CN109570253B - 一种镁/铝合金双金属复合管成形模具及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镁/铝合金双金属复合管成形模具及方法，属于金属塑性加工技术领域。该模具包括主轴、挤压垫片、挤压芯针、挤压筒内衬、挤压筒、挤压模、装模挤压轴、圆柱滚子轴承、推力轴承、齿轮A、齿轮B、套筒、齿轮箱、端盖A、端盖B、剪切装置。挤压成形过程为挤压筒、挤压筒内衬和主轴、挤压芯针同时向右运动实现挤压，另外通过齿轮A与齿轮B的传动实现装模挤压轴在挤压过程中的反复转动，挤压完成后通过剪切装置实现压余的切除。本发明结合高压扭转与挤压成形的优势，坯料同时受到挤压和扭转的作用，可降低金属流动阻力、坯料和模具的预热温度，改善复合管的界面质量及尺寸精度等。

Description

一种镁/铝合金双金属复合管成形模具及方法
技术领域
本发明涉及金属塑性加工技术领域，特别是指一种镁/铝合金双金属复合管成形模具及方法。
背景技术
镁合金密度小、比强度和比刚度高、阻尼性能和电磁屏蔽性能较好，在航空航天领域有较广的应用前景。但与铝合金相比，镁合金的防腐蚀性能、室温下的强韧性较差，在很大程度上制约了镁合金在上述领域的应用。基于复合材料的思路，以铝为衬套的镁/铝复合管作为一种新型轻量化结构，可以替代飞机、火箭等输运管路、支撑结构中传统的铝合金管，进一步实现飞机的轻量化。然而，关于挤压成形工艺在成形高性能复合管构件方面仍存在局限性。采用传统成形工艺成形的复合管构件，尽管可以成形，但得到的复合管界面质量差、尺寸精度不足，难以满足航空航天构件的高性能要求。因此，探索金属成形新方法得到高性能复合管构件是需要迫切解决的问题。
高压扭转工艺可以细化材料组织，改善复合界面的异种材料协调流动情况，而挤压工艺在增强材料流动的同时可以进一步细化晶粒而实现复合管的形性控制。因此，本发明综合考虑扭转和挤压工艺的优势，提出一种双金属复合管挤压成形的新方法实现对复合管的“形性”精确控制。新方法有望突破复合管的传统成形方法且能保证其具有好的界面质量与形状精度，进而满足复合管一体化成形及减重的需求。因此本发明提出的双金属复合管挤压成形方法对于实现高性能复合管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镁/铝合金双金属复合管成形模具及方法。
本发明结合高压扭转细晶与挤压成形的优势，坯料同时受到挤压和扭转的作用，首先坯料在挤压模的反复转动作用下发生剧烈剪切，改变了挤压作用下的应变路径，实现应变软化，变形更加均匀，且坯料与挤压模之间的滑动摩擦转为滚动摩擦，降低了摩擦力，从而大幅降低轴向挤压力和预热温度。其次，在剪切力和摩擦产生热量的作用下，晶粒细化效果显著，改善过渡区微观组织，改善复合管的界面质量。另外，通过周向旋转弱化了挤压模周向加工精度的影响，有利于双金属的协调变形，提高了成形件的尺寸精度。坯料在挤压模的扭转和挤压作用下，最终可成形高性能复合管件。模具主要分为成形装置、转动装置、卸料装置等。本发明可降低金属流动阻力、坯料和模具的预热温度，改善复合管的界面质量及尺寸精度等。
本发明中复合管的高性能由以下途径实现：复合管通过一次反挤压完成，金属塑性变形区小，死区高度小，金属流动均匀。同时挤压过程中的挤压模反复旋转，剧烈剪切作用使得变形更均匀，晶粒得到细化，改善过渡区微观组织；通过周向旋转弱化了挤压模周向加工精度的影响，有利于双金属的协调变形。两者的结合实现改善复合管的界面质量及尺寸精度。
本发明成形方法可以降低坯料和模具预热温度，可以避免坯料长时间加热而引起晶粒长大。本发明方法的挤压坯料适用于镁合金、铝合金等难变形轻质金属材料。
本发明模具包括成形装置、转动装置和剪切装置，其中成形装置包括主轴、挤压垫片、挤压芯针、挤压筒内衬、挤压筒、挤压模和装模挤压轴；转动装置包括圆柱滚子轴承、推力轴承、齿轮A、齿轮B、套筒、齿轮箱、端盖A和端盖B；挤压筒和齿轮箱安装在主轴上，挤压芯针端部外侧设置挤压垫片，挤压垫片外部设置挤压筒内衬，铝合金管坯位于挤压芯针外部，镁合金管坯位于铝合金管坯外部，镁合金管坯和铝合金管坯一端靠近挤压垫片，镁合金管坯和铝合金管坯另一端靠近挤压模，挤压垫片、挤压筒内衬、挤压模都位于挤压筒内，挤压筒外部设置剪切装置，挤压模后接装模挤压轴，齿轮A、齿轮B、套筒、推力轴承和圆柱滚子轴承安装在装模挤压轴上，装模挤压轴两端通过螺栓将端盖A和端盖B固定在齿轮箱中。
