一種可重複使用的熱致壓力模具的製作方法

2023-07-14 01:36:11 1

專利名稱：一種可重複使用的熱致壓力模具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱致壓力模具。
背景技術：
現有的高壓產生裝置主要有工程上使用的六面頂和兩面頂設備以及用於實驗室研究的金剛石壓砧，這些設備的基本原理均是通過外界作功，使型腔內部產生高壓，這一原理決定了這些設備不能兼顧型腔體積和型腔內壓力，即型腔體積較大時壓力較小，而壓力較大時型腔體積較小。為了解決這一問題，申請人於2006年提出了一種利用材料熱脹冷縮原理產生壓力的方法，已獲發明專利授權，專利號為ZL 200610166214，後又於2008年提出了組裝填充式熱致壓力裝置和圓柱銷固定式熱致壓力裝置，均已獲得實用新型專利授權，專利號分別為ZL 200820021410. 4和ZL 200820021408.7。這些專利設計方案均需在製作的最後階段對模具材料作鑽孔和車削等機加工，因此要求模具材料的硬度不能太高。然而在實際使用中熱致壓力模具內部的壓力與模具材料的強度和硬度密切相關，為了儘可能提高型腔內部的壓力，需要提高模具材料自身的強度和硬度，從結構設計上提出一種既能實現過盈封裝， 又能有效切割加工的方案。另一方面，由於熱致壓力裝置內部能夠產生GI^a級的壓力，如圖1所示，即使採用高硬度的模具材料，使用後模具仍然不可避免地會發生變形，如圖2至圖4所示，這會導致兩個後果1)樣品很難從熱致壓力模具中取出，為了不影響樣品的受力狀態，往往需要採用機械剖開模具取出樣品；幻採用上述三個專利的設計方案，使用後模具的變形都是不均勻的，即使不解剖模具，不均勻變形後的模具也不能重複使用。此外，為了獲得更高的熱致壓力並且更有效地增大模具內部型腔的體積，有必要採用高強度的模具材料，儘可能地擴大空腔以增大處理樣品的體積，從結構及加工方法上改進熱致壓力模具的設計，通過有效地控制模具的變形，提高模具的重複使用率。

發明內容
為了克服現有的不足，本發明提出一種能夠產生更大熱致壓力的模具設計方案， 型腔具有更大的體積，通過控制模具的變形，使其只在指定的方向發生均勻變形，從而確保模具的重複使用性。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括外模具與內模具，外模具形狀為一帶中心孔的柱狀體，不限制外模具的外形形狀，可以為圓柱體或長方體；中心孔是一柱狀通孔，孔的形狀為正方形或長方形，為了防止應力集中過早引起模具開裂，孔的四個稜角處需切割成倒角。內模具的外形與外模具的中心孔形狀完全相同，內模具外壁與外模具內壁需過盈配合；在內模具側面垂直於外模具中心孔的方向加工一個中心柱狀通孔，孔的形狀為正方形或長方形，同樣為了防止應力集中過早引起模具開裂，孔的四個稜角處需切割成倒角，當內模具中心通孔是長方形時，長方形的長邊與短邊方向沒有特別限定。
模具使用時，先將樣品置於內模具中心孔內，可通過外加壓力使樣品橫向鐓粗，以保證樣品與內模具中心柱狀通孔的內表面呈過盈接觸。樣品裝入內模具中心柱狀通孔後， 樣品徑向的膨脹將受到內模具的限制，此時樣品軸向仍可自由伸縮，然後將內模具裝入外模具中心孔內，此時樣品的軸向膨脹將受到外模具內壁的限制，通過上述裝配方式，位於整個裝置心部的樣品在受熱情況下所有方向均受到模具的限制，而不能自由膨脹。模具尺寸的制定主要取決於對型腔內部壓力的要求，倒角尺寸取決於對防止應力集中的要求。為了防止由於模具變形而減弱對樣品的限制作用，制定尺寸時可以依據所期望的熱致壓力大小，採用直接對模具內壁加載的方式進行有限元模擬，依據模具的變形情況適當調整壁厚。從提高型腔內部壓力的角度，模具的變形越小越好。為使模具的變形可控且均勻，應確保以下兩點1)外模具厚度應大於內模具的厚度，使變形集中在內模具；2)與內模具通孔垂直的方向上，存在兩組內模具的壁厚，其中一組的外表面與外模具內壁接觸，這組內模具的壁厚必須相等，而另一組的外表面在裝配後是不受任何約束的，要求前者的壁厚必須小於後者的壁厚，使前者成為整個裝置最易變形的弱區，換言之， 當裝置內部產生熱致壓力後，將優先拉長與外模具內壁接觸的這一組內模具側面而發生均勻變形。