本发明公开了一种等通道剪切挤压模具及成形方法，属于金属材料的挤压成形技术领域。模具外部为长方体结构，内部为型腔，该型腔分为入口段、剪切变形一段、剪切变形一恢复段、剪切变形二段、剪切变形二恢复段和出口段。坯料在剪切应力的作用下，发生剧烈剪切应变，实现晶粒的剪切破碎，从而达到了细化晶粒的效果；同时，坯料受到挤压型腔的限制，处于强烈的压应力状态，压应力状态下的坯料晶间变形困难，可以抑制变形体原来存在的各种微观缺陷的发展；可进行多道次剪切挤压，最后成形出变形均匀的超细晶坯料；变形前后坯料的形状和尺寸不发生变化，可实现重复多道次的挤压变形，可显著提高坯料的塑性变形。
1.一种等通道剪切挤压模具，其特征在于：外部为长方体结构，内部为型腔，型腔的腔壁四个面有两个相对的面是平行的平面，另外两个相对的面是曲面，该型腔分为入口段、剪切变形一段、剪切变形一恢复段、剪切变形二段、剪切变形二恢复段和出口段；其中：所述入口段型腔为长方体结构，其横截面为正方形截面，正方形截面的形状和尺寸与坯料横截面的形状和尺寸相同，正方形截面的边长为a；入口段高度为4c，且0.8a≤c≤2a；
剪切变形一段型腔为正方形截面向平行四边形截面光滑过渡阶段，剪切变形一段和剪切变形一恢复段交界处的横截面为第一平行四边形，第一平行四边形的倾斜角为α，30°≤α≤60°，剪切变形一段的高度为c；
剪切变形一恢复段型腔为第一平行四边形截面向正方形截面光滑过渡阶段，正方形截面的形状和尺寸与入口段型腔横截面的形状和尺寸相同，剪切变形一恢复段型腔的高度为c；
剪切变形二段型腔为正方形截面向平行四边形截面光滑过渡阶段， 剪切变形二段和剪切变形二恢复段交界处的横截面为第二平行四边形，第二平行四边形的倾斜角为β，β=
180°－α，第一平行四边形水平反转可得到第二平行四边形，剪切变形二段型腔的高度为c；
剪切变形二恢复段型腔为平行四边形截面向正方形截面光滑过渡阶段，剪切变形二恢复段型腔的高度为c；
出口段型腔为长方体结构，其横截面为正方形截面，正方形截面的形状和尺寸与入口段型腔横截面的形状和尺寸相同，正方形截面的边长为a，出口段的高度为c。
2.根据权利要求1所述的等通道剪切挤压模具，其特征在于：所述剪切变形一段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从直角逐渐过渡为α角，剪切变形一恢复段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从α角逐渐过渡为直角；
所述剪切变形二段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从直角逐渐过渡为β角，剪切变形二恢复段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从β角逐渐过渡为直角。
3.根据权利要求1所述的等通道剪切挤压模具，其特征在于：所述剪切变形一段型腔的上端面为正方形，下端面为第一平行四边形，所述剪切变形一恢复段型腔的下端面为正方形，且该正方形与入口段的正方形截面在竖直方向完全重合；
所述剪切变形二段型腔的上端面为正方形，下端面为第二平行四边形，所述剪切变形二恢复段型腔的下端面为正方形，且该正方形与入口段的正方形截面在竖直方向完全重合。
4.一种利用权利要求1~3任一项所述的等通道剪切挤压模具成形坯料的方法，包括以下步骤：
步骤一，准备：对预处理坯料进行退火处理，并清洁坯料外表面和剪切挤压模具的型腔内壁，并在坯料外表面和剪切挤压模具的型腔内壁上涂抹挤压润滑剂；
步骤二，预挤压：将等通道剪切挤压模具固定装配在挤压液压机上，将挤压冲头连接固定到液压机的上活动横梁，将坯料放置于剪切挤压模具型腔的入口段中，开动液压机，上活动横梁下降，下降速度为10~20mm/s，当挤压冲头的挤压端面与所成形坯料的端面相接触后，液压机停止工作；
