压扭模具、压扭加工设备及难变形金属材料的压扭加工方法与流程

本发明新型涉及一种模具，具体的，涉及一种压扭模具。

本发明还涉及使用上述压扭模具的压扭加工设备，以及用此压扭加工设备对难变形金属材料进行压扭加工的加工办法。

背景技术：

压扭变形工艺是在变形体高度方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在其横截面上施加一扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的特殊塑性变形工艺。它是复合加载变形工艺的一种，其变形实质在于通过对变形体施加了强的力场，有效控制变形体与模具间接触摩擦力和变形体内部剪切变形强度，将有害摩擦变成有益剪切作用，有效提高变形体内部静水压力，从而达到改变材料内部应力应变状态、产生较大切应变量、改善传统压力加工工艺条件的目的。一方面能够降低法向应力、改善密实件组织、提高非密实件的可焊性；另一方面可以使材料产生较大塑性变形，改变材料内部结构与组织形态，获得超细晶材料或高致密材料。在一些金属成形中应用这种方法，可以保证组织均匀，降低性能异向性；在改变材料组织特性中，这种方法可以形成具有大角晶界的细晶结构。在某些场合，利用轴向压力和切向剪切的同时作用，还有助于破碎树枝状组织和杂质，从而减小拔长锻比，提高设备利用率。目前压扭变形技术还极少见在工业上的实际应用，因其设备复杂，尤其是扭转运动的施加更是设备改造的难重点。

难变形金属材料是指高强度铝合金以及钨、钼、钽、铌、钛或其合金等材料，通常这些材料的变形抗力很大，塑性较低，用传统的变形工艺，常存在裂纹、开裂、竹节、难以成型等问题，成品率低，加热状态下也难以顺利开展成型加工。因此这类材料的生产加工一直是困扰行业发展的绊脚石。

中国发明专利申请公开说明书cn103480789a中公开了一种高强度铝合金碟形工件压扭成型方法，为获取晶粒细小、微观组织优良的难变形金属材料，压扭变形加工已有实验制备，但均采用特制有专门扭矩输出的设备，此设备成本高昂、保养复杂，尤其是扭转运动的施加更是设备改造的难点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种压扭模具，将其装载在液压机床上即可对难变形金属材料进行压扭变形加工，获取晶粒细小、微观组织优良的金属材料。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种压扭加工设备，其包含普通锻压床与压扭模具，其操作简单，设备容易获得，降低了压扭成形加工成本。

本发明再一个要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种简单易实现的难变形金属材料的压扭加工方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种压扭模具，具有上压模和下压模；上压模能够在贴近下压模时驱动下压模转动，以对夹入两者之间圆饼状难变形金属材料进行墩粗加工和扭转加工；上压模包含：一第一压合部、多个沿周向间隔配置于第一压合部外周的推动部；下压模包含：一第二压合部、多个沿周向间隔配置于第二压合部外周的受动部；第一压合部和第二压合部相对设置，其间可夹入圆饼状难变形材料；多个推动部和多个受动部分别对应，各推动部具有倾斜的推动面，各受动部具有与推动部相配合的倾斜的受动面；推动面能够在上压模沿轴向贴近下压模时相对受动面滑动，以推动下压模沿周向顺时针或逆时针转动。

较佳地，推动部与受动部大小相等，形状一致，截面为直角梯形；推动面与受动面的倾角均为45°～70°，推动面与受动面间摩擦系数≤0.3。

较佳地，难变形金属材料为高强度铝合金以及钨、钼、钽、铌、钛或其合金材料中的一种。

对于压扭加工设备这一技术主题，本发明提供一种压扭加工设备；包含：上模板；用于固定上压模的上模固定板，其安装于上模板上；下模板；安装于下模板上的止推轴承；导柱；所述导柱为分布于止推轴承四周的四根竖直立柱，其为上压模的上下运动起导向作用；压扭模具；上压模固定于上模固定板上，下压模可转动的配置于止推轴承上；上模板能够带动上压模相对下压模向下和向上活动，以使上压模对应贴近和远离下压模；复位机构，配置于导柱上，且具有沿水平方向连接于下压模的弹性件；所述弹性件能够在下压模在上压模回程后将下压模拉回至原位置，为下一次旋转运动做准备。施压机构，施压机构能带动上模板相对下模板运动。

