专利名称：管状材料高压剪切变形方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料加工工程领域，特别是一种实现管状材料环向剪切塑性变形的方法及其装置，主要应用于各种金属及合金材料、无机非金属材料及高分子材料等，以实现这些材料在高静水压力的塑性变形，从而控制和优化其组织结构，提高其性能。
背景技术：
剧烈塑性变形(severe plastic deformation，简称SPD)方法是一系列具有大变形量的塑性加工技术的总称。SPD方法细化晶粒效果明显，可以将材料内部组织细化到亚微米级、纳米级甚至非晶态[R.Z. Valiev.Nature materials. 2004(3) :511-516.； R. Ζ. Valiev, Α. K. Mukher jee. Scripta mater. 2001(44) : 1747-1750.]。近年来，采用 SPD 方法制备块体纳米结构材料的技术受到了材料科学领域专家、学者们的普遍关注。与此同时，大量的研究推动SPD技术在制备块体超细晶、纳米晶材料方面的不断发展。俄罗斯 Ufa航空技术大学的R. Z. Valiev领导的研究小组认为，采用SPD方法制备超细晶材料应满足多项条件[R. Z. Valiev, R. K. Islamgaliev, I V. Alexandrov. Progress in Materials Science. 2000(45) :103-189.]，主要包括大塑性变形量、相对低的变形温度和变形材料内部高的静水压力。在这一原则指导下，人们提出并开发了各种SPD工艺和方法。目前最受关注的SPD方法主要是，累积轧制(accumulative roll-bonding，简称 ARB)技术，等径角变形(equal-channel angular pressing，简称ECAP)技术，以及高压扭转(high-pressure torsion，简称HPT)技术等。其中ARB技术如图1所示，可连续制备薄板类超细晶结构材料，且易于在传统轧机上实现，设备简单，实际应用意义重大。但是，在ARB 技术加工过程中，为了实现良好的轧制复合，往往不能使用润滑剂，这对轧辊的服役寿命不利。同时，由于材料在轧制过程中受到变形条件限制所能达到的静水压力不够高，在加工过程中的累积一定的变形量后会出现开裂问题[N. Tsuji，Y. Saito,S. H. Lee,et al. Advanced Engineering Materials. 2003(5) :338-344. ]。ECAP 技术如图 2 所示，采用该技术进行超细晶金属加工处理具有巨大潜力。但是，对于一些难加工合金(如镁合金等)，进行ECAP 经常发生开裂，如果提高变形温度，一方面会影响模具寿命，另一方面又会影响晶粒细化效果。再加上由于模具材料的限制，变形温度不可能无限制地提高。而且ECAP为实现大的累积塑性变形，需要多道次加工，操作复杂。背压ECAP(back pressure equal-channel angular pressing，简称BP-ECAP)即在模具出口通道施加背压的ECAP技术，如图3所示，可以在一定程度上解决难变形金属ECAP的开裂问题，从而改善材料的微观组织和机械性能； 所施加的背压有限，静水压力一般维持在几百兆帕[R. YE. Lapovok. Journal of materials science. 2005(40) :341-346.]。施加的背压太高则由于摩擦力和模具强度等因素而无法实现ECAP。HPT技术最符合前文中提到的SPD方法制备超细晶材料应满足的多项条件。在现有的SPD技术之中，HPT技术晶粒细化能力最强。然而，HPT所能加工的试样厚度方向尺寸很 /Jn [A. P. Zhilyaev, T. G. Langdon. Progress in Materials Science. 2008(53) :893-979.]， 所加工的盘状试样，沿径向存在较大的应变梯度，变形不均勻，晶粒细化程度也不均勻。
