利用劈尖原理实现管材高压切变的方法及其装置的利记博彩app

专利名称：利用劈尖原理实现管材高压切变的方法及其装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及材料加工工程领域，特别是一种利用劈尖原理实现管状材料高压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条件下的塑性变形，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. Mukherjee. 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技术如图4所示，是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小[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。T0th 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，在管状工件内部安放弹性芯棒，外侧套置刚性圆盘 (rigid disk)，试样两端用挡板固定。对芯棒加压时，芯棒径向膨胀对管状工件内壁产生径向压力，同时刚性圆盘对管状工件外壁产生一个相反方向的径向压力，从而在管状工件中产生静水压力。此时转动环套，管状工件在表面摩擦力作用下实现剪切变形。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，由于芯棒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工件两端的档板是悬臂梁式结构，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。本发明提出了一种利用劈尖原理实现管状材料高压剪切变形的技术，该技术所应用的劈尖(wedge)原理，又称楔效应或者斜面增力原理。该原理可以用拉密定理(Lami's theorem)来进行解释在同一平面内，当三个共点力的合力为零时，其中任一个力与其它两个力夹角正弦的比值相等[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装置，如图5所示，当对劈尖相对的一端施加力时，与构成劈尖的斜面相接触的物体将会受到远大于施加力的正压力[Sybil P. Parker, ed., McGraw-Hill, Inc. , 1992，p. 2041.]。这种设计与T0th等人提出的一种管状材料高压扭转方法相比，能在试样中更加有效地产生高静水压力。

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利用劈尖原理实现管材高压切变的技术。本发明实现高静水压力利用了劈尖原理的力放大效应，使得该技术很好地满足了采用SPD方法制备超细晶材料应满足的多项条件，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利用劈尖原理实现管材高压切变的方法，首先选择加工的工件，工件为带有锥度的管状，采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；然后对约束体之一端部施加轴向压力，利用劈尖原理(也称楔效应或者斜面增力原理) 的增压、增力特性，在垂直于工件内外壁的方向产生高压，使得工件发生弹性变形或微小塑性变形，工件的变形受到与变形趋势反向摩擦力的阻碍，从而，在工件内产生高静水压力； 随后对与工件内、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；或者同时对两个约束体提供方向相反的扭矩，在约束体与工件内外壁摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动，从而实现工件的剪切变形。一种利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，包括具有恒压功能的压力机、提供扭矩的减速器和具有传递压力、约束形变以及实现部分旋转功能的模具；所述模具包括 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；工件同轴放置于刚性环套内，刚性环套内表面与工件的外壁接触，工件的内部同轴设有刚性芯轴，刚性芯轴外表面与工件的内壁接触，刚性芯轴和刚性环套分别沿中轴线安装或放置在压力机的上底板和下底板上，并且刚性环套及刚性芯轴的位移被限制，只能沿轴向移动或者绕中心轴转动。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)加工工序简单。本发明提出的利用劈尖原理实现管材高压切变的方法是一种在常规的具有恒压功能的压力设备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方法等，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，使刚性环套与刚性芯轴发生相对转动，实现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之间的剪切，从而实现单一工艺道次下的剧烈塑性变形。