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山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)外文文獻(xiàn)譯文
板材的的等徑角擠壓
摘要
本文介紹的是不同寬厚比（W/T）的長(zhǎng)矩形坯料的等徑角擠壓的問(wèn)題。并對(duì)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(shí)，對(duì)及加工進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定了設(shè)計(jì)工具的工藝方案?？梢钥闯?，當(dāng)板材的W/T>>1時(shí)，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(diǎn)。
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（SPD)的影響下帶來(lái)重要的科學(xué)和實(shí)際利益。這個(gè)方案的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以用一個(gè)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(jí)。這種超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，通常在從幾微米至0.2微米，同時(shí)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（SPD）商業(yè)化的應(yīng)用，相關(guān)的成行技術(shù)也得到實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，關(guān)鍵因素是變形方案和加工特點(diǎn)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，SPD具有大而統(tǒng)一的應(yīng)變，簡(jiǎn)單剪切變形和低應(yīng)力變形。在SPD的幾個(gè)較著名已知的方法，等徑角擠壓（ECAE） ，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(zhǎng)坯料的應(yīng)用為主，如文獻(xiàn)[1]。這些棒狀坯料會(huì)限制材料，特點(diǎn)和等徑角擠壓的特點(diǎn)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(bào)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(diǎn)，等徑角擠壓工藝有很大現(xiàn)實(shí)意義。目前細(xì)長(zhǎng)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(diǎn)還不清楚，在僅有的幾個(gè)相關(guān)出版物[ 3-5 ]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W和長(zhǎng)度L的坯料通過(guò)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(diǎn)畫線和實(shí)線表示。由于坯料寬度不變，坯料作為一個(gè)剛體移動(dòng)時(shí)，圖[ 6 ]表明，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和塑變區(qū)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(duì)相應(yīng)的條件加以分析。
圖一、長(zhǎng)方形坯料的等徑角擠壓
2.1 進(jìn)氣通道
等徑角擠壓開始時(shí)，將坯料潤(rùn)滑并放置在模具入口。實(shí)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，P是軸向壓力，Y是材料的流動(dòng)應(yīng)力，如果p ～ Y，正壓力σn ～ 0 ，對(duì)于 L/T ＞＞1的長(zhǎng)坯料來(lái)說(shuō)，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(rùn)滑下將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的摩擦力和一個(gè)明顯的壓力差△P。因此原始?jí)毫e = p1 + △ p是通道入口的軸向壓力。實(shí)驗(yàn)表明，△P這一增量總是與管道長(zhǎng)度成正比。假設(shè)有效的變形摩擦力均勻分布，△P可有此公式計(jì)算
（1）
F是坯料和管道的接觸面積。在某一特定條件下,已知，圖2矩形通道的四個(gè)摩擦面上的原始?jí)毫Φ淖畲笤隽繛椋?
（2）
參數(shù)n=L/T , m=W/T,限定了坯料的長(zhǎng)度和寬度。特殊情況下，m=1對(duì)應(yīng)于正常情況下的長(zhǎng)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?jí)毫τ捎趍、n決定 即使在校摩擦力狀態(tài)，原始?jí)簯?yīng)力可能比材料的流動(dòng)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(guò)移動(dòng)管道面(圖7)一種可能的方法（圖2b，詳見圖7）是用固定模具和隨坯料1運(yùn)動(dòng)的矩形槽滑桿2 形成進(jìn)口管道。這樣，就消除了三個(gè)管道面上的摩擦，原始?jí)毫Φ淖畲笤隽繛?
