JP2009107019A - Twist forward extrusion method and twist forward extrusion equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】摩擦撹拌現象により低圧での押出しを可能にし、単一連続プロセスで一気に結晶粒を微細化できる大型微細粒バルク素材創製に適したねじり前方押出し法およびねじり前方押出し装置を提供すること。
【解決手段】筒形コンテナ1の装填穴に棒状の固形金属材料であるビレットBを装填した後、コンテナ1に隣接して配置された円筒形ダイス2の方へプッシャー3によってビレットBを押圧しつつプッシャー3の押出し軸P周りにダイス2とビレットBとを相対的に回転させる際に、プッシャー3の押込み圧力および前記相対的な回転の回転速度を、ダイス穴の内面にビレットBの一端を接触させながら滑らせてビレットBの一端とダイス穴の内面との間で摩擦力および摩擦熱を生じさせて前記一端に塑性流動を発生させるような前記押込み圧力および回転速度に設定し、前記塑性流動をビレットBの他端側へ継続させながらねじりせん断ひずみを付与してビレットBをねじり押出し加工することを特徴とするねじり前方押出し法。
【選択図】図1Disclosed is a torsional forward extrusion method and a torsional forward extrusion apparatus suitable for creating a large-sized fine-grain bulk material that enables extrusion at a low pressure by a friction stir phenomenon and can refine crystal grains at once in a single continuous process.
After a billet B, which is a rod-shaped solid metal material, is loaded into a loading hole of a cylindrical container 1, the billet B is pressed by a pusher 3 toward a cylindrical die 2 disposed adjacent to the container 1. While rotating the die 2 and the billet B relative to each other around the extrusion axis P of the pusher 3, the pushing pressure of the pusher 3 and the rotational speed of the relative rotation are set so that one end of the billet B is attached to the inner surface of the die hole. The indentation pressure and the rotation speed are set so as to generate frictional force and frictional heat between one end of the billet B and the inner surface of the die hole by sliding while making contact, and to generate plastic flow at the one end. A torsional forward extrusion method characterized in that a torsional shear strain is applied while the flow is continued to the other end side of the billet B, and the billet B is twisted and extruded.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、ねじり前方押出し法およびねじり前方押出し装置に関し、詳しくは、微細なミクロ組織を有する金属材料を製造するために固形金属材料に大きい加工ひずみを加えるねじり前方押出し法およびその方法に用いられるねじり前方押出し装置に関する。 The present invention relates to a torsional forward extrusion method and a torsional forward extrusion apparatus, and more particularly to a torsional forward extrusion method and method for applying a large processing strain to a solid metal material in order to produce a metal material having a fine microstructure. The present invention relates to a twist forward extrusion apparatus.
金属材料は結晶粒の微細化により、室温での強度、靭性および高温での加工性が向上し、数μm以下の微細粒材では、超塑性ニアネット成形も可能になる。しかしながら、微細粒素材の製造に関しては、工数、時間、歩留まりなどの点で生産性が悪い、特殊な装置や大出力の装置を必要とする、均一微細化が難しい、大型バルク素材の創製が困難、などの種々の問題を抱えている。 The metal material is improved in strength at room temperature, toughness and workability at high temperature by refining crystal grains, and superplastic near-net molding is also possible for fine grain materials of several μm or less. However, regarding the production of fine-grained materials, productivity is poor in terms of man-hours, time, yield, etc., special equipment and high-power equipment are required, uniform miniaturization is difficult, and creation of large bulk materials is difficult Have various problems.
金属材料の結晶粒を微細化する方法の1つにねじり押出し法が提案されている(例えば特許文献1および2参照)。
このねじり押出し法では、図5に示すように、固形金属材料のビレット(被加工材)と前記ダイスとをビレットの軸回りに相対的に回転させながら押し出すことにより、単一連続工程でビレットに効率よく大きなねじりせん断ひずみを導入することができる。この際、被加工材がダイス面で円周方向に滑らず確実にねじられるよう、大きな減面率を取ることで高い押出し圧力(ダイス面圧)を確保している。
A twist extrusion method has been proposed as one method for refining crystal grains of a metal material (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
In this torsion extrusion method, as shown in FIG. 5, a billet (workpiece) of a solid metal material and the die are extruded while being relatively rotated around the axis of the billet, thereby forming a billet in a single continuous process. A large torsional shear strain can be introduced efficiently. At this time, a high extrusion pressure (die surface pressure) is ensured by taking a large area reduction rate so that the workpiece is reliably twisted without slipping in the circumferential direction on the die surface.
具体的には、特許文献1では、金属材料である純アルミニウムのビレット(φ8mm×20mm)とダイス(穴径φ3mm)とを相対的に20〜40rpmの回転速度で回転させ、プッシャー速度10mm/minでビレットをダイスへ押し込むことにより、外周部は平均結晶粒径1μm程度まで微細化している。また、特許文献4に示すように、ビレットの軸に対しダイスの軸を偏心させることで通常ねじりによるひずみの導入が困難な中心部までほぼ均一に微細化されている。
非特許文献3および4に示すように、各種マグネシウム合金においても、押出し条件は異なるが割れずに加工することが可能で、同様の微細化効果とともに延性の乏しい材料にも適用できることを確認している。
Specifically, in Patent Document 1, a pure aluminum billet (φ8 mm × 20 mm) and a die (hole diameter φ3 mm), which are metal materials, are relatively rotated at a rotational speed of 20 to 40 rpm, and a pusher speed of 10 mm / min. By pushing the billet into the die, the outer peripheral portion is refined to an average crystal grain size of about 1 μm. Further, as shown in Patent Document 4, the center of the die, which is difficult to introduce strain due to torsion, is made almost uniform by making the axis of the die eccentric from the billet axis.
As shown in Non-Patent Documents 3 and 4, it was confirmed that various magnesium alloys can be processed without cracking even though the extrusion conditions are different, and can be applied to materials with poor ductility as well as the same refinement effect. Yes.
近年、CO2削減の観点から輸送機器の軽量化が強く要求されるようになってきており、輸送機器の構造材料として比強度、非剛性の大きいマグネシウム合金(Mg合金)が注目されている。マグネシウム合金は、その結晶粒を微細化することで高温での延性が向上し、生産性がよく高靭性な部材が得られる熱間鍛造成形が可能になる。しかし、輸送機器の鍛造で必要な大型バルク素材の微細化が困難なため、鋳造で生産されているのが現状である。また、前記特許文献1のねじり押出し法においても、ダイス面上で円周方向の滑りを生じずに確実にねじられるよう減面率を大きくして(約86%)大きな押出し圧力が生じるようにしているため、大径の押出し素材を得るには大きなビレットが必要で、装置も大型化するとともに極めて大きなパワーが必要となり、現実的には採算が合わない。 In recent years, there has been a strong demand for weight reduction of transportation equipment from the viewpoint of CO 2 reduction, and a magnesium alloy (Mg alloy) having high specific strength and high rigidity has been attracting attention as a structural material for transportation equipment. Magnesium alloys can be hot forged by improving the ductility at high temperature by refining the crystal grains and obtaining a member with high productivity and high toughness. However, since it is difficult to refine a large bulk material required for forging of transportation equipment, it is currently produced by casting. Also in the torsion extrusion method of Patent Document 1, the reduction in area is increased (about 86%) so that a large extrusion pressure is generated so as to be surely twisted without causing circumferential slip on the die surface. Therefore, a large billet is required to obtain a large-diameter extruded material, and the apparatus is increased in size and requires extremely large power, which is not practically profitable.
