CN107617645A - 一种多线扭转‑强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多线扭转‑强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，包括多线扭转模具，所述多线扭转模具包括入料挤压筒、入口过渡带、多线扭转预变形型腔、多线扭转‑强剪切挤压变形型腔区、变形出口带、出口过渡带和出料筒。本发明在多线扭转‑强剪切挤压变形型腔部分综合了扭转、强剪切、挤压变形技术于一体，可以实现该复杂应变路径下大应变的塑性变形。而且可以通过多道次的多线扭转‑强剪切挤压变形，实现剧烈的大应变的强力塑性变形。本装置一般适用于棒材加工，特别是塑性较差的难加工材料，可用于高性能微晶、亚微晶，纳米结构晶等超细晶材料制备领域。

Description

一种多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置

技术领域

本发明涉及机械领域，具体涉及一种多线扭转-强剪挤压应变路径下大塑性变形装置。

背景技术

目前高性能的微晶、亚微晶、纳米结构晶等超细晶材料的需求在电子信息、化工、生物工程、医药、航空航天、国防等高尖端领域有着广泛的应用前景。随着微、纳材料研究的深入，如何高效率地实现微、纳材料的制备已成为各国以及世界范围内研究的热点之一。大塑性变形工艺(Severe Plastic Deformation，SPD)技术是目前制备微、纳结构材料等超细晶材料常用的塑性加工方法，材料在SPD过程中承受的独特的应力状态还可使材料形成不同于普通塑性变形所形成的组织，使材料的性能得以提高。压缩-剪切(简称压剪)复合变形是SPD加工工艺的一种，常被用来制备超细晶、甚至获得局部纳米晶的材料。专利号CN106238488A提出了不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法和装置。该方法通过设计压剪弯曲模各功能段的尺寸，配以其它方向的压缩变形来达到不同应力状态。该方法需要大量不同厚度的板料，一般仅在局部会达到纳米结构晶，严重影响材料的制备效率。苏联科学家提出的等径角挤压(Equal Channel Angular Extrusion and Pressing，ECAE orECAP)是一类新颖高效的块体类金属超细晶材料的制备技术。该工艺的变形机理主要为弯角处的剪切变形，世界上许多学者已经对此做了较深入的研究，尽管该方法仅限于实验室研究，但经过多道次变形后可用于制备大块亚微晶、纳米晶等超细晶组织。另外一类生产块体亚微米、纳米晶材料的行之有效的塑性加工方法是高压扭转法。该方法利用扭转变形促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形，研究发现经过高压下的严重扭转变形后，材料内部形成了大角度晶界的均匀结构，晶粒得到明显细化，材料的性能也发生了质的变化。专利号CN103785702A提出了一种涡旋挤压式大塑性变形装置。该方法为直通式扭转挤压工艺，该方法依靠扭转挤压腔的入口锥和出口锥的夹角以及腔内壁凸起和凹槽实现大塑性变形。物料塑性变形程度取决于入口锥与出口锥的夹角，当该夹角不足，腔内壁的凸起与凹槽形成的剪切应力便不足以从物料的外部区域作用到物料的内部，因此需要足够的角度来发生塑性变形。而较大的角度意味着出口模腔口部变小，所以需要较大的挤压力，这对于一些难变形合金提出了更高的要求。专利号CN106238488A方法制备的仅为局部超细晶组织，剪切变形仅仅发生局部。而ECAP和专利号CN103785702A的方法都存在挤压力大、加工坯料尺寸受限、剪切变形不均匀、不充分等缺点。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，主要依靠挤压杆推动模具中挤压筒中物料进入多线扭转预变形型腔进行预变形，然后进入弯曲角为β的区域内进行强剪切变形与压缩变形作用后，实现均匀的强剪切变形。该方法可通过多道次累计变形加工实现剧烈塑性变形的累积。本装置一般适用于棒材加工，特别是塑性较差的难加工材料，可用于高性能微晶、亚微晶，纳米结构晶等超细晶材料制备领域，是集扭转、强剪切、挤压于一体的大塑性变形装置。

