权利要求

1.一种提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，包括固定机构(1)、挤压模具(5)、升降挤压驱动机构(6)、上挤压组件及下挤压机构，其中升降挤压驱动机构(6)、挤压模具(5)和下挤压机构由上至下依次设置于固定机构(1)上，上挤压组件与升降挤压驱动机构(6)的驱动端连接，上挤压组件和下挤压机构分别与挤压模具(5)的上下端滑动配合，上挤压组件和下挤压机构之间形成挤压腔，上挤压组件和下挤压机构协同作用实现挤压腔内金属毛坯的塑性变形挤压。

2.根据权利要求1所述的提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，所述上挤压组件包括中挤压杆(7)、液压柱Ⅰ(8)、液压柱Ⅱ(9)、挤压环(22)及芯模(23)，其中芯模(23)为中空结构，中挤压杆(7)与芯模(23)的内腔滑动配合，芯模(23)的上部设有用于进出料的侧向腰孔(2301)，芯模(23)的上端与所述升降挤压驱动机构(6)的固定部分连接，芯模(23)的下端插设于所述挤压模具(5)的内腔内，挤压环(22)套装在芯模(23)上且与芯模(23)的外表面和所述挤压模具(5)的内腔滑动配合;挤压环(22)的顶部两侧分别与液压柱Ⅰ(8)和液压柱Ⅱ(9)连接，中挤压杆(7)、液压柱Ⅰ(8)和液压柱Ⅱ(9)分别与升降挤压驱动机构(6)的驱动端连接;中挤压杆(7)和挤压环(22)分别用于正向和逆向交替往复挤压。

3.根据权利要求2所述的提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，所述升降挤压驱动机构(6)包括挤压杆液压驱动腔Ⅰ(17)、中挤压杆液压驱动腔(18)及挤压杆液压驱动腔Ⅱ(19);所述液压柱Ⅰ(8)和液压柱Ⅱ(9)的上端分别与挤压杆液压驱动腔Ⅰ(17)和挤压杆液压驱动腔Ⅱ(19)滑动配合，挤压杆液压驱动腔Ⅰ(17)和挤压杆液压驱动腔Ⅱ(19)分别液压伺服控制所述液压柱Ⅰ(8)和液压柱Ⅱ(9)同步升降;

所述中挤压杆(7)的上端与中挤压杆液压驱动腔(18)滑动配合，中挤压杆液压驱动腔(18)液压伺服控制所述中挤压杆(7)升降。

4.根据权利要求2所述的提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，所述下挤压机构包括顶杆(2)和旋转盘(3)，其中顶杆(2)贯穿旋转盘(3)，且顶杆(2)与旋转盘(3)滑动配合，旋转盘(3)的上端与所述挤压模具(5)的内腔滑动配合，旋转盘(3)具有升降和旋转的自由度;顶杆(2)与所述中挤压杆(7)的直径相等;

所述挤压腔包括位于所述中挤压杆(7)和顶杆(2)之间的中挤压腔(11)、位于所述芯模(23)与旋转盘(3)之间的剪切挤压腔(12)及位于所述挤压环(22)与旋转盘(3)之间的扭转摩擦搅拌挤压腔(14)。

5.根据权利要求4所述的提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，所述下挤压机构还包括回转驱动机构(4)、旋转盘液压缸(21)及顶杆升降驱动机构，其中旋转盘液压缸(21)设置于顶杆升降驱动机构上，所述旋转盘(3)的下端与旋转盘液压缸(21)的内腔滑动配合，旋转盘液压缸(21)液压伺服控制旋转盘(3)升降;回转驱动机构(4)设置于所述挤压模具(5)和旋转盘液压缸(21)之间，且与所述旋转盘(3)连接，回转驱动机构(4)为所述旋转盘(3)的旋转运动提供动力;

