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材的的等径角挤压 摘要 本文介绍的是不同宽厚比（ W/T）的长矩形坯料的等径角挤压的问题。并对内部塑性变形区和进出口通道进行了应力分析，他们是有接触擦力和板材的几何形状确定的。同时，对及加工进行优化设计，制定了设计工具的工艺方案。可以看出，当板材的 W/T>>1时，这为大规模冶金中处理庞大的平板状批料和技术商业化提供了重要的技术优点。 关键词： 等 径 角挤压 ;优化处理 ;板材 ;大规模商品化 1、导言 材料结构在剧烈塑性变形（ 影响下带来重要的科学和实际利益。这个方案的一个重要优点是可以用一个高效益的方法使大 量的不同金属或合金坯料的晶粒结构细化到亚微米级。 这种超 细 晶 粒 结构，通常在从几微米至 同时具有 高 的 强度和良好的延展 性， 因此广泛 应用 于结构材料 。 随着（ 商业化 的应用，相关的成行技术也得到 实质性进展，关键因素是变形 方案 和加工特点 的优化 。不论 加工目的 ， 材料性质， 温度 应变速率条件 如何 ， 有大而统一的应变，简单剪切变形和低应力变形。在 几个较著名 已知的方法，等径角挤压（ ，是目前被 认 为最 应用最多 的。然而，等径角挤压的发展并不完善 。尽管 在这一领域应用 广泛， 但 绝大多数的 以 细长坯料 的应用为主，如文献 1。这些棒 状 坯料 会 限制材料，特点和等径角挤压 的特点和进一步的加工 。 他们和少应用于半成 品 。目前也没有商业化的报道。 相比之下， 板材的等径角挤压 出现在 轧制 后 ， 第一次出现在文献 2 。 再加上其他 的技术 优 点 ，等径角挤压 工艺有 很大 现实意义 。 目前 细长坯料 的 等径角挤压 已经有了很好的研究和开发 ， 板材 的等径角挤压 的特点还不清楚， 在 仅有的几个 相关出版物 3也没有论述 。本文 板材的 等径角挤压 为例，讲述一下板材的 等径角挤压 的一些重要细节 。 2 、机 加工 我们可以认为矩形坯的 等径角挤压 就是 （图一 ）厚 度 T， 宽度 的坯料 通过角度 为 90度的通道 。 在图一中，坯料的初末位置（ 1， 2）分别用点画线和实线表示。由于坯料宽度不变，坯料作为一个刚体移动时，图 6 表 明 ，应力应变状态 和塑变 的范围取决于进 口通道 1和出 口通 道 2所施加的 边界条件。因此，应 对相应 的条件加以分析。 气通道 等径角挤压开始时，将坯料润滑并放置在模具入口。实际摩擦力取决于工件和刀具之间的接触面积和正压力。假设管道内的应力类似于线形塑性压缩，正压力 n (p Y )其中， Y 是材料的流动应力，如 果 p Y，正压力 n 0 ，对于 L/T 1 的长坯料来说，塑性接触主要由有横向屈曲形成。这种不规则的原始接触仅提供很小的摩擦力。如果 p > 2Y，正压力 n > Y ，塑性区接触面积大约等于坯料和管道的接触面积。在这种情况下，沿管道轴向相同润滑下将会产生一个大的摩擦力和一个明显的压力差 P。因此原始压力 = 验表明， 设有效的变形摩擦力均匀分布， 1 （ 1） 某一特定条件下 , 已知，图 2矩形通道的四个摩擦面上的原始压力的最大增量为： m )(1)(12( 1 （ 2） 参数 n=L/T , m=W/T,限定了坯料的长度和宽度。特殊情况下， m=1对应于正常情况下的长棒状坯料， m 1指的是板状坯料， m 1 指的是条状坯料。公式（ 1）（ 2）表明，原始压力 于 m、 即使在校摩擦力状态，原始压应力可能比材料的流动应力明显大。 