CN104588428A - 镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了镁合金杯形构件环形通道转角挤压成形模具及方法，该模具主要采用组合式凹模，包括“U”字形下凹模和“T”字形上凹模，“T”型上凹模的中间为长“丨”字形型腔，“T”形上凹模安装在“U”形下凹模上，形成回转体型腔的截面形状为“山”字形。将坯料放入“山”字形组合凹模的中间的“丨”字形型腔内，坯料上端受凸模挤压，下端的金属先是经历镦粗变形径向流动，随着镦粗变形的继续，金属开始反挤压变形，沿着凹模壁轴向流动，形成杯形构件的筒壁。本发明采用环形通道转角挤压变形，极大地提高了镁合金材料的成形能力，获得高致密结构，细化组织效果显著，降低性能异向性，缩短了高性能的镁合金杯形件制造流程。

Description

镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形模具及方法

技术领域

本发明属于金属塑性加工工艺及成形技术领域，具体的说是一种用于镁合金材料挤压成形与改性的技术，特别涉及镁合金杯形构件的成形与强韧化的环形通道转角挤压成形装置及方法。

背景技术

随着航空航天、国防军工、交通运输等领域的飞速发展，迫切需要采用高强韧轻质构件来实现轻量化，其中杯形构件为最具代表性的结构形式之一。镁合金密度小(为铝的2/3、钛的1/2)，是最轻的金属结构材料，具有良好的比强度、比刚度、导热导电性、电磁屏蔽性、阻尼减震性等优点，广泛应用于航空航天、交通运输、国防军工等领域。镁合金铸造产品力学性能低，满足不了承力构件的要求；塑性成形可大幅提高镁合金构件的力学性能，已成为国内外研究热点。镁合金为密排六方晶体结构、塑性差，成形易开裂，并且传统反挤压成形的镁合金杯形构件，周向和轴向的抗拉强度相差30％左右。添加稀土元素的高强耐热镁合金，由于具有良好的高温性能，在航空航天、国防军工领域具有更好的应用前景；但由于成分偏析和夹杂严重，较常规镁合金塑性更差，成形更易开裂，传统反挤压成形的杯形构件的各向强度差异更加明显。传统挤压是比较成熟的工艺，但是晶粒细化效果不明显。等径角挤压(ECAP)工艺是一种通过强烈变形而获得大尺寸亚微米或纳米级块体材料的方法之一。ECAP工艺原理为：将横截面尺寸与模具通道尺寸几乎相等的块体材料放进润滑良好的通道入口，在外加载荷的作用下，试样被压入两通道的交截处时，试样内部发生近似理想的纯剪切变形。目前ECAP研究大多着眼于形状简单的管材或棒材，且是挤压工件横截面保持不变，而在镁合金杯形构件ECAP挤压生产方面的研究较少。本发明是在现有的SPD工艺基础上特别是ECAP工艺和工业反挤压改进后而设计的新工艺和模具。

发明内容

本发明的主要目的是针对镁合金杯形构件的成形与强韧化，提出镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形模具，该成形模具能有效改善镁合金的成形性、提高镁合金晶粒细化效果、降低镁合金杯形构件性能异向性，缩短镁合金杯形构件的制造流程。

同时，本发明还相应提供镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形方法。

本发明通过以下技术方案实现：

镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，包括与压机的上部结构连接上模具组件、与压机的下部结构连接下上模具组件以及组合式凹模；所述的上模具组件包括与压机的上部结构连接的上模座套垫板，上模座套垫板的下部连接上模座套，在上模座套中心放置挤压冲头；所述的组合式凹模包括“T”形上凹模、“U”形下凹模，“T”形上凹模的中间为长“|”字形型模腔，“U”形下凹模中间形成回转体型腔，“T”形上凹模安装在“U”型下凹模的回转体型腔内，回转体型腔和“|”字形型模腔共同组成的截面形状为“山”字形挤压腔。

所述的“T”形上凹模的底部水平端面与侧端面各带有一个环形凸台。

所述的“T”形上凹模上端沿周向等间距加工水平方向孔，内部竖直方向加工通道贯穿至底部，作为润滑剂流动通道。

所述的截面形状为“山”字形挤压腔的底面环形通道与侧面环形通道等间距。

所述的的下模具组件包括与压机的下部结构连接的下模座套，下模座套、下垫板从上到下固定在下模板上形成整体，所述的组合式凹模安装在下模座套上。

所述的的组合式凹模安装在下模座套的腔体内，“T”形上凹模上端与下模座套结合处通过锥面固定。

所述的下垫板和下模板的中部设有与组合式凹模底部的贯通孔相通的顶杆通孔，所述的顶杆为“T”形，大直径的“T”形头部置于贯通孔中，小直径杆身置于顶杆通孔中；所述的冲头、贯通孔、顶杆通孔、组合凹模、下模座套位于同一中心轴线；所述的顶杆以来回伸缩的方式从贯通孔中进入模腔或从模腔退入到贯通孔中。

