专利名称：一种可重复使用的热致压力模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热致压力模具。
背景技术：
现有的高压产生装置主要有工程上使用的六面顶和两面顶设备以及用于实验室研究的金刚石压砧，这些设备的基本原理均是通过外界作功，使型腔内部产生高压，这一原理决定了这些设备不能兼顾型腔体积和型腔内压力，即型腔体积较大时压力较小，而压力较大时型腔体积较小。为了解决这一问题，申请人于2006年提出了一种利用材料热胀冷缩原理产生压力的方法，已获发明专利授权，专利号为ZL 200610166214，后又于2008年提出了组装填充式热致压力装置和圆柱销固定式热致压力装置，均已获得实用新型专利授权，专利号分别为ZL 200820021410. 4和ZL 200820021408.7。这些专利设计方案均需在制作的最后阶段对模具材料作钻孔和车削等机加工，因此要求模具材料的硬度不能太高。然而在实际使用中热致压力模具内部的压力与模具材料的强度和硬度密切相关，为了尽可能提高型腔内部的压力，需要提高模具材料自身的强度和硬度，从结构设计上提出一种既能实现过盈封装， 又能有效切割加工的方案。另一方面，由于热致压力装置内部能够产生GI^a级的压力，如图1所示，即使采用高硬度的模具材料，使用后模具仍然不可避免地会发生变形，如图2至图4所示，这会导致两个后果1)样品很难从热致压力模具中取出，为了不影响样品的受力状态，往往需要采用机械剖开模具取出样品；幻采用上述三个专利的设计方案，使用后模具的变形都是不均勻的，即使不解剖模具，不均勻变形后的模具也不能重复使用。此外，为了获得更高的热致压力并且更有效地增大模具内部型腔的体积，有必要采用高强度的模具材料，尽可能地扩大空腔以增大处理样品的体积，从结构及加工方法上改进热致压力模具的设计，通过有效地控制模具的变形，提高模具的重复使用率。
发明内容
为了克服现有的不足，本发明提出一种能够产生更大热致压力的模具设计方案， 型腔具有更大的体积，通过控制模具的变形，使其只在指定的方向发生均勻变形，从而确保模具的重复使用性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括外模具与内模具，外模具形状为一带中心孔的柱状体，不限制外模具的外形形状，可以为圆柱体或长方体；中心孔是一柱状通孔，孔的形状为正方形或长方形，为了防止应力集中过早引起模具开裂，孔的四个棱角处需切割成倒角。内模具的外形与外模具的中心孔形状完全相同，内模具外壁与外模具内壁需过盈配合；在内模具侧面垂直于外模具中心孔的方向加工一个中心柱状通孔，孔的形状为正方形或长方形，同样为了防止应力集中过早引起模具开裂，孔的四个棱角处需切割成倒角，当内模具中心通孔是长方形时，长方形的长边与短边方向没有特别限定。
模具使用时，先将样品置于内模具中心孔内，可通过外加压力使样品横向镦粗，以保证样品与内模具中心柱状通孔的内表面呈过盈接触。样品装入内模具中心柱状通孔后， 样品径向的膨胀将受到内模具的限制，此时样品轴向仍可自由伸缩，然后将内模具装入外模具中心孔内，此时样品的轴向膨胀将受到外模具内壁的限制，通过上述装配方式，位于整个装置心部的样品在受热情况下所有方向均受到模具的限制，而不能自由膨胀。模具尺寸的制定主要取决于对型腔内部压力的要求，倒角尺寸取决于对防止应力集中的要求。为了防止由于模具变形而减弱对样品的限制作用，制定尺寸时可以依据所期望的热致压力大小，采用直接对模具内壁加载的方式进行有限元模拟，依据模具的变形情况适当调整壁厚。从提高型腔内部压力的角度，模具的变形越小越好。为使模具的变形可控且均勻，应确保以下两点1)外模具厚度应大于内模具的厚度，使变形集中在内模具；2)与内模具通孔垂直的方向上，存在两组内模具的壁厚，其中一组的外表面与外模具内壁接触，这组内模具的壁厚必须相等，而另一组的外表面在装配后是不受任何约束的，要求前者的壁厚必须小于后者的壁厚，使前者成为整个装置最易变形的弱区，换言之， 当装置内部产生热致压力后，将优先拉长与外模具内壁接触的这一组内模具侧面而发生均勻变形。