專利名稱：利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料加工工程領域，特別是一種利用劈尖原理實現管狀材料高壓剪切塑性變形的方法及其裝置，主要應用于各種金屬及合金材料、無機非金屬材料及高分子材料等，以實現這些材料在高靜水壓力條件下的塑性變形，從而控制和優(yōu)化其組織結構，提高其性能。
背景技術：
劇烈塑性變形(severe plastic deformation，簡稱SPD)方法是一系列具有大變形量的塑性加工技術的總稱。SPD方法細化晶粒效果明顯，可以將材料內部組織細化到亞微米級、納米級甚至非晶態(tài)[R. Z. Valiev. Nature materials. 2004 (3): 511-516. ； R. Ζ. Valiev, Α. K. Mukherjee. Scripta mater. 2001 (44) : 1747 - 1750·]。近年來，采用SPD方法制備塊體納米結構材料的技術受到了材料科學領域專家、學者們的普遍關注。 與此同時，大量的研究推動SPD技術在制備塊體超細晶、納米晶材料方面的不斷發(fā)展。俄羅斯Ufa航空技術大學的R.Z. Valiev領導的研究小組認為，采用SPD方法制備超細晶材料應滿足多項條件[R. Z. Valiev, R. K. Islamgaliev, I V. Alexandrov. Progress in Materials Science. 2000 (45): 103-189.]，主要包括大塑性變形量、相對低的變形溫度和變形材料內部高的靜水壓力。在這一原則指導下，人們提出并開發(fā)了各種SPD工藝和方法。目前最受關注的SPD方法主要是，累積軋制(accumulative roll-bonding，簡稱 ARB)技術，等徑角變形(equal-channel angular pressing，簡稱ECAP)技術，以及高壓扭轉(high-pressure torsion，簡稱HPT)技術等。其中ARB技術如圖1所示，可連續(xù)制備薄板類超細晶結構材料，且易于在傳統(tǒng)軋機上實現，設備簡單，實際應用意義重大。但是， 在ARB技術加工過程中，為了實現良好的軋制復合，往往不能使用潤滑劑，這對軋輥的服役壽命不利。同時，由于材料在軋制過程中受到變形條件限制所能達到的靜水壓力不夠高， 在加工過程中累積一定的變形量后會出現開裂問題[N. Tsuji, Y. Saito, S. H. Lee, et al. Advanced Engineering Materials. 2003 (5) :338-344. ]。ECAP 技術如圖 2 所示，采用該技術進行超細晶金屬加工處理具有巨大潛力。但是，對于一些難加工合金(如鎂合金等)，進行ECAP經常發(fā)生開裂，如果提高變形溫度，一方面會影響模具壽命，另一方面又會影響晶粒細化效果。再加上由于模具材料的限制，變形溫度不可能無限制地提高。而且 ECAP為實現大的累積塑性變形，需要多道次加工，操作復雜。背壓ECAP (back pressure equal-channel angular pressing,簡稱BP-ECAP)即在模具出口通道施加背壓的ECAP技術，如圖3所示，可以在一定程度上解決難變形金屬ECAP的開裂問題，從而改善材料的微觀組織和機械性能；所施加的背壓有限，靜水壓力一般維持在幾百兆帕[R. YE. Lapovok. Journal of materials science. 2005 (40) :341-346.]。施加的背壓太高則由于摩擦力和模具強度等因素而無法實現ECAP。HPT技術如圖4所示，是最符合前文中提到的SPD方法制備超細晶材料應滿足的多項條件。在現有的SPD技術之中，HPT技術晶粒細化能力最強。然而，HPT所能加工的試樣厚度方向尺寸很小[A. P. Zhilyaev, T. G. Langdon. Progress in Materials Science. 2008 (53) : 893-979.]，所加工的盤狀試樣，沿徑向存在較大的應變梯度，變形不均勻，晶粒細化程度也不均勻。