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CN105414233B - 一种带背压反挤压模具及采用该模具的加工工艺 - Google Patents

一种带背压反挤压模具及采用该模具的加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反挤压模具，包括一顶压模、一压边凸模、一底模，顶压模包括压台，固定在压台下部并与压台呈一体结构的中心凸模；压边凸模设在中心凸模外侧并通过弹簧与压台设置到一起；底模中部凹陷形成容纳中心凸模、压边凸模以及工件的工作空间。

Description

一种带背压反挤压模具及采用该模具的加工工艺
技术领域
本发明涉及杯/筒形件反挤压加工技术设备领域，尤其是涉及一种带背压反挤压模具及采用该模具的加工工艺。
背景技术
反挤压作为一种先进少无切削的金属塑性成形工艺，具有高效、优质、低耗、细化晶粒等优点，广泛应用于铝、镁、钛等有色合金及钢铁材料的杯/筒形件或套筒类件成形。由于反挤压材料经历大塑性变形过程且摩擦引起的不均匀变形导致杯/筒形件“抱模”现象和壁部产生裂纹。“抱模”现象引起使杯/筒形件无法脱模，极大降低生产效率和产品质量；壁部裂纹产生导致废品率升高，特别是对镁合金、钛合金、高强铝合金等塑性变形能力低的金属难以反挤压成形获得高质量及性能的杯/筒形件。
发明内容
针对上述杯/筒形件反挤压过程产生抱模和低塑性材料难以反挤压成形的缺点，本发明的目的是提供一种结构简单、制作和维护成本低、能够很好克服抱模现象并提高低塑性材料杯/筒形件反挤压成形能力的带背压反挤压模具及采用该模具的加工工艺。
其技术方案为，一种反挤压模具，包括一顶压模、一压边凸模、一底模，顶压模包括压台，固定在压台下部并与压台呈一体结构的中心凸模；压边凸模设在中心凸模外侧并通过弹簧与压台设置到一起；底模中部凹陷形成容纳中心凸模、压边凸模以及工件的工作空间。
所述压台下部和压边凸模上部分别设有与弹簧配合的凹槽，弹簧两端分别固定在两个凹槽内。
所述压边凸模底面与水平面呈2-5°夹角。
一种采上述反挤压模具制作合金/金属的杯/筒的工艺，所述工艺包括以下步骤：
(1)铸造坯锭，铸造金属/合金圆柱坯锭；
(2)切削坯锭，将坯切削掉锭表皮并将坯锭切削到符合模具要求尺寸；
(3)预热坯锭，将坯锭放进炉子中加热到0.5-0.7Tm，Tm为该坯锭金属或合金的熔点温度；本步骤中，一般并根据炉子仪表保温1-2小时；
(4)润滑模具，在参与挤压作业的中心凸模、底模以及压边凸模上涂抹润滑剂；
(5)设定参数，在液压机参数控制仪表盘中设定中心凸模的下行速度、下行位移以及最终位移；
(6)预热模具，将模具电加热到150-200℃，模具上安装温度测试仪并和控制仪表盘连接，实现模具温度的实时测试与控制；
(7)挤压作业，将越热完毕的坯锭放入模具中，按照设定的参数进行挤压，中心凸模下行挤压坯锭中心，压边凸模在弹簧作用下产生与金属流动方向相反的作用力即背压力，避免了壁部金属抱模挤压坯锭外围最终将坯锭加工成杯/筒形件，上述背压力通过下式计算；
式中，F1为挤压过程中实时背压力,单位为N，k为弹簧弹性系数，单位为N/m，S为中心凸模下行位移，单位为m，由位移传感器测试反馈，d为杯形件内径，单位为m，D为杯形件外径，单位为m。
(8)取出杯/筒形件，完成一次带背压反挤压。
上述步骤(4)中润滑剂为二硫化钼。
本发明提供的模具及工艺克服“抱模”现象原理为：反挤压过程中，中心凸模下行，压边凸模同时下行，弹簧压缩，压边凸模通过弹簧压缩给予杯/筒形件壁部向下的压力。由于压边凸模与杯/筒形件壁部顶端的接触面存在2-5°斜度，故产生的背压力F1(N)垂直于该端部表面，而与中心凸模轴心线成2-5°夹角，F1矢量分解为：
