本实用新型涉及棒材挤扭加工领域，尤其涉及一种圆形棒材挤扭成形模具。
背景技术：
超细晶材料因其独特的微观显微组织，使其物理性能和力学性能得到大幅度的提高，因此超细晶材料的制备技术成为当今材料研究领域的热点之一。相比于传统的塑性变形方法挤压、轧制等，大塑性变形技术能够在较低的变形温度、高的静水压力状态下，将粗大的晶粒组织细化至亚微米甚至纳米级别，获得具有一系列优异性能的超细晶材料。目前，大塑性变形技术主要包括：等通道挤压、累积叠轧、挤扭、往复挤压、多向锻造、高压扭转等。
挤扭变形作为一种新型的大塑性变形工艺，由乌克兰科学家Yan Beygelzime及其团队于1999年最先提出，并于2004年首次将其应用于材料的晶粒细化。其变形原理是：矩形截面非圆形试样经过一段带有矩形截面螺旋通道的模具后，被最终挤出。挤扭变形过程中，变形方式包括纯剪切变形和简单剪切变形两种；挤扭变形后，试样的横截面形状和外形尺寸始终保持不变，因此可进行多道次的往复挤扭变形以进一步的积累塑性应变，改善材料的显微组织，从而提高其力学性能。
然而，挤扭变形后，试样的横截面处常表现出强烈的各向异性，且试样横截面的中心部分与边缘部分的组织均匀性差异较大。通常采用多道次往复挤扭进一步细化晶粒，改善组织均匀性和力学性能，但仍然存在加工效率低、加工成本高等问题。
近几年，挤扭变形工艺在国外已开展较全面的系统研究，且已取得可观的研究成果。然而，由于多方面条件的限制，国内关于挤扭变形工艺的相关研究还鲜有报道，且尚未引起足够的关注。针对挤扭变形工艺目前的研究现状和存在的主要问题，本实用新型提供了一种圆形棒材挤扭成形模具，能够实现圆形棒材的一道次挤扭成形，进而通过发生一系列连续的复合塑性变形，从而不断积累较大的塑性应变，以达到均匀细化组织并提高改善材料性能的目的，具有细化效果好、变形效率高、组合式型腔易加工、模具拆装更换方便等优势。
技术实现要素：
本实用新型克服了上述现有技术的不足，提供了一种圆形棒材挤扭成形模具。本实用新型通过圆形棒材经过一道次挤扭成形而发生一系列连续复合塑性变形，具有细化效果好、变形效率高、组合式型腔易加工、模具拆装更换方便等优势。
本实用新型的技术方案：
一种圆形棒材挤扭成形模具，包括冲头和挤扭凹模；所述冲头设置在所述挤扭凹模上方，且所述冲头与所述挤扭凹模同轴设置；
所述挤扭凹模包括压板、模套、定位套、挤扭模、定位销和底部挤压模；所述模套内部组装固定有模具型腔，所述模具型腔内部从上到下依次设置定位套、挤扭模和底部挤压模，所述模套上端通过螺钉组一与所述压板固定连接，所述模套下端通过螺钉组二与所述底座固定连接，所述模套上端加工有棒材进口，所述模套下端加工有两组棒材出口；
所述定位套内部加工有定位套腔；所述底部挤压模内部从上到下依次加工有上部过渡段和下部T型挤压段，其变形截面由矩形渐进过渡到圆形，最终通过底部的T型通道实现材料的挤出成形；所述挤扭模内部从上到下依次加工有过渡段和下部挤扭段；其变形截面由圆形渐进过渡到矩形再发生矩形截面的挤扭；所述过渡段与所述定位套腔连通，所述下部挤扭段与所述底部挤压模的上部过渡段连通。
进一步的，所述定位套、挤扭模和底部挤压模均为两个半圆柱组成。
进一步的，所述挤扭模的下端面加工有半圆形定位销孔一，所述底部挤压模上端面也加工有与所述半圆形定位销孔一对应的半圆形定位销孔二，所述半圆形定位销孔一与所述半圆形定位销孔二之间设置有定位销，所述定位销将所述挤扭模和所述底部挤压模位置固定。
进一步的，所述模具材料为5CrNiMo钢。
进一步的，所述挤扭模的下部挤扭段的内部矩形截面保持不变，其挤扭转角γ为90°，挤扭通道长度为40mm。
进一步的，所述模具的加热温度范围在250℃～400℃。