步骤三，成形挤压：开动液压机，上活动横梁继续下降，冲头以1~10mm/s的挤压速度挤压坯料，挤压冲头的挤压端面抵达入口段的下端面时，冲头以10~20mm/s的上升速度提升挤压冲头；方形坯料的截面在剪切挤压模具型腔内由正方形变为平行四边形，再恢复变成正方形，再变成平行四边形，最后恢复变成正方形，完成第一预处理坯料的剪切挤压变形；
步骤四，挤出成形：将第二预处理坯料放置于剪切挤压模具型腔的入口段中，开动液压机，上活动横梁下降，下降速度为10~20mm/s，当挤压冲头的挤压端面与所成形坯料的端面相接触后，液压机停止工作；再次开动液压机，上活动横梁继续下降，冲头以1~10mm/s的挤压速度挤压坯料，当挤压冲头的挤压端面抵达入口段的下端面时，冲头以10~20mm/s的上升速度提升冲头，第二预处理坯料会将第一预处理坯料挤出剪切挤压模具型腔；
步骤五，后续挤压：重复步骤三和步骤四完成第二、第三……预处理坯料的剪切挤压变形。
一种等通道剪切挤压模具及成形方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种等通道剪切挤压模具及成形方法，属于金属材料的挤压成形技术领域。
背景技术
[0002] 挤扭（TE）是最近几年才出现的一种剧烈塑性变形（SPD）新方法（J Mater Process Tech, 2009, 209(7): 3650），由于TE模具型腔的两端为方形直通道，中间为方形螺旋通道。因而材料在TE过程中经受剧烈的剪切变形。与其他SPD方法相比，TE变形材料的横截面应变梯度很大，有利于晶粒细化；TE作为单向挤压变形，可在现有通用挤压设备上实现。尽管TE的应用范围和工业化前景十分广阔，但TE螺旋通道部分棱角明显，加工难度大，成本较高，另外，TE模具容易开裂，磨损比较严重，寿命也较低。
[0003] 在公开号分别为CN201371172Y、CN201711480U和CN201862645U的中国专利中，模具通道采用了圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面扭转再变为圆截面的方法，尽管将TE的应用范围扩展到圆形截面坯料，但也存在载荷大、成本高的不足之处。国外也提出了Axi-symmetric forward spiral extrusion（Mech Mater, 2011, 43(11): 684）和Vortex extrusion（Mater Sci Eng A, 2011, 530: 469）的成形方法，但是与TE相比，成形细化晶粒效果不佳。
[0004] 可见，现有方法在成形效果和工艺条件上还存在着不足之处。
发明内容
[0005] 本发明提出了一种等通道剪切挤压模具，该模具可用于剧烈塑性变形制备超细晶坯料，可在现有锻压成形设备上进行设计改进，具有现实可行性和工业应用性；该模具具有通用性强，生产成本低，载荷要求低的优点。本发明还提供了等通道剪切挤压成形方法。
[0006] 本发明提供的一种等通道剪切挤压模具，外部为长方体结构，内部为型腔，型腔的腔壁四个面有两个相对的面是平行的平面，另外两个相对的面是曲面，该型腔分为入口段、剪切变形一段、剪切变形一恢复段、剪切变形二段、剪切变形二恢复段和出口段；其中：
[0007] 所述入口段型腔为长方体结构，其横截面为正方形截面，正方形截面的形状和尺寸与坯料横截面的形状和尺寸相同，正方形截面的边长为a，入口段高度为4c，既要保证挤压剪切变形的效率，又要保证挤压载荷不至于过大，选取0.8a≤c≤2a；
[0008] 剪切变形一段型腔为正方形截面向平行四边形截面光滑过渡阶段，剪切变形一段和剪切变形一恢复段交界处的横截面为第一平行四边形，第一平行四边形的倾斜角为α，30°≤α≤60°，剪切变形一段的高度为c；
