圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及強(qiáng)塑性加工方法，能夠代替作為主要在子彈或?qū)椷@樣的投射體、飛機(jī)的頭部中使用的圓錐形金屬管材的加工方法的金屬旋壓工藝，是如下的加工方法：利用模具對材料施加基于扭轉(zhuǎn)和壓縮力的強(qiáng)塑性變形，從而使材料實(shí)現(xiàn)晶粒超細(xì)化、納米化。本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法的特征在于，在圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)安裝與上述圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)形狀匹配的沖頭，在上述圓錐形金屬管材的外側(cè)安裝與上述圓錐形金屬管材的外側(cè)形狀匹配的模具，之后根據(jù)通過上述沖頭和模具對上述圓錐形金屬管材施加壓縮和扭轉(zhuǎn)而得到的剪斷變形，使上述圓錐形金屬管材的微細(xì)組織實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶?；蚣{米晶?；?。
【專利說明】圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對圓錐形金屬管材施加扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性的方法，更具體地講，涉及如下的強(qiáng)塑性加工方法:在實(shí)質(zhì)上保持形狀的同時(shí)，通過對圓錐形金屬管材施加由壓縮力和扭轉(zhuǎn)形成的剪斷應(yīng)力而實(shí)現(xiàn)的剪斷變形，使金屬管材的微細(xì)組織實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶?；蚣{米晶?；?，從而能夠提高材料的機(jī)械性質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0002]圓錐形金屬管材利用于子彈或?qū)椀念^、航空、如汽車這樣的運(yùn)輸機(jī)零部件產(chǎn)業(yè)及廚房、取暖器材這樣的各種領(lǐng)域。以往，這樣的圓錐形金屬管材是通過金屬旋壓法來加工為規(guī)定的形狀而使用的。
[0003]但是，金屬旋壓法是將材料的形狀控制作為主要目的的金屬成型技術(shù)，因此與控制微細(xì)組織這樣的提高材料的物理性質(zhì)的技術(shù)沒有太大關(guān)系。進(jìn)而，在金屬旋壓法中，由金屬工具的強(qiáng)壓力所致的變形集中于金屬管材的表面，存在加工之后金屬管材的內(nèi)部與外部的物理性質(zhì)差異較大的問題。
[0004]當(dāng)金屬材料受到塑性變形時(shí)，開始形成小邊界角位錯(cuò)胞的結(jié)構(gòu)，塑性變形量越大，越隨著位錯(cuò)胞(dislocation cell)的亞晶粒的晶界角的增加而發(fā)生晶粒逐漸被細(xì)化的現(xiàn)象。在利用該現(xiàn)象，對材料施加大的變形而使晶粒實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶?；蚣{米晶?；瘯r(shí)，與變形前的金屬材料相比，其機(jī)械性質(zhì)(強(qiáng)度、硬度、耐磨損性及超塑性等)大大提高，因此越來越需要一種脫離以往的以形狀成型為主的材料加工方法而用于制造超微細(xì)/納米結(jié)晶材料的加工方法。
[0005]在這樣的超微細(xì)/納米晶粒形成中，不僅壓縮、拉伸、剪斷變形這樣的對材料施加的塑性變形量很重要，而且以使工藝前后的材料的形狀實(shí)質(zhì)上相同的方式設(shè)計(jì)模具，以使能夠進(jìn)行可施加大量的變形量的反復(fù)工藝也非常重要。
[0006]目前為止，作為滿足這種條件的強(qiáng)塑性加工方法，研發(fā)有如下工藝:等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(ECAP:Equal Channel Angular Pressing)、高壓扭轉(zhuǎn)工藝(HPT:High-Pressuretorsion)、累積軋合法(ARB !Accumulative Roll Bonding)、等徑角軋制工藝(ECAR:EqualChannel Angular Rolling)等。
[0007]但是，還未研發(fā)出能夠相應(yīng)于圓錐形金屬管材的形狀而進(jìn)行強(qiáng)塑性加工的方法，因此需要研發(fā)該方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)課題
[0009]本發(fā)明的課題在于，提供如下的強(qiáng)塑性加工方法:實(shí)質(zhì)上維持圓錐形金屬管材的形狀而能夠進(jìn)行大變形加工，能夠使微細(xì)組織實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶?；蚣{米晶?；瑥亩軌虼蟠筇岣邎A錐形金屬管材的機(jī)械性質(zhì)。
