本發(fā)明涉及塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形方法和裝置。

背景技術(shù)：

大塑性變形(SPD)加工工藝是目前制備高性能金屬材料和構(gòu)件常用的塑性加工方法。壓縮-剪切(簡(jiǎn)稱壓剪)復(fù)合變形是SPD加工工藝的一種，常被用來制備超細(xì)晶、甚至獲得局部納米晶的材料。在成形過程中，剪切變形可以有效的細(xì)化晶粒組織，提升材料和構(gòu)件的性能。目前存在的壓剪工藝主要有高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、等通道擠壓(ECAP)、旋轉(zhuǎn)模擠壓(TE)等工藝，但都存在擠壓力較大、材料制備尺寸受限、變形均勻性較差等缺點(diǎn)。另外在高壓下條件下進(jìn)行剪切變形后，雖然晶粒得到明顯的細(xì)化，但是對(duì)成形裝置要求高，需要在原有壓力機(jī)構(gòu)上增配扭轉(zhuǎn)單元，工藝過程相對(duì)復(fù)雜，且剪切變形僅集中于試樣表面。

為了克服以上缺點(diǎn)，專利公開號(hào)CN102430609A提出一種等通道變截面擠壓模具，可以利用截面扭轉(zhuǎn)變化，實(shí)現(xiàn)壓剪變形，但該方法僅適用于管材加工。專利公開號(hào)CN102699084A和CN104399771A都提出可以利用旋轉(zhuǎn)與擠壓復(fù)合變形工藝進(jìn)行杯型件和帶環(huán)形內(nèi)筋筒形件進(jìn)行加工，通過材料壓剪變形可以顯著的提高材料成形性能，并可顯著增加等效塑性應(yīng)變量和細(xì)化晶粒組織。利用壓剪變形進(jìn)行材料制備，目前常用的方法有ECAP和CN 101966536A提出的往復(fù)擠壓工藝，但都存在擠壓力大、加工坯料尺寸受限、剪切變形不均勻等缺點(diǎn)，模具加工較復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可實(shí)現(xiàn)不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形方法和裝置，該方法和裝置適用于金屬板材和棒材，通過彎曲模的設(shè)計(jì)，可以在材料中引入均勻的剪切變形，在其他方向壓縮配合下，能夠方便實(shí)現(xiàn)純剪、一剪一壓、一剪二壓、一剪三壓等多種變形狀態(tài)。而且，經(jīng)過多個(gè)彎曲段或者多道次變形，能夠有效實(shí)現(xiàn)劇塑性變形的累積，且便于實(shí)現(xiàn)材料的連續(xù)變形加工，所制備材料可具有超細(xì)晶甚至納米晶結(jié)構(gòu)。其中，一剪一壓是指厚度方向剪切和壓縮變形。一剪二壓是指厚度方向剪切和壓縮變形，以及側(cè)向壓縮變形，一剪三壓是指厚度方向剪切和壓縮變形，以及側(cè)向和縱向壓縮變形。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的裝置，該裝置設(shè)有上模、下模以及送料機(jī)構(gòu)，上模與上模座固定，下模與下模座固定，坯料與送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定，坯料位于上模與下模之間；上模、下模與坯料的對(duì)應(yīng)面包括：位于上部的平整段、位于下部的平整段、彎曲段，位于上部的平整段與位于下部的平整段之間通過彎曲段連接過渡，位于上部的平整段與彎曲段之間采用圓角過渡，位于下部的平整段與彎曲段之間采用圓角過渡。

所述的不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的裝置，坯料的兩側(cè)分別設(shè)置右側(cè)擠壓模和左側(cè)擠壓模。

所述的不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的裝置，模具與坯料對(duì)應(yīng)的平整段長(zhǎng)度L₁＝L₃＝30～50mm，位于上部的平整段與位于下部的平整段之間的彎曲段長(zhǎng)度L₂＝10～30mm，平整段與彎曲段的夾角均為θ＝100～160°，位于上部的平整段與彎曲段之間的圓角R₁＝2～6mm，位于下部的平整段與彎曲段之間的圓角R₂＝1～5mm。

