CN104624692B - 镁合金材料的挤压成形模具系统及少无残料挤压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镁合金材料的挤压成形模具系统及少无残料挤压成形方法，采用专用镁合金材料的挤压成形模具系统进行，按照变形温度从高到低，挤压速率由大到小，且挤压模具的成形角β设计成90°～150°；包括采用坯料预成形模具进行镁合金铸坯的预挤压成形；然后在挤压成形模具系统凹模中进行挤压成形；最后，沿挤压轴同向转动180°，在成形角β为90°的挤压模具系统中，于挤压速率为5cm～8cm/min的条件下进行挤压变形。本发明克服了常规挤压变形后镁合金材料收得率低，同时屈强比下降的缺点，获得的镁合金材料屈曲强度比≥80%。

Description

镁合金材料的挤压成形模具系统及少无残料挤压成形方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金材料的挤压成形模具系统及成形方法，特别涉及一种镁合金材料的挤压成形模具系统及少无残料挤压成形方法。

背景技术

镁合金是比模量最高、比强度仅次之于钛合金的金属结构材料，并具有阻尼减震性能好、电磁屏蔽性能和切削加工性能优良等特点，被誉为“21世纪可绿色回收、不污染环境的清洁结构材料”，尤其是实现构件或零件的轻量化，具有不可替代的优势。随着高新武器装备、交通工具、电子产品等向轻量化、高性能、舒适性的发展，镁合金在航空航天、武器装备、汽车、电子等领域的使用量越来越大。在这些工业领域中使用的结构件要求“好用、管用、耐用”，目的追求更高的附加值，从而对镁合金材料成本控制较严，并对强度、塑性提出了更高的要求。

在镁合金成分设计中，通常考虑用相变强化、固溶强化及第二相强化方法提高其强度指标，但是合金元素在镁中固溶度低，并且在凝固温度以下没有相变发生，因此限制了镁合金强度的显著提高；镁属于密排六方晶体结构，在室温时只有一组基面滑移系可以开动，因而塑性较差，塑性加工性能不好，其应用范围受到了一定程度的限制，致使镁合金达不到铝合金应用的普及水平。

目前世界各国在这一领域的科技工作者都致力于改善或提高镁合金强度与塑性，同时降低其制造成本。根据经典的Hall-Petch理论可知，只有使镁合金晶粒细化到10μm以下时，才有可能大幅提高镁合金的塑性和强度，这样的镁合金材料才有利于后续的冷成形、等温成形，才能够塑性成形出不同规格、形状的高性能构件，拓宽镁合金的应用范围。据现有文献资料研究表明，深度塑性变形（如等通道挤压、扭转塑性变形等）有利于晶粒细化，提高材料的力学性能，但材料的利用率偏低，成本较高，镁合金材料的大规模应用受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是：在提高镁合金材料的强度和塑性性能指标的同时，如何提高材料的利用率和降低其制造成本，而提供一种镁合金材料挤压模具系统。本发明还提供所述镁合金材料的少无残料挤压成形方法，以提高镁合金材料的利用率和降低其制造成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种镁合金材料的挤压成形模具系统，包括坯料预成形模具和挤压成形模具；所述坯料预成形模具包括第一凸模及第一凹模，所述第一凸模下端面的圆弧R值为120mm～150mm；挤压成形模具，包括第二凸模、可更换的第一上凹模和第二上凹模，所述第二凸模的下端面的圆弧R值为120mm～150mm，所述第一上凹模的成形角α为90°～150°，所述第二上凹模的成形角β为90°～150°，其中，所述成形角β小于或等于成形角α。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种镁合金材料的少无残料挤压成形方法，针对不同的镁合金材料特性，采用上述镁合金材料的挤压成形模具系统进行，在特定变形温度、模具温度和挤压速率的范围内，按照变形温度从高到低，模具温度从高到低，挤压速率由大到小，且挤压模具的成形角α和β为90°～150°，β小于或等于成形角α；具体步骤包括：

1）采用坯料预成形模具，在将润滑剂涂抹到镁合金铸坯与坯料预成形模具的预挤压套筒的内表面之后，进行镁合金铸坯的预挤压成形；

其中，镁合金的挤压变形温度为t1为145℃～425℃，坯料预成形模具的温度T1为145℃～425 ℃，挤压速率V1为5cm～20cm/min，所述坯料预成形模具的温度T1与所述镁合金的变形温度t1相匹配，实现坯料的上端部形成圆弧R值为120cm～150mm的弧面，以减少后续挤压过程中的缩尾，提高挤压坯料组织均匀性；