具体技术方案如下：

一种多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，包括多线扭转模具，所述多线扭转模具包括入料挤压筒、入口过渡带、多线扭转预变形型腔、多线扭转-强剪切挤压变形型腔、变形出口带、出口过渡带和出料筒；所述入料挤压筒通过过渡圆角同入口过渡带、多线扭转预变形型腔相连；所述多线扭转预变形型腔右端口与多线扭转-强剪切挤压变形型腔相连；所述多线扭转预变形型腔和多线扭转-强剪切挤压变形型腔均设计有凹凸变形带，所述变形带有凸起和凹槽，并有一定螺旋升角α；所述多线扭转强剪切挤压变形型腔与变形出口带平滑相连，变形出口带与出口过渡带及出料筒通过过渡圆角相连。

所述凹凸变形带的螺旋升角α＝30～75°。

所述凹凸变形带的凸起和凹槽线差为3～30mm。

所述凹凸变形带的线数为2～40线。

所述凹凸变形带分布在弯曲角β全部区域，弯曲角β可以为多角度；该区域中入口处空间较出口处空间大20％～60％，所述弯曲角β区域出口处可以根据材料后期加工需要设计为规则形状。

所述多线扭转模具由模具固定板压紧，并用沉头螺钉固定在挤压设备上。

所述多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置适用于棒材加工，特别是塑性较差的难加工材料以及纳米晶等超细晶材料的制备。

本方法的优点是：

1、本发明在多线扭转-强剪切挤压变形型腔部分综合了扭转、强剪切、挤压变形技术于一体，通过设计凹凸变形带螺旋升角α、入口处与出口处断面压缩比、弯曲角β以及多线扭转凸起与凹槽的廓形，可以实现该复杂应变路径下大应变的塑性变形，而且可以通过多道次的多线扭转-强剪切挤压变形，实现剧烈的大应变的强力塑性变形。

2、本发明克服了传统筒形型腔中物料在筒中转动和滑动的问题，在扭转预变形型腔处利用螺旋升角α、凸起与凹槽实现材料周向的预剪切变形，保证了棒状物料周向的塑性变形；在多线扭转强剪切挤压变形型腔处，利用扭转，强剪切、挤压变形保证物料实现充分地大塑性变形。

3本发明利用结构设计实现了综合扭转、强剪切、挤压的变形机理的大塑性变形装置，无需增加辅助装置和额外工序，本发明可以用于制备高性能微晶、亚微晶，纳米结构晶等超细晶材料，也特别适用于塑性较差等难变形材料的成形。

4、入料挤压筒同入口过渡带相连，相连部分采用过渡圆角，以保证来料的顺利挤入多线扭转模具主体；所述凹凸变形带分布在弯曲角β全部区域，弯曲角β可以为多角度，使物料在发生扭转变形的同时，还要再发生强烈的剪切变形。此外，该区域中入口处空间较出口处空间大20％～60％，因此物料在该扇形强剪切变形区还要再发生强烈挤压变形，使得扭转、强剪切、挤压更加充分。多线扭转-强剪切挤压变形型腔与变形出口带平滑相连，变形出口带与出口过渡带及出料筒采用过渡圆角相连，保证顺利出料。

5、本发明加工坯料尺寸范围更广，而且弯曲角β区域出口处可以根据材料后期加工需要设计为规则形状，可以满足不同需求，省略后期重新塑形的工序，节约能源，提高效率。凹凸变形带的线数取决于所加工试样的直径、材料性能、弯角半径、弯角的角度等，一般为2线以上，具体的线数可综合考虑上述因素并进行计算后确定。因此本发明的应用范围更广，可以根据不同加工坯料的实际情况进行调整，适应不同需求，应用更加灵活。