顶杆升降驱动机构设置于所述固定机构(1)上，且位于旋转盘液压缸(21)的下方，所述顶杆(2)的下端与顶杆升降驱动机构连接，顶杆(2)的上端依次贯穿旋转盘液压缸(21)和所述旋转盘(3)，顶杆升降驱动机构用于驱动顶杆(2)升降。

6.根据权利要求5所述的提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，所述回转驱动机构(4)包括上驱动(401)、下驱动(402)、小直齿轮(403)及大直齿轮(404)，其中上驱动(401)和下驱动(402)分别设置于所述挤压模具(5)和所述旋转盘液压缸(21)上，且回转轴线共线，小直齿轮(403)的两端分别与上驱动(401)和下驱动(402)连接，大直齿轮(404)固设于所述旋转盘(3)的外侧，且大直齿轮(404)与小直齿轮(403)啮合，小直齿轮(403)的轴向长度满足所述旋转盘(3)最大升降行程时小直齿轮(403)与大直齿轮(404)保持啮合状态。

7.根据权利要求5所述的提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，所述顶杆升降驱动机构包括顶杆液压缸(13)，所述顶杆(2)的下端贯穿顶杆液压缸(13)，且所述顶杆(2)通过活塞(201)与顶杆液压缸(13)的内腔滑动配合，活塞(201)的上下侧分别形成顶杆上液压腔(16)和顶杆下液压腔(15)，顶杆上液压腔(16)和顶杆下液压腔(15)液压伺服控制所述顶杆(2)的升降运动;所述顶杆(2)的下端由顶杆液压缸(13)的底部穿出且与超声波发生器(10)连接，超声波发生器(10)通过超声波振动辅助被挤压的金属进行晶粒细化。

8.根据权利要求1所述的提高金属材料强韧性能的挤压装置，其特征在于，所述固定机构(1)包括底座(101)、立柱(102)、模具连接板(103)及驱动连接板(104)，其中驱动连接板(104)设置于底座(101)的上方，且驱动连接板(104)通过两个立柱(102)与底座(101)连接，模具连接板(103)的两端分别与两个立柱(102)滑动配合;

所述升降挤压驱动机构(6)和所述下挤压机构分别设置于驱动连接板(104)和底座(101)上，所述挤压模具(5)设置于模具连接板(103)上。

9.一种利用权利要求6或7所述的装置提高金属材料强韧性能的挤压方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：挤压腔位置初始化，剪切挤压腔(12)和扭转摩擦搅拌挤压腔(14)的空间为零，顶杆(2)与旋转盘(3)的上表面平齐，中挤压杆(7)在高位;

步骤S2：金属毛坯通过芯模(23)上部的侧向腰孔(2301)进料，金属毛坯落入中挤压腔(11)内;

步骤S3：液压伺服控制中挤压杆(7)挤压金属毛坯;

步骤S4：顶杆(2)与旋转盘(3)同步下降，使金属毛坯逐渐挤压进入到剪切挤压腔(12)和扭转摩擦搅拌挤压腔(14)内;

步骤S5：挤压环(22)上升;同时，顶杆(2)和旋转盘(3)逐渐下降，且旋转盘(3)回转;中挤压腔(11)对金属毛坯继续垂直挤压，剪切挤压腔(12)对金属毛坯进行层状剪切挤压，扭转摩擦搅拌挤压腔(14)对金属毛坯进行高压扭转晶粒细化摩擦搅拌;

步骤S6：挤压环(22)继续上升到设定位置，同时中挤压杆(7)下降到设定位置后，逆向运行步骤S5;

步骤S7：重复步骤S5和步骤S6到指定循环工艺次数;

步骤S8;剪切挤压腔(12)和扭转摩擦搅拌挤压腔(14)的空间为零;中挤压杆(7)在高位，顶杆(2)将纳米晶粒圆柱状成品顶到侧向腰孔(2301)处，出料;

步骤S9;对纳米晶粒圆柱状成品进行宏观力学特性检测和微观材料学检测。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于金属塑性加工技术领域，特别涉及一种提高金属材料强韧性能的挤压装置及方法。

