一种自导向等径通道挤压装置及挤压方法.pdf

本发明是一种自导向等径通道挤压装置及挤压方法，包括同轴安装的凹模(4)、凸模(6)，挤压冲头(1)、凹模外套(8)和上压板(2)。凹模(4)置于凹模外套(8)内，顶部露出凹模外套，并使挤压孔与出料孔的位置相对应；上压板(2)套压在凹模(4)上，并固定在凹模外套(8)的上表面。将凸模(6)的挤压部分装入凹模(4)内，凸模(6)顶端的导向头处于上压板(2)的导向套通孔内。挤压冲头(1)位于上压板的通孔内，且压在凸模(6)的顶端端面。本发明无需为挤压装置单独设计导向机构和精度很高的挤压试验机，从而达到了降低挤压装置成本的目的，具有设计原理简单、容易实现、操作简便、试验过程安全的特点。

1.  一种自导向等径通道挤压装置，包括挤压模具和挤压冲头，其特征在于还包括凹模外套和上压板，挤压模具包括同轴安装的凹模和凸模；其中，凹模置于凹模外套内，顶部露出凹模外套，并使挤压孔与出料孔的位置相对应；上压板(2)套压在凹模(6)上，并通过紧固螺钉固定在凹模外套的上表面；凸模的挤压部分装入凹模细长孔内，凸模顶端的导向头处于上压板的导向套通孔内；挤压冲头(1)位于上压板(2)的导向套通孔内，其下端压在凸模(6)顶端的端面。

2.  如权利要求1所述自导向等径通道挤压装置，其特征在于凸模(6)包括导向头和挤压杆；凸模(6)顶端的导向头与上压板(2)的导向套通孔之间间隙配合，挤压杆与凹模(4)内孔之间间隙配合，长度略大于凹模中心细长孔的深度。

3.  如权利要求1所述自导向等径通道挤压装置，其特征在于凹模外套(8)的中心有凹模(4)的安装孔，该安装孔的直径同凹模的外径，深度小于凹模的高度，孔底部的中心开有通孔；凹模外套的一侧壁的中部开有出料孔，该出料孔的位置与凹模上的挤压孔的位置相对应。凹模外套的壁上有螺纹紧固孔。

4.  如权利要求1所述自导向等径通道挤压装置，其特征在于凹模(4)的中心有与凸模(6)挤压部分相配合的孔；在孔底部的凹模侧壁上，有贯通凹模壁的挤压孔，该挤压孔与凹模外套(8)上的侧壁中部的出料孔相接，横截面尺寸与凹模中心细长孔的横截面尺寸相同。

5.  如权利要求1所述自导向等径通道挤压装置，其特征在于上压板(2)的内孔为“T”字形，并且小内径孔与凸模(6)的导向头间隙配合，大内径孔套在凹模(4)上。

6.  如权利要求1所述自导向等径通道挤压装置，其特征在于挤压冲头(1)为轴向剖面为“T”字形的圆柱体，其下部为与上压板的导向套通孔相配合的圆柱，长度大于导向套部分通孔深度。

7.  如权利要求1所述自导向等径通道挤压装置，其特征在于将上压板(2)和凹模外套(8)固连为一体；通过凹模外套壁上的紧固孔固定凹模(4)。

8.  如权利要求5所述自导向等径通道挤压装置，其特征在于上压板(2)与凸模(6)的导向头配合部分内孔的总深度大于凸模的总长度，与凹模(4)配合部分内孔深度略小于凹模外露在凹模外套外的高度。

9.  一种使用如权利要求1所述自导向等径通道挤压装置的挤压方法，其特征在于该装置的工作过程为：
第一步，将凹模(4)装入凹模外套(8)，并将凹模侧壁的斜孔对准凹模外套侧壁上的出料孔，然后向凹模外套(8)侧壁上的紧固孔中拧入螺钉，使之顶紧凹模(4)；
第二步，将上压板2盖套在凹模4上，并将上压板2和凹模外套8固连在一起；
第三步，将装料辅具装入上压板上阶梯部分的通孔中，然后将与凹模(4)直孔相配合、长度略短于凹模中心直孔深度的试样装入装料辅具的内孔，并利用挤压杆沿内孔向内顶试样，使之完全进入挤压凹模(4)；
第四步，取出装料辅具(10)，将凸模(6)和挤压冲头(1)先后放入上压板(2)导向套的通孔中，并向下压挤压冲头(1)，将试样(5)和凸模(6)下压，并使凸模上部只能沿着上压板内孔轴向滑动；
第五步，当凸模向下运动的距离等于试样长度时停止挤压，并由上压板中取出挤压冲头，然后将一根与凸模顶部螺纹孔相配合的长螺栓拧入凸模顶部，夹住长螺栓外露的螺栓帽并向外拔，螺栓将带着凸模由上压板中滑出；
第六步，重复第三步至第五步，即可完成新的一次挤压。