（3）
另一種情況（圖2）進(jìn)口通道有兩個(gè)滑桿2，3組成。因此模具的前后面固定。相應(yīng)增量為 (4)
對(duì)比公式(2)-(4)可得出結(jié)論：在所有情況下，原始?jí)毫Χ茧S長(zhǎng)厚比的增加而增大。為了有效加工，長(zhǎng)厚比應(yīng)足夠大。但實(shí)際長(zhǎng)厚比一般取為4～8。圖2c的p/Y幾乎是圖2的兩倍對(duì)于固定通道（圖2a）原始?jí)毫σ踩Q于寬厚比m。但是這個(gè)比率不影響原始?jí)毫υ诨瑒?dòng)渠道這兩種情況下的大小。圖3示
摩擦在進(jìn)口的分布范圍：（一）工作面不動(dòng)；（b）三面活動(dòng)的工作面；（c）二面活動(dòng)的工作面.
圖⒊ 寬厚比m在壓力沿進(jìn)氣道增長(zhǎng)的影響（L / T = 6,/ Y= 0.15）：（1）工作面不動(dòng)；（２）三面活動(dòng)的工作面；（３）二面活動(dòng)的工作面。
以m為變量，n=6 時(shí)，計(jì)算結(jié)果三種狀態(tài)已給出：1.長(zhǎng)坯料 2 .板形 3 .條形. 很
顯然，長(zhǎng)形坯料特別是條形坯料在固定通道下會(huì)增大p/Y。在這些情況中，只有在大壓力下的移動(dòng)渠道模具才能對(duì)大坯料和硬質(zhì)合金坯料進(jìn)行等徑角擠壓。然而，對(duì)于板材來(lái)說(shuō)，兩滑動(dòng)面對(duì)原始?jí)毫Φ臏p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(jiǎn)單模具。
2-2出道口
圖⒋固定的出口控制（a）和出口控制同活動(dòng)的下板（b）。
與進(jìn)口渠道相反，出口渠道的潤(rùn)滑是個(gè)難題。由于方向改變巨大，即使是用最好的潤(rùn)滑劑，也會(huì)出現(xiàn)底部壓力過(guò)大，產(chǎn)生沿底部接觸面出現(xiàn)滑移，還會(huì)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(gè)滑桿就可以解決這個(gè)問(wèn)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(guò)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，須沿坯料接觸表面產(chǎn)生一剪切力。f= 指的是接觸面的面積， 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(yùn)動(dòng)中的一些偏差。如果大于滑桿與毛坯的彈性摩擦力，則流動(dòng)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(jiǎn)單的剪切變形。因此，應(yīng)該非常小。
2-3塑性變形區(qū)
內(nèi)外渠道為塑性區(qū)限定了摩擦的邊界條件和（圖5為＞時(shí)滑移情況）
圖⒌不同通道摩擦狀態(tài)下的滑移線。
假設(shè)材料處于理想塑性狀態(tài)。滑移線PEDO中心區(qū)，混合邊界CDE和不變區(qū)CA，陰影區(qū)的中心角:
可由此公式算出.
是指材料的流動(dòng)剪切應(yīng)力。圖6考慮了、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(rùn)滑問(wèn)題。在的極限條件下，經(jīng)滑移線分析，進(jìn)口處全部壓力.這將會(huì)使坯料和渠道全部接觸，在的狹長(zhǎng)渠道和有限摩擦力＞0的實(shí)際情況下會(huì)產(chǎn)生大的擠壓力。實(shí)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(jiǎn)便出口固定渠道在工業(yè)應(yīng)用中也不實(shí)用。
出口渠道底面有一適當(dāng)滑移面，摩擦力和摩擦系數(shù)都較小。在這種情況下圖5的滑移區(qū)域可被看作當(dāng)====0和塑性區(qū)是單滑移線時(shí)，“零方案”的小變動(dòng)。然后用滑移線波動(dòng)省略中間結(jié)果 ，精確到第二位 ，可得到公式～Y，～在進(jìn)口 內(nèi)部 總壓力為
～
與Ep一致.如果擠壓里增量變化不明顯。在摩擦力下，坯料和進(jìn)口渠道和能足以形成接觸面的.出口渠道移動(dòng)，進(jìn)口渠道可以是固定的（圖2a），也可以是有兩個(gè)滑移面（2c）如前所述，簡(jiǎn)單固定渠道對(duì)于長(zhǎng)厚比的板材比較有效，然而對(duì)于長(zhǎng)坯料和帶狀坯料，則適合用滑動(dòng)軌道。因此僅有第一種情況要進(jìn)一步考慮多段加工。
圖. 6. material變形在等徑角擠壓通過(guò)
3-1基本路線