附图说明

图1为本发明装置的立体剖视结构示意图；

图2为本发明装置的主视剖面结构示意图；

图3为入料侧方向(A向)装置结构示意图；

图4为出料侧方向(B向)装置结构示意图；

图5为铝棒料剪切应力ZX数值模拟结果。

图中，1—多线扭转模具；2—入料挤压筒；3—入口过渡带；4—多线扭转预变形型腔；5—多线扭转-强剪切挤压变形型腔；6—模具固定板；7—沉头螺钉；8—变形出口带；9—出口过渡带；10—出料筒。

具体实施方式

现结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。图1为本发明装置的立体剖视结构示意图，图2为本发明装置的主视剖面结构示意图，图3为入料侧方向(A向)装置结构示意图，图4为出料侧方向(B向)装置结构示意图。

一种多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，包括多线扭转模具1，所述多线扭转模具1包括入料挤压筒2、入口过渡带3、多线扭转预变形型腔4、多线扭转-强剪切挤压变形型腔5、变形出口带8、出口过渡带9和出料筒10；所述入料挤压筒2通过过渡圆角同入口过渡带3、多线扭转预变形型腔4相连；所述多线扭转预变形型腔4右端口与多线扭转-强剪切挤压变形型腔5相连；所述多线扭转预变形型腔4和多线扭转-强剪切挤压变形型腔5均设计有凹凸变形带，所述变形带有凸起和凹槽，并有一定螺旋升角α；所述多线扭转-强剪切挤压变形型腔5与变形出口带8平滑相连，变形出口带8与出口过渡带9及出料筒10通过过渡圆角相连。

所述凹凸变形带的螺旋升角α＝30～75°。

所述凹凸变形带的凸起和凹槽线差为3～30mm。

所述凹凸变形带的线数为2～40线。

所述凹凸变形带分布在弯曲角β全部区域，弯曲角β可以为多角度；该区域中入口处空间较出口处空间大20％～60％，所述弯曲角β区域出口处可以根据材料后期加工需要设计为规则形状。

所述多线扭转模具由模具固定板6压紧，并用沉头螺钉7固定在挤压设备上。

所述多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置适用于棒材加工，特别是塑性较差的难加工材料以及纳米晶等超细晶材料的制备。

在具体实施过程中，为了克服传统工艺存在塑性变形载荷大、剪切变形不均匀等缺点，需提出一种可以实现材料强剪切制备加工，并具有载荷小，剪切变形均匀等优点工艺。另一方面，为了有效的细化材料组织，该方法和装置还应实现剧塑性变形的有效累积以实现所制备材料的超细晶甚至纳米晶结构，具体步骤如下：

(1)多线扭转预变形模具设计。根据材料制备和加工需要，确定模具关键扭转段的主要变形参数，主要的参数有扭转凸起及凹槽的起始螺旋升角，凸起与凹槽线差设计、凸起与凹槽的廓形设计、扭转段长度L0设计等。

(2)多线扭转-强剪切挤压变形模具设计。需要确定凹凸变形带的螺旋升角α和弯曲角β、水平与垂直方向弯曲段长度L1、L2、凹凸变形带入口处与出口处断面压缩比等参数。

(3)根据步骤(1)和(2)设计完成的模具，选择合适的挤压机，进行模具装配。

(4)利用步骤(3)中装配好的模具进行物料进行扭转-强剪切挤压变形加工，根据需要灵活进行单道次或多道次变形实验。

实施例1

本实施例针对棒材加工，选取直径为72mm的2024铝棒的扭转-强剪切挤压变形为例进行说明，模具装备如图1所示，铝棒料剪切应力ZX数值模拟结果如图5所示。

该装置设有模具主体，该模具主体用模具固定板上紧固的沉头螺钉固定在挤压设备上。入料挤压同入口过渡带相连，相连部分采用过渡圆角，以保证来料的顺利挤入多线扭转模具主体。扭转预变形型腔呈从左端口至下右端口设计有螺旋升角α为45°形状8线带状凸起与凹槽交替的变形带。多线扭转-强剪切挤压变形型腔包括由若干个具有螺旋升角α为45°的凹凸变形带，所述螺旋带状凸起或者带状凹槽的左端部可延伸至扭转预变形型腔的右侧出口处，所述螺旋带状凸起或者带状凹槽的下端部可延伸至变形出口带。凹凸变形带分布在弯曲角β全部区域，弯曲角β可以为多角度，使物料在发生扭转变形的同时，还要再发生强烈的剪切变形，同时该区域中入口处左端空间较出口处的下端空间大30％，因此物料在该扇形强剪切变形区还要发生强烈挤压变形。多线扭转强剪切挤压变形型腔与变形出口带平滑相连，变形出口带与出口过渡带及出料筒采用过渡圆角相连，保证顺利出料。