降低摩擦力，增加刀具使用寿命和冲压稳定性的有效方法是通过移动管道面 (图 7)一图一、长方形坯料的等径角挤压 可能的方法（图 2b，详见图 7）是用固定模具和随坯料 1运动的矩形槽滑杆 2 形成进口管道。这样，就消除了三个管道面上的摩擦，原始压力的最大增量为 )(1( 1 （ 3） 另一种情况（图 2）进口通道有两个滑杆 2， 3组成。因此模具的前后面固定。相应增量为 )(12( 1 (4) 对比公式 (2)-(4)可得出结论：在所有情况下，原始压力都随长厚比的增加而增大。为了有效加工，长厚比应足够大。但实际长厚比一般取为 4 8。图 2 p/的两倍对于固定通道（图 2a）原始压力也取决于宽厚比 m。但是这个比率不影响原始压力在滑动渠道这两种情况下的大小。图 3示以 n=6 时，计算结果三种状态已给出： 2 3 很摩擦在进口的分布范围：（一）工作面不动；（ b）三面活动的工作面；（ c）二面活动的工作面 . 图 宽厚比 L / T = 6,1T / Y= （ 1）工作面不动；（）三面活动的工作面；（）二面活动的工作面。 然，长形坯料特别是条形坯料在固定通道下会增大 p/Y。在这些情况中，只有在大压力下的移动渠道模具才能对大坯料和硬质合金坯料进行等径角挤压。然而，对于板材来说，两滑动面对原始压力的减小作用甚小。因此，大多数大板材可以在固定进口渠道和常压下使用简单模具。 2与进口渠道相反，出口渠道的润滑是个难题。由于方向改变巨大，即使是用最好的润滑剂，也会出现底部压力过大，产生沿底部 接触面 现滑移，还会出现摩擦 。这话导致挤压力太大，坯料表面质量差，模具磨损加剧。在底部渠道里用一个滑杆就可以解决这个问题（图 4b）。 这样材料和模具间的弹性摩擦被滑杆 和导轨之间的摩擦所代替。在挤压过程中，滑杆 处于自由状态，为克服滑杆和导轨之间的摩擦力，须沿坯料接触表面 生一剪切力 2 。2 f 指的是接触面 面积， 是摩擦因数。通常情况下，滑杆速度接近挤压速度。由于摩擦并不稳定，可以观擦到滑杆运动中的一些偏差。如果 2 大于滑杆与毛坯的弹性摩擦力，则流动类似于固定模具。在出口渠道的相应的边界条件不能提供高效加工所需要的塑性区和简单的剪切变形。因此， 应该非常小。 2内外渠道为塑性区限定了摩擦的边界条件 1 和 2 （图 5为 1 2 时滑移情况） 图固定的出口控制（ a）和出口控制同活动的下板（ b）。 设材料处于理想塑性状态。滑移线 心区，混合边界 不变区 1O 影区 的中心角 : 211 21, 可由此公式算出 . ,2 )/( 11 ,2 )/( 22 3 是指材料的流动剪切应力。图 6考虑了 1 、 2 在特殊情况下的解决方法。 现在我们做一下总结，概括一下等径角挤压工艺的优化方案。首先，注意到固定的出口渠道总是出现的润滑 问题。在 ,2 K 01 的极限条件下，经滑移线分析，进口处全部压力 这将会使坯料和渠道全部接触，在 1/ 狭长渠道和有限摩擦力 1 0的实际情况下会产生大的挤压力 实际上，一、已出版的资料显示：挤压了可高达 7 （图9） 由于大多数材料处于低加工温度下都不允许 如此大的压力。因此，尽管简便出口固定渠道图不同通道摩擦状态下的滑移线。 工业应用中也不实用。 出口渠道底面有一适当滑移面，摩擦力 2 和摩擦系数 都较小。在这种情况下图 5 的滑移区域可被看作当 1 = 2 = = =0 和塑性区是单滑移线 ， “零方案”的小变动。