本发明提供了一种集合挤压、扭转和墩粗于一体的组合式大塑性变形装置及其成形方法，该装置主要包括对开组合式成形凹模以及与凹模过盈配合的外层模套，成形凹模从上到下依次为棒料放置腔、扭转腔、挤压墩粗腔，三个腔之间可自由分离，并靠定位装置快速安装组合在一起形成凹模；此外，可采用具有不同旋转方向螺纹的扭转腔，改变相邻道次加工时材料的扭转方向；本发明将扭转、挤压和墩粗技术组合于一体，通过塑性变形过程中扭转、挤压和墩粗的共同作用，制备出组织均匀的细晶材料；本发明可以实现多道次扭挤墩粗变形，从而有效细化合金晶粒尺寸，并通过改变棒料不同道次间的扭转方向调整晶粒结构与取向，进而大幅改善合金的力学性能。
1.一种组合式扭挤墩复合大塑性变形装置，包括：冲头、对开组合式凹模、垫块和模套，其特征在于：对开组合式凹模从上到下依次为棒料放置腔、扭转腔、挤压墩粗腔，三个腔之间可自由分离，并靠楔形凸台定位装置和定位销快速安装组合在一起形成凹模；凹模整体上有可以对开分为轴对称的两部分，以方便加工后快速将坯料从凹模型腔中取出；对开的凹模依靠上下两个定位销精确定位，并在模套的紧扣作用下形成凹模型腔，凹模整体上呈倒圆锥体；将扭转、挤压和墩粗过程集合于一体，棒料经扭转、挤压和墩粗复合变形后又恢复到棒料变形加工前料初始尺寸棒料放置腔为等径通道，截面形状尺寸与挤压棒材的形状尺寸相同，其截面为圆形，直径为d1，其值为5～100mm；扭转腔为截面面积渐变形状为倒梯形的通道，通道内壁上均匀分布着呈一定螺旋角β的螺纹状凸起，挤压时引导棒料转动；挤压墩粗腔进一步包括挤压腔和墩粗腔，挤压腔为等径通道，截面形状为圆形，直径为(0.5～
0.8)d1，高度5～10mm；墩粗腔为等径通道，截面形状为圆形，直径为d2，d2＝d1-1，即d2小于d1 1mm，经挤压腔挤出的棒料在墩粗腔墩粗，棒料直径恢复到接近变形加工前初始尺寸，为下一道次变形加工做好准备。
2.如权利要求1所述的组合式扭挤墩复合大塑性变形装置，其特征在于：扭转腔螺旋角β在45°～60°之间，螺纹旋转方向可左旋或右旋；加工时一套加工装置同时配有不同旋转方向的扭转腔，根据不同道次扭转方向的需要选择相应的扭转腔以实现对不同道次扭转加工方向的变换。
3.一种采用权利要求1所述的组合式扭挤墩复合大塑性变形装置的成形方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，模具装配：将对开组合式凹模依靠楔形凸台和定位销定位组合在一起形成圆形凹模，并压入模套内，之后通过螺栓和压板紧固扣合凹模和模套；
步骤二，加工准备：对待挤棒材进行预处理：机械加工、均匀化退火，清洁凹模模腔内壁，并在棒材外表面和模腔内壁上涂抹石墨机油挤压润滑剂，根据需要分别对棒料和模具进行加热并达设定温度，模具加热温度为400℃～450℃；
步骤三，变形加工：开启挤压装置，挤压杆以1mm/s～5mm/s的挤压速度挤压棒材，使棒材依次通过扭转腔、挤压腔和墩粗腔完成塑性加工，当冲头的挤压工作端面与凹模扭转腔的上端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，完成一个道次的塑性变形；
步骤四，取出棒料：松开螺栓和压板，将组合式凹模从模套中取出并分开，最后取出挤压棒料，并去除扭转残余部分棒料，保留棒料的墩粗部分以便进行下道次塑性加工；
步骤五，多道次变形：根据需要对完成上一道次扭转、挤压和墩粗变形的棒料，重复步骤一、二、三和四，实现多道次扭挤墩大塑性变形，而且相邻道次变形加工时可交替使用具有不同螺纹方向的凹模扭转腔，从而改变棒料在相邻道次间的扭转方向，避免棒料呈单一方向扭转，变形加工后材料微观组织更加均匀。
4.根据权利要求3所述的组合式扭挤墩复合大塑性变形装置的成形方法，其特征是，对凹模进行加热，加热温度为400-450℃同时在整个挤压过程中维持温度稳定。