本实施例中，直径为72mm的2024铝棒的扭转-强剪切挤压变形具体包括的步骤如下：

(1)模具参数设计。本实施例中的参数主要如下，设计挤压筒直径为73mm，平行段长度为150mm，铝棒的直径为72mm，长度为100mm，挤压杆头部直径为72.5mm，主体模具各功能段参数R1、R2、L0、L1、L2、L3、β、α如下，入口处的圆角为R1＝2mm，长度L0＝70，L1＝60mm，L2＝20mm，L3＝15mm，α＝45°，β＝90°，出口处的圆角为R2＝3mm。

(2)模具装配。本实施例中所涉及的模具装置有主体模具，固定板及沉头螺钉，其中主体模具用固定板及沉头螺钉固定在挤压设备上。

(3)预扭转变形。在成形初期需要将模具进行第一步的预扭转变形，即挤压杆以速度1mm/s使铝棒发生扭转剪切变形，完成初始扭转剪切变形工步，在该过程中主体模具不发生运动。

(4)扭转-强剪切挤压变形。被挤压铝棒进入扭转强剪切模腔中，既要发生扭转切应变，也要在转折处发生强剪切应变及压应变。

图5为铝棒料剪切应力ZX数值模拟结果，如图所示，经过该扭转型腔的作用后剪切应力可以达到34.2MPa，其原因主要由于扭转凸起和凹槽的特殊结构，以及转折处的强力剪切使得剪应力急剧增强所致。可见剪切应力在预扭转型腔及强剪切型腔扭转的强剪切型腔都较大，因此通过模具的合理设计可以有效地实现强剪切应力的作用效果。

Claims (7)

1.一种多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，其特征在于：包括多线扭转模具，所述多线扭转模具包括入料挤压筒、入口过渡带、多线扭转预变形型腔、多线扭转-强剪切挤压变形型腔、变形出口带、出口过渡带和出料筒；所述入料挤压筒通过过渡圆角同入口过渡带、多线扭转预变形型腔相连；所述多线扭转预变形型腔右端口与多线扭转-强剪切挤压变形型腔相连；所述多线扭转预变形型腔和多线扭转-强剪切挤压变形型腔均设计有凹凸变形带，所述变形带有凸起和凹槽，并有一定螺旋升角α；所述多线扭转强剪切挤压变形型腔与变形出口带平滑相连，变形出口带与出口过渡带及出料筒通过过渡圆角相连。

2.根据权利要求1所述的多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，其特征在于：所述凹凸变形带的螺旋升角α＝30～75°。

3.根据权利要求1所述的多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，其特征在于：所述凹凸变形带的凸起和凹槽线差为3～30mm。

4.根据权利要求1所述的多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，其特征在于：所述凹凸变形带的线数为2～40线。

5.根据权利要求1所述的多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，其特征在于：所述凹凸变形带分布在弯曲角β全部区域，弯曲角β可以为多角度；该区域中入口处空间较出口处空间大20％～60％，所述弯曲角β区域出口处可以根据材料后期加工需要设计为规则形状。

6.根据权利要求1所述的多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，其特征在于：所述多线扭转模具由模具固定板压紧，并用沉头螺钉固定在挤压设备上。

7.根据权利要求1所述的多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置，其特征在于：所述多线扭转-强剪切挤压应变路径下大塑性变形装置适用于棒材加工，特别是塑性较差的难加工材料以及纳米晶等超细晶材料的制备。