双向连续剪切变形装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及塑性成形技术，具体地，涉及一种双向连续剪切变形装置及方法。
【背景技术】
[0002]超细晶材料是集优异的强度与良好的塑韧性于一体的高性能材料。而大塑性变形技术(SFO)具有显著的晶粒细化能力，是一种公认的制备超细晶(晶粒大小为100nm-lum)和块体纳米(晶粒小于1 OOnm)材料最有前途的方法。
[0003]经过对现有技术的文献检索发现，公开号为CN103894436A的中国发明专利，发明名称:一种增强镁合金管的往复挤压装置及加工方法，该技术通过环状往复式挤压对镁合金管进行多道次加工，实现“镁合金管一一镁合金块一一镁合金管”的连续变形，制备出晶粒细小、组织均匀的镁合金管。但是该装置以及加工方法在实际应用中，随着“管” “块”交替变换，不断的有洁净的金属表面裸露以及沾污表面的卷积，导致制得的管材存在明显组织缺陷；同时，该方法制得的管材实为筒形结构，在往复挤压变形结束后，往往需要后续机加工，将筒形结构二次加工为管形结构，因此，管材坯料耗损严重，生产效率低下。
[0004]进一步检索发现，L.S.Toth等人在《Scripta Materialia》，2009,60:175-177上发表的 “Severe plastic deformat1n of metals by high-pressure tube twisting”(高压管式扭转大塑性变形)一文中，提出了用于制备超细晶、甚至纳米晶管材的高压管式扭转装置。该装置利用芯棒轴向受压后产生的弹性膨胀，将管形坯料紧紧夹在挤压筒与芯棒之间，在管材内部形成巨大的静水压力；与此同时，扭转挤压筒，使管形坯料沿厚度方向发生连续剪切。将该装置用于制备铝合金管材，凹模仅周向转动30°，铝合金管材内部的晶粒随即得到明显的细化。但几乎所有的晶粒均沿管材轴线发生一定程度的切变，呈现出椭圆形状;同时，当铝合金管材外径处剪切应变量达到14时，管材内径处剪切应变量仅为2，即扭转产生的剪切应变沿管壁厚度方向极其不均匀。此外，尽管理论上该扭转应变可以无限增加，但管材坯料与模具之间的摩擦限制了扭转应变的增加，上述一系列缺点严重制约了该方法在组织均匀的超细晶管状材料制备中的应用。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双向连续剪切变形装置及方法。
[0006]根据本发明一个方面提供的双向连续剪切变形装置，包括轴向中空的变截面环形挤压筒、变截面芯杆、上固定压盘、下固定压盘、上环形挤压冲头、下环形挤压冲头以及扭转式工作台；
[0007]其中，所述变截面环形挤压筒的上端连接所述上固定压盘，下端连接所述下固定压盘；
[0008]所述变截面环形挤压筒的内壁面上设置有凹槽;所述变截面芯杆设置在所述变截面环形挤压筒的内侧;所述变截面芯杆设置有与所述凹槽相匹配的凸起；
[0009]所述上环形挤压冲头穿过所述上固定压盘的第一通孔连接所述变截面芯杆的上端;所述下环形挤压冲头穿过所述下固定压盘的第二通孔连接所述变截面芯杆的下端；
[0010]所述下固定压盘设置在所述扭转式工作台上，当所述扭转式工作台驱动所述下固定压盘、所述变截面环形挤压筒和所述上固定压盘以第一转速运动时，所述变截面芯杆、所述上环形挤压冲头以及所述下环形挤压冲头保持不动或以第二转速运动，所述第二转速小于所述第一转速。
[0011 ]优选地，所述变截面环形挤压筒包括第一半环形筒体和第二半环形筒体；
[0012]其中，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的开口相对紧贴形成所述变截面环形挤压筒；
[0013]所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的上端通过一固定销连接所述上固定压盘，所述第一半环形筒体和所述第二半环形筒体的下端通过另一固定销连接所述下固定压盘。
[0014]优选地，所述上环形挤压冲头和所述下环形挤压冲头的中心呈通孔结构；所述通孔结构与所述变截面芯杆的两端直径相等。
[0015]优选地，所述变截面环形挤压筒的半高位置处有圆弧过渡的凹槽，所述变截面环形挤压筒的内表面经粗糙化处理;所述变截面芯杆的半高位置有与所述凹槽相匹配的圆弧凸起。
[0016]优选地，所述变截面环形挤压筒与变截面芯杆之间形成的型腔的任一纵向截面上为左右对称的组合式通道结构；
