1.本发明属于材料塑性成形技术领域，涉及圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具。
2.本发明还涉及圆柱坯料椭圆螺旋卧式连续挤压方法。
背景技术：3.大塑性变形通过在块体材料上施加很大的应变产生显著细化晶粒的效果，应用大塑性变形方法制备超细晶时，不易引入杂质，并且设备和装置较为简单，因此具有广阔的应用前景。新型大塑性变形技术——椭圆截面螺旋等通道挤压的工作原理是：挤压圆柱状坯料时，圆柱坯料截面在圆-椭圆过渡段，截面逐渐由圆转变为椭圆，随后在椭圆扭转变形段发生扭转变形，最后在椭圆-圆过渡段截面逐渐变回圆截面，该模具型腔通道内各个横截面面积保持不变，可以实现坯料多道次的往复挤压。李付国等在公开号为cn201371172y专利申请中提出一种变截面挤压模具，公开号为201711480u专利申请中提出一种用于长轴类锻件制坯的胎模，公开号cn201862645u专利申请中提出一种制备变通道超细晶铜铝线材的装置，共同的特点都是采用由圆截面到椭圆截面，再由椭圆截面到圆截面的变截面扭转式模具型腔制备预制工件；
4.然而目前变截面等通道模具沿用分瓣式设计，分为两片对称瓣模，两片瓣模形状相同，将两片瓣模通过紧固螺栓固定，使得成形挤压坯料时易飞边，导致模具卡死甚至模具破裂；此外往复挤压的方式虽然能积累大的变形量，但是一次只能加工一个坯料，效率较低，取样时需拆开整个模具，加速了模具的耗损，大大增加了人力成本，对于变截面等通道挤压方法的进一步推广和工业应用极为不利。
技术实现要素：5.本发明的目的是提供圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，解决了现有技术中飞边现象导致模具破裂问题。
6.本发明所采用的技术方案是，圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，包括模套，模套两侧分别安装有左定位板和右定位板，模套内嵌有凹模，凹模靠近左定位板的一端设有与凹模配合的凸模，凸模穿过左定位板与凹模配合，凹模靠近右定位板的一端开设有型腔。
7.本发明的特点还在于：
8.其中左定位板和右定位板结构相同，左定位板一侧为矩形挡板，左定位板另一侧为锥形凸起，左定位板和右定位板的锥形凸起分别内嵌于模套的两端；
9.其中锥形凸起斜度为45
°
；
10.其中模套为长方体形，模套两端分别设有左、右定位段，所述左、右定位段分别与左定位板、右定位板的锥形凸起过盈配合，通过螺栓将左定位板、右定位板与模套连接；
11.其中模套内开设有内腔，凹模嵌于内腔内与内腔过渡配合，凹模为圆台状，且凹模沿其轴向截面为梯形，所述凹模直径较大的一端靠近左定位板，且凹模两端分别与左定位板、右定位板的锥形凸起相抵，型腔内嵌于凹模内，型腔依次分为进料段、变形段和出料段，
进料段靠近左定位板，凸模伸入型腔的进料段；
12.其中凹模由两个对称的瓣模焊接而成；
13.其中型腔两端进料段的入口和出料段的出口处分别设置有倒角；
14.其中变形段依次具体分为圆-椭圆过渡段、椭圆扭转变形段和椭圆-圆过渡段，所述椭圆-圆过渡段靠近右定位板；
15.其中凸模、模套和凹模为同一中心轴线，凸模与凹模导向配合。
16.本发明第二个技术方案是，圆柱坯料椭圆螺旋卧式连续挤压方法，采用圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，具体按以下步骤实施：
17.步骤1，在圆柱坯料外壁和凹模型腔内壁涂抹润滑剂；
18.步骤2，将凹模与模套装配，利用左定位板、右定位板进行过渡配合，通过螺栓连接固定在挤压设备上，将润滑后的圆柱坯料放置于凹模型腔进料段，凸模进入进料段且凸模挤压工作端面与圆柱坯料后端面紧密配合，圆柱坯料前端面位于进料段a-a端面；
19.步骤3，挤压；凸模以2mm/s的挤压速度挤压圆柱坯料，当凸模的挤压工作端面到达a-a端面时，以速度30mm/s速度退出凹模和左定位板；
20.步骤4，后续挤压重复步骤2，将第二个圆柱坯料放置于凹模型腔进料段，重复步骤3，凸模以1mm/s速度挤压第二个圆柱坯料，利用第二个圆柱坯料挤压第一个圆柱坯料使第一个圆柱坯料通过变形段和出料段，挤出第一个圆柱坯料，凸模挤压工作端面达到a-a端面时，以30mm/s速度退出凹模和左定位板；
