[发明专利]一种可重复使用的热致压力模具

说明书

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GPa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；2)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匀的，即使不解剖模具，不均匀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匀变形，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匀，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匀变形。

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；