真应变为广10，甚至更高。如前文技术方案所述，本发明提出的剧烈塑性变形方法原理简单，设备易得，在一般的压力加工工厂以及塑性成形实验室即可实现。(2)利用劈尖原理的斜面增力效果，很容易在管状工件内部产生高静水压力，因此可加工材料种类广，加工能力强。如前文背景技术所述，本发明提出的高压剪切方法，并没有直接对管状材料轴向加压，同时也没有对工件端部进行约束，因而，不存在工件过长后可能出现的中部压力不足、加压失稳等问题。可在材料内部较均勻地产生静水压力，可达 15GPa。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下进行塑性变形，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。本发明提出的利用劈尖原理实现管材高压切变的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是劈尖原理(或称楔效应、斜面力放大原理)示意图，所谓的劈尖原理如图2所示，输入力为P，输出力N+N’=P/sine，其中θ为半锥角，θ较小时，输出力Ν+Ν’ P/θ。 这种利用斜面增力原理对管状工件加压的方式，加载相对均勻，模具或者工件不易在加压的过程中失稳。图7 (a)至图7 (d)是本发明利用劈尖原理实现管材高压切变的方法原理示意图， 其中，1-刚性芯轴，2-刚性环套，3-带有锥度的管状工件；h为管状工件高度；r” re分别为管状工件下端面的内、外半径；θ为半锥角；P为压力机提供的主动力；T为动力装置提供的主动扭矩。约束反力和约束反扭矩未标出；管状试样高压切变通过对刚性环套及芯轴施加图8所示的主动力及主动扭矩或者其组合方式实现(图中两种主动力方向相反，分别作用在刚性芯轴和环套上；两种主动扭矩方向相反，分别作用在刚性环套和芯轴上)。图8 (a)至图(C)是本发明工件端部的几种约束形式示意图工件的内外壁始终被1-刚性芯轴和2-刚性环套约束，(a)端部无约束；(b)端部半约束；(c)端部全约束。图9是利用劈尖原理实现管材高压切变的方法具体实施案例的装置示意图，其中，(a)为爆炸视图90-上压头，93-刚性芯轴，95-管状工件，96-刚性环套，97-环套外套齿轮，98-推力轴承，100-芯轴底座；此外，还有以下特征91-上压头下端方形截面四棱柱，92-刚性芯轴上端方形截面凹孔，94-刚性芯轴下端方形截面四棱柱，99-芯轴底座上端方形截面凹孔；(b)为装配效果图。图10是尺寸为高30mm，半锥角10°，下端面半径r^lOmm，re=14mm，的工业纯铝管状工件经过25°剪切变形后的沿径向显微硬度分布图从靠近内径处到靠近外径处，硬度由48 HV (0. 025kg)变为33 HV (0. 02^g)，呈递减分布趋势，但均高于初始未经过高压剪切变形的试样31 HV(0. 025kg)左右的硬度。图11为纯铝试样横截面光学显微金相图(a)初始挤压态纯铝试样靠近内径处阳极复膜偏光金相，平均晶粒尺寸约40 μ m ； (b)经过高压剪切变形后纯铝试样靠近内径处阳极复膜偏光金相，变形后的试样晶界未显示，没有给出平均晶粒尺寸的估算值，但可以明显看出晶粒被拉长、破碎、细化。
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刚性环套居中放置在下底板或者下压头垫板上。带有锥度的管状工件同轴放置于的刚性环套中，刚性芯轴与上底板或者上压头在居中位置相连，并从带有锥度的管状工件的中心穿过。刚性芯轴、工件以及刚性环套三者同轴配合。刚性芯轴、刚性环套与工件同轴装配在压力机的上、 下底板(或压头)之间后，不允许沿径向发生位移(不允许产生水平位移)。然后，通过与上、 下底板(或压头)相连的刚性芯轴或刚性环套将压力机提供的轴向压力传递给工件内壁。工件内壁相对于轴向为小角度锥面，根据小角度斜面(或称楔、锥面、劈尖)力放大原理，管状工件在轴向压力的作用下产生垂直于工件内壁或外壁的巨大压力。刚性环套、芯轴对工件径向变形起到约束作用。同时，工件受压后有沿刚性环套与芯轴之间缝隙向外流动的趋势。 此时，利用工件与刚性环套以及刚性芯轴接触面上产生的摩擦力，或者在工件端部添加约束，阻碍物质流动。这种对管状工件内、外壁施加高压，并同时限制其形变和流动的设计使得在工件内部累加了高静水压力(lGPiTl5GPa)。高静水压力条件下，虽然管状工件形状改变被限制，但其有绕中心轴旋转的自由度。如果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)中的一个绕工件的中心轴转动而另外一个固定，由于工件的内、外壁与设备约束体之间巨大摩擦力存在，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剪切变形。本发明能使管状材料真正在高静水压力(可达 15GPa)条件下，发生剪切塑性变形 (真应可达 (Γ)。