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                                              材的的等徑角擠壓  摘要  本文介紹的是不同寬厚比（ W/T）的長矩形坯料的等徑角擠壓的問題。并對內(nèi)部塑性變形區(qū)和進(jìn)出口通道進(jìn)行了應(yīng)力分析，他們是有接觸擦力和板材的幾何形狀確定的。同時，對及加工進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，制定了設(shè)計工具的工藝方案。可以看出，當(dāng)板材的 W/T>>1時，這為大規(guī)模冶金中處理龐大的平板狀批料和技術(shù)商業(yè)化提供了重要的技術(shù)優(yōu)點。  關(guān)鍵詞： 等 徑 角擠壓 ;優(yōu)化處理 ;板材 ;大規(guī)模商品化  1、導(dǎo)言  材料結(jié)構(gòu)在劇烈塑性變形（ 影響下帶來重要的科學(xué)和實際利益。這個方案的一個重要優(yōu)點是可以用一個高效益的方法使大 量的不同金屬或合金坯料的晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)化到亞微米級。 這種超 細(xì) 晶 粒 結(jié)構(gòu)，通常在從幾微米至 同時具有 高 的 強(qiáng)度和良好的延展 性， 因此廣泛 應(yīng)用 于結(jié)構(gòu)材料 。 隨著（ 商業(yè)化 的應(yīng)用，相關(guān)的成行技術(shù)也得到 實質(zhì)性進(jìn)展，關(guān)鍵因素是變形 方案 和加工特點 的優(yōu)化 。不論 加工目的 ， 材料性質(zhì)， 溫度 — 應(yīng)變速率條件 如何 ， 有大而統(tǒng)一的應(yīng)變，簡單剪切變形和低應(yīng)力變形。在 幾個較著名 已知的方法，等徑角擠壓（  ，是目前被 認(rèn) 為最 應(yīng)用最多 的。然而，等徑角擠壓的發(fā)展并不完善 。盡管 在這一領(lǐng)域應(yīng)用 廣泛， 但 絕大多數(shù)的   以 細(xì)長坯料 的應(yīng)用為主，如文獻(xiàn) [1]。這些棒 狀 坯料 會 限制材料，特點和等徑角擠壓 的特點和進(jìn)一步的加工 。 他們和少應(yīng)用于半成 品 。目前也沒有商業(yè)化的報道。 相比之下， 板材的等徑角擠壓 出現(xiàn)在 軋制 后 ， 第一次出現(xiàn)在文獻(xiàn) [ 2 ] 。  再加上其他 的技術(shù) 優(yōu) 點 ，等徑角擠壓 工藝有 很大 現(xiàn)實意義 。 目前 細(xì)長坯料 的 等徑角擠壓 已經(jīng)有了很好的研究和開發(fā) ， 板材 的等徑角擠壓 的特點還不清楚， 在 僅有的幾個 相關(guān)出版物 [ 3也沒有論述  。本文 板材的 等徑角擠壓 為例，講述一下板材的 等徑角擠壓 的一些重要細(xì)節(jié) 。  2 、機(jī) 加工 我們可以認(rèn)為矩形坯的 等徑角擠壓 就是 （圖一 ）厚 度 T， 寬度 的坯料 通過角度 為 90度的通道 。 在圖一中，坯料的初末位置（ 1， 2）分別用點畫線和實線表示。由于坯料寬度不變，坯料作為一個剛體移動時，圖 [ 6 ]表 明 ，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài) 和塑變                                               的范圍取決于進(jìn) 口通道 1和出 口通 道 2所施加的 邊界條件。因此，應(yīng) 對相應(yīng) 的條件加以分析。  氣通道  等徑角擠壓開始時，將坯料潤滑并放置在模具入口。實際摩擦力取決于工件和刀具之間的接觸面積和正壓力。