背景技术

[0002]剧烈塑性变形(SeverePlasticdeformation,SPD)作为一种新兴的塑性变形方法，可以在变形过程中引入大的应变量(传统的塑性变形很难实现应变量大于1的真应变)，从而有效细化(亚微米或纳米量级)金属，且获得完整大尺寸块体试样，通过在变形过程中微观组织的控制，可以同时获得具有高强度与大塑性的块体纳米材料。‌高压扭转法(HighPressureTorsion,HPT)是一种特殊的塑性变形工艺，通过在变形体高度方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在其横截面上施加扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形‌。

[0003]虽然采用高压扭转法工艺是制备超细晶材料的一个有效途径，然而在实际应用中现有的模具结构仍存在坯料塑性变形能力有限和模具工作效率低下的缺点，由于高压扭转挤压过程中，材料在模具转角部位发生强烈的剪切变形，容易导致坯料沿剪应力方向出现变形、开裂，甚至破碎，最终使得后续更多道次的挤压变形无法继续进行。因此，如何研究微观高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化的摩擦，与宏观挤压装置运行工艺(包含但不限于挤压尺寸、压力、速度、电场、温度场、超声波等梯度工艺参数)表征关系，进而获得挤压效率优化是迫切需求。

发明内容

[0004]针对上述问题，本发明的目的在于提供一种提高金属材料强韧性能的挤压装置及方法，以研究微观高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化的摩擦，与宏观挤压装置运行工艺表征关系，进而获得挤压效率的优化。

[0005]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供一种提高金属材料强韧性能的挤压装置，包括固定机构、挤压模具、升降挤压驱动机构、上挤压组件及下挤压机构，其中升降挤压驱动机构、挤压模具和下挤压机构由上至下设置于固定机构上，上挤压组件与升降挤压驱动机构的驱动端连接，上挤压组件和下挤压机构分别与挤压模具的上下端滑动配合，上挤压组件和下挤压机构之间形成挤压腔，上挤压组件和下挤压机构协同作用实现挤压腔内金属毛坯的塑性变形挤压。

[0006]在一种可能实现的方式中，所述上挤压组件包括中挤压杆、液压柱Ⅰ、液压柱Ⅱ、挤压环及芯模，其中芯模为中空结构，芯模的上部设有用于进出料的侧向腰孔，芯模的上端与所述升降挤压驱动机构的固定部分连接，中挤压杆与芯模的内腔滑动配合;芯模的下端插设于所述挤压模具的内腔内，挤压环套装在芯模上且与芯模的外表面和所述挤压模具的内腔滑动配合;挤压环的顶部两侧分别与液压柱Ⅰ和液压柱Ⅱ连接，中挤压杆、液压柱Ⅰ和液压柱Ⅱ分别与升降挤压驱动机构的驱动端连接;中挤压杆和挤压环分别用于正向和逆向交替往复挤压。

[0007]在一种可能实现的方式中，所述升降挤压驱动机构包括挤压杆液压驱动腔Ⅰ、中挤压杆液压驱动腔及挤压杆液压驱动腔Ⅱ;所述液压柱Ⅰ和液压柱Ⅱ的上端分别与挤压杆液压驱动腔Ⅰ和挤压杆液压驱动腔Ⅱ滑动配合，挤压杆液压驱动腔Ⅰ和挤压杆液压驱动腔Ⅱ分别液压伺服控制所述液压柱Ⅰ和液压柱Ⅱ同步升降;

所述中挤压杆的上端与中挤压杆液压驱动腔滑动配合，中挤压杆液压驱动腔液压伺服控制所述中挤压杆升降。

[0008]在一种可能实现的方式中，所述下挤压机构包括顶杆和旋转盘，其中顶杆贯穿旋转盘，且顶杆与旋转盘滑动配合，旋转盘的上端与所述挤压模具的内腔滑动配合，旋转盘具有升降和旋转的自由度;顶杆与所述中挤压杆的直径相等;

