一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法技术

本发明专利技术涉及塑性加工技术领域，具体涉及一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法。该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中。本发明专利技术通过合理模具设计，组合挤扭过程与变通道角挤压过程，不仅可以实现挤压与扭转复合变形，还可以实现多方向剪切变形(周向剪切与径向剪切)，利用压缩变形与剪切变形的配合，起到改善材料组织及调控织构的目的，同时增加背压装置使得材料处于三向压应力状态，提高材料变形能力，继而完成低塑性难加工材料变形。本发明专利技术可以实现棒材和型材的变形加工，所制备材料具有细晶或者超细晶组织。

Extrusion and torsion composite machining die and method capable of realizing multi direction shearing

The invention relates to the plastic processing technology field, in particular to a extrusion torsion composite processing die and method capable of realizing multi direction shearing. The mold is divided into a punch, a die and a back pressure device. The top of the punch is fixed to the press head of the press. The bottom of the die is fixed to the lower die seat. The die consists of two parts of the mold core and the die seat. The cavity of the blank is in the mold core. This invention can not only realize the compound deformation of extrusion and torsion, but also realize the multi direction shear deformation (circumferential shear and radial shearing) by combining the reasonable die design, combining the extrusion and twisting process and the variable passage angle extrusion process, and using the combination of the compression deformation and the shear deformation to improve the material organization and control the texture. When the back pressure device is added, the material is in the three direction compressive stress state, and the deformation ability of the material is improved, and then the deformation of the low plasticity refractory material is completed. The invention can realize the deformation processing of bars and profiles, and the prepared materials have fine grain or ultra-fine grain structure.