2）将步骤1）制备好的坯料放入所述挤压成形模具的第一上凹模中，在将润滑剂涂抹到镁合金铸坯与第一上凹模的内表面之后，进行第一次挤压成形；

其中，镁合金的挤压变形温度为t2为145℃～425℃，挤压成形模具的温度T2为145℃～425 ℃，挤压速率V2为5cm～10cm/min；在第一凹模的成形角α为90°～150°中进行第一次挤压成形，所述挤压模具的温度T2与所述镁合金的变形温度t2相匹配；

3）将步骤2）挤压的镁合金坯料，沿挤压轴同向转动180°，在第二上凹模的成形角β为90°～150°的挤压成形模具中第二次挤压成形；

其中，镁合金的挤压变形温度t3为145℃～425℃，挤压模具的温度T3为145℃～425℃，挤压速率V3为5cm～8cm/min的条件下进行第二次挤压变形，即可进行少无残料的挤压成形，获得所需规格、性能的镁合金材料，所述第二上凹模的成形角β的角度小于或等于第一上凹模的成形角α的角度。

作为优化，所述步骤1）中，所述镁合金的的挤压变形温度t1为350±5℃，坯料预成形模具的温度T1为350±5℃，挤压速率V1为15cm～20cm/min。

作为优化，所述步骤2）中，所述镁合金的挤压变形温度t2为250±5℃，挤压模具的温度T2为250±5℃，挤压速率V2为5cm～10cm/min，挤压模具的成形角α为150°。

作为优化，所述步骤3）中，所述镁合金的挤压变形温度t2为200±5℃，挤压模具温度T3为200±5℃，挤压速率V3为5cm～8cm/min，挤压模具的成形角β为90°

作为优化，所述镁合金为AZ91D镁合金、AZ80镁合金、AZ61D镁合金、AZ31D镁合金，或ZK、AM系列镁合金。

作为优化，所述润滑剂选用按照质量百分含量为(5～25)%的纳米石墨和余量的汽缸油的混合物作为润滑剂，以涂抹到铸坯与挤压套筒表面进行挤压。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、镁合金材料的挤压模具结构简单，构思巧妙；通过将挤压模具系统的坯料预成形模具第一凸模下端面的圆弧R值设计为120mm～150mm，挤压成形模具第一上凹模的成形角α和第二上凹模的成形角β为90°～150°，克服了常规挤压变形后镁合金材料料头、料尾去除量大，同时克服镁合金坯料料尾收缩带来的组织不均、性能一致性差等缺点，以及挤压凹模寿命短的技术难题，其所制得的镁合金材料的收得率大于90%以上，实现少无残料挤压成形。将第一上凹模和第二上凹模设计为可更换的方式，节约了原材料，降低了制造模具的成本。

2、镁合金强度与塑性具有较好的匹配性：采用本发明所制得的镁合金材料兼具高强度、高塑性的特征，其所制得的镁合金材料的室温抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥320MPa，断后伸长率≥10%。并且，镁合金屈服强度不下降，克服了常规挤压变形后镁合金材料室温抗拉强度提高，但屈服比下降的缺点，屈曲强度比≥80%。

综上，本发明通过结合研究镁合金常规挤压变形过程中变形温度等因素对镁合金晶粒大小和力学性能的影响，从而得出：变形温度越低，细化效果越明显，变形后镁合金的强度越高，塑性越好。这一研究成果，通过降低挤压过程中变形温度、挤压速率，提高了镁合金的抗拉强度、屈曲强度比等性能指标。

附图说明

图1本发明坯料预成形模具一实施例示意图。

图2是本发明挤压成形模具一实施例的结构示意图。

图3是图2中第二上凹模的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

一、镁合金材料的挤压成形模：请参见图1至图3，本实施例的镁合金材料的挤压成形模具系统包括：坯料预成形模具和挤压成形模具。所述坯料预成形模具包括第一凸模11及第一凹模12，所述第一凸模11的下端面的圆弧R值为120mm～150mm。所述挤压成形模具，包括第二凸模21以及可更换的第一上凹模22a及第二上凹模22b，所述第二凸模21的下端面的圆弧R值为120mm～150mm，所述第一上凹模22a的成形角α为90°～150°，所述第二上凹模22b的成形角β为90°～150°，其中，所述成形角β小于或等于成形角α。具体地：

所述坯料预成形模具整体呈圆柱形，所述第一凸模11设于所述第一凹模12上且与所述第一凹模12凹凸配合，所述第一凹模12包括外壁以及位于外壁内的预挤压变形套筒，当镁合金铸坯置于预挤压变形套筒内后，所述第一凸模11的下端面向下抵，以对镁合金铸坯进行预挤压变形。所述第一凸模11的轴向长度远小于所述凹模12的轴向长度，所述第一凸模11的下表面呈向上拱起的圆弧，且所述第一凸模11的下表面的圆弧R值根据不同场合的需要可以设计为120mm～150mm中任意一点值。