そこで、本発明者らは、減面率、押出し圧力を最小限に抑えるため、前記ダイス面上での円周方向の滑りを許容する代りにビレットとダイスとを相対的に高速回転させ、特許文献5に示す摩擦撹拌現象を生じさせる前記ねじり前方押出し法およびねじり前方押出し装置を提供するものである。本発明では、被加工材のダイスとの接触面に摩擦力と摩擦熱が発生し、被加工材のダイスとの接触面近傍にねじりせん断の塑性流動が生じる。さらに、この塑性流動による加工発熱により材料の流動性は増す。この場合、被加工材に生じるねじれ速度は前記相対回転速度の1/10〜1/30程度にすぎないが、相対回転速度を大きくすることで前記特許文献1のねじり押出しと同等のねじりせん断ひずみを被加工材に導入することができる。 Therefore, in order to minimize the area reduction rate and the extrusion pressure, the inventors rotated the billet and the die at a relatively high speed instead of allowing circumferential slip on the die surface. The present invention provides the torsion forward extrusion method and the torsion forward extrusion apparatus that cause the friction stir phenomenon shown in Document 5. In the present invention, frictional force and frictional heat are generated on the contact surface of the workpiece with the die, and a torsional shear plastic flow is generated in the vicinity of the contact surface of the workpiece with the die. Furthermore, the fluidity of the material increases due to the heat generated by the plastic flow. In this case, the torsional speed generated in the workpiece is only about 1/10 to 1/30 of the relative rotational speed, but by increasing the relative rotational speed, the torsional shear strain equivalent to the torsional extrusion of Patent Document 1 is used. Can be introduced into the workpiece.
かくして、本発明によれば、筒形コンテナの装填穴に棒状の固形金属材料であるビレットを装填した後、前記コンテナに隣接して配置された円筒形ダイスの方へプッシャーによってビレットを押圧しつつ前記プッシャーの押出し軸周りに前記ダイスとビレットとを相対的に回転させる際に、前記プッシャーの押込み圧力および前記相対的な回転の回転速度を、前記ダイス穴の内面にビレットの一端を接触させながら滑らせてビレットの前記一端とダイス穴の内面との間で摩擦力および摩擦熱を生じさせて前記一端に塑性流動を発生させるような前記押込み圧力および回転速度に設定し、前記塑性流動をビレットの他端側へ継続させながらねじりせん断ひずみを付与してビレットをねじり押出し加工するねじり前方押出し法が提供される。
このねじり前方押出し法によって、ビレットとダイスとの相対回転速度を大きくして摩擦撹拌現象を利用することにより、ビレットがダイス面上で円周方向にほとんど空すべりしているような状態でも微細化に十分なねじりせん断ひずみを導入することがでる。
Thus, according to the present invention, after the billet, which is a rod-shaped solid metal material, is loaded into the loading hole of the cylindrical container, the billet is pressed by the pusher toward the cylindrical die disposed adjacent to the container. When the die and the billet are relatively rotated around the pusher extrusion shaft, the pushing pressure of the pusher and the rotational speed of the relative rotation are adjusted while bringing one end of the billet into contact with the inner surface of the die hole. The plastic flow is set to the indentation pressure and rotational speed so as to generate a frictional force and frictional heat between the one end of the billet and the inner surface of the die hole to generate a plastic flow at the one end. A torsion forward extrusion method is provided in which a billet is twisted and extruded by applying a torsional shear strain while continuing to the other end.
By this twist forward extrusion method, the relative rotation speed between the billet and the die is increased, and the friction stir phenomenon is used to refine the billet even in a state where the billet almost slides in the circumferential direction on the die surface. Sufficient torsional shear strain can be introduced.
また、本発明の別の観点によれば、前記ねじり前方押出し法に用いられるねじり前方押出し装置であって、ビレットが装填される前記コンテナと、該コンテナに隣接して配置された前記ダイスと、コンテナ内のビレットを前記ダイスへ押圧する前記プッシャーと、コンテナまたはダイスを前記押出し軸周りに回転させる回転手段と、前記プッシャーを押出し軸方向に移動させる加圧手段とを備えたねじり前方押出し装置が提供される。 Further, according to another aspect of the present invention, there is provided a torsional front extrusion apparatus used in the torsional front extrusion method, wherein the container loaded with a billet, and the die disposed adjacent to the container, A torsional forward extrusion apparatus comprising: the pusher for pressing a billet in a container against the die; a rotating means for rotating the container or the die around the extrusion shaft; and a pressurizing means for moving the pusher in the direction of the extrusion axis. Provided.
本発明のねじり前方押出し法では、摩擦撹拌現象の利用により、小さな減面率、小さな押出し圧力(同一減面率でのねじらない通常押出しより一桁低い)で加工できることから、現実的な大きさおよびスペックの装置での大型微細粒バルク素材の高効率な生産が期待できる。
また、従来の強加工微細化プロセスと異なり、本発明のねじり押出し法は、単一連続プロセスで高効率な生産が可能になり、脆性材料にも適用しやすく、比較的均一な微細化が可能である。
In the torsional forward extrusion method of the present invention, by using the friction stir phenomenon, processing can be performed with a small area reduction rate and a low extrusion pressure (one order of magnitude lower than normal extrusion without twisting at the same area reduction rate). High-efficiency production of large, fine-grained bulk materials with high-spec equipment is expected.
In addition, unlike the conventional high-process refinement process, the torsion extrusion method of the present invention enables high-efficiency production in a single continuous process, is easy to apply to brittle materials, and enables relatively uniform refinement. It is.
(ねじり前方押出し法の説明)
本発明のねじり前方押出し法では、被加工材は、ダイスアプローチ部(被加工材に断面減少を生じさせる部分)で断面減少に伴う垂直ひずみとともにそれよりはるかに大きいねじりせん断ひずみを付与されることになる。このことは、前記特許文献4に示すように、ひずみ増分理論から大幅な押出し圧力の低減に繋がる。この効果を有効に利用するには、被加工材の断面積が減少するダイスアプローチ部のできるだけ広い範囲にねじりせん断ひずみが分散して生じるのがよく、そのためには、ダイスアプローチ部の形状は前記円弧または楕円状が望ましい。一方、この形状が円錐状の場合には、コンテナとダイスの境界面付近にねじりせん断変形が集中し、押出し圧力が大きくなるだけでなく、変形の集中によりねじ切れる。
(Explanation of twist forward extrusion method)
In the torsional forward extrusion method of the present invention, the workpiece is given a much larger torsional shear strain along with the vertical strain associated with the cross-sectional reduction at the die approach portion (the portion that causes the cross-sectional reduction in the workpiece). become. This leads to a significant reduction in the extrusion pressure from the strain increment theory, as shown in Patent Document 4. In order to make effective use of this effect, the torsional shear strain should be distributed over the widest possible range of the die approach portion where the cross-sectional area of the workpiece is reduced. An arc or an ellipse is desirable. On the other hand, when this shape is conical, torsional shear deformation concentrates near the boundary surface between the container and the die, and not only the extrusion pressure increases, but also twisting occurs due to the concentration of deformation.
ダイス穴の偏心は、中心部にもせん断ひずみを付与するが、加えて、被加工材のダイス面上での円周方向の空すべり抑制効果も大きく、全体に導入ひずみ量およびひずみ速度を大きくする。しかしながら、前記相対回転速度の大きい本発明のねじり押出し法では、過度の偏心は、過大なねじりせん断ひずみ速度およびそれに伴う過大な加工発熱を生じさせ、ねじ切れの原因となる。この偏心ダイスの偏心量としては、例えばφ8mmのビレットに対し0.2〜0.4mm程度とすることができる。
結局、前記相対回転速度とダイス穴の偏心率(偏心量のビレット半径に対する比)で決まる被加工材のねじれ速度とその押込み速度に対する比が変形部位の温度を左右する要因となり、この温度は、押出し加工時に生じる動的結晶粒径に大きく影響する。
The eccentricity of the die hole gives shear strain to the center as well, but in addition, the effect of suppressing slippage in the circumferential direction on the die surface of the workpiece is large, and the overall strain amount and strain rate are increased. To do. However, in the torsion extrusion method of the present invention having a large relative rotational speed, excessive eccentricity causes an excessive torsional shear strain rate and an excessive heat generation due to the processing, thereby causing thread breakage. The amount of eccentricity of the eccentric die can be, for example, about 0.2 to 0.4 mm for a billet of φ8 mm.