所述裝置的不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的方法，具體步驟如下：

(1)壓剪變形模具設(shè)計(jì)，根據(jù)材料制備和加工需要，確定模具關(guān)鍵彎曲段的主要變形參數(shù)；

(2)整體模具設(shè)計(jì)，確定其他彎曲段的參數(shù)，主要是平整段尺寸，以及各模具的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度；

(3)將(1)和(2)設(shè)計(jì)完成的模具，選擇壓力機(jī)進(jìn)行模具裝配；

(4)利用(3)中裝配好的模具進(jìn)行坯料壓剪變形加工，根據(jù)需要進(jìn)行單道次或多道次變形。

所述的不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的方法，通過模具裝置的設(shè)計(jì)，在材料中引入均勻的剪切變形，在其他方向壓縮配合下，能夠方便在材料中實(shí)現(xiàn)純剪、一剪一壓、一剪二壓或一剪三壓變形狀態(tài)；經(jīng)過多彎曲段彎曲模具單道次變形或者單彎曲段彎曲模具多道次變形，有效實(shí)現(xiàn)劇塑性變形的累積，且便于實(shí)現(xiàn)材料的連續(xù)變形加工，所制備材料具有超細(xì)晶甚至納米晶結(jié)構(gòu)。

所述的不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的方法，依靠上下模具彎曲段的閉合配合，在加工材料中形成均勻的剪切變形，并通過壓剪變形區(qū)的關(guān)鍵尺寸，在坯料厚度方向引入不同程度的均勻的剪切變形。

所述的不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的方法，在利用其他模具配合的情況下，在模具變形區(qū)實(shí)現(xiàn)純剪、一剪一壓、一剪二壓或一剪三壓變形狀態(tài)；其中，一剪一壓是指厚度方向剪切和壓縮變形；一剪二壓是指厚度方向剪切和壓縮變形，以及側(cè)向壓縮變形；一剪三壓是指厚度方向剪切和壓縮變形，以及側(cè)向和縱向壓縮變形。

所述的不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的方法，通過在模具上布置多個(gè)彎曲段，依靠單道次變形-多彎曲段來累積變形，或者對(duì)坯料進(jìn)行多道次加工可實(shí)現(xiàn)劇塑性變形累積。

所述不同壓剪復(fù)合應(yīng)變路徑下連續(xù)大塑性變形的方法，該方法適用于棒材加工或板材加工，進(jìn)行大尺寸不同厚度的板材加工，而且補(bǔ)料方式為連續(xù)喂料加工，實(shí)現(xiàn)板材和棒材的連續(xù)加工。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：

(1)本發(fā)明通過側(cè)向模具擠壓，可以方便在變形區(qū)實(shí)現(xiàn)純剪、一剪一壓、一剪二壓、一剪三壓等多種變形狀態(tài)。

(2)本發(fā)明通過上下模具配合，在主變形區(qū)引入均勻的壓縮和剪切變形。

(3)本發(fā)明可應(yīng)用于棒材和板材加工，且板材基本不受板材幅度和厚度限制。

附圖說明

圖1為板材壓剪加工過程示意圖。

圖2為棒材壓剪加工過程示意圖。

圖3(a)為圖2的A-A截面以及本發(fā)明關(guān)鍵尺寸示意圖(包括平整段長(zhǎng)度L₁、L₂和L₃以及彎曲段角度θ，圓角R₁和R₂)；圖3(b)為圖2的B-B截面示意圖，模具型腔尺寸R₃和坯料直徑Φ。

圖4為不同變形狀態(tài)實(shí)現(xiàn)裝置圖。

圖5為板材剪切應(yīng)變數(shù)值模擬結(jié)果。

圖6(a)和圖6(b)為沿厚向(圖5中Line 1)和沿橫向(圖5中Line 2)的剪切應(yīng)變均勻性對(duì)比圖，其中，橫坐標(biāo)Distance為距離S(mm)；縱坐標(biāo)Shear strain為剪切應(yīng)變?chǔ)?sub>12。