所述的压机上部结构通过螺钉与上模座套垫、下模座套连接，在螺钉上安装弹簧，位于下模座套上端与上模座套垫板之间。

利用上述环形通道转角挤压模具挤压镁合金杯形构件环形通道转的方法，步骤：

(1)、棒材下料；

(2)、均匀化热处理，形成镁合金毛坯；

(3)、成形准备：将镁合金毛坯加热到成形温度并保温，并将环形通道转角挤压模具整体预热至镁合金坯料成形温度以上并保温，将环形通道转角挤压模具装配在压力机上，并从“山”字形组合凹模的中间长“|”字形型模腔的腔口开始，往“|”字形型模腔内注入一定的油剂石墨润滑剂；将经过均匀化处理的镁合金毛坯放入“山”字形组合凹模的中间长“|”字形型腔；

(4)、成形过程：挤压凸模对镁合金毛坯进行挤压，使镁合金毛坯在环形通道转角挤压模具的截面形状为“山”字形挤压腔内流动挤压变形，镁合金毛坯上端受圆柱形挤压凸模的作用，镁合金毛坯下端的金属先是经历镦粗变形径向流动，随着镦粗变形的继续，金属开始反挤压变形，沿着凹模壁轴向流动，形成镁合金杯形构件的筒壁。

进一步，挤压成形完成后：将下模座套与下垫板、下模板连接处紧固螺钉卸下，将压机上工作台停止加载并向上直线运动，带动挤压冲头向上移动与镁合金杯形构件脱离，上模具组件带动下模座套与组合凹模脱离，通过液压机的顶出缸对顶杆的作用，将挤压成形的镁合金杯形构从组合凹模中顶出。

本发明主要是采用组合式凹模结构，“T”形上凹模安装在“U”形下凹模上，形成回转体型腔的截面形状为“山”字形，使金属先是经历镦粗变形径向流动，随着镦粗变形的继续，金属开始反挤压变形，沿着凹模壁轴向流动，提高了镁合金材料的成形能力，获得高致密结构，细化组织效果显著，降低挤压件性能异向性，能挤压成形任意高度的坯料，缩短了高性能的镁合金杯形构件的制造流程。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明整体组合模具挤压成形示意图一；

图2是本发明整体组合模具挤压成形示意图一；

图3是本发明整体组合模具的上模具组件装配示意图；

图4是本发明整体组合模具的组合式凹模装配示意图；

图5是本发明挤压成形的镁合金杯形构件示意图；

图6是本发明整体组合模具的下模具组件装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

如图1～图2所示，本发明镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具10，包括与压机的上部结构连接上模具组件20、与压机的下部结构连接下上模具组件40以及组合式凹模30。

如图1、图2、图3所示，所述的上模具组件20包括与压机(图中未显示)的上部结构连接的上模座套垫板21，上模座套垫板21的下部连接上模座套22，在上模座套22中心放置挤压冲头23。

如图1、图2、图4所示，组合式凹模30包括“T”形上凹模32，“U”形下凹模33，“T”形上凹模32的中间为长“|”字形型模腔31，其底部水平端面34与侧端35面各带有一个环形凸台36、37，“U”形下凹模33形成回转体型腔38，“T”形上凹模22安装在“U”型下凹模33的回转体型腔38内，“U”型下凹模33的回转体型腔38和T”形上凹模32的“|”字形型模腔31共同组成的截面形状为“山”字形挤压腔，其底面环形通道39与侧面环形通道381等间距。在“T”形上凹模32上端沿周向等间距加工水平方向孔321，内部竖直方向加工通道322贯穿至底部，作为润滑剂流动通道。

如图1、图2、图6所示，所述的的下模具组件40包括与压机(图中未显示)的下部结构连接的下模座套41，下模座套41、下垫板42从上到下通过紧固螺钉61和销钉62固定在下模板45上形成整体，组合式凹模30安装在下模座套41的腔体43内，“T”形上凹模32上端与下模座套41结合处通过锥面44固定(如图1、图2、图4所示)。

如图1、图2、图6所示，所述的下垫板42和下模板45的中部设有与组合式凹模30底部的贯通孔46相通的顶杆通孔47，所述的顶杆48为“T”形，大直径的“T”形头部481置于贯通孔46中，小直径杆身482置于顶杆通孔47中；所述的冲头23、贯通孔46、顶杆通孔47、组合凹模30、下模座套41位于同一中心轴线；所述的顶杆48以来回伸缩的方式从贯通孔46中进入模腔31或从模腔31退入到贯通孔46中(如图4所示)。

如图1、图2所示，压机上部结构(图中未显示)通过螺钉63与上模座套垫板21、下模座套41连接。在螺钉63上安装弹簧64，位于下模座套41上端与上模座套垫板21之间。