所述坯料预成形模具还包括：

套设于所述第一凹模12上的凹模套13以及套设于所述第一凸模11上的第一凸模套14；设于所述第一凹模12和凹模套13下方的凹模垫15以及设于第一凸模11上方的第一凸模垫16；设于所述凹模垫15下方的第一下模板17以及设于第一凸模垫16上方的第一上模板18；以及

一第一顶杆19，与所述第一凹模12及第一凸模11同轴心，所述第一顶杆19由所述凹模垫15的上表面竖直向下延伸并贯穿所述第一下模板17的下表面，所述第一顶杆19的上端可穿入所述预挤变形压套筒内，所述第一顶杆19的下表面所在的水平面低于所述第一下模板17的下表面所在的水平面，在所述凹模垫15上设置有一用于防止所述第一顶杆19向下滑落的第一限位台。具体地：

在所述凹模垫15的中心位置处开设有一纵截面为T形的环形孔（下称T形孔），所述T形孔的上端孔径大于下端孔径；所述第一顶杆19的外形与所述T形孔的内径相匹配，以使得第一顶杆19的上端搁置于环形孔的上端，由于T形孔的下端内径小于上端内径，避免了第一顶杆19向下滑落。在所述第一下模板17的中心位置处开设有一个环形孔，以使得第一顶杆19的下端向第一下模板17的下方延伸。设置第一顶杆19的作用在于，当镁合金铸坯预变形完毕之后，使第一顶杆19向上推，以将镁合金铸坯推出坯料预成形模具外。此结构非常简单，工作人员通过该结构即可非常方便的将镁合金铸坯从坯料预成形模具中取出。

请参见图2及图3，所述挤压成形模具为少无残料挤压成形模具。本实施例中的挤压成形模具的两个上凹模可更换，即共用一个第二凸模21、下凹模23，当第一上凹模22a与第二凸模21及下凹模23配合，以对镁合金铸坯进行第一次挤压成形后，将第一上凹模22a从下凹模23拆卸后，将第二上凹模22b装设于所述下凹模23上，使第二上凹模22b与第二凸模21及下凹模23配合，以对镁合金铸坯进行第二次挤压成形。经过两次挤压成形后，即可实现镁合金材料的少无残料成形。

本实施例中，第一上凹模22a包括外壁221a以及位于外壁内的上凹模本体。所述上凹模本体包括上套筒222a、下套筒223a以及连接在上套筒222a和下套筒223a之间且呈喇叭状的连接筒224a，所述上套筒222a的内径大于下套筒223a的内径。上述第一上凹模22a的成形角α是指：喇叭状的连接筒224a的任意两个相对的壁之间的角度，作为优选的，所述第一上凹模22a的成形α设计为150°，可以理解的，在其他的实施例中，所述凹模的成形角α取90°～150°的任意一个数值。

所述第二上凹模22b与第一上凹模22a的结构相似，他们之间的不同处在于：本实施例的第二上凹模的成形角β为90°。

本实施例的挤压成形模具除了包括可更换的第一上凹模22a和第二上凹模22b之外，还包括共用的第二凸模21、下凹模23、下凹模垫24、第二上模板25、第二下模板26、第二顶杆27以及上凹模套28。所述第二凸模21包括套设于其外的第二凸模套以及设于其上的第二凸模垫；所述第二上模板25固定于所述第二凸模垫及第二凸模套的上表面。

所述上凹模套28的周壁上开设有多个过孔，所述过孔从上凹模套28的上表面贯穿至下表面；所述下凹模23包括外壁231以及其内的下凹模本体232，所述下凹模本体232与所述第一上凹模22a的下套筒223a和第二上凹模22b的下套筒相匹配。即它们的内径相匹配，各自的上、下端面相匹配。在所述下凹模23的上表面开设有用于与第一上凹模22a和第二上凹模22b螺纹配合的内螺纹槽，第一上凹模22a或第二上凹模22b的外壁的下端的外周面设有与所述内螺纹槽螺纹配合的外螺纹。如此，使得第一上凹模22a和第二上凹模22b可方便的进行更换。在所述下凹模23的上表面还开设有与上述过孔相匹配的固定孔，螺栓穿过上凹模套的28过孔以与所述固定孔固定。由于下凹模本体232与第一上凹模22a的下套筒223a及第二上凹模22b的下套筒相匹配，当第一上凹模22a或者第二上凹模22b装设于下凹模23的外壁231上时，上述下套筒能够与下凹模本体232无间隙配合，使得镁合金铸鉟成形度好，外形无痕迹。