After all, the torsional speed of the workpiece determined by the relative rotation speed and the eccentricity ratio of the die hole (ratio of the eccentricity to the billet radius) and the ratio of the pushing speed to the indentation speed are factors that affect the temperature of the deformation site. It greatly affects the dynamic crystal grain size generated during extrusion.
本発明では、回転速度は、固形金属材料の種類にもよるが、150〜450rpm程度と前記先行技術と比較すると一桁程度高く設定しており、押込み圧力は、回転させない場合に比べ飛躍的(1/10程度)に低くなる。 In the present invention, although the rotation speed depends on the type of the solid metal material, it is set to about 150 to 450 rpm, which is about an order of magnitude higher than the prior art, and the indentation pressure is drastically compared with the case where the rotation is not performed ( 1/10).
本発明のねじり前方押出し法は、摩擦発熱が大きいため、AZ系(Al、Zn系)マグネシウム合金では非加熱でも行うことができるが、加工温度が低いと50μm程度の空洞が多く生じ易くなる傾向にある。これは押出し加工の初期にダイス面に沿ってビレットの外周部が優先的に流出し、外周部と中心部が均一に流出する定常状態に移行する過程でビレットの中心部に引張りの応力場が生じるためと考えられる。 The torsional forward extrusion method of the present invention generates a large amount of frictional heat, so it can be performed without heating with an AZ (Al, Zn) magnesium alloy, but tends to generate a large number of cavities of about 50 μm at low processing temperatures. It is in. This is because the billet's outer periphery preferentially flows out along the die surface at the beginning of the extrusion process, and there is a tensile stress field at the center of the billet during the transition to a steady state where the outer periphery and the center flow out uniformly. This is thought to occur.
この空洞欠陥は、コンテナまたはダイスにヒーターを組み込んで加工温度を上げるか、ビレットのダイス側端面を面取りしてメタルフローの急激な変化を緩和することにより解消できる。加工温度を上げると動的再結晶粒径が大きくなるので、微細化の観点および省エネルギーと装置の簡素化の観点からは、後者のビレット端面を面取りする方法が望ましい。この場合、面取りする範囲および角度は特に限定されないが、ビレットにおけるダイス側の前記一端の外周部全周の半径35〜45%の領域を角度40〜50°で面取りすることが特に有効であり、半径40%の領域を角度45°で面取りすることが望ましい。
しかし、面取りだけでは空洞欠陥を防ぎきれない場合や、加熱を必要とする材料への適用も考慮して、本発明の装置ではダイスを最大270℃程度まで加熱できるようにしている。なお、コンテナを加熱したり、ビレットを予加熱してもよいが、熱効率の点で変形部のみの局部加熱が望ましい。
This cavity defect can be eliminated by incorporating a heater in the container or die to raise the processing temperature, or chamfering the die side end face of the billet to mitigate a rapid change in metal flow. Since the dynamic recrystallization grain size increases as the processing temperature is raised, the latter method of chamfering the billet end face is desirable from the viewpoint of miniaturization, energy saving, and simplification of the apparatus. In this case, the range and angle to be chamfered are not particularly limited, but it is particularly effective to chamfer an area with a radius of 35 to 45% of the outer periphery of the one end on the die side of the billet at an angle of 40 to 50 °. It is desirable to chamfer an area with a radius of 40% at an angle of 45 °.
However, in consideration of the case where the cavity defect cannot be prevented by chamfering alone or application to a material that requires heating, the apparatus of the present invention enables the die to be heated up to about 270 ° C. In addition, although a container may be heated or a billet may be preheated, the local heating only of a deformation | transformation part is desirable from the point of thermal efficiency.
本発明のねじり前方押出し法に適用されるビレット(被加工材)としての固形金属材料は、特に限定されるものではなく、例えば上述のマグネシウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。これらの中でも、結晶粒を微細化しないと熱間鍛造が困難なマグネシウム合金、さらに、延性に乏しく押出し加工自体がねじらない通常の押出しで困難な難加工マグネシウム合金(例えば鋳造用合金AZ91やCaを添加した難燃合金など)に対する本発明のねじり前方押出し法の適用は、特に有効である。
また、A1100合金(工業用純アルミニウム)では、20MPa程度の極めて低い押出し圧力での押出しが可能となる。
なお、より高強度の金属材料への適用に関しては、工具の耐久性や前記ビレットとダイスとを相対的に高速回転させるためのモーターの容量などの点で現実的とは言い難い。
The solid metal material as a billet (workpiece) applied to the twist forward extrusion method of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include the above-described magnesium alloy, aluminum, and aluminum alloy. Among these, magnesium alloys that are difficult to hot forge unless crystal grains are refined, and difficult-to-process magnesium alloys that have poor ductility and do not twist the extrusion process themselves (such as casting alloys AZ91 and Ca) The application of the torsional forward extrusion method of the present invention to a flame retardant alloy to which is added is particularly effective.
In addition, the A1100 alloy (industrial pure aluminum) can be extruded at an extremely low extrusion pressure of about 20 MPa.
It should be noted that application to a higher-strength metal material is not practical in terms of the durability of the tool and the capacity of a motor for rotating the billet and the die at a relatively high speed.
(ねじり前方押出し装置の説明)
本発明のねじり前方押出し法に用いられるねじり前方押出し装置は、ビレットが装填される前記コンテナと、該コンテナに隣接して配置された前記ダイスと、コンテナ内のビレットを前記ダイスへ押圧する前記プッシャーと、コンテナまたはダイスを前記押出し軸周りに回転させる回転手段と、前記プッシャーを押出し軸方向に移動させる加圧手段とを備える。
(Explanation of twist forward extrusion device)
The twist forward extrusion apparatus used in the twist forward extrusion method of the present invention includes the container loaded with a billet, the die placed adjacent to the container, and the pusher that presses the billet in the container to the die. And a rotating means for rotating the container or the die around the extrusion axis, and a pressurizing means for moving the pusher in the direction of the extrusion axis.
筒形コンテナは、工具鋼製であり、円筒状ビレットはコンテナ内に容易に装填できる程度の寸法にしておく。コンテナとビレットは、その間に多少の間隙があっても押出しを開始すると速やかに変形して密着し、その後は相対的な回転を生じることはない。
プッシャーは、後述する加圧手段によってコンテナの装填穴内で押出し軸方向に移動する工具鋼製の押し棒であり、装填穴内でスムーズに駆動可能な最大限の横断面積に形成される。
The cylindrical container is made of tool steel, and the cylindrical billet is dimensioned so that it can be easily loaded into the container. Even if there is a slight gap between the container and the billet, when the extrusion is started, the container and the billet are quickly deformed and brought into close contact with each other, and thereafter no relative rotation occurs.
The pusher is a push rod made of tool steel that moves in the direction of the extrusion axis in the loading hole of the container by the pressurizing means described later, and is formed in the maximum cross-sectional area that can be smoothly driven in the loading hole.
ダイスは、熱間鍛造用工具鋼製であり、コンテナの内径未満の穴径のベアリング部、その入り口側のアプローチ部および出口側のリリーフ部を有している。アプローチ部の形状は、上述のように、コンテナとダイスの境界面付近でのねじりせん断ひずみの集中を避け、出来るだけ広い範囲にねじりせん断ひずみが分布するようにする意味で丸みを持たせた円弧または楕円状にしている。 The die is made of tool steel for hot forging, and has a bearing portion having a hole diameter smaller than the inner diameter of the container, an approach portion on the inlet side, and a relief portion on the outlet side. As described above, the shape of the approach part is a circular arc that is rounded to avoid torsional shear strain concentration near the interface between the container and the die, and to distribute the torsional shear strain as widely as possible. Or it is oval.