外模具与内模具的材料要求导电，选用模具材料的标准是其高温硬度比样品高， 热膨胀系数比样品低，弹性模量比样品高。强化模具材料的热处理工艺应根据所选模具材料的情况而制定。模具和样品的加工要求1)为了确保样品能够过盈封闭在模具内部，样品与内模具、内模具与外模具之间需要过盈配合；2)为了确保样品能够过盈封闭在模具内部，在加工样品与内模具接触的四个侧面、内模具中心孔的内表面、样品和内模具组合体与外模具接触的四个侧面、以及外模具中心孔的内表面时，都必须通过编程一次性线切割或磨削加工完成四个面的加工，以保证这些面之间的平行与垂直关系。本发明的有益效果是由于热致压力模具型腔内部存在很大的压力，因此模具不可避免地会产生变形， 这种变形包括弹性变形和塑性变形，本发明提出了一种控制模具变形的新思路，首先是通过提高模具材料的硬度，使其难于发生变形，其次在尺寸设计方面，通过增加外模具的壁厚使其难于变形，然后在内模具的壁厚上有意使一组壁厚成为整个装置最易变形的区域，使变形集中发生在内模具，且是均勻变形，而在内模具的中心孔内部，即使局部的变形是不均勻的，在再次使用时也可通过填装样品时的镦粗来保证样品与内模具的过盈配合，从而使内模具可以重复使用。新的模具结构设计简单，型腔体积较以前提出的三种热致压力装置大，由于主要采用线切割或磨削加工，可以使用热处理强化后的材料制作内外模具，充分发挥高硬度模具材料对样品热膨胀的限制作用，提高热致压力模具型腔内部的压力，当采用线切割方式加工模具内孔时，不受磨削内孔在长度方向上尺寸的限制，更适合处理较长的样品，在保证装配精度的前提下，能够有效地增大型腔体积。并且方案的结构设计避免了模具在局部产生明显的应力集中，所用材料价格低廉，且整套模具的主要接触面均为平面，样品容易取出，更容易实现装配和拆解，新模具适用于实验室研究高压对材料微观组织与宏观性能的影响。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是外加载荷与纯铝体积压缩率关系的分子动力学计算曲线；图2是热胀冷缩产生压力的装置在500MI^压力作用下的变形情况，左图是装置示意图，右图是有限元模拟的外模具变形结果；图3是圆柱销固定式热致压力装置中圆柱销在500MI^压力作用下的变形情况，左图是圆柱销固定式热致压力装置，右图中只显示与样品接触的半个下圆柱销受力后有限元分析的截面图；图4是组装填充式热致压力装置中左右填充块在500MI^压力作用下的变形情况， 左图是组装填充式热致压力装置的示意图，右图显示与样品接触的左右填充块及外模具的有限元模拟结果；图5是可重复使用的热致压力模具的一种形状设计示意图；图6为可重复使用的热致压力模具的内模具和样品组合体在实验前后的半透明重叠对比图，图6a)是采用半透明方法叠加的样品与内模具组合体在实验前后的扫描图， 其左侧对齐，图6b)是图a)中A框的局部放大图，图6c)是图a)中B框的局部放大图；图7是新方案的一种尺寸设计图；图8是新方案在500MI^压力作用下模具的变形情况，左图是受力前内模具的初始状态图，右图是受力后内模具的有限元模拟结果。
具体实施例方式针对目前热致压力模具所用的模具材料强度和硬度不能太高这一不足，本发明提出了一种可重复使用的热致压力模具的新设计方案，采用经热处理强化后的材料制作内外模具，提高热致压力模具内部的压力值，用线切割或磨削加工方式，实现模具的加工，由于线切割加工方法不受材料强度和硬度的制约，使得高硬度材料制作内、外模具成为可能，通过提高模具材料的强度和硬度，可望在热致压力模具内部产生更大的压力。本发明从设计方案上确保模具变形的可控性，有目的地使一个方向最易变形，且保证这种变形是均勻的，通过调控模具的尺寸使变形都集中在这个方向，在此基础上扩大型腔内部的体积。设计方案可确保模具重复使用，主要适用于研究压力环境对材料微观组织与宏观性能的影响。本发明所述的整个模具由外模具与内模具两部分组成，如图5所示，其中，外模具形状为一带中心孔的柱状体，不限制外模具的外形形状，可以为圆柱体或长方体；中心孔是一柱状通孔，孔的形状可以为正方形或长方形，为了防止应力集中过早引起模具开裂，孔的四个尖角处需切割成倒角。