T0th 等人[L. S. Toth, M. Arzaghi, J. J. Fundenberger, B. Beausir: Scr. Mater. Vol. 60 (2009), p. 175]提出了一種管狀材料高壓扭轉方法(high-pressure tube twisting, HPTT)，如圖5所示，在管狀工件內部安放彈性芯棒，外側套置剛性圓盤 (rigid disk)，試樣兩端用擋板固定。對芯棒加壓時，芯棒徑向膨脹對管狀工件內壁產生徑向壓力，同時剛性圓盤對管狀工件外壁產生一個相反方向的徑向壓力，從而在管狀工件中產生靜水壓力。此時轉動環(huán)套，管狀工件在表面摩擦力作用下實現剪切變形。這種方法思路很好，其最主要的問題是該方法對試樣的加載方式是徑向加載方式，也就是說，該方法直接對芯棒施加軸向壓力，芯棒在對試樣產生徑向壓力。在這種加載方式下，壓力并沒有直接加載在管狀材料的軸向，試樣所承受的靜水壓力來自芯棒受壓后的彈性變形，由于芯棒彈性變形不可能很大，很難產生高的靜水壓力，因而能提供的摩擦力有限，僅適用于強度較低的純金屬等。對于強度較高的材料，由于所能產生的摩擦力達不到材料的屈服強度，容易出現打滑等現象，無法實現所需要的變形。該方法另一方面問題是位于管狀工件兩端的檔板是懸臂梁式結構，對試樣軸向變形的約束不夠，試樣承受的靜水壓力較高時，材料很容易從縫隙中擠出，影響加工過程。本發(fā)明提出了一種利用劈尖原理實現管狀材料高壓剪切變形的技術，該技術所應用的劈尖(wedge)原理，又稱楔效應或者斜面增力原理。該原理可以用拉密定理(Lami's theorem)來進行解釋在同一平面內，當三個共點力的合力為零時，其中任一個力與其它兩個力夾角正弦的比值相等[R. K. Bansal (2005). Laxmi Publications, p. 4·]。劈尖或者斜楔的小角度斜面可以看做力放大裝置，如圖5所示，當對劈尖相對的一端施加力時，與構成劈尖的斜面相接觸的物體將會受到遠大于施加力的正壓力[Sybil P. Parker, ed., McGraw-Hill, Inc. , 1992，p. 2041.]。這種設計與T0th等人提出的一種管狀材料高壓扭轉方法相比，能在試樣中更加有效地產生高靜水壓力。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種新的劇烈塑性變形方法及其裝置利用劈尖原理實現管材高壓切變的技術。本發(fā)明實現高靜水壓力利用了劈尖原理的力放大效應，使得該技術很好地滿足了采用SPD方法制備超細晶材料應滿足的多項條件，如大塑性變形量、相對低的變形溫度和變形材料內部高的靜水壓力。該方法避免了 ARB、ECAP以及背壓ECAP等技術需要多道次操作的繁瑣工藝過程，同時，由于加載方式本質上的不同，該方法也克服了 T0th 等人HPTT法靜水壓力不足等問題，在加工材料時能提供類似HPT技術的高靜水壓力條件， 從而適用于對難變形金屬及合金的加工，達到控制和優(yōu)化材料的組織結構、提高其性能的效果。實現本發(fā)明目的的技術解決方案為一種利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法，首先選擇加工的工件，工件為帶有錐度的管狀，采用約束體分別約束工件的內壁和外壁；然后對約束體之一端部施加軸向壓力，利用劈尖原理(也稱楔效應或者斜面增力原理) 的增壓、增力特性，在垂直于工件內外壁的方向產生高壓，使得工件發(fā)生彈性變形或微小塑性變形，工件的變形受到與變形趨勢反向摩擦力的阻礙，從而，在工件內產生高靜水壓力； 隨后對與工件內、外壁接觸的一個約束體提供扭矩，使其繞工件的中心軸轉動，同時固定另一個約束體；或者同時對兩個約束體提供方向相反的扭矩，在約束體與工件內外壁摩擦力的作用下，工件內部沿徑向不同厚度處的材料以不同的角速度轉動，從而實現工件的剪切變形。