上述のように、回転は、コンテナに与えても、あるいはダイスに与えてもよいが、その回転軸はビレット軸とする(偏心ダイスではその穴の軸はビレット軸から偏心している)。コンテナを回転させた場合は、上述のように、押出し開始後速やかにその中のビレットもコンテナと同一速度で回転するようになり、また、プッシャーもコンテナと同一速度で回転するようにする。そのため、プッシャーと加圧装置の圧板(非回転)の間には耐加重の大きいスラストベアリングを挿入する必要がある。
コンテナが回転している場合でも、コンテナの回転速度(=ビレットの回転速度)を基準(0)として、それに対するダイスの相対的な回転速度をRDをRD(>0とする)、被加工材のダイスから押出された部分の回転速度をRMとすると、RD>RM>0であり、理想的な状態(押出し圧力が最小になる状態)では、ダイス穴入り口の手前からダイス穴内にかけて被加工材の局部的な回転速度は減少していく。
As described above, the rotation may be applied to the container or the die, but the rotation axis is the billet axis (in the case of the eccentric die, the axis of the hole is eccentric from the billet axis). When the container is rotated, as described above, the billet therein also rotates at the same speed as that of the container immediately after the start of extrusion, and the pusher is also rotated at the same speed as that of the container. Therefore, it is necessary to insert a thrust bearing having a large load resistance between the pusher and the pressure plate (non-rotating) of the pressure device.
Even when the container is rotating, the rotation speed of the container (= the rotation speed of the billet) is used as a reference (0), and the relative rotation speed of the die is R D as R D (> 0), R D > R M > 0, where R M is the rotational speed of the part extruded from the workpiece die, and in an ideal state (the state where the extrusion pressure is minimized), the die is inserted from the front of the die hole entrance. The local rotational speed of the workpiece decreases in the hole.
回転手段は、例えば、コンテナまたはダイスに回転力を付与するモータと、コンテナおよびダイスを相対的に回転可能に保持するフレーム、ホルダおよびベアリング等の支持部と、モータの回転力をコンテナまたはダイスに伝達する複数のギヤあるいはチェーン等の伝達機構部と、モータの回転速度を制御するモータ制御部等を備えた構成とすることができる。 The rotating means includes, for example, a motor that applies a rotational force to the container or the die, a support part such as a frame, a holder, and a bearing that rotatably holds the container and the die, and the rotational force of the motor to the container or the die. A transmission mechanism such as a plurality of gears or chains for transmission and a motor controller for controlling the rotation speed of the motor can be provided.
加圧手段は、例えば、上述の回転手段、支持部等を上載する基台上に立設されたフレームと、フレームに取り付けられかつシャフト先端がプッシャーと連結した油圧シリンダと、油圧シリンダに油圧を供給して伸縮動作させる伸縮駆動部、プッシャーに所定の圧力がかかるように伸縮駆動部を制御する油圧制御部等を備えた構成とすることができる。なお、コンテナ側が回転する場合、加圧装置圧板は、上述のように、プッシャーも回転できるようスラストベアリングを介してプッシャーを押圧する。 The pressurizing means includes, for example, a frame erected on a base on which the above-described rotating means, a support portion and the like are mounted, a hydraulic cylinder attached to the frame and having a shaft tip connected to a pusher, and hydraulic pressure applied to the hydraulic cylinder. An expansion / contraction drive unit that supplies and expands and contracts, a hydraulic control unit that controls the expansion / contraction drive unit so that a predetermined pressure is applied to the pusher, and the like can be provided. When the container side rotates, the pressure device pressure plate presses the pusher via the thrust bearing so that the pusher can also rotate as described above.
本ねじり前方押出し装置は、上述のようにビレット(被加工材)を加熱する場合に対応できるように、ダイスおよびコンテナの少なくとも一方を加熱する加熱手段をさらに備えてもよい。加熱手段としてはヒータ(例えばシーズヒータ)を用いることができる。この場合、ダイスを加熱する方がビレットの変形部を効率よく加熱することができる。 The present torsional forward extrusion apparatus may further include a heating means for heating at least one of the die and the container so as to cope with the case where the billet (workpiece) is heated as described above. A heater (for example, a sheathed heater) can be used as the heating means. In this case, heating the die can efficiently heat the deformed portion of the billet.
図1に示すねじり前方押出し装置を用いて、アルミニウムビレット、Mg-Al-Zn合金(AZ31、AZ91)ビレットおよびMg-Al-Zn-Ca合金(AZX311、AZX911)ビレットのねじり押出し加工を行った。使用したAZ31マグネシウム合金中に含まれるマグネシウム以外の主な化学組成は、Al:3.15重量%、Zn:0.78重量%、Mn:0.33重量%、Fe:0.002重量%、Si:0.009重量%、Cu:0.001重量%、Ni:0.001重量%である。また、使用したAZ91マグネシウム合金中に含まれるマグネシウム以外には、Al:8.9重量%、Zn:0.84重量%、Ca:0.94重量%が含まれる。
図1に示すように、このねじり前方押出し装置は、ビレットBが装填されるコンテナ1と、コンテナ1の下に隣接して配置されたダイス2と、コンテナ1内の固形金属材料Bをダイス2へ押圧するプッシャー3と、コンテナ1をビレット軸P周りに回転させる回転手段4と、プッシャー3を押出し軸P方向に移動させる図示しない加圧手段と、ダイス2を加熱する図示しないシーズヒータとを備え、これらは貫通穴6aを有する基台6上に設置されている。コンテナとダイスは共に焼き入れた工具鋼同士でこすれると互いに傷が付くので、コンテナを下部スラストベアリングでわずかに浮かせている。
Using the twist forward extrusion apparatus shown in FIG. 1, twist extrusion of aluminum billet, Mg—Al—Zn alloy (AZ31, AZ91) billet and Mg—Al—Zn—Ca alloy (AZX311, AZX911) billet was performed. The main chemical composition other than magnesium contained in the used AZ31 magnesium alloy is Al: 3.15 wt%, Zn: 0.78 wt%, Mn: 0.33 wt%, Fe: 0.002 wt%, Si: 0.009 wt%, Cu: 0.001 wt%, Ni: 0.001 wt%. In addition to magnesium contained in the used AZ91 magnesium alloy, Al: 8.9% by weight, Zn: 0.84% by weight, and Ca: 0.94% by weight are included.
As shown in FIG. 1, the twist forward extrusion apparatus includes a container 1 in which a billet B is loaded, a die 2 disposed adjacent to the bottom of the container 1, and a solid metal material B in the container 1 as a die 2. A pusher 3 that pushes the container 1 around, a rotation means 4 that rotates the container 1 around the billet axis P, a pressure means that is not shown that moves the pusher 3 in the direction of the extrusion axis P, and a sheathed heater that is not shown that heats the die 2. These are installed on a base 6 having a through hole 6a. Since the container and the die are both scratched with hardened tool steel, the container is slightly lifted by the lower thrust bearing.
円筒形のコンテナ1は、その穴部の下部が円柱形ビレットBを装填するための装填穴とされ、穴部の上部は装填穴よりも径の大きいプッシャー根本部分の挿入穴とされている。装填穴は、穴径11mm、深さ(長さ)20mmである。なお、プッシャーの根本部分を太くしているのは、座屈を回避するためである。 The cylindrical container 1 has a lower hole portion as a loading hole for loading the cylindrical billet B, and an upper portion of the hole portion as an insertion hole of a pusher root portion having a diameter larger than that of the loading hole. The loading hole has a hole diameter of 11 mm and a depth (length) of 20 mm. The reason why the base part of the pusher is made thick is to avoid buckling.