所述下凹模垫24设于下模板之上，在下凹模垫24的上表面开设有内螺纹孔，用以使下凹模垫24螺纹配合。

所述第二顶杆27，与第一上凹模22a及下凹模23同轴心，或者与第二上凹模22b及下凹模23同轴心，所述第二顶杆27由所述下凹模垫24的上表面竖直向下延伸并贯穿所述第二下模板26的下表面，所述第二顶杆27的上表面高于所述下凹模垫24的上表面并且所述第二顶杆27的下表面的所在的水平面低于所述第二下模板26的下表面所在的水平面，在所述下凹模垫24上设置有一用于防止所述第三顶杆向下滑落的第二限位台。所述第二顶杆27与第一顶杆19的设置方式以及作用相似，此处便不再进行一一赘述。

本发明的挤压成形模具系统，模具结构简单，构思巧妙；通过将挤压模具系统的坯料预成形模具第一凸模下端面的圆弧R设计为120mm～150mm，挤压成形模具第一上凹模的成形角α和第二上凹模的成形角β为90°～150°，优选的，成形角β小于成形角α，如此，使得在第二次挤压成形中，成形角β的变小，它的成形角越小，使得镁合金铸坯的变形越剧烈，由第二上凹模向下凹模方向的流动越慢，进一步使得成形后的镁合金材料的晶料度更细化。本实施例的挤压成形模具系统减少坯料在挤压过程中的死角，同时又降低坯料与凹模间的摩擦力，提高材料的成形性与表面质量。克服了常规挤压变形后镁合金材料料头、料尾去除量大，同时克服镁合金坯料料尾收缩带来的组织不均、性能一致性差等缺点，以及挤压凹模寿命短的技术难题，其所制得的镁合金材料的收得率大于90%以上，实现少无残料挤压成形。

本发明的挤压成形模具系统，它的挤压成形模具仅需要设计两个可更换的第一上凹模及第二上凹模即可，该挤压成形模具的其它部分均共用，采用这种方式，节省了模具的原材料、降低了制造模具的成本。

二、实施例1：一种镁合金材料的少无残料挤压成形方法，针对不同的镁合金材料特性，采用上述镁合金材料的挤压成形模具系统进行，在特定变形温度和挤压速率的范围内，按照变形温度从高到低，挤压速率由大到小，且挤压模具的成形角α及成形角β控制在90°～150°，成形角β小于成形角α；具体步骤包括：

1）采用上述坯料预成形模具，在将润滑剂涂抹到镁合金铸坯与预挤压套筒的内表面之后，进行镁合金铸坯的预挤压成形；

其中，镁合金的挤压变形温度t1为145℃～425℃，坯料预成形模具的温度T1为145℃～425 ℃，挤压速率为V1为5cm～20cm/min，所述坯料预成形模具的温度T1与所述镁合金的变形温度t1相匹配，实现坯料的上端部形成圆弧R值为120mm～150mm的弧面，减少后续挤压过程中的缩尾，提高挤压坯料组织均匀性；

2）将步骤1）制备好的坯料放入所述挤压成形模具系统第一上凹模22a中，在将润滑剂涂抹到镁合金铸坯与第一上凹模22a的内表面之后，进行第一次挤压成形；

其中，挤压镁合金的挤压变形变形温度t2为145℃～425℃，挤压模具的温度T2为145℃～425℃，挤压速率为V2为5cm～10cm/min；在第一凹模的成形角α为90°～150°中进行第一次挤压成形，所述镁合金的变形温度t2小于或者等于t1、挤压速率V2小于或者等于V1、挤压模具的温度T2小于或者等于坯料预成形模具的温度T1，所述初步挤压模具的温度T2与所述镁合金的变形温度t2相匹配。

在本步骤中，当所述挤压速率V1为5cm/min时，所述挤压速率V2则与V1相等，即挤压速率V1和V2的下限均不低于5cm/min；当所述挤压速率V1不为下限时，所述挤压速率V2可以与V1相等，作为优选，在此情况下，挤压速率V2小于V1。例如：在对镁合金铸坯预挤压成形中，若挤压速率V1为15cm/min，那么，在对镁合金铸坯的初步挤压成形中，挤压速率V2则可为5cm～15 cm/min范围内任何一个点值。同样的，变形温度t2和t1的关系与上述V2和V1的关系相同，T2与T1的关系与上述V2和V1的关系相同，此处便不再进行一一赘述。