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、z對(duì)稱軸反復(fù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行等徑角擠壓。對(duì)于板材來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)的基本系統(tǒng)或路線可為:A-無(wú)旋轉(zhuǎn) B-坯料繞Z軸旋轉(zhuǎn) C-坯料繞Z軸旋轉(zhuǎn) D-坯料旋轉(zhuǎn)與軸旋轉(zhuǎn) 中，長(zhǎng)寬相等的方坯料最受歡迎，因?yàn)椴徽撛鯓有D(zhuǎn)它們都可在一相同模具中加工。無(wú)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(gè)基本路線最簡(jiǎn)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。
3-2材料的變形
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(guò)塑性區(qū)的材料拉力重要包括邊界DO和AFO的兩個(gè)簡(jiǎn)單剪切力。這種集中剪切大致與的沿時(shí)相對(duì)應(yīng)的“0方案”的滑移線單面剪切相平衡。圖6顯示了在剪切力作用下，正方形abcd。沿轉(zhuǎn)變成平行四邊形可以看出，隨著剪切力變成流動(dòng)方向，通過(guò)把進(jìn)口渠道原始位置abcd旋轉(zhuǎn)到出口到內(nèi)部位置。就可達(dá)到相同的變形。這種流動(dòng)方法有益于計(jì)算多段等傾角變形。因?yàn)閷?duì)于板材來(lái)說(shuō)，所有變形都發(fā)生在坯料的平面上。通過(guò)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。可以簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。因?yàn)槎虝鹤饔貌挥绊懺刈冃?，可以認(rèn)為由于作用在坯料平行面上，底部被修整，頂部逐漸過(guò)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(duì)于原坐標(biāo)x、y、z整個(gè)材料的變形。在長(zhǎng)坯料中,A,C平板流動(dòng)和變形相同。類似地，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(zhǎng)度增加Y向傾角增大，最大變形量的變化情況。路線B的變形量比的小倍，在無(wú)數(shù)Ⅰ段后它們都位于偏離Y方向。
圖 7. 組織的移動(dòng)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。
3-3剪切帶
機(jī)加工考慮的因素是簡(jiǎn)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)烈組織了沿方向長(zhǎng)度變形。在以下的工序中。剪切帶內(nèi)部的微觀流動(dòng)取代了連續(xù)的塑性流動(dòng)，它們朝同一剪切方向。盡管SPD晶粒細(xì)化機(jī)制還不是很清楚，仍有無(wú)數(shù)試驗(yàn)可以斷定了對(duì)于不同材料和加工條件（溫度、應(yīng)變率）在等徑角擠壓過(guò)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(gè)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(dòng)，隨坐標(biāo)改變方向。任何工序中剪切帶位置由下一個(gè)工序的變形決定。例如板材為旋轉(zhuǎn)的第N和N+1個(gè)工序，剪切帶的變形由第N+1剪切引起但是板材旋轉(zhuǎn)時(shí)，N+1不影響N的剪切帶，因而，在板材的多段加工中，有兩個(gè)與x、y向變形相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。
圖10顯示經(jīng)過(guò)四個(gè)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(duì)應(yīng)。
對(duì)于A、C剪切帶的方向與長(zhǎng)坯料中類似。[7]。A、B中，剪切帶逐漸旋轉(zhuǎn)到積壓方向。隨著Ⅰ段增加，剪切帶愈加難以辨認(rèn)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)細(xì)分，內(nèi)截面結(jié)構(gòu)將很薄而且很長(zhǎng)。對(duì)于來(lái)說(shuō)，在各個(gè)階段中，剪切帶與剪切面一致?？梢灶A(yù)計(jì)在這種情況下，多種循環(huán)會(huì)使變形恢復(fù)及等量變形旋轉(zhuǎn)。但是微觀結(jié)構(gòu)比A、B粗糙。類似的，在經(jīng)過(guò)第四道D時(shí)，材料便行為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(duì)于B路線來(lái)說(shuō)，兩個(gè)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(guò)B和D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(zhǎng)坯料的等徑角擠壓。這個(gè)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(jiǎn)單剪切應(yīng)力起重要作用，剪切帶沿x、y方向，如圖6示。這是在有高效潤(rùn)滑劑典型坯料固定出口道的等徑角擠壓加工過(guò)程。