5.根据权利要求3所述的组合式扭挤墩复合大塑性变形装置的成形方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的组合式扭挤墩复合大塑性变形装置的成形方法，其特征在于：
所述铝合金均匀化退火温度为400℃～450℃；所述镁合金均匀化退火温度为380℃～420℃。
一种组合式扭挤墩复合大塑性变形装置及成形方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种大塑性变形技术领域的装置和方法，具体是一种用于制备超细晶材料的扭挤墩复合大塑性变形装置及其加工方法，使用原材料为铝合金和镁合金。
[0002] 背景及现有技术
[0003] 铝合金或镁合金等轻金属结构材料在汽车、航空航天、军工等领域应用的日益增加，对其性能要求也越来越高，制备具有高比强度和良好强塑性匹配的合金材料一直是材料科学领域研究的热点之一。通过细化晶粒和调整晶粒结构与取向是进一步提高合金性能且不损害其延性的有效强化方法，而大塑性变形方法(severe plastic deformation,简称SPD)在制备细晶或超细晶合金以及改善合金微观组织结构方面具有独特的优势。根据霍尔-佩奇经验公式可知，在一定晶粒尺寸范围内由于晶粒细化可促使材料强度大幅增加。但晶粒尺寸细化到一定程度(特别是达到亚微米甚至纳米级)后，就不再是细晶强化这个单一机制在作用了，而是几种强化机制耦合作用起主导。大塑性变形可定义为在金属材料成形过程中将超大塑性应变作用于一定体积的金属中以获得超细晶材料的过程，即通过特定的加工手段或路径使材料获得较大累积应变量实现高效强化的一类工艺方法。SPD技术被材料界公认为是制备块体纳米或超细晶材料最有前途方法之一，已广泛用于高性能的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料等制备过程中。
[0004] 目前，等通道转角挤压(equal channel angular pressing，ECAP)、往复挤压(cyclic extrusion compression，CEC)和高压扭转(high pressure and torsion，HPT)等为代表的SPD技术逐渐成为本领域的研究热点方向之一。ECAP工艺是前苏联学者Segal于1977年在专利(USSR Patent No.575892)中提出，该技术成形时坯料流经两个呈一定交角(包括内、外两侧)型腔通道时受到纯剪切变形作用，由于型腔横截面形状及面积不变，故反复多次挤压可获得较大累积应变量，达到品粒细化并改善力学性能的效果。经过近二十余年的不断发展，ECAP方法已成为应用最广泛的SPD技术之一。随着研究的不断深入，先后演变并发展出了旋转模ECAP、边挤模ECAP、多道次ECAP、连续ECAP、辊轧ECAP及管状P TCAP等多种方法，不仅丰富了ECAP加工手段并促进了效率的提高。但ECAP法在转角处内外两侧的变化量存在差异，对所得合金制品组织性能的整体均匀性存在一定影响。
[0005] 往复挤压技术最早由J.Richert和M.Richert提出，该技术成形时坯料经挤压孔往复从A腔流向B腔、从B腔流向A腔，经多道次循环后累计较大应变量。随后，研究者们对CEC工艺进行了改进。c型(C shape equal channel reciprocating extrusion，CECRE)、S型和U型等不同的ECAP模结构相继被采用。ZANGIABADI等提出与其类似的管通道挤压(tube channel pressing，TCP)。PARDIS等提出了相似的往复膨胀挤压法(cyclic expansion—extrusion，CEE)，丰富了现有模具结构形式的设计思路，提供了新的技术手段。