雙向連續(xù)剪切變形裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及塑性成形技術(shù)，具體地，涉及一種雙向連續(xù)剪切變形裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超細(xì)晶材料是集優(yōu)異的強(qiáng)度與良好的塑韌性于一體的高性能材料。而大塑性變形技術(shù)(SFO)具有顯著的晶粒細(xì)化能力，是一種公認(rèn)的制備超細(xì)晶(晶粒大小為100nm-lum)和塊體納米(晶粒小于1 OOnm)材料最有前途的方法。
[0003]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，公開(kāi)號(hào)為CN103894436A的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，發(fā)明名稱(chēng):一種增強(qiáng)鎂合金管的往復(fù)擠壓裝置及加工方法，該技術(shù)通過(guò)環(huán)狀往復(fù)式擠壓對(duì)鎂合金管進(jìn)行多道次加工，實(shí)現(xiàn)“鎂合金管一一鎂合金塊一一鎂合金管”的連續(xù)變形，制備出晶粒細(xì)小、組織均勻的鎂合金管。但是該裝置以及加工方法在實(shí)際應(yīng)用中，隨著“管” “塊”交替變換，不斷的有潔凈的金屬表面裸露以及沾污表面的卷積，導(dǎo)致制得的管材存在明顯組織缺陷；同時(shí)，該方法制得的管材實(shí)為筒形結(jié)構(gòu)，在往復(fù)擠壓變形結(jié)束后，往往需要后續(xù)機(jī)加工，將筒形結(jié)構(gòu)二次加工為管形結(jié)構(gòu)，因此，管材坯料耗損嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低下。
[0004]進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，L.S.Toth等人在《Scripta Materialia》，2009,60:175-177上發(fā)表的 “Severe plastic deformat1n of metals by high-pressure tube twisting”(高壓管式扭轉(zhuǎn)大塑性變形)一文中，提出了用于制備超細(xì)晶、甚至納米晶管材的高壓管式扭轉(zhuǎn)裝置。該裝置利用芯棒軸向受壓后產(chǎn)生的彈性膨脹，將管形坯料緊緊夾在擠壓筒與芯棒之間，在管材內(nèi)部形成巨大的靜水壓力；與此同時(shí)，扭轉(zhuǎn)擠壓筒，使管形坯料沿厚度方向發(fā)生連續(xù)剪切。將該裝置用于制備鋁合金管材，凹模僅周向轉(zhuǎn)動(dòng)30°，鋁合金管材內(nèi)部的晶粒隨即得到明顯的細(xì)化。但幾乎所有的晶粒均沿管材軸線(xiàn)發(fā)生一定程度的切變，呈現(xiàn)出橢圓形狀;同時(shí)，當(dāng)鋁合金管材外徑處剪切應(yīng)變量達(dá)到14時(shí)，管材內(nèi)徑處剪切應(yīng)變量?jī)H為2，即扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變沿管壁厚度方向極其不均勻。此外，盡管理論上該扭轉(zhuǎn)應(yīng)變可以無(wú)限增加，但管材坯料與模具之間的摩擦限制了扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的增加，上述一系列缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了該方法在組織均勻的超細(xì)晶管狀材料制備中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種雙向連續(xù)剪切變形裝置及方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面提供的雙向連續(xù)剪切變形裝置，包括軸向中空的變截面環(huán)形擠壓筒、變截面芯桿、上固定壓盤(pán)、下固定壓盤(pán)、上環(huán)形擠壓沖頭、下環(huán)形擠壓沖頭以及扭轉(zhuǎn)式工作臺(tái)；
[0007]其中，所述變截面環(huán)形擠壓筒的上端連接所述上固定壓盤(pán)，下端連接所述下固定壓盤(pán)；