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刚性芯轴以及刚性环套等关键要素构成的简单组合模具，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——利用劈尖原理(也称楔效应或者斜面增力原理)实现管材高压切变的技术。该技术可行性高，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。利用劈尖原理实现管材高压切变的方法，起制得的样品形状为锥管状，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7 (a)，本发明利用劈尖原理实现管材高压切变的方法，首先选择加工的工件，其形状为带有锥度的管状，采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；然后通过内壁处的约束体对工件内壁施加轴向主动力(约束反力图中未给出)，根据小角度斜面(或称楔、锥面、劈尖)力放大原理，工件在轴向压力的作用下产生垂直于工件内壁的巨大压力；约束体对工件径向变形起到约束作用；同时，利用工件与刚性环套以及刚性芯轴接触面上产生的摩擦力，或者在工件端部添加约束，阻碍物质流动；这种对工件内壁施加高压，并同时限制其形变和流动的设计使得在工件内部累加了高静水压力(lGPiTl5GPa)；随后对与工件外壁接触的约束体提供主动扭矩(约束反扭矩图中未给出)，使其绕工件的中心轴转动，同时使得与工件内壁接触的约束体不发生转动，在约束体与工件内外壁摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动，从而实现工件的剪切变形。类似地，根据施加主动扭矩和轴向主动力的约束体不同，该方法原理的实现还包括图7 (b)、(c)、(d)等方式。不仅如此，这些不同实现方式的组合方式，比如同时对两个约束体都施加轴向主动力或者同时对两个约束体施加相反方向的主动扭矩等，也将实现本原理。具体文字描述及示意图从略。本发明利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，包括具有恒压功能的压力机和具有传递压力、约束形变以及实现旋转功能的模具；所述模具包括固定或者可转动的刚性芯轴1以及可转动或者固定的刚性环套2 ；刚性芯轴1和刚性环套2在压力机的中轴线上分别与其上、下底板(或上、下压头)相联，锥管状的工件3同轴放置于刚性芯轴1和刚性环套2之间，刚性芯轴1的外壁和刚性环套2的内壁分别与工件3的内外壁接触，接触面的锥度相等；刚性环套2内表面与刚性芯轴1外表面经过特殊的毛化处理以控制与工件3之间的摩擦符合工艺要求。本发明管状材料高压剪切变形装置，所述刚性芯轴1或者刚性环套2之中至少有一个可绕中心轴转动，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2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。下面结合图7 (a)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7 (a)所示，利用劈尖原理(也称楔效应或者斜面增力原理)实现管材高压切变的方法由一个包括1-刚性芯轴、2-刚性环套等几部分构成的模具，结合具有保压功能的压力机，在3-锥管状工件上实现。首先，2-刚性环套居中放置在下底板或者下压头垫板上。将3-带有锥度的管状工件同心放置于的刚性环套中，1-刚性芯轴与上底板或者上压头在居中位置相连，并从3-带有锥度的管状工件的中心穿过。1-刚性芯轴、3-工件以及2-刚性环套三者同轴配合。1-刚性芯轴外表面与3-工件的内壁接触，2-刚性环套内表面与3-工件的外壁接触。然后，压力机对1-刚性芯轴进行下压，并维持压力恒定于某一数值。1-刚性芯轴向下位移的过程中，对3-工件内壁产生轴向压力，根据小角度斜面(或称楔面、锥面、劈尖) 力放大原理，3-工件在轴向压力的作用下产生垂直于内壁的巨大压力；1-刚性芯轴与2-刚性环套对3-工件径向变形起到约束作用；同时，3-工件有沿1-刚性芯轴、2-刚性环套之间缝隙向外流动的趋势；从而在3-工件与1-刚性芯轴以及2-刚性环套的接触面，会产生与物质流动趋势相反方向的摩擦力，阻碍物质流动；这种对3-工件内壁施加高压，并同时限制其形变和流动的设计使得在3-工件内部产生高静水压力(可高达15GPa)。对2-刚性环套施加切向推力，在扭矩的作用下使之旋转，与此同时，I"刚性芯轴不发生旋转，在2-刚性环套与3-工件以及1-芯轴与3-工件之间摩擦力的作用下，3-工件将沿切向发生剪切变形。随着旋转角度的增大，剪切变形量累积增大，从而有效地控制和优化材料的组织结构， 提高其性能。此外，对设备或者模具进行一定的改动，改变施压及旋转的模具部件，同样也可以实现该原理。如图7(d)所示利用2-刚性环套对3-工件的外壁施加轴向压力，旋转1-刚性芯轴而固定3-刚性环套可以使锥管状材料产生类似的剪切塑性变形效果。同理如7(b)、 (c)情况下利用劈尖原理实现管材高压切变的方法原理文字说明从略。另一方面，根据管状工件端部受约束情况，可以将其分成如图8所示三种情况 (a)端部无约束；(b)端部半约束；(c)端部全约束。对于3-工件端部无约束的情况，如图 8 (a)所示，3-工件端部物质的流动，将完全依靠与物质流动趋势相反方向的摩擦力进行限制；对于3-工件端部半约束的情况，如图8 (b)所示，1-芯轴上的环形凸肩以及2-刚性环套上的环形凸肩分别对3-工件的上下端给予约束，采用这种约束时，环形凸肩与2-刚性环套之间留有较大间隙，避免刚性接触，同理，2-刚性环套上环形凸肩与1-刚性芯轴之间亦