Toth 等人[L. S. Toth, M. Arzaghi, J. J. Fundenberger, B. Beausir :Scr. Mater. Vol. 60 (2009)，p. 175]提出了一种管状材料高压扭转方法(high-pressure tube twisting, HPTT)，如图5所示，在管状试样内部安放弹性芯轴，外侧套置刚性圆盘(rigid disk)，试样两端用挡板固定。对芯轴加压时，芯轴径向膨胀对管状试样内壁产生径向压力， 同时刚性圆盘对管状试样外壁产生一个相反方向的径向压力，从而在管状试样中产生静水压力。此时转动环套，管状试样在表面环向摩擦力作用下实现环向剪切变形。这种方法思路很好，其最主要的问题是该方法对试样的加载方式是径向加载方式，也就是说，该方法直接对芯棒施加轴向压力，芯棒在对试样产生径向压力。在这种加载方式下，压力并没有直接加载在管状材料的轴向，试样所承受的静水压力来自芯棒受压后的弹性变形，由于材料弹性变形不可能很大，很难产生高的静水压力，因而能提供的环向摩擦力有限，仅适用于强度较低的纯金属等。对于强度较高的材料，由于所能产生的摩擦力达不到材料的屈服强度，容易出现打滑等现象，无法实现所需要的变形。该方法另一方面问题是位于管状试样两端的档板是一悬臂梁式结构，对试样轴向变形的约束不够，试样承受的静水压力较高时，材料很容易从缝隙中挤出，影响加工过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的剧烈塑性变形方法及其装置管状材料高压剪切 (tube-High Pressure Shearing，简称t_HPQ技术。该技术很好地满足了采用SPD方法制备超细晶材料应满足多项条件，如大塑性变形量、相对低的变形温度和变形材料内部高的静水压力。该方法避免了 ARB、ECAP以及背压ECAP等技术需要多道次操作的繁琐工艺过程，同时，由于加载方式本质上的不同，该方法也克服了 T0th等人HPTT法静水压力不足等问题，在加工材料时能提供类似HPT技术的高静水压力条件，从而适用于对难变形金属及合金的加工，达到控制和优化材料的组织结构、提高其性能的效果。实现本发明目的的技术解决方案为一种管状材料高压剪切变形方法，首先选择加工的工件，工件为管状，采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；然后直接对工件端部施加轴向压力，使得工件发生弹性变形或微小塑性变形，在工件内累加高静水压力；随后对与工件内壁或外壁接触的一个约束体提供扭矩，使其绕工件的中心轴转动，同时固定另一个约束体，在约束体与工件内外壁环向摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动，从而实现工件的环向剪切变形。一种管状材料高压剪切变形装置，包括具有恒压功能的压力机和具有传递压力、 约束形变以及实现部分旋转功能的模具；所述模具包括上砧头、下砧头、固定或者可转动的刚性芯轴以及可转动或者固定的刚性环套；上砧头、下砧头分别安装在压力机的上压头和底座上，工件放置于上砧头和下砧头之间，上砧头下端与下砧头上端通过设置的凸台与工件的上、下端面接触，凸台的截面是与工件的上、下端面完全吻合的环形；工件的内部同心设有刚性芯轴，刚性芯轴外表面与工件的内壁接触，工件的外部同心设有刚性环套，刚性环套内表面与工件的外壁接触。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)加工工序简单。