本发明公开了一种多转角挤压模具及成形方法，属于材料挤压技术领域。该挤压模具包括冲头、螺栓、上模和下模，上模和下模均为四面体，上模的下表面设有向下的凹槽，下模的上表面设有向上的凹槽，在上模和下模的凹槽两侧均匀设有螺栓孔，上模和下模扣合，通过螺栓紧固，上模和下模的凹槽形成挤压模具型腔，挤压模具型腔为多转角挤压型腔。采用上述模具，有利于形成等轴细小晶粒；有效地克服了原有ECAP成形材料组织不均匀，工艺繁琐的难题；模具结构简单，加工容易，可以制备各种纯金属、合金、金属间化合物、各种复合材料等超细晶材料，也可以制备难变形金属，如镁合金等，实现了一道次多转角挤压技术，生产效率高。
1.一种多转角挤压模具，包括冲头、螺栓、上模和下模，上模和下模均为四面体，上模的下表面设有向下的凹槽，下模的上表面设有向上的凹槽，在上模和下模的凹槽两侧均匀设有螺栓孔，上模和下模扣合，通过螺栓紧固，上模和下模的凹槽形成挤压模具型腔，其特征在于：所述挤压模具型腔为多转角挤压型腔，所述多转角挤压型腔从挤压入口开始依次分为引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，其中各个段型腔截面均为圆形，面积相等，但其中心线不在一条直线上，相邻段的中心轴线之间有夹角，各段型腔之间采用光滑小圆弧过渡。
2.根据权利要求1所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述第一转角型腔两端的第一截面和第二截面的横向位移为a，所述第二转角型腔的第二截面和第三截面的纵向位移为a，所述第三转角型腔两端的第三截面和第四截面的横向位移为a，所述第四转角型腔的第四截面和第五截面的纵向位移为a。
3.根据权利要求2所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述a为转角型腔横截面圆形直径的1/8~1/4。
4.根据权利要求2所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述第一转角型腔、第二转角型腔、第三转角型腔、第四转角型腔的两端截面的垂直距离均为b；a与b的关系为：。
5.根据权利要求1所述的多转角挤压模具，其特征在于：所述螺栓均匀分布在上模、下模的两端。
6.一种采用权利要求1~5任一项所述的多转角挤压模具的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将上模和下模由螺栓紧固，使上模和下模的接触面完全贴合，螺栓均匀分布，颗数根据挤压力的大小需要设计；
（2）对上模和下模形成的多转角挤压型腔涂抹冷挤压润滑剂，将第一预制坯料放入多转角挤压型腔的引导段型腔中，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，使冲头的右端面与第一预制坯料的左端面贴合，当第一预制坯料的右端面与引导段型腔的右端截面相贴合时，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，在挤压过程中，第一预制坯料在冲头的作用下，从引导段型腔向右挤压，到达引导段型腔和第一转角型腔的交接处，发生剪切变形，变成斜柱体；
（3）继续挤压，到达第一转角型腔和第二转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
（4）继续挤压，到达第二转角型腔和第三转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
（5）继续挤压，到达第三转角型腔和第四转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
（6）继续挤压，到达第四转角型腔和整形段型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形，进入到整形段型腔，并恢复为原来的圆柱形状，完成第一预制坯料的半挤压成形；
（7）重复以上步骤（2），将第二预制坯料放入到引导段型腔，并通过冲头的挤压作用，第二个预制坯料依次经过引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，在第二预制坯料的挤压作用下，第一预制坯料从整形段型腔挤出，完成第一预制坯料的挤出成形，同时完成了第二预制坯料的半挤压成形。
一种多转角挤压模具及成形方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料挤压技术领域，具体涉及一种多转角挤压模具及成形方法。
背景技术
[0002] 等通道转角挤压（Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP）是基于剧烈塑性变形技术制备块体超细晶材料的成形方法之一。材料在ECAP模具转角处受到强烈剪切变形，并通过材料横截面尺寸不变的特性，从而实现反复挤压，累积大量应变，达到细化材料组织、提高材料综合性能的目的。尽管ECAP制备超细晶材料的研究得到了大家的共识，但也发现其变形存在不均匀的问题，在靠近内角Φ