3）将步骤2）挤压的镁合金坯料，沿挤压轴同向转动90°，在第二上凹模22b的成形角β为90°～150°的挤压成形模具中第二次挤压成形；

其中，镁合金的挤压变形温度t3为145℃～425℃，挤压模具的温度T3为145℃～425 ℃，挤压速率V3为5cm～8cm/min的条件下进行第二次挤压变形，即可进行少无残料的挤压成形，获得所需规格、性能的镁合金材料；挤压速率V3小于或者等于V2、镁合金的变形温度t3小于或者等于t2、挤压模具的温度T3小于或者等于初步挤压模具的温度T2，所述挤压模具的温度T3与所述镁合金的变形温度t3相匹配，所述第二上凹模的成形角β的角度小于或等于第一上凹模的成形角α的角度，优选的，所述第二上凹模的成形角β小于第一上凹模的成形角α的角度。

本步骤中，t3和t2的关系与t2和t1的关系相同，V3和V2的关系与V2和V1的关系相同，T3和T2的关系与T2和T1的关系相同，此处不一一赘述。

将步骤2）的镁合金坯料沿挤压轴同向转动180°是指：将镁合金坯料的顶面和底面互换，我们将步骤2）中的顶端称为第一端，底端称为第二端，那么，在步骤3）中，即使第一端朝下，使第二端朝上。采用该方法，使得镁合金坯料的两端均能够得到变形，使得变形更均匀，镁合金的合格率更高。

本实施例中，例如采用镁合金材料牌号为AZ91，材料半连续工艺制备的光棒，预挤压成形凸模圆弧R为150mm；将半连续铸态AZ91镁合金光棒锯切成尺寸为φ120×200mm的坯料，其平均晶粒尺寸为80μm，镁合金铸坯的力学性能分别为：室温抗拉强度为260MPa、屈服强度为200MPa、延伸率15%；

其中，润滑剂选用质量百分含量为5%～25%的纳米石墨和余量的汽缸油的混合物，将其涂抹到AZ91镁合金铸坯与挤压模具的挤压套筒表面，进行挤压变形。涂沫润滑剂的目的在于降低镁合金与预挤压变形套筒接触面的摩擦力，减缓了镁合金铸坯的边部和芯部的流动均匀性、防止模具表面拉伤，降低了设备的成形力。

具体实施过程式中，其工艺条件为：

①将镁合金铸坯加热至温度为350±5℃，坯料预成形模具加热至温度为350±5℃，于挤压速率为15cm～20cm/min的条件下进行挤压变形；

②将预挤压镁合金坯料加热至温度为250±5℃，挤压成形模具加热至温度为250±5℃，挤压模具的第一上凹模22a的成形角α为150°，于挤压速率为5cm～10cm/min的条件下进行挤压变形；

③在上述②挤压的镁合金坯料，沿挤压轴同向转动180°，放入挤压模具的成形角β为90°，于挤压速率为5cm～8cm/min的条件下进行挤压变形，其中，镁合金坯料温度为200±5℃，挤压成形模具温度为200±5℃°。

实验测试得知，经过上述3道次挤压变形后，该镁合金材料的抗拉强度≥400MPa，屈服强度≥350MPa，伸长率≥11%，材料利用率≥95%。

本发明中的预挤压模具，在预挤压过程中，使镁合金铸坯的上端面向上呈弧形凸起，如此，使得预挤压变形后的镁合金坯料不会成一凹涡状，增加了预挤压变形后的镁合金坯料的成品率。

综上，可看出挤压模具与所述初步挤压模具的区别仅在于成形角β与成形角α的取值不同。使镁合金材料在成形角β中的挤压模具进行再次挤压的目的在于：经过两次挤压，使得镁合金的变形程序增大，在挤压模具中，由于成形角β的角度小于成形角α的角度，它的成形角越小，使得镁合金铸坯的变形越剧烈，由第二上凹模22b向下凹模方向的流动越慢，进一步使得成形后的镁合金材料的晶料度更细化。

本发明中，除选用AZ91D镁合金外，还可以适于AZ80镁合金、AZ61D镁合金或AZ31D镁合金，当然，对于其他的镁合金，例如其他ZK、AM系列镁合金等亦可适应。

本发明实施例，通过三个模具使镁合金经过预挤压变形、第一次挤压成形、第二次挤压成形三个步骤，在两个模具中，它们的凸模的下端表面均呈向上拱起的弧形，使得每一个过程中，镁合金铸坯不会呈中部向下的凹涡状，使得最终成形后的镁合金材料成品率高。