假設(shè)管道內(nèi)的應(yīng)力類似于線形塑性壓縮，正壓力   σn  ～ (p ? Y )其中， Y 是材料的流動應(yīng)力，如 果 p ～ Y，正壓力 σn ～ 0 ，對于      L/T ＞＞ 1 的長坯料來說，塑性接觸主要由有橫向屈曲形成。這種不規(guī)則的原始接觸僅提供很小的摩擦力。如果 p > 2Y，正壓力 σn > Y  ，塑性區(qū)接觸面積大約等于坯料和管道的接觸面積。在這種情況下，沿管道軸向相同潤滑下將會產(chǎn)生一個大的摩擦力和一個明顯的壓力差△ P。因此原始壓力 =  △  驗表明，△ 設(shè)有效的變形摩擦力均勻分布，△ ?? 1?                 （ 1）  某一特定條件下 ,? 已知，圖 2矩形通道的四個摩擦面上的原始壓力的最大增量為：  m )(1)(12( 1?????               （ 2）  參數(shù) n=L/T , m=W/T,限定了坯料的長度和寬度。特殊情況下， m=1對應(yīng)于正常情況下的長棒狀坯料， m＞＞ 1指的是板狀坯料， m＜＜ 1 指的是條狀坯料。公式（ 1）（ 2）表明，原始壓力 于 m、  即使在校摩擦力狀態(tài)，原始壓應(yīng)力可能比材料的流動應(yīng)力明顯大。  降低摩擦力，增加刀具使用壽命和沖壓穩(wěn)定性的有效方法是通過移動管道面 (圖 7)一圖一、長方形坯料的等徑角擠壓                                                 可能的方法（圖 2b，詳見圖 7）是用固定模具和隨坯料 1運動的矩形槽滑桿 2 形成進(jìn)口管道。這樣，就消除了三個管道面上的摩擦，原始壓力的最大增量為    ))(1( 1???    （ 3）   另一種情況（圖 2）進(jìn)口通道有兩個滑桿 2， 3組成。因此模具的前后面固定。相應(yīng)增量為          ))(12( 1???     (4) 對比公式 (2)-(4)可得出結(jié)論：在所有情況下，原始壓力都隨長厚比的增加而增大。為了有效加工，長厚比應(yīng)足夠大。但實際長厚比一般取為 4～ 8。圖 2 p/的兩倍對于固定通道（圖 2a）原始壓力也取決于寬厚比 m。但是這個比率不影響原始壓力在滑動渠道這兩種情況下的大小。圖 3示以 n=6 時，計算結(jié)果三種狀態(tài)已給出：   2 3  很摩擦在進(jìn)口的分布范圍：（一）工作面不動；（ b）三面活動的工作面；（ c）二面活動的工作面 . 圖⒊  寬厚比 L / T = 6,1T / Y= （ 1）工作面不動；（２）三面活動的工作面；（３）二面活動的工作面。                                                 然，長形坯料特別是條形坯料在固定通道下會增大 ? p/Y。在這些情況中，只有在大壓力下的移動渠道模具才能對大坯料和硬質(zhì)合金坯料進(jìn)行等徑角擠壓。然而，對于板材來說，兩滑動面對原始壓力的減小作用甚小。因此，大多數(shù)大板材可以在固定進(jìn)口渠道和常壓下使用簡單模具。  2與進(jìn)口渠道相反，出口渠道的潤滑是個難題。由于方向改變巨大，即使是用最好的潤滑劑，也會出現(xiàn)底部壓力過大，產(chǎn)生沿底部 接觸面 現(xiàn)滑移，還會出現(xiàn)摩擦        。這話導(dǎo)致擠壓力太大，坯料表面質(zhì)量差，模具磨損加劇。在底部渠道里用一個滑桿就可以解決這個問題（圖 4b）。  這樣材料和模具間的彈性摩擦被滑桿    和導(dǎo)軌之間的摩擦所代替。在擠壓過程中，滑桿    處于自由狀態(tài)，為克服滑桿和導(dǎo)軌之間的摩擦力，須沿坯料接觸表面 生一剪切力 2? 。2? f     指的是接觸面 面積， ?  是摩擦因數(shù)。通常情況下，滑桿速度接近擠壓速度。由于摩擦并不穩(wěn)定，可以觀擦到滑桿運動中的一些偏差。如果 2? 