本发明提出的t-HPS方法是一种在传统的具有恒压功能的挤压机上单一道次即可实现的剧烈塑性变形方法。反观诸如累积轧制(ARB)方法、多向锻造、等径角挤压(ECAP)方法以及背压ECAP等方法，往往需要很多重复的工艺道次才能实现高应变量的塑性变形，人力消耗大。而本方法利用刚性环套、管状工件以及芯轴、管状工件之间摩擦力，转动刚性环套并固定芯轴，使得管状工件与刚性环套接触的外层区域相对于与芯轴接触的内层区域发生环向剪切，从而实现单一工艺道次下的剧烈塑性变形。真应变为1 10，甚至更高。如前文技术方案所述，本发明提出的t-HPS方法原理简单，设备易得，在一般的塑性成形实验室即可实现。(2)能够提供的静水压力高，因此可加工材料种类广，加工能力强。本发明提出的 t-HPS方法直接对管状材料轴向加压，同时约束其径向变形，因而可在材料内部产生静水压力高达15 GPa。这是目前包括HPTT在内其它工艺无法达到的。而且，随着模具材料的发展，设计的改进，所能提供的静水压力会更高。在这种高静水压力条件进行塑性变形，材料表面和内部裂纹的产生和发展被有效抑制，从而使得很多难加工材料(如塑性较差的镁合金等)的可加工性提高。众所周知，镁合金等材料由于晶体结构为密排六方，滑移系数量有限，往往塑性差。对镁合金等难变形材料进行ARB或者ECAP加工时，试样经常有开裂现象。为避免开裂，往往需要提高加工温度，势必增加加工成本，更重要的是，随着加工温度的升高，材料的晶粒细化效果变差，晶粒变得粗大，这与我们提高材料性能的初衷相左。相比之下，本方法在室温条件或者较低的加热温度下即可实现对铝、铜、镍、镁、钛、钨及其合金以及低碳钢等众多材料的塑性加工，从而控制和改善其组织结构，提高其性能。(3)能够获得的管状成品尺寸大。本发明提出的t-HPS方法选取的加工工件呈管状，其尺寸仅受设备规模限制。即便是在实验室，也可通过该方法制得 IOOmm高的管状材料，具有良好的性能，稍做后续处理即可在很多领域得到应用，此外获得的管状材料沿轴向剖开，经过轧制即可获得高性能板材。
图1是累积复合轧制(ARB)技术原理示意图。图2是等径角挤压(ECAP)技术原理示意图。图3是背压ECAP (BP-ECAP)技术原理示意图。图4是高压扭转(HPT)技术原理示意图。图5是高压管扭转(high-pressure tube twisting-HPTT)技术原理示意图。图6是本发明t-HPS技术原理示意图，其中，61-上砧头，62-刚性环套，63-管状工件，64-下砧头，65-刚性芯轴；h为管状工件高度；r为管状工件内半径；R管状工件外半径；P为压力；T为扭矩。图7是有限元模拟尺寸为r = 10mm, R = Ilmm的2219T62铝合金管状工件经过 90°环向剪切变形后的应变分布情况沿径向最大应变10. 79，最小应变8. 41，统计平均值 9. 45。图8是t-HPS剧烈塑性变形方法实施方案的装置示意图，其中，(a)为爆炸视图 1-支撑柱，2-上砧头连接套筒，3-上砧头连接螺栓，4-连接套筒方形插销，5-连接套筒圆柱插销，6-下砧头，7-管状工件，8-刚性环套，9-下环形垫圈，10-上环形垫圈，11- 一体化的上砧头与芯轴，12-芯轴套板，13-下砧头连接螺栓，14-伺服电机，15-空心轴减速器齿轮箱，16-皮带，17-推力轴承，18-刚性环套套筒，19-套筒连接螺栓；(b)为主视图。