本发明方法通过结合研究镁合金常规挤压变形过程中变形温度等因素对镁合金晶粒大小和力学性能的影响而得出：变形温度越低，细化效果越明显，变形后镁合金的强度越高，塑性越好。这一研究成果，通过降低挤压过程中变形温度、挤压速率，提高了镁合金的抗拉强度、屈曲强度比等性能指标。

实施例2：本实施例的镁合金材料的少无残料挤压成形方法包括：

（1）采用如图1所示的预挤压模具，镁合金材料牌号为AZ91，材料半连续工艺制备的光棒，预挤压成形的第一凸模圆弧R为150mm；

（2）将半连续铸态AZ91镁合金光棒锯切成尺寸为φ120×200mm的坯料，其平均晶粒尺寸为80μm，镁合金铸坯的力学性能分别为：室温抗拉强度为260MPa、屈服强度为200MPa、延伸率15%；

（3）选用质量百分含量为15%的纳米石墨和余量的汽缸油的混合物作为润滑剂，将其涂抹到AZ91镁合金铸坯与挤压模具的挤压套筒表面，进行挤压变形：

①将镁合金铸坯加热至温度为350±5℃，将如图1所示的预挤压模具加热至温度为350±5℃，于挤压速率为15cm～20cm/min的条件下进行预挤压变形；

②将预挤压镁合金坯料加热至温度为250±5℃，将如图2所示的初步挤压模具加热至温度为250±5℃，初步挤压模具的成形角α为150°，于挤压速率为5cm～10cm/min的条件下进行挤压变形；

③在上述②挤压的镁合金坯料，沿挤压轴同向转动90°旋转，放入如图3所示的挤压模具的成形角β为90°，于挤压速率为5cm～8cm/min的条件下进行挤压成形。

本实施例中，经过实验测试得知，经过上述3道次挤压变形后，该镁合金材料的抗拉强度≥400 MPa，屈服强度≥350MPa，伸长率≥11%，材料利用率≥95%。

实施例3：本实施例的镁合金材料牌号为AZ80，材料为半连续工艺制备的光棒，三个模具的凸模的下端表面的圆弧R为120mm；

（1）将半连续的镁合金坯料切成尺寸为φ100×200mm的坯料；

（2）选用质量百分含量为15%的纳米石墨和余量的汽缸油的混合物作为润滑剂，将其涂抹到AZ80镁合金铸坯与挤压模具的挤压套筒表面：

（3）将镁合金加热至温度为420±5℃，将如图1所示的预挤压模具加热至温度为420±5℃，于挤压速率为20cm/min的条件下进行预挤压变形；

（4）将镁合金加热至温度为370±5℃，将如图2所示的初步挤压模具加热至370±5℃，初步挤压模具的成形角α为100°，于挤压速率为5cm/min的条件进行初步挤压成形；

（5）将镁合金温度加热至270±5℃，将如图3所示的挤压模具加热至270±5℃，挤压模具的成形角β为90°，于挤压速率为5cm/min的条件进行初步挤压成形。

实施例4：本实施例的镁合金材料牌号为AZ31D，三个模具的凸模的下端表面的圆弧值为135 mm；

（1）将润滑剂涂抹到AZ80镁合金铸坯与挤压模具的挤压套筒表面，进行挤压变形：

（2）将镁合金加热至150±5℃，将如图1所示的预挤压模具加热至温度为150±5℃，于挤压速率为5cm/min的条件下进行预挤压变形；

（3）将镁合金加热至温度为150±5℃，将如图1所示的预挤压模具加热至温度为150±5℃，于挤压速率为5cm/min的条件下进行预挤压变形；

（4）将镁合金加热至温度为150±5℃，将如图2所示的初步挤压模具加热至150±5℃，以使初步挤压模具的温度与镁合金的温度相匹配，初步挤压模具的成形角α为90°，于挤压速率为5cm/min的条件进行初步挤压成形；

（5）将镁合金温度加热至150±5℃，将如图3所示的挤压模具加热至150±5℃，挤压模具的成形角β为90°，于挤压速率为5cm/min的条件进行初步挤压成形。

实施例5：本实施例的镁合金材料牌号为AZ61D，三个模具的凸模的下端表面的圆弧值为128 mm；

（1）将润滑剂涂抹到AZ61D镁合金铸坯与挤压模具的预挤压变形套筒表面，进行挤压变形：

（2）将镁合金加热至300℃，将如图1所示的预挤压模具加热至温度为300℃或者300℃±5℃，于挤压速率为12cm/min的条件下进行预挤压变形；

（3）将镁合金加热至温度为220℃，将如图1所示的预挤压模具加热至温度为220℃或者220℃±5℃，于挤压速率为10cm/min的条件下进行预挤压变形；

（4）将镁合金加热至温度为145℃，将如图2所示的初步挤压模具加热至145℃或者145℃±5℃，以使初步挤压模具的温度与镁合金的温度相匹配，初步挤压模具的成形角α为110°，于挤压速率为8cm/min的条件进行初步挤压成形；

