本發(fā)明涉及金屬材料塑性成形，特別是涉及一種多級扭轉成形裝置及工藝。

背景技術：

1、高壓扭轉技術（high?pressure?torsion，簡稱hpt）是一種具有大變形量的塑性加工技術，其細化晶粒效果明顯，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)。與其它納米晶金屬材料的制備技術相比，hpt技術可以獲得內部無污染，致密性高的塊體成品，這對于納米晶金屬材料性能的本征研究以及工業(yè)應用均有重要意義。hpt涉及相當高的靜水壓力，在變形過程中抑制裂紋的形成，因此適用的應變幾乎沒有限制。此外，與其他劇烈塑性變形工藝相比，hpt工藝也相當簡單，處理結果可靠且具有成本效益。但缺點是hpt所能加工的試樣厚度方向尺寸很小，所加工的盤狀試樣，厚度往往僅有1mm甚至更薄，很長一段時間，樣本被限制在直徑約10毫米的樣本尺寸上。當hpt盤的厚度與直徑的高徑比（t/d）過大時，可能會出現(xiàn)跨厚度的不均勻性。這是過度應變局部化的結果，選擇過大的試樣高徑比會導致過度應變局部化，當金屬或合金（如純鎂和各種鋁合金）表現(xiàn)出高度變形局部化傾向時，這種局部化會被放大。從技術角度看，在遵循基本設計準則的前提下，hpt試樣的直徑可以適度擴大，但軸向不均勻性問題嚴重限制了試樣在一維上的尺寸。

2、為了克服這一問題，有學者提出增量高壓扭轉技術，可以通過多級扭轉增量的疊加實現(xiàn)整體坯料的高壓扭轉處理，可以在三個維度上生產具有超細或納米晶微觀結構的大型樣品，目前已應用于長度為70毫米、直徑為50毫米的純銅樣品。但該技術工藝最主要的缺點是它需要太多的時間來處理材料，并且需要在每個移動步驟中拆卸模具，并且其模具對坯料的尺寸適用性較差，工業(yè)化成本較高，不便于大規(guī)模應用。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種多級扭轉成形裝置及其制備工藝，通過采用夾緊扭轉機構和夾緊固定機構實現(xiàn)柱體坯料單級分段式夾持和扭轉變形，通過級進實現(xiàn)不同單級分段夾持位置的切換，以通過逐段增量疊加扭轉變形實現(xiàn)柱體坯料的整體變形，以解決現(xiàn)有的增量高壓扭轉技術（ihpt）通過多級扭轉增量的疊加實現(xiàn)整體坯料的高壓扭轉處理中存在的裝備、工藝流程復雜，需多次拆裝模具，柱體坯料尺寸兼容性差的不足。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的一個技術方案是：

3、一種多級扭轉成形裝置，包括固定連接于扭轉設備的旋轉臺頂面中心的下模板、固定連接于扭轉設備的液壓機動力輸出端上并懸置于下模板正上方的上壓頭、固定設置于扭轉設備的工作臺頂面上并位于下模板外側的升降定位機構，待扭轉成形的柱體坯料固定夾持在下模板的頂面中心和上壓頭的底面之間，上壓頭向柱體坯料施加下壓力并保壓；

4、所述下模板的上方設置有與下模板同步轉動的夾緊扭轉機構，所述夾緊扭轉機構由若干個圍繞下模板的軸線周向均勻分布的夾緊扭轉板塊組成，所述夾緊扭轉機構的上方平行定距地設置有夾緊固定機構，所述夾緊固定機構由若干個圍繞下模板的軸線周向均勻分布的夾緊固定板塊組成；

5、所述夾緊扭轉機構和夾緊固定機構之間活動夾持有固定連接于升降定位機構的頂部輸出端上的升降環(huán)形板，升降定位機構驅動升降環(huán)形板步進式垂直級進，升降環(huán)形板的頂面固定連接有與夾緊固定板塊對應設置的第一徑向定位機構，第一徑向定位機構的動力輸出端與夾緊固定板塊的外側面固定連接，各個第一徑向定位機構驅動對應的夾緊固定板塊靠近/遠離柱體坯料而將柱體坯料的上部夾持/釋放；

6、所述下模板的外側面上垂向滑動連接有與夾緊扭轉板塊對應設置的升降安裝座，升降安裝座的頂面固定安裝有第二徑向定位機構，第二徑向定位機構的動力輸出端與夾緊扭轉板塊的外側面固定連接，各個第二徑向定位機構驅動對應的夾緊固定板塊靠近/遠離柱體坯料而將柱體坯料的下部夾持/釋放，升降環(huán)形板的邊緣底部固定連接有與升降安裝座對應設置的托板，所述升降安裝座的頂部底面活動搭接于托板的頂面上。

7、進一步的，所述下模板的頂面上固定連接有若干個垂向設置的導向柱，所述導向柱的頂部外側套接有同軸轉動套接于上壓頭外側的上模板。

8、進一步的，所述夾緊扭轉板塊的中部開設有沿下模板的徑向方向分布的第一導柱行程槽，所述夾緊固定板塊的中部開設有沿下模板的徑向方向分布的第二導柱行程槽以及與第二導柱行程槽連通的周向行程槽，所述導向柱活動貫穿于第一導柱行程槽和第二導柱行程槽內。