一種利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，包括具有恒壓功能的壓力機、提供扭矩的減速器和具有傳遞壓力、約束形變以及實現部分旋轉功能的模具；所述模具包括 固定或者可轉動的剛性芯軸以及可轉動或者固定的剛性環(huán)套；工件同軸放置于剛性環(huán)套內，剛性環(huán)套內表面與工件的外壁接觸，工件的內部同軸設有剛性芯軸，剛性芯軸外表面與工件的內壁接觸，剛性芯軸和剛性環(huán)套分別沿中軸線安裝或放置在壓力機的上底板和下底板上，并且剛性環(huán)套及剛性芯軸的位移被限制，只能沿軸向移動或者繞中心軸轉動。本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點(1)加工工序簡單。本發(fā)明提出的利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法是一種在常規(guī)的具有恒壓功能的壓力設備上單一道次即可實現的劇烈塑性變形方法。反觀諸如累積軋制(ARB)方法、多向鍛造、等徑角擠壓(ECAP)方法以及背壓ECAP方法等，往往需要很多重復的工藝道次才能實現高應變量的塑性變形，人力消耗大。而本方法利用剛性環(huán)套、管狀工件以及芯軸、管狀工件之間摩擦力，使剛性環(huán)套與剛性芯軸發(fā)生相對轉動，實現管狀工件與剛性環(huán)套接觸的外層區(qū)域相對于與芯軸接觸的內層區(qū)域之間的剪切，從而實現單一工藝道次下的劇烈塑性變形。真應變?yōu)閺V10，甚至更高。如前文技術方案所述，本發(fā)明提出的劇烈塑性變形方法原理簡單，設備易得，在一般的壓力加工工廠以及塑性成形實驗室即可實現。(2)利用劈尖原理的斜面增力效果，很容易在管狀工件內部產生高靜水壓力，因此可加工材料種類廣，加工能力強。如前文背景技術所述，本發(fā)明提出的高壓剪切方法，并沒有直接對管狀材料軸向加壓，同時也沒有對工件端部進行約束，因而，不存在工件過長后可能出現的中部壓力不足、加壓失穩(wěn)等問題?？稍诓牧蟽炔枯^均勻地產生靜水壓力，可達 15GPa。這是目前包括HPTT在內其它工藝無法達到的。而且，隨著模具材料的發(fā)展，設計的改進，所能提供的靜水壓力會更高。在這種高靜水壓力條件下進行塑性變形，材料表面和內部裂紋的產生和發(fā)展被有效抑制，從而使得很多難加工材料(如塑性較差的鎂合金等)的可加工性提高。眾所周知，鎂合金等材料由于晶體結構為密排六方，滑移系數量有限，往往塑性差。對鎂合金等難變形材料進行ARB或者ECAP加工時，試樣經常有開裂現象。為避免開裂，往往需要提高加工溫度，勢必增加加工成本，更重要的是，隨著加工溫度的升高，材料的晶粒細化效果變差，晶粒變得粗大，這與我們提高材料性能的初衷相左。相比之下，本方法在室溫條件或者較低的加熱溫度下即可實現對鋁、銅、鎳、鎂、鈦、鎢及其合金以及低碳鋼等眾多材料的塑性加工，從而控制和改善其組織結構，提高其性能。(3)能夠獲得的管狀成品尺寸大。本發(fā)明提出的利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法選取的加工工件呈管狀，其尺寸僅受設備規(guī)模限制。即便是在實驗室，也可通過該方法制得IOOmm高的管狀材料，具有良好的性能，稍做后續(xù)處理即可在很多領域得到應用， 此外獲得的管狀材料沿軸向剖開，經過軋制即可獲得高性能板材。


圖1是累積復合軋制(ARB)技術原理示意圖。圖2是等徑角擠壓(ECAP)技術原理示意圖。圖3是背壓ECAP (BP-ECAP)技術原理示意圖。圖4是高壓扭轉(HPT)技術原理示意圖。圖5是高壓管扭轉(high-pressure tube twisting-HPTT)技術原理示意圖。圖6是劈尖原理(或稱楔效應、斜面力放大原理)示意圖，所謂的劈尖原理如圖2所示，輸入力為P，輸出力N+N’=P/sine，其中θ為半錐角，θ較小時，輸出力Ν+Ν’ P/θ。 這種利用斜面增力原理對管狀工件加壓的方式，加載相對均勻，模具或者工件不易在加壓的過程中失穩(wěn)。圖7 (a)至圖7 (d)是本發(fā)明利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法原理示意圖， 其中，1-剛性芯軸，2-剛性環(huán)套，3-帶有錐度的管狀工件；h為管狀工件高度；r” re分別為管狀工件下端面的內、外半徑；θ為半錐角；P為壓力機提供的主動力；T為動力裝置提供的主動扭矩。