8留有较大间隙，间隙处的物质流动同样依靠摩擦力进行限制；对于3-工件端部全约束的情况，如图8 (c)所示，在3-工件上下端分别添加4-、5_环形垫圈，4-、5_垫圈采用固态传压介质，垫圈内外壁受压后的轴向膨胀将有效阻碍工件端部材料的物质流动。前文中对本发明原理详细描述时所，为了简洁起见，所用附图7中的4种原理图均采用端部无约束的简单设计。下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图9所示为利用劈尖原理(也称楔效应或者斜面增力原理)实现管材高压切变的方法原理实现装置。图9(a)为装置的爆炸视图，详细给出了装置的组成细节。90-上压头，93-刚性芯轴，95-管状工件，96-刚性环套，97-环套外套齿轮， 98-推力轴承，100-芯轴底座组成了整个装置的原理实现部分。96-刚性环套居中放置在压力机下底板上，与压力机下底板之间靠98-推力轴承相连，98-推力轴承承受来自96-刚性环套的轴向压力，并减小轴向压力对96-刚性环套绕轴转动的阻碍作用。带有锥度的 95-管状工件同心放置于的96-刚性环套中，91-上压头下端方形截面四棱柱与92-刚性芯轴上端方形截面的凹陷实现间隙配合，使得90-上压头与93-刚性芯轴在压力机轴线位置相接触，并从带有锥度的95-管状工件的中心穿过，90-上压头与压力机上底板靠螺栓连接。93-刚性芯轴、95-工件以及96-刚性环套三者同轴配合。93-刚性芯轴、96-刚性环套与95-工件同轴装配在压力机的上、下底板之间后，不允许沿径向发生位移(不允许产生水平位移)。然后，93-刚性芯轴通过与压力机上底板连接的90-上压头将压力机提供的轴向压力传递给95-工件内壁。95-工件内壁相对于轴向为小角度锥面，根据小角度斜面(或称楔面、锥面、劈尖)力放大原理，95-管状工件在垂直于95-工件内壁或外壁处将产生远大于压力机提供的轴向载荷的正压力。96-刚性环套、93-芯轴对95-工件径向变形起到约束作用。同时，95-工件端部无约束，材料有沿96-刚性环套与93-芯轴之间缝隙向外流动的趋势，这种趋势被相反方向的摩擦力阻碍。这种设计使得在95-工件内部累加了高静水压力 (lGPa^l5GPa)。同时，采用伺服电机带动减速器齿轮组(动力装置采用常规的合适功率和转速的电机和齿轮组或者蜗轮蜗杆，其示意图从略)驱动97-环套外套齿轮，在扭矩的作用下使之旋转，转动速度广5rpm。由于摩擦力，95-工件外壁处的材料将有跟97-刚性环套一起转动的趋势。而92-刚性芯轴上端方形截面的凹孔被91-上压头下端方形截面四棱柱约束，
94-刚性芯轴下端方形截面四棱柱被99-芯轴底座上端方形截面凹孔约束，95-工件内壁处的材料将有跟93-刚性芯轴一起固定不动的趋势；高静水压力条件下，材料将保持连续性，
95-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剪切变形。该实施方案中，93-刚性芯轴采用上下两端同时约束旋转自由度的设计，约束方式采用两组方形截面四棱柱和方形截面凹孔(91-、92_和94-、99_)的间隙配合实现。两组方形截面四棱柱和方形截面凹孔(91-、92_和94-、99_)之间分别采用F7/h6基轴制间隙配合和H7/g6基孔制间隙配合。一方面使得93-芯轴易于固定，另一方面，使93-芯轴两端同时受力，因扭矩过大而断裂失效。此外90-上压头并不直接接触95-管状工件，压力是93-刚性芯轴直接传递给工件内壁。这样设计是因为与工件端面直接接触的部位受力情况非常恶劣，需增设由硬质合金制成的环形垫圈，提高成本；另一方面，对95-工件端部直接加压时， 由于摩擦力的存在，压力并不能均勻传递到95-工件的中部，造成中部压力不足，往往限制了 95-工件的高度。采用本专利提出的利用劈尖原理实现管材高压切变的方法可有效克服以上不足。96-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。96-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。92-刚性芯轴镶嵌硬质合金，其余部位选择材质为模具钢。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，装配好的利用劈尖原理实现管材高压切变的装置的效果图如图 9(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。工件尺寸为高30mm，半锥角10°，下端面半径巧=10_，re=14mm。工业纯铝管状工件经过25°剪切变形后的沿径向显微硬度分布如图10所示从靠近内径处到靠近外径处，硬度由48 HV (0.025kg)变为33 HV (0. 025kg)，呈递减分布趋势， 但均高于初始未经过高压剪切变形的试样31 HV(0.02^g)左右的硬度。试样横截面光学显微金相如图11所示图11 (a)初始挤压态纯铝试样靠近内径处阳极复膜偏光观察，平均晶粒尺寸约40 μ m ； (b)经过高压剪切变形后纯铝试样靠近内径处明场相观察，明场相下部分晶界未显示，没有给出平均晶粒尺寸的估算值，但可以明显看出晶粒被拉长、破碎、细化； (c)经过高压剪切变形后纯铝试样从内径到外径完整截面显微组织分布。此外，6063铝合金以及AZ31镁合金的实验结果简要总结如下