大于滑桿與毛坯的彈性摩擦力，則流動類似于固定模具。在出口渠道的相應(yīng)的邊界條件不能提供高效加工所需要的塑性區(qū)和簡單的剪切變形。因此， ? 應(yīng)該非常小。  2內(nèi)外渠道為塑性區(qū)限定了摩擦的邊界條件 1? 和 2? （圖 5為 1? ＞ 2? 時滑移情況）                      圖⒋固定的出口控制（ a）和出口控制同活動的下板（ b）。                                                 設(shè)材料處于理想塑性狀態(tài)?；凭€ 心區(qū)，混合邊界 不變區(qū) 1O 影區(qū) 的中心角 : ???? ??? 211  21,?? 可由此公式算出 . ],2 )/([ 11 ?? ?? ],2 )/([ 22 ?? ??  3 是指材料的流動剪切應(yīng)力。圖 6考慮了 1? 、 2? 在特殊情況下的解決方法。  現(xiàn)在我們做一下總結(jié)，概括一下等徑角擠壓工藝的優(yōu)化方案。首先，注意到固定的出口渠道總是出現(xiàn)的潤滑 問題。在 ,2 K?? 01 ?? 的極限條件下，經(jīng)滑移線分析，進(jìn)口處全部壓力 ?這將會使坯料和渠道全部接觸，在 1/ ??狹長渠道和有限摩擦力 1? ＞0的實際情況下會產(chǎn)生大的擠壓力 實際上，一、已出版的資料顯示：擠壓了可高達(dá) 7 （圖9）  由于大多數(shù)材料處于低加工溫度下都不允許 如此大的壓力。因此，盡管簡便出口固定渠道圖⒌不同通道摩擦狀態(tài)下的滑移線。                                                 工業(yè)應(yīng)用中也不實用。  出口渠道底面有一適當(dāng)滑移面，摩擦力 2? 和摩擦系數(shù) ? 都較小。在這種情況下圖 5 的滑移區(qū)域可被看作當(dāng) 1? = 2? =? =? =0 和塑性區(qū)是單滑移線 ， “零方案”的小變動。然后用滑移線波動省略中間結(jié)果  ，精確到第二位  ，可得到公式 2? ～ ? Y， ? ～ k Y)( 1 ?? ? 在進(jìn)口  內(nèi)部  總壓力為    )2211(32 1 ??? ??Y  與 如果擠壓里增量 p? 變化不明顯。在摩擦力下，坯料和進(jìn)口渠道 1? 和 ? 能足以形成接觸面的 口渠道可以是固定的（圖 2a），也可以是有兩個滑移面（ 2c）如前所述，簡單固定渠道對于長厚比 4?板材比較有效，然而對于長坯料和帶狀坯料，則適合用滑動軌道。因此僅有第一種情況要進(jìn)一步考慮多段加工。  3本路線  為了集聚大的剪切應(yīng)變，控制變形，需要要在每段之后繞坯料的 x、 y、 于板材來說，旋轉(zhuǎn)的基本系 統(tǒng)或路線可為 :   旋轉(zhuǎn)     軸旋轉(zhuǎn)    90 與軸旋轉(zhuǎn)   中，長寬相等的方坯料最受歡迎，因為不論怎樣旋轉(zhuǎn)它們都可在一相同模具中加工。無數(shù)可能的旋轉(zhuǎn)組合產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)，組織。盡管這個基本路線最簡便，但其它路線可能在一些特例中更有利。其中一些方法在后面將被提到。  圖 . 6.                                                料的變形  由于兩渠道中接觸摩擦力較小，塑性區(qū)的中心角 ? 小。在這種 情況下，通過塑性區(qū)的材料拉力重要包括邊界 種集中剪切大致與 z?? 的沿 0?? 時相對應(yīng)的“ 0 方案”的滑移線 面剪切相平衡。圖 6 顯示了在剪切力 ? 作用下，正方形 變成平行四邊形 1111 以看出，隨著剪切力變成流動方向，通過把 進(jìn)口渠道原始位置 90 到出口到內(nèi)部 1111 置。