約束反力和約束反扭矩未標出；管狀試樣高壓切變通過對剛性環(huán)套及芯軸施加圖8所示的主動力及主動扭矩或者其組合方式實現(圖中兩種主動力方向相反，分別作用在剛性芯軸和環(huán)套上；兩種主動扭矩方向相反，分別作用在剛性環(huán)套和芯軸上)。圖8 (a)至圖(C)是本發(fā)明工件端部的幾種約束形式示意圖工件的內外壁始終被1-剛性芯軸和2-剛性環(huán)套約束，(a)端部無約束；(b)端部半約束；(c)端部全約束。圖9是利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法具體實施案例的裝置示意圖，其中，(a)為爆炸視圖90-上壓頭，93-剛性芯軸，95-管狀工件，96-剛性環(huán)套，97-環(huán)套外套齒輪，98-推力軸承，100-芯軸底座；此外，還有以下特征91-上壓頭下端方形截面四棱柱，92-剛性芯軸上端方形截面凹孔，94-剛性芯軸下端方形截面四棱柱，99-芯軸底座上端方形截面凹孔；(b)為裝配效果圖。圖10是尺寸為高30mm，半錐角10°，下端面半徑r^lOmm，re=14mm，的工業(yè)純鋁管狀工件經過25°剪切變形后的沿徑向顯微硬度分布圖從靠近內徑處到靠近外徑處，硬度由48 HV (0. 025kg)變?yōu)?3 HV (0. 02^g)，呈遞減分布趨勢，但均高于初始未經過高壓剪切變形的試樣31 HV(0. 025kg)左右的硬度。圖11為純鋁試樣橫截面光學顯微金相圖(a)初始擠壓態(tài)純鋁試樣靠近內徑處陽極復膜偏光金相，平均晶粒尺寸約40 μ m ； (b)經過高壓剪切變形后純鋁試樣靠近內徑處陽極復膜偏光金相，變形后的試樣晶界未顯示，沒有給出平均晶粒尺寸的估算值，但可以明顯看出晶粒被拉長、破碎、細化。
具體實施例方式本發(fā)明的材料加工目的在傳統(tǒng)的具有恒壓功能的擠壓機上即可實現剛性環(huán)套居中放置在下底板或者下壓頭墊板上。帶有錐度的管狀工件同軸放置于的剛性環(huán)套中，剛性芯軸與上底板或者上壓頭在居中位置相連，并從帶有錐度的管狀工件的中心穿過。剛性芯軸、工件以及剛性環(huán)套三者同軸配合。剛性芯軸、剛性環(huán)套與工件同軸裝配在壓力機的上、 下底板(或壓頭)之間后，不允許沿徑向發(fā)生位移(不允許產生水平位移)。然后，通過與上、 下底板(或壓頭)相連的剛性芯軸或剛性環(huán)套將壓力機提供的軸向壓力傳遞給工件內壁。工件內壁相對于軸向為小角度錐面，根據小角度斜面(或稱楔、錐面、劈尖)力放大原理，管狀工件在軸向壓力的作用下產生垂直于工件內壁或外壁的巨大壓力。剛性環(huán)套、芯軸對工件徑向變形起到約束作用。同時，工件受壓后有沿剛性環(huán)套與芯軸之間縫隙向外流動的趨勢。 此時，利用工件與剛性環(huán)套以及剛性芯軸接觸面上產生的摩擦力，或者在工件端部添加約束，阻礙物質流動。這種對管狀工件內、外壁施加高壓，并同時限制其形變和流動的設計使得在工件內部累加了高靜水壓力(lGPiTl5GPa)。高靜水壓力條件下，雖然管狀工件形狀改變被限制，但其有繞中心軸旋轉的自由度。如果使與工件內壁或者外壁接觸的約束體(分別為芯軸和剛性環(huán)套)中的一個繞工件的中心軸轉動而另外一個固定，由于工件的內、外壁與設備約束體之間巨大摩擦力存在，工件內、外壁附近的材料有隨約束體一起轉動或者固定不動的趨勢。高靜水壓力條件下，為了保持材料的連續(xù)性，管狀工件沿徑向不同厚度層的材料將以不同的角速度轉動，即發(fā)生相對轉動，材料在摩擦力的驅動下實現剪切變形。本發(fā)明能使管狀材料真正在高靜水壓力(可達 15GPa)條件下，發(fā)生剪切塑性變形 (真應可達 (Γ)。從而通過塑性變形，控制和優(yōu)化材料的組織結構、提高其性能。同時，本發(fā)明只需要在傳統(tǒng)的具有恒壓功能的擠壓設備上安裝一個由剛性芯軸以及剛性環(huán)套等關鍵要素構成的簡單組合模具，即可在較低的溫度(如室溫或者較低的加熱溫度)實現一種全新的劇烈塑性變形(SPD)加工方法——利用劈尖原理(也稱楔效應或者斜面增力原理)實現管材高壓切變的技術。