[0009] 剪切变形一恢复段型腔为第一平行四边形截面向正方形截面光滑过渡阶段，正方形截面的形状和尺寸与入口段型腔横截面的形状和尺寸相同，剪切变形一恢复段型腔的高度为c；
[0010] 剪切变形二段型腔为正方形截面向平行四边形截面光滑过渡阶段，剪切变形二段和剪切变形二恢复段交界处的横截面为第二平行四边形，第二平行四边形的倾斜角为β，β=180°－α，第一平行四边形水平反转可得到第二平行四边形，剪切变形二段型腔的高度为c；
[0011] 剪切变形二恢复段型腔为平行四边形截面向正方形截面光滑过渡阶段，剪切变形二恢复段型腔的高度为c；
[0012] 出口段型腔为长方体结构，其横截面为正方形截面，正方形截面的形状和尺寸与入口段型腔横截面的形状和尺寸相同，正方形截面的边长为a，出口段的高度为c。
[0013] 上述方案中，剪切变形一段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从直角逐渐过渡为α角，剪切变形一恢复段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从α角逐渐过渡为直角；
[0014] 上述方案中，剪切变形二段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从直角逐渐过渡为β角，剪切变形二恢复段型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的倾斜角从β角逐渐过渡为直角。
[0015] 上述方案中，剪切变形一段型腔的上端面为正方形，下端面为第一平行四边形；所述剪切变形一恢复段型腔的下端面为正方形，且该正方形与入口段的正方形截面在竖直方向完全重合；
[0016] 剪切变形二段型腔的上端面为正方形，下端面为第二平行四边形；所述剪切变形二恢复段型腔的下端面为正方形，且该正方形与入口段的正方形截面在竖直方向完全重合。
[0017] 本发明提供了一种利用上述等通道剪切挤压模具成形坯料的方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤一，准备：对预处理坯料进行退火处理，并清洁坯料外表面和剪切挤压模具的型腔内壁，并在坯料外表面和剪切挤压模具的型腔内壁上涂抹挤压润滑剂；
[0019] 步骤二，预挤压：将等通道剪切挤压模具固定装配在挤压液压机上，将挤压冲头连接固定到液压机的上活动横梁，将坯料放置于剪切挤压模具型腔的入口段中，开动液压机，上活动横梁下降，下降速度为10~20mm/s，当挤压冲头的挤压端面与所成形坯料的端面相接触后，液压机停止工作；
[0020] 步骤三，成形挤压：开动液压机，上活动横梁继续下降，冲头以1~10mm/s的挤压速度挤压坯料，挤压冲头的挤压端面抵达入口段的下端面时，冲头以10~20mm/s的上升速度提升挤压冲头；方形坯料的截面在剪切挤压模具型腔内由正方形变为平行四边形，再恢复变成正方形，再变成平行四边形，最后恢复变成正方形，完成第一预处理坯料的剪切挤压变形；
[0021] 步骤四，挤出成形：将第二预处理坯料放置于剪切挤压模具型腔的入口段中，开动液压机，上活动横梁下降，下降速度为10~20mm/s，当挤压冲头的挤压端面与所成形坯料的端面相接触后，液压机停止工作；再次开动液压机，上活动横梁继续下降，冲头以1~10mm/s的挤压速度挤压坯料，当挤压冲头的挤压端面抵达入口段的下端面时，冲头以10~20mm/s的上升速度提升冲头，第二预处理坯料会将第一预处理坯料挤出剪切挤压模具型腔。
[0022] 步骤五，后续挤压：重复步骤三和步骤四完成第二、第三……预处理坯料的剪切挤压变形。
