CN108555052B - 一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法及成形模具 - Google Patents

一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法及成形模具 Download PDF

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Abstract

一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法及成形模具，属于金属塑性加工技术领域。坯料首先经过挤压环上的双侧变通道结构实现两次大转角剪切变形，其次经过左凹模及右凹模的圆角筋结构实现多次小转角剪切变形，最终获得细化晶粒并通过大塑性变形量实现筋板类构件强塑变挤压成形。成形模具包括：与压力机上部结构连接的上模具组件、与压力机下部结构连接的下模具组件、组合式凹模、挤压筒和挤压环。本发明方法能极大地细化材料晶粒且配合成形模具能实现高精度筋板件的一次性成形。另外，成形模具的凸模、挤压筒、挤压环和组合式凹模等关键零件均可根据成形零件尺寸进行更换尺寸，可实现不同尺寸零件的成形并有效控制成形过程的塑性变形量和延长模具的使用寿命。

Description

一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法及成形模具
技术领域
本发明属于金属塑性加工技术领域，涉及一种筋板类构件挤压成形方法及模具，具体是指一种加工高性能筋板类零件的挤压方法及成形模具。
背景技术
超细晶金属构件兼具优异强度和良好塑性等优越性能，是超细晶金属材料推广应用和高性能零部件制造的重要途径之一。传统热锻和等温锻造等可在成形金属的同时细化其组织和消除铸造缺陷，获得较优的力学性能。然而，传统热加工由于存在变形不均匀，变形量较小，难以获得较为均匀的超细晶组织，在充分挖掘材料性能潜力方面还存在不足。细晶强化是提高材料强韧化效果的主要方法。强塑性变形技术，具有很好的细晶强化能力，可以直接将金属的内部组织细化至亚微米乃至纳米级，已经被认为制备块体超细晶材料有效方法。近几年，强塑性变形技术得到了迅速的发展，主要有等通道转角挤压、高压扭转、往复挤压等。强塑变技术主要用于制备具备细晶组织的坯料，经过强塑变工艺得到的坯料在经过后续的热成形(热挤压、热锻和等温锻等)时原有的细小晶粒会长大而失去细晶强化的优势，导致强塑变工艺制备细晶组织的作用减弱甚至消失。强塑变可获取细晶组织，而热挤压能实现零件的成形，前者可保障细晶强化性能而后者保障形状尺寸精度。因而综合考虑两个工艺的优势，将两个工艺复合的强塑变挤压成形可实现一个工艺过程“形性”的精确控制。
随着我国航空、航天工业的快速发展，对筋板类零件的性能提出了很高的要求，筋板类零件广泛应用于航空航天等领域，迫切需要发展其高性能构件的先进成形方法，以满足整体减重和高性能的迫切要求，如何找到一种有效提高筋板类零件性能且能广泛应用的成形方法是亟待解决的技术难题。因而本发明提供一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形方法及模具，适用于筋板类构件一体化成形成性，达到零件高性能和轻量化的需求。本发明提出的强塑变成形方法对于实现高性能零件的塑性加工具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形方法及模具用来成形高性能筋板类构件，本发明基于“等通道转角挤压”原理，提出了一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形方法：坯料首先经过挤压环上的双侧变通道结构实现两次大转角剪切变形，其次经过左凹模及右凹模的圆角筋结构实现多次小转角剪切变形，通过多次剪切变形，使金属内部原本粗大的组织不断破碎，同时剧烈变形使金属内部位错等各种缺陷密度急剧增殖，位错的运动与重组导致大角度晶界的形成，最终形成细化晶粒，以获得大塑性变形量实现筋板类构件强塑变挤压成形。
一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法，其特征在于：坯料首先经过挤压环上的双侧变通道结构实现两次大转角剪切变形，其次经过左凹模及右凹模的圆角筋结构实现多次小转角剪切变形，最终获得细化晶粒并通过大塑性变形量实现筋板类构件强塑变挤压成形。
进一步地，坯料应预热至成形温度T1，并保温一定时间，随后将预热好的坯料放入已预热到坯料成形温度T1的成形模具中，最后以一定的挤压速度V1完成强塑变挤压过程。
进一步地，为了避开模具和坯料加热速度差，避免坯料长时间加热而引起晶粒长大，该成形方法需要分别预热模具和坯料至相同温度T1，挤压过程是在恒温箱内完成的，使模具和坯料的温度始终保持所需的温度，以降低坯料的变形抗力，实现筋板类构件的强塑变挤压成形。
