一种金属材料剧烈塑性变形挤压模具的制作方法

本实用新型涉及金属材料剧烈塑性变形技术领域，特别涉及一种金属材料剧烈塑性变形模具。

背景技术：

超细晶/纳米晶金属材料具有强度高、耐磨损，优良的疲劳性能及蠕变性能等一系列优点，在航空航天、汽车船舶、生物医用等行业具有非常广泛的应用前景。超细晶/纳米晶金属材料的制备采用剧烈塑性变形挤压模具来完成。传统的剧烈塑性变形挤压模具结构复杂，制备工艺繁琐，成品率较低，大大限制了超细晶/纳米晶金属材料的应用范围；此外，传统的挤压模具由于试样与模具之间间隙较大，配合较差，导致挤压过程中金属材料出现反挤现象；金属流动至挤压杆与模具之间，需要非常大的外加挤压力才能继续进行，使得挤压杆受到巨大的外力，常常会出现挤压杆断裂或者金属不能继续流动的现象，而导致挤压失败的情况。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种金属材料剧烈塑性变形模具，以解决试样在挤压过程出现反挤现象，导致挤压试验失败的技术问题，满足不同金属材料的剧烈塑性变形挤压工艺，结构简单，易加工。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型提供了一种金属材料剧烈塑性变形挤压模具，包括挤压筒、挤压杆、挤压杆模座及挤压垫块；挤压筒中设置挤压通道，挤压试样设置在挤压通道中；挤压通道包括竖向挤压通道及横向挤压通道；竖向挤压通道的上端与挤压筒的上表面贯通，下端与横向挤压通道的一端连通，横向挤压通道的另一端与挤压筒的侧壁表面贯通；

挤压杆穿插在竖向挤压通道中，挤压杆的上端与挤压杆模座固定连接，挤压杆的下端与挤压试样接触；挤压杆与挤压试样之间设置挤压垫块，挤压垫块的横截面尺寸与挤压通道的横断面尺寸相匹配。

进一步的，竖向挤压通道与横向挤压通道之间的夹角与挤压试样的材质属性相匹配。

进一步的，竖向挤压通道与横向挤压通道的拐角处设置为圆弧倒角。

进一步的，挤压通道的截面为圆形、方形或矩形。

进一步的，挤压通道的表面涂抹有润滑剂；润滑剂采用mns2和石墨乳的混合物。

进一步的，挤压筒包括上挤压筒、下挤压筒及紧固件；上挤压筒设置在下挤压筒的上方，并通过紧固件可拆卸连接；竖向挤压通道贯穿上挤压筒的纵向轴线设置，上挤压筒的下端面设置有上半圆槽，下挤压筒的上端面设置下半圆槽，上半圆槽与下半圆槽紧密配合形成横向挤压通道。

进一步的，挤压杆模座的中间设置有上大下小的杯锥状通孔，挤压杆的上端设置有杯锥状杆头，杯锥状杆头配合设置在杯锥状通孔内，将挤压杆与挤压杆模座压紧固定连接在一起。

进一步的，挤压杆的杯锥状杆头与挤压杆模座的杯锥状通孔之间设置有防滑垫。

进一步的，挤压杆模座的杯锥状通孔的下边部设置为圆弧倒角。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供了一种金属材料剧烈塑性变形模具，通过在挤压杆与挤压试样之间设置挤压垫块，挤压垫块在挤压杆与挤压试样之间形成阻隔，试验过程中，避免了挤压试样在挤压过程中出现反挤现象造成试验失败的情况，减小了挤压力，提高了试验成功率，测试结果准确。

进一步的，将竖向挤压通道与横向挤压通道之间的夹角与挤压试样的材质竖向相匹配设置，确保了不同金属材料在竖向挤压通道与横向挤压通道的拐角处能够发生剧烈塑性变形，实现了将金属材料的晶粒细化至超细晶或纳米晶。

