[发明专利]一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大塑性变形技术的装置及方法，具体涉及一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法。

背景技术

随着科技的不断进步，航空航天、汽车制造及武器装备等领域对所需金属材料的强度和性能要求也日趋增高。合金强化、形变强化、细晶强化和固溶-沉淀强化等都是改善材料组织及提高性能的主要途径。但现有研究结果表明，仅依靠一两种强化机制来实现材料综合性能提高的作用效果仍十分有限，如能通过理想加工方法实现多种机制有效地结合，不仅利于充分挖掘材料的使用性能，也是材料科学发展的必然趋势。现有大塑性变形(Severe plastic deformation,SPD)主要包括高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)、等径道挤压(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)、多向锻造(Multi-Directional Forging,MDF)、累积轧制(Accumulative Roll-Bounding,ARB)、反复折皱压直法(Repetitive Corrugation and Straightening,RCS)、往复挤压(Cyclic Extrusion Compression,CEC)和挤扭(Twist Extrusion,TE)等。大塑性变形技术具有强烈的晶粒细化能力，可直接将材料内部组织细化到亚微米乃至纳米级，是制备块体纳米超细晶材料最有前途的方法。

由于工艺自身特点所限，现有大塑性变形技术客观上都存在着一定的不足之处。以挤扭工艺为例，该方法可用来制备在某一维方向上具有较大尺寸且轮廓精度好的高性能挤压制品，由于挤扭工艺装置中的两端部截面积相同，即S₁/S₂=1，材料流经型腔通道时实际上仅受到了垂直于挤出方向的截面上施加的扭转剪切变形作用。为了达到晶粒充分细化的目的，需要在两侧往复多次加载来实现，效率较低，难于在生产实践中大量地应用。为此，探究和发展高性能金属材料的大塑性变形技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为解决现有挤扭工艺需要在两侧往复多次加载后才能达到一定的晶粒细化程度且生产效率较低的问题，而提供一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法。

金属材料变截面挤扭成形装置一：包括第一冲头和第一挤扭模，第一挤扭模由上至下依次为第一大截面矩形通道、第一棱锥螺旋通道和第一小截面矩形通道，第一棱锥螺旋通道的截面积由上至下逐渐减小，第一棱锥螺旋通道的截面为矩形，第一冲头同轴设置在第一挤扭模的上方。

利用装置一实现金属材料变截面挤扭成形的方法步骤如下：

步骤一、设定成形参数：第一棱锥螺旋通道的第一螺旋角为10°～60°，第一棱锥螺旋通道的长度为0.5d～3d，其中d为第一棱锥螺旋通道入口处矩形截面外接圆的直径，该该外接圆的直径d为30mm～100mm，第一大截面矩形通道与第一小截面矩形通道的挤压比为4～100；

步骤二、第一冲头下行施载，坯料在第一冲头的作用下进入第一大截面矩形通道内；

步骤三、第一冲头继续向下，坯料进入第一棱锥螺旋通道内，坯料在第一棱锥螺旋通道内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；

步骤四、随着挤扭过程的进行，坯料进入第一小截面矩形通道中，并从第一小截面矩形通道被挤出，即完成一个金属材料变截面挤扭成形零件。

金属材料变截面挤扭成形装置二：包括第二冲头和第二挤扭模，第二挤扭模由上至下依次为第二大截面矩形通道、第二大截面矩形螺旋通道、第二棱锥通道和第二小截面矩形通道，第二棱锥通道的截面积由上至下逐渐减小，第二棱锥通道的截面为矩形，第二冲头同轴设置在第二挤扭模的上方。

利用装置二实现金属材料变截面挤扭成形的方法步骤如下：

步骤一、设定成形参数：第二大截面矩形螺旋通道的第二螺旋角为10°～60°，第二大截面矩形螺旋通道的长度为0.5d～3d，其中d为第二大截面矩形螺旋通道入口处矩形截面外接圆的直径，该外接圆的直径d为30mm～100mm，所述第二大截面矩形通道与第二小截面矩形通道的挤压比为4～100；

步骤二、第二冲头下行施载，坯料在第二冲头的作用下进入第二大截面矩形通道内；

步骤三、第二冲头继续向下，坯料进入第二大截面矩形螺旋通道内，坯料在第二大截面矩形螺旋通道内产生挤扭变形，其挤扭角为90°～180°；

步骤四、随着挤扭过程的进行，坯料进入第二棱锥通道内，并在第二棱锥通道产生挤压变形；