进一步地，挤压材料适用于镁合金、铝合金、钛合金等难变形轻质金属材料。
本发明的一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形模具，包括与压力机上部结构连接的上模具组件、与压力机下部结构连接的下模具组件、组合式凹模、挤压筒以及挤压环。上模具组件包括与压力机的上部结构连接的上模座、垫板和上模座套。凸模上端放入上模座套并通过连接机构和上模座固定连接。组合式凹模包括上凹模和下凹模，上凹模由左凹模和右凹模组成，下凹模由凹模板和下侧凹模组成。上凹模模腔、下凹模模腔、挤压筒和挤压环共同组成挤压型腔。下模具组件包括与压力机的下部结构连接的下模板和连接压板。组合式凹模安装在连接压板与下模板之间。
上述成形模具的关键零件(凸模和组合式凹模零件)均可更换尺寸或者形状并进行替换。挤压环两侧设有一次大转角R1和二次大转角R2，可实现坯料变形过程的两次剪切变形，以实现晶粒细化；调整挤压环参数尺寸，以有效控制成形过程的塑性变形量。可以根据坯料的尺寸及形状特征，更换不同通道尺寸及形状的挤压筒，同时更换相应尺寸及形状的凸模，实现挤压不同尺寸和形状的坯料；可以更换不同厚度的凹模板以及不同尺寸和形状组合式凹模来控制不同的挤压比，获得多种尺寸的挤压成形筋板件并效控制成形过程的塑性变形量，实现挤压高性能筋板类构件成形，延长模具的使用寿命。
本发明的优点有：
(1)直接用于筋板类构件的成形，可以发挥强塑变挤压优势保障细晶组织性能，同时保证筋板类构件的超细晶组织和高性能使用要求。
(2)挤压环上的双侧变通道结构实现两次大转角剪切变形；同时，左凹模及右凹模的圆角筋结构实现多次小转角剪切变形，实现多次剪切变形，累积塑性大变形量，细化晶粒能力强。
(3)成形模具结构简单且成形精度高，关键零件均可更换尺寸并进行替换。
(4)可广泛应用于镁合金、铝合金、钛合金等难变形金属的筋板构件的成形制造。
附图说明
图1为本发明的一种镁合金薄壁筋板构件双侧变通道强塑变挤压成形模具示意图；
图2为本发明的挤压环示意图，其中I为挤压环局部放大图；
图3为本发明可成形的一种镁合金薄壁筋板构件的三维图；
附图1标记：1顶杆、2下模板、3凹模板、4下侧凹模、5左凹模、6连接压板、7上模座套、8垫板、9上模板、10凸模、11挤压筒、12坯料、13挤压环、14右凹模。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，以一种镁合金薄壁筋板构件双侧变通道强塑变挤压成形方法并结合附图进行详细描述。实施例包含了镁合金薄壁筋板类构件的成形，仅仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，对于铝合金、钛合金筋板类构件，本发明也普遍适用。
如图1所示，所述的一种镁合金薄壁筋板构件双侧变通道强塑变挤压成形模具，其使用步骤为：
第一步：通过螺栓将上模座套7、凸模10和垫板8固定在上模板9上；
第二步：将下模板2、上模板9分别固定到压力机上，凹模板3和下侧凹模4放入下模板2的凹槽中；
第三步：将左凹模5固定在下凹模上，挤压环13从右凹模14的位置沿下凹模型腔推入上凹槽中，右凹模14装入下凹模后，插入定位销以定位右凹模14与下侧凹模4；
第四步：将挤压筒11装入挤压环13中，连接压板6沿挤压筒11装入，通过4个螺栓将左凹模5、右凹模14、凹模板3、下侧凹模4、挤压筒11以及挤压环13固定在一起；
第五步：对坯料12进行预热至成形温度350～400℃并保温1h(均匀化退火处理)，使其晶粒分布更加均匀。同时加热模具至坯料12成形温度350～400℃，将坯料12置于挤压筒11中。在坯料12表面和模具内壁涂抹油基石墨作为润滑剂，以减小挤压过程中接触部位的摩擦力；
第六步：压力机开始向下加载，挤压凸模10对坯料12进行挤压，使坯料12在组合凹模腔内流动转角挤压变形，坯料12上端受凸模10向下的挤压作用，坯料12下端的金属先经墩粗变形径向流动，然后金属开始沿着凹模壁向下凹模两侧方向流动而形成筋板件；
第七步：压力机停止向下加载，挤压完成后将连接压板6与下模板2连接处的紧固螺栓卸下，用紧固螺栓将连接压板6与上模板9连接，压力机向上加载，向上直线运动，带动挤压凸模10向上移动与成形板件脱离，上模具组件带动连接压板6，并使组合凹模脱离，将挤压成形的板件从组合凹模中取出。用顶杆1将成形件从凹模板3顶出。
需要特别指出的是，挤压环13上端口开30°～60°的倒角，且和挤压筒11的下端口的倒角大小相等，以便两者能完全配合，保证凸模10在挤压模具中顺利进行。挤压环13两侧设有一次大转角R1和二次大转角R2，如图2所示，可实现坯料变形过程的两次剪切变形，以实现晶粒细化；调整挤压环13不同参数尺寸，如圆角R1、R2大小，以有效控制成形过程的塑性变形量。
可以更改凹模板3的厚度，可以实现薄壁筋板件的直接成形，薄壁筋板件的最薄厚度仅为原始坯料12厚度的0.1倍。可以更改左凹模5和右凹模14的尺寸，可以实现不同尺寸镁合金筋板类构件的直接成形，如图3所示。

Claims (8)