【技术实现步骤摘要】
一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法
本专利技术涉及塑性加工
，具体涉及一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法。
技术介绍
近些年，带有剪切应变的大塑性成形技术成为人们的研究热点和重点。材料经过大塑性变形之后，可以累积较大的等效塑性应变，从而使得材料晶粒发生细化，可以达到超细晶甚至纳米晶；同时，剪切应变有利于材料内部能量累积，可以改善材料的织构分布情况，明显降低其各向异性。常用的大塑性变形技术有：等通道角挤压(EqualChannnelAngularPressing,ECAP)、高压扭转(HighPressureTorsion,HPT)、往复挤压(CyclicExtrusionCompression,CEC)、多向锻造(Multi-DirectionalForging,MDF)、挤压剪切(ExtrusionShear,ES)等，但普遍存在成形道次多、模具设备较为复杂、样品尺寸小等缺点，且多为单一的剪切变形或者压缩变形，无法实现大压缩变形与剪切变形同时复合累积。为了克服以上缺点，专利公开号CN103447341A提出等通道挤压模具，可以利用截面形状的变化实现剪切变形，但该方法仅适用于棒材加工，且挤压比较小，无法实现较大等效应变累积效应。专利公开号CN101966536A介绍一种扭转式往复挤压装置，通过型腔的紧缩区实现挤压变形，通过冲头的高速旋转实现工件的扭转变形，但是需要多道次成形实现较大的塑性变形，冲头高速旋转实现较为复杂，不可控因素较多。专利公开号CN102430609A提出一种等通道变截面挤压模具，可以利用截面形状及角度的扭转变化，实现剪切变形，但该方法无法积累较大的塑性应变且需要多道次成形，工序较为复杂。专利公开号CN205732338U介绍一种连续正向挤压和挤扭复合成型装置，该装置通过三级挤压通道实现挤压扭转变形，但是该装置仅用于长方形棒料，无法实现圆形棒料的加工。专利公开号CN104475475A介绍一种扭挤成形模具，该模具通过型腔设计可以单道次实现挤压和扭转变形，但其挤压变形与扭转变形分开进行，其扭转段只发生周向扭转，未存在挤压变形。专利公开号CN103551415A介绍一种金属变截面挤扭成形装置及方法，该方法可以实现在挤压变形的同时发生扭转变形，但其扭转变形仅为周向剪切变形。专利公开号CN103785702A介绍一种涡旋挤压式大塑性变形装置，采用一些带状凸起或者凹槽形成的变形带，通过变形带辅助实现扭转剪切变形，该方法实现挤压扭转复合变形，但其材料利用率较低。专利公开号CN201520075843介绍一种变截面螺旋式挤压模具，通过螺旋通道的设计，使得材料在挤压变形的同时产生周向剪切变形，无法实现径向剪切变形。以上的模具设计及加工方法，可以实现挤压变形与剪切变形同时累积，但其剪切方向多为单一类型剪切(多为周向剪切)，无法实现压缩变形与多方向剪切类型的配合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法，该方法和模具适用于金属型材和棒材加工，通过挤压扭转模具与变通道角挤压模具组合，可以引入多方向且较大的剪切应变，从而改善材料组织和性能，在该专利技术中，通过顶杆在坯料加工过程中加入背压力，可以使得材料处于三向压应力状态，提高材料的成形能力，而且通过总体挤压比设计可以实现材料的大塑性变形过程。本专利技术的技术方案如下：一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中；背压装置安放在模芯型腔的出口端，坯料放置在模芯型腔中。所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，模芯型腔自上而下依次为导入段、挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段。所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，在挤压扭转周向剪切段实现径向压缩的同时，发生周向剪切，在变通道挤压段实现径向压缩与剪切复合变形，材料通过单道次变形，实现3～4的等效塑性变形及1～2剪切变形累积。所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，模芯型腔的导入段长度为80～100mm，挤压扭转周向剪切段长度为30～60mm，扭转角度为0～90°，整形段长度40～60mm，变通道角挤压径向剪切段通道夹角为90～150°，背压装置施加背压力为0～150MPa。所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，模芯型腔的出口端通过顶杆作为背压装置施加背压，增加材料所受静水压力，提高工件材料的变形能力。所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，凹模的模座和模芯分为对称的左侧和右侧两部分，方便加工后试样取出。一种实现多方向剪切的挤扭复合加工方法，具体步骤如下：(1)多方向剪切的挤扭复合模具设计，根据材料制备和加工需要，确定模具关键挤压扭转周向剪切段、变通道角挤压径向剪切段的主要变形参数；(2)整体模具设计，模具整体外形尺寸，主要包括模具高度、长度及宽度；(3)将步骤(1)和步骤(2)设计完成的模具，根据需要选择是否加入背压及加入背压的大小，同时确定凸模的挤压速度；(4)利用步骤(3)中装配好的模具，选择压力机进行模具装配，并进行坯料多方向剪切挤压扭转变形加工。所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工方法，步骤(4)中，首先在型腔内壁均匀涂抹润滑剂，将坯料放进导入段，凸模将坯料推入导入段进行加工，随着凸模的压下，坯料依次通过挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段，最终完成加工。本专利技术的优点及有益效果如下：(1)本专利技术通过模具设计，组合挤压扭转模具与变通道角挤压模具，可以方便在变形区同时实现压缩变形与剪切变形的复合应力状态，且可以实现多方向剪切应变累积。(2)本专利技术通过变形段模具设计，可以实现单道次大塑性变形及大剪切变形累积。(3)本专利技术通过背压装置的加入，提高材料加工过程中所受静水压力，可以实现低塑性材料的加工成形。(4)本专利技术可应用于棒材和型材的加工，操作方便，效率较高。附图说明：图1(a)为多方向剪切挤扭复合模具之一示意图，图1(b)为图1(a)中的模芯型腔示意图，1导入段，2挤压段，3挤压扭转周向剪切段，4整形段，5变通道角挤压径向剪切段，6凸模，7模芯，8模座，9加热孔，10测温孔，11背压顶杆。图2(a)为多方向剪切挤扭复合模具之二示意图，图2(b)为图2(a)中的模芯型腔示意图，1导入段，2挤压段，3挤压扭转周向剪切段，4整形段，5变通道角挤压径向剪切段，6凸模，7模芯，8模座，9加热孔，10测温孔，11背压顶杆。图3(a)-图3(i)为棒材加工模具横截面示意图。其中，图3(a)为模芯剖视图，图3(b)为图3(a)的模芯型腔各部分尺寸图，图3(c)为图3(a)的A-A截面图，图3(d)为图3(a)的B-B截面图，图3(e)为图3(a)的C-C截面图，图3(f)为图3(a)的D-D截面图，图3(g)为图3(a)的E-E截面图，图3(h)为图3(a)的F-F截面图，图3(i)为图3(a)的E-E截面到F-F截面纵截面形状变化图。图4(a)-图4(i)为型材加工模具横截面示意图。其中，图4(a)为模芯剖视图，图4(b)为图4(a)的模芯型腔各部分尺寸图，图4(c)为图4(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中；背压装置安放在模芯型腔的出口端，坯料放置在模芯型腔中。

【技术特征摘要】
1.一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中；背压装置安放在模芯型腔的出口端，坯料放置在模芯型腔中。2.根据权利要求1所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，模芯型腔自上而下依次为导入段、挤压段、挤压扭转周向剪切段、整形段、变通道角挤压径向剪切段。3.根据权利要求2所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，在挤压扭转周向剪切段实现径向压缩的同时，发生周向剪切，在变通道挤压段实现径向压缩与剪切复合变形，材料通过单道次变形，实现3～4的等效塑性变形及1～2剪切变形累积。4.根据权利要求2所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，模芯型腔的导入段长度为80～100mm，挤压扭转周向剪切段长度为30～60mm，扭转角度为0～90°，整形段长度40～60mm，变通道角挤压径向剪切段通道夹角为90～150°，背压装置施加背压力为0～150MPa。5.根据权利要求1所述的可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具，其特征在于，模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张士宏，陈帅峰，郑策，张宏轩，程明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21