21.步骤5，后续挤压；重复步骤2，将第三个圆柱坯料放置于凹模型腔进料段，重复步骤3，凸模以1mm/s速度挤压第三个圆柱坯料，利用第三个圆柱坯料挤压第一个圆柱坯料和第二个圆柱坯料，使第二个圆柱坯料通过变形段和出料段，将第一个圆柱坯料从右定位板中心通孔处挤出，凸模挤压工作端面面达到a-a端面时，以30mm/s速度退出凹模5；
22.步骤6，连续挤压；将第一个挤出的变形圆柱试样放置于凹模型腔进料段，重复步骤2，凸模放入进料段且凸模挤压工作端面与圆柱坯料后端面紧密贴合，圆柱坯料前端面位于进料段a-a端面，重复步骤4、5连续对圆柱坯料进行多道次的挤压。
23.本发明的有益效果是：
24.利用本发明预制成形件时，通过挤压设备驱动凸模，从而使凸模挤压圆柱坯料，驱使坯料依次经过圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具型腔的进料段、变形段、和出料段，坯料截面形状先由圆截面变为椭圆截面，再经椭圆截面扭转，然后由椭圆截面变为圆截面，并进行多道次挤压，最后成形出预制工件；
25.本发明采取椭圆截面螺旋等通道挤压的技术方案，使坯料的挤压成形在横截面上完成扭转剪切变形和镦拔变形和扭转变形，实现一次挤压过程多种变形模式的组合，在坯料截面经历圆-椭圆-椭圆扭转-圆的变化阶段，材料进入金属过渡区的扭转剪切变形带，在剪切应力作用下，材料的内部组织发生了转动和剪切变形，引起组织结构取向的变化，既形成新的织构，又改善了同等变形程度的材料织构，圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合成形能够获得比传统成形工艺更大的变形程度，极大地改善管材内部应力分布和应变分布，有利于破碎试样残留铸造组织，改善夹杂物的形态和分布，消除组织缺陷，细化晶粒，改善材料性能；
26.本发明发挥现有技术的优势，提出一种圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，采
用焊接的方法将两片瓣模焊合成为整体，减少局部应力集中倾向，消除坯料挤压扭转过程中飞边现象，提高模具寿命；同时凹模外的模套与凹模过渡配合，通过左、右定位板固定在挤压设备上，提高模具强度，在挤压方向上凹模与模套由于力的作用会越挤越紧，因而能在挤压方向上保持很好的轴向固定，此外模套的设计使模具的使用不受设备的限制，具有很好的通用性；变形前后坯料的直径保持不变，利于累积较大的变形量，实现晶粒细化，同时利于改善坯料的应力分布和应变分布，改善变形织构，提高预制件的强度和力学性能。
27.本发明基于椭圆螺旋等通道挤压模具提出圆柱坯料椭圆螺旋卧式连续挤压方法，凸模以一定速率推动圆柱试样在变形段完成圆-椭圆、椭圆扭转、椭圆-圆的变形，然后退出凸模，放入第二根坯料，重复完成变形过程的同时挤压第一根圆柱坯料通过出料段，退出凸模，放入第三根圆柱坯料，利用凸模挤压圆柱坯料使其通过变形段，同时第二根坯料通过出料段，将第一个坯料从右定位板挤出，退出凸模同时将新挤出的坯料重新放入进料段挤压。重复上述过程，可以实现圆柱坯料的连续多道次挤压，有利于增加坯料变形量，显著细化晶粒，同时方便取出试样，提高加工效率，减小模具磨损程度，增加模具寿命，有利于变截面等通道挤压方法的进一步的推广和应用。
附图说明
28.图1是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具的结构示意图；
29.图2是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中左定位板示意图；
30.图3是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中模套示意图；
31.图4是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中凸模示意图；
32.图5是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中凹模示意图；
33.图6是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中凹模型腔示意图；