内模具的外形与外模具的中心孔形状完全相同，内模具外壁与外模具内壁需过盈配合；在内模具侧面垂直于外模具中心孔的方向加工一个中心柱状通孔，孔的形状可以为正方形或长方形，同样为了防止应力集中过早引起模具开裂，孔的四个尖角处需切割成倒角，当内模具中心通孔是长方形时，长方形的长边与短边方向没有特别限定。模具使用时，先将样品置于内模具中心孔内，可通过外加压力使样品横向镦粗，以保证样品与内模具内表面呈过盈接触。样品装入内模具中心孔后，样品径向的膨胀将受到内模具的限制，此时样品轴向仍可自由伸缩，然后将内模具装入外模具中心孔内，此时样品的轴向膨胀将受到外模具内壁的限制，通过上述装配方式，位于整个装置心部的样品在受热情况下所有方向均受到模具的限制，而不能自由膨胀。模具尺寸的制定主要取决于对型腔内部压力的要求，倒角尺寸取决于对防止应力集中的要求。为了防止由于模具变形而减弱对样品的限制作用，制定尺寸时可以依据所期望的热致压力大小，采用直接对模具内壁加载的方式进行有限元模拟，依据模具的变形情况适当调整壁厚。从提高型腔内部压力的角度，模具的变形越小越好。为使模具的变形可控且均勻，应确保以下两点1)外模具厚度应大于内模具的厚度，使变形集中在内模具；2)如图5所示，与内模具通孔垂直的方向上，存在两组内模具的壁厚，其中一组的外表面与外模具内壁接触，这组内模具的壁厚必须相等，而另一组的外表面在装配后是不受任何约束的，要求前者的壁厚必须小于后者的壁厚，使前者成为整个装置最易变形的弱区，换言之，当装置内部产生热致压力后，将优先拉长与外模具内壁接触的这一组内模具侧面而发生均勻变形。模具材料要求导电，选用模具材料的标准是其高温硬度比样品高，热膨胀系数比样品低，弹性模量比样品高。强化模具材料的热处理工艺应根据所选模具材料的情况而制定。模具和样品的加工要求1)为了确保样品能够过盈封闭在模具内部，样品与内模具、内模具与外模具之间需要过盈配合；2)为了确保样品能够过盈封闭在模具内部，在加工样品与内模具接触的四个侧面、内模具中心孔的内表面、样品和内模具组合体与外模具接触的四个侧面、以及外模具中心孔的内表面时，都必须通过编程一次性线切割完成四个面的加工，以保证这些面之间的平行与垂直关系。图1是外加载荷与纯铝体积压缩率关系的分子动力学计算曲线，箭头表示当纯铝体积膨胀完全被限制时，将需要4GPa的压力。图2是热胀冷缩产生压力的装置(专利号ZL 200610166214)受力后的变形情况， 左图是装置示意图，其中1-内模具，2-样品，3-外模具，右图是有限元模拟的外模具变形结果，在500MPa压力作用下，外模具发生了明显的塑性变形，且变形呈不均勻的弧形，外模具内壁向外的最大位移量为0. 18mm。图3是圆柱销固定式热致压力装置(专利号ZL 200820021408. 7)中圆柱销变形的情况，左图是圆柱销固定式热致压力装置，其中1-中心孔，2-模具，3-圆柱销，4-样品，右图中只显示与样品接触的半个下圆柱销的截面图，其中在顶部的中间位置是圆柱销与样品的接触区域，在500MI^压力作用下，圆柱销的接触区域发生了明显的塑性变形，且变形呈不均勻的弧形，最大位移量与0. 04mm的实测值相吻合。
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图4是组装填充式热致压力装置(专利号ZL 200820021410. 4)中左右填充块变形的情况，左图是组装填充式热致压力装置的示意图，其中1-外模具，2-中间填充块， 3-左右填充块，4-样品，右图显示与样品接触的左右填充块及外模具的有限元模拟结果， 在500MI^压力作用下，左右填充块发生了塑性变形，且变形呈不均勻的弧形，向外最大位移量达到0. 08mm。图5是可重复使用的热致压力模具的一种形状设计示意图。图6为内模具和样品组合体在实验前后的半透明重叠对比图，图像是MOOdpi分辨率的扫描图，图6a)是采用半透明方法叠加的样品与内模具组合体在实验前后的扫描图，图6b)是图a)中A框的局部放大图，图6c)是图a)中B框的局部放大图。