[0003] 的材料，其应变大，细化效果好，但在其外角ψ处，应变小，细化效果就差一些。另外根据相邻挤压道次间ECAP试样相对于其纵轴旋转角度，加工路径通常分为四种A，BA，BC和C（Acta Materialia, 1998, 46: 3317），但研究表明由于BC路径ECAP试样的剪切方向相互垂直，更有利于形成等轴的大角度超细晶组织。
[0004] 此外，上海交通大学在中国专利公开号分别为CN101259493、CN1709605、CN2757953、CN2757954和CN2768921的发明专利申请中提出的制备超细晶材料所用的L形、U形、C形、S形转角往复挤压模具和反复镦粗挤压模具仅仅是ECAP方法的简单形式改进，并无实质性的工业创新及解决生产问题。为克服传统ECAP技术不能连续生产的问题，国内外研究提出了很多改进的ECAP技术，如连续剪切工艺、旋转模具ECAP、反复侧边挤压、等径角轧制等方法（中国有色金属学报, 2010, 20(4): 587）。但上述ECAP改进技术存在所需工程力大，对设备要求高等工业问题。
[0005] 综上所述，传统的ECAP模具和挤压方法成形材料具有变形不均匀，一道次累积应变小的不足之处，而改进的ECAP的成形方法也存在所用设备昂贵且对设备要求高，加工成本增大等问题，如何实现一道次制备组织均匀的超细晶材料，以满足实际科研与生产的需要是当今材料研究亟待解决的难题。
发明内容
[0006] 本发明旨在提供一种多转角挤压模具及成形方法，解决了现有ECAP技术中挤压坯料变形不均匀，工艺繁琐的问题。
[0007] 本发明提供的一种多转角挤压模具，包括冲头、螺栓、上模和下模，上模和下模均为四面体，上模的下表面设有向下的凹槽，下模的上表面设有向上的凹槽，在上模和下模的凹槽两侧均匀设有螺栓孔，上模和下模扣合，通过螺栓紧固，上模和下模的凹槽形成挤压模具型腔，挤压模具型腔为多转角挤压型腔，所述多转角挤压型腔从挤压入口开始依次分为引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，其中各个段型腔截面均为圆形，面积相等，但其中心线不在一条直线上，相邻段的中心轴线之间有夹角，各段型腔之间采用光滑小圆弧过渡。
[0008] 所述第一转角型腔两端的第一截面和第二截面的横向位移为a，所述第二转角型腔的第二截面和第三截面的纵向位移为a，所述第三转角型腔两端的第三截面和第四截面的横向位移为a，所述第四转角型腔的第四截面和第五截面的纵向位移为a。其中，a为转角型腔横截面圆形直径的1/8~1/4。
[0009] 所述第一转角型腔、第二转角型腔、第三转角型腔、第四转角型腔的两端截面的垂直距离均为b；a与b的关系为：
[0010] 或30°≤Arctan(b/a)≤60°；
[0011] 所述螺栓均匀分布在上模、下模的两端。
[0012] 本发明采用上述多转角挤压模具，实现材料的剧烈塑性变形，具体的成形方法为：
[0013] （1）将上模和下模由螺栓紧固，使上模和下模的接触面完全贴合，螺栓均匀分布，颗数根据挤压力的大小需要设计；
[0014] （2）对上模和下模形成的多转角挤压型腔涂抹冷挤压润滑剂，将第一预制坯料放入多转角挤压型腔的引导段型腔中，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，使冲头的右端面与第一预制坯料的左端面贴合，当第一预制坯料的右端面与引导段型腔的右端截面相贴合时，冲头以1~10mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，在挤压过程中，第一预制坯料在冲头的作用下，从引导段型腔向右挤压，到达引导段型腔和第一转角型腔的交接处，发生剪切变形，变成斜柱体；
[0015] （3）继续挤压，到达第一转角型腔和第二转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
[0016] （4）继续挤压，到达第二转角型腔和第三转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
[0017] （5）继续挤压，到达第三转角型腔和第四转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
[0018] （6）继续挤压，到达第四转角型腔和整形段型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形，进入到整形段型腔，并恢复为原来的圆柱形状，完成第一预制坯料的半挤压成形；
[0019] （7）重复以上步骤（2），将第二预制坯料放入到引导段型腔，并通过冲头的挤压作用，第二个预制坯料依次经过引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，在第二预制坯料的挤压作用下，第一预制坯料从整形段型腔挤出，完成第一预制坯料的挤出成形，同时完成了第二预制坯料的半挤压成形。
[0020] 同样地，继续放入第三预制坯料，第四预制坯料，…… ，从而完成更多预制坯料的挤压成形与该阶段的半挤压成形。
[0021] 本发明采用的多转角挤压模具和挤压方法，经过多道次挤压制备出了均匀的超细晶材料，由于特殊的转角型腔，使得每次的挤压剪切方向相互垂直，这有利于形成等轴细小晶粒，和ECAP的Bc路径很相似。另外，尽管为多转角型腔，但由于每个转角的角度并不大，且转角的挤压行程很短，所需的挤压力也不大。