为背压力矢量，为垂直于凹模内侧表面的分力矢量，为垂直于凹模底部的分力矢量。F1，F2，F3单位为N。在水平向外分力F2作用下，杯/筒形件壁部金属向内流动的趋势将被改变，从而避免杯/筒形件壁部抱住中心凸模现象。
本发明提高反挤压塑性成形极限和杯/筒形件深度尺寸的原理为：在垂直于凹模底部的压力F3作用下，杯/筒形件变形区应力状态为：
σ3<σ2<σ1<0
平均应力值为：
其中，σ1(MPa)为第一主应力，σ2(MPa)为第二主应力，σ3(MPa)为第三主应力，σ0(MPa)为平均应力。
由于三个方向均产生压应力，所以背压条件下反挤压过程材料内部产生较强的三向压应力，三向压应力状态不仅有利于塑性变形差的材料实现大塑性变形，提高其反挤压成形极限和杯/筒形件成形深度，而且三向压应力状态有利于裂纹愈合，从而避免了杯/筒形件反挤压过程变形不均匀带来的裂纹产生。
上述技术方案具有如下优点：本发明根据杯/筒形件尺寸和材料设计不同模具尺寸，背压力条件下产生的三向压应力提高了杯/筒形件成形极限，一定斜度的背压接触面产生的水平向外的分力能够克服金属材料向内流动，从而避免“抱模”现象，提高了材料利用率和产品质量。与现有技术相比较，本发明的优点是：
1、采用一定斜度的压边凸模，不仅能够有效避免“抱模”现象导致的脱模困难问题，而且一定程度上也起到了定位作用；
2、采用带背压装置是反挤压过程材料内部产生较强的三向压应力状态，而这种三向压应力状态极大提高了反挤压成形极限和杯/筒形件成形深度，十分有利于镁合金、钛合金、高强铝合金等先进有色金属的杯/筒形件反挤压成形。
3、带背压反挤压模具结构简单，易于拆卸，而且背压力不需要太大，因而成本低，易维护。
4、通过不同模具材料和尺寸设计，从而使该方法可以使用于任何形状和金属材料的杯/筒形件反挤压成形，功能得到拓宽
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的结构示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1，一种反挤压模具，包括一顶压模1、一压边凸模2、一底模3，其特征在于，顶压模包括压台11，固定在压台下部并与压台呈一体结构的中心凸模12；压边凸模设在中心凸模外侧并通过弹簧4与压台设置到一起；底模中部凹陷形成容纳中心凸模、压边凸模以及工件5的工作空间。本实施例中，所述压台下部和压边凸模上部分别设有与弹簧配合的凹槽21，弹簧两端分别固定在两个凹槽内。所述压边凸模底面与水平面呈2-5°夹角。
一种采用上述反挤压模具制作合金/金属杯/筒子的工艺，所述工艺包括以下步骤：
(1)铸造坯锭，铸造金属/合金圆柱坯锭；
(2)切削坯锭，将坯切削掉锭表皮并将坯锭切削到符合模具要求尺寸；
(3)预热坯锭，将坯锭加热到0.5-0.7Tm，Tm为该坯锭金属或合金的熔点温度；
(4)润滑模具，在参与挤压作业的中心凸模、底模以及压边凸模上上涂抹润滑剂；
(5)设定参数，设定中心凸模的下行速度、下行位移以及最终位移；
(6)预热模具，将模具电加热到150-200℃；
(7)挤压作业，将越热完毕的坯锭放入模具中，按照设定的参数进行挤压，中心凸模下行挤压坯锭中心，压边凸模在弹簧带动下挤压坯锭外围最终将坯锭加工成中空杯/筒子；
(8)取出杯/筒子，完成一次挤压。
上述步骤(4)中润滑剂为二硫化钼。
上述实施例中，预热坯锭时将坯锭放进炉子中加热到0.5-0.7Tm，Tm为该坯锭金属或合金的熔点温度，并根据炉子仪表保温1-2小时；
在液压机参数控制仪表盘中设定中心凸模的下行速度、下行位移以及最终位移。下行速度根据速度传感器将实际下行速度反馈到仪表盘中进行控制。下行位移和最终位移根据位移传感器进行控制和反馈；
预热模具时将模具电加热到150-200℃，模具上安装温度测试仪并和控制仪表盘连接，实现模具温度的实时测试与控制；