从图6中可以看出在与外模具接触的方向上内模具的外轮廓没有可察觉的变形，而图6中右侧内模具的内表面(即图中A部位)明显地发生了约0.30mm的移动，在内模具不受约束的外表面 (即图中B部位)也有一个极其微小的移动(<0. 10mm)，应该指出的是，这个变形是集中在内模具不受约束的那个方向，因此并不影响再次使用时内外模具接触面的过盈配合。图7是新方案的一种尺寸设计图。图8是新方案在500MI^压力作用下模具变形的情况，左图是受力前内模具的初始状态图，右图是受力后内模具的有限元模拟结果，对比左右图可以看出，受力后内模具在宽度方向没有可察觉的塑性变形，而在500MI^压力作用下，内模具在图中高度方向上发生了塑性变形，且塑性变形是均勻的，由原来的140. OOmm变成141. 76mm。选用42CrMo钢，在其退火态钻中心通孔，然后对其淬火和回火，提高材料的强度和硬度，具体工艺是加热到850°C保温30min，油淬至室温，再加热到540°C保温90min，水冷至室温，最后采用线切割加工方法将其加工成热致压力装置的内、外模具，具体尺寸如图7 所示，图中内模具厚度为^mm的壁将成为优先变形的区域。有限元分析表明当空腔内载荷达到500MPa时，厚度为^mm的壁被均勻拉伸，如图8所示，从图8中可以看出内模具上下两个自由端面以及空腔内的上下内表面仍保持平直状态，内模具上下两个自由端面之间的高度由最初的140. OOmm变成141. 76mm。图2至图4是以前的热致压力装置受力后的变形情况，当空腔内载荷为500MPa 时，这些装置都发生了明显的不均勻变形，影响后续使用中的装配精度，因此无法重复使用。通过比较可以明显地看出，与以前的热致压力装置对比，本专利提出的设计方案能够有效地保证内模具变形的均勻性，从而确保其能够重复使用。
权利要求
1.一种可重复使用的热致压力模具，包括外模具与内模具，其特征在于外模具为一带中心孔的柱状体，中心孔是一柱状通孔，孔的形状为正方形或长方形，孔的四个棱角处切割成倒角；内模具的外形与外模具的中心孔形状完全相同，内模具外壁与外模具内壁过盈配合，在内模具侧面垂直于外模具中心孔的方向加工一个中心柱状通孔，孔的形状为正方形或长方形，孔的四个棱角处需切割成倒角，样品与内模具中心柱状通孔的内表面过盈接触。
2.根据权利要求1所述的可重复使用的热致压力模具，其特征在于所述的外模具厚度大于内模具的厚度。
3.根据权利要求1所述的可重复使用的热致压力模具，其特征在于所述的内模具通孔垂直的方向上，与外模具内壁接触的一组内模具的壁厚相等，且壁厚小于不与外模具内壁接触的一组内模具的壁厚。
4.根据权利要求1所述的可重复使用的热致压力模具，其特征在于所述的外模具与内模具材料导电，且其高温硬度比样品高，热膨胀系数比样品低，弹性模量比样品高。
5.根据权利要求1所述的可重复使用的热致压力模具，其特征在于所述的样品与内模具接触的四个侧面、内模具中心孔的内表面、样品和内模具组合体与外模具接触的四个侧面、以及外模具中心孔的内表面都必须通过一次性线切割或磨削加工完成。
全文摘要
本发明公开了一种可重复使用的热致压力模具，包括外模具与内模具，外模具为一带中心孔的柱状体，中心孔是一柱状通孔，孔的形状为正方形或长方形，孔的四个棱角处切割成倒角；内模具的外形与外模具的中心孔形状完全相同，内模具外壁与外模具内壁过盈配合，在内模具侧面垂直于外模具中心孔的方向加工一个中心柱状通孔，孔的形状为正方形或长方形，孔的四个棱角处需切割成倒角，样品与内模具中心柱状通孔的内表面过盈接触。本发明型腔具有更大的体积，只在指定的方向发生均匀变形，从而确保模具的重复使用性。
文档编号B30B15/02GK102529145SQ20121000388
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月8日 优先权日2012年1月8日
发明者冯宗强, 杨延清, 罗贤, 赵娜, 韩明 申请人:西北工业大学