ZAHARIA等将挤压和镦粗两个独立工序连续使用，进而提出了循环挤压一镦粗法(repetitive extrusion and upsetting，REU)，进一步增强了制备效果并扩大了应用范围[0006] HPT变形即在室温或低于0.4T温度条件下对置于模槽中的原始试样施加数个GPa的压力，同时冲头转动通过主动摩擦在其横截面上产生扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的SPD技术。此外，与其相似的高压扭管(high—pressure tube twisting，HPTT)技术已用于纯铜、纯铝和IF钢等材料的实验研究。利用HPT变形时模具要承受高压且制备材料的尺寸相对较小。此外，还发展出了反复叠轧技术(accumulative roll bonding,ARB)、多向压缩或锻造(MAC/F)、板材连续剪切变形法(C2S2)、多级连续ECAP变形法(MP-ECAP)、旋转模具ECAP技术(RD-ECAP)等，同时也出现了多种方法组合而成的变形过程，如ECAP与HPT的组合，ECAP与冷轧组合等。总而言之，上述方法在一定条件下可实现材料的大塑性变形，但存在各自的缺陷，如需要对材料进行反复的加工(即大变形加工)，对设备条件要求较高，如何简化加工过程，提高细化晶粒的效率，成为SPD新的研究方向。
[0007] 检索发现，中国专利(申请公布号CN 103785702A)的一种涡旋挤压式大塑性变形装置，通过在凹模设置扭转挤压腔，所述扭转挤压腔呈从上端口至下端口缩口的形状，扭转挤压腔内设有扭挤变形区。该发明组合了扭转和挤压技术于一体，从而使本发明无需额外的装置对模具进行转动来实现材料的扭转，仅通过结构设计即可实现相同效果，并且可以消除扭转时候材料与模具之间的滑动。但由于变形后棒材直径的缩小，无法利用该装置实现多道次的塑性变形加工。
[0008] M.Shahbaz等人在《Materials Science and Engineering A》(材料科学工程A，2011，530：469-472)上发表的“A novel single pass severe plastic deformation technique:Vortex extrusion”(一种理想的单道次大塑性变形：涡旋挤压)一文中，介绍了涡旋挤压的原理。但介绍的涡旋挤压的最大缺点是仅能进行单道次挤压，由于涡旋挤压后棒料直径尺寸减小，利用同一装置无法进行后续道次的变形加工，无法满足经过多道次挤压而获得较大的总应变量，在制备超细晶材料的有效性方面存在一定的缺陷。
发明内容
[0009] 本发明针对上述技术存在的不足，提供一种扭挤墩复合大塑性变形装置及其加工方法，通过该方法使得材料产生一个扭转、挤压和墩粗的复合变形，并可实现多道次加工，而且由于使用对开组合式凹模结构，多道次加工时可使用不同旋向螺纹的扭挤腔，改变道次间棒料的扭转方向，避免棒料始终同一方向扭转，从而制备组织均匀的超细晶材料，装置成本低。本发明是通过以下技术方案实现的。
[0010] 本发明涉及一种扭挤墩复合大塑性变形模具，包括：冲头、对开组合式凹模、垫块和模套。对开组合式凹模三腔之间依靠楔形凸台安装在一起，并在模套的紧扣作用下形成圆柱体，凹模整体上呈倒圆锥体。凹模内部型腔从上到下依次为扭转腔、挤压腔和墩粗腔。
[0011] 棒料放置腔为等径通道，截面形状尺寸与挤压棒材的形状尺寸相同，其截面为圆形，直径为d1，其值在5～100mm。
[0012] 扭转腔为截面面积渐变形状为倒梯形的通道，通道内壁上均匀分布着呈一定螺旋角β的螺纹状凸起，螺旋角β在45°～60°之间，螺纹旋转方向可左旋或右旋，挤压时引导棒料转动。
[0013] 挤压墩粗腔进一步包括挤压腔和墩粗腔。