然后用滑移线波动省略中间结果 ，精确到第二位 ，可得到公式 2 Y， k Y)( 1 在进口 内部 总压力为 )2211(32 1 Y 与 如果挤压里增量 p 变化不明显。在摩擦力下，坯料和进口渠道 1 和 能足以形成接触面的 口渠道可以是固定的（图 2a），也可以是有两个滑移面（ 2c）如前所述，简单固定渠道对于长厚比 4板材比较有效，然而对于长坯料和带状坯料，则适合用滑动轨道。因此仅有第一种情况要进一步考虑多段加工。 3本路线 为了集聚大的剪切应变，控制变形，需要要在每段之后绕坯料的 x、 y、 于板材来说，旋转的基本系 统或路线可为 : 旋转 轴旋转 90 与轴旋转 中，长宽相等的方坯料最受欢迎，因为不论怎样旋转它们都可在一相同模具中加工。无数可能的旋转组合产生不同结构，组织。尽管这个基本路线最简便，但其它路线可能在一些特例中更有利。其中一些方法在后面将被提到。 图 . 6. 料的变形 由于两渠道中接触摩擦力较小，塑性区的中心角 小。在这种 情况下，通过塑性区的材料拉力重要包括边界 种集中剪切大致与 z 的沿 0 时相对应的“ 0 方案”的滑移线 面剪切相平衡。图 6 显示了在剪切力 作用下，正方形 变成平行四边形 1111 以看出，随着剪切力变成流动方向，通过把 进口渠道原始位置 90 到出口到内部 1111 置。就可达到相同的变形。这种流动方法有益于计算多段等倾角变形。因为对于板材来说，所有变形都发生在坯料的平面上。通过保留出口道内部材料的位置和在不同路线段应用连续剪切力。可以简化这个过程。因为短暂作用不影响元素变形，可以认为 11于 i 作用在坯料平行面上，底部被修整，顶部11渐过渡。最后的位移是所有先前剪切作用的总和。图 7、 8显示了基本路线中的四段的相应位移和相对于原坐标 x、 y、 长坯料中 ,A,似地， C 和 D 分别在每 2 和 4 到次程序后提供材料恢复所需的循环载荷。路线 A 可观察到随长度增加 大变形量的变化情况。路线 倍，在无数段后它们都位于偏离 Y 45 方向。 图 7. 组织的移动路线 A (a), B (b), C (c), 和 D (d). 图 . 8. 在四途径经由路线 A, B, C 和 D. 之后，工件的变形 。 切带 机加工考虑的因素是简单剪切变形模式和每段中剪切带角度。剪切带在多端等倾角变形中起重要作用。在第一段，使用小角度，晶核强烈组织了沿 向长度变形。在以下的工序中。剪切带内部的微观流动取代了连续的塑性流动，它们朝同一剪切方向 尽管 有无数试验可以断定 了对于不同材料和加工条件（温度、应变率）在等径角挤压过程中，剪切带占据新角度晶界的最大部分。是晶粒细化到亚微米和纳米尺寸的其他方法包括剪切带的交汇以及剪切带与晶界所组成的材料的旋转。因此重新细化的强度和细化为结构形态取决于加工剪切带的进展。和材料的大晶界角。在每个工序中，微观剪切带随相应的宏观 增加。在随后的工序中，剪切带依然是稳定形状，他虽材料一块流动，随坐标改变方向。任何工序中剪切带位置由下一个工序的变形决定。例如板材为旋转的第 +1个工序，剪切带的变形由第 N+1剪切引起但是板材旋转 90 时，N+1不影响 而，在板材的多段加工中，有两个与 x、 图 10显示经过四个路线后，剪切带的位置 1、 2、 3、 4分别与剪切带的一、二、三、四段对应。 对于 A、 7。 A、 切带逐渐旋转到积压方向。随着段增加，剪切带愈加难以辨认。通过旋转细分，内截面结构将很薄而且很长。对于来说，在各个阶段中，剪切带与剪切面一致。可以预计在这种情况下，多种循环会使变形恢复及等量变形旋转。