34.图7是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中右定位板示意图；
35.图8是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中模套-凹模配合示意图；
36.图9是本发明的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具中模套-凹模配合a-a、b-b、c-c、d-d、e-e截面示意图。
37.图中，1.左定位板，2.模套，3.凸模，4.圆柱坯料，5.凹模，6.型腔，7.右定位板，a.椭圆-圆过渡段，b.椭圆扭转变形段，c.椭圆-圆过渡段，a-a为椭圆-圆过渡段左端圆截面，b-b为椭圆-圆过渡段右端椭圆截面，c-c为椭圆扭转变形段扭转角为45
°
截面，d-d为椭圆扭转变形段扭转90
°
截面，e-e为椭圆-圆过渡段右端圆截面。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
39.本发明提供了圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具：
40.如图1所示，圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具包括：左定位板1、模套2、凸模3、圆柱坯料4、凹模5和右定位板7；
41.如图2和图7所示，左定位板1、右定位板7分别位于模套2左、右两侧，形状和尺寸完全一致；左定位板1由左侧矩形挡板和右侧锥形凸起组成，矩形挡板尺寸为150
×
150
×
35mm，锥形凸起斜度为45
°
，从锥形凸起底端到顶端距离为25mm，凸起顶端圆直径为φ50mm，
矩形块四个角出分别加工出孔径为φ12mm的螺栓连接通孔，左定位板1中心有孔径为φ30mm、长度为60mm的通孔，左定位板1右端锥形凸起与模套2左定位段过盈配合，通过紧固螺栓固定在设备上，凸模3从左定位板1通孔进入凹模5进料段；右定位板7中心有孔径为φ30mm、长度为60mm的通孔，右定位板左端锥形凸起与左侧模套右定位段过盈配合，通过紧固螺栓固定在设备上；
42.如图3所示，模套2外部为长方体形，尺寸为99
×
99
×
180mm，四条棱分别倒圆r15mm，模套2内腔左、右两端分别为左、右定位段，左、右定位段是倾斜度为45
°
的圆台，定位段长度为20mm，定位段圆台小径为φ50mm，大径为φ90mm，模套2与左定位板1、右定位板7通过过盈配合h7/s6固定，模套2内腔中间为凹模5配合段，长度为140mm，凹模5配合段从左往右直径依次减小，本实施例倾斜度为2
°
，与凹模5通过过渡配合连接，配合公差为h7/k6，凹模5配合段粗糙度为ra0.32um；
43.如图4所示，凸模3右端为挤压工作端，与圆柱试样左端面相接触，左端面为装夹固定端，与挤压设备连接，凸模3直径与圆柱坯料4直径相同，凸模3长度等于凹模进料段长度；凸模3与模套2、圆柱坯料4和凹模5的中心轴线重合，凸模3与凹模5为导向配合；圆柱坯料直径为φ15mm，长度为30mm；
44.如图5所示，凹模5为两个对称的瓣模，通过焊接将两个瓣模焊合成为整体凹模；凹模5外部轮廓为圆台，直径从左往右依次连续减小，左端直径为φ39mm，右端直径为φ30，倾斜度为2
°
，与模套2过渡配合，凹模5内腔分为进料段、变形段和出料段，凹模型腔6如图6所示，进料段和出料段位于凹模5左右两端，进料段左侧和出料段右侧分别设计2mm
×
45
°
倒角，便于定位和取样，定位段长度为60mm，直径为φ15mm，出料段直径等于定位段直径，长度为50mm。
45.变形段为等面积的变截面通道，逐渐由圆截面变为椭圆截面，在由椭圆截面变回圆截面，各个圆截面和椭圆截面之间光滑过渡，分别是圆-椭圆截面过渡段a，椭圆扭转变形段b和椭圆-圆截面过渡通道c；
46.如图8所示，椭圆扭转变形段b左端与圆-椭圆截面过渡段a光滑连接，右端与椭圆-圆截面过渡段c光滑连接；椭圆扭转变形段b截面为椭圆，且椭圆型腔绕着型腔轴线光滑扭转，使椭圆扭转变形段b内两端的椭圆截面旋转0-120
°