[0014] 挤压腔为等径通道，截面形状为圆形，直径为(0.5～0.8)d1，高度5～10mm。
[0015] 墩粗腔为等径通道，截面形状为圆形，直径为d2，d2＝d1-1经挤压腔挤出的棒料在此区域墩粗，棒料直径恢复到接近原始尺寸，为下一道次变形加工做好准备。
[0016] 本发明涉及上述装置的扭挤墩复合大塑性变形成形方法，其具体步骤包括：
[0017] 步骤一，模具装配：将对开组合式凹模依靠楔形凸台和定位销组合安装在一起形成圆形凹模，并压入模套内，之后通过螺栓和压板紧固扣合凹模和模套；
[0018] 步骤二，准备：对待挤棒材进行预处理，如机加工、均匀化退火等，并清洁凹模模腔内壁，并在棒材外表面和模腔内壁上涂抹挤压润滑剂，根据需要分别对棒料和模具进行加热并达设定温度；
[0019] 步骤三，塑形成形：开启挤压装置，冲头以一定的挤压速度挤压棒材，当冲头的挤压工作端面与凹模扭转腔的上端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，完成一个道次的塑形变形；
[0020] 步骤四，取出棒料：松开压紧螺栓和压板，将凹模从模套中取出并分开，最后取出挤压棒料，并将棒料的墩粗部分与其余部分分离；
[0021] 步骤五，后续道次变形：对完成挤压、扭转和墩粗变形的棒料，重复步骤一、二、三和四，实现多道次扭挤墩大塑性变形，相邻道次之间更换扭转腔，改变不同道次之间棒料扭转方向。
[0022] 本发明具有以下技术效果：
[0023] 1.本发明设计一种将挤压变形、扭转变形和墩粗变形集于一体复合变形装置，解决了单纯扭挤(涡旋挤压)难以进行多道次变形加工这一缺陷。
[0024] 2.利用可自由更换具有不同方向螺纹的扭转腔，可控制棒料的扭转方向，通过模具结构的这一优化，可以通过单一模具获得细小均匀的组织结构的超细晶材料，微观组织结构更加均匀，材料拥有更高的力学性能，设备成本低。
[0025] 3.模具结构简单，易于拆装，安全系数较高。
附图说明
[0026] 图1为此模具主视结构示意图。
[0027] 图2为带右旋螺纹的扭转腔
[0028] 图3为带左旋螺纹的扭转腔
[0029] 图1中：1、挤压杆；2、紧固螺栓；3、对开组合式凹模(包括31、10和32)；4加热管放置区；5、模套；6、定位销钉1；7、定位销钉2；8、压板；9、挤压棒料；10、扭转腔；11、垫块。
具体实施方式
[0030] 下面以铝合金为例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0031] 如图1所示，本实施例涉及的装置包括：挤压杆1，紧固螺栓2，对开组合式凹模3，加热管放置区4，模套5，定位销6和7，压板8，垫块11。首先，对开组合式凹模(31、10和32)由楔形凸台和定位销定位合在一起并压入模套内，同时由螺栓和压板固定，凹模内壁涂抹石墨机油。然后，模套放入加热管进行加热，模具加入温度400℃～450℃，待挤棒料放入箱式电阻炉进行加热，加热温度为400℃～480℃并保温1小时。接下来进行变形加工，将棒料放入凹模棒料放置区(即料筒)，在挤压杆压力作用下以1mm/s～5mm/s的速度依次通过扭转腔、挤压腔，经过挤压的棒料在墩粗腔实现墩粗变形，从而实现一次扭挤墩复合大塑性变形。棒料在通过扭转腔时实现了物料的扭转，从而使本发明无需额外的装置对模具进行转动来实现材料的扭转。经扭转和挤压的棒料紧接着进行墩粗变形，在改变棒料微观组织结构的同时，使之恢复到原始直径尺寸，为下一道次的大塑性变形做好准备。
[0032] 完成一道次变形后，取出凹模并快速分离棒料放置腔、扭转腔、挤压墩粗腔，进而取出挤压后棒料，去除挤压余料(即残留在扭转腔的部分棒料)，保留墩粗部分。根据需要更换扭转腔，再快速组合安装在一起形成凹模，完成各项准备工作后重复前述步骤进行下一道次变形加工。
