不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法和装置与流程

本发明涉及塑性成形技术领域，具体涉及一种可实现不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形方法和装置。

背景技术：

大塑性变形(SPD)加工工艺是目前制备高性能金属材料和构件常用的塑性加工方法。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。在成形过程中，剪切变形可以有效的细化晶粒组织，提升材料和构件的性能。目前存在的压剪工艺主要有高压扭转(HPT)、等通道挤压(ECAP)、旋转模挤压(TE)等工艺，但都存在挤压力较大、材料制备尺寸受限、变形均匀性较差等缺点。另外在高压下条件下进行剪切变形后，虽然晶粒得到明显的细化，但是对成形装置要求高，需要在原有压力机构上增配扭转单元，工艺过程相对复杂，且剪切变形仅集中于试样表面。

为了克服以上缺点，专利公开号CN102430609A提出一种等通道变截面挤压模具，可以利用截面扭转变化，实现压剪变形，但该方法仅适用于管材加工。专利公开号CN102699084A和CN104399771A都提出可以利用旋转与挤压复合变形工艺进行杯型件和带环形内筋筒形件进行加工，通过材料压剪变形可以显著的提高材料成形性能，并可显著增加等效塑性应变量和细化晶粒组织。利用压剪变形进行材料制备，目前常用的方法有ECAP和CN 101966536A提出的往复挤压工艺，但都存在挤压力大、加工坯料尺寸受限、剪切变形不均匀等缺点，模具加工较复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可实现不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形方法和装置，该方法和装置适用于金属板材和棒材，通过弯曲模的设计，可以在材料中引入均匀的剪切变形，在其他方向压缩配合下，能够方便实现纯剪、一剪一压、一剪二压、一剪三压等多种变形状态。而且，经过多个弯曲段或者多道次变形，能够有效实现剧塑性变形的累积，且便于实现材料的连续变形加工，所制备材料可具有超细晶甚至纳米晶结构。其中，一剪一压是指厚度方向剪切和压缩变形。一剪二压是指厚度方向剪切和压缩变形，以及侧向压缩变形，一剪三压是指厚度方向剪切和压缩变形，以及侧向和纵向压缩变形。

本发明的技术方案如下：

一种不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的装置，该装置设有上模、下模以及送料机构，上模与上模座固定，下模与下模座固定，坯料与送料机构进行固定，坯料位于上模与下模之间；上模、下模与坯料的对应面包括：位于上部的平整段、位于下部的平整段、弯曲段，位于上部的平整段与位于下部的平整段之间通过弯曲段连接过渡，位于上部的平整段与弯曲段之间采用圆角过渡，位于下部的平整段与弯曲段之间采用圆角过渡。

所述的不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的装置，坯料的两侧分别设置右侧挤压模和左侧挤压模。

所述的不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的装置，模具与坯料对应的平整段长度L₁＝L₃＝30～50mm，位于上部的平整段与位于下部的平整段之间的弯曲段长度L₂＝10～30mm，平整段与弯曲段的夹角均为θ＝100～160°，位于上部的平整段与弯曲段之间的圆角R₁＝2～6mm，位于下部的平整段与弯曲段之间的圆角R₂＝1～5mm。

所述装置的不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法，具体步骤如下：

(1)压剪变形模具设计，根据材料制备和加工需要，确定模具关键弯曲段的主要变形参数；

(2)整体模具设计，确定其他弯曲段的参数，主要是平整段尺寸，以及各模具的相应运动速度；

(3)将(1)和(2)设计完成的模具，选择压力机进行模具装配；

(4)利用(3)中装配好的模具进行坯料压剪变形加工，根据需要进行单道次或多道次变形。

所述的不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法，通过模具装置的设计，在材料中引入均匀的剪切变形，在其他方向压缩配合下，能够方便在材料中实现纯剪、一剪一压、一剪二压或一剪三压变形状态；经过多弯曲段弯曲模具单道次变形或者单弯曲段弯曲模具多道次变形，有效实现剧塑性变形的累积，且便于实现材料的连续变形加工，所制备材料具有超细晶甚至纳米晶结构。

所述的不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法，依靠上下模具弯曲段的闭合配合，在加工材料中形成均匀的剪切变形，并通过压剪变形区的关键尺寸，在坯料厚度方向引入不同程度的均匀的剪切变形。

所述的不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法，在利用其他模具配合的情况下，在模具变形区实现纯剪、一剪一压、一剪二压或一剪三压变形状态；其中，一剪一压是指厚度方向剪切和压缩变形；一剪二压是指厚度方向剪切和压缩变形，以及侧向压缩变形；一剪三压是指厚度方向剪切和压缩变形，以及侧向和纵向压缩变形。

所述的不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法，通过在模具上布置多个弯曲段，依靠单道次变形-多弯曲段来累积变形，或者对坯料进行多道次加工可实现剧塑性变形累积。

所述不同压剪复合应变路径下连续大塑性变形的方法，该方法适用于棒材加工或板材加工，进行大尺寸不同厚度的板材加工，而且补料方式为连续喂料加工，实现板材和棒材的连续加工。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)本发明通过侧向模具挤压，可以方便在变形区实现纯剪、一剪一压、一剪二压、一剪三压等多种变形状态。