就可達(dá)到相同的變形。這種流動方法有益于計算多段等傾角變形。因為對于板材來說，所有變形都發(fā)生在坯料的平面上。通過保留出口道內(nèi)部材料的位置和在不同路線段應(yīng)用連續(xù)剪切力?？梢院喕@個過程。因為短暫作用不影響元素變形，可以認(rèn)為 11于 i? 作用在坯料平行面上，底部被修整，頂部11漸過渡。最后的位移是所有先前剪切作用的總和。圖 7、 8顯示了基本路線中的四段的相應(yīng)位移和相對于原坐標(biāo) x、 y、 長坯料中 ,A,似地， C 和 D 分別在每 2 和 4 到次程序后提供材料恢復(fù)所需的循環(huán)載荷。路線 A 可觀察到隨長度增加 大變形量的變化情況。路線  倍，在無數(shù)Ⅰ段后它們都位于偏離 Y ?45 方向。  圖  7.  組織的移動路線 A (a), B (b), C (c), 和 D (d). 圖 . 8.  在四途徑經(jīng)由路線 A, B, C 和   D. 之后，工件的變形 。                                                 切帶  機(jī)加工考慮的因素是簡單剪切變形模式和每段中剪切帶角度。剪切帶在多端等傾角變形中起重要作用。在第一段，使用小角度，晶核強(qiáng)烈組織了沿 向長度變形。在以下的工序中。剪切帶內(nèi)部的微觀流動取代了連續(xù)的塑性流動，它們朝同一剪切方向 盡管 有無數(shù)試驗可以斷定 了對于不同材料和加工條件（溫度、應(yīng)變率）在等徑角擠壓過程中，剪切帶占據(jù)新角度晶界的最大部分。是晶粒細(xì)化到亞微米和納米尺寸的其他方法包括剪切帶的交匯以及剪切帶與晶界所組成的材料的旋轉(zhuǎn)。因此重新細(xì)化的強(qiáng)度和細(xì)化為結(jié)構(gòu)形態(tài)取決于加工剪切帶的進(jìn)展。和材料的大晶界角。在每個工序中，微觀剪切帶隨相應(yīng)的宏觀     增加。在隨后的工序中，剪切帶依然是穩(wěn)定形狀，他雖材料一塊流動，隨坐標(biāo)改變方向。任何工序中剪切帶位置由下一個工序的變形決定。例如板材為旋轉(zhuǎn)的第 +1個工序，剪切帶的變形由第 N+1剪切引起但是板材旋轉(zhuǎn) ?90 時，N+1不影響 而，在板材的多段加工中，有兩個與 x、  圖 10顯示經(jīng)過四個路線后，剪切帶的位置 1、 2、 3、 4分別與剪切帶的一、二、三、四段對應(yīng)。  對于 A、 [7]。 A、 切帶逐漸旋轉(zhuǎn)到積壓方向。隨著Ⅰ段增加，剪切帶愈加難以辨認(rèn)。通過旋轉(zhuǎn)細(xì)分，內(nèi)截面結(jié)構(gòu)將很薄而且很長。對于來說，在各個階段中，剪切帶與剪切面一致。可以預(yù)計在這種情況下，多種循環(huán)會使變形恢復(fù)及等量變形旋轉(zhuǎn)。但是微觀結(jié)構(gòu)比 A、 類似的，在經(jīng)過第四道 料便行為 0，剪切帶與剪切面及循環(huán)載荷旋轉(zhuǎn)一致 B 和 D 提供了兩相互交匯的剪切帶。有助于三維立體結(jié)構(gòu)的發(fā)展。然而，對于 個多雨的剪切帶可得到更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)指出板材經(jīng)過 的等徑角擠壓，剪切帶方向不同，可能細(xì)化效果比不上相同路徑的長坯料的等徑角擠壓。這個分析不能應(yīng)用于大接觸摩擦或者帶有寬塑性帶 ? ＞＞ 0 的遠(yuǎn)角渠道。在這些情況下，沿圓弧滑移線的簡單剪切應(yīng)力起重要作用，剪切帶沿 x、                                                 6示。這是在有高效潤滑劑典型坯料固定出口 道的等徑角擠壓加工過程。  3它加工路線  基本路線包括僅繞 些路線不提供近直角剪切帶的三維系統(tǒng)。