[0023] 本发明提出了一种用于坯料的等通道剪切挤压模具，利用本发明通过挤压设备驱动冲头，使坯料依次经过等通道剪切挤压模具型腔的入口段、剪切变形一段、剪切变形一恢复段、剪切变形二段、剪切变形二恢复段、出口段，坯料截面形状先由正方形截面变为第一平行四边形截面，再经第一平行四边形截面恢复变成正方形截面，然后由正方形截面变为第二平行四边形截面，再经第二平行四边形截面恢复变成正方形截面，可进行多道次剪切挤压，最后成形出变形均匀的超细晶坯料。
[0024] 坯料进入模具后，其截面分别经过了正方形截面→第一平行四边形截面→正方形截面→第二平行四边形截面→正方形截面，这种变形实际上为扭转剪切变形和挤压变形的结合，实现了一道次挤压过程中多种变形模式的组合。使用本发明对坯料进行变形时，坯料在剪切应力的作用下，发生剧烈剪切应变，实现晶粒的剪切破碎，从而达到了细化晶粒的效果。同时，坯料受到挤压型腔的限制，处于强烈的压应力状态，压应力状态下的坯料晶间变形困难，可以抑制变形体原本存在的各种微观缺陷的发展。此外，变形前后坯料的形状和尺寸不发生变化，所以可实现重复多道次的挤压变形，可显著提高坯料的塑性变形。
[0025] 本发明的有益效果：
[0026] （1）坯料在剪切应力的作用下，发生剧烈剪切应变，实现晶粒的剪切破碎，从而达到了细化晶粒的效果；同时，坯料受到挤压型腔的限制，处于强烈的压应力状态，压应力状态下的坯料晶间变形困难，可以抑制变形体原来存在的各种微观缺陷的发展；可进行多道次剪切挤压，最后成形出变形均匀的超细晶坯料。
[0027] （2）变形前后坯料的形状和尺寸不发生变化，可实现重复多道次的挤压变形，可显著提高坯料的塑性变形。
[0028] （3）该模具具有通用性强，生产成本低，载荷要求低的优点，可用于剧烈塑性变形制备超细晶坯料，可在现有锻压成形设备上进行设计改进，具有现实可行性和工业应用性。
附图说明
[0029] 图1是等通道剪切挤压模具结构示意图。
[0030] 图2是等通道剪切挤压模具型腔示意图。
[0031] 图3是图2的A向视图。
[0032] 图4是等通道剪切挤压模具各型腔交界截面图。
[0033] 图5是实施例纯铝坯料经等通道剪切挤压变形前后组织金相图。
[0034] 其中，1.入口段；2. 剪切变形一段；3.剪切变形一恢复段；4.剪切变形二段；5.剪切变形二恢复段；6.出口段；B是入口段与剪切变形一段相交的截面；C是剪切变形一段与剪切变形一恢复段相交的截面；D是剪切变形一恢复段与剪切变形二段相交的截面；E是剪切变形二段与剪切变形二恢复段相交的截面；F是剪切变形二恢复段与出口段相交的截面。
具体实施方式
[0035] 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。
[0036] 对尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的长方体纯铝坯料进行等通道剪切挤压成形。
[0037] 图1~4示出了等通道剪切挤压模具的结构，外部为长方体结构，内部为型腔，型腔的腔壁四个面有两个相对的面是平行的平面，另外两个相对的面是曲面，该型腔分为入口段1、剪切变形一段2、剪切变形一恢复段3、剪切变形二段4、剪切变形二恢复段5和出口段6；其中：
[0038] 所述入口段1型腔为长方体结构，其横截面为正方形截面，正方形截面的形状和尺寸与坯料横截面的形状和尺寸相同，正方形截面的边长为100 mm，入口段高度为600 mm。
[0039] 剪切变形一段2型腔为正方形截面向平行四边形截面光滑过渡阶段，剪切变形一段和剪切变形一恢复段交界处的横截面为第一平行四边形，第一平行四边形的倾斜角为40°，剪切变形一段的高度为150 mm；
[0040] 剪切变形一恢复段3型腔为第一平行四边形截面向正方形截面光滑过渡阶段，正方形截面的形状和尺寸与入口段型腔横截面的形状和尺寸相同，剪切变形一恢复段型腔的高度为150 mm；
