[发明专利]一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法

说明书

本发明涉及塑性加工技术领域，具体涉及一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法。该模具分为凸模、凹模及背压装置，凸模的顶部与压力机的压头连接固定，凹模的底部与下模座固定，凹模包括模芯和模座两部分，加工坯料的型腔在模芯中。本发明通过合理模具设计，组合挤扭过程与变通道角挤压过程，不仅可以实现挤压与扭转复合变形，还可以实现多方向剪切变形(周向剪切与径向剪切)，利用压缩变形与剪切变形的配合，起到改善材料组织及调控织构的目的，同时增加背压装置使得材料处于三向压应力状态，提高材料变形能力，继而完成低塑性难加工材料变形。本发明可以实现棒材和型材的变形加工，所制备材料具有细晶或者超细晶组织。

技术领域

本发明涉及塑性加工技术领域，具体涉及一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法。

背景技术

近些年，带有剪切应变的大塑性成形技术成为人们的研究热点和重点。材料经过大塑性变形之后，可以累积较大的等效塑性应变，从而使得材料晶粒发生细化，可以达到超细晶甚至纳米晶；同时，剪切应变有利于材料内部能量累积，可以改善材料的织构分布情况，明显降低其各向异性。常用的大塑性变形技术有：等通道角挤压(Equal ChannnelAngular Pressing,ECAP)、高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)、往复挤压(CyclicExtrusion Compression,CEC)、多向锻造(Multi-Directional Forging,MDF)、挤压剪切(Extrusion Shear,ES)等，但普遍存在成形道次多、模具设备较为复杂、样品尺寸小等缺点，且多为单一的剪切变形或者压缩变形，无法实现大压缩变形与剪切变形同时复合累积。

为了克服以上缺点，专利公开号CN103447341A提出等通道挤压模具，可以利用截面形状的变化实现剪切变形，但该方法仅适用于棒材加工，且挤压比较小，无法实现较大等效应变累积效应。专利公开号CN101966536A介绍一种扭转式往复挤压装置，通过型腔的紧缩区实现挤压变形，通过冲头的高速旋转实现工件的扭转变形，但是需要多道次成形实现较大的塑性变形，冲头高速旋转实现较为复杂，不可控因素较多。专利公开号CN102430609A提出一种等通道变截面挤压模具，可以利用截面形状及角度的扭转变化，实现剪切变形，但该方法无法积累较大的塑性应变且需要多道次成形，工序较为复杂。专利公开号CN205732338U介绍一种连续正向挤压和挤扭复合成型装置，该装置通过三级挤压通道实现挤压扭转变形，但是该装置仅用于长方形棒料，无法实现圆形棒料的加工。专利公开号CN104475475A介绍一种扭挤成形模具，该模具通过型腔设计可以单道次实现挤压和扭转变形，但其挤压变形与扭转变形分开进行，其扭转段只发生周向扭转，未存在挤压变形。专利公开号CN103551415A介绍一种金属变截面挤扭成形装置及方法，该方法可以实现在挤压变形的同时发生扭转变形，但其扭转变形仅为周向剪切变形。专利公开号CN103785702A介绍一种涡旋挤压式大塑性变形装置，采用一些带状凸起或者凹槽形成的变形带，通过变形带辅助实现扭转剪切变形，该方法实现挤压扭转复合变形，但其材料利用率较低。专利公开号CN201520075843介绍一种变截面螺旋式挤压模具，通过螺旋通道的设计，使得材料在挤压变形的同时产生周向剪切变形，无法实现径向剪切变形。以上的模具设计及加工方法，可以实现挤压变形与剪切变形同时累积，但其剪切方向多为单一类型剪切(多为周向剪切)，无法实现压缩变形与多方向剪切类型的配合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现多方向剪切的挤扭复合加工模具与方法，该方法和模具适用于金属型材和棒材加工，通过挤压扭转模具与变通道角挤压模具组合，可以引入多方向且较大的剪切应变，从而改善材料组织和性能，在该发明中，通过顶杆在坯料加工过程中加入背压力，可以使得材料处于三向压应力状态，提高材料的成形能力，而且通过总体挤压比设计可以实现材料的大塑性变形过程。

本发明的技术方案如下：