进一步的，将竖向挤压通道与横向挤压通道的拐角处设置为圆弧倒角，便于挤压试样在挤压过程中流动，确保了试验的顺利进行。

进一步的，通过将挤压通道的截面设置为圆形、方形或矩形等形状，形状及尺寸范围较大，大大增加了挤压模具在金属材料剧烈塑性变形中的应用范围。

进一步的，将挤压筒设置为上下两个部分，并通过紧固件可拆卸连接，方便试验结束后打开挤压模具取出挤压试样并清理挤压模具的挤压通道。

进一步的，通过在挤压杆和挤压杆模座设置防滑垫，有效增加了挤压杆与挤压杆模座之间的摩擦力，并消除了挤压杆产生应力集中和机械损伤。

进一步的，通过将挤压杆模座的杯锥状通孔的下边部设置为圆弧倒角，消除了在挤压过程中挤压杆产生应力集中。

本实用新型所述的一种金属材料剧烈塑性变形挤压模具，能够应用于制备超细晶/纳米晶金属材料剧烈塑性变形过程中，满足对不同金属材料的剧烈塑性变形挤压工艺，模具结构简单，容易加工，使用范围广，挤压过程安全稳定，可通过剧烈塑性变形挤压出表面光滑无裂纹的超细晶/纳米晶金属材料，使用方便，试验效果较好。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种金属材料剧烈塑性变形挤压模具的装配结构示意图；

图2为实施例1中的超细晶工业纯钛ta1挤压试样的透射电镜图；

图3为实施例1中的超细晶工业纯钛ta1挤压试样的应力-应变曲线图；

图4为实施例2中的超细晶/纳米晶工业纯钛挤压试样的透射电镜图；

图5为实施例2中的超细晶/纳米晶工业纯钛挤压试样的应力-应变曲线图。

其中，1挤压筒，2挤压杆，3挤压杆模座，4挤压垫块，5防滑垫，6挤压试样；11挤压通道；101上挤压筒，102下挤压筒，103紧固件。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如附图1所示，本实用新型提供了一种金属材料剧烈塑性变形挤压模具，包括挤压筒1、挤压杆2、挤压杆模座3及挤压垫块4；挤压筒1中设置有挤压通道11，挤压试样6放置在挤压通道11中；挤压杆2穿插在竖向挤压通道中，挤压杆2的上端与挤压杆模座3固定连接，挤压杆2的下端与挤压试样6接触；挤压杆2与挤压试样6之间设置挤压垫块4，挤压垫块4能够在挤压通道11内上下滑动，挤压垫块4的横截面与挤压通道11的横断面相同，且挤压垫块4的外径尺寸与挤压通道11的内径尺寸相匹配；挤压垫块4的高度为10-15mm。

挤压通道11包括竖向挤压通道及横向挤压通道；竖向挤压通道的上端与挤压筒1的上表面贯通，竖向挤压通道的中心线与挤压筒1的中心线重合；竖向挤压通道的下端与横向挤压通道的一端连通，横向挤压通道的另一端与挤压筒1的侧壁表面贯通。

竖向挤压通道与横向挤压通道之间的夹角与挤压试样6的材质属性相匹配，竖向挤压通道与横向挤压通道之间的夹角大小为90°-135°，确保了不同金属材料在竖向挤压通道与横向挤压通道的拐角处能够发生剧烈塑性变形，实现了将金属材料的晶粒细化至超细晶或纳米晶；竖向挤压通道与横向挤压通道的拐角处设置为圆弧倒角，便于挤压试样在挤压过程中流动，确保了试验的顺利进行。

挤压通道11的截面为圆形、方形或矩形，形状及尺寸范围较大，大大增加了挤压模具在金属材料剧烈塑性变形中的应用范围。

挤压通道11的表面涂抹有润滑剂，润滑剂采用mns2和石墨乳的混合物；其中，mns2和石墨乳按质量比为1：3的比例混合。

挤压筒1包括上挤压筒101、下挤压筒102及紧固件103；上挤压筒101设置在下挤压筒102的上方，并通过紧固件103可拆卸连接，紧固件103采用螺栓或紧固螺钉；竖向挤压通道贯穿上挤压筒101的纵向轴线设置，上挤压筒101的下端面设置有上半圆槽，下挤压筒102的上端面设置下半圆槽，上半圆槽与下半圆槽紧密配合形成横向挤压通道。

挤压杆模座3的中间设置有上大下小的杯锥状通孔，挤压杆2的上端设置有杯锥状杆头，杯锥状杆头配合设置在杯锥状通孔内，将挤压杆2与挤压杆模座3压紧固定连接在一起。挤压杆2的杯锥状杆头与挤压杆模座3的杯锥状通孔之间设置有防滑垫5。挤压杆模座3的杯锥状通孔的下边部设置为圆弧倒角。

使用方法及工作原理

使用时，首先，采用螺栓或紧固螺钉将上挤压筒101及下挤压筒102固定连接在一起，螺栓或紧固螺钉在挤压筒底部沿圆周均匀分布；确保上半圆槽与下半圆槽紧密配合形成横向挤压通道，并确保竖向挤压通道与横向挤压通道，按预设夹角贯通；