；本实施例中椭圆截面扭转角度为90
°
，如图9所示a-a、b-b、c-c、d-d、e-e截面所示，外部圆角矩形为模套，中间大圆为凹模外部尺寸，尺寸依次减小，内部在a-a截面处为圆形，在b-b截面处为椭圆，椭圆面积与a-a截面处面积相等，椭圆长短轴本实施例取1.55，c-c截面为椭圆绕型腔轴线旋转45
°
截面，d-d截面为椭圆绕型腔轴线旋转90
°
截面，e-e截面为椭圆-圆过渡段圆截面；
47.中间椭圆扭转变形段b长度为10mm，圆-椭圆截面过渡段a与进料段和椭圆扭转变形段b光滑连接，其截面由圆向椭圆截面光滑过渡，且圆截面面积等于圆-椭圆截面过渡段a的椭圆截面的面积；圆-椭圆过渡段a长度为10mm；
48.椭圆-圆截面过渡段c与椭圆扭转变形段和出料段光滑连接，其截面由椭圆向圆光滑过渡，圆截面面积等于圆-椭圆截面过渡段c的椭圆截面的面积；椭圆-圆过渡段c长度为10mm。
49.本发明还提供了一种圆柱坯料椭圆螺旋卧式连续挤压方法，具体按以下步骤实施：
50.步骤1，准备；在圆柱坯料4外壁和凹模型腔6内壁涂抹润滑剂；
51.步骤2，装配；将凹模5与模套2装配，利用左定位板1、右定位板7过渡配合，通过螺栓连接固定在挤压设备上，将润滑后的圆柱坯料4放置于凹模型腔6进料段，凸模3进入进料段且凸模3挤压工作端面与圆柱坯料4后端面紧密配合，圆柱坯料4前端面位于进料段a-a端面；
52.步骤3，挤压；凸模3以2mm/s的挤压速度挤压圆柱坯料4，当凸模3的挤压工作端面到达a-a端面时，以速度30mm/s速度退出凹模5和左定位板1；
53.步骤4，后续挤压重复步骤2，将第二个圆柱坯料放置于凹模型腔6进料段，凸模3进入进料段且凸模3挤压工作端面与坯料后端面紧密配合，圆柱坯料前端面位于进料段a-a端面，重复步骤3，凸模3以1mm/s速度挤压第二个圆柱坯料，利用第二个圆柱坯料挤压第一个圆柱坯料使第一个圆柱坯料通过变形段和出料段，挤出第一个圆柱坯料，凸模3挤压工作端面达到a-a端面时，以30mm/s速度退出凹模和左定位板；
54.步骤5，后续挤压；重复步骤2，将第三个圆柱坯料放置于凹模型腔进料段，凸模3进入进料段且凸模3挤压工作端面与坯料后端面紧密配合，圆柱坯料前端面位于进料段a-a端面，重复步骤3，凸模以1mm/s速度挤压第三个圆柱坯料，利用第三个圆柱坯料挤压第一个圆柱坯料和第二个圆柱坯料，使第二个圆柱坯料通过变形段和出料段，将第一个圆柱坯料从右定位板7中心通孔处挤出，凸模3挤压工作端面面达到a-a端面时，以30mm/s速度退出凹模5；
55.步骤6，连续挤压；将第一个挤出的变形圆柱试样放置于凹模型腔6进料段，重复步骤2，凸模3放入进料段且凸模3挤压工作端面与圆柱坯料后端面紧密贴合，圆柱坯料前端面位于进料段a-a端面，重复步骤4、5连续对圆柱坯料进行多道次的挤压。
技术特征：1.圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，包括模套(2)，模套(2)两侧分别安装有左定位板(1)和右定位板(7)，模套(2)内嵌有凹模(5)，凹模(5)靠近左定位板(1)的一端设有与凹模(5)配合的凸模(3)，凸模(3)穿过左定位板(1)与凹模(5)配合，凹模(5)靠近右定位板(7)的一端开设有型腔(6)。2.根据权利要求1所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述左定位板(1)和右定位板(7)结构相同，左定位板(1)一侧为矩形挡板，左定位板(1)另一侧为锥形凸起，左定位板(1)和右定位板(7)的锥形凸起分别内嵌于模套(2)的两端，左定位板(1)和右定位板(7)中心处分别开设有通孔，凸模(3)穿过左定位板(1)与凹模配合。3.根据权利要求2所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述锥形凸起斜度为45
°