1.一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法，其特征在于：坯料首先经过挤压环上的双侧变通道结构实现两次大转角剪切变形，其次经过左凹模及右凹模的圆角筋结构实现多次小转角剪切变形，最终获得细化晶粒并通过大塑性变形量实现筋板类构件强塑变挤压成形；
坯料应预热至成形温度T1，并保温一定时间，随后将预热好的坯料放入已预热到坯料成形温度T1的成形模具中，最后以一定的挤压速度V1完成强塑变挤压过程；成形温度T1为200-450℃，保温时间0.5-2h，挤压速度为10-300mm/min。
2.根据权利要求1所述的一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法，其特征在于：为了避开模具和坯料加热速度差，避免坯料长时间加热而引起晶粒长大，该成形方法需要分别预热模具和坯料至相同温度T1，挤压过程是在恒温箱内完成的，使模具和坯料的温度始终保持所需的温度，以降低坯料的变形抗力，实现筋板类构件的强塑变挤压成形。
3.根据权利要求1所述的一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压方法，其特征在于：挤压材料适用于镁合金、铝合金、钛合金难变形轻质金属材料。
4.一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形模具，其特征在于包括与压力机上部结构连接的上模具组件、与压力机下部结构连接的下模具组件、组合式凹模、挤压筒以及挤压环；上模具组件包括与压力机的上部结构连接的上模座、垫板和上模座套；凸模上端放入上模座套并通过连接机构和上模座固定连接；组合式凹模包括上凹模和下凹模，上凹模由左凹模和右凹模组成，下凹模由凹模板和下侧凹模组成；上凹模模腔、下凹模模腔、挤压筒和挤压环共同组成挤压型腔；下模具组件包括与压力机的下部结构连接的下模板和连接压板；组合式凹模安装在连接压板与下模板之间；
挤压环两侧各设有一次大转角R1和二次大转角R2，可实现坯料变形过程的两次剪切变形，以实现晶粒细化；调整挤压环参数尺寸，以有效控制成形过程的塑性变形量。
5.根据权利要求4所述的一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形模具，其特征在于：根据坯料的尺寸及形状特征，更换不同通道尺寸和形状的挤压筒和凸模；同时，根据成形零件尺寸更换组合式凹模，实现不同尺寸筋板类构件的成形。
6.如权利要求4所述的一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形模具的使用方法，其特征在于：其使用步骤为：
第一步：通过螺栓将上模座套(7)、凸模(10)和垫板(8)固定在上模板(9)上；
第二步：将下模板(2)、上模板(9)分别固定到压力机上，凹模板(3)和下侧凹模(4)放入下模板(2)的凹槽中；
第三步：将左凹模(5)固定在下凹模上，挤压环(13)从右凹模(14)的位置沿下凹模型腔推入上凹槽中，右凹模(14)装入下凹模后，插入定位销以定位右凹模(14)与下侧凹模(4)；
第四步：将挤压筒(11)装入挤压环(13)中，连接压板(6)沿挤压筒(11)装入，通过4个螺栓将左凹模(5)、右凹模(14)、凹模板(3)、下侧凹模(4)、挤压筒(11)以及挤压环(13)固定在一起；
第五步：对坯料(12)进行预热至成形温度350～400℃并保温1h，使其晶粒分布更加均匀；同时加热模具至坯料(12)成形温度350～400℃，将坯料(12)置于挤压筒(11)中；在坯料(12)表面和模具内壁涂抹油基石墨作为润滑剂，以减小挤压过程中接触部位的摩擦力；
第六步：压力机开始向下加载，挤压凸模(10)对坯料(12)进行挤压，使坯料(12)在组合凹模腔内流动转角挤压变形，坯料(12)上端受凸模(10)向下的挤压作用，坯料(12)下端的金属先经墩粗变形径向流动，然后金属开始沿着凹模壁向下凹模两侧方向流动而形成筋板件；
第七步：压力机停止向下加载，挤压完成后将连接压板(6)与下模板(2)连接处的紧固螺栓卸下，用紧固螺栓将连接压板(6)与上模板(9)连接，压力机向上加载，向上直线运动，带动挤压凸模(10)向上移动与成形板件脱离，上模具组件带动连接压板(6)，并使组合凹模脱离，将挤压成形的板件从组合凹模中取出；用顶杆(1)将成形件从凹模板(3)顶出。
7.如权利要求5所述的一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形模具的使用方法，其特征在于：挤压环(13)上端口开30°～60°的倒角，且和挤压筒(11)的下端口的倒角大小相等，以便两者能完全配合，保证凸模(10)在挤压模具中顺利进行；挤压环(13)两侧设有一次大转角R1和二次大转角R2，能实现坯料变形过程的两次剪切变形，以实现晶粒细化；调整挤压环(13)不同参数尺寸，以有效控制成形过程的塑性变形量。
8.如权利要求5所述的一种筋板类构件双侧变通道强塑变挤压成形模具的使用方法，其特征在于：更改凹模板(3)的厚度，能实现薄壁筋板件的直接成形，薄壁筋板件的最薄厚度仅为原始坯料(12)厚度的0.1倍；更改左凹模(5)和右凹模(14)的尺寸，能实现不同尺寸镁合金筋板类构件的直接成形。
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