挤压模具的探索与发展

 　　等通道转角模具有很多种，不管形式如何变化，其结构都是在单转角模具基础上发展而来的，下面对各类型模具的结构特点一一探讨。

　　模具可采用任意通道形式，通常以圆形通道和方形2种类型为多见。

　　Ψ为外接圆弧角，Φ为通道转角， R为外角半径， r为内角半径， d为圆形通道直径，若为方形通道，则L为通道厚度。

　　对模具通道对称面进行分析可知：d一定时，外角半径R与内角半径r成对应关系： r = R - d ，且R取值只能为R≥d ；此时，外接圆弧角Ψ与通道转角Φ也成对应关系：Ψ= 180°-Φ，通道截面积处处相等。

　　1）R < L时，Ψ可在0°～（180°-Φ）范围内变化，此时通道转角处试样与通道内壁有间隙存在，且在L、Φ、r一定时，外接圆弧角Ψ与外角半径R成外接圆弧角Ψ与通道转角Φ成对应关系：Ψ= 180°-Φ，并实现了通道截面积处处相等。

　　3）R≥L且r > R - L时，外接圆弧角Ψ与外角半径R之间的关系与R < L时情形一致。特别值得注意的是：若R≥L且r > > R - L ，此种结构的模具对试样晶粒细化不利，一般不被采用，本文只是从数学上加以归纳。

　　从模具制作工艺及成本来分析，圆形通道模具的合理结构是对称式结构；而方形通道模具采用对称式与非对称式结构均可，且存在2种圆形通道模具所无法采用的结构。

　　1）当r = 0时，方形通道模具可采用镶块式结构，这样就可以简单地通过更换镶块来达到改变外接圆弧角的目的，其余通道部分采用整体方形通道镶块式结构模具示意结构，直接制作2个相交直孔来实现，大大提高了模具的适应性，节省了模具的制作成本。

　　2）当R = 0且r = 0时，方形通道模具可采用整体式结构，直接制作2个相交直孔来实现，这样可大大提高模具使用寿命和模具加工精度。

　　等通道转角挤压过程中，若试样与通道无摩擦，试样在通道交接的平面处发生单纯的剪切变形，材料各处形变均匀；有摩擦时，材料将在通道交接的平面附近产生一扇形区域，在顶角处不发生变形，只在扇形区域发生塑性变形，导致材料在模具里变形不均匀，得到不均匀的微观组织。实际ECAP过程中，模具与试样间总是存有很大的摩擦力，直接影响挤压效果。带可滑动底座结构的模具，挤压时可使试样所受的摩擦力尽可能地减小；也相当于给试样一个反向推力，可很好地改善材料在等通道转角挤压中的加工性能，使材料在变形过程中形变均匀。

　　A路线2道次结构根据试样在每道次间旋转的方向和角度的不同，挤压路线可分为： A （试样不旋转进入下一道次）、Ba（90°交替旋转试样进入下一道次）、Bc （试样按同一方向旋转90°进入下一道次）、C （试样旋转180°进入下一道次）。为了实现对试样的多道次挤压，在每个道次挤压后往往需要反复取出试样，并按不同的工艺路线旋转不同的角度才能进行下一道次的挤压，为减少这样烦锁的操作，可采用多转角结构模具，这样不需多次拔出试样就实现了反复挤压，从而获得了大角度等轴晶的晶粒组织，提高了工作效率。

　　相邻挤压道次间剪切面的夹角随通道转角Φ与工艺路线的不同而变化。研究表明：Φ= 90°时，相邻挤压道次间剪切面夹角为90°（A）、60°（Ba）、60°（Bc）、0°（C） ；Φ= 120°时，相邻挤压道次间剪切面夹角为60°（A）、41. 4°（Ba）、41. 4°（Bc）、0°（C）。

　　也表明：对于面心立方金属而言，滑移系{111} < 110 > ，其滑移面之间的夹角为70. 5°，为了有利于激活滑移面{111}上的位错滑移，必须使其在ECAP过程中相邻2次挤压的剪切平面相互交割成接近70. 5°。而采用90°与120°转角沿A路线的组合模具，相邻2次挤压的剪切平面交角为75°，非常接近70. 5°，实现了在相对较小的塑性变形情况下得到了超细晶面心立方金属显微组织，细化效果为明显且硬度与屈服强度显著提高。

