CN101823085B

CN101823085B - 变通道挤压模具及成型方法

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Publication number: CN101823085B
Application number: CN2009100213717A
Authority: CN
Inventors: 李付国; 冀国良
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: CN101823085A

Abstract

一种变通道挤压模具及成型方法，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。本发明具有结构简单、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。

Description

变通道挤压模具及成型方法

一、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及成型方法。

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。锻造工艺不仅能够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，材料内部往往存在缩孔、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和挤压工艺。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。因此，常规的锻件制坯工艺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及成型方法。

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。进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％，长短轴之比为2～2.5；圆形和椭圆形之间光滑过渡；前成型段的长度为1/3～1/4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1/3～1/4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。本发明的成型过程为：

1)下料，根据所成型预制工件的规格及挤压比准备坯料。

2)将坯料加热。加热温度和保温时间根据坯料牌号和规格参照锻造工艺手册确定。

3)预热并润滑模具，预热温度300℃。

4)将坯料水平放置于凹模中，凸模以1～10mm/s的挤压速度挤压坯料；坯料从凹模的进口进入并依次通过凹模的进料段、前成型段、中成型段、后成型段及出料段，使坯料由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面。

5)当坯料完全通过凹模的进料段时，退出凸模；从凹模出口采用拉拔方法使坯料继续通过凹模的前成型段、中成型段、后成型段及出料段变形，最后成型为预制工件。

6)取出预制工件并冷却。

变通道挤压成型方法由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中多种变形模式的组合。刚塑性有限元分析表明变通道挤压成型方法的变形特点是稳态变形，变形后除首、末两端外坯料沿轴向应变分布均匀。变通道挤压成型方法能够获得比传统挤压工艺和自由锻拔长工艺大一倍的变形程度，坯料横截面上应变分布整体均匀，坯料内部较大区域的应变略大于外部应变，其内部应变略大的区域呈椭圆状，极大地改善了坯料内部的应变分布和应力分布，有利于破碎钢材残留铸造组织，改变夹杂物的形态和分布，消除钢材内部组织缺陷。坯料各点的应变在前、中、后成型段急剧加大，在进料段及出料段基本不变。坯料各点在变形过程中承受着较大的静水压应力，从而有利于发挥材料的塑性变形能力。变通道挤压成型方法能够应用于火车主轴、汽车曲轴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，提高锻件的力学性能；也能够应用于钢铁和有色金属的棒材及线材的生产，提高棒材及线材的力学性能。本发明具有模具结构简单，载荷吨位小的特点，有利于降低生产成本，提高生产效率，实现生产自动化。

四、附图说明

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是凹模中成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.中成型段 7.后成型段8.出料段

五、具体实施方式

实施例一

本实施例采用变通道挤压模具挤压成型Aermet100高镍钴二次硬化型超高强度钢的预制工件。成型预制工件的坯料2规格为

100mm×400mm，制备出规格为

80mm×625mm的预制工件。挤压工艺参数分别是挤压速度为10mm/s，变形温度为900～1000℃，坯料2与凹模3之间的摩擦系数为0.2～0.4。

本实施例所采用的变通道挤压模具主要包括凸模1和凹模3。凸模1和凹模3均采用5CrNiMo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500mm；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28.92mm；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7一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。出料段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

80mm×625mm的预制工件。本实施例的成型过程为：

1)下料，坯料2的规格为

100mm×400mm。

2)将坯料2加热至900～1000℃，并保温30分钟。

3)预热并润滑模具，预热温度300℃。

4)将坯料2水平放置于凹模3中，凸模1以10mm/s的挤压速度挤压坯料2，坯料2从凹模3的进口进入并依次通过凹模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，使坯料2由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面。

5)当坯料2完全通过凹模3的进料段4时，退出凸模1；从凹模3出口采用拉拔方法使坯料2继续通过凹模3的前成型段5、中成型段6、后成型段7及出料段8变形，最后成型为

80mm×625mm的预制工件。

6)取出预制工件，并采用堆冷方式冷却。

实施例二

本实施例采用变通道挤压模具挤压成型Aermet100高镍钴二次硬化型超高强度钢的预制工件。成型预制工件的坯料2规格为120mm×450mm，制备出规格为

100mm×648mm的预制工件。挤压工艺参数分别是挤压速度为1mm/s，变形温度为900～1000℃，坯料2与凹模3之间的摩擦系数为0.2～0.4。

本实施例所采用的变通道挤压模具主要包括凸模1和凹模3，凸模1和凹模3均采用5CrMnMo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。

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550mm；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120mm，椭圆形的长轴为78.24mm，短轴为39.12mm；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30°。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7一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7一端的圆形的直径相同。

100mm×648mm的预制工件。本实施例的成型过程为：

1)下料，坯料2的规格为

120mm×450mm。

2)将坯料2加热至900～1000℃，并保温30分钟。

3)预热并润滑模具，预热温度300℃。

4)将坯料2水平放置于凹模3中，凸模1以1mm/s的挤压速度挤压坯料2，坯料2从凹模3的进口进入并依次通过凹模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，使坯料2由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面。

100mm×648mm的预制工件。

6)取出预制工件，并采用堆冷方式冷却。

实施例三

本实施例采用变通道挤压模具挤压成型Ti-6Al-4V钛合金的预制工件。成型预制工件的坯料2规格为110mm×400mm，制备出规格为

85mm×670mm的预制工件。挤压工艺参数分别是挤压速度为5mm/s，变形温度为850～950℃，坯料2与凹模3之间的摩擦系数为0.2～0.4。

本实施例所采用的变通道挤压模具主要包括凸模1和凹模3，凸模1和凹模3均采用5CrNiMo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。

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500mm；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7一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。本实施例的成型过程为：

1)下料，坯料2的为规格

110mm×400mm。

2)将坯料2加热至850～950℃，并保温30分钟。

3)预热并润滑模具，预热温度300℃。

4)将坯料2水平放置于凹模3中，凸模1以5mm/s的挤压速度挤压坯料2，坯料2从凹模3的进口进入并依次通过凹模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，使坯料2由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面。

5)当坯料2完全通过凹模的进料段时，退出凸模1；从凹模3出口采用拉拔方法使坯料继续通过凹模3的前成型段5、中成型段6、后成型段7及出料段8变形，最后成型为85mm×670的预制工件。

6)取出预制工件，并采用炉冷方式冷却。

Claims

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)、后成型段(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。

3.一种如权利要求1所述变通道挤压模具的成型方法，其特征在于，成型过程包括：

a.下料，根据所成型预制工件的规格及挤压比准备坯料(2)；

b.将坯料(2)加热；

c.预热并润滑模具，预热温度300℃；

d.将坯料(2)水平放置于凹模(3)中，凸模(1)以1～10mm/s的挤压速度挤压坯料(2)；坯料(2)从凹模(3)的进口进入并依次通过凹模(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)，使坯料(2)由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面；

e.当坯料(2)完全通过凹模(3)的进料段(4)时，退出凸模(1)；从凹模(3)的出口采用拉拔方法使坯料(2)继续通过凹模(3)的前成型(5)段、中成型段(6)、后成型段(6)及出料段(8)变形，最后成型为预制工件；

f.取出预制工件并冷却。