一种自导向等径通道挤压装置及挤压方法
一、技术领域：
本发明属于材料挤压装置，具体说是一种自导向等径通道挤压装置及挤压方法。
二、背景技术：
20世纪80年代由前苏联科学家Segal提出等径通道挤压技术(Equal Channel AnglePressing/Extrusion，简称ECAP/E)，利用该技术他们对材料进行多次加工从而获得特殊的变形织构。ECAP/E方法采用的模具是由两个等截面通道相互交截而成的，这两个通道的截面几何形状完全相同，按照一定的角度完全连接。挤压过程中，将与模具尺寸紧密配合并与通道壁润滑良好的试样放入通道，用带有冲头的液压机向下挤压试样，当试样经过两通道的交角时，试样就会产生近似于纯剪切的变形。进入20世纪90年代后，Valiev发现利用该技术可以使材料产生大应变从而细化多晶材料的晶粒。由于模具的几何特点，挤压过程中试样的横截面形状和面积都不会发生改变，因此可以反复挤压，使试样经过多次挤压后的变形可以累加到相当大的总应变量，晶粒尺寸将被细化到亚微米级甚至纳米量级(当晶粒平均尺寸在100nm～1μm范围内时通常称为超细晶材料(Ultrafine Grained，UFG))。与其他一些制备超细晶材料的方法相比，该方法克服了其他方法带来的材料致密度差、缺陷多、易污染、组分要求严格等缺点，工艺要求简单，以获得洁净的超细晶材料。
采用ECAP/E方法获得超细晶材料的关键在于设计加工合适的挤压装置。特别是挤压长径比较大的试样时，由于挤压凸模较长，为了防止挤压过程中其倾斜导致的挤压凸模折断，需要为挤压装置配置具有导柱、导套的模架实施导向，或要求挤压试验机的导向机构具有很高的精度，这就大大地增加了实验的成本。
三、发明内容：
为克服现有技术中挤压装置因导向要求而带来的成本高的缺点，本发明提出一种自导向等径通道挤压装置。
本发明包括同轴安装的凹模、凸模，挤压冲头、凹模外套和上压板。其中，凹模置于凹模外套内，顶部露出凹模外套，并使挤压孔与出料孔的位置相对应；上压板套压在凹模上，并通过紧固螺钉固定在凹模外套的上表面。将凸模的挤压部分装入凹模细长孔内，凸模顶端的导向头处于上压板的导向套通孔内。挤压冲头位于上压板的导向套通孔内，且压在凸模的顶端端面；挤压冲头的顶部露在上压板外。
凸模顶端为导向头，与上压板的导向套通孔之间间隙配合；凸模的挤压部分与凹模内孔之间间隙配合，长度略大于凹模中心细长孔的深度。凸模的顶部加工有螺纹孔。
凹模外套的中心有凹模的安装孔，该安装孔的直径同凹模的外径，深度小于凹模的高度，孔底部的中心开有通孔；凹模外套的一侧壁的中部开有出料孔，该出料孔的位置与凹模上的挤压孔的位置相对应。凹模外套的壁上有螺纹紧固孔。
凹模的中心有与凸模挤压部分相配合的孔；在孔底部的凹模侧壁上，有一贯通凹模壁的挤压孔，该挤压孔与凹模外套上的侧壁中部的出料孔相接，横截面尺寸与凹模中心细长孔的横截面尺寸相同。
上压板包括基座和导向套，为阶梯状的中空结构；基座的外径同凹模外套的外径，表面上环圆周均布有连接孔和导向杆的加强筋板。导向套位于基座之上。导向套内孔和基座内孔的上部分均与凸模导向头间隙配合，这两部分内孔的总深度大于凸模的总长度；基座内孔的下部分与凹模配合安装，该部分基座内孔的深度略小于凹模外露在凹模外套外的高度。