（5）将镁合金温度加热至150±5℃，将如图3所示的挤压模具加热至150±5℃，挤压模具的成形角β为100°，于挤压速率为6cm/min的条件进行初步挤压成形。

可以理解的，上述实施例1至实施例5并不能完全例举本镁合金材料的少无残料挤压成形方法，因此，它们并不用于限制本挤压成形方法的范围，仅仅用于使本方法更为清楚。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种镁合金材料的挤压成形模具系统，包括坯料预成形模具和挤压成形模具；其特征在于：

所述坯料预成形模具包括第一凸模(11) 及第一凹模（12）；

所述挤压成形模具，包括第二凸模（21）以及可更换的第一上凹模（22a）及第二上凹模（22b），所述第二凸模（21）的下端面的圆弧R值为120mm～150mm；具体地：

所述坯料预成形模具整体呈圆柱形，所述第一凸模（11）设于所述第一凹模（12）上且与所述第一凹模（12）凹凸配合，所述第一凹模（12）包括外壁以及位于外壁内的预挤压变形套筒，当镁合金铸坯置于预挤压变形套筒内后，所述第一凸模（11）的下端面向下抵，以对镁合金铸坯进行预挤压变形；所述第一凸模（11）的轴向长度小于所述第一 凹模（12）的轴向长度，所述第一凸模（11）的下表面呈向上拱起的圆弧，且所述第一凸模（11）的下表面的圆弧R值根据不同场合的需要可以设计为120mm～150mm中任意一点值；

所述坯料预成形模具还包括：套设于所述第一凹模（12）上的凹模套（13）以及套设于所述第一凸模（11）上的第一凸模套（14）；设于所述第一凹模（12）和凹模套（13）下方的凹模垫（15）以及设于第一凸模（11）上方的第一凸模垫（16）；设于所述凹模垫（15）下方的第一下模板（17）以及设于第一凸模垫（16）上方的第一上模板（18）；以及

一第一顶杆（19），与所述第一凹模（12）及第一凸模（11）同轴心，所述第一顶杆（19）由所述凹模垫（15）的上表面竖直向下延伸并贯穿所述第一下模板（17）的下表面，所述第一顶杆（19）的上端可穿入所述预挤压变形 套筒内，所述第一顶杆（19）的下表面所在的水平面低于所述第一下模板（17）的下表面所在的水平面，在所述凹模垫（15）上设置有一用于防止所述第一顶杆（19）向下滑落的第一限位台；具体地：

在所述凹模垫（15）的中心位置处开设有一纵截面为T形孔，所述T形孔的上端孔径大于下端孔径；所述第一顶杆（19）的外形与所述T形孔的内径相匹配，以使得第一顶杆（19）的上端搁置于环形孔的上端，由于T形孔的下端内径小于上端内径，避免了第一顶杆（19）向下滑落；在所述第一下模板（17）的中心位置处开设有一个环形孔，以使得第一顶杆（19）的下端向第一下模板（17）的下方延伸；

所述挤压成形模具为少无残料挤压成形模具，所述挤压成形模具的两个上凹模可更换，即共用一个第二凸模（21）、下凹模（23），当第一上凹模（22a）与第二凸模（21）及下凹模（23）配合，以对镁合金铸坯进行第一次挤压成形后，将第一上凹模（22a）从下凹模（23）拆卸后，将第二上凹模（22b）装设于所述下凹模（23）上，使第二上凹模（22b）与第二凸模（21）及下凹模（23）配合，以对镁合金铸坯进行第二次挤压成形；经过两次挤压成形后，即可实现镁合金材料的少无残料成形；

其中，第一上凹模（22a）包括外壁（221a）以及位于外壁内的上凹模本体；所述上凹模本体包括上套筒（222a）、下套筒（223a）以及连接在上套筒（222a）和下套筒（223a）之间且呈喇叭状的连接筒（224a），所述上套筒（222a）的内径大于下套筒（223a）的内径；上述第一上凹模（22a）的成形角α是指：喇叭状的连接筒（ 224a） 的任意两个相对的壁之间的角度，所述第一上凹模（22a）的成形角 α设计为150°；