6063铝合金未进行高压切变前的平均晶粒尺寸为80 μ m，压缩试验屈服强度 156. SMPa ；在2. 静水压力以Irpm的转动速度利用劈尖原理实现60°的高压剪切变形， 平均应变达到3. 1，平均晶粒尺寸达到746nm，压缩试验屈服强度增至402. 6MPa。AZ31镁合金塑性较差，我们对模具进行了 100°C的加热。未进行高压切变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°的利用劈尖原理实现的管状材料高压剪切变形，平均应变达到4. 7，平均晶粒尺寸达到640nm，压缩试验屈服强度增至396. 5MPa。
权利要求
1.一种利用劈尖原理实现管材高压切变的方法，其特征在于首先选择加工的工件， 其形状为带有锥度的管状，采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；然后对约束体施加轴向压力，利用劈尖的增力原理将这一轴向压力增大，并转变成与工件接触面垂直方向的正压力，从而在工件内获得高静水压力；然后对一个约束体提供扭矩，使其绕工件的中心轴转动，并且固定另一个约束体；或者同时对两个约束体提供方向相反的扭矩，使得它们绕工件的中心轴相对转动；在约束体与工件内外壁切向摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动，从而实现工件的剪切变形。
2.根据权利要求1所述的利用劈尖原理实现管材高压切变的方法，其特征在于所述高静水压力为广15GPa。
3.一种利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，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；该模具包括可轴向移动或者可转动的刚性芯轴(1)以及可转动或者可轴向移动的刚性环套(2)；刚性芯轴(1)和刚性环套(2)分别设置在压力机的上底板和下底板上，工件(3)同轴放置于刚性环套(2)内，刚性环套(2)内表面与工件(3)的外壁接触，工件(3)的内部同轴设有刚性芯轴(1)，刚性芯轴 (1)外表面与工件(3)的内壁接触。
4.根据权利要求3所述的利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，其特征在于刚性环套(2)内表面与刚性芯轴(1)外表面进行毛化处理。
5.根据权利要求3所述的利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，其特征在于所述刚性芯轴(1)和刚性环套(2)之中至少有一个可沿轴向移动，完成加压动作。
6.根据权利要求3所述的利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，其特征在于刚性环套和刚性芯轴二者之一可转动，或二者可同时沿相反方向转动，转动的角度无限制。
7.根据权利要求3所述的利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，其特征在于所述刚性环套(2)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3所述的利用劈尖原理实现管材高压切变的装置，其特征在于所述工件(3)的端部约束可采用无约束、半约束或全约束设计。
全文摘要
本发明公开了一种利用劈尖原理实现管状材料高压剪切变形的方法及其装置。选择加工的工件，采用约束体分别约束工件的内壁和外壁；对约束体施加轴向压力，利用劈尖的增力原理将这一轴向压力增大，并转变成与工件接触面垂直方向的正压力，从而在工件内获得高静水压力；对一个约束体提供扭矩，使其绕工件的中心轴转动，固定另一个约束体；或同时对两个约束体提供方向相反的扭矩，使它们绕工件的中心轴相对转动；在约束体与工件内外壁切向摩擦力的作用下，工件内部沿径向不同厚度处的材料以不同的角速度转动实现工件的剪切变形。本发明依托常规压力设备实现的全新的塑性加工方法，扩展了常规压力设备的功用，可行性高，操作无特殊要求，所需设备简单。
文档编号B21C23/00GK102500632SQ20111029193
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者安钰坤, 李政, 王经涛, 王进 申请人:南京理工大学