具体实施例方式本发明的材料加工目的在传统的具有恒压功能的挤压机上即可实现管状工件被放置在下砧头上，工件外侧套有可转动的刚性环套，刚性芯轴从管状工件的中心穿过，上砧头直接将轴向压力传递给工件，管状工件在巨大轴向压力的作用下产生沿径向膨胀的趋势，刚性圆盘、芯轴对管状工件径向变形起到约束作用，这种对管状工件端部施加高压的同时限制其形变的设计使得在工件内部累加了高静水压力(IGI^a 15GPa)。高静水压力条件下，将会在管状工件的内外壁都产生很大的摩擦力。虽然管状工件形状改变被限制，但其有沿轴向旋转的自由度，而上下砧头分别安装在挤压机的上下底板上，使与工件内壁或者外壁接触的约束体(分别为芯轴和刚性环套)中的一个绕管状工件的中心轴转动而另外一个固定，由于管状工件的内外壁与设备约束体之间摩擦力存在，工件内、外壁附近的材料有随约束体一起转动或者固定不动的趋势。高静水压力条件下，为了保持材料的连续性，管状工件沿径向不同厚度层的材料将以不同的角速度转动，即发生相对转动，材料在摩擦力的驱动下实现环向剪切(circumferential shearing)变形，很重要的一点是该变形是工件内部材料的切变，并未改变管状工件的宏观尺寸形状。本发明能使管状材料真正在高静水压力(可达15 GPa)条件下，发生环向剪切塑性变形(真应可达10 )。从而通过塑性变形，控制和优化材料的组织结构、提高其性能。同时，本发明只需要在传统的具有恒压功能的挤压设备上安装一个由上砧头、芯轴、下砧头以及刚性圆盘等关键要素构成的组合模具，即可在较低的温度(如室温或者较低的加热温度)实现一种全新的剧烈塑性变形(SPD)加工方法——管状工件高压剪切 (t-HPS)技术。t-HPS技术可行性高，操作无特殊要求，所需设备简单易得。同时，由于本发明是依托传统挤压设备实现的新的塑性加工方法，因此扩展了传统挤压设备的功用。本发明适用于剧烈塑性变形制备块体超细晶、纳米晶材料的实验研究和工业生产。利用本发明， 可以制备高性能金属、合金、无机非金属材料及高分子材料。t-HPS方法制得的样品形状为管状，具有很高的实际应用潜力和价值。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图6，本发明管状材料高压剪切变形方法，首先选择加工的工件，工件为管状， 采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；然后直接对工件端部施加轴向压力，使得工件发生弹性变形或微小塑性变形，在工件内累加高达1 15GPa的静水压力；随后对与工件内壁或外壁接触的一个约束体提供扭矩，使其绕工件的中心轴转动，同时固定另一个约束体，在约束体与工件内外壁环向摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动，从而实现工件的环向剪切变形。本发明管状材料高压剪切变形装置，包括具有恒压功能的压力机和具有传递压力、约束形变以及实现部分旋转功能的模具；所述模具包括上砧头61、下砧头64、固定或者可转动的刚性芯轴65以及可转动或者固定的刚性环套62 ；上砧头61、下砧头64分别安装在压力机的上压头和底座上，工件63放置于上砧头61和下砧头64之间，上砧头61下端与下砧头64上端通过设置的凸台与工件63的上、下端面接触，凸台的截面是与工件63的上、下端面完全吻合的环形；工件63的内部同心设有刚性芯轴65，刚性芯轴65外表面与工件63的内壁接触，工件63的外部同心设有刚性环套，刚性环套62内表面与工件63的外壁接触。刚性环套62内表面与刚性芯轴65外表面经过毛化处理以增大与工件63之间的摩擦。上砧头61与刚性环套62之间采用间隙配合；刚性芯轴65与下砧头64之间采用间隙配合。本发明管状材料高压剪切变形装置，所述刚性芯轴65或者刚性环套62之中有一个可转动，另一个则为固定，转动的角度无限制。本发明管状材料高压剪切变形装置，所述刚性环套62可采用单层模具设计、预应力缠绕模具设计或预应力多层模具设计。