該技術可行性高，操作無特殊要求，所需設備簡單易得。同時，由于本發(fā)明是依托傳統(tǒng)擠壓設備實現的新的塑性加工方法，因此擴展了傳統(tǒng)擠壓設備的功用。本發(fā)明適用于劇烈塑性變形制備塊體超細晶、納米晶材料的實驗研究和工業(yè)生產。利用本發(fā)明，可以制備高性能金屬、合金、無機非金屬材料及高分子材料。利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法，起制得的樣品形狀為錐管狀，具有很高的實際應用潛力和價值。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。結合圖7 (a)，本發(fā)明利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法，首先選擇加工的工件，其形狀為帶有錐度的管狀，采用約束體分別約束工件的內壁和外壁；然后通過內壁處的約束體對工件內壁施加軸向主動力(約束反力圖中未給出)，根據小角度斜面(或稱楔、錐面、劈尖)力放大原理，工件在軸向壓力的作用下產生垂直于工件內壁的巨大壓力；約束體對工件徑向變形起到約束作用；同時，利用工件與剛性環(huán)套以及剛性芯軸接觸面上產生的摩擦力，或者在工件端部添加約束，阻礙物質流動；這種對工件內壁施加高壓，并同時限制其形變和流動的設計使得在工件內部累加了高靜水壓力(lGPiTl5GPa)；隨后對與工件外壁接觸的約束體提供主動扭矩(約束反扭矩圖中未給出)，使其繞工件的中心軸轉動，同時使得與工件內壁接觸的約束體不發(fā)生轉動，在約束體與工件內外壁摩擦力的作用下，工件內部沿徑向不同厚度處的材料以不同的角速度轉動，從而實現工件的剪切變形。類似地，根據施加主動扭矩和軸向主動力的約束體不同，該方法原理的實現還包括圖7 (b)、(c)、(d)等方式。不僅如此，這些不同實現方式的組合方式，比如同時對兩個約束體都施加軸向主動力或者同時對兩個約束體施加相反方向的主動扭矩等，也將實現本原理。具體文字描述及示意圖從略。本發(fā)明利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，包括具有恒壓功能的壓力機和具有傳遞壓力、約束形變以及實現旋轉功能的模具；所述模具包括固定或者可轉動的剛性芯軸1以及可轉動或者固定的剛性環(huán)套2 ；剛性芯軸1和剛性環(huán)套2在壓力機的中軸線上分別與其上、下底板(或上、下壓頭)相聯，錐管狀的工件3同軸放置于剛性芯軸1和剛性環(huán)套2之間，剛性芯軸1的外壁和剛性環(huán)套2的內壁分別與工件3的內外壁接觸，接觸面的錐度相等；剛性環(huán)套2內表面與剛性芯軸1外表面經過特殊的毛化處理以控制與工件3之間的摩擦符合工藝要求。本發(fā)明管狀材料高壓剪切變形裝置，所述剛性芯軸1或者剛性環(huán)套2之中至少有一個可繞中心軸轉動，轉動的角度無限制。本發(fā)明管狀材料高壓剪切變形裝置，所述剛性環(huán)套2可采用單層模具設計、預應力纏繞模具設計或預應力多層模具設計。下面結合圖7 (a)說明依據本發(fā)明提出的劇烈塑性變形新方法具體實施細節(jié)及設備工作情況。如圖7 (a)所示，利用劈尖原理(也稱楔效應或者斜面增力原理)實現管材高壓切變的方法由一個包括1-剛性芯軸、2-剛性環(huán)套等幾部分構成的模具，結合具有保壓功能的壓力機，在3-錐管狀工件上實現。首先，2-剛性環(huán)套居中放置在下底板或者下壓頭墊板上。將3-帶有錐度的管狀工件同心放置于的剛性環(huán)套中，1-剛性芯軸與上底板或者上壓頭在居中位置相連，并從3-帶有錐度的管狀工件的中心穿過。1-剛性芯軸、3-工件以及2-剛性環(huán)套三者同軸配合。1-剛性芯軸外表面與3-工件的內壁接觸，2-剛性環(huán)套內表面與3-工件的外壁接觸。然后，壓力機對1-剛性芯軸進行下壓，并維持壓力恒定于某一數值。