[0017]所述组合式通道包括顺次连通的上直线形通道、圆弧通道、下直线形通道;所述上直线形通道和所述圆弧通道之间以及所述下直线形通道和所述圆弧通道之间为平滑过渡。
[0018]本发明另一个方面提供的双向连续剪切变形方法，采用所述的双向连续剪切变形装置，包括如下步骤:
[0019]步骤S1、将下固定压盘固定于扭转式工作台上，并将两片半环形挤压筒固定于下固定压盘之上组成环形挤压筒;插入变截面芯杆，放入管形坯料，将上固定压盘穿过变截面芯杆固定于环形挤压筒上;放入上环形挤压冲头，保证上环形挤压冲头与管形坯料接触，放入下环形挤压冲头，并将下环形挤压冲头上升至下直线形通道与圆弧通道相交的位置处；
[0020]步骤S2、对上环形挤压冲头施压，使得预先置于上直线形通道中的管形坯料发生挤压变形，进入圆弧形通道；
[0021 ]步骤S3、当管形坯料头部与预先置于下直线形通道中的下环形冲头接触时，增大上压头的挤压力，同时下环形冲头对管形坯料反向施加背压，打开扭转式工作台，使管形坯料发生挤压和扭转变形，直至管形坯料完全离开上直线形通道，进入圆弧通道和下直线形通道，停止推进，完成第一道次加工；
[0022]步骤S4、反向驱动上环形挤压冲头、下环形挤压冲头，同时扭转双向连续剪切变形装置使管形坯料发生扭转变形，直至管形坯料完全离开下直线形通道，进入圆弧通道和上直线形通道，停止推进，完成第二道次加工。
[0023]优选地，还包括如下步骤:
[0024]-重复步骤S2?步骤S3，实现多道次双向连续剪切变形。
[0025]优选地，在步骤S3或步骤S4中，还包括如下步骤:
[0026]当管形坯料随着上环形挤压冲头和下环形挤压冲头的上或下行运动，连续通过圆弧形的型腔，沿其横截面方向发生连续剪切；
[0027]经表面粗糙化处理的变截面环形挤压筒在扭转运动时，在摩擦力作用下带动管形坯料的外径以第一转速进行周向运动，而管形坯料的内径与变截面芯杆接触，不发生或发生第二转速的周向运动，使得管形坯料沿管壁厚度方向发生连续剪切；
[0028]所述第二转速小于所述第一转速。
[0029]优选地，当待加工管材不适合或无法进行常温加工时，管形坯料和双向连续剪切变形装置能够通过加热套进行原位加热。
[0030]优选地，作用于变截面芯杆的上行或下行的压力为:40t?1000t，挤压速度为0.lmm/s?10mm/s；
[0031]所述背压的压力为:400MPa?lOGPa;
[0032]所述扭转式工作台的周向扭转速率为0.lrpm?lOrpm，施加的扭转角度范围为30°?360°。
[0033]本发明再一个方面提供的所述的双向连续剪切变形装置在纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料或半导体材料的超细晶管状材料制备中的用途。
[0034]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0035]1、本发明将传统往复挤压中的缩颈区转变为平滑过渡的连续剪切通道，提高了管形坯料在横截面方向的剪切均匀性；
[0036]2、本发明采用的往复挤压使得管形坯料多次通过圆弧转角通道，有效了细化基体晶粒，同时减小了基体晶粒的尺寸分散性，提高了组织均匀性；
[0037]3、本发明通过环形挤压筒的轴向扭转使得管形坯料沿管壁厚度方向发生连续剪切，进一步提高了晶粒细化的程度。
【附图说明】
[0038]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0039]图1为本发明中双向连续剪切变形模具的半剖面结构示意图；
[0040]图2为挤压筒和芯杆形成的圆弧通道型腔示意图；
[0041 ]图中:
[0042]1、上环形挤压冲头；
[0043]2、上固定压盘；
[0044]3、变截面环形挤压筒；
[0045]4、固定螺母；
[0046]5、下固定压盘；
[0047]6、扭转式工作台；
[0048]7、变截面芯杆；
[0049]8、固定销；
[0050]9、管形坯料；
[0051]10、型腔；
[0052]11、固定螺杆；
[0053]12、垫片；
[0054]13、下环形挤压冲头。
【具体实施方式】
[0055]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0056]在本实施例中，本发明提供的双向连续剪切变形装置，包括