挤压模为可逆旋转，挤压模旋转的角度范围为±8-20°，挤压模转动频率范围为3-10Hz。
由于挤压模的模角对于挤压制品的尺寸精度和金属流动的均匀性具有很大影响，本发明中挤压模为锥模，锥度为45-60°。
装模挤压轴的工作长度比挤压筒长10mm，以保证工作中顺利将压余和挤压垫片推出挤压筒。
本发明成形方法为：挤压成形过程为挤压筒、挤压筒内衬和主轴、挤压芯针同时向右运动实现挤压，通过齿轮A与齿轮B的传动实现装模挤压轴在挤压过程中的反复转动，挤压完成后通过剪切装置实现压余的切除。
具体步骤如下：
S1：:将齿轮A安装于装模挤压轴，再将套筒、推力轴承、圆柱滚子轴承安装在装模挤压轴上，装模挤压轴两端通过螺栓将端盖A和端盖B固定在齿轮箱上；
S2：将挤压模与装模挤压轴过盈配合下装配；
S3：将挤压筒和挤压筒内衬过盈配合下装配，然后装在挤压筒座内，用键周向定位；
S4：将挤压芯针与主轴通过螺纹配合装配，并将挤压垫片套在挤压芯针上；
S5：对镁合金管坯和铝合金管坯预热至成形温度并保温0.5h，同时加热模具至与镁合金管坯和铝合金管坯相同的温度；
S6：在铝合金管坯外表面、镁合金管坯内表面、挤压模和挤压芯针壁涂抹油基石墨作为润滑剂，将制备好的镁合金管坯和铝合金管坯放入挤压筒内衬中；
S7：主轴和挤压筒向左同步移动，使挤压模对镁合金管坯和铝合金管坯进行挤压；
S8：装模挤压轴带动挤压模在一定的转动频率与角度范围内转动，镁合金管坯和铝合金管坯受挤压模的挤压作用，使镁合金管坯和铝合金管坯挤压复合变形，挤压模反复旋转，最终成形高性能复合管；
S9：挤压结束后，主轴向左移动，挤压筒及挤压筒内衬向右移动，装模挤压轴将压余和挤压垫片推出挤压筒，剪切装置切除压余。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)坯料在挤压模的反复转动作用下发生剧烈剪切，改变了挤压作用下的应变路径，实现应变软化，变形更加均匀，且坯料与挤压模之间的滑动摩擦转为滚动摩擦，降低了摩擦力，从而大幅降低轴向挤压力和预热温度。
(2)在剪切力和摩擦产生热量的作用下，晶粒细化效果显著，改善过渡区微观组织，改善复合管的界面质量。
(3)通过周向旋转弱化了挤压模周向加工精度的影响，有利于双金属的协调变形，提高了成形件的尺寸精度。
(4)可广泛应用于镁合金、铝合金等轻质金属管/复合管类构件的成形制造。
附图说明
图1为本发明的镁/铝合金双金属复合管成形模具结构示意图；
图2为本发明实施例中的挤压模示意图；
图3为本发明实施例中坯料的示意图；
图4为本发明实施例中挤压模与装模挤压轴的装配结构示意图；
图5为本发明实施例的镁/铝合金双金属复合管挤压成形结束时示意图。
其中：1-主轴；2-挤压垫片；3-挤压筒内衬；4-剪切分离装置；5-挤压模；6-装模挤压轴；7-圆柱滚子轴承；8-齿轮A；9-套筒；10-挤压芯针；11-镁合金管坯；12-铝合金管坯；13-挤压筒；14-端盖A；15-齿轮箱；16-齿轮B；17-推力轴承；18-端盖B；19-复合管。
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，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种镁/铝合金双金属复合管成形模具及方法。
如图1所示，该模具包括成形装置、转动装置和剪切装置4，其中成形装置包括主轴1、挤压垫片2、挤压芯针10、挤压筒内衬3、挤压筒13、挤压模5和装模挤压轴6；转动装置包括圆柱滚子轴承7、推力轴承17、齿轮A8、齿轮B16、套筒9、齿轮箱15、端盖A14和端盖B18；挤压筒13和齿轮箱15安装在主轴1上，挤压芯针10端部外侧设置挤压垫片2，挤压垫片2外部设置挤压筒内衬3，铝合金管坯12位于挤压芯针10外部，镁合金管坯11位于铝合金管坯12外部，镁合金管坯11和铝合金管坯12一端靠近挤压垫片2，镁合金管坯11和铝合金管坯12另一端靠近挤压模5，挤压垫片2、挤压筒内衬3、挤压模5都位于挤压筒13内，挤压筒13外部设置剪切装置4，挤压模5后接装模挤压轴6，齿轮A8、齿轮B16、套筒9、推力轴承17和圆柱滚子轴承7安装在装模挤压轴6上，装模挤压轴6两端通过螺栓将端盖A14和端盖B18固定在齿轮箱15中。