所述挤压腔包括位于所述中挤压杆和顶杆之间的中挤压腔、位于所述芯模与旋转盘之间的剪切挤压腔及位于所述挤压环与旋转盘之间的扭转摩擦搅拌挤压腔。

[0009]在一种可能实现的方式中，所述下挤压机构还包括回转驱动机构、旋转盘液压缸及顶杆升降驱动机构，其中旋转盘液压缸设置于顶杆升降驱动机构上，所述旋转盘的下端与旋转盘液压缸的内腔滑动配合，旋转盘液压缸液压伺服控制旋转盘升降;回转驱动机构设置于所述挤压模具和旋转盘液压缸之间，且与所述旋转盘连接，回转驱动机构为所述旋转盘的旋转运动提供动力;

顶杆升降驱动机构设置于所述固定机构上，且位于旋转盘液压缸的下方，所述顶杆的下端与顶杆升降驱动机构连接，顶杆的上端依次贯穿旋转盘液压缸和所述旋转盘，顶杆升降驱动机构用于驱动顶杆升降。

[0010]在一种可能实现的方式中，所述回转驱动机构包括上驱动、下驱动、小直齿轮及大直齿轮，其中上驱动和下驱动分别设置于所述挤压模具和所述旋转盘液压缸上，且回转轴线共线，小直齿轮的两端分别与上驱动和下驱动连接，大直齿轮固设于所述旋转盘的外侧，且大直齿轮与小直齿轮啮合，小直齿轮的轴向长度满足所述旋转盘最大升降行程时小直齿轮与大直齿轮保持啮合状态。

[0011]在一种可能实现的方式中，所述顶杆升降驱动机构包括顶杆液压缸，所述顶杆的下端贯穿顶杆液压缸，且所述顶杆通过活塞与顶杆液压缸的内腔滑动配合，活塞的上下侧分别形成顶杆上液压腔和顶杆下液压腔，顶杆上液压腔和顶杆下液压腔液压伺服控制所述顶杆的升降运动;所述顶杆的下端由顶杆液压缸的底部穿出且与超声波发生器连接，超声波发生器通过超声波振动辅助被挤压的金属进行晶粒细化。

[0012]在一种可能实现的方式中，所述固定机构包括底座、立柱、模具连接板及驱动连接板，其中驱动连接板设置于底座的上方，且驱动连接板通过两个立柱与底座连接，模具连接板的两端分别与两个立柱滑动配合;

所述升降挤压驱动机构和所述下挤压机构分别设置于驱动连接板和底座上，所述挤压模具设置于模具连接板上。

[0013]本发明另一方面提供一种利用如上所述的装置提高金属材料强韧性能的挤压方法，包括以下步骤：

步骤S1：挤压腔位置初始化，剪切挤压腔和扭转摩擦搅拌挤压腔的空间为零，顶杆与旋转盘的上表面平齐，中挤压杆在高位;

步骤S2：金属毛坯通过芯模上部的侧向腰孔进料，金属毛坯落入中挤压腔内;

步骤S3：液压伺服控制中挤压杆挤压金属毛坯;

步骤S4：顶杆与旋转盘同步下降，使金属毛坯逐渐挤压进入到剪切挤压腔和扭转摩擦搅拌挤压腔内;

步骤S5：挤压环上升;同时，顶杆和旋转盘逐渐下降，且旋转盘回转;中挤压腔对金属毛坯继续垂直挤压，剪切挤压腔对金属毛坯进行层状剪切挤压，扭转摩擦搅拌挤压腔对金属毛坯进行高压扭转晶粒细化摩擦搅拌;

步骤S6：挤压环继续上升到设定位置，同时中挤压杆下降到设定位置后，逆向运行步骤S5;

步骤S7：重复步骤S5和步骤S6到指定循环工艺次数;