外模具與內模具的材料要求導電，選用模具材料的標準是其高溫硬度比樣品高， 熱膨脹係數比樣品低，彈性模量比樣品高。強化模具材料的熱處理工藝應根據所選模具材料的情況而制定。模具和樣品的加工要求1)為了確保樣品能夠過盈封閉在模具內部，樣品與內模具、內模具與外模具之間需要過盈配合；2)為了確保樣品能夠過盈封閉在模具內部，在加工樣品與內模具接觸的四個側面、內模具中心孔的內表面、樣品和內模具組合體與外模具接觸的四個側面、以及外模具中心孔的內表面時，都必須通過編程一次性線切割或磨削加工完成四個面的加工，以保證這些面之間的平行與垂直關係。本發明的有益效果是由於熱致壓力模具型腔內部存在很大的壓力，因此模具不可避免地會產生變形， 這種變形包括彈性變形和塑性變形，本發明提出了一種控制模具變形的新思路，首先是通過提高模具材料的硬度，使其難於發生變形，其次在尺寸設計方面，通過增加外模具的壁厚使其難於變形，然後在內模具的壁厚上有意使一組壁厚成為整個裝置最易變形的區域，使變形集中發生在內模具，且是均勻變形，而在內模具的中心孔內部，即使局部的變形是不均勻的，在再次使用時也可通過填裝樣品時的鐓粗來保證樣品與內模具的過盈配合，從而使內模具可以重複使用。新的模具結構設計簡單，型腔體積較以前提出的三種熱致壓力裝置大，由於主要採用線切割或磨削加工，可以使用熱處理強化後的材料製作內外模具，充分發揮高硬度模具材料對樣品熱膨脹的限制作用，提高熱致壓力模具型腔內部的壓力，當採用線切割方式加工模具內孔時，不受磨削內孔在長度方向上尺寸的限制，更適合處理較長的樣品，在保證裝配精度的前提下，能夠有效地增大型腔體積。並且方案的結構設計避免了模具在局部產生明顯的應力集中，所用材料價格低廉，且整套模具的主要接觸面均為平面，樣品容易取出，更容易實現裝配和拆解，新模具適用於實驗室研究高壓對材料微觀組織與宏觀性能的影響。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。


圖1是外加載荷與純鋁體積壓縮率關係的分子動力學計算曲線；圖2是熱脹冷縮產生壓力的裝置在500MI^壓力作用下的變形情況，左圖是裝置示意圖，右圖是有限元模擬的外模具變形結果；圖3是圓柱銷固定式熱致壓力裝置中圓柱銷在500MI^壓力作用下的變形情況，左圖是圓柱銷固定式熱致壓力裝置，右圖中只顯示與樣品接觸的半個下圓柱銷受力後有限元分析的截面圖；圖4是組裝填充式熱致壓力裝置中左右填充塊在500MI^壓力作用下的變形情況， 左圖是組裝填充式熱致壓力裝置的示意圖，右圖顯示與樣品接觸的左右填充塊及外模具的有限元模擬結果；圖5是可重複使用的熱致壓力模具的一種形狀設計示意圖；圖6為可重複使用的熱致壓力模具的內模具和樣品組合體在實驗前後的半透明重疊對比圖，圖6a)是採用半透明方法疊加的樣品與內模具組合體在實驗前後的掃描圖， 其左側對齊，圖6b)是圖a)中A框的局部放大圖，圖6c)是圖a)中B框的局部放大圖；圖7是新方案的一種尺寸設計圖；圖8是新方案在500MI^壓力作用下模具的變形情況，左圖是受力前內模具的初始狀態圖，右圖是受力後內模具的有限元模擬結果。
具體實施例方式針對目前熱致壓力模具所用的模具材料強度和硬度不能太高這一不足，本發明提出了一種可重複使用的熱致壓力模具的新設計方案，採用經熱處理強化後的材料製作內外模具，提高熱致壓力模具內部的壓力值，用線切割或磨削加工方式，實現模具的加工，由於線切割加工方法不受材料強度和硬度的制約，使得高硬度材料製作內、外模具成為可能，通過提高模具材料的強度和硬度，可望在熱致壓力模具內部產生更大的壓力。本發明從設計方案上確保模具變形的可控性，有目的地使一個方向最易變形，且保證這種變形是均勻的，通過調控模具的尺寸使變形都集中在這個方向，在此基礎上擴大型腔內部的體積。設計方案可確保模具重複使用，主要適用於研究壓力環境對材料微觀組織與宏觀性能的影響。