回転手段4は、コンテナ1に回転力を付与するインバータモータMと、コンテナ1をダイス2に対してベアリング41、42を介して回転可能に保持する円筒形のホルダ43と、モータMの回転力をコンテナ伝達する2つのギヤ44、45と、モータMの回転速度を制御する図示しないモータ制御部とを備えている。基台5の貫通穴6aの周囲にはリング状の固定脚7が固定されており、この固定脚7上に前記ホルダ43の下端が固定されている。 The rotating means 4 includes an inverter motor M that applies a rotational force to the container 1, a cylindrical holder 43 that rotatably holds the container 1 with respect to the die 2 via bearings 41 and 42, and a rotational force of the motor M. Are provided with two gears 44 and 45 for transmitting the container and a motor control unit (not shown) for controlling the rotational speed of the motor M. A ring-shaped fixed leg 7 is fixed around the through hole 6 a of the base 5, and the lower end of the holder 43 is fixed on the fixed leg 7.
また、ホルダ43の穴部の下部には円筒形のダイスホルダ21が着脱可能に固定されており、このダイスホルダ21の上端に形成された凹部内にダイス2が着脱可能に固定されている。
ダイスホルダ21の穴部は、ダイス穴の下端開口部の径と略等しい一定径である。
また、ダイスホルダ21の下端面には、ダイスホルダの穴部の径と略等しい一定径の穴部を有する筒形ブロック22が固着されている。
A cylindrical die holder 21 is detachably fixed to a lower portion of the hole portion of the holder 43, and the die 2 is detachably fixed in a recess formed at the upper end of the die holder 21.
The hole of the die holder 21 has a constant diameter substantially equal to the diameter of the lower end opening of the die hole.
Further, a cylindrical block 22 having a hole with a constant diameter substantially equal to the diameter of the hole of the die holder is fixed to the lower end surface of the die holder 21.
ダイス2は、その上部が円い凸形に形成された凸形上部を有しており、その凸形上部がダイスホルダ21の凹部から突出してコンテナ1の下端の前記凹部に嵌合している。これによって、コンテナ1とダイス2の隙間への固形金属材料Bの噛みだし(バリ)を最小限に抑えると共に、コンテナ回転時の芯ぶれを防ぐようにしている。また、ダイス2の凸形上部の外周面とコンテナ1の凹部内周面との間には鋳鉄製のリング部材が嵌め込まれており、コンテナ1とダイス2の軸心のぶれがないようにすると共に、これら工具鋼の摩耗がほとんど生じないようにしている。 The die 2 has a convex upper portion whose upper portion is formed in a circular convex shape, and the convex upper portion protrudes from the concave portion of the die holder 21 and is fitted in the concave portion at the lower end of the container 1. This minimizes biting (burr) of the solid metal material B into the gap between the container 1 and the die 2 and prevents runout during rotation of the container. Further, a ring member made of cast iron is fitted between the outer peripheral surface of the convex upper portion of the die 2 and the inner peripheral surface of the concave portion of the container 1 so that the shaft center of the container 1 and the die 2 is not shaken. At the same time, the tool steel is hardly worn.
また、ダイス2は、図2(a)〜(c)に示す3種類が用意された。図2(a)に示すダイス2aは、ダイス穴の内面における上端側(コンテナ側)が下方へ向かって縮径するテーパ状に形成されたものである。図2(b)に示すダイス2bおよび図2(c)に示すダイス2cは、ともにダイス穴のアプローチ部が楕円状に加工されたものであり、このうち図2(c)に示すダイス2cは、ダイス穴の軸Dが前記ビレット軸Pに対して偏心した偏心ダイスである。
さらに詳しく説明すると、図2(a)のダイス2a(非偏心円錐ダイス)の場合、ダイス穴のテーパ面のテーパ角度θは60°、テーパ面の最大径φa1は12mm、テーパ面の深さda1は3.5mmである。また、このダイス穴は、テーパ面から深さφa2が1.5mmの範囲の穴径φa2が8mm、それより下の穴径φa3はやや大きい8.2mmである。なお、ダイス穴の内面の下端開口縁はねじり押出し加工された固形金属材料をスムースに出すために下方へ向かって拡径するテーパ状に形成されている。
Three types of dice 2 shown in FIGS. 2A to 2C were prepared. A die 2a shown in FIG. 2 (a) is formed in a tapered shape in which the upper end side (container side) of the inner surface of the die hole is reduced in diameter downward. A die 2b shown in FIG. 2 (b) and a die 2c shown in FIG. 2 (c) both have an approach portion of a die hole processed into an elliptical shape, and of these, the die 2c shown in FIG. 2 (c) The die hole axis D is an eccentric die eccentric with respect to the billet axis P.
More specifically, in the case of the die 2a (non-eccentric conical die) shown in FIG. 2A, the taper angle θ of the taper surface of the die hole is 60 °, the maximum diameter φ a1 of the taper surface is 12 mm, and the depth of the taper surface. d a1 is 3.5 mm. Further, the die hole has a hole diameter φ a2 of 8 mm in a range where the depth φ a2 is 1.5 mm from the tapered surface, and a hole diameter φ a3 below the hole diameter φ a3 is slightly larger 8.2 mm. In addition, the lower end opening edge of the inner surface of the die hole is formed in a taper shape whose diameter is expanded downward in order to smoothly feed the solid metal material that has been twisted and extruded.
図2(b)のダイス2b(非偏心円弧ダイス)としてダイス穴のサイズが異なる2種類を用意した。
2種類のダイス2bの1つ目は、R加工された円弧面Rの最大径φb1は11mm、円弧面Rの曲率半径は2mm、円弧面Rの深さdb1は1.9mmである。また、このダイス穴は、円弧面Rから深さdb2が4mmの範囲の穴径φb2が8mm、それより下の穴径φb3はやや大きい8.2mmである。なお、ダイス穴の内面の下端開口縁は同様に下方へ向かって拡径するテーパ状に形成されている。
また、2種類のダイス2bの2つ目は、最大径φb1が8mm、穴径φb2が5.0mm、穴径φb3が5.5mmであり、深さについては1つ目とほぼ同様である。
Two types having different die hole sizes were prepared as the die 2b (non-eccentric arc die) in FIG.
The first of the two types of dies 2b has an R-processed arc surface R having a maximum diameter φ b1 of 11 mm, a radius of curvature of the arc surface R of 2 mm, and a depth d b1 of the arc surface R of 1.9 mm. Further, this die hole has a hole diameter φ b2 of 8 mm in the range where the depth d b2 is 4 mm from the arc surface R, and a hole diameter φ b3 below the hole diameter φ b3 is slightly larger 8.2 mm. In addition, the lower end opening edge of the inner surface of the die hole is similarly formed in a tapered shape whose diameter increases downward.
The second of the two types of dies 2b has a maximum diameter φ b1 of 8 mm, a hole diameter φ b2 of 5.0 mm, and a hole diameter φ b3 of 5.5 mm, and the depth is almost the same as the first. It is.
図2(c)のダイス2c(偏心円弧ダイス)としてダイス穴のサイズが異なる2種類を用意した。
2種類のダイス2cの1つ目は、R加工された円弧面Rの最大径φc1は8mm、円弧面Rの曲率半径は2mm、円弧面Rの深さdc1は1.9mmである。また、このダイス穴は、円弧面Rから深さdc2が2.5mmの範囲の穴径φc2が5.2mm、それより下の穴径φc3はやや大きい5.7mmである。そして、押出し軸に対するダイス軸の偏心量eは0.2mmである。なお、ダイス穴の内面の下端開口縁は同様に下方へ向かって拡径するテーパ状に形成されている。
また、2種類のダイス2cの2つ目は、偏心量eが0.4mmであること以外は、1つ目のダイス2cと同様である。
Two types having different die hole sizes were prepared as the die 2c (eccentric arc die) in FIG.