步骤S8;剪切挤压腔和扭转摩擦搅拌挤压腔的空间为零;中挤压杆在高位，顶杆将纳米晶粒圆柱状成品顶到侧向腰孔处，出料;

步骤S9;对纳米晶粒圆柱状成品进行宏观力学特性检测和微观材料学检测。

[0014]本发明的优点与积极效果为：本发明提供的一种提高金属材料强韧性能的挤压装置，通过正反向循环多次挤压，完成高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化摩擦，全工艺过程挤压腔梯度渐变，由于实现粗晶和细晶的金属晶粒搅拌摩擦状态可以调节，因此有效避免金属开裂，探寻优化挤压效率;筒和圆柱的挤压工艺含有背压，有效避免开裂，且具有高压扭转金属结晶细化的减少材料浪费、成型精度高的优点。

[0015]本发明能有效研究表征微观高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化的摩擦，与宏观挤压装置运行工艺(包含但不限于挤压尺寸、压力、速度、电场、温度场、超声波等梯度工艺参数)表征关系，进而获得挤压效率优化的工艺参数，每个循环都需要经过高压扭转的线速度较高区域，因此晶粒均匀性较好、工作效率较高。

[0016]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

[0017]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0018]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一种提高金属材料强韧性能的挤压装置的爆炸图;

图2为本发明一种提高金属材料强韧性能的挤压装置的轴测图;

图3为图2中A处局部放大图;

图4为本发明一种提高金属材料强韧性能的挤压装置的剖面视图;

图5为图4中B处局部放大图;

图6为图4中C处局部放大图;

图7为本发明中芯模的轴测图;

图8为本发明实施例中晶粒细化扭转搅拌摩擦轨迹示意图。

[0019]图中：1-固定机构，101-底座，102-立柱，103-模具连接板，104-驱动连接板，2-顶杆，201-活塞，3-旋转盘，4-回转驱动机构，401-上驱动，402-下驱动，403-小直齿轮，404-大直齿轮，5-挤压模具，6-升降挤压驱动机构，7-中挤压杆，8-液压柱Ⅰ，9-液压柱Ⅱ，10-超声波发生器，11-中挤压腔，12-剪切挤压腔，13-顶杆液压缸，14-扭转摩擦搅拌挤压腔，15-顶杆下液压腔，16-顶杆上液压腔，17-挤压杆液压驱动腔Ⅰ，18-中挤压杆液压驱动腔，19-挤压杆液压驱动腔Ⅱ，20-旋转盘升降液压驱动腔，21-旋转盘液压缸，22-挤压环，23-芯模，2301-侧向腰孔，24-起点，25-第一拐点，26-第二拐点，27-涡旋运行轨迹，28-梯度渐变节距螺旋线，29-第三拐点，30-第四拐点，31-终点。

具体实施方式

[0020]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0021]以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0022]本发明一实施例提供一种提高金属材料强韧性能的挤压装置，能够有效的研究表征微观高压扭转法内部晶粒细化的摩擦，与宏观挤压装置运行工艺表征关系，进而获得挤压效率优化的工艺参数。参见图1至图8所示，该提高金属材料强韧性能的挤压装置，包括固定机构1、挤压模具5、升降挤压驱动机构6、上挤压组件及下挤压机构，其中升降挤压驱动机构6、挤压模具5和下挤压机构由上至下设置于固定机构1上，上挤压组件与升降挤压驱动机构6的驱动端连接，上挤压组件和下挤压机构分别与挤压模具5的上下端滑动配合，上挤压组件和下挤压机构之间形成挤压腔，上挤压组件和下挤压机构协同作用实现挤压腔内金属毛坯的塑性变形挤压。