所述上砧头61、刚性芯轴65为独立的两部分或者采用一体化设计使其成为一部分；所述上砧头61为整体设计或者组合设计，采用整体设计时，上砧头61、下砧头64端部分别有与工件63的上、下端面形状吻合的环形凸台，采用组合设计时，砧头包括砧头主体和环形垫圈两部分，环形垫圈截面与工63端面形状吻合。下面结合图6说明依据本发明提出的剧烈塑性变形新方法具体实施细节及设备工作情况。如图6所示，t-HPS方法由一个包括61-上砧头，62-刚性环套，64-下砧头和65-刚性芯轴等四部分构成的模具，结合具有保压功能的压力机，在63-管状工件上实现。首先，将61-上砧头、64-下砧头分别安装在压力机的上底板和下底板(或工作台)上，63-管状工件放置于61-上砧头和64-下砧头之间，61-上砧头下端与64-下砧头上端通过设置的凸台与63-管状工件的上、下端面接触，凸台的截面是与63-管状工件的上、 下端面完全吻合的环形；63-管状工件的内部同心设有65-刚性芯轴，65-刚性芯轴外表面与63-管状工件的内壁接触，63-管状工件的外部同心设有62-刚性环套，62-刚性环套内表面与63-管状工件的外壁接触。此时，63-管状工件处在由61-上砧头、62-刚性环套、64-下砧头和65-刚性芯轴构成的密闭空腔中。然后，压力机对61-上砧头进行下压，并维持压力恒定于某一数值。61-上砧头向下位移的过程中，61-上砧头同样会对3-管状工件产生向下的压力，由于 63-管状工件受到由61-上砧头、62-刚性环套、64-下砧头和65-刚性芯轴构成的密闭空腔的约束，因此其内部产生高的静水压力(可高达 15GPa)。对62-刚性环套施加环向推力，在扭矩的作用下使之环向旋转，与此同时，61-上砧头、64-下砧头和65-刚性芯轴不发生旋转，在62-刚性环套与63-管状工件以及65-芯轴与63-管状工件之间摩擦力的作用下，63-管状工件将发生环向剪切变形。随着旋转角度的增大，剪切变形量变得很大，从而有效地控制和优化材料的组织结构，提高其性能。此外，其它条件不变的情况下，环向旋转65-刚性芯轴而固定62-刚性环套可以使管状材料产生类似的环向剪切塑性变形效果。这种情况的t-HPS技术原理示意图从略。为了考察t-HPS工艺过程中管状工件的力学行为，特别是应变的分布情况，而对该方法进行了二维和三维的有限元模拟分析。有限元模拟时，选用了 2219T62铝合金工件， 该铝合金的材料性能参数如表1所示，该材料的流变规律可以用Crussard-Jaoul应变硬化模型σ = 加以描述。其中为流变应力，％ = 290ΜΙ^为屈服强度，Κ = 248ΜΙ^为强度系数，ε ρ为塑性应变，η = 0. 36为应变硬化指数。简便起见，模拟温度为室温，并且不考虑变形过程中材料的温升和应变速率敏感性。结果表明t-HPS方法能够在尺寸较大的工件中累加非常高的应变量，如图7所示，内径 20mm，外径22mm的管状工件仅仅经过90度的环向剪切，其平均应变即可达到9. 45。
表1. t-HPS工艺有限元模拟选材2219T62铝合金力学常数和物理性质
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。如图8所示装置由t-HPS剧烈塑性变形法原理实现部、动力装置和连接部等三部分组成。图8(a)为装置的爆炸视图，详细给出了装置的组成细节。6-下砧头、7-管状工件、8-刚性环套、9-下环形垫圈、10-上环形垫圈、11- 一体化的上砧头与芯轴和12-芯轴套板组成了整个装置的原理实现部。7-管状工件穿过11- 一体化的上砧头与芯轴，其上下端面各放置一个环形垫圈(9_、10-)，工件被8-刚性环套包围，上、下砧头(11-、6_)通过上、下垫圈(9-、10_)对7-管状工件轴向施压时，11-芯轴和 8-刚性环套约束了其径向膨胀，在工件内部累积的高静水压力。11-芯轴末端为六棱柱，与 12-芯轴套板中孔形状尺寸相同。