(2)本发明通过上下模具配合，在主变形区引入均匀的压缩和剪切变形。

(3)本发明可应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。

附图说明

图1为板材压剪加工过程示意图。

图2为棒材压剪加工过程示意图。

图3(a)为图2的A-A截面以及本发明关键尺寸示意图(包括平整段长度L₁、L₂和L₃以及弯曲段角度θ，圆角R₁和R₂)；图3(b)为图2的B-B截面示意图，模具型腔尺寸R₃和坯料直径Φ。

图4为不同变形状态实现装置图。

图5为板材剪切应变数值模拟结果。

图6(a)和图6(b)为沿厚向(图5中Line 1)和沿横向(图5中Line 2)的剪切应变均匀性对比图，其中，横坐标Distance为距离S(mm)；纵坐标Shear strain为剪切应变γ₁₂。

图中，1-上模；2-坯料；3-下模；4-右侧挤压模；5-左侧挤压模；6-平整段Ⅰ；7-弯曲段；8-平整段Ⅱ。

具体实施方式

在具体实施过程中，为了克服传统压剪工艺存在的载荷大、加工坯料尺寸受限、剪切变形不均匀等，无法连续加工、很难调节压剪复合变形路径等缺点，需提出一种可以实现大尺寸材料制备加工，并具有载荷小，剪切变形均匀等优点的压剪工艺。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及可调节压剪复合变形路径，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)压剪变形模具设计。根据材料制备和加工需要，确定模具关键弯曲段的主要变形参数，主要的参数有弯曲角度、圆角、平整段长度等。

(2)整体模具设计。需要确定其他弯曲段的参数，主要是平整段尺寸，以及根据变形状态需要的其他方向模具的设计，以及各模具的相应运动速度。

(3)将(1)和(2)设计完成的模具，选择合适的压力机，进行模具装配。

(4)利用(3)中装配好的模具进行板材或者板材压剪变形加工，可根据需要灵活的进行单道次和多道次变形。

该方法主要依靠上下模具主要弯曲段的闭合配合，可在加工材料中形成均匀的剪切变形。该方法通过压剪变形区的关键尺寸，可在板材厚度方向引入不同程度的均匀的剪切变形。该方法可以在利用其他模具配合的情况下方便在模具变形区实现纯剪、一剪一压、一剪二压、一剪三压等多种变形状态。该方法剧塑性变形的累积，可以通过在模具上布置多个弯曲段，依靠单道次变形-多弯曲段来累积变形或者对坯料进行多道次加工来累积变形。该方法不仅适用于棒材加工，也适用于板材加工，其中对板材的尺寸限制较小，即可以进行大尺寸不同厚度的板材加工。该方法补料方式可为连续喂料加工，方便的实现板材和棒材的连续加工。

下面结合具体实施例，对本发明的加工过程和原理进行详细说明。

实施例1

本发明不仅适用于棒材加工，也可用于板材加工。本实施例以板材加工一剪一压变形为例进行说明，模具装备和板材成形结果，见图1、图5、图6(a)和图6(b)。参见图1和图3(a)，该装置设有上模1、下模3以及送料机构，上模1与上模座固定，下模3与下模座固定，坯料2与送料机构进行固定，坯料2位于上模1与下模3之间；上模1、下模3分别与坯料2的对应面包括：位于上部的平整段Ⅰ6、位于下部的平整段Ⅱ8、弯曲段7，位于上部的平整段Ⅰ6与位于下部的平整段Ⅱ8之间通过弯曲段7连接过渡，位于上部的平整段Ⅰ6与弯曲段7之间采用圆角过渡，位于下部的平整段Ⅱ8与弯曲段7之间采用圆角过渡。

本实施例中，板材加工一剪一压变形具体包括的步骤如下：

步骤1：模具参数设计。本实施例中的参数主要如下，板材的厚度H₂≥5mm为宜，板材的长度和宽度不限，板材厚度H₂＝10mm。模具参数如下(L₁、L₂、L₃、R₁、R₂、θ、平整段Ⅰ6、弯曲段7、平整段Ⅱ8参见图3(a))，模具与板材对应的平整段(平整段Ⅰ6、平整段Ⅱ8)长度L₁＝L₃＝40mm，位于上部的平整段Ⅰ6与位于下部的平整段Ⅱ8之间的弯曲段7长度L₂＝15mm，平整段与弯曲段的夹角均为θ＝150°，位于上部的平整段Ⅰ6与弯曲段7之间的圆角R₁＝3mm，位于下部的平整段Ⅱ8与弯曲段7之间的圆角R₂＝2mm。

步骤2：模具装配。本实施例中所涉及的模具装置有上模、下模以及送料机构，其中上模1与上模座固定，下模3与下模座固定，坯料2与送料机构进行固定，坯料2位于上模1与下模3之间。

步骤3：初始压剪变形。在成形初期需要将模具进行第一步的压剪变形，即上模1以速度V₁下压(本实施例中，V₁＝4mm/s)，坯料2在下压过程发生压剪变形，并与下模3贴合，完成初始压剪变形工步，在该过程中送料机构不发生运动。