[0023]参见图1和图2所示，本发明的实施例中，固定机构1包括底座101、立柱102、模具连接板103及驱动连接板104，其中驱动连接板104设置于底座101的上方，且驱动连接板104通过两个立柱102与底座101可拆卸连接为一体，模具连接板103的两端分别与两个立柱102滑动配合;升降挤压驱动机构6和下挤压机构分别设置于驱动连接板104和底座101上，挤压模具5设置于模具连接板103上。

[0024]参见图1-2、图4和图6-7所示，本发明的实施例中，上挤压组件包括中挤压杆7、液压柱Ⅰ8、液压柱Ⅱ9、挤压环22及芯模23，其中芯模23为中空结构，芯模23的上部设有用于进出料的侧向腰孔2301，芯模23的上端与升降挤压驱动机构6的固定部分连接，中挤压杆7与芯模23的内腔滑动配合;芯模23的下端插设于挤压模具5的内腔内，挤压环22套装在芯模23上且与芯模23的外表面和挤压模具5的内腔滑动配合，即挤压环22的外圆柱与挤压模具5的内腔之间形成圆柱副，挤压环22的内孔与芯模23的外圆柱形成圆柱副。挤压环22为环形，挤压环22的顶部两侧分别与液压柱Ⅰ8和液压柱Ⅱ9连接，中挤压杆7、液压柱Ⅰ8和液压柱Ⅱ9分别与升降挤压驱动机构6的驱动端连接;中挤压杆7和挤压环22分别用于正向和逆向交替往复挤压。

[0025]参见图4所示，本发明的实施例中，升降挤压驱动机构6包括挤压杆液压驱动腔Ⅰ17、中挤压杆液压驱动腔18及挤压杆液压驱动腔Ⅱ19;液压柱Ⅰ8和液压柱Ⅱ9的上端分别与挤压杆液压驱动腔Ⅰ17和挤压杆液压驱动腔Ⅱ19滑动配合，挤压杆液压驱动腔Ⅰ17和挤压杆液压驱动腔Ⅱ19分别液压伺服控制液压柱Ⅰ8和液压柱Ⅱ9同步升降;中挤压杆7的上端与中挤压杆液压驱动腔18滑动配合，中挤压杆液压驱动腔18液压伺服控制中挤压杆7升降。液压柱Ⅰ8、液压柱Ⅱ9和中挤压杆7进行伺服升降挤压运动，控制挤压环22的升降运动。

[0026]参见图4和图6所示，本发明的实施例中，下挤压机构包括顶杆2和旋转盘3，其中顶杆2贯穿旋转盘3，且顶杆2与旋转盘3滑动配合，旋转盘3的上端与挤压模具5的内腔滑动配合，旋转盘3具有升降和旋转的自由度;顶杆2与中挤压杆7的直径相等;挤压腔包括位于中挤压杆7和顶杆2之间的中挤压腔11、位于芯模23与旋转盘3之间的剪切挤压腔12及位于挤压环22与旋转盘3之间的扭转摩擦搅拌挤压腔14，中挤压腔11的晶体细化为金属毛坯的轴向压力为主，剪切挤压腔12的晶体细化为金属毛坯的轴向扭转剪切力为主，扭转摩擦搅拌挤压腔14的晶体细化为金属毛坯的轴向压力和扭转剪切力耦合为主。

[0027]进一步地，下挤压机构还包括回转驱动机构4、旋转盘液压缸21及顶杆升降驱动机构，其中旋转盘液压缸21设置于顶杆升降驱动机构上，旋转盘3的下端与旋转盘液压缸21的内腔滑动配合，旋转盘液压缸21内形成旋转盘升降液压驱动腔20，旋转盘升降液压驱动腔20液压伺服控制旋转盘3升降;回转驱动机构4设置于挤压模具5和旋转盘液压缸21之间，且与旋转盘3连接，回转驱动机构4为旋转盘3的旋转运动提供动力;顶杆升降驱动机构设置于固定机构1的底座101上，且位于旋转盘液压缸21的下方，顶杆2的下端与顶杆升降驱动机构连接，顶杆2的上端依次贯穿旋转盘液压缸21和旋转盘3，顶杆升降驱动机构用于驱动顶杆2升降。

