CN104607487A - 一种二维函变连续变截面型材挤压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种二维函变连续变截面型材挤压方法，解决在长度方向呈函数变化的连续变截面构件成形技术。通过协调承力活模、成型活模与挤压杆之间的快速响应配合运动，实现对长径比较大而且横界面形状沿着型材长度方向发生较大变化零件的可控连续变截面精确成型。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属型材加工方法，具体涉及一种二维函变连续变截面型材挤压方法。
背景技术
随着工业装备轻量化要求日趋强烈，使得近年来铝合金与镁合金在交通运输行业、电子工业、医疗领域、军事工业和航空航天领域上有了广泛应用。但是，如果直接将轻金属材料直接与钢制零件进行简单的材料替换，那么轻金属材料较低的综合强度和刚度将难以满足原零件使用要求，这就需要对轻金属材料施以大幅度塑性变形提高强度，以及高效率低耗能的零件结构成型工艺来保证轻金属武器部件性能可靠和成本可控。特别是对于长径比较大、横界面形状沿着型材长度方向发生较大变化的零件，如果采用铸造方法生产，则零件性能不能满足使用要求，如果采用模锻工艺生产，则会因为多道次锻造加工而造成成本明显增加以及零件变形难以校正。
如果能在对轻金属材料进行热塑性变形细化晶粒的同时，通过伺服装置实现函数控制沿型材轴线分布的不同横截面的形状来获得具有均匀组织、成型流线连续的变截面型材，那么将会获得强度高、刚度好以及后续加工少的零件坯料，这对促进轻合金材料在工业装备上的广泛应用有重要现实意义。
随着国内外针对变截面型材研究的不断深入，很多该领域的挤压加工技术相继发明公布。如中国专利CN 103551415.A中提到的一种金属材料变截面挤扭成形装置及方法，该专利方法能制备高性能的金属材料，但是该专利中说述模具内部成形控制区域较长，使得挤压加工阻力显著增加，易造成模具寿命降低、型材表面缺陷增多和粘模现象增加。
在中国专利CN 102430609.B提及了一种用于管材的等通道变截面挤压成形方法，该专利所述成形方法流畅高效，通过在挤压模具中改变物料的流动方向和形状来实现细化组织提高强度的目的。但是该方法仅能成形产品形状单一，不能保留变截面流线组织与形状，在进行大批量多截面形状零件生产时，成本较高。
而中国专利CN 103480682.A中所述的一种阶变截面挤压成形方法，不仅成功实现了挤压过程中变截面形状的保留；而且沿着挤压方向截面逐渐减小，型材表面质量较好。但是此方法仅能实现预制简单截面的挤压成形，对于需要具有连续分布呈函数曲线变化表面的型材，该方法难以保证成形精度；并且在工程上只能成型长度较短变截面型材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维函变连续变截面型材挤压方法，解决在长度方向呈函数变化的连续变截面构件成形技术。通过协调承力活模、成型活模与挤压杆之间的快速响应配合运动，实现对长径比较大而且横界面形状沿着型材长度方向发生较大变化零件的可控连续变截面精确成型。
本发明所述的一种二维函变连续变截面型材挤压方法主要通过以下几个步骤实现：
1.将合金原料（变形铝合金或者变形镁合金）经机加工呈预制坯料尺寸；
2.将预制坯料在该合金热挤压温度区间内保温1-3小时；
3.将挤压筒与成型模具温度控制在预制合金坯料挤压温度区间以下20℃范围内；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕。即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模0.5-1秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模0.5-1秒。
4.根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量(Y1)与挤压时间（t1）呈线性变化，即以承力活模a与成型活模c起始处与最大位移处的中点为基线，控制承力活模a与成型活模c的前进和后退位移量与挤压时间都呈预设函数关系变化；设置承力活模b与成型活模d的位移量(Y2)与挤压时间（t2）呈线性变化，即以承力活模b与成型活模d起始处与最大位移处的中点为基线，控制承力活模b与成型活模d的前进和后退位移量与挤压时间都呈预设函数关系变化。
5.将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模起到精确定位和控制型材表面质量的作用。
6.当挤压杆到达最大挤压行程前3-5秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.通过精确控制模具成型型腔二维形状，能实现变截面型材的横截面形状按照预设函数程序连续变化，变截面型材长度不受挤压模具和设备吨位限制，解决了现有技术中变截面型材形状简单，长度受到模具尺寸限制的问题。
2.通过成型活模和承力活模的精确配合运动，能实现在变截面型材在有限长度内横截面形状周期性变化和无重复变化，既能完成高性能工业装备零部件坯料周期性连续挤压成型，也适用于试验用构件的快速开发。
3.通过挤压杆、成型活模和承力活模的精确配合运动，实现挤压过程省力、尺寸控制精确和截面变化无滞后。即在挤压成型过程中，首先让承力活模对预制坯料进行大幅度预变形，以降低成型活模的受力，然后用成型活模的精确定位来保证变截面型材横截面形状的准确性和连续性。
4.本发明所需设备简单，无需改造热挤压机，生产效率高，生产过程易于控制，特别适合与高性能变形构件快速开发。
附图说明
图1是本发明方法的整体结构主要部件结构全剖示意图；
图2是二维函变连续变截面型材挤压初始态结构示意图；
图3是二维函变连续变截面型材挤压成型过程中的结构示意图；
图4是实施例所述的二维函变连续变截面型材宏观照片。
实施例1
1. 将2024铝合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
2. 将预制坯料在该450-470℃温度区间内保温2小时；
3. 将挤压筒与成型模具温度控制在430-450℃；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕。即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模1秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模1秒。
4. 根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈线性变化，即设置承力活模a与成型活模c由外向内和由内向外都呈均匀移动；设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈线性变化，即设置承力活模b与成型活模d由外向内和由内向外都呈均匀移动。