步骤4：连续压剪变形。连续变形过程中，基本过程如步骤3所示，上模1向上打开，坯料在辅助机构帮助下进行送料，送料完毕后，辅助送料机构保持不动，上模1通过压力机压下进行压剪变形。通过重复步骤4即可实现连续的压剪变形。

如图5所示，从板材压剪变形的数值模拟结果图可知，通过模具的合理设计可以有效实现均匀应变的累计。如图6(a)和图6(b)所示，从沿厚向和横截面不同距离的剪切应变分布图可知，厚向剪切应变除表层受摩擦影响外，其他位置可获到均匀的厚向剪切应变，并且沿着横截面剪切应变分布均匀。

实施例2

如图2、图3(a)和图3(b)所示，本实施例2中同样以棒材压剪加工为例，说明一剪二压应力状态在板材中实现的基本过程和原理。该装置设有上模1、下模3以及送料机构，上模1与上模座固定，下模3与下模座固定，坯料2与送料机构进行固定，坯料2位于上模1与下模3之间；上模1、下模3分别与坯料2的对应面包括：位于上部的平整段Ⅰ6、位于下部的平整段Ⅱ8、弯曲段7，位于上部的平整段Ⅰ6与位于下部的平整段Ⅱ8之间通过弯曲段7连接过渡，位于上部的平整段Ⅰ6与弯曲段7之间采用圆角过渡，位于下部的平整段Ⅱ8与弯曲段7之间采用圆角过渡。

模具参数如下(L₁、L₂、L₃、R₁、R₂、θ、平整段Ⅰ6、弯曲段7、平整段Ⅱ8参见图3(a))，模具与板材对应的平整段(平整段Ⅰ6、平整段Ⅱ8)长度L₁＝L₃＝40mm，位于上部的平整段Ⅰ6与位于下部的平整段Ⅱ8之间的弯曲段7长度L₂＝15mm，平整段与弯曲段的夹角均为θ＝150°，位于上部的平整段Ⅰ6与弯曲段7之间的圆角R₁＝3mm，位于下部的平整段Ⅱ8与弯曲段7之间的圆角R₂＝2mm。

在本实施例中，模具主要弯曲段的参数与实施例1相同，过程基本相同，在此仅就实施例1和实施例2的不同之处进行说明，实施例2和实施例1不同之处在于：

(1)对于棒材加工，需要采用具有模具型腔的模具，保持压剪变形过程中棒材的形状。

(2)加载过程中涉及模具配合，其中模具内腔半径R₃≤棒材直径Φ，上模下压速度V₁，通过模具和棒材的尺寸配比，进而实现不同的压剪应变路径。

实施例3

本实施例3中同样以板件压剪加工为例，说明一剪三压应力状态实现的基本过程和原理，见图4。参见图3(a)和图4，该装置设有上模1、下模3以及送料机构，上模1与上模座固定，下模3与下模座固定，坯料2与送料机构进行固定，坯料2位于上模1与下模3之间，坯料2的两侧分别设置右侧挤压模4和左侧挤压模5；上模1、下模3分别与坯料2的对应面包括：位于上部的平整段Ⅰ6、位于下部的平整段Ⅱ8、弯曲段7，位于上部的平整段Ⅰ6与位于下部的平整段Ⅱ8之间通过弯曲段7连接过渡，位于上部的平整段Ⅰ6与弯曲段7之间采用圆角过渡，位于下部的平整段Ⅱ8与弯曲段7之间采用圆角过渡。

模具参数如下(L₁、L₂、L₃、R₁、R₂、θ、平整段Ⅰ6、弯曲段7、平整段Ⅱ8参见图3(a))，模具与板材对应的平整段(平整段Ⅰ6、平整段Ⅱ8)长度L₁＝L₃＝40mm，位于上部的平整段Ⅰ6与位于下部的平整段Ⅱ8之间的弯曲段7长度L₂＝15mm，平整段与弯曲段的夹角均为θ＝150°，位于上部的平整段Ⅰ6与弯曲段7之间的圆角R₁＝3mm，位于下部的平整段Ⅱ8与弯曲段7之间的圆角R₂＝2mm。

在本实施例中，模具的参数与实施例1相同，过程基本相同，在此仅就实施例3和实施例1的不同之处进行说明，实施例3和实施例1不同之处在于：

(1)为了实现一剪三压应力状态，需要在右侧挤压模4和左侧挤压模5运动速度V₂的辅助下完成，而且需在坯料两端有压力F的辅助作用。

(2)加载过程中涉及模具配合，其中右侧挤压模4和左侧挤压模5的厚度H₁≤板材的厚度H₂，上模下压速度V₁和右侧挤压模4、左侧挤压模5的侧压速度V₂可实现不同的比，进而实现不同的压剪应变路径(本实施例中，V₁＝3mm/s，V₂＝2mm/s)。

需要说明，在本发明中并未对变形加工的材料进行限定，该工艺不仅可加工常见金属材料(铁、镁、铜、铝等)，而且也可用于金属基复合材料加工。