9、進一步的，多個所述夾緊扭轉板塊/夾緊固定板塊的內側面合圍形成的夾持面輪廓形狀與柱體坯料的橫截面輪廓形狀相匹配。

10、進一步的，所述下模板的外側面上開設有垂向設置的導向槽，所述升降安裝座的內側面上固定設置有與導向槽滑動配合的導向條。

11、進一步的，所述升降環(huán)形板步進式垂直級進的單次級進行程等于夾緊扭轉機構的底面與夾緊固定機構的頂面之間的垂向間距。

12、還提供了一種多級扭轉成形工藝，應用于如前所述的多級扭轉成形裝置，該壓扭成形工藝包括以下步驟：

13、s1、坯料擠壓處理：將初始坯料經過擠壓模具進行擠壓整形處理，得到預設截面形狀和長度的棒狀結構的柱體坯料；

14、s2、機構位置初始化：升降定位機構驅動升降環(huán)形板下降至最低位置，使夾緊扭轉機構的底面位于下模板的頂面上，各個第一徑向定位機構驅動對應的夾緊固定板塊水平移動至最外側位置，各個第二徑向定位機構驅動對應的夾緊固定板塊水平移動至最外側位置；

15、s3、坯料定位夾緊：將擠壓后的柱體坯料放置于上壓頭和下模板之間，各個第一徑向定位機構驅動對應的夾緊固定板塊靠近柱體坯料而將柱體坯料的上部夾持，各個第二徑向定位機構驅動對應的夾緊固定板塊靠近柱體坯料而將柱體坯料的下部夾持，上壓頭下行，將柱體坯料壓緊并保壓；

16、s4、單級扭轉變形：扭轉設備的旋轉臺以預設的扭轉量和扭轉速度驅動下模板和夾緊扭轉機構同步正向轉動，夾緊扭轉機構與夾緊固定機構相對轉動而將夾持于其間的部分坯料段發(fā)生扭轉剪切變形；

17、s5、夾緊機構級進運作：前道次扭轉成形完成后，夾緊固定機構和夾緊扭轉機構對柱體坯料進行卸載，升降定位機構驅動升降環(huán)形板向上移動一個預設的級進行程，扭轉設備的旋轉臺驅動下模板和夾緊扭轉機構反向轉動實現(xiàn)周向復位，隨后夾緊固定機構和夾緊扭轉機構對柱體坯料再次進行夾持；

18、s6、多級扭轉疊加：重復進行步驟s4和步驟s5的單級扭轉變形過程，各級扭轉變形區(qū)域依次疊加，直至柱體坯料整體完成扭轉變形過程。

19、s7、取出扭轉樣件：扭轉設備的旋轉臺停止轉動，夾緊固定機構和夾緊扭轉機構對扭轉成形件進行卸載，扭轉設備的液壓機動力輸出端驅動上壓頭上行并復位，將扭轉成形件從多級扭轉成形裝置中取出，以進行后續(xù)的工序處理并獲得最終的成形件。

20、進一步的，扭轉設備的液壓機動力輸出端通過上壓頭作用在柱體坯料上的軸向壓力為0.8-1.0gpa，對不同規(guī)格的柱體坯料應保證柱體坯料受靜水壓力的同時不發(fā)生軸向失穩(wěn)。

21、進一步的，單級扭轉變形過程中，旋轉臺驅動下模板扭轉的角度不超過20°，扭轉轉速不超過0.35rad/min。

22、進一步的，所述升降環(huán)形板向上移動的預設單次級進行程為5-10mm，該單次級進行程即為柱體坯料的軸向單級扭轉長度量。

23、與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明的有益效果如下：

24、本發(fā)明通過扭轉設備的液壓機動力輸出端連接上壓頭，配合固定連接于扭轉設備的旋轉臺上的下模板相配合，從而對柱體坯料施加軸向壓力，以保證柱體坯料整體承受足夠的軸向靜水壓力，使得材料成形性得到提升，也使得坯料扭轉時保持軸向穩(wěn)定，增加坯料切向累積剪切變形量，起到顯著的晶粒細化效果；

25、通過設置夾緊扭轉機構和夾緊固定機構，以實現(xiàn)柱狀坯料局部成形段兩端的夾持，通過旋轉盤驅動下模板和夾緊扭轉機構同步轉動，而使夾緊扭轉機構與夾緊固定機構之間發(fā)生相對轉動，使局部夾持的單級變形段完成單級扭轉剪切變形；通過設置由升降定位機構驅動的升降環(huán)形板實現(xiàn)夾緊機構的逐級定距級進，實現(xiàn)各個單級變形段的多級局部扭轉疊加，通過控制各個單級變形段的變形量，可以實現(xiàn)柱體坯料在軸線長度方向上的均勻扭轉變形或不同軸線長度和不同扭轉角度的分段式差異性扭轉變形；

26、本發(fā)明通過控制多級局部扭轉的疊加，以實現(xiàn)柱體坯料的整體扭轉變形，可以適應不同軸向長度的柱體坯料的夾持和成形要求，通過采用兩個徑向定位機構分別實現(xiàn)夾緊扭轉機構和夾緊固定機構對柱體坯料的夾持和釋放，便于適應不同外徑尺寸的柱體坯料的夾持要求，因而對各種截面形狀、不同軸線長度和不同外徑尺寸的柱體坯料都具有良好的通用性；

27、相較于傳統(tǒng)的分段緊密包圍式模具的分段傳動機構，本發(fā)明采用夾緊扭轉機構和夾緊固定機構，實現(xiàn)單級成形段的夾持和扭轉變形，通過夾緊機構的級進實現(xiàn)不同局部成形段的依次成形，便于實現(xiàn)自動化控制，簡化了夾具結構和成形工藝，從而簡化了扭轉裝置的整體結構，降低工業(yè)化生產成本。