。4.根据权利要求2所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述模套(2)为长方体形，模套(2)两端分别设有左、右定位段，所述左、右定位段分别与左定位板(1)、右定位板(7)的锥形凸起过盈配合，通过螺栓将左定位板(1)、右定位板(7)与模套(2)连接。5.根据权利要求1所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述模套(2)内开设有内腔，凹模(5)嵌于内腔内与内腔过渡配合，凹模(5)为圆台状，且凹模(5)沿其轴向截面为梯形，所述凹模(5)直径较大的一端靠近左定位板(1)，且凹模(5)两端分别与左定位板(1)、右定位板(7)的锥形凸起相抵，型腔(6)内嵌于凹模(5)内，型腔(6)依次分为进料段、变形段和出料段，进料段靠近左定位板(1)，凸模(3)伸入型腔(6)的进料段。6.根据权利要求5所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述凹模(5)有两个对称的瓣模焊接而成。7.根据权利要求5所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述型腔(6)两端进料段的入口和出料段的出口处分别设置有倒角。8.根据权利要求5所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述变形段依次具体分为圆-椭圆过渡段、椭圆扭转变形段和椭圆-圆过渡段，所述椭圆-圆过渡段靠近右定位板(7)。9.根据权利要求1所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，所述凸模(3)、模套(2)和凹模(5)为同一中心轴线，凸模(3)与凹模(5)导向配合。10.圆柱坯料椭圆螺旋卧式连续挤压方法，采用权利要求1～9所述的圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1，在圆柱坯料(4)外壁和凹模型腔(6)内壁涂抹润滑剂；步骤2，将凹模(5)与模套(2)装配，利用左定位板(1)、右定位板(7)进行过渡配合，通过螺栓连接固定在挤压设备上，将润滑后的圆柱坯料(4)放置于凹模型腔(6)进料段，凸模(3)进入进料段且凸模(3)挤压工作端面与圆柱坯料(4)后端面紧密配合，圆柱坯料(4)前端面位于进料段a-a端面；步骤3，挤压；凸模(3)以2mm/s的挤压速度挤压圆柱坯料，当凸模(3)的挤压工作端面到达a-a端面时，以速度30mm/s速度退出凹模(5)和左定位板(1)；步骤4，后续挤压重复步骤2，将第二个圆柱坯料放置于凹模型腔(6)进料段，重复步骤3，凸模(3)以1mm/s速度挤压第二个圆柱坯料，利用第二个圆柱坯料挤压第一个圆柱坯料使
第一个圆柱坯料通过变形段和出料段，挤出第一个圆柱坯料，凸模(3)挤压工作端面达到a-a端面时，以30mm/s速度退出凹模(5)和左定位板(1)；步骤5，后续挤压；重复步骤2，将第三个圆柱坯料放置于凹模型腔进料段，重复步骤3，凸模(3)以1mm/s速度挤压第三个圆柱坯料，利用第三个圆柱坯料挤压第一个圆柱坯料和第二个圆柱坯料，使第二个圆柱坯料通过变形段和出料段，将第一个圆柱坯料从右定位板(7)中心通孔处挤出，凸模(3)挤压工作端面面达到a-a端面时，以30mm/s速度退出凹模5；步骤6，连续挤压；将第一个挤出的变形圆柱试样放置于凹模型腔(6)进料段，重复步骤2，凸模(3)放入进料段且凸模(3)挤压工作端面与圆柱坯料后端面紧密贴合，圆柱坯料前端面位于进料段a-a端面，重复步骤4、5连续对圆柱坯料进行多道次的挤压。
技术总结本发明公开了圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具，包括凹模、凸模、模套、定位板等，凹模的型腔为特征椭圆螺旋式型腔，组合模具通过相互组合搭配，实现了对圆柱坯料的连续挤压变形，能够满足圆柱坯料的多道次应变累积；同时，本发明基于圆柱坯料椭圆螺旋卧式挤压组合模具提出了对变形凹模进行焊接连接的方式，解决了现有瓣模模具挤压坯料造成飞边现象从而导致模具破裂的问题，并实现了大载荷连续挤压下对材料的大塑性变形，为材料达到应变累积效应而发生细晶强化提供了工艺支撑。而发生细晶强化提供了工艺支撑。而发生细晶强化提供了工艺支撑。
技术研发人员：冯鹏发 李江 李付国
受保护的技术使用者：金堆城钼业股份有限公司
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