　　故根据不同通道转角的等通道转角挤压相临道次间剪切面夹角的不同，可以寻找到有利于显著提高晶粒细化效果的通道转角组合。

　　S型结构模具是在等径通道内设置大小相同，方向相反的2个为θ的侧向挤压角，棒料通过第1个侧向挤压角时变形为斜棒料，再经过第2个侧向挤压角时恢复为直棒料，如此便可通过多次挤压累积极高的变形。

　　旋转式模具是在常规ECAP模具的基础上发展起来的，如0所示，他包含4个相互垂直的通道，每个通道内均有独立的冲头，首先把试样放入通道内开始挤压，将试样挤入通道B中，此时通道C和D的冲头被锁死，随后将模具顺时针旋转90°，锁死通道A ，试样又由通道B挤入通道C ，依次类推，在一套模内可以实现试样的反复挤压，省去了频繁拆装模具的麻烦，大大提高了工作效率。但其转角处结构单一，只适合通道转角为直角时的挤压，很难适用于变形抗力较大的试样。其原理与旋转式模具类似，其不同之处在于，边侧式模具在四周有多个冲头，依次改变施加载荷的方向来实现试样的反复挤压，而不是通过旋转模具来实现多道次挤压。

　　ECAP技术在结构方面有一定的局限性，尤其是试样的长度受到了限制。试样的直径和长度的比值需要小于1个临界值，以使试样受挤压时不会发生弯曲；冲头的行程也受到限制。试样长度的局限性将ECAP限定为不连续，低生产效率，高成本的过程。另外，在每个试样的末端通常会有明显且不规则的显微组织和裂纹，这造成了大量的浪费，更增加了应用ECAP技术制备UFG材料的成本。

　　采用连续式ECAP模具为超细晶粒材料的制备开辟了一条新途径，也是对等通道转角方法的一种发展与创新。利用1个带轮槽的连续旋转的挤压轮，通过轮槽与试样之间的摩擦力，将试样连续不断地拽入模腔，并在模腔内转角处发生剪切变形，后从挤压模孔挤出，实现了对大尺寸块体超细晶材料的制备，有效地解决了常规ECAP工艺中所存在的问题，使ECAP有望应用于大规模工业生产中。

　　等通道转角轧制模具示意图以开发出一些特殊的复合工艺模具，等通道转角轧制（equal channel angular rolling）模就是其中之一，既能制备相应的产品，又使产品获得与ECAP材料类似的优良性能，且实现了连续生产也可开发出在制造产品之前对坯料采用ECAP改性的复合工艺模具，这里就不再叙述1） ECAP模具结构较为复杂，转角区域加工难度较大，加上挤压过程中模具通道易磨损（），需经常维修，造成模具的加工维修成本较高。

　　2）挤压时模具往往需要在加热条件下进行，且挤压时承受的应力很大，故对模具材质要求很高，越是难变形合金坯料，模具对自身材质的要求就会越高，这进一步加大了模具成本的投入。

　　3） ECAP模具的生产效率较低，目前仍以单件操作为主，耗费人工工时较多。

　　4）制备的材料尺寸偏小，离工业化生产水平较远。如果材料的体积增大，模具的工作条件会变得很糟。

　　5）制备的材料浪费较严重，经挤压后，材料的前后端及表面很容易出现裂纹、粗糙等，往往要对其不良部位进行后续加工处理。

　　6）到目前为止，ECAP工艺研究过程中所涉及的材料种类较少，大多集中在铝、铜、镁、不锈钢等，而对于难变形合金材料的ECAP工艺研究还不能充分展开。

　　1） ECAP模具以圆形通道和方形通道2种类型为常见，也可以是其它通道形式，从模具制作工艺及成本来考虑，ECAP模具采用对称式结构比较合理。

　　2） ECAP模具有许多不同的结构形式，可综合超细晶材料制备工艺的具体要求和模具加工成本而采用相应的模具结构。

　　3）综合产品制造工艺和ECAP工艺的特点，可以开发出一些复合工艺模具，既制备相应的产品，又能使产品获得与ECAP材料类似的优良性能。也可开发出在制造产品之前对坯料采用ECAP改性的复合工艺模具。

　　总之，生产连续化、生产坯料大尺寸化、工艺复合化、成本低、适应性强、寿命长是ECAP模具未来的发展方向。随着更多研究的展开及ECAP工程应用潜力的全面评估，不久的将来，该技术将会广泛地应用于超细晶材料的大规模工业生产中。

(来源：)