芯轴插入套板中孔后，其转动将受到约束。对8-刚性环套施加环向推力，在扭矩的作用下使之旋转，转动速度1 5rpm，与此同时，11-一体化的上砧头和芯轴受约束而不发生旋转，在8-刚性环套与7-管状工件以及11-芯轴与7-管状工件之间摩擦力的作用下，7-管状工件将发生环向剪切变形。该实施方案中，上砧头与芯轴采用一体化设计，一方面使得芯轴易于固定，另一方面，对管状工件脱模有利。此外上、下砧头(11-、6_)并不直接接触7-管状工件，压力是通过上、下环形垫圈(9_、10-)传递给工件。这样设计是因为与工件断面直接接触的部位受力情况非常恶劣，增设由硬质合金制成的环形垫圈，可提高砧头的使用寿命，降低模具更换成本。考虑到8-刚性环套与11-芯轴之间既需要沿轴向自有移动又需要沿周向自由转动，而 6-下砧头与11-芯轴之间只要求沿轴向自有移动，因此在选取孔与轴之间的配合时，11-一体化的上砧头、芯轴与8-刚性环套之间采用F7/h6基轴制间隙配合；11- 一体化的上砧头、 芯轴与6-下砧头采用H7/g6基孔制间隙配合。这种间隙配合的选择，从脱模的角度考虑， 也是有利的。刚性环套旋转并在摩擦力作用下使管状工件发生环向剪切，该动作所需扭矩依靠动力装置实现。该动力装置通过一个14-伺服电机通过16-皮带轮带动15-空心轴减速器输出扭矩。由2-上砧头连接套筒、3-上砧头连接螺栓、4-连接套筒方形插销和5-连接套筒圆柱插销组成的连接部将11-一体化的上砧头和芯轴与压力机的上压板相连。由1-支撑柱、13-下砧头连接螺栓、17-推力轴承、18-刚性环套套筒和19-套筒连接螺栓组成的连接部将6-下砧头通过1-支撑柱与压力机的下底板相连，同时18-刚性环套套筒和19-套筒连接螺栓连接15-空心轴减速器和8-刚性环套，实现扭矩的传递。17-推力轴承降低了轴向摩擦力对8-刚性环套旋转的阻碍。18-刚性环套采用预应力缠绕模具设计时，内层选择硬度和韧性都较高的材质，如模具钢；缠绕层采用韧性较高的材质，如弹簧钢丝或者弹簧钢带；外层采用韧性较高的材质，如中碳钢。18-刚性环套采用预应力多层环套设计时，内层选择硬度和韧性都较高的材
8质，如模具钢；其它层选择韧性较高的材质，如中碳合金钢或者模具钢。11-一体化的上砧头与芯轴、下砧头在工作部位镶嵌硬质合金，其余部位选择材质为模具钢。9-下环形垫圈、 10-上环形垫圈选用硬质合金或者钢结硬质合金。具体选材如下模具钢为Cr5MolV钢；弹簧钢为65Mn钢；中碳钢为45号钢；中碳合金钢为45Mn钢；硬质合金为YG6A。该实施方案中，装配好的t-HPS装置的主视图如图8(b)所示。通过该方案对工业纯铝、6063铝合金以及AZ31镁合金管状工件进行了初步实验研究。管状工件的内径40mm，外径46mm，高40mm。变形前后，工件的宏观尺寸、形状保持不变。工业纯铝未进行t-HPS前的平均晶粒尺寸为M μ m,压缩试验屈服强度73. 7MPa ； 在1. 5GPa静水压力下以Irpm的转动速度经过30°的t_HPS变形，平均应变达到4，平均晶粒尺寸达到633nm，压缩试验屈服强度增至3MPa。6063铝合金未进行t-HPS前的平均晶粒尺寸为80 μ m，压缩试验屈服强度 156. 8MPa ；在2. 5GPa静水压力以Irpm的转动速度经过60°的t_HPS变形，平均应变达到 8，平均晶粒尺寸达到561nm，压缩试验屈服强度增至447. 6MPa。AZ31镁合金塑性较差，我们对模具进行了 100°C的加热。未进行t_HPS前的平均晶粒尺寸为27 μ m，压缩试验屈服强度276. 4MPa ；在静水压力下以Irpm的转动速度经过90°的t-HPS变形，平均应变达到9，平均晶粒尺寸达到335nm，压缩试验屈服强度增至 590.2MPa。
权利要求