圖中，1-上模；2-坯料；3-下模；4-右側(cè)擠壓模；5-左側(cè)擠壓模；6-平整段Ⅰ；7-彎曲段；8-平整段Ⅱ。

具體實(shí)施方式

在具體實(shí)施過程中，為了克服傳統(tǒng)壓剪工藝存在的載荷大、加工坯料尺寸受限、剪切變形不均勻等，無(wú)法連續(xù)加工、很難調(diào)節(jié)壓剪復(fù)合變形路徑等缺點(diǎn)，需提出一種可以實(shí)現(xiàn)大尺寸材料制備加工，并具有載荷小，剪切變形均勻等優(yōu)點(diǎn)的壓剪工藝。另一方面，為了有效的細(xì)化材料組織，該方法和裝置還應(yīng)實(shí)現(xiàn)劇塑性變形的有效累積及可調(diào)節(jié)壓剪復(fù)合變形路徑，以實(shí)現(xiàn)所制備材料的超細(xì)晶甚至納米晶結(jié)構(gòu)，具體步驟如下：

(1)壓剪變形模具設(shè)計(jì)。根據(jù)材料制備和加工需要，確定模具關(guān)鍵彎曲段的主要變形參數(shù)，主要的參數(shù)有彎曲角度、圓角、平整段長(zhǎng)度等。

(2)整體模具設(shè)計(jì)。需要確定其他彎曲段的參數(shù)，主要是平整段尺寸，以及根據(jù)變形狀態(tài)需要的其他方向模具的設(shè)計(jì)，以及各模具的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度。

(3)將(1)和(2)設(shè)計(jì)完成的模具，選擇合適的壓力機(jī)，進(jìn)行模具裝配。

(4)利用(3)中裝配好的模具進(jìn)行板材或者板材壓剪變形加工，可根據(jù)需要靈活的進(jìn)行單道次和多道次變形。

該方法主要依靠上下模具主要彎曲段的閉合配合，可在加工材料中形成均勻的剪切變形。該方法通過壓剪變形區(qū)的關(guān)鍵尺寸，可在板材厚度方向引入不同程度的均勻的剪切變形。該方法可以在利用其他模具配合的情況下方便在模具變形區(qū)實(shí)現(xiàn)純剪、一剪一壓、一剪二壓、一剪三壓等多種變形狀態(tài)。該方法劇塑性變形的累積，可以通過在模具上布置多個(gè)彎曲段，依靠單道次變形-多彎曲段來累積變形或者對(duì)坯料進(jìn)行多道次加工來累積變形。該方法不僅適用于棒材加工，也適用于板材加工，其中對(duì)板材的尺寸限制較小，即可以進(jìn)行大尺寸不同厚度的板材加工。該方法補(bǔ)料方式可為連續(xù)喂料加工，方便的實(shí)現(xiàn)板材和棒材的連續(xù)加工。

下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的加工過程和原理進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本發(fā)明不僅適用于棒材加工，也可用于板材加工。本實(shí)施例以板材加工一剪一壓變形為例進(jìn)行說明，模具裝備和板材成形結(jié)果，見圖1、圖5、圖6(a)和圖6(b)。參見圖1和圖3(a)，該裝置設(shè)有上模1、下模3以及送料機(jī)構(gòu)，上模1與上模座固定，下模3與下模座固定，坯料2與送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定，坯料2位于上模1與下模3之間；上模1、下模3分別與坯料2的對(duì)應(yīng)面包括：位于上部的平整段Ⅰ6、位于下部的平整段Ⅱ8、彎曲段7，位于上部的平整段Ⅰ6與位于下部的平整段Ⅱ8之間通過彎曲段7連接過渡，位于上部的平整段Ⅰ6與彎曲段7之間采用圓角過渡，位于下部的平整段Ⅱ8與彎曲段7之間采用圓角過渡。