所述第二上凹模（22b）与第一上凹模（22a）的结构相似，第二上凹模的成形角β为90°；

所述挤压成形模具除了包括可更换的第一上凹模（22a）和第二上凹模（22b）之外，还包括共用的第二凸模（21）、下凹模（23）、下凹模垫（24）、第二上模板（25）、第二下模板（26）、第二顶杆（27）以及上凹模套（28）；所述第二凸模（21）包括套设于其外的第二凸模套以及设于其上的第二凸模垫；所述第二上模板（25）固定于所述第二凸模垫及第二凸模套的上表面；

所述上凹模套（28）的周壁上开设有多个过孔，所述过孔从上凹模套（28）的上表面贯穿至下表面；所述下凹模（23）包括外壁（231）以及其内的下凹模本体（232），所述下凹模本体（232）与所述第一上凹模（22a）的下套筒（223a）和第二上凹模（22b）的下套筒相匹配，即它们的内径相匹配，各自的上、下端面相匹配；在所述下凹模（23）的上表面开设有用于与第一上凹模（22a）和第二上凹模（22b）螺纹配合的内螺纹槽，第一上凹模（22a）或第二上凹模（22b）的外壁的下端的外周面设有与所述内螺纹槽螺纹配合的外螺纹；如此，使得第一上凹模（22a）和第二上凹模（22b）可方便的进行更换；在所述下凹模（23）的上表面还开设有与上述过孔相匹配的固定孔，螺栓穿过上凹模套（28）过孔以与所述固定孔固定；

所述下凹模垫（24）设于下模板之上，在下凹模垫（24）的上表面开设有内螺纹孔，用以使下凹模垫 （24）螺纹配合；所述第二顶杆（27），与第一上凹模（22a）及下凹模（23）同轴心，或者与第二上凹模（22b）及下凹模（23）同轴心，所述第二顶杆（27）由所述下凹模垫（24）的上表面竖直向下延伸并贯穿所述第二下模板（26）的下表面，所述第二顶杆（27）的上表面高于所述下凹模垫（24）的上表面并且所述第二顶杆（27）的下表面的所在的水平面低于所述第二下模板（26）的下表面所在的水平面，在所述下凹模垫（24）上设置有一用于防止所述第二顶杆向下滑落的第二限位台；所述第二顶杆（27）与第一顶杆（19）的设置方式以及作用相同。

2.一种镁合金材料的少无残料挤压成形方法，其特征在于，

（1）采用权利要求1所述挤压成形模具系统，镁合金材料牌号为AZ91，材料半连续工艺制备的光棒，预挤压成形的第一凸模圆弧R为150mm；

（2）将半连续铸态AZ91镁合金光棒锯切成尺寸为φ120×200mm的坯料，其平均晶粒尺寸为80μm，镁合金铸坯的力学性能分别为：室温抗拉强度为260MPa、屈服强度为200MPa、延伸率15%；

（3）选用质量百分含量为15%的纳米石墨和余量的汽缸油的混合物作为润滑剂，将其涂抹到AZ91镁合金铸坯与挤压成形模具的挤压套筒表面，进行挤压变形：

①将镁合金铸坯加热至温度为350±5℃，将所述坯料预成形模具加热至温度为350±5℃，于挤压速率为15cm～20cm/min的条件下进行预挤压变形；

②将预挤压镁合金坯料加热至温度为250±5℃，将所述挤压成形模具加热至温度为250±5℃，初步挤压成形模具的成形角α为150°，于挤压速率为5cm～10cm/min的条件下进行挤压变形；

③在上述②挤压的镁合金坯料，沿挤压轴同向转动90°旋转，放入所述挤压成型模具的成形角β为90°，于挤压速率为5cm～8cm/min的条件下进行挤压成形；

经过上述3道次挤压变形后，该镁合金材料的抗拉强度≥400 MPa，屈服强度≥350MPa，伸长率≥11%，材料利用率≥95%。

3.根据权利要求2所述镁合金材料的少无残料挤压成形方法，其特征在于，所述步骤②中，所述镁合金的挤压变形温度t2为250±5℃，挤压模具的温度T2为250±5℃，挤压速率V2为5cm～10cm/min，挤压模具的成形角α为150°。

4.根据权利要求2所述的镁合金材料的少无残料挤压成形方法，其特征在于：所述步骤③中，所述镁合金的挤压变形温度t3为200±5℃，挤压模具温度T3为200±5℃，挤压速率V3为5cm～8cm/min，挤压模具的成形角β为90°。

5.根据权利要求2所述镁合金材料的少无残料挤压成形方法，其特征在于，所述镁合金为AZ91D镁合金、AZ80镁合金、AZ61D镁合金、AZ31D镁合金，或ZK、AM系列镁合金。