本發明所述的整個模具由外模具與內模具兩部分組成，如圖5所示，其中，外模具形狀為一帶中心孔的柱狀體，不限制外模具的外形形狀，可以為圓柱體或長方體；中心孔是一柱狀通孔，孔的形狀可以為正方形或長方形，為了防止應力集中過早引起模具開裂，孔的四個尖角處需切割成倒角。內模具的外形與外模具的中心孔形狀完全相同，內模具外壁與外模具內壁需過盈配合；在內模具側面垂直於外模具中心孔的方向加工一個中心柱狀通孔，孔的形狀可以為正方形或長方形，同樣為了防止應力集中過早引起模具開裂，孔的四個尖角處需切割成倒角，當內模具中心通孔是長方形時，長方形的長邊與短邊方向沒有特別限定。模具使用時，先將樣品置於內模具中心孔內，可通過外加壓力使樣品橫向鐓粗，以保證樣品與內模具內表面呈過盈接觸。樣品裝入內模具中心孔後，樣品徑向的膨脹將受到內模具的限制，此時樣品軸向仍可自由伸縮，然後將內模具裝入外模具中心孔內，此時樣品的軸向膨脹將受到外模具內壁的限制，通過上述裝配方式，位於整個裝置心部的樣品在受熱情況下所有方向均受到模具的限制，而不能自由膨脹。模具尺寸的制定主要取決於對型腔內部壓力的要求，倒角尺寸取決於對防止應力集中的要求。為了防止由於模具變形而減弱對樣品的限制作用，制定尺寸時可以依據所期望的熱致壓力大小，採用直接對模具內壁加載的方式進行有限元模擬，依據模具的變形情況適當調整壁厚。從提高型腔內部壓力的角度，模具的變形越小越好。為使模具的變形可控且均勻，應確保以下兩點1)外模具厚度應大於內模具的厚度，使變形集中在內模具；2)如圖5所示，與內模具通孔垂直的方向上，存在兩組內模具的壁厚，其中一組的外表面與外模具內壁接觸，這組內模具的壁厚必須相等，而另一組的外表面在裝配後是不受任何約束的，要求前者的壁厚必須小於後者的壁厚，使前者成為整個裝置最易變形的弱區，換言之，當裝置內部產生熱致壓力後，將優先拉長與外模具內壁接觸的這一組內模具側面而發生均勻變形。模具材料要求導電，選用模具材料的標準是其高溫硬度比樣品高，熱膨脹係數比樣品低，彈性模量比樣品高。強化模具材料的熱處理工藝應根據所選模具材料的情況而制定。模具和樣品的加工要求1)為了確保樣品能夠過盈封閉在模具內部，樣品與內模具、內模具與外模具之間需要過盈配合；2)為了確保樣品能夠過盈封閉在模具內部，在加工樣品與內模具接觸的四個側面、內模具中心孔的內表面、樣品和內模具組合體與外模具接觸的四個側面、以及外模具中心孔的內表面時，都必須通過編程一次性線切割完成四個面的加工，以保證這些面之間的平行與垂直關係。圖1是外加載荷與純鋁體積壓縮率關係的分子動力學計算曲線，箭頭表示當純鋁體積膨脹完全被限制時，將需要4GPa的壓力。圖2是熱脹冷縮產生壓力的裝置(專利號ZL 200610166214)受力後的變形情況， 左圖是裝置示意圖，其中1-內模具，2-樣品，3-外模具，右圖是有限元模擬的外模具變形結果，在500MPa壓力作用下，外模具發生了明顯的塑性變形，且變形呈不均勻的弧形，外模具內壁向外的最大位移量為0. 18mm。圖3是圓柱銷固定式熱致壓力裝置(專利號ZL 200820021408. 7)中圓柱銷變形的情況，左圖是圓柱銷固定式熱致壓力裝置，其中1-中心孔，2-模具，3-圓柱銷，4-樣品，右圖中只顯示與樣品接觸的半個下圓柱銷的截面圖，其中在頂部的中間位置是圓柱銷與樣品的接觸區域，在500MI^壓力作用下，圓柱銷的接觸區域發生了明顯的塑性變形，且變形呈不均勻的弧形，最大位移量與0. 04mm的實測值相吻合。
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圖4是組裝填充式熱致壓力裝置(專利號ZL 200820021410. 4)中左右填充塊變形的情況，左圖是組裝填充式熱致壓力裝置的示意圖，其中1-外模具，2-中間填充塊， 3-左右填充塊，4-樣品，右圖顯示與樣品接觸的左右填充塊及外模具的有限元模擬結果， 在500MI^壓力作用下，左右填充塊發生了塑性變形，且變形呈不均勻的弧形，向外最大位移量達到0. 08mm。圖5是可重複使用的熱致壓力模具的一種形狀設計示意圖。