[0010] 解決課題的手段[0011]作為解決上述課題的手段，本發(fā)明提供圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于，在圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)安裝與上述圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)形狀匹配的沖頭，在上述圓錐形金屬管材的外側(cè)安裝與上述圓錐形金屬管材的外側(cè)形狀匹配的模具，之后根據(jù)通過上述沖頭和模具對上述圓錐形金屬管材一邊施加壓縮力一邊施加扭轉(zhuǎn)而得到的剪斷變形，使圓錐形金屬管材的微細(xì)組織實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶?；蚣{米晶粒化。
[0012]在本發(fā)明的實(shí)施例中，上述剪斷變形可通過使上述沖頭對模具加壓之后使上述沖頭旋轉(zhuǎn)而得到。另外，可以通過相反地使模具加壓旋轉(zhuǎn)或使沖頭和模具向彼此不同的方向(例如，沖頭向順時(shí)針方向，模具向逆時(shí)針方向)旋轉(zhuǎn)的方法來施加扭轉(zhuǎn)。
[0013]另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，能夠通過調(diào)節(jié)上述沖頭的壓縮力或轉(zhuǎn)速來控制上述剪斷變形的量。如果，在旋轉(zhuǎn)模具或使沖頭和模具同時(shí)旋轉(zhuǎn)的情況下，能夠通過調(diào)節(jié)模具的轉(zhuǎn)速或沖頭和模具的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)剪斷變形的量。
[0014]另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，能夠向上述圓錐形金屬管材的中心部施加大的壓縮力而使上述圓錐形金屬管材的中心部的微細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶粒化或納米晶?；?。
[0015]另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，優(yōu)選為，進(jìn)行上述強(qiáng)塑性加工方法的工藝前后的圓錐形金屬管材的形狀實(shí)質(zhì)上相同。由此，能夠使用相同的沖頭和模具而反復(fù)地施加變形，因此能夠施加大量的變形量。
[0016]另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，在上述模具或沖頭的一側(cè)或兩側(cè)的內(nèi)部具備發(fā)熱體，從而能夠控制工藝溫度。由此，能夠在適合金屬管材的材質(zhì)的工藝溫度下進(jìn)行加工或進(jìn)行微細(xì)組織的控制，從而能夠進(jìn)一步提高加工的效率性。另外，上述發(fā)熱體可以不設(shè)置于模具或沖頭的內(nèi)部，而是設(shè)置于模具或沖頭的外部。
[0017]另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，上述沖頭的頂點(diǎn)曲率可維持為比圓錐形金屬管材的頂點(diǎn)曲率大。由此，能夠?qū)A錐形金屬管材的在高度方向上的厚度維持為一定厚度，由此防止應(yīng)力的集中而防止圓錐形金屬管材被破壞。
[0018]發(fā)明效果
[0019]根據(jù)本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法，在維持圓錐形形狀而不損失材料的情況下，能夠?qū)Σ牧鲜┘哟蟮募魯嘧冃魏蛪嚎s變形，由此能夠?qū)崿F(xiàn)微細(xì)組織的超微細(xì)晶?；蚣{米晶粒化，能夠顯著提高材料的機(jī)械物理性質(zhì)，從而能夠提供可滿足各種物理性質(zhì)要求的圓錐形
金屬管材。
[0020]另外，在本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法中，工藝前后的材料形狀同為圓錐形，因此能夠通過反復(fù)進(jìn)行工藝來調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)變形和機(jī)械性質(zhì)。
[0021]另外，在本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法中，調(diào)節(jié)工藝進(jìn)行中的沖頭(或模具)的轉(zhuǎn)速，由此可自由調(diào)節(jié)施加于材料的變形量，因此能夠容易進(jìn)行圓錐形金屬管材的物理性質(zhì)強(qiáng)化和微細(xì)組織的調(diào)節(jié)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是概略性地示出在本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法中使用的沖頭、模具及各個(gè)工藝步驟的圖。
[0023]圖2是在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的模具、沖頭及試片的剖面圖。
[0024]圖3的(a)是對強(qiáng)塑性加工前的圓錐形金屬管材進(jìn)行拍照的照片，圖3的(b)是對進(jìn)行本發(fā)明的實(shí)施例的強(qiáng)塑性加工后的圓錐形金屬管材進(jìn)行拍照的照片。