3-4其它加工路線
基本路線包括僅繞z軸旋轉(zhuǎn)。這些路線不提供近直角剪切帶的三維系統(tǒng)。它對(duì)于細(xì)長(zhǎng)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(guò)使用一種增加x、y軸旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜路線即可消除這些缺點(diǎn)。像E這樣的路線包括8段。前4段是像路線D一樣，繞Z軸旋轉(zhuǎn)到與下一步同向。在這個(gè)階段，拌料沒有變形，有兩個(gè)剪切帶和大晶界交匯區(qū)。接著坯料繞y或x軸旋轉(zhuǎn)，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(guò)D恢復(fù)變形。在第一個(gè)剪切帶方向產(chǎn)生兩個(gè)新的交匯區(qū)。因此E路線產(chǎn)生四個(gè)交匯區(qū)，為結(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(gè)別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。這些痕跡是由于流動(dòng)方向大角度形成的痕跡。多段加工通過(guò)D和B，交匯成奇異的A區(qū)，此處塑性流動(dòng)轉(zhuǎn)換成三個(gè)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)，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D類似。
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(dòng)路線與E、F相似。
4、技術(shù)應(yīng)用
任何技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)都是實(shí)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(diǎn)是對(duì)簡(jiǎn)單幾何形狀坯料的成型。這種方法適于半成品的加工。這種半成品可在競(jìng)爭(zhēng)成本下簡(jiǎn)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(zhǎng)坯料的等徑角擠壓仍存在一些問(wèn)題有效加工長(zhǎng)坯料需要一個(gè)復(fù)雜工具將一個(gè)移動(dòng)墻轉(zhuǎn)化成兩個(gè)。非常長(zhǎng)的 的坯料比相同截面的普通擠壓坯料長(zhǎng)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(duì)于特長(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)題，對(duì)于相同長(zhǎng)度和L/T的坯料，板材的重量同壓力的長(zhǎng)坯料重4-8倍。
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(gè)滑動(dòng)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(duì)于矩形坯料這取決于鋼坯的比例。即使材料較軟，用好的潤(rùn)滑劑，即壓力也不允許太高。對(duì)于L/T〉4的進(jìn)口渠道，適當(dāng)?shù)臄D壓力
（Y<）產(chǎn)生一不規(guī)則原始塑性接觸和小摩擦力，因此大擠壓力產(chǎn)生大接觸面和的大的摩擦力。在所有情況中，出口渠道采用底滑動(dòng)面對(duì)于消除摩擦力，材料粘性降低擠壓力是一個(gè)好的解決方法。
寬厚比對(duì)長(zhǎng)方坯料和帶狀坯料的擠壓力影響顯著。在這些情況下，帶有兩滑動(dòng)面的進(jìn)口渠道對(duì)于減少擠壓力非常必要。對(duì)于W/T>>1的坯料來(lái)說(shuō)這種影響不顯著，可以應(yīng)用簡(jiǎn)單固定進(jìn)口渠道。
板材的基本加工路線會(huì)導(dǎo)致像長(zhǎng)方坯料的材料變形。然而，伴有空間塑性流動(dòng)的路線不如長(zhǎng)坯料效果好。其它的加工路線，類似可在特殊情況下應(yīng)用。
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