然后，在挤压筒1的挤压通道11内表面，均匀涂抹mns2和石墨乳按照一定比例混合的润滑剂；

接着，将挤压试样6放入挤压通道11内，并在挤压试样6的上部垫上挤压垫块4；

接着，在挤压杆模座3的杯锥状通孔上垫上防滑垫5，将挤压杆2的杯锥状杆头装入挤压杆模座3的杯锥状通孔中，预设压紧力压紧；

然后，将挤压杆2插入挤压筒1的挤压通道11中，完成挤压模具及挤压试样安装完毕；

最后，将装有变形模具的挤压模具放置在试验台上，按照预设的试验参数进行试验，待挤压试样全部流动通过竖向挤压通道及横向挤压通道的拐角后试验结束，挤压试样在挤压杆的作用下，当挤压试样通过竖向挤压通道及横向挤压通道的拐角处时，发生剧烈塑性变形，挤压试样的晶粒细化至超细晶/纳米晶。

本实用新型所述的一种金属材料剧烈塑形变形模具，传统的剧烈塑性变形模具设计为挤压杆直径小于挤压通道，在挤压过程中，金属会流动至挤压杆与挤压通道之间而出现反挤的现象。本实用新型在挤压杆与挤压试样之间增加挤压垫块，挤压垫块的高度设计为10-15mm，其横截面与挤压通道横断面尺寸相匹配，试验过程中，由于增加了挤压垫块，挤压垫块在挤压杆与挤压试样之间形成阻隔，避免了挤压试样在挤压过程中出现反挤现象造成试验失败的情况，减小了挤压力，提高了试验成功率，测试结果准确。

实施例1

实例1中，在室温条件下，采用将工业纯钛ta1加工为φ20mm棒状挤压试样，棒状挤压试样经过粗磨、细密以及抛光后，放入竖向挤压通道及横向挤压通道夹角为135°的剧烈塑性变形模具中；挤压通道内部均匀涂抹mns2+石墨乳混合润滑剂，然后将装有棒状挤压试样的模具放入试验台上，设定挤压速度为3.5mm/s，在室温下开启试验机进行挤压试验，待棒状试样变形完成后停机，打开挤压模具取出变形后的挤压试样。

将变形后的挤压试样制备为透射电镜样品，采用透射电镜对工业纯钛样品的组织观察，如图2所示，采用截线法测得工业纯钛ta1的平均晶粒尺寸约为182nm，晶粒细化至超细晶/纳米晶。在室温下对变形后的挤压试样进行拉伸实验，根据试验数据绘制超细晶工业纯钛ta1室温应力-应变曲线，如图3所示，测得超细晶工业纯钛ta1的抗拉强度为877.5mpa，测试结果准确。

实施例2

实例2中，在室温下将工业纯钛加工为18×20×150mm的矩形板状试样，矩形板状试样经过粗磨、细密以及抛光后，放入竖向挤压通道及横向挤压通道夹角为120°的剧烈塑性变形模具中；挤压通道内部均匀涂抹mns2和石墨乳按照一定比例混合的润滑剂，然后将装有矩形板状试样的挤压模具放在试验台上，设定挤压速度为2mm/s，在室温下开启试验机进行挤压试验，待矩形板状试样变形完成后停机，打开模具取出工业纯钛挤压变形后的挤压试样。

截取工业纯铁变形后的挤压试样并采用400#，600#，800#，1000#，1200#，1500#，2000#砂纸进行粗磨及细磨，然后用绒布进行抛光，最后采用电解抛光制备出透射电镜样品，工业纯钛透射电镜组织，如图4所示，采用截线法测得工业纯钛的组织约为176nm，晶粒细化至超细晶/纳米晶。在室温下对变形后得到的超细晶/纳米晶工业纯钛试样进行拉伸实验，拉伸速度为1×10^-3s^-1，开启试验机进行试验，待超细晶/纳米晶工业纯钛拉伸试样断裂后停机。根据试验数据绘制超细晶/纳米晶工业纯钛室温应力-应变曲线，如图5所示，计算出超细晶/纳米晶工业纯钛的室温抗拉强度为917.4mpa，测试结果准确。

本实用新型提供了一种金属材料剧烈塑性变形模具，通过在挤压杆与挤压试样之间设置挤压垫块，试验过程中，避免了挤压试样在挤压过程中出现反挤现象造成试验失败的情况，减小了挤压力，提高了试验成功率，测试结果准确。

以上所述仅表示本实用新型的优选实施方式，任何人在不脱离本实用新型的原理下而做出的结构变形、改进和润饰等，这些变形、改进和润饰等均视为在本实用新型的保护范围内。