5. 将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在1.5-2.5m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模主要起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模主要起到精确定位和控制型材表面质量的作用。
6. 当挤压杆到达最大挤压行程前5秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
实施例2
1. 将6061铝合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
2. 将6061铝合金预制坯料在500-520℃温度区间内保温1.5小时；
3. 将挤压筒与成型模具温度控制在490-500℃；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕。即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模0.5秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模0.5秒。
4. 根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈正弦函数变化，设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈正弦函数变化。
5. 将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在3-3.5m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模主要起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模主要起到精确定位和控制型材表面质量的作用。
6. 当挤压杆到达最大挤压行程前3秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
实施例3
1. 将AZ31镁合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
2. 将AZ31镁合金预制坯料在380-390℃温度区间内保温1小时；
3. 将挤压筒与成型模具温度控制在370-480℃内；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕。即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模0.75秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模0.75秒。
4. 根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈线性变化，设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈线性变化，并设定其滞后承力活模a与成型活模c完成单次进给的时间；即当承力活模a与成型活模c完成第一次进给运动时，承力活模b与成型活模d才开始进行第一次进给运动。
5. 将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在4-6m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模主要起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模主要起到精确定位和控制型材表面质量的作用。
6. 当挤压杆到达最大挤压行程前3秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
实施例4
1. 将AZ80A镁合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
2. 将AZ80A镁合金预制坯料在400-410℃温度区间内保温3小时；
3. 将挤压筒与成型模具温度控制在390-400℃；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕。即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模1秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模1秒。
4. 根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈正弦函数变化，设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈线性变化。
5. 将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在1-1.5m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模主要起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模主要起到精确定位和控制型材表面质量的作用。
6. 当挤压杆到达最大挤压行程前4秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
Claims (5)
1.一种二维函变连续变截面型材挤压方法，其特征在于：
第一步：将合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
第二步：将预制坯料在该合金热挤压温度区间内保温1-3小时；
第三步：将挤压筒与成型模具温度控制在预制合金坯料挤压温度区间以下20℃范围内；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕；
即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模0.5-1秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模0.5-1秒；
第四步：根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；
第五步：将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模起到精确定位和控制型材表面质量的作用；