对于难变形金属材料的压扭加工方法这一技术主题，本发明提供一种难变形金属材料的压扭加工方法；包含以下步骤：

s1：将圆饼状的难变形金属材料配置于压扭加工设备的下压模上；

s2：压扭加工设备通过上模板带动上压模相对下压模往复上下活动，以使上压模往复贴近和远离下压模；

s3：控制压扭加工设备的上模板带动上压模远离下压模，取出经步骤s2处理的准成型材料，并进行去应力退火处理，获得成型材料。

较佳地，难变形金属材料高度与其直径比为0.2～1.0。

较佳地，墩粗加工和扭转加工时上压模单次作用于难变形金属材料上的行程为难变形金属材料厚度的0.05～0.3倍。

较佳地，往复上下活动的周期为2～10次。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

1、在普通锻压床上即可对难变形金属材料进行压扭变形加工，获得晶粒细小、微观组织优良的难变形金属材料，降低了压扭成形加工的成本。

2、本发明使待加工材料受压扭复合加载的应力状态，可保证待加工材料内微观组织的稳定，获取微观组织及综合性能优良的材料。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明一实施例的压扭模具的结构示意图；

图2和图3分别为本发明一实施例的压扭模具不同视角下的分解示意图；

图4为本发明压扭加工设备的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

结合图1至图4可知，本压扭模具具有上压模1和下压模4。上压模1能够在贴近下压模4时驱动下压模4转动，以对夹入两者之间圆饼状难变形金属材料11进行墩粗加工和扭转加工，此圆饼状难变形金属材料11可以为高强度铝合金以及钨、钼、钽、铌、钛或其合金材料中的一种。上压模1包含：一第一压合部2、多个沿周向间隔配置于第一压合部2外周的推动部3。下压模4包含：一第二压合部5、多个沿周向间隔配置于第二压合部2外周的受动部6。第一压合部2和第二压合部5相对设置，其间可夹入圆饼状难变形材料11。多个推动部3和多个受动部6分别对应，各推动部3具有倾斜的推动面，各受动部6具有与推动部3相配合的倾斜的受动面。推动部3与受动部6大小相等，形状一致，截面为直角梯形。推动面与受动面的倾角均为45°～80°，例如为50°，推动面与受动面间摩擦系数≤0.3，例如为0.2。推动面能够在上压模1沿轴向贴近下压模4时相对受动面滑动，以推动下压模4沿周向顺时针或逆时针转动。

本发明压扭加工设备的结构示意图如图4所示；一种压扭加工设备，包含：上模板7、上模固定板7、下模板13、安装于下模板13上的止推轴承8、压扭模具、导柱12、复位机构10，施压机构14。施压机构14为普通液压机，上模板7与施压机构14通过机床滑块进行固定，其能在施压机构14的带动下上下往复运动。下压模4依靠滚动轴承固定于止推轴承8上，使其能在止推轴承8上进行转动。导柱12为分部于止推轴承8四周的四根竖直立柱，固定在下模板13上，其为上模板9的上下运动起导向作用。压扭模具的上压模1用螺栓连接于上模固定板板7上，上模固定板7使用螺栓连接固定在上模板9上。施压机构14的上下运动能通过上模板9作用于上压模1上使得上压模1能够相对下压模4向下和向上活动，以使上压模1对应贴近和远离下压模4。复位机构10配置于导柱下压模4上，且具有沿水平方向连接于下压模4的弹性件。弹性件为一拉伸弹簧，当单次压扭作业结束后，复位机构10能够带动下压模4返回工作初始位置。