The first of the two types of dies 2c has a maximum diameter φ c1 of the R-processed arc surface R of 8 mm, a radius of curvature of the arc surface R of 2 mm, and a depth d c1 of the arc surface R of 1.9 mm. Further, this die hole has a hole diameter φ c2 of 5.2 mm in the range from the arc surface R to the depth d c2 of 2.5 mm, and a hole diameter φ c3 below the hole diameter φ c3 is slightly larger 5.7 mm. The eccentric amount e of the die shaft with respect to the extrusion shaft is 0.2 mm. In addition, the lower end opening edge of the inner surface of the die hole is similarly formed in a tapered shape whose diameter increases downward.
The second of the two types of dies 2c is the same as the first die 2c except that the eccentricity e is 0.4 mm.
プッシャー3は、上部の大径部と、大径部に連設された下部の小径部からなり、スラストベアリング8(ガイドを含む)を介して加圧手段(万能試験機、図示省略)の圧板にて押圧される。
大径部の外径はコンテナ1のプッシャー挿入穴の径と一致させ、小径部の外径は装填穴の径と一致させ、それぞれなめらかに摺動可能なはめ合い公差とする。また、小径部の長さは装填穴の深さとほぼ同じに設定されている。
The pusher 3 is composed of an upper large-diameter portion and a lower small-diameter portion connected to the large-diameter portion, and a pressure plate of a pressurizing means (universal testing machine, not shown) via a thrust bearing 8 (including a guide). Is pressed.
The outer diameter of the large-diameter portion is matched with the diameter of the pusher insertion hole of the container 1, and the outer diameter of the small-diameter portion is matched with the diameter of the loading hole. The length of the small diameter portion is set to be substantially the same as the depth of the loading hole.
上述の複数のギヤのうち、小さい方のギヤ44はモータMのシャフト先端に固着され、小さいギヤ44に噛合する大きい方のギヤ45は、その中心穴の中心が押出し軸Pと一致した状態でコンテナ1の上面に固着されている。なお、大きいギヤ45とプッシャー3の大径部との間には、プッシャー3の上下動によるギヤ45との摩擦および摩耗を軽減するための鋳鉄製筒部材が設けられており、筒部材はギヤ45の中心穴の内周面に固着されている。 Among the plurality of gears described above, the smaller gear 44 is fixed to the shaft tip of the motor M, and the larger gear 45 meshing with the small gear 44 is in a state where the center of the center hole coincides with the extrusion shaft P. It is fixed to the upper surface of the container 1. A cast iron cylinder member is provided between the large gear 45 and the large-diameter portion of the pusher 3 to reduce friction and wear with the gear 45 due to the vertical movement of the pusher 3, and the cylinder member is a gear. 45 is fixed to the inner peripheral surface of the center hole.
加圧手段(図示省略)としては、油圧万能試験機を用いた。
また、シーズヒータ(図示省略)は、前記筒形ブロック22およびダイスホルダ21を貫通し、かつダイス2のダイス穴近傍にまで達する上下方向の6つの穴にそれぞれ挿入して配置した。
A hydraulic universal testing machine was used as the pressurizing means (not shown).
In addition, seed heaters (not shown) were respectively inserted into six vertical holes that penetrate the cylindrical block 22 and the die holder 21 and reach the vicinity of the die hole of the die 2.
(比較例1)
市販の純アルミニウム材料(A1100:直径12mm、素材結晶粒径約80μm)を切削加工して、直径11mm×長さ25mmの純アルミニウム固形材料を作製し、これを図2(a)の非偏心円錐ダイス2aを用いた図1のねじり前方押出し装置にセットし、コンテナ回転速度を最大450rpm、押込み圧力を50MPaとし、シーズヒータによる加熱なしでねじり押出し加工を試みた。
しかしながら、このAl固形材料のねじり押出し加工はできなかった。この原因は、Al固形材料の先端の塑性流動が生じなかったことであると考えられる。
(Comparative Example 1)
A commercially available pure aluminum material (A1100: diameter 12 mm, material crystal grain size about 80 μm) is cut to produce a pure aluminum solid material having a diameter of 11 mm × length of 25 mm, which is the non-eccentric cone shown in FIG. It set to the twist front extrusion apparatus of FIG. 1 using the die | dye 2a, the container rotational speed was set to 450 rpm and indentation pressure was set to 50 MPa, and the twist extrusion process was tried without the heating by a sheathed heater.
However, this Al solid material could not be twisted and extruded. This is considered to be because the plastic flow at the tip of the Al solid material did not occur.
(比較例2)
シーズヒータによってダイス温度260℃でダイス2a加熱したこと以外は、比較例1と同様にしてねじり押出し加工を試みたが、焼き付きが生じ易く、Al固形材料の先端での回転停止が頻繁に生じた。それに伴って押込み圧力が急上昇し、ダイス2aとコンテナ1の境界部へのせん断ひずみの集中によりAl固形材料がねじ切れた。結局、回転速度を落として押出し条件を変えてもダイス穴出口から数mm程度までしか押出すことはできなかった。この場合、Al固形材料先端の角部がダイス穴面に摺接し、この角部が急激に塑性流動して焼き付きを生じ、そのため滑りが悪化して塑性流動を他端側へ継続させることができなくなり、その結果、回転停止が生じたと考えられる。
(Comparative Example 2)
Except that the die 2a was heated at a die temperature of 260 ° C. with a sheathed heater, twist extrusion was attempted in the same manner as in Comparative Example 1, but seizure was likely to occur, and rotation stopped at the tip of the Al solid material frequently. . Along with this, the indentation pressure increased rapidly, and the Al solid material was cut off due to the concentration of the shear strain at the boundary between the die 2a and the container 1. Eventually, even if the rotational speed was lowered and the extrusion conditions were changed, it was possible to extrude only about several mm from the die hole outlet. In this case, the corner of the tip of the Al solid material slidably contacts the die hole surface, and this corner suddenly plastically flows to cause seizure, so that slippage deteriorates and plastic flow can be continued to the other end. As a result, it is considered that the rotation stopped.
(実施例1)
図2(b)の非偏心円弧ダイス2b(最大径φb1:11mm)に変え、ダイス温度270℃でダイス2bを加熱し、回転速度を150rpmに落としたこと以外は、比較例1と同様にしてねじり押出し加工を試みたところ、ねじ切れることなく押し出すことができた。その結果を表1に示す。
押出し後のAl固形材料の表面は粗く、若干焼き付きは生じているものの、押込み圧は平均約20MPaの低圧で安定しており、平均押出し速度約0.073mm/s、Al固形材料先端での回転の減速は約20rpmであり、これらから計算すると表面層に導入された相当ひずみの推定値は約34となる。なお、Al固形材料先端の回転速度の測定は、ダイス穴下方に設置したビデオカメラにより録画することで行った。
押出し後のAl固形材料を軸方向に半分に切断し、その切断面を光学顕微鏡で観察したところ、中心部の平均結晶粒径は約80μmで押出し前と大差ないが、外周に向かうにつれて微細化し、1/4位置で約10μm、外周部で約4μmとなっていた。
(Example 1)
The same as Comparative Example 1 except that the non-eccentric arc die 2b (maximum diameter φ b1 : 11 mm) shown in FIG. 2B was used and the die 2b was heated at a die temperature of 270 ° C. and the rotational speed was reduced to 150 rpm. When we tried to twist and extrude, we were able to extrude without twisting. The results are shown in Table 1.