一种利用上述环形通道转角挤压模具10挤压镁合金杯形构件环形通道转的方法，步骤：

(1)、棒材下料；

(2)、均匀化热处理，形成镁合金毛坯50；

(3)、成形准备：将环形通道转角挤压模具10整体预热至镁合金坯料成形温度30～50℃以上保温2h，并将镁合金毛坯50加热到成形温度保温2～4h，将环形通道转角挤压模具10装配在压力机上，并从“山”字形组合凹模30的中间长“|”字形型模腔31的腔口开始，往“|”字形型模腔31内注入一定的油剂石墨润滑剂；将经过均匀化处理的镁合金毛坯50加热到300℃～400℃，放入“山”字形组合凹模30的中间长“|”字形型腔31；

(4)、成形过程：挤压凸模23以0.5～5mm/s的轴向运动速度对镁合金毛坯50进行挤压，使镁合金毛坯50在环形通道转角挤压模具10的截面形状为“山”字形挤压腔内流动挤压变形，直至获得所需形状的镁合金杯形构件51(如图5所示)。下模座套41上端弹簧64受力压缩，挤压下模座套41，下模座套41通过锥面44对挤压组合凹模30施加压力，抵消挤压过程中坯料对组合凹模30的反向作用力。挤压成形完成后，将下模座套41与下垫板42、下模板45连接处紧固螺钉62卸下。将压机上工作台(图未视出)停止加载并向上直线运动，带动冲头23向上移动与镁合金杯形构件51脱离，上模具组件的紧固螺钉63带动下模座套64与组合凹模30脱离。通过液压机的顶出缸(图未视出)对顶杆48的作用，将挤压成形的镁合金杯形构件51从组合凹模30中顶出。

如图5所示，本发明涉及的镁合金杯形构件51的外径为D，内径为d，镁合金杯形构件51加工之前的挤压件在环形通道转角挤压成形时的金属流动分区包括已变形区、圆柱镦粗变形区、剪切变形区、挤压变形区，杯壁52为已变形区，杯底53为圆柱镦粗变形区，杯底53的中部杯腔底部54为剪切变形区，杯底53的外部杯腔底部55为挤压变形区，杯底与杯壁的连接处56为剪切变形区。

本发明所采用的镁合金杯形构件51的采用组合式凹模30，在组合凹模30的底部水平端面34与侧端35面各加工出一个一定尺寸的环形凸台36、37。主要作用是对进入水平的底面环形通道39和侧面环形通道381内的金属施加挤压，增大变形。这是由于金属微观组织为拉长的细长晶粒，这些晶粒通过速度不连续通道上表面，承受剪切应力，当剪切应力大于金属剪切强度时，晶粒破碎，从而发生晶粒的细化。

如图1、图4所示，图以外径278mm，内径242mm的杯形件为例，镁合金毛坯50的尺寸为高H＝300mm，直径D₁＝136mm。“T”形上凹模32上端沿轴向等径开设4～8个水平孔321，并且在上凹模竖直方向开设4～8个润滑通道322，水平孔321与润滑通道322联通。“T”形上凹模32内侧圆角半径取值5mm左右，外侧工作带圆角半径取值3mm左右；“T”形上凹模32的端面34所设凸台36与水平面夹角a从有利与金属流动与提供尽可能大挤压力的角度考虑，取值范围可为35°～45°，高度为5mm左右。“U”形下凹模33圆角半径R取15mm左右，以方便实现金属产生大的剪切变形。在回转体型腔38的拐角处设置等径角通道，特征是：底面环形通道39与侧面环形通道381等间距，取10mm。其中，底面环形通道39为环形凸台挤压变形区，侧面环形通道381为“T”形上凹模32工作带挤压变形区。

本发明的一种镁合金杯形构件的环形通道转角挤压方法与镁合金杯形构件的传统反挤压成形相比较，具有实质性的技术特点和显著的效果是：

(1)提高了镁合金材料的成形能力：镁合金低塑性材料，在即使在高温下成形，也极易开裂。本挤压成形方法有效提高了挤压件的内部静水压力，可以极大程度提高镁合金材料的塑性。较传统反挤压变形，挤压件内部各点等效塑性应变值能大幅度提高。

(2)获得高致密结构，细化组织效果显著，降低挤压件性能异向性：本发明的环形通道转角挤压成形方法有效提高了挤压件的内部静水压力，通过改变镁合金材料内部应力应变状态产生了较大切应变量，可极大程度的焊合挤压件的内部孔隙、破碎变形体内部铸态组织、细化晶粒组织至亚微米级甚至纳米量级、形成具有大角晶界的细晶结构，大幅增强镁合金材料的形变强化效果。本挤压成形方法可以保证挤压件的组织均匀，降低挤压件性能异向性。