1-剛性芯軸向下位移的過程中，對3-工件內壁產生軸向壓力，根據小角度斜面(或稱楔面、錐面、劈尖) 力放大原理，3-工件在軸向壓力的作用下產生垂直于內壁的巨大壓力；1-剛性芯軸與2-剛性環(huán)套對3-工件徑向變形起到約束作用；同時，3-工件有沿1-剛性芯軸、2-剛性環(huán)套之間縫隙向外流動的趨勢；從而在3-工件與1-剛性芯軸以及2-剛性環(huán)套的接觸面，會產生與物質流動趨勢相反方向的摩擦力，阻礙物質流動；這種對3-工件內壁施加高壓，并同時限制其形變和流動的設計使得在3-工件內部產生高靜水壓力(可高達15GPa)。對2-剛性環(huán)套施加切向推力，在扭矩的作用下使之旋轉，與此同時，I"剛性芯軸不發(fā)生旋轉，在2-剛性環(huán)套與3-工件以及1-芯軸與3-工件之間摩擦力的作用下，3-工件將沿切向發(fā)生剪切變形。隨著旋轉角度的增大，剪切變形量累積增大，從而有效地控制和優(yōu)化材料的組織結構， 提高其性能。此外，對設備或者模具進行一定的改動，改變施壓及旋轉的模具部件，同樣也可以實現該原理。如圖7(d)所示利用2-剛性環(huán)套對3-工件的外壁施加軸向壓力，旋轉1-剛性芯軸而固定3-剛性環(huán)套可以使錐管狀材料產生類似的剪切塑性變形效果。同理如7(b)、 (c)情況下利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法原理文字說明從略。另一方面，根據管狀工件端部受約束情況，可以將其分成如圖8所示三種情況 (a)端部無約束；(b)端部半約束；(c)端部全約束。對于3-工件端部無約束的情況，如圖 8 (a)所示，3-工件端部物質的流動，將完全依靠與物質流動趨勢相反方向的摩擦力進行限制；對于3-工件端部半約束的情況，如圖8 (b)所示，1-芯軸上的環(huán)形凸肩以及2-剛性環(huán)套上的環(huán)形凸肩分別對3-工件的上下端給予約束，采用這種約束時，環(huán)形凸肩與2-剛性環(huán)套之間留有較大間隙，避免剛性接觸，同理，2-剛性環(huán)套上環(huán)形凸肩與1-剛性芯軸之間亦
8留有較大間隙，間隙處的物質流動同樣依靠摩擦力進行限制；對于3-工件端部全約束的情況，如圖8 (c)所示，在3-工件上下端分別添加4-、5_環(huán)形墊圈，4-、5_墊圈采用固態(tài)傳壓介質，墊圈內外壁受壓后的軸向膨脹將有效阻礙工件端部材料的物質流動。前文中對本發(fā)明原理詳細描述時所，為了簡潔起見，所用附圖7中的4種原理圖均采用端部無約束的簡單設計。下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖9所示為利用劈尖原理(也稱楔效應或者斜面增力原理)實現管材高壓切變的方法原理實現裝置。圖9(a)為裝置的爆炸視圖，詳細給出了裝置的組成細節(jié)。90-上壓頭，93-剛性芯軸，95-管狀工件，96-剛性環(huán)套，97-環(huán)套外套齒輪， 98-推力軸承，100-芯軸底座組成了整個裝置的原理實現部分。96-剛性環(huán)套居中放置在壓力機下底板上，與壓力機下底板之間靠98-推力軸承相連，98-推力軸承承受來自96-剛性環(huán)套的軸向壓力，并減小軸向壓力對96-剛性環(huán)套繞軸轉動的阻礙作用。帶有錐度的 95-管狀工件同心放置于的96-剛性環(huán)套中，91-上壓頭下端方形截面四棱柱與92-剛性芯軸上端方形截面的凹陷實現間隙配合，使得90-上壓頭與93-剛性芯軸在壓力機軸線位置相接觸，并從帶有錐度的95-管狀工件的中心穿過，90-上壓頭與壓力機上底板靠螺栓連接。93-剛性芯軸、95-工件以及96-剛性環(huán)套三者同軸配合。93-剛性芯軸、96-剛性環(huán)套與95-工件同軸裝配在壓力機的上、下底板之間后，不允許沿徑向發(fā)生位移(不允許產生水平位移)。然后，93-剛性芯軸通過與壓力機上底板連接的90-上壓頭將壓力機提供的軸向壓力傳遞給95-工件內壁。95-工件內壁相對于軸向為小角度錐面，根據小角度斜面(或稱楔面、錐面、劈尖)力放大原理，95-管狀工件在垂直于95-工件內壁或外壁處將產生遠大于壓力機提供的軸向載荷的正壓力。96-剛性環(huán)套、93-芯軸對95-工件徑向變形起到約束作用。