进一步的，圆形棒材挤扭成形过程中，采用水基石墨作为润滑剂。
进一步的，所述圆形棒材为轻合金金属材料。
一种圆形棒材挤扭成形模具的挤扭方法，该方法包括如下步骤：
步骤a：将上下面不封闭的方形电阻炉放置在液压机工作台上，将挤扭成形模具、圆形棒材放置在电阻炉内，加热，达到指定温度范围后保温30分钟；
步骤b：保温结束后，将圆形棒材放入到模具型腔内，用冲头将其下压到定位套底端位置，保温10分钟；
步骤c：启动液压机，下压冲头，变形过程具体为：圆形棒材在挤扭模的过渡段逐渐挤压过渡为矩形截面，再在下部挤扭段内完成矩形截面的挤扭变形；进入底部挤压模的上部过渡段后逐渐挤压过渡为圆形，最后进入下部的T型挤压段，从两端出口挤出成形。
本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：
一、本实用新型能够实现金属材料的一道次挤扭成形，相较于传统的挤扭工艺，不需要进行多道次反复的挤扭加工，具有细化均匀性高、变形效率高、变形过程连续稳定、节省材料等优点。
二、本实用新型能够实现圆形截面材料的挤扭变形，克服了现有挤扭技术只可以加工矩形截面材料的局限性。
三、本实用新型采用组合式型腔构成圆形棒材挤扭成形模具，具有易加工、易拆装更换等优点。采用上下面不封闭的方形电阻炉直接加热模具、圆形棒料，保温结束后直接进行挤压实验，可减少实验过程中对模具的移动，能够降低实验过程中的温度损失，降低实验误差。
附图说明
图1为本实用新型的立体结构示意图。
图2为具体实施例1、2的半剖结构示意图。
图3为图2的组合式型腔立体结构示意图。
图4为图2的组合式型腔分割截面位置图。
图5为图2的组合式型腔的截面形状变化示意图。
图6为具体实施例3的半剖结构示意图。
图7为图6的组合式型腔立体结构示意图。
图8为图6的组合式型腔分割截面位置图。
图9为图6的组合式型腔的截面形状变化示意图。
图10为利用具体实施例1的模具对铝合金6061进行变形后的等效应变等值线图。
图中1-冲头；2-压板；3-螺钉组一；4-模套；5-圆形棒材；6-定位套；7-挤扭模；8-定位销；9-底部挤压模；10-螺钉组二；11-底座。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型进行详细说明。
实施例一：
结合图1-图3示，本实施例公开的一种圆形棒材挤扭成形模具，包括冲头1和挤扭凹模；所述冲头1设置在所述挤扭凹模上方，且所述冲头1与所述挤扭凹模同轴设置；
所述挤扭凹模包括压板2、模套4、定位套6、挤扭模7、定位销8和底部挤压模9；所述模套4内部组装固定有模具型腔，所述模具型腔内部从上到下依次设置定位套6、挤扭模7和底部挤压模9，所述模套4上端通过螺钉组一3与所述压板2固定连接，所述模套4下端通过螺钉组二10与所述底座11固定连接，所述模套4上端加工有棒材进口，所述模套4下端加工有两组棒材出口；
所述定位套6内部加工有定位套腔；所述底部挤压模9内部从上到下依次加工有上部过渡段9-1和下部T型挤压段9-2，其变形截面由矩形渐进过渡到圆形，最终通过底部的T型通道实现材料的挤出成形；所述挤扭模7内部从上到下依次加工有过渡段7-1和下部挤扭段7-2；其变形截面由圆形渐进过渡到矩形再发生矩形截面的挤扭；所述过渡段7-1与所述定位套腔连通，所述下部挤扭段7-2与所述上部过渡段9-1连通。
进一步的，所述定位套6、挤扭模7和底部挤压模9均为两个半圆柱组成。
进一步的，所述挤扭模7的下端面加工有半圆形定位销孔一，所述底部挤压模9上端面也加工有与所述半圆形定位销孔一对应的半圆形定位销孔二，所述半圆形定位销孔一与所述半圆形定位销孔二之间设置有定位销8，所述定位销将所述挤扭模7和所述底部挤压模9位置固定。