[0041] 剪切变形二段4型腔为正方形截面向平行四边形截面光滑过渡阶段，剪切变形二段和剪切变形二恢复段交界处的横截面为第二平行四边形，第二平行四边形的倾斜角为140°，第一平行四边形水平反转可得到第二平行四边形，剪切变形二段型腔的高度为150 mm；
[0042] 剪切变形二恢复段5型腔为平行四边形截面向正方形截面光滑过渡阶段，剪切变形二恢复段型腔的高度为150 mm；
[0043] 出口段6型腔为长方体结构，其横截面为正方形截面，正方形截面的形状和尺寸与入口段型腔横截面的形状和尺寸相同，正方形截面的边长为100 mm，出口段的高度为150 mm。
[0044] 上述方案中，剪切变形一段2型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的最小夹角从直角逐渐过渡为40°角，剪切变形一恢复段3型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的最小夹角从40°角逐渐过渡为直角；
[0045] 上述方案中，剪切变形二段4型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的最小夹角从直角逐渐过渡为140°角，剪切变形二恢复段5型腔的任意横截面均为平行四边形，且从上到下平行四边形的最小夹角从140°角逐渐过渡为直角。
[0046] 上述方案中，剪切变形一段2型腔的上端面为正方形，下端面为第一平行四边形；所述剪切变形一恢复段3型腔的下端面为正方形，且该正方形与入口段的正方形截面在竖直方向完全重合；
[0047] 剪切变形二段4型腔的上端面为正方形，下端面为第二平行四边形；所述剪切变形二恢复段5型腔的下端面为正方形，且该正方形与入口段的正方形截面在竖直方向完全重合。
[0048] 采用上述等通道剪切挤压模具成形坯料的方法，包括以下步骤：
[0049] 步骤一，准备：对预处理纯铝坯料进行退火处理，加热至410℃，保温4 h，然后空冷，并清洁坯料外表面和剪切挤压模具的型腔内壁，并在坯料外表面和剪切挤压模具的型腔内壁上涂抹石墨润滑剂；
[0050] 步骤二，预挤压：将等通道剪切挤压模具固定装配在挤压液压机上，将挤压冲头连接固定到液压机的上活动横梁，将坯料放置于剪切挤压模具型腔的入口段中，开动液压机，上活动横梁下降，下降速度为15mm/s，当挤压冲头的挤压端面与所成形坯料的端面相接触后，液压机停止工作；
[0051] 步骤三，成形挤压：开动液压机，上活动横梁继续下降，冲头以8mm/s的挤压速度挤压坯料，挤压冲头的挤压端面抵达入口段的下端面时，冲头以15mm/s的上升速度提升挤压冲头；方形坯料的截面在剪切挤压模具型腔内由正方形变为平行四边形，再恢复变成正方形，再变成平行四边形，最后恢复变成正方形，完成第一预处理坯料的剪切挤压变形；
[0052] 步骤四，挤出成形：将第二预处理坯料放置于剪切挤压模具型腔的入口段中，开动液压机，上活动横梁下降，下降速度为15mm/s，当挤压冲头的挤压端面与所成形坯料的端面相接触后，液压机停止工作；再次开动液压机，上活动横梁继续下降，冲头以8mm/s的挤压速度挤压坯料，当挤压冲头的挤压端面抵达入口段的下端面时，冲头以15mm/s的上升速度提升冲头，第二预处理坯料会将第一预处理坯料挤出剪切挤压模具型腔。
[0053] 步骤五，后续挤压：重复步骤三和步骤四完成第二、第三……预处理坯料的剪切挤压变形。
[0054] 图5示出了纯铝坯料的等通道剪切挤压变形前后的金相图，经等通道剪切挤压变形后，纯铝坯料的平均晶粒得到细化，由于剪切挤压变形的强烈剪切作用，看到晶粒被明显拉长和细化。
[0055] 本发明的目的在于提出了一种简单易操作的等通道剪切挤压新方法，以满足现代生产的发展需求。通过更改模具的形状和尺寸，具体实施方式不变，满足不同坯料的等通道剪切挤压成形要求，更多的成形实施例不便胜举。