Although the surface of the Al solid material after extrusion is rough and slightly seized, the indentation pressure is stable at a low pressure of about 20 MPa on average, the average extrusion speed is about 0.073 mm / s, and rotation at the tip of the Al solid material The deceleration is about 20 rpm, and when calculated from these, the estimated value of the equivalent strain introduced into the surface layer is about 34. The rotational speed of the tip of the Al solid material was measured by recording with a video camera installed below the die hole.
When the extruded Al solid material was cut in half in the axial direction and the cut surface was observed with an optical microscope, the average crystal grain size in the center was about 80 μm, which was not much different from that before extrusion, but it became finer as it went to the outer periphery. The thickness was about 10 μm at the ¼ position and about 4 μm at the outer periphery.
実施例1では、比較例2に比べてコンテナ回転速度を大幅に低下させると共に、ダイス穴面が円弧面となってAl固形材料先端との接触面積が増加したことによって、Al固形材料先端にかかる摩擦熱が比較例1に比して局部的ではなくなるため、Al固形材料先端の滑りが改善され、比較例1よりも塑性流動が緩やかに生じ、その結果、塑性流動した部分が順次ダイス穴に導入してねじりせん断ひずみが付与されていったと考えられる。 In Example 1, as compared with Comparative Example 2, the container rotation speed is significantly reduced, and the die hole surface becomes a circular arc surface and the contact area with the Al solid material tip is increased. Since the frictional heat is not localized as compared with Comparative Example 1, the slip of the tip of the Al solid material is improved, and plastic flow is generated more slowly than Comparative Example 1, and as a result, the plastically flowed portions are sequentially formed in the die holes. It is thought that torsional shear strain was applied after introduction.
(実施例2)
ダイス温度を250℃に低下させたこと以外は、実施例1と同様にしてねじり押出し加工を試みたところ、ねじ切れることなく押し出すことができた。その結果を表1に示す。
実施例2でも実施例1と概ね同様の結果であった。
(Example 2)
Except that the die temperature was lowered to 250 ° C., the twist extrusion process was attempted in the same manner as in Example 1. As a result, it was possible to extrude without twisting. The results are shown in Table 1.
The result in Example 2 was almost the same as that in Example 1.
(実施例3)
直径16mmのMg-Al-Zn(AZ31)合金材料(素材粒径77μm)を切削加工して、直径11mm×長さ25mmのMg-Al-Zn(AZ31)合金固形材料を作製し、これを図2(b)の非偏心円弧ダイス2b(最大径φb1:11mm)を用いた図1のねじり前方押出し装置にセットし、コンテナ回転速度を450rpm、押込み圧力を最大170MPaとし、シーズヒータによりダイス温度250℃でダイス2bを加熱してねじり押出し加工を試みたところ、ねじ切れずに押し出すことができた。その結果を表1に示す。
AZ31ではダイス面圧の割に焼き付きが少なく、回転速度を450rpmに上げた高速でもねじ切れることがなかった。これは、摩擦抵抗に比して変形抵抗が大きいためと考えられる。
(Example 3)
An Mg-Al-Zn (AZ31) alloy material with a diameter of 16 mm (material particle size of 77 μm) is cut to produce a solid material of 11 mm in diameter and 25 mm in length. 2 (b) non-eccentric arc die 2b (maximum diameter φ b1 : 11 mm) is set in the torsion forward extrusion device of FIG. When the die 2b was heated at 250 ° C. and a twist extrusion process was attempted, the die 2b was extruded without being broken. The results are shown in Table 1.
In AZ31, there was little seizure with respect to the die surface pressure, and even when the rotational speed was increased to 450 rpm, it was not broken. This is presumably because the deformation resistance is larger than the frictional resistance.
AZ31では、押出し初期にダイス穴面に接する外周部だけが先行して押し出され、その後、中心部が追従したと考えられる。中心部が追従し始める時期の押込み圧は最大の170MPaに達し、その後徐々に減少して120MPa程度まで低下した。また、平均押出し速度は0.044mm/sであった。
押出し後のAZ31ビレットを軸方向に半分に切断し、その切断面を光学顕微鏡で観察したところ、中心部の平均結晶粒径は押出し前の77μmと大差ないが、1/4位置では部分的に動的再結晶が生じて約25μmに微細化し、外周部では均一に約10μmまで微細化していた。
In AZ31, it is considered that only the outer peripheral portion in contact with the die hole surface was extruded in advance at the beginning of extrusion, and the center portion followed thereafter. The indentation pressure at the time when the central portion starts to follow reached the maximum of 170 MPa, and then gradually decreased to about 120 MPa. Moreover, the average extrusion speed was 0.044 mm / s.
When the AZ31 billet after extrusion was cut in half in the axial direction and the cut surface was observed with an optical microscope, the average crystal grain size at the center was not much different from 77 μm before extrusion, but partially at the 1/4 position. Dynamic recrystallization occurred and refined to about 25 μm, and the outer periphery was uniformly refined to about 10 μm.
実施例3のMg-Al-Zn合金ではアルミニウムに比べて焼付きが生じにくく、その結果、ねじ切れも生じにくく、押出し後の表面性状も良好であった。 The Mg—Al—Zn alloy of Example 3 was less susceptible to seizure than aluminum, and as a result, threading was less likely to occur and the surface properties after extrusion were good.
(実施例4〜7および比較例3)
表1に示す条件で、実施例1と同様に実施例4〜7および比較例3を行った。その結果を表1に示す。
実施例4〜7および比較例3でも、AZ31はダイス面圧が大きい割に焼き付きが生じにくく、高速でもねじ切れることがなかった。しかしながら、回転速度を0とした比較例3は、ねじりせん断ひずみが0であるためきわめて大きな押出し圧を要した。なお、表1〜3中に記載の「欠陥無し」は、50μm程度の空洞(ポア)が無いことを意味する。
(Examples 4 to 7 and Comparative Example 3)
In the same manner as in Example 1, Examples 4 to 7 and Comparative Example 3 were performed under the conditions shown in Table 1. The results are shown in Table 1.
Also in Examples 4 to 7 and Comparative Example 3, AZ31 was less likely to seize despite its large die surface pressure, and was not broken even at high speeds. However, Comparative Example 3 with a rotational speed of 0 required a very large extrusion pressure because the torsional shear strain was 0. In addition, “no defect” described in Tables 1 to 3 means that there is no cavity (pore) of about 50 μm.
(実施例8)
最大径φb1:11mmの非偏心円弧ダイス2bから最大径φb1:8mmの非偏心円弧ダイス2bに交換し、ダイス温度、回転速度および押込み速度を表1で示す条件に設定したこと以外は、実施例1と同様に実施例8を行った。その結果を表1に示す。
実施例8でも、AZ31はダイス面圧の割に焼き付きが少なく、高速でもねじ切れることがなかった。
(Example 8)
Except that the non-eccentric arc die 2b with the maximum diameter φ b1 : 11 mm was replaced with the non-eccentric arc die 2b with the maximum diameter φ b1 : 8 mm, and the die temperature, rotational speed and pushing speed were set to the conditions shown in Table 1. Example 8 was carried out in the same manner as Example 1. The results are shown in Table 1.
Also in Example 8, AZ31 had little seizure for the die surface pressure and was not broken even at high speed.
(実施例9〜18)
非偏心円弧ダイス2bから偏心量0.2mmの偏心円弧ダイス2cに交換し、材料、ダイス温度、回転速度および押込み速度を表2で示す条件に設定したこと以外は、実施例1と同様に実施例9〜18を行った。その結果を表2に示す。
実施例9〜18でも、AZ31、AZX311およびAZX911のいずれも焼き付きが少なく、高速でもねじ切れることがなかった。
また、実施例9〜14と実施例3〜8との比較から、偏心ダイスと非偏心ダイスとでは、内周部での動的再結晶の生じている割合(面積比)に大きな違いがあり、特に0.4mm偏心(後述の実施例19、20)では顕著である。
(Examples 9 to 18)
Except that the non-eccentric arc die 2b was replaced with an eccentric arc die 2c having an eccentric amount of 0.2 mm, and the materials, the die temperature, the rotation speed, and the pushing speed were set to the conditions shown in Table 2, and the same operation as in Example 1 was performed. Examples 9-18 were performed. The results are shown in Table 2.