[0028]参见图5所示，本发明的实施例中，回转驱动机构4包括上驱动401、下驱动402、小直齿轮403及大直齿轮404，其中上驱动401和下驱动402分别设置于挤压模具5和旋转盘液压缸21上，且回转轴线共线，小直齿轮403的两端分别与上驱动401和下驱动402连接，大直齿轮404固设于旋转盘3的外侧，且大直齿轮404与小直齿轮403啮合。上驱动401和下驱动402驱动小直齿轮403转动，从而通过大直齿轮404带动旋转盘3转动。上驱动401和下驱动402优选伺服液压马达和行星减速机，旋转盘3能够进行升降和旋转的二轴耦合运动。

[0029]进一步地，小直齿轮403的轴向长度满足旋转盘3最大升降行程时小直齿轮403与大直齿轮404保持啮合状态。本实施例中，小直齿轮403为简支梁构型，因此采用双驱能有效缓解齿轮轴悬臂构型的弯屈应力和扭转应力耦合的疲劳和可靠性问题。

[0030]参见图4所示，本发明的实施例中，顶杆升降驱动机构包括顶杆液压缸13，顶杆2的下端贯穿顶杆液压缸13，且顶杆2通过活塞201与顶杆液压缸13的内腔滑动配合，活塞201的上下侧分别形成顶杆上液压腔16和顶杆下液压腔15，顶杆上液压腔16和顶杆下液压腔15液压伺服控制顶杆2的升降运动;顶杆2的下端由顶杆液压缸13的底部穿出且与超声波发生器10连接，超声波发生器10通过超声波振动辅助被挤压的金属进行晶粒细化。旋转盘液压缸21设置于顶杆液压缸13的顶部。

[0031]本实施例中，金属毛坯包含但不限于铝及铝合金、铜及铜合金、纯铁、碳钢、镍等金属合金，本实施例优选牌号6201铝合金圆柱毛坯，挤压的压力0~10GPa，旋转盘3的转速为0~30r/min。挤压模具5外侧可以布置加热线圈、冷却水道和温度传感器等，进而实现挤压过程温度的工艺温控，挤压模具5优选用绝缘性能好的氧化锆陶瓷制作。在中挤压杆7、液压柱Ⅰ8、液压柱Ⅱ9、顶杆2和旋转盘3上介入电极，可以实现挤压过程电场辅助晶粒细化，底座101与地面连接且绝缘。本发明能做圆柱型材，不用拆卸挤压装置。拆卸挤压装置能制造筒型材、水杯型材、及轴截面为H型的回转体型材。

[0032]图8为本发明实施例中晶粒细化扭转搅拌摩擦轨迹示意图;参见图8所示，晶粒挤压流程：从起点24到第一拐点25为中挤压腔11内运行，以轴向压力为主。从第一拐点25到第二拐点26为从中挤压腔11过渡到剪切挤压腔12，晶粒空间轨迹由轴向转为水平切向流动。在剪切挤压腔12内晶粒的运行轨迹为涡旋运行轨迹27，涡旋运行轨迹27的外侧边缘沿轴向为梯度渐变节距螺旋线28，剪切挤压腔12内晶体细化为金属毛坯的轴向扭转剪切力为主。从第三拐点29到第四拐点30为从剪切挤压腔12过渡到扭转摩擦搅拌挤压腔14，晶粒空间轨迹由水平切向转为轴向流动。从第四拐点30到终点31为在扭转摩擦搅拌挤压腔14内运行，扭转摩擦搅拌挤压腔14的晶体细化为金属毛坯的轴向压力和扭转剪切力耦合为主。

[0033]具体地，涡旋运行轨迹27为径向由内到外速度逐渐加快，摩擦剪切力逐渐变大，摩擦激烈;梯度渐变节距螺旋线28沿轴向远离旋转盘3方向速度逐渐变慢，摩擦剪切力逐渐变小，节距逐渐变大。