[0008]所述變截面環(huán)形擠壓筒的內(nèi)壁面上設(shè)置有凹槽;所述變截面芯桿設(shè)置在所述變截面環(huán)形擠壓筒的內(nèi)側(cè);所述變截面芯桿設(shè)置有與所述凹槽相匹配的凸起；
[0009]所述上環(huán)形擠壓沖頭穿過(guò)所述上固定壓盤(pán)的第一通孔連接所述變截面芯桿的上端;所述下環(huán)形擠壓沖頭穿過(guò)所述下固定壓盤(pán)的第二通孔連接所述變截面芯桿的下端；
[0010]所述下固定壓盤(pán)設(shè)置在所述扭轉(zhuǎn)式工作臺(tái)上，當(dāng)所述扭轉(zhuǎn)式工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)所述下固定壓盤(pán)、所述變截面環(huán)形擠壓筒和所述上固定壓盤(pán)以第一轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述變截面芯桿、所述上環(huán)形擠壓沖頭以及所述下環(huán)形擠壓沖頭保持不動(dòng)或以第二轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，所述第二轉(zhuǎn)速小于所述第一轉(zhuǎn)速。
[0011 ]優(yōu)選地，所述變截面環(huán)形擠壓筒包括第一半環(huán)形筒體和第二半環(huán)形筒體；
[0012]其中，所述第一半環(huán)形筒體和所述第二半環(huán)形筒體的開(kāi)口相對(duì)緊貼形成所述變截面環(huán)形擠壓筒；
[0013]所述第一半環(huán)形筒體和所述第二半環(huán)形筒體的上端通過(guò)一固定銷(xiāo)連接所述上固定壓盤(pán)，所述第一半環(huán)形筒體和所述第二半環(huán)形筒體的下端通過(guò)另一固定銷(xiāo)連接所述下固定壓盤(pán)。
[0014]優(yōu)選地，所述上環(huán)形擠壓沖頭和所述下環(huán)形擠壓沖頭的中心呈通孔結(jié)構(gòu)；所述通孔結(jié)構(gòu)與所述變截面芯桿的兩端直徑相等。
[0015]優(yōu)選地，所述變截面環(huán)形擠壓筒的半高位置處有圓弧過(guò)渡的凹槽，所述變截面環(huán)形擠壓筒的內(nèi)表面經(jīng)粗糙化處理;所述變截面芯桿的半高位置有與所述凹槽相匹配的圓弧凸起。
[0016]優(yōu)選地，所述變截面環(huán)形擠壓筒與變截面芯桿之間形成的型腔的任一縱向截面上為左右對(duì)稱(chēng)的組合式通道結(jié)構(gòu)；
[0017]所述組合式通道包括順次連通的上直線(xiàn)形通道、圓弧通道、下直線(xiàn)形通道;所述上直線(xiàn)形通道和所述圓弧通道之間以及所述下直線(xiàn)形通道和所述圓弧通道之間為平滑過(guò)渡。
[0018]本發(fā)明另一個(gè)方面提供的雙向連續(xù)剪切變形方法，采用所述的雙向連續(xù)剪切變形裝置，包括如下步驟:
[0019]步驟S1、將下固定壓盤(pán)固定于扭轉(zhuǎn)式工作臺(tái)上，并將兩片半環(huán)形擠壓筒固定于下固定壓盤(pán)之上組成環(huán)形擠壓筒;插入變截面芯桿，放入管形坯料，將上固定壓盤(pán)穿過(guò)變截面芯桿固定于環(huán)形擠壓筒上;放入上環(huán)形擠壓沖頭，保證上環(huán)形擠壓沖頭與管形坯料接觸，放入下環(huán)形擠壓沖頭，并將下環(huán)形擠壓沖頭上升至下直線(xiàn)形通道與圓弧通道相交的位置處；
[0020]步驟S2、對(duì)上環(huán)形擠壓沖頭施壓，使得預(yù)先置于上直線(xiàn)形通道中的管形坯料發(fā)生擠壓變形，進(jìn)入圓弧形通道；
[0021 ]步驟S3、當(dāng)管形坯料頭部與預(yù)先置于下直線(xiàn)形通道中的下環(huán)形沖頭接觸時(shí)，增大上壓頭的擠壓力，同時(shí)下環(huán)形沖頭對(duì)管形坯料反向施加背壓，打開(kāi)扭轉(zhuǎn)式工作臺(tái)，使管形坯料發(fā)生擠壓和扭轉(zhuǎn)變形，直至管形坯料完全離開(kāi)上直線(xiàn)形通道，進(jìn)入圓弧通道和下直線(xiàn)形通道，停止推進(jìn)，完成第一道次加工；