挤压冲头为轴向剖面为“T”字形的圆柱体，其下部为与上压板的导向套通孔相配合的圆柱，长度大于导向套部分通孔深度。
为了将凹模压紧，通过上压板和凹模外套上对应分布的连接孔将上压板和凹模外套固连为一体。同时为了防止使用过程中凹模在凹模外套中转动，通过凹模外套壁上的紧固孔固定凹模。
为了便于向凹模内装入挤压试样，本发明还设计一个圆筒形装料辅具，该辅具的外径与导向套的通孔内径相配合，内径与凹模中心的直孔内径相同，长度大于上压板的导向套通孔的深度。
自导向等径通道挤压装置的工作过程为：
第一步，将凹模装入凹模外套，并将凹模侧壁的斜孔对准凹模外套侧壁上的出料孔。然后向凹模外套侧壁上的紧固孔中拧入螺钉，使之顶紧凹模；
第二步，将上压板盖套在凹模上，并用螺栓将上压板和凹模外套固连在一起。由于凹模安装在凹模外套中时，凹模顶部露在凹模外套外，而外露的高度略大于上压板的底部直孔的深度，因此盖上上压板时上压板底面与凹模外套顶面有间隙，这样将固定螺栓拧紧时可保证上压板能够压紧凹模；
第三步，将装料辅具装入上压板上阶梯部分的通孔中，然后将与凹模直孔相配合、长度略短于凹模中心直孔深度的试样装入装料辅具的内孔，并利用挤压杆沿内孔向内顶试样，使之完全进入挤压凹模；
第四步，取出装料辅具，将凸模和挤压冲头先后放入上压板导向套的通孔中，并向下压挤压冲头，使之将试样和凸模尽量下压；
第五步，向下压挤压冲头，挤压过程中，凸模上部只能沿着上压板导向套的通孔沿轴向滑动，不会产生横向运动。当凸模向下运动的距离等于试样长度时停止挤压，并由上压板中取出挤压冲头，然后将一根与凸模顶部螺纹孔相配合的长螺栓拧入凸模顶部，夹住长螺栓外露的螺栓帽并向外拔，螺栓将带着凸模由上压板中滑出；
第六步，重复第三步至第五步，即可完成新的一次挤压。
与现有技术相比，本发明的上压板具有导向作用，因而无需为挤压装置单独设计导向机构，也不需要精度很高的挤压试验机，从而达到了降低挤压装置成本的目的，同时也具有设计原理简单、容易实现、操作简便、试验过程安全的特点。
四、附图说明：
附图1是一种自导向的等径通道挤压装置的结构示意图，
附图2是上压板的俯视图，
附图3是上压板的剖视图，
附图4是装填试样时的示意图，
附图5是挤压时的示意图，
附图6是挤压完成后取出凸模时的示意图。其中：
1.挤压冲头  2.上压板    3.紧固螺栓    4.凹模    5.试样    6.凸模7.凹模紧固螺钉8.凹模外套  9.装料顶杆  10.装料辅具  11.拔出螺栓
五、具体实施方式：
如图1所示，自导向的等径通道挤压装置包括凸模6、凹模4、凹模外套8、上压板2、试样5、挤压冲头1、紧固螺栓4、凹模紧固螺钉7、装料辅具10、装料顶杆9和拔出螺栓11。
凸模6为圆形的杆状，顶端为导向头，其直径小于上压板导向套的内径，并且两者之间间隙配合，长度略大于凹模中心细长孔的深度；导向头以下的挤压杆是凸模6的挤压杆，其直径亦略小于凹模内孔的直径，两者之间间隙配合。为了便于使用时将凸模6由上压板2和凹模4中取出，在凸模6顶端中心有一个螺纹孔。
凹模外套8为圆形，其中心为凹模4的安装孔，该安装孔的直径同凹模4的外径，深度小于凹模4的高度；孔底部的中心开有直径为安装孔直径二分之一的通孔；凹模外套的一侧壁的中部开有一斜开的出料孔，该出料孔的位置与凹模4上的挤压孔的位置相对应，直径亦大于挤压孔。在凹模外套8另一侧侧壁中部有凹模紧固螺钉的孔。