同時，95-工件端部無約束，材料有沿96-剛性環(huán)套與93-芯軸之間縫隙向外流動的趨勢，這種趨勢被相反方向的摩擦力阻礙。這種設計使得在95-工件內部累加了高靜水壓力 (lGPa^l5GPa)。同時，采用伺服電機帶動減速器齒輪組(動力裝置采用常規(guī)的合適功率和轉速的電機和齒輪組或者蝸輪蝸桿，其示意圖從略)驅動97-環(huán)套外套齒輪，在扭矩的作用下使之旋轉，轉動速度廣5rpm。由于摩擦力，95-工件外壁處的材料將有跟97-剛性環(huán)套一起轉動的趨勢。而92-剛性芯軸上端方形截面的凹孔被91-上壓頭下端方形截面四棱柱約束，
94-剛性芯軸下端方形截面四棱柱被99-芯軸底座上端方形截面凹孔約束，95-工件內壁處的材料將有跟93-剛性芯軸一起固定不動的趨勢；高靜水壓力條件下，材料將保持連續(xù)性，
95-管狀工件沿徑向不同厚度層的材料將以不同的角速度轉動，即發(fā)生相對轉動，材料在摩擦力的驅動下實現剪切變形。該實施方案中，93-剛性芯軸采用上下兩端同時約束旋轉自由度的設計，約束方式采用兩組方形截面四棱柱和方形截面凹孔(91-、92_和94-、99_)的間隙配合實現。兩組方形截面四棱柱和方形截面凹孔(91-、92_和94-、99_)之間分別采用F7/h6基軸制間隙配合和H7/g6基孔制間隙配合。一方面使得93-芯軸易于固定，另一方面，使93-芯軸兩端同時受力，因扭矩過大而斷裂失效。此外90-上壓頭并不直接接觸95-管狀工件，壓力是93-剛性芯軸直接傳遞給工件內壁。這樣設計是因為與工件端面直接接觸的部位受力情況非常惡劣，需增設由硬質合金制成的環(huán)形墊圈，提高成本；另一方面，對95-工件端部直接加壓時， 由于摩擦力的存在，壓力并不能均勻傳遞到95-工件的中部，造成中部壓力不足，往往限制了 95-工件的高度。采用本專利提出的利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法可有效克服以上不足。96-剛性環(huán)套采用預應力纏繞模具設計時，內層選擇硬度和韌性都較高的材質，如模具鋼；纏繞層采用韌性較高的材質，如彈簧鋼絲或者彈簧鋼帶；外層采用韌性較高的材質，如中碳鋼。96-剛性環(huán)套采用預應力多層環(huán)套設計時，內層選擇硬度和韌性都較高的材質，如模具鋼；其它層選擇韌性較高的材質，如中碳合金鋼或者模具鋼。92-剛性芯軸鑲嵌硬質合金，其余部位選擇材質為模具鋼。具體選材如下模具鋼為Cr5MolV鋼；彈簧鋼為65Mn鋼；中碳鋼為45號鋼；中碳合金鋼為45Mn鋼；硬質合金為YG6A。該實施方案中，裝配好的利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置的效果圖如圖 9(b)所示。通過該方案對工業(yè)純鋁、6063鋁合金以及AZ31鎂合金管狀工件進行了初步實驗研究。工件尺寸為高30mm，半錐角10°，下端面半徑巧=10_，re=14mm。工業(yè)純鋁管狀工件經過25°剪切變形后的沿徑向顯微硬度分布如圖10所示從靠近內徑處到靠近外徑處，硬度由48 HV (0.025kg)變?yōu)?3 HV (0. 025kg)，呈遞減分布趨勢， 但均高于初始未經過高壓剪切變形的試樣31 HV(0.02^g)左右的硬度。試樣橫截面光學顯微金相如圖11所示圖11 (a)初始擠壓態(tài)純鋁試樣靠近內徑處陽極復膜偏光觀察，平均晶粒尺寸約40 μ m ； (b)經過高壓剪切變形后純鋁試樣靠近內徑處明場相觀察，明場相下部分晶界未顯示，沒有給出平均晶粒尺寸的估算值，但可以明顯看出晶粒被拉長、破碎、細化； (c)經過高壓剪切變形后純鋁試樣從內徑到外徑完整截面顯微組織分布。此外，6063鋁合金以及AZ31鎂合金的實驗結果簡要總結如下
6063鋁合金未進行高壓切變前的平均晶粒尺寸為80 μ m，壓縮試驗屈服強度 156. SMPa ；在2. 靜水壓力以Irpm的轉動速度利用劈尖原理實現60°的高壓剪切變形， 平均應變達到3. 1，平均晶粒尺寸達到746nm，壓縮試驗屈服強度增至402. 6MPa。AZ31鎂合金塑性較差，我們對模具進行了 100°C的加熱。未進行高壓切變前的平均晶粒尺寸為27 μ m，壓縮試驗屈服強度276. 4MPa ；在靜水壓力下以Irpm的轉動速度經過90°的利用劈尖原理實現的管狀材料高壓剪切變形，平均應變達到4. 7，平均晶粒尺寸達到640nm，壓縮試驗屈服強度增至396. 5MPa。