第六步：当挤压杆到达最大挤压行程前3-5秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
2.如权利要求1所述的一种二维函变连续变截面型材挤压方法：其特征在于：
第一步：将2024铝合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
第二步：将预制坯料在该450-470℃温度区间内保温2小时；
第三步：将挤压筒与成型模具温度控制在430-450℃；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕；
即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模1秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模1秒；
第四步：根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈线性变化，即按照由外向内均匀移动；设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈线性变化，也按照由外向内均匀移动；
第五步：将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在1.5-2.5m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模起到精确定位和控制型材表面质量的作用；
第六步：当挤压杆到达最大挤压行程前5秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
3.如权利要求1所述的一种二维函变连续变截面型材挤压方法：其特征在于：
第一步：将6061铝合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
第二步：将6061铝合金预制坯料在500-520℃温度区间内保温1.5小时；
第三步：将挤压筒与成型模具温度控制在490-500℃；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕；
即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模0.5秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模0.5秒；
第四步：根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈正弦函数变化，设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈正弦函数变化；
第五步：将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在3-3.5m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模起到精确定位和控制型材表面质量的作用；
第六步：当挤压杆到达最大挤压行程前3秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
4.如权利要求1所述的一种二维函变连续变截面型材挤压方法：其特征在于：
第一步：将AZ31镁合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
第二步：将AZ31镁合金预制坯料在380-390℃温度区间内保温1小时；
第三步：将挤压筒与成型模具温度控制在370-480℃内；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕；
即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模0.75秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模0.75秒；
第四步：根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈线性变化，设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈线性变化，并设定其滞后承力活模a与成型活模c完成单次进给的时间；即当承力活模a与成型活模c完成第一次进给运动时，承力活模b与成型活模d才开始进行第一次进给运动；
第五步：将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在4-6m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模起到精确定位和控制型材表面质量的作用；
第六步：当挤压杆到达最大挤压行程前3秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
5.如权利要求1所述的一种二维函变连续变截面型材挤压方法：其特征在于：
第一步：将AZ80A镁合金原料经机加工呈预制坯料尺寸；
第二步：将AZ80A镁合金预制坯料在400-410℃温度区间内保温3小时；
第三步：将挤压筒与成型模具温度控制在390-400℃；并将运动控制伺服装置与承力活模及成形活模调试完毕；
即保证承力活模a与承力活模b的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙大于零；保证成型活模c与成型活模d的最大间隙小于模具内腔尺寸，最小间隙等于模具横截面方向最小尺寸；保证成形活模在向内进给时滞后相配合承力活模1秒，保证成形活模在向外退出时超前相配合承力活模1秒；
第四步：根据制备零件尺寸变化设置各承力活模与成型活模运动轨迹；设置承力活模a与成型活模c的位移量与挤压时间呈正弦函数变化，设置承力活模b与成型活模d的位移量与挤压时间呈线性变化；
第五步：将预热完成的预制坯料放入挤压筒中，先使用挤压杆将预制坯料顶入挤压筒一段距离，然后退出挤压杆，将挤压垫放入挤压筒中，随即使挤压杆推动预制坯料沿着挤压筒向前做定截面挤出成型；制品挤出速度控制在1-1.5m/min；当定截面型材前段穿过模具挤出口外的导向夹具后，伺服机构驱动各承力活模与成型活模根据预设函数变化做相应进给和退回运动；其中承力活模起到对预制坯料的变形面进行预变形和承载挤压力的作用，而成型活模起到精确定位和控制型材表面质量的作用；
第六步：当挤压杆到达最大挤压行程前4秒内，各承力活模与成型活模执行退回运动，并在挤压杆到达最大挤压行程前退回原位；当挤压杆到达最大行程时，挤压杆运动停止，随后执行退出挤压筒运动；在挤压杆退出挤压筒型腔后，挤压筒和剪料钳配合剪除挤压垫与模具之间的预制坯料。
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