进一步的，所述模具材料为5CrNiMo钢。
进一步的，所述挤扭模7的下部挤扭段7-2的内部矩形截面保持不变，其挤扭转角γ为90°，挤扭通道长度为40mm。
进一步的，所述模具的加热温度范围在250℃～400℃。
一种圆形棒材挤扭成形模具的挤扭方法，该方法包括如下步骤：
步骤a：将上下面不封闭的方形电阻炉放置在液压机工作台上，将挤扭成形模具、圆形棒材5放置在电阻炉内，加热，达到指定温度范围后保温30分钟；
步骤b：保温结束后，将圆形棒材5放入到模具型腔内，用冲头1将其下压到定位套6底端位置，保温10分钟；
步骤c：启动液压机，下压冲头1，变形过程具体为：圆形棒材5在挤扭模7的过渡段7-1逐渐挤压过渡为矩形截面，再在下部挤扭段7-2内完成矩形截面的挤扭变形；进入底部挤压模9的上部过渡段9-1后逐渐挤压过渡为圆形，最后进入下部的T型挤压段9-2，从两端出口挤出成形。
实施例二：
结合图2、图3、图4、图5和图10进一步说明本实施例。本实施例中T型挤压段9-2最终挤出圆形截面棒材。
将尺寸规格φ50×65mm的圆形棒材放入实施例1的挤扭成形模具中进行变形。该组合式型腔的立体结构如图3所示；在不同位置处进行分割，具体分割位置如图4所示，便于观察变形过程中不同部位的截面变化情况。结合图5的截面形状变化示意图，可以看出：直径为φ50mm的初始圆形截面即A-A面在挤扭模7上部的过渡段7-1发生挤压变形，到达过渡段7-1底端时，其棒料截面逐渐挤压过渡为30×30mm矩形，如D-D面所示；再在下部挤扭段7-2内完成挤扭变形，不同挤扭转角处的矩形截面不发生变化，到达挤扭段7-2底端时，完成90°旋转的挤扭变形，其矩形截面如G-G面所示；当进入底部挤压模9的上部过渡段9-1后发生挤压变形，使棒料截面由30×30mm矩形逐渐挤压过渡为φ12mm圆形，如J-J面所示；最后进入下部的T型挤压段9-2，从两端出口挤出φ12mm圆形截面棒材，如L-L面所示
在400℃变形温度下，将尺寸规格φ50×65mm的铝合金6061圆形棒材进行上述挤扭变形。变形结束后，铝合金6061棒材的等效应变等值线图如图10所示。选取棒材上一点P，该点的等效应变在整个变形过程中的变化趋势如曲线图所示
实施例三：
结合图6、图7、图8和图9进一步说明本实施例。本实施例中T型挤压段9-2最终挤出矩形截面板材。
将尺寸规格φ50×65mm的圆形棒材放入实施例2的挤扭成形模具中进行变形。该组合式型腔的立体结构如图7所示；在不同位置处进行分割，具体分割位置如图8所示，便于观察变形过程中不同部位的截面变化情况。结合图9的截面形状变化示意图，可以看出：直径为φ50mm的初始圆形截面即A-A面在挤扭模7上部的过渡段7-1发生挤压变形，到达过渡段7-1底端时，其棒料截面逐渐挤压过渡为30×30mm矩形，如D-D面所示；再在下部挤扭段7-2内完成挤扭变形，不同挤扭转角处的矩形截面不发生变化，到达挤扭段7-2底端时，完成90°旋转的挤扭变形，其矩形截面如G-G面所示；当进入底部挤压模9的上部过渡段9-1后发生挤压变形，使棒料截面由30×30mm矩形逐渐挤压过渡为φ12mm圆形，如J-J面所示；最后进入下部的T型挤压段9-2，从两端出口挤出20×5mm矩形截面板材，如L-L面所示。
本实用新型的目的在于提出了一种圆形棒材挤扭成形模具，以实现圆形棒材的一道次挤扭成形，进而通过发生一系列连续的复合塑性变形，从而达到均匀细化材料的目的。且采用组合式型腔，便于加工制造、拆装更换。
以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。