但是微观结构比 A、 类似的，在经过第四道 料便行为 0，剪切带与剪切面及循环载荷旋转一致 B 和 D 提供了两相互交汇的剪切带。有助于三维立体结构的发展。然而，对于 个多雨的剪切带可得到更精细的结构。应当指出板材经过 的等径角挤压，剪切带方向不同，可能细化效果比不上相同路径的长坯料的等径角挤压。这个分析不能应用于大接触摩擦或者带有宽塑性带 0 的远角渠道。在这些情况下，沿圆弧滑移线的简单剪切应力起重要作用，剪切带沿 x、 6示。这是在有高效润滑剂典型坯料固定出口 道的等径角挤压加工过程。 3它加工路线 基本路线包括仅绕 些路线不提供近直角剪切带的三维系统。它对于细长轴结构发展是必需的。在这些情况下，坯料的上下表面不变，多段加工积累非均匀应变和残余应力。同样，特殊表面缺陷也可能在坯料表面上出现。通过使用一种增加 x、 E 这样的路线包括 8 段。前 4 段是像路线 D 一样，绕 90 到与下一步同向。在这个阶段，拌料没有变形，有两个剪切带和大晶界交汇区。接着坯料绕 y或 180 ，这样改变了剪切带的方向。也将坯料上下边面交换。后 4步经过 第一个剪切带方向产生两个新的交汇区。因此 结构重新细化及性能同化提供了理想路线。 图 . 11. 冲床印记在坯料顶端表面路线 D ( a)和 F ( b) 另一种加工路线 F，消除了坯料上表面如冲床痕迹等个别不规则结构。这些痕迹是由于流动方向大角度形成的痕迹。多段加工通过 D 和 B，交汇成奇异的 A 区，此处塑性流动转换成三个方向，导致强度 减弱和微裂纹。路线 F 包括第二次绕 Z 轴旋转 90 ，每段之后转换方向。这样在坯料反面产生印记，不相交，因而变形和剪切带方向仍然与普通路线 在特殊情况下，也可使用其它路线。特别是，可以明显看出， B 的两种改动路线与 E、 4、技术应用 任何技术发展的最终目标都是实际应用。等径角挤压的商业化。在 7,14,15中已经讨论了，的主要特点是对简单几何形状坯料的成型。这种方法适于半成品的加工。这种半成 可在竞争成本下简单转化成成品。从上述中可看出，等径角挤压可能应用 于大规模冶金中。然而长坯料的等径角挤压仍存在一些问题有效加工长坯料需要一个复杂工具将一个移动墙转化成两个。非常长的 的坯料比相同截面的普通挤压坯料长度要大的多。在这种情况下，选择设备的标准是挤压力，而不是承载能力。这样对于特长坯件，就需要用大挤压力和昂贵的工具。同样也难以消除各段中及将长坯料转化成成品中出现的坯料修剪，改造及预热等操作。 板材的等径角挤压解决了其中的大部分问题，对于相同长度和 L/材的重量同压力的长坯料重 4 这些参数与挤压的特性相符，它提供了 。载荷的优化应 用。这显著降低了压力和工具尺寸的要求，在现有设备基础上为 大规模冶金坯料的成型提供了条件，另外，可以使用带有一个滑动面出口渠道的工具。 5、结论 接触摩擦力是等径角挤压加工中的关键因素。对于矩形坯料这取决于钢坯的比例。即使材料较软，用好的润滑剂，即压力也不允许太高。对于 L/T 4的进口渠道，适当的挤压力 （ Y>1 的坯料来说这种影响不显著，可以应用简单固定进口渠道。 板材的基本加工路线会导致像长方坯料的材料变形。然而，伴有空间塑性流动的路线不如长坯料效果好。其它的加工路线，类似可在特殊情况下应用。 参考文献 1 1974. 2 o. 5,850,755 (1998). 3 M. 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