Also in Examples 9 to 18, all of AZ31, AZX311 and AZX911 had little image sticking and were not broken even at high speed.
Further, from comparison between Examples 9 to 14 and Examples 3 to 8, there is a large difference in the ratio (area ratio) in which dynamic recrystallization occurs in the inner peripheral portion between the eccentric die and the non-eccentric die. This is particularly noticeable with a 0.4 mm eccentricity (Examples 19 and 20 described later).
(実施例19〜21)
偏心量0.2mmの偏心円弧ダイス2cから偏心量0.4mmの偏心円弧ダイス2cに交換し、材料、ダイス温度、回転速度および押込み速度を表3で示す条件に設定したこと以外は、実施例1と同様に実施例19および20を行った。その結果を表3に示す。
さらに、実施例21として、ねじり押出し後の実施例19の材料を、300℃で5分間焼鈍し、焼鈍後の材料の粒径を測定した。
実施例19および20でも、AZ31は焼付きやねじ切れはなかった。
また、実施例19と実施例14との比較から、偏心円弧ダイスの偏心量を大きくすることにより、押込み圧が低下し、AZ31の中心部の動的再結晶が進んで粗大粒の残留部分はかなり減少し、大部分が3μm程度に微細化することがわかった。
(Examples 19 to 21)
Example except that the eccentric arc die 2c having an eccentric amount of 0.2 mm was replaced with an eccentric arc die 2c having an eccentric amount of 0.4 mm, and the conditions of the material, the die temperature, the rotational speed and the pushing speed were set to the conditions shown in Table 3. Examples 19 and 20 were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3.
Furthermore, as Example 21, the material of Example 19 after twisted extrusion was annealed at 300 ° C. for 5 minutes, and the particle size of the material after annealing was measured.
In Examples 19 and 20, AZ31 was not seized or broken.
Further, from the comparison between Example 19 and Example 14, by increasing the amount of eccentricity of the eccentric arc die, the indentation pressure decreases, the dynamic recrystallization of the central part of AZ31 advances, and the residual portion of coarse grains It was found that it decreased considerably, and most of them were refined to about 3 μm.
図3(A1)および(A2)は実施例19の加工後のビレットの外周部および中心部の組織を示す顕微鏡写真であり、図3(B1)および(B2)は実施例20の加工後のビレットの外周部および中心部の組織を示す顕微鏡写真である。これらの組織写真から回転速度、押込み速度と動的再結晶粒径の関係がわかる。
図3に示すように、実施例19と実施例20との比較から、回転速度と押込み速度を比例的に約1/3まで減速することにより、押出し圧は4倍近くに増加するが、AZ31の結晶粒径を、約1/3の約1μmまで微細化できることがわかった。
また、実施例19と実施例21との比較から、ねじり押出し後の焼きなましによる静的再結晶を組み合わせることでAZ31ねじり押出し材の中心部における粗大粒の残留部分はかなり縮小し、中心部でも大部分の結晶粒が微細化することがわかった。
3 (A1) and (A2) are photomicrographs showing the structure of the outer periphery and center of the billet after processing in Example 19, and FIGS. 3 (B1) and (B2) are those after processing in Example 20. It is a microscope picture which shows the structure | tissue of the outer peripheral part and center part of a billet. From these structural photographs, the relationship between the rotational speed, the indentation speed and the dynamic recrystallization grain size can be seen.
As shown in FIG. 3, from comparison between Example 19 and Example 20, when the rotational speed and the indentation speed are proportionally reduced to about 1/3, the extrusion pressure increases nearly four times. It was found that the crystal grain size can be reduced to about 1/3 of about 1/3.
Further, from the comparison between Example 19 and Example 21, the combination of static recrystallization by annealing after torsional extrusion significantly reduced the residual portion of coarse grains at the center of the AZ31 twisted extruded material, and it was also large at the center. It turned out that the crystal grain of a part refines | miniaturizes.
(実施例22)
図4(A)は通常ビレット(面取り無し)を用いて加工した実施例19の加工後のビレットの縦断面写真であり、図4(B)は面取りビレットを用いて加工した実施例22の加工後のビレットの縦断面写真である。
前記実施例19では、室温、低押出し圧力で加工できる上、中心部までかなり均一な微細化ができてよいのだが、図4(A)に示すように、ねじり押出し後の棒に、先端からかなり離れた部分でもφ50μm程度の球状の空洞欠陥が多く見られる。この原因は、前述のように押出し初期と定常状態となる中期以降のメタルフローの大きな変化により生じる引張応力場と考えられる。
そこで、実施例22では、このメタルフローの変化を小さくするため、先端をC1.5mmで45°の面取したビレットを用いた。ビレット形状を除く押出し条件は、前記実施例19と全く同じである。これら2つの実施例における押出し後の棒の縦断面を見ると、実施例19に見られる多数の空洞欠陥が実施例22では図4(B)に示すように認められなかった。この空洞欠陥はダイスを200℃程度まで加熱することによっても解消できるが、非加熱でより微細な粒組織が得られる点で、ビレットの面取で空洞欠陥を解消できたことの意義は大きい。
(Example 22)
FIG. 4A is a vertical cross-sectional photograph of the billet after processing of Example 19 processed using a normal billet (without chamfering), and FIG. 4B is processing of Example 22 processed using a chamfer billet. It is a longitudinal cross-sectional photograph of the latter billet.
In Example 19, it can be processed at room temperature and a low extrusion pressure, and it may be possible to achieve fairly uniform miniaturization up to the center, but as shown in FIG. Many spherical cavity defects having a diameter of about 50 μm are observed even in a considerably distant portion. The cause of this is considered to be the tensile stress field generated by a large change in the metal flow from the initial stage of extrusion to the steady state as described above.
Therefore, in Example 22, a billet whose tip was chamfered at 45 ° with C1.5 mm was used to reduce the change in the metal flow. Extrusion conditions excluding the billet shape are exactly the same as in Example 19. Looking at the longitudinal section of the bar after extrusion in these two examples, a number of cavity defects found in Example 19 were not recognized in Example 22 as shown in FIG. Although this cavity defect can be eliminated by heating the die to about 200 ° C., it is significant that the cavity defect can be eliminated by chamfering the billet in that a finer grain structure can be obtained without heating.
本発明は、鋳塊のような粗大結晶粒の金属材料を単一連続行程で一気に数μm程度の粒径まで結晶粒を微細化できる生産性に優れた強加工微細化プロセスであり、小さい減面率、低い押出し圧力で押し出せるため、大型微細粒バルク素材の創製に適している。特に、微細化しないと熱間鍛造できないマグネシウム合金の結晶微細化に好適である。 The present invention is a highly refined process with excellent productivity that can refine a coarse crystal grain metal material such as an ingot to a grain size of several μm at a stroke in a single continuous process. Since it can be extruded with a surface area and low extrusion pressure, it is suitable for the creation of large fine-grain bulk materials. In particular, it is suitable for crystal refinement of a magnesium alloy that cannot be hot forged unless it is refined.
1 コンテナ
2、2a、2b、2c ダイス
3 プッシャー
4 回転手段
D ダイス軸
P 押出し軸
1 Container 2, 2a, 2b, 2c Dies 3 Pushers 4 Rotating means D Die shaft P Extrusion shaft
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