挤压作业中，将越热完毕的坯锭放入模具中，按照设定的参数进行挤压，中心凸模下行挤压坯锭中心，压边凸模在弹簧作用下产生与金属流动方向相反的作用力即背压力，避免了壁部金属抱模挤压坯锭外围最终将坯锭加工成杯/筒形件，背压力通过下式计算；
式中，F1为挤压过程中实时背压力,单位为N，k为弹簧弹性系数，单位为N/m，S为中心凸模下行位移，单位为m，由位移传感器测试反馈，d为杯形件内径，单位为m，D为杯形件外径，单位为m。
实施例2，本实施例以7075高强铝合金为实验材料对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
第一步：冶炼7075铝合金圆棒材，然后进行均匀化处理；
第二步：剥皮，并利用线切割获得长度为25mm，直径为80mm的圆棒坯料；
第三步：放到加热炉中，加热温度为450℃(该合金熔点700度左右)，加热2小时；
第四步：设定中心凸模下行工作速度为2.5mm/s，工作下行初始位移25mm，最终下行位移20mm；
第五步：给凸凹模涂抹二硫化钼润滑剂；
第六步：模具利用加热套加热至120℃；
第七步：将坯料放到凹模中，凸模开始下行工作，工作位移25mm，中心材料被压下，边部金属往上流动与压边凸模接触；当凸模下行工作时，压边凸模跟随下行，并逐渐与杯/筒形件壁部端面相接触，产生反作用力，即所谓的背压力。
第八步：凸模继续下行，弹簧被压缩，背压力逐步增加，最后增加至300N；
第九步：反挤压凸模下行工作位移到达5mm，凸模上行；
第十步：压边凸模在弹簧作用下恢复原位，顶出杆顶出反挤压件，反挤压结束。
反挤压结束后，所得7075铝合金杯/筒形件。
对该杯/筒形件深度、垂直度和损伤进行了测量，深径比大于1.5，成形极限明显提高，壁部与底部垂直度误差等级较高，在壁部没有发现裂纹，质量较好。
综上所述，并非本发明的全部内涵：此后，凡有在被发明主体精神之内所作的任何修改、替换直至完善升级等项目，均包括在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种反挤压模具，包括一顶压模(1)、一压边凸模(2)、一底模(3)，其特征在于，顶压模包括压台(11)，固定在压台下部并与压台呈一体结构的中心凸模(12)；压边凸模设在中心凸模外侧并通过弹簧(4)与压台设置到一起；底模中部凹陷形成容纳中心凸模、压边凸模以及工件(5)的工作空间，所述压台下部和压边凸模上部分别设有与弹簧配合的凹槽(21)，弹簧两端分别固定在两个凹槽内，所述压边凸模底面与水平面呈2-5°夹角，还包括速度传感器，所述速度传感器用于检测顶压模的下行速度。
2.一种采用权利要求1所述反挤压模具制作金属的杯的工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
(1)铸造坯锭，铸造金属圆柱坯锭；
(2)切削坯锭，将坯锭切削掉表皮并将坯锭切削到符合模具要求尺寸；
(3)预热坯锭，将坯锭加热到0.5-0.7Tm，Tm为该坯锭金属的熔点温度；
(4)润滑模具，在参与挤压作业的中心凸模、底模以及压边凸模上涂抹润滑剂；
(5)设定参数，设定中心凸模的下行速度、下行位移以及最终位移，采用速度传感器检测顶压模的下行速度；
(6)预热模具，将模具电加热到150-200℃；
(7)挤压作业，将预处理完毕的坯锭放入模具中，按照设定的参数进行挤压，中心凸模下行挤压坯锭中心，压边凸模在弹簧带动下挤压坯锭外围最终将坯锭加工成中空杯；
(8)取出杯，完成一次挤压。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，上述步骤(4)中润滑剂为二硫化钼。
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