[0025]圖4示出對進(jìn)行本發(fā)明的實(shí)施例的強(qiáng)塑性加工前后的圓錐形金屬管材的硬度進(jìn)行檢測的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]圖1是概略性地示出在本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法中使用的沖頭、模具及各個(gè)工藝步驟的圖，圖2是在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的模具、沖頭及試片的剖面圖，圖3的(a)是對強(qiáng)塑性加工前的圓錐形金屬管材進(jìn)行拍照的照片，圖3的(b)是對進(jìn)行本發(fā)明的實(shí)施例的強(qiáng)塑性加工后的圓錐形金屬管材進(jìn)行拍照的照片。
[0027]參照附圖，對本發(fā)明的具體制造工藝進(jìn)行敘述。首先，本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法大體分為將圓錐形金屬管材安裝到模具的步驟(第一步驟)、利用模具和沖頭進(jìn)行加壓的步驟(第二步驟)、對圓錐形金屬管材施加扭轉(zhuǎn)的步驟(第三步驟)。
[0028]如圖1和圖2所示，上述第一步驟是如下的步驟:將對應(yīng)于圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)的形狀而制造的沖頭安裝于圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)，將安裝有沖頭的圓錐形金屬管材安裝于模具的內(nèi)部，該模具是對應(yīng)于圓錐形金屬管材的外側(cè)形狀而制造的，由此將圓錐形金屬管材安裝到模具。此時(shí)，上述沖頭和模具的安裝順序可根據(jù)模具的設(shè)計(jì)狀態(tài)而不同。即，也可以先將圓錐形金屬管材安裝到模具，然后將沖頭配置于圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)。另外，在上述模具的內(nèi)部具備通過電阻而發(fā)熱的發(fā)熱體，由此能夠施加適合圓錐形金屬管材的加工條件的熱。
[0029]上述第二步驟是如下步驟:以對安裝于模具的圓錐形金屬管材進(jìn)行沖壓的方式施加規(guī)定的壓縮力。此時(shí)，壓縮力為不發(fā)生試片的滑動的壓縮力，可考慮試片的最終厚度而選定。另外，關(guān)于向圓錐形金屬管材施加壓縮力的方式，除了如上所述的移動沖頭而加壓的方式以外，還可以使用固定沖頭而移動模具或者使兩者均移動的方式。
[0030]上述第三步驟是如下步驟:在對圓錐形金屬管材維持一定的壓縮力的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)沖頭而對圓錐形金屬管材施加扭轉(zhuǎn)。如上所述，在完成扭轉(zhuǎn)工藝時(shí)，解除壓縮力，使試片脫離模具。
[0031]由此，在本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工方法中，通過壓縮力來對材料施加非常大的靜水壓，在成為圓錐形金屬管材與沖頭之間的邊界面的摩擦非常大的緊貼狀態(tài)的情況下施加扭轉(zhuǎn)，從而能夠在沒有滑動的情況下，對圓錐形金屬管材施加完整的剪斷變形。并且，所施加的靜水壓和剪斷變形使圓錐形金屬管材的微細(xì)組織根據(jù)上述的機(jī)理而被細(xì)化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)超微細(xì)晶粒化或納米晶?；?。
[0032]另外，在進(jìn)行本發(fā)明的強(qiáng)塑性加工工藝時(shí)，利用施加到圓錐形金屬管材的壓縮力和轉(zhuǎn)速，能夠?qū)A錐形金屬管材的微細(xì)組織和機(jī)械性質(zhì)調(diào)節(jié)為所希望的形態(tài)。
[0033]下面，基于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。
[0034]圖2是在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的圓錐形金屬管材試片、模具及沖頭的剖面圖。試片的大小和材料可根據(jù)使用目的而變形為各種各樣，并且對應(yīng)于試片的形狀制造模具和沖頭。
[0035]在本發(fā)明的實(shí)施例中，調(diào)整曲率，以使相比于試片的頂點(diǎn)部分，沖頭的頂點(diǎn)部分不夠尖細(xì)(即，使沖頭的頂點(diǎn)曲率大于試片的頂點(diǎn)曲率)，這是為了防止在強(qiáng)塑性加工工藝過程中，應(yīng)力集中在試片頂點(diǎn)部分，從而導(dǎo)致在試片的頂點(diǎn)部分發(fā)生破壞。
[0036]在本發(fā)明的實(shí)施例的強(qiáng)塑性加工工藝中，使用了如下試片:將由純銅構(gòu)成且加工為圖2所示的形狀的試片，在加工工藝之前在600°C下加熱2小時(shí)，然后在加熱爐中進(jìn)行退火。強(qiáng)塑性加工是在常溫下進(jìn)行的，以施加80噸的加壓力的狀態(tài)下使沖頭以Irpm的速度旋轉(zhuǎn)I次的方法執(zhí)行。