本发明提供一种难变形金属材料的压扭加工方法，其包含以下步骤：

s1：选取高度与直径比为0.2～1.0的圆饼状的难变形金属材料11配置于上述压扭加工设备的下压模4上。

s2：控制压扭加工设备带动上压模1相对下压模4往复上下活动，以使上压模1往复贴近和远离下压模4；往返上下活动的周期为2～10次，单次活动上压模1作用于难变形金属材料11上的行程为难变形金属材料11厚度的0.1～0.5倍。

s3：控制压扭加工设备带动上压模1远离下压模4，取出经步骤s2处理的准成型材料，并进行去应力退火处理，获得成型材料。

如下结合具体的难变形金属材料对此方法做进一步说明：

实施例1：

选取直径100㎜、高度100㎜的7075铝合金柱体为初始材料，成型用模具为图1所示结构的压扭模具，其中推动面与受动面的倾角为45°，推动面与受动面间摩擦系数约0.2。先将铝合金块体置于压扭模具内，后将模具固定安装于500吨液压机上。启动液压机，液压机上压块下行并通过模具的上模板9推动上压模1下行，至上压模1与待加工的铝合金贴紧；同时调整弹簧的初始作用位置，使上压模1与物料接触时上、下压模4间的推动面与受动面也紧密接触；液压机继续推动上压模1下行5㎜，因推动部3与受动部6的相互作用圆周方向上也旋转了5㎜；液压机回程，上模板9带动上压模1在导柱弹簧作用下抬升，下压模4则在复位机构10作用下也拉回至转动前的位置；液压机再继续下行且推动上压模1墩压铝合金下行5㎜，受推动部3与受动部6的相互作用圆周方向上也再旋转5㎜；前述回程+下压两步循环一共进行10次，则铝合金在高度方向上墩粗压缩了50㎜，圆周方向上也产生了50㎜的旋转位移。材料抗拉伸强度提升10％，平均晶粒尺寸也变为原来的60％左右。

实施例2：

选取直径90㎜、高度50㎜的纯钼柱为初始材料，成型用模具为图1所示结构的压扭模具，其中推动面与受动面的倾角为63°，推动面与受动面间摩擦系数约0.2。先将纯钼柱置于压扭模具内，后将模具固定安装于315吨液压机上。启动液压机，液压机上压块下行并通过模具的上模板9推动上压模1下行，至上压模1与待加工的纯钼柱贴紧；同时调整弹簧的初始作用位置，使上压模1与物料接触时推动部3与受动部6也紧密接触；液压机继续推动上压模1下行6㎜，因推动部3与受动部6的相互作用圆周方向上也旋转了3㎜；液压机回程，上模板9带动上压模1在导柱弹簧作用下抬升，下压模4则在复位机构10作用下也拉回至转动前的位置；液压机再继续下行且推动上压模1墩压纯钼柱下行6㎜，受推动部3与受动部6的相互作用圆周方向上也再旋转3㎜；前述回程+下压两步循环一共进行4次，则纯钼柱在高度方向上墩粗压缩了24㎜，圆周方向上也产生了12㎜的旋转位移。材料抗拉伸强度提升15％，平均晶粒尺寸也变为原来的70％左右。

实施例3：

选取直径80㎜、高度16㎜的烧结态tzm柱体为初始材料，成型用模具为图1所示结构的压扭模具，其中推动面与受动面的倾角为70°，推动面与受动面间摩擦系数约0.15。先将tzm柱体置于压扭模具内，后将模具固定安装于315吨液压机上。启动液压机，液压机上压块下行并通过模具的上模板9推动上压模1下行，至上压模1与待加工的tzm柱体贴紧；同时调整弹簧的初始作用位置，使上压模1与物料接触时推动部3与受动部6也紧密接触；液压机继续推动上压模1下行5㎜，因推动部3与受动部6的相互作用圆周方向上也旋转了1.8㎜；液压机回程，上模板9带动上压模1在导柱弹簧作用下抬升，下压模4则在复位机构10作用下也拉回至转动前的位置；液压机再继续下行且推动上压模1墩压tzm柱体下行5㎜，受推动部3与受动部6的相互作用圆周方向上也再旋转1.8㎜；由此tzm柱体在高度方向上墩粗压缩了10㎜，圆周方向上也产生了3.6㎜的旋转位移。材料抗拉伸强度提升10％，平均晶粒尺寸也变为原来的80％左右。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。