[發明專利]一種可重復使用的熱致壓力模具

無效

• 申請號: 201210003884.7
• 申請日: 2012-01-08
• 公開（公告）號: CN102529145A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 韓明;楊延清;趙娜;羅賢;馮宗強
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B30B15/02
• 分類號: B30B15/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

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于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，申請人于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，后又于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制作的最后階段對模具材料作鉆孔和車削等機加工，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，為了盡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，由于熱致壓力裝置內部能夠產生GPa級的壓力，如圖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會發生變形，如圖2至圖4所示，這會導致兩個后果：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，往往需要采用機械剖開模具取出樣品；2)采用上述三個專利的設計方案，使用后模具的變形都是不均勻的，即使不解剖模具，不均勻變形后的模具也不能重復使用。

此外，為了獲得更高的熱致壓力并且更有效地增大模具內部型腔的體積，有必要采用高強度的模具材料，盡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，提高模具的重復使用率。

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，從而確保模具的重復使用性。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：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，孔的四個棱角處需切割成倒角。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；在內模具側面垂直于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，孔的四個棱角處需切割成倒角，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，先將樣品置于內模具中心孔內，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后，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，然后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，位于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于對型腔內部壓力的要求，倒角尺寸取決于對防止應力集中的要求。為了防止由于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，采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)外模具厚度應大于內模具的厚度，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后是不受任何約束的，要求前者的壁厚必須小于后者的壁厚，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后，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，熱膨脹系數比樣品低，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；