[0037]圖3是對進(jìn)行本發(fā)明的實(shí)施例的強(qiáng)塑性加工工藝前后的試片的樣子進(jìn)行拍照的照片。其中，圖3的(a)是工藝前初始狀態(tài)的試片，圖3的(b)是進(jìn)行強(qiáng)塑性工藝之后的試片的樣子，由該圖可知，強(qiáng)塑性加工工藝前后的兩個(gè)試片的形狀實(shí)質(zhì)上相同。只是，因強(qiáng)壓縮力的影響，試片的厚度從1.2mm在進(jìn)行工藝之后稍微減小為0.96_。另外,可利用壓縮力和沖頭轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)強(qiáng)塑性加工工藝之后的試片的厚度。
[0038]圖4示出用于確認(rèn)進(jìn)行本發(fā)明的實(shí)施例的強(qiáng)塑性加工前后的材料的機(jī)械性質(zhì)的差異而進(jìn)行的硬度檢測結(jié)果。
[0039]圖中，“初始狀態(tài)”是從完成熱處理的初始狀態(tài)的試片的外側(cè)壁的邊緣向中心軸方向檢測的硬度值，如圖4的(a)所示，“外側(cè)”為在進(jìn)行強(qiáng)塑性加工工藝之后的試片中以與“初始狀態(tài)”相同的方式檢測的硬度值，如圖4的(b)所示，“內(nèi)部”為從試片的剖面所檢測的硬度值。此時(shí)，硬度的檢測方向如圖4的(a)、(b)所示，檢測間隔為1mm。
[0040]從圖4可知，強(qiáng)塑性加工工藝之后的試片的硬度值比初始狀態(tài)的試片的平均維氏硬度(Hv)值53大大提高，經(jīng)過I次強(qiáng)塑性加工工藝之后的最大硬度值上升到140。另外，試片的外部與內(nèi)部的硬度之差并不大，由此可知試片整體被均勻地強(qiáng)化。
[0041]通過這樣的硬度值均勻上升的現(xiàn)象可實(shí)現(xiàn)試片的強(qiáng)度、耐磨損性這樣的機(jī)械性質(zhì)的提高。因此，本發(fā)明的實(shí)施例的強(qiáng)塑性加工工藝在維持圓錐形金屬管材的形狀的狀態(tài)下，通過簡單的方法而能夠顯著提高其機(jī)械性質(zhì)，因此可適當(dāng)使用于子彈或?qū)椷@樣的要求高物理性質(zhì)的零部件。
【權(quán)利要求】
1.一種圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 在圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)安裝與上述圓錐形金屬管材的內(nèi)側(cè)形狀匹配的沖頭，在上述圓錐形金屬管材的外側(cè)安裝與上述圓錐形金屬管材的外側(cè)形狀匹配的模具，之后根據(jù)通過上述沖頭和模具對上述圓錐形金屬管材施加壓縮和扭轉(zhuǎn)而得到的剪斷變形，使上述圓錐形金屬管材的微細(xì)組織實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶?；蚣{米晶粒化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 上述剪斷變形是通過使上述沖頭對模具加壓之后使上述沖頭旋轉(zhuǎn)而得到的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 通過調(diào)節(jié)上述沖頭的壓縮力或轉(zhuǎn)速來控制上述剪斷變形的量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 向上述圓錐形金屬管材的中心部施加大的壓縮力而使上述圓錐形金屬管材的中心部的微細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超微細(xì)晶?；蚣{米晶?；?。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 進(jìn)行上述強(qiáng)塑性加工方法的工藝前后的圓錐形金屬管材的形狀除厚度之外實(shí)質(zhì)上相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 在上述模具上具備發(fā)熱體，從而能夠控制工藝溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 在上述沖頭上具備發(fā)熱體，從而能夠控制工藝溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 上述模具能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而能夠單獨(dú)旋轉(zhuǎn)或與沖頭一起旋轉(zhuǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓錐形金屬管材的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)塑性加工方法，其特征在于， 上述沖頭的頂點(diǎn)曲率大于圓錐形金屬管材的頂點(diǎn)曲率。
【文檔編號】C21D7/02GK104010744SQ201280062230
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月16日
【發(fā)明者】金亨燮, 嚴(yán)浩溶, 尹恩宥, 李東俊, 李 城 申請人:浦項(xiàng)工科大學(xué)校 產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)