝15mm，终了截面圆形直径为d2＝10mm，通道夹角为
[0041] 步骤2：整体模具设计，模具整体外形尺寸设计(主要包括模具高度、长度、宽度设计)。
[0042] 步骤3：根据需求选择背压的大小，此处背压大小为100MPa，其目的在于实现较为强烈的三向压应力状态，提高材料的成形能力；选择合适的压力机进行模具装配，其中包括：压力机的吨位、工作台大小、压力机行程；
[0043] 步骤4：将装配好的模具放在压力机上进行加工，在凸模的推动下，棒材进入凹模型腔的各个阶段，最终形成成品尺寸，该步骤中应该控制压下速率及温度。
[0044] 实施例2：
[0045] 本发明不仅适用于棒材加工，还适用于型材加工。本实施例以型材加工为例，说明模具设计及材料加工情况。
[0046] 如图1(b)和图4(a)-图4(i)所示，该模芯型腔包括方形导入段1、方形-矩形挤压段2、矩形-矩形挤压扭转周向剪切段3、矩形-方形整形段4、矩形-矩形变通道角挤压径向剪切段5，其中：参见图4(c)，方形导入段1的型腔横截面为方形，方形边长为l1，导入段长度为L5；
参见图4(d)，方形-矩形挤压段2的型腔横截面分别为方形到矩形的过渡，初始位置方形边长为l1，终止位置矩形的长短边比为n，扭转段长度为L6；参见图4(e)，矩形-矩形挤压扭转周向剪切段3的型腔横截面为矩形到矩形的过渡，初始位置矩形的长短边比为a，终止位置矩形的长短边比为a，扭转角度为 扭转周向剪切段长度为L7；参见图4(f)，矩形到方形整形段4的型腔横截面为矩形到方形的过渡，初始位置矩形的长短边比为a，终止位置方形边长为l2，整形段长度为L8；参见图4(g)-图4(i)，方形-方形变通道角挤压径向剪切段5的型腔横截面为方形到方形的过渡，初始位置方形的边长为l2，终了位置方形的边长为l3，通道夹角为
参见图4(d)，方形-矩形挤压段2的型腔横截面分别为方形到矩形的过渡，初始位置方形边长为l1，终止位置矩形的长短边比为n，扭转段长度为L6；参见图4(e)，矩形-矩形挤压扭转周向剪切段3的型腔横截面为矩形到矩形的过渡，初始位置矩形的长短边比为a，终止位置矩形的长短边比为a，扭转角度为 扭转周向剪切段长度为L7；参见图4(f)，矩形到方形整形段4的型腔横截面为矩形到方形的过渡，初始位置矩形的长短边比为a，终止位置方形边长为l2，整形段长度为L8；参见图4(g)-图4(i)，方形-方形变通道角挤压径向剪切段5的型腔横截面为方形到方形的过渡，初始位置方形的边长为l2，终了位置方形的边长为l3，通道夹角为
[0047] 本实施例中，具体操作步骤如下：
[0048] 步骤1：模具参数设计。本实施例中主要参数设计如下：型材尺寸为边长l1＝30mm，长度不能超过方形导入段1的长度L5＝80mm；方形-矩形挤压段2的长度L6＝10mm，其中初始端方形边长为30mm，终了端矩形长边：短边＝25mm：20mm，该挤压段减小材料的尺寸为挤压扭转段作准备；矩形-矩形挤压扭转周向剪切段3的长度L7＝40mm，其中初始端矩形长边：短边＝25mm：20mm，终了端矩形长边：短边＝15mm：12mm，两个矩形长轴夹角 为90°；矩形-方形整形段4的长度L8＝10mm，其中初始端矩形长边：短边＝15mm：12mm，终了端方形边长l2＝15mm；方形-方形变通道角挤压径向剪切段5的型腔横截面为方形到方形的过渡，初始位置方形的边长为l2＝15mm，终了位置方形的边长为l3＝10mm，扭转角度为
[0049] 步骤2：整体模具设计，模具整体外形尺寸设计(主要包括模具高度、长度及宽度设计)。
[0050] 步骤3：根据需求选择背压的大小，此处背压大小为100MPa，其目的在于实现较为强烈的三向压应力状态，提高材料的成形能力；选择合适的压力机，其中包括：压力机的吨位、工作台大小、压力机行程；
[0051] 步骤4：将装配好的模具放在压应力上进行加工，在凸模的推动下，型材进入凹模型腔的各个阶段，最终形成成品尺寸，该步骤中应该控制压下速率及温度。
[0052] 实施例结果表明，本发明组合挤扭过程与变通道角挤压过程，合理模芯型腔设计，不仅可以实现挤压与扭转复合变形，还可以实现多方向剪切变形(周向剪切与径向剪切)，利用压缩变形与剪切变形的配合，起到改善材料组织及调控织构的目的，同时增加背压装置(背压顶杆)使得材料处于三向压应力状态，提高材料变形能力，继而完成低塑性难加工材料变形。本发明可以实现棒材和型材的变形加工，所制备材料具有细晶或者超细晶组织。
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