[0022]步驟S4、反向驅(qū)動(dòng)上環(huán)形擠壓沖頭、下環(huán)形擠壓沖頭，同時(shí)扭轉(zhuǎn)雙向連續(xù)剪切變形裝置使管形坯料發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，直至管形坯料完全離開(kāi)下直線(xiàn)形通道，進(jìn)入圓弧通道和上直線(xiàn)形通道，停止推進(jìn)，完成第二道次加工。
[0023]優(yōu)選地，還包括如下步驟:
[0024]-重復(fù)步驟S2?步驟S3，實(shí)現(xiàn)多道次雙向連續(xù)剪切變形。
[0025]優(yōu)選地，在步驟S3或步驟S4中，還包括如下步驟:
[0026]當(dāng)管形坯料隨著上環(huán)形擠壓沖頭和下環(huán)形擠壓沖頭的上或下行運(yùn)動(dòng)，連續(xù)通過(guò)圓弧形的型腔，沿其橫截面方向發(fā)生連續(xù)剪切；
[0027]經(jīng)表面粗糙化處理的變截面環(huán)形擠壓筒在扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在摩擦力作用下帶動(dòng)管形坯料的外徑以第一轉(zhuǎn)速進(jìn)行周向運(yùn)動(dòng)，而管形坯料的內(nèi)徑與變截面芯桿接觸，不發(fā)生或發(fā)生第二轉(zhuǎn)速的周向運(yùn)動(dòng)，使得管形坯料沿管壁厚度方向發(fā)生連續(xù)剪切；
[0028]所述第二轉(zhuǎn)速小于所述第一轉(zhuǎn)速。
[0029]優(yōu)選地，當(dāng)待加工管材不適合或無(wú)法進(jìn)行常溫加工時(shí)，管形坯料和雙向連續(xù)剪切變形裝置能夠通過(guò)加熱套進(jìn)行原位加熱。
[0030]優(yōu)選地，作用于變截面芯桿的上行或下行的壓力為:40t?1000t，擠壓速度為0.lmm/s?10mm/s；
[0031]所述背壓的壓力為:400MPa?lOGPa;
[0032]所述扭轉(zhuǎn)式工作臺(tái)的周向扭轉(zhuǎn)速率為0.lrpm?lOrpm，施加的扭轉(zhuǎn)角度范圍為30°?360°。
[0033]本發(fā)明再一個(gè)方面提供的所述的雙向連續(xù)剪切變形裝置在純金屬、合金、金屬間化合物、復(fù)合材料、高分子材料或半導(dǎo)體材料的超細(xì)晶管狀材料制備中的用途。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0035]1、本發(fā)明將傳統(tǒng)往復(fù)擠壓中的縮頸區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槠交^(guò)渡的連續(xù)剪切通道，提高了管形坯料在橫截面方向的剪切均勻性；
[0036]2、本發(fā)明采用的往復(fù)擠壓使得管形坯料多次通過(guò)圓弧轉(zhuǎn)角通道，有效了細(xì)化基體晶粒，同時(shí)減小了基體晶粒的尺寸分散性，提高了組織均勻性；
[0037]3、本發(fā)明通過(guò)環(huán)形擠壓筒的軸向扭轉(zhuǎn)使得管形坯料沿管壁厚度方向發(fā)生連續(xù)剪切，進(jìn)一步提高了晶粒細(xì)化的程度。
【附圖說(shuō)明】
[0038]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0039]圖1為本發(fā)明中雙向連續(xù)剪切變形模具的半剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖2為擠壓筒和芯桿形成的圓弧通道型腔示意圖；
[0041 ]圖中:
[0042]1、上環(huán)形擠壓沖頭；
[0043]2、上固定壓盤(pán)；
[0044]3、變截面環(huán)形擠壓筒；
[0045]4、固定螺母；
[0046]5、下固定壓盤(pán)；
[0047]6、扭轉(zhuǎn)式工作臺(tái)；
[0048]7、變截面芯桿；
[0049]8、固定銷(xiāo)；
[0050]9、管形坯料；
[0051]10、型腔；
[0052]11、固定螺桿；
[0053]12、墊片；
[0054]13、下環(huán)形擠壓沖頭。
【具體實(shí)施方式】
[0055]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0056]在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的雙向連續(xù)剪切變形裝置，包括