凹模4为圆柱形，其中心有一个与凸模6挤压部分相配合的细长孔；在孔底部的凹模侧壁上，有一贯通凹模壁的斜开的挤压孔，该挤压孔与凹模外套8上的侧壁中部的出料孔相接，横截面尺寸与凹模4中心细长孔的横截面尺寸相同。由于凹模外套8直孔的深度小于凹模4的高度，因此凹模4上部外露在凹模外套8外。
为便于取出凸模6，采用普通螺栓作为拔出螺栓11，其螺纹与凸模6顶部螺纹孔相配合，长度大于上压板2顶部通孔的深度，它用来将凸模6由凹模4和上压板2中拔出。
如图2、3所示，上压板2为有内孔的阶梯状圆柱，其轴向剖面为下边大、上边小的“T”字形，其大直径端为上压板2的基座，小直径端为凸模6的导向套。上压板基座的外径同凹模外套8的外径，基座的表面上环圆周均布有四个紧固螺栓的连接孔和四个导向套的加强筋板。
上压板2的内孔亦为阶梯状：导向套内孔和基座内孔的上部分均与凸模导向头间隙配合，这两部分内孔的总长度大于凸模的总长度；基座内孔的下部分与凹模4过盈配合，该部分基座内孔的深度略小于凹模4外露在凹模外套8外的高度；
挤压冲头1为轴向剖面为“T”字形的圆柱体，其下部为与上压板2的导向套通孔相配合的圆柱，长度大于导向套部分通孔深度。
为了将凹模4压紧，上压板2和凹模外套8上分别开有对称分布的螺栓通孔和内螺纹，用紧固螺栓3将上压板2和凹模外套8固连为一体。同时为了防止使用过程中凹模4在凹模外套8中转动，凹模外套8壁上开有紧固孔，该紧固孔侧壁为内螺纹，凹模紧固螺钉7拧入该紧固孔后可以顶紧凹模4，从而起到防止其转动的作用。
圆筒形装料辅具10的外径与上压板2上阶梯部分的通孔内径相配合，内径与凹模4中心的直孔内径相同，长度大于上压板2的上阶梯部分的通孔的深度。
将凹模4置于凹模外套8内，顶部露出凹模外套8，并使挤压孔与出料孔的位置相对应；上压板2套压在凹模4上，并通过紧固螺钉固定在凹模外套8的上表面。将凸模6的挤压部分装入凹模4细长孔内，凸模顶端的导向头处于上压板2的导向孔内。挤压冲头1位于上压板2的导向孔内，且压在凸模6的顶端端面；挤压冲头1的顶部露在上压板2外。
试样5的长度略短于凹模4中心直孔深度，横截面尺寸与凹模4中心直孔相配合。工作时，其过程是：
第一步，将凹模4装入凹模外套8，并将凹模4侧壁的斜孔对准凹模外套8侧壁上的出料孔。然后向凹模外套8侧壁上的紧固孔中拧入凹模紧固螺钉7，使之顶紧凹模4；
第二步，将上压板2盖套在凹模4上，并用紧固螺栓3将上压板2和凹模外套8固连在一起；
第三步，装填试样5时，将装料辅具10装入上压板2导向套的通孔中，然后将试样5装入装料辅具10的内孔，并利用装料顶杆11沿内孔向内顶试样5，使之完全进入凹模4；
第四步，取出装料辅具10和装料顶杆11，将凸模6和挤压冲头1先后放入上压板2导向套的通孔中，并向下压挤压冲头1，使之将试样5和凸模6尽量下压；
第五步，利用挤压试验机使挤压冲头1沿上压板2顶部直孔滑动，并挤压凸模6及试样5，使试样5进入凹模4的斜孔，并向外运动。当凸模6向下运动的距离等于试样5长度时停止挤压，并由上压板2中取出挤压冲头1，然后将拔出螺栓11拧入凸模6顶部，夹住拔出螺栓11外露的螺栓帽并向外拔，拔出螺栓11将带着凸模6由上压板2中滑出；
第六步，重复第三至第五步，即可完成新的挤压。