一种等通道转角挤压装置的凸模和凹模型腔配合结构.pdf

本发明一种等通道转角挤压装置的凸模和凹模型腔配合结构属于材料挤压加工技术领域，涉及对等通道转角挤压装置的改进。包括凸模[2]和凹模，其特征在于，所说的凸模[2]上有一个截面为矩形的导向杆[6]，挤压杆[4]的上端面与压板[5]的下表面连接为整体，挤压杆[4]与导向杆[6]一体加工成形；所说的凹模型腔由挤压通道和导向通道[9]组成，导向通道[9]的左侧面与挤压入口通道[7]的右侧面共面，导向通道[9]的高度大于导向杆[6]的高度。本发明显著增强了凸模的刚度，减少了试样与模壁之间的摩擦力，从而提高了凸模的使用寿命，消除了安全隐患。

权利要求书
1.  一种等通道转角挤压装置的凸模和凹模型腔配合结构，包括凸模[2]和凹模，凸模[2]包括压板[5]和挤压杆[4]，挤压杆[4]的上端与压板[5]的下表面连接为整体；凹模型腔由位于两个对称的凹模半模[3]分模面上的半模型腔组成，当两个凹模半模合模后，两个半模型腔对合形成完整的凹模型腔，凹模型腔包括一个由垂直的挤压入口通道[7]和与其连通的挤压出口通道[8]组成的挤压通道，挤压入口通道[7]和挤压出口通道[8]的夹角为模具内角Φ，挤压入口通道[7]和挤压出口通道[8]的截面为相等的矩形，挤压入口通道[7]的上端口位于凹模的上表面，挤压出口通道[8]的外端口位于凹模的侧面；其特征在于，
(1)所说的凸模[2]上有一个截面为矩形的导向杆[6]，导向杆[6]的截面宽度不小于挤压杆[4]截面宽度的2倍，导向杆[6]的截面长度不小于挤压杆[4]的截面长度，导向杆[6]的高度至少为挤压杆[4]高度的3倍，挤压杆[4]位于导向杆[6]的左侧面，导向杆[6]截面长度方向的中心线与挤压杆[4]截面长度方向的中心线重合，导向杆[6]的上端面与压板[5]的下表面连接为整体，导向杆[6]与挤压杆[4]一体加工成形；
(2)所说的凹模型腔由挤压通道和导向通道[9]组成，导向通道[9]的截面为矩形，与导向杆[6]间隙配合，导向通道[9]的左侧面与挤压入口通道[7]的右侧面共面，导向通道[9]的高度大于导向杆[6]的高度。