1.一种管状材料高压剪切变形方法，其特征在于首先选择加工的工件，工件为管状， 采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；然后直接对工件端部施加轴向压力，使得工件发生弹性变形或微小塑性变形，在工件内累加高静水压力；随后对与工件内壁或外壁接触的一个约束体提供扭矩，使其绕工件的中心轴转动，同时固定另一个约束体，在约束体与工件内外壁环向摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动，从而实现工件的环向剪切变形。
2.根据权利要求1所述的管状材料高压剪切变形方法，其特征在于所述工件内累加的静水压力高达1 15GPa。
3.一种管状材料高压剪切变形装置，其特征在于包括具有恒压功能的压力机和具有传递压力、约束形变以及实现部分旋转功能的模具；所述模具包括上砧头[61]、下砧头[64]、固定或者可转动的刚性芯轴W5]以及可转动或者固定的刚性环套W2]；上砧头[61]、下砧头W4]分别安装在压力机的上压头和底座上，工件W3]放置于上砧头Wl]和下砧头W4]之间，上砧头Wl]下端与下砧头W4]上端通过设置的凸台与工件W3]的上、 下端面接触，凸台的截面是与工件W3]的上、下端面完全吻合的环形；工件W3]的内部同心设有刚性芯轴[65]，刚性芯轴[65]外表面与工件[63]的内壁接触，工件[63]的外部同心设有刚性环套[62]，刚性环套W2]内表面与工件W3]的外壁接触。
4.根据权利要求2所述的管状材料高压剪切变形装置，其特征在于刚性环套W2]内表面与刚性芯轴W5]外表面经过毛化处理以增大与工件W3]之间的摩擦。
5.根据权利要求2所述的管状材料高压剪切变形装置，其特征在于上砧头Wl]与刚性环套W2]之间采用间隙配合；刚性芯轴W5]与下砧头W4]之间采用间隙配合。
6.根据权利要求2所述的管状材料高压剪切变形装置，其特征在于所述刚性芯轴 [65]或者刚性环套W2]之中有一个可转动，另一个则为固定，转动的角度无限制。
7.根据权利要求2所述的管状材料高压剪切变形装置，其特征在于所述刚性环套[62]可采用单层模具设计、预应力缠绕模具设计或预应力多层模具设计。
8.根据权利要求2所述的管状材料高压剪切变形装置，其特征在于所述上砧头[61]、 刚性芯轴W5]为独立的两部分或者采用一体化设计使其成为一部分；所述上砧头Wl] 为整体设计或者组合设计，采用整体设计时，上砧头[61]、下砧头W4]端部分别有与工件[63]的上、下端面形状吻合的环形凸台，采用组合设计时，砧头包括砧头主体和环形垫圈两部分，环形垫圈截面与工件W3]端面形状吻合。
全文摘要
本发明公开了一种管状材料高压剪切变形方法及其装置，首先选择加工的工件，工件为管状，采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；然后直接对工件端部施加轴向压力，使得工件发生弹性变形或微小塑性变形，在工件内累加高达1～15GPa的静水压力；随后对与工件内壁或外壁接触的一个约束体提供扭矩，使其绕工件的中心轴转动，同时固定另一个约束体，在约束体与工件内外壁环向摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动，从而实现工件的环向剪切变形。本发明技术可行性高，操作无特殊要求，所需设备简单易得。同时，由于本发明是依托传统挤压设备实现的新的塑性加工方法，因此扩展了传统挤压设备的功能。
文档编号B30B15/02GK102189706SQ20111003090
公开日2011年9月21日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者刘冉, 刘金强, 尹德良, 李政, 王经涛, 王进 申请人:南京理工大学