[0034]本发明在外环挤压腔内金属流动方向与旋转摩擦面斜交，且在工艺流程中可以实现斜交角度的渐变，有助于材料产生轴向压缩、切向剪切变形与应变，细化晶粒效果显著，显著提高材料的力学性能、塑性及韧性，改善材料的强度、硬度、疲劳性能和抗腐蚀性能。

[0035]本发明通过循环多次正反向往复挤压，完成高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化摩擦，全工艺过程挤压腔梯度渐变，因此有效避免金属开裂，探寻优化挤压效率。筒和圆柱状的挤压工艺含有背压，有效避免金属开裂。本发明具有等径转角金属结晶细化的所有公开文件所记载的有益效果，在此不再赘述。

[0036]本发明的另一实施例中，提供一种利用如上实施例中的装置提高金属材料强韧性能的挤压方法，包括以下步骤：

步骤S1：挤压腔位置初始化，剪切挤压腔12和扭转摩擦搅拌挤压腔14的空间为零，顶杆2与旋转盘3的上表面平齐，中挤压杆7在高位;

步骤S2：金属毛坯通过芯模23上部的侧向腰孔2301进料，金属毛坯落入中挤压腔11内;

步骤S3：液压伺服控制中挤压杆7挤压金属毛坯;

步骤S4：顶杆2与旋转盘3同步下降，使金属毛坯逐渐挤压进入到剪切挤压腔12和扭转摩擦搅拌挤压腔14内;

步骤S5：挤压环22上升;同时，顶杆2和旋转盘3逐渐下降，且旋转盘3回转;中挤压腔11对金属毛坯继续垂直挤压，剪切挤压腔12对金属毛坯进行层状剪切挤压，扭转摩擦搅拌挤压腔14对金属毛坯进行高压扭转晶粒细化摩擦搅拌;

步骤S6：挤压环22继续上升到设定位置，同时中挤压杆7下降到设定位置后，逆向运行步骤S5;

步骤S7：重复步骤S5和步骤S6到指定循环工艺次数;

步骤S8;剪切挤压腔12和扭转摩擦搅拌挤压腔14的空间为零;中挤压杆7在高位，顶杆2将纳米晶粒圆柱状成品顶到侧向腰孔2301处，出料;

步骤S9;对纳米晶粒圆柱状成品进行宏观力学特性检测和微观材料学检测。

[0037]以上步骤能做很多挤压工艺不同的纳米晶粒圆柱状成品，高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化的摩擦环境可以在线调节，有效研究高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化的摩擦环与超声波辅助加工、工艺温度及辅助电场等的表征关系，每个循环都需要经过高压扭转的线速度较高区域，因此晶粒均匀性较好、工作效率较高，进而获得挤压效率优化的工艺参数。

[0038]本发明通过循环多次正反向反复挤压，完成高压扭转金属剧烈塑性变形内部晶粒细化摩擦，全工艺过程挤压腔梯度渐变，因此有效避免金属开裂，探寻优化挤压效率，具有高压扭转金属结晶细化的减少材料浪费、成型精度高的优点。

[0039]本发明提供的一种提高金属材料强韧性能的挤压装置及方法，能够显著细化晶粒，提高材料的力学性能，采用高压扭转法在变形体的高度方向施加压力，同时在横截面上施加扭矩，通过这种轴向压缩和切向剪切变形的组合作用，实现对金属材料的塑性变形。这种方法能够显著细化晶粒，使材料的微观组织更加均匀。最终零件的微观组织和力学性能主要受高径比、扭转角速度、挤压速度、静水压力、摩擦系数及温度等工艺参数影响。这种方法在生产块体亚微米、纳米细晶材料方面具有显著优势，能够大幅度提高传统材料的性能，具有广阔的应用前景。

[0040]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

说明书附图(8)