它對于細(xì)長軸結(jié)構(gòu)發(fā)展是必需的。在這些情況下，坯料的上下表面不變，多段加工積累非均勻應(yīng)變和殘余應(yīng)力。同樣，特殊表面缺陷也可能在坯料表面上出現(xiàn)。通過使用一種增加 x、  E 這樣的路線包括 8 段。前 4 段是像路線 D 一樣，繞 90 到與下一步同向。在這個階段，拌料沒有變形，有兩個剪切帶和大晶界交匯區(qū)。接著坯料繞 y或 180 ，這樣改變了剪切帶的方向。也將坯料上下邊面交換。后 4步經(jīng)過 第一個剪切帶方向產(chǎn)生兩個新的交匯區(qū)。因此 結(jié)構(gòu)重新細(xì)化及性能同化提供了理想路線。  圖 . 11. 沖床印記在坯料頂端表面路線 D ( a)和 F ( b) 另一種加工路線 F，消除了坯料上表面如沖床痕跡等個別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。這些痕跡是由于流動方向大角度形成的痕跡。多段加工通過 D 和 B，交匯成奇異的 A 區(qū)，此處塑性流動轉(zhuǎn)換成三個方向，導(dǎo)致強(qiáng)度 減弱和微裂紋。路線 F 包括第二次繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) ?90 ，每段之后轉(zhuǎn)換方向。這樣在坯料反面產(chǎn)生印記，不相交，因而變形和剪切帶方向仍然與普通路線  在特殊情況下，也可使用其它路線。特別是，可以明顯看出， B 的兩種改動路線與 E、  4、技術(shù)應(yīng)用  任何技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)都是實際應(yīng)用。等徑角擠壓的商業(yè)化。在 [7,14,15]中已經(jīng)討論了，的主要特點是對簡單幾何形狀坯料的成型。這種方法適于半成品的加工。這種半成                                               可在競爭成本下簡單轉(zhuǎn)化成成品。從上述中可看出，等徑角擠壓可能應(yīng)用 于大規(guī)模冶金中。然而長坯料的等徑角擠壓仍存在一些問題有效加工長坯料需要一個復(fù)雜工具將一個移動墻轉(zhuǎn)化成兩個。非常長的  的坯料比相同截面的普通擠壓坯料長度要大的多。在這種情況下，選擇設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)是擠壓力，而不是承載能力。這樣對于特長坯件，就需要用大擠壓力和昂貴的工具。同樣也難以消除各段中及將長坯料轉(zhuǎn)化成成品中出現(xiàn)的坯料修剪，改造及預(yù)熱等操作。  板材的等徑角擠壓解決了其中的大部分問題，對于相同長度和 L/材的重量同壓力的長坯料重 4 這些參數(shù)與擠壓的特性相符，它提供了          。載荷的優(yōu)化應(yīng) 用。這顯著降低了壓力和工具尺寸的要求，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上為  大規(guī)模冶金坯料的成型提供了條件，另外，可以使用帶有一個滑動面出口渠道的工具。  5、結(jié)論  接觸摩擦力是等徑角擠壓加工中的關(guān)鍵因素。對于矩形坯料這取決于鋼坯的比例。即使材料較軟，用好的潤滑劑，即壓力也不允許太高。對于 L/T〉 4的進(jìn)口渠道，適當(dāng)?shù)臄D壓力  （ Y>1 的坯料來說這種影響不顯著，可以應(yīng)用簡單固定進(jìn)口渠道。  板材的基本加工路線會導(dǎo)致像長方坯料的材料變形。然而，伴有空間塑性流動的路線不如長坯料效果好。其它的加工路線，類似可在特殊情況下應(yīng)用。  參考文獻(xiàn)  [1] 1974. 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