[0022] 本发明的有益效果：
[0023] （1）本发明采用的多转角挤压模具和挤压方法，有利于形成等轴细小晶粒；
[0024] （2）采用该挤压模具对材料进行一道次的多转角挤压，相当于四道次的传统的ECAP变形，所以可实现一道次挤压累积大塑性应变；有效地克服了原有ECAP成形材料组织不均匀，工艺繁琐的难题；
[0025] （3）模具结构简单，加工容易，可以制备各种纯金属、合金、金属间化合物、各种复合材料等超细晶材料，也可以制备难变形金属，如镁合金等，实现了一道次多转角挤压技术，生产效率高。
附图说明
[0026] 图1本发明多转角挤压模具的结构示意图。
[0027] 图2为图1的分解示意图。
[0028] 图3为本发明冲头、预制坯料的结构示意图。
[0029] 图4为模具型腔结构示意图。
[0030] 图5为本发明模具型腔结构空间位置示意图。
[0031] 图6为实施例1中等效应变的分布情况。
[0032] 图7为实施例1中试样横截面金相图。
[0033] 图中，1.上模；2.下模；3. 冲头；4.预制坯料；5.螺栓；6.螺栓孔；7.引导段型腔；8.第一转角型腔；9.第二转角型腔；10.第三转角型腔；11.第四转角型腔；12.整形段型腔。
具体实施方式
[0034] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0035] 实施例1：
[0036] 如图1~5所示，一种多转角挤压模具，包括冲头3、螺栓5、上模1和下模2，上模1和下模2均为四面体，上模1的下表面设有向下的凹槽，下模2的上表面设有向上的凹槽，在上模1和下模2的凹槽两侧均匀设有螺栓孔6，上模1和下模2扣合，通过螺栓5紧固，上模1和下模2的凹槽形成挤压模具型腔，挤压模具型腔为多转角挤压型腔；如图4所示，所述多转角挤压型腔从挤压入口开始依次分为引导段型腔7，第一转角型腔8，第二转角型腔9，第三转角型腔10，第四转角型腔11和整形段型腔12，其中各个段型腔截面均为圆形，面积相等，但其中心线不在一条直线上，相邻段的中心轴线之间有夹角，各段型腔之间采用光滑小圆弧过渡。
[0037] 所述第一转角型腔8两端的第一截面和第二截面的横向位移为a，所述第二转角型腔9的第二截面和第三截面的纵向位移为a，所述第三转角型腔10两端的第三截面和第四截面的横向位移为a，所述第四转角型腔11的第四截面和第五截面的纵向位移为a。其中，a为转角型腔横截面圆形直径的1/6。
[0038] 所述第一转角型腔、第二转角型腔、第三转角型腔、第四转角型腔的两端截面的垂直距离均为b；a与b的关系为：
[0039] 或Arctan(b/a)=45°；
[0040] 所述螺栓均匀分布在上模、下模的两端，螺栓的个数为10个。
[0041] 本实施例采用上述多转角挤压模具，实现工业纯铜的剧烈塑性变形，具体的成形方法为：
[0042] （1）将上模和下模由螺栓紧固，使上模和下模的接触面完全贴合，螺栓均匀分布；
[0043] （2）对上模和下模形成的多转角挤压型腔涂抹冷挤压润滑剂，将第一预制坯料放入多转角挤压型腔的引导段型腔中，冲头以8 mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，使冲头的右端面与第一预制坯料的左端面贴合，当第一预制坯料的右端面与引导段型腔的右端截面相贴合时，冲头以8 mm/s的挤压速度向右挤压第一预制坯料，在挤压过程中，第一预制坯料在冲头的作用下，从引导段型腔向右挤压，到达引导段型腔和第一转角型腔的交接处，发生剪切变形，变成斜柱体；
[0044] （3）继续挤压，到达第一转角型腔和第二转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
[0045] （4）继续挤压，到达第二转角型腔和第三转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
[0046] （5）继续挤压，到达第三转角型腔和第四转角型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形；
[0047] （6）继续挤压，到达第四转角型腔和整形段型腔的交接处，材料发生与上次剪切方向垂直的剪切变形，进入到整形段型腔，并恢复为原来的圆柱形状，完成第一预制坯料的半挤压成形；
[0048] （7）重复以上步骤（2），将第二预制坯料放入到引导段型腔，并通过冲头的挤压作用，第二个预制坯料依次经过引导段型腔，第一转角型腔，第二转角型腔，第三转角型腔，第四转角型腔和整形段型腔，在第二预制坯料的挤压作用下，第一预制坯料从整形段型腔挤出，完成第一预制坯料的挤出成形，同时完成了第二预制坯料的半挤压成形。
[0049] 同样地，继续放入第三预制坯料，第四预制坯料，…… ，从而完成更多预制坯料的挤压成形与该阶段的半挤压成形。
[0050] 本实施例采用DEFORM-3D对工业纯铜坯料多转角挤压过程进行数值可视化模拟，获得其等效应变的分布情况如图6所示，可以看到随着多转角挤压的进行，坯料横截面的等效应变分布渐变趋于均匀化。
[0051] 从多转角挤压工业纯铜各转角处的试样进行横截面金相进行观察（选取横截面圆周部位），如图7所示，可以看到坯料横截面圆周部位的晶粒细化部位越来越大，即细化越来越均匀。