本實(shí)施例中，板材加工一剪一壓變形具體包括的步驟如下：

步驟1：模具參數(shù)設(shè)計(jì)。本實(shí)施例中的參數(shù)主要如下，板材的厚度H₂≥5mm為宜，板材的長(zhǎng)度和寬度不限，板材厚度H₂＝10mm。模具參數(shù)如下(L₁、L₂、L₃、R₁、R₂、θ、平整段Ⅰ6、彎曲段7、平整段Ⅱ8參見圖3(a))，模具與板材對(duì)應(yīng)的平整段(平整段Ⅰ6、平整段Ⅱ8)長(zhǎng)度L₁＝L₃＝40mm，位于上部的平整段Ⅰ6與位于下部的平整段Ⅱ8之間的彎曲段7長(zhǎng)度L₂＝15mm，平整段與彎曲段的夾角均為θ＝150°，位于上部的平整段Ⅰ6與彎曲段7之間的圓角R₁＝3mm，位于下部的平整段Ⅱ8與彎曲段7之間的圓角R₂＝2mm。

步驟2：模具裝配。本實(shí)施例中所涉及的模具裝置有上模、下模以及送料機(jī)構(gòu)，其中上模1與上模座固定，下模3與下模座固定，坯料2與送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定，坯料2位于上模1與下模3之間。

步驟3：初始?jí)杭糇冃巍Ｔ诔尚纬跗谛枰獙⒛＞哌M(jìn)行第一步的壓剪變形，即上模1以速度V₁下壓(本實(shí)施例中，V₁＝4mm/s)，坯料2在下壓過程發(fā)生壓剪變形，并與下模3貼合，完成初始?jí)杭糇冃喂げ剑谠撨^程中送料機(jī)構(gòu)不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

步驟4：連續(xù)壓剪變形。連續(xù)變形過程中，基本過程如步驟3所示，上模1向上打開，坯料在輔助機(jī)構(gòu)幫助下進(jìn)行送料，送料完畢后，輔助送料機(jī)構(gòu)保持不動(dòng)，上模1通過壓力機(jī)壓下進(jìn)行壓剪變形。通過重復(fù)步驟4即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的壓剪變形。

如圖5所示，從板材壓剪變形的數(shù)值模擬結(jié)果圖可知，通過模具的合理設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)均勻應(yīng)變的累計(jì)。如圖6(a)和圖6(b)所示，從沿厚向和橫截面不同距離的剪切應(yīng)變分布圖可知，厚向剪切應(yīng)變除表層受摩擦影響外，其他位置可獲到均勻的厚向剪切應(yīng)變，并且沿著橫截面剪切應(yīng)變分布均勻。

實(shí)施例2

如圖2、圖3(a)和圖3(b)所示，本實(shí)施例2中同樣以棒材壓剪加工為例，說明一剪二壓應(yīng)力狀態(tài)在板材中實(shí)現(xiàn)的基本過程和原理。該裝置設(shè)有上模1、下模3以及送料機(jī)構(gòu)，上模1與上模座固定，下模3與下模座固定，坯料2與送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定，坯料2位于上模1與下模3之間；上模1、下模3分別與坯料2的對(duì)應(yīng)面包括：位于上部的平整段Ⅰ6、位于下部的平整段Ⅱ8、彎曲段7，位于上部的平整段Ⅰ6與位于下部的平整段Ⅱ8之間通過彎曲段7連接過渡，位于上部的平整段Ⅰ6與彎曲段7之間采用圓角過渡，位于下部的平整段Ⅱ8與彎曲段7之間采用圓角過渡。