圖6為內模具和樣品組合體在實驗前後的半透明重疊對比圖，圖像是MOOdpi解析度的掃描圖，圖6a)是採用半透明方法疊加的樣品與內模具組合體在實驗前後的掃描圖，圖6b)是圖a)中A框的局部放大圖，圖6c)是圖a)中B框的局部放大圖。從圖6中可以看出在與外模具接觸的方向上內模具的外輪廓沒有可察覺的變形，而圖6中右側內模具的內表面(即圖中A部位)明顯地發生了約0.30mm的移動，在內模具不受約束的外表面 (即圖中B部位)也有一個極其微小的移動(<0. 10mm)，應該指出的是，這個變形是集中在內模具不受約束的那個方向，因此並不影響再次使用時內外模具接觸面的過盈配合。圖7是新方案的一種尺寸設計圖。圖8是新方案在500MI^壓力作用下模具變形的情況，左圖是受力前內模具的初始狀態圖，右圖是受力後內模具的有限元模擬結果，對比左右圖可以看出，受力後內模具在寬度方向沒有可察覺的塑性變形，而在500MI^壓力作用下，內模具在圖中高度方向上發生了塑性變形，且塑性變形是均勻的，由原來的140. OOmm變成141. 76mm。選用42CrMo鋼，在其退火態鑽中心通孔，然後對其淬火和回火，提高材料的強度和硬度，具體工藝是加熱到850°C保溫30min，油淬至室溫，再加熱到540°C保溫90min，水冷至室溫，最後採用線切割加工方法將其加工成熱致壓力裝置的內、外模具，具體尺寸如圖7 所示，圖中內模具厚度為^mm的壁將成為優先變形的區域。有限元分析表明當空腔內載荷達到500MPa時，厚度為^mm的壁被均勻拉伸，如圖8所示，從圖8中可以看出內模具上下兩個自由端面以及空腔內的上下內表面仍保持平直狀態，內模具上下兩個自由端面之間的高度由最初的140. OOmm變成141. 76mm。圖2至圖4是以前的熱致壓力裝置受力後的變形情況，當空腔內載荷為500MPa 時，這些裝置都發生了明顯的不均勻變形，影響後續使用中的裝配精度，因此無法重複使用。通過比較可以明顯地看出，與以前的熱致壓力裝置對比，本專利提出的設計方案能夠有效地保證內模具變形的均勻性，從而確保其能夠重複使用。
權利要求
1.一種可重複使用的熱致壓力模具，包括外模具與內模具，其特徵在於外模具為一帶中心孔的柱狀體，中心孔是一柱狀通孔，孔的形狀為正方形或長方形，孔的四個稜角處切割成倒角；內模具的外形與外模具的中心孔形狀完全相同，內模具外壁與外模具內壁過盈配合，在內模具側面垂直於外模具中心孔的方向加工一個中心柱狀通孔，孔的形狀為正方形或長方形，孔的四個稜角處需切割成倒角，樣品與內模具中心柱狀通孔的內表面過盈接觸。
2.根據權利要求1所述的可重複使用的熱致壓力模具，其特徵在於所述的外模具厚度大於內模具的厚度。
3.根據權利要求1所述的可重複使用的熱致壓力模具，其特徵在於所述的內模具通孔垂直的方向上，與外模具內壁接觸的一組內模具的壁厚相等，且壁厚小於不與外模具內壁接觸的一組內模具的壁厚。
4.根據權利要求1所述的可重複使用的熱致壓力模具，其特徵在於所述的外模具與內模具材料導電，且其高溫硬度比樣品高，熱膨脹係數比樣品低，彈性模量比樣品高。
5.根據權利要求1所述的可重複使用的熱致壓力模具，其特徵在於所述的樣品與內模具接觸的四個側面、內模具中心孔的內表面、樣品和內模具組合體與外模具接觸的四個側面、以及外模具中心孔的內表面都必須通過一次性線切割或磨削加工完成。
全文摘要
本發明公開了一種可重複使用的熱致壓力模具，包括外模具與內模具，外模具為一帶中心孔的柱狀體，中心孔是一柱狀通孔，孔的形狀為正方形或長方形，孔的四個稜角處切割成倒角；內模具的外形與外模具的中心孔形狀完全相同，內模具外壁與外模具內壁過盈配合，在內模具側面垂直於外模具中心孔的方向加工一個中心柱狀通孔，孔的形狀為正方形或長方形，孔的四個稜角處需切割成倒角，樣品與內模具中心柱狀通孔的內表面過盈接觸。本發明型腔具有更大的體積，只在指定的方向發生均勻變形，從而確保模具的重複使用性。
文檔編號B30B15/02GK102529145SQ20121000388
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月8日 優先權日2012年1月8日
發明者馮宗強, 楊延清, 羅賢, 趙娜, 韓明 申請人:西北工業大學