權利要求
1.一種利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法，其特征在于首先選擇加工的工件， 其形狀為帶有錐度的管狀，采用約束體分別約束工件的內壁和外壁；然后對約束體施加軸向壓力，利用劈尖的增力原理將這一軸向壓力增大，并轉變成與工件接觸面垂直方向的正壓力，從而在工件內獲得高靜水壓力；然后對一個約束體提供扭矩，使其繞工件的中心軸轉動，并且固定另一個約束體；或者同時對兩個約束體提供方向相反的扭矩，使得它們繞工件的中心軸相對轉動；在約束體與工件內外壁切向摩擦力的作用下，工件內部沿徑向不同厚度處的材料以不同的角速度轉動，從而實現工件的剪切變形。
2.根據權利要求1所述的利用劈尖原理實現管材高壓切變的方法，其特征在于所述高靜水壓力為廣15GPa。
3.一種利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，其特征在于包括具有恒壓功能的壓力機和具有傳遞壓力、約束形變以及實現部分旋轉功能的模具；該模具包括可軸向移動或者可轉動的剛性芯軸(1)以及可轉動或者可軸向移動的剛性環(huán)套(2)；剛性芯軸(1)和剛性環(huán)套(2)分別設置在壓力機的上底板和下底板上，工件(3)同軸放置于剛性環(huán)套(2)內，剛性環(huán)套(2)內表面與工件(3)的外壁接觸，工件(3)的內部同軸設有剛性芯軸(1)，剛性芯軸 (1)外表面與工件(3)的內壁接觸。
4.根據權利要求3所述的利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，其特征在于剛性環(huán)套(2)內表面與剛性芯軸(1)外表面進行毛化處理。
5.根據權利要求3所述的利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，其特征在于所述剛性芯軸(1)和剛性環(huán)套(2)之中至少有一個可沿軸向移動，完成加壓動作。
6.根據權利要求3所述的利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，其特征在于剛性環(huán)套和剛性芯軸二者之一可轉動，或二者可同時沿相反方向轉動，轉動的角度無限制。
7.根據權利要求3所述的利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，其特征在于所述剛性環(huán)套(2)采用單層模具設計、預應力纏繞模具設計或預應力多層模具設計。
8.根據權利要求3所述的利用劈尖原理實現管材高壓切變的裝置，其特征在于所述工件(3)的端部約束可采用無約束、半約束或全約束設計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用劈尖原理實現管狀材料高壓剪切變形的方法及其裝置。選擇加工的工件，采用約束體分別約束工件的內壁和外壁；對約束體施加軸向壓力，利用劈尖的增力原理將這一軸向壓力增大，并轉變成與工件接觸面垂直方向的正壓力，從而在工件內獲得高靜水壓力；對一個約束體提供扭矩，使其繞工件的中心軸轉動，固定另一個約束體；或同時對兩個約束體提供方向相反的扭矩，使它們繞工件的中心軸相對轉動；在約束體與工件內外壁切向摩擦力的作用下，工件內部沿徑向不同厚度處的材料以不同的角速度轉動實現工件的剪切變形。本發(fā)明依托常規(guī)壓力設備實現的全新的塑性加工方法，擴展了常規(guī)壓力設備的功用，可行性高，操作無特殊要求，所需設備簡單。
文檔編號B21C23/00GK102500632SQ20111029193
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者安鈺坤, 李政, 王經濤, 王進 申請人:南京理工大學