模具參數(shù)如下(L₁、L₂、L₃、R₁、R₂、θ、平整段Ⅰ6、彎曲段7、平整段Ⅱ8參見圖3(a))，模具與板材對(duì)應(yīng)的平整段(平整段Ⅰ6、平整段Ⅱ8)長(zhǎng)度L₁＝L₃＝40mm，位于上部的平整段Ⅰ6與位于下部的平整段Ⅱ8之間的彎曲段7長(zhǎng)度L₂＝15mm，平整段與彎曲段的夾角均為θ＝150°，位于上部的平整段Ⅰ6與彎曲段7之間的圓角R₁＝3mm，位于下部的平整段Ⅱ8與彎曲段7之間的圓角R₂＝2mm。

在本實(shí)施例中，模具主要彎曲段的參數(shù)與實(shí)施例1相同，過程基本相同，在此僅就實(shí)施例1和實(shí)施例2的不同之處進(jìn)行說明，實(shí)施例2和實(shí)施例1不同之處在于：

(1)對(duì)于棒材加工，需要采用具有模具型腔的模具，保持壓剪變形過程中棒材的形狀。

(2)加載過程中涉及模具配合，其中模具內(nèi)腔半徑R₃≤棒材直徑Φ，上模下壓速度V₁，通過模具和棒材的尺寸配比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的壓剪應(yīng)變路徑。

實(shí)施例3

本實(shí)施例3中同樣以板件壓剪加工為例，說明一剪三壓應(yīng)力狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的基本過程和原理，見圖4。參見圖3(a)和圖4，該裝置設(shè)有上模1、下模3以及送料機(jī)構(gòu)，上模1與上模座固定，下模3與下模座固定，坯料2與送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定，坯料2位于上模1與下模3之間，坯料2的兩側(cè)分別設(shè)置右側(cè)擠壓模4和左側(cè)擠壓模5；上模1、下模3分別與坯料2的對(duì)應(yīng)面包括：位于上部的平整段Ⅰ6、位于下部的平整段Ⅱ8、彎曲段7，位于上部的平整段Ⅰ6與位于下部的平整段Ⅱ8之間通過彎曲段7連接過渡，位于上部的平整段Ⅰ6與彎曲段7之間采用圓角過渡，位于下部的平整段Ⅱ8與彎曲段7之間采用圓角過渡。

模具參數(shù)如下(L₁、L₂、L₃、R₁、R₂、θ、平整段Ⅰ6、彎曲段7、平整段Ⅱ8參見圖3(a))，模具與板材對(duì)應(yīng)的平整段(平整段Ⅰ6、平整段Ⅱ8)長(zhǎng)度L₁＝L₃＝40mm，位于上部的平整段Ⅰ6與位于下部的平整段Ⅱ8之間的彎曲段7長(zhǎng)度L₂＝15mm，平整段與彎曲段的夾角均為θ＝150°，位于上部的平整段Ⅰ6與彎曲段7之間的圓角R₁＝3mm，位于下部的平整段Ⅱ8與彎曲段7之間的圓角R₂＝2mm。

在本實(shí)施例中，模具的參數(shù)與實(shí)施例1相同，過程基本相同，在此僅就實(shí)施例3和實(shí)施例1的不同之處進(jìn)行說明，實(shí)施例3和實(shí)施例1不同之處在于：

(1)為了實(shí)現(xiàn)一剪三壓應(yīng)力狀態(tài)，需要在右側(cè)擠壓模4和左側(cè)擠壓模5運(yùn)動(dòng)速度V₂的輔助下完成，而且需在坯料兩端有壓力F的輔助作用。

(2)加載過程中涉及模具配合，其中右側(cè)擠壓模4和左側(cè)擠壓模5的厚度H₁≤板材的厚度H₂，上模下壓速度V₁和右側(cè)擠壓模4、左側(cè)擠壓模5的側(cè)壓速度V₂可實(shí)現(xiàn)不同的比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的壓剪應(yīng)變路徑(本實(shí)施例中，V₁＝3mm/s，V₂＝2mm/s)。

需要說明，在本發(fā)明中并未對(duì)變形加工的材料進(jìn)行限定，該工藝不僅可加工常見金屬材料(鐵、鎂、銅、鋁等)，而且也可用于金屬基復(fù)合材料加工。