(3)缩短了高性能的镁合金杯形构件的制造流程：传统反挤压成形高性能镁合金杯形件前，坯料为细长圆柱体，必须通过多道次圆柱体镦粗制坯，本发明可以直接挤压成形高径比大于3的坯料而不发生失稳弯曲，从而省去镦粗工序。直接利用轴向压力和切向剪切的同时作用就可获得极大的塑性应变，这有助于破碎树枝状组织和碎化杂质、大幅增强镁合金材料的形变强化效果。

(4)能挤压成形任意高度的坯料：突破了等径角挤压成形只能用于制备管材或棒材工件的局限。

本发明为镁合金杯形构件提供了一种短流程、高性能的制造方法，也为制备镁合金超细晶材料提供了参考。随着新型武器装备的轻量化水平的提高以及战技指标(速度、可靠性、承载能力等)的日益提升，对于性能异向性小的镁合金高性能杯形构件的需求越来越大，本发明应用前景将越来越好。

Claims (10)

1.镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：包括与压机的上部结构连接上模具组件、与压机的下部结构连接下上模具组件以及组合式凹模；所述的上模具组件包括与压机的上部结构连接的上模座套垫板，上模座套垫板的下部连接上模座套，在上模座套中心放置挤压冲头；所述的组合式凹模包括“T”形上凹模、“U”形下凹模，“T”形上凹模的中间为长“|”字形型模腔，“U”形下凹模中间形成回转体型腔，“T”形上凹模安装在“U”型下凹模的回转体型腔内，回转体型腔和“|”字形型模腔共同组成的截面形状为“山”字形挤压腔。

2.如权利要求1所述的镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：所述的“T”形上凹模的底部水平端面与侧端面各带有一个环形凸台。

3.如权利要求1所述的镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：所述的“T”形上凹模上端沿周向等间距加工水平方向孔，内部竖直方向加工通道贯穿至底部，作为润滑剂流动通道。

4.如权利要求1所述的镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：所述的截面形状为“山”字形挤压腔的底面环形通道与侧面环形通道等间距。

5.如权利要求1所述的镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：所述的的下模具组件包括与压机的下部结构连接的下模座套，下模座套、下垫板从上到下固定在下模板上形成整体，所述的组合式凹模安装在下模座套上。

6.如权利要求5所述的镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：所述的的组合式凹模安装在下模座套的腔体内，“T”形上凹模上端与下模座套结合处通过锥面固定。

7.如权利要求5所述的镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：所述的下垫板和下模板的中部设有与组合式凹模底部的贯通孔相通的顶杆通孔，所述的顶杆为“T”形，大直径的“T”形头部置于贯通孔中，小直径杆身置于顶杆通孔中；所述的冲头、贯通孔、顶杆通孔、组合凹模、下模座套位于同一中心轴线；所述的顶杆以来回伸缩的方式从贯通孔中进入模腔或从模腔退入到贯通孔中。

8.如权利要求5所述的镁合金杯形构件的环形通道转角挤压模具，其特佂在于：所述的压机上部结构通过螺钉与上模座套垫、下模座套连接，在螺钉上安装弹簧，位于下模座套上端与上模座套垫板之间。

9.利用权利要求1所所述的环形通道转角挤压模具挤压镁合金杯形构件环形通道转的方法，步骤：

(1)、棒材下料；

(2)、均匀化热处理，形成镁合金毛坯；

(3)、成形准备：将镁合金毛坯加热到成形温度并保温，并将环形通道转角挤压模具整体预热至镁合金坯料成形温度以上并保温，将环形通道转角挤压模具装配在压力机上，并从“山”字形组合凹模的中间长“|”字形型模腔的腔口开始，往“|”字形型模腔内注入一定的油剂石墨润滑剂；将经过均匀化处理的镁合金毛坯放入“山”字形组合凹模的中间长“|”字形型腔；

(4)、成形过程：挤压凸模对镁合金毛坯进行挤压，使镁合金毛坯在环形通道转角挤压模具的截面形状为“山”字形挤压腔内流动挤压变形，镁合金毛坯上端受圆柱形挤压凸模的作用，镁合金毛坯下端的金属先是经历镦粗变形径向流动，随着镦粗变形的继续，金属开始反挤压变形，沿着凹模壁轴向流动，形成镁合金杯形构件的筒壁。

10.如权利要求9所述的镁合金杯形构件环形通道转的方法，其特征在于：挤压成形完成后：将下模座套与下垫板、下模板连接处紧固螺钉卸下，将压机上工作台停止加载并向上直线运动，带动挤压冲头向上移动与镁合金杯形构件脱离，上模具组件带动下模座套与组合凹模脱离，通过液压机的顶出缸对顶杆的作用，将挤压成形的镁合金杯形构从组合凹模中顶出。