说明书一种等通道转角挤压装置的凸模和凹模型腔配合结构
技术领域
本发明属于材料挤压加工技术领域，涉及对等通道转角挤压装置的改进。
背景技术
超细晶材料因具有不同于传统材料的优良力学性能和独特的物理性能而受到广泛关注。到目前为止，已经有了很多制备超细晶的技术，如高能球磨、惰性气体凝聚原位加压、深过冷直接晶化、非晶晶化、大塑性变形等。大塑性变形技术又分为高压扭转、等通道转角挤压(ECAE或ECAP)、多向锻造和反复轧压等，其中ECAE被认为是一种很有工程应用前景的超细晶制备工艺。图1为ECAE工艺基本原理示意图，ECAE模具由两个截面相等并以一定角度相交的通道构成，两通道的内角为Φ，在凸模2压力的作用下，试样1在挤压通道的拐角处产生近似剪切变形。由于试样挤压后的截面形状未发生改变，所以可反复多道次挤压达到不断细化晶粒的目的。目前，国内外已经发展了许多不同的ECAE挤压模具，但这些模具存在以下主要缺点：现有模具的凸模通常被设计成简单的冲头，如专利US7191630、US5850755、CN2584308、CN101259493、CN1792487、CN1712155、CN1704485、CN1357420、CN200988058、CN2455398等均是如此。图2为现有ECAE模具简单冲头式凸模的结构示意图。从材料力学角度分析，这种简单冲头式结构设计最突出的缺点是缺乏足够的刚度。当被挤压材料的强度较高、试样高径比较大(≥2.5)或模具内角Φ较小(＜90°)时，在挤压过程中冲头因受到很大反向作用力而容易发生弯曲或断裂失稳，极大限制了ECAE模具内角选择的灵活性及可加工材料的范围和尺寸，降低了凸模的使用寿命。另外，构成现有模具挤压通道的模壁通常是固定的，挤压时试样与模壁之间的摩擦力较大，不仅降低了挤压试样的表面质量，也增加了凸模的承受载荷。除此之外，冲头突然断裂时还可能崩出金属碎削伤及附近的操作人员，存在着一定安全隐患。
发明内容
本发明的目的是：提出一种能提高凸模的刚度、减少试样与模壁之间摩擦力的等通道转角挤压装置的凸模和凹模型腔配合结构，以提高凸模的使用寿命，消除安全隐患。
本发明的技术方案是：一种等通道转角挤压装置的凸模和凹模型腔配合结构，包括凸模和凹模，凸模包括压板和挤压杆，挤压杆的上端与压板的下表面连接为整体；凹模型腔由位于两个对称的凹模半模分模面上的半模型腔组成，当两个凹模半模合模后，两个半模型腔对合形成完整的凹模型腔，凹模型腔包括一个由垂直的挤压入口通道和与其连通的挤压出口通道组成的挤压通道，挤压入口通道和挤压出口通道的夹角为模具内角Φ，挤压入口通道和挤压出口通道的截面为相等的矩形，挤压入口通道的上端口位于凹模的上表面，挤压出口通道的外端口位于凹模的侧面；其特征在于，
(1)所说的凸模上有一个截面为矩形的导向杆，导向杆的截面宽度不小于挤压杆截面宽度的2倍，导向杆的截面长度不小于挤压杆的截面长度，导向杆的高度至少为挤压杆高度的3倍，挤压杆位于导向杆的左侧面，导向杆截面长度方向的中心线与挤压杆截面长度方向的中心线重合，导向杆的上端面与压板的下表面连接为整体，导向杆与挤压杆一体加工成形；
(2)所说的凹模型腔由挤压通道和导向通道组成，导向通道的截面为矩形，与导向杆间隙配合，导向通道的左侧面与挤压入口通道的右侧面共面，导向通道的高度大于导向杆的高度。
本发明的优点是：显著增强了凸模的刚度，减少了试样与模壁之间的摩擦力，从而提高了凸模的使用寿命，消除了安全隐患。试验证明，本发明的一个实施例的凸模使用寿命比简单冲头式凸模的使用寿命提高了5倍以上。具有本发明结构的ECAE模具不仅适用于铝、铜等低强度合金的ECAE加工，而且适用于钛、钨等高强度合金以及金属间化合物等的ECAE加工。
附图说明
图1为ECAE工艺基本原理示意图。
图2为现有ECAE模具简单冲头式凸模的结构示意图。
图3为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图3和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于所述的实施例。为了便于说明，规定图3中左右方向为挤压杆4截面的宽度方向，内外方向为挤压杆4截面的长度方向，上下方向为挤压杆4的高度方向。一种等通道转角挤压装置的凸模和凹模型腔配合结构，包括凸模2和凹模，凸模2包括压板5和挤压杆4，挤压杆4的上端与压板5的下表面连接为整体；凹模型腔由位于两个对称的凹模半模3分模面上的半模型腔组成，当两个凹模半模合模后，两个半模型腔对合形成完整的凹模型腔，凹模型腔包括一个由垂直的挤压入口通道7和与其连通的挤压出口通道8组成的挤压通道，挤压入口通道7和挤压出口通道8的夹角为模具内角Φ，挤压入口通道7和挤压出口通道8的截面为相等的矩形，挤压入口通道7的上端口位于凹模的上表面，挤压出口通道8的外端口位于凹模的侧面；其特征在于，
(1)所说的凸模2上有一个截面为矩形的导向杆6，导向杆6的截面宽度不小于挤压杆4截面宽度的2倍，导向杆6的截面长度不小于挤压杆4的截面长度，导向杆6的高度至少为挤压杆4高度的3倍，挤压杆4位于导向杆6的左侧面，导向杆6截面长度方向的中心线与挤压杆4截面长度方向的中心线重合，导向杆6的上端面与压板5的下表面连接为整体，导向杆6与挤压杆4一体加工成形；
(2)所说的凹模型腔由挤压通道和导向通道9组成，导向通道9的截面为矩形，与导向杆6间隙配合，导向通道9的左侧面与挤压入口通道7的右侧面共面，导向通道9的高度大于导向杆6的高度。
本发明的工作原理是：由于挤压杆4与导向杆6是一体加工成形，因而极大提高了凸模刚度。导向杆6的左侧壁构成挤压入口通道7的右侧壁，而它在挤压过程中是和试样1一起向下运动的，可以明显减少试样接触导向杆一侧的挤压摩擦力并改善挤压试样的表面质量。
实施例一：
按照本发明原理设计出一套用于方形截面试样加工的凸模和凹模型腔配合结构，具体参数为：模具内角Φ＝90°，挤压通道的截面尺寸为22mm×22mm，挤压入口通道7的高度为200mm，挤压杆4的高度为200mm，导向杆6的截面宽度×长度尺寸为50mm×40mm，高度为620mm，导向通道的高度为660mm。使用具有这套凸模和凹模型腔配合结构的ECAE模具在500℃对一批尺寸为21.9mm×21.9mm×160mm的钛合金试样进行了上百道次的挤压，凸模工作状态良好。
实施例二：
具有简单冲头式凸模设计的现有ECAE模具由于缺乏足够的刚度而无法进行高强度板状试样的挤压，即使挤压强度很低(如纯Al)的板状试样时凸模的使用寿命也很短，通常挤压十几个道次后凸模就发生了弯曲变形。按照本发明原理设计出一套用于板状试样加工的凸模和凹模型腔配合结构，具体参数为：模具内角Φ＝105°，挤压通道的截面宽度×长度尺寸为6mm×50mm，挤压入口通道7的高度为120mm，挤压杆4的高度为120mm，导向杆6的截面宽度×长度尺寸为40mm×80mm，高度为380mm，导向通道的高度为420mm。使用具有这套凸模和凹模型腔配合结构的ECAE模具在100℃挤压尺寸为5.9mm×49.9mm×100mm的7050高强铝合金板状试样，凸模总挤压道次超过了120次后仍然保持良好的工作状态，比简单冲头式凸模的使用寿命提高了5倍以上。