其中，如图2所示，挤压模5为可逆旋转，挤压模5旋转的角度范围为±8-20°，挤压模5转动频率范围为3-10Hz。挤压模5为锥模，锥度为45-60°，其中，挤压模5内径为d，外径为D。
下面结合具体实施例予以说明。
如图1所示，该镁/铝合金双金属复合管挤压成形模具，挤压坯料为镁、铝合金管材，如图3所示，其中，D1为镁合金管坯11外径，D2为铝合金管坯12外径，D3为铝合金管坯12内径。成形模具使用步骤为：
第一步：将齿轮A8安装于装模挤压轴，再将套筒9、推力轴承17、圆柱滚子轴承7安装在装模挤压轴6上，两端通过螺栓将端盖A14、端盖B18固定在齿轮箱15；
第二步：将挤压模5与装模挤压轴6过盈配合下装配，如图4所示；
第三步：将挤压筒13和挤压筒内衬3过盈配合下装配，然后装在挤压筒座内，用键周向定位；
第四步：将挤压芯针10与主轴1通过螺纹配合装配，并将挤压垫片2套在挤压芯针10上；
第五步：对镁合金管坯11、铝合金管坯12进行预热至成形温度并保温一定时间(均匀化退火处理)，使其晶粒分布更加均匀。同时加热模具至与镁合金管坯11、铝合金管坯12相同的温度；
第六步：在铝合金管坯12外表面、镁合金管坯11内表面、挤压模5和挤压芯针10壁涂抹油基石墨作为润滑剂，将制备好的镁合金管坯11、铝合金管坯12放入挤压筒内衬3中；
第七步：主轴1和挤压筒13向左同步移动，使得挤压模5对镁合金管坯11、铝合金管坯12进行挤压；
第八步：装模挤压轴6在一定的转动频率与角度范围内转动，镁合金管坯11、铝合金管坯12受挤压模5的挤压作用，使镁合金管坯11、铝合金管坯12复合变形，挤压模5的反复旋转使镁合金管坯11、铝合金管坯12受到扭转剪切作用，可获取细晶组织，改善复合管界面质量和尺寸精度，最终成形高性能复合管19，如图5所示。
第九步：挤压结束后，主轴1向左移动，挤压筒13及挤压筒内衬3向右移动，装模挤压轴6将压余和挤压垫片2推出挤压筒，剪切装置4切除压余。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种镁/铝合金双金属复合管成形模具，其特征在于：包括成形装置、转动装置和剪切装置(4)，其中成形装置包括主轴(1)、挤压垫片(2)、挤压芯针(10)、挤压筒内衬(3)、挤压筒(13)、挤压模(5)和装模挤压轴(6)；转动装置包括圆柱滚子轴承(7)、推力轴承(17)、齿轮A(8)、齿轮B(16)、套筒(9)、齿轮箱(15)、端盖A(14)和端盖B(18)；挤压筒(13)和齿轮箱(15)安装在主轴(1)上，挤压芯针(10)端部外侧设置挤压垫片(2)，挤压垫片(2)外部设置挤压筒内衬(3)，铝合金管坯(12)位于挤压芯针(10)外部，镁合金管坯(11)位于铝合金管坯(12)外部，镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)一端靠近挤压垫片(2)，镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)另一端靠近挤压模(5)，挤压垫片(2)、挤压筒内衬(3)、挤压模(5)都位于挤压筒(13)内，挤压筒(13)外部设置剪切装置(4)，挤压模(5)后接装模挤压轴(6)，齿轮A(8)、齿轮B(16)、套筒(9)、推力轴承(17)和圆柱滚子轴承(7)安装在装模挤压轴(6)上，装模挤压轴(6)两端通过螺栓将端盖A(14)和端盖B(18)固定在齿轮箱(15)中。
2.根据权利要求1所述的镁/铝合金双金属复合管成形模具，其特征在于：所述挤压模(5)为可逆旋转，挤压模(5)旋转的角度范围为±8-20°，挤压模(5)转动频率范围为3-10Hz。
3.根据权利要求1所述的镁/铝合金双金属复合管成形模具，其特征在于：所述挤压模(5)为锥模，锥度为45-60°。
4.根据权利要求1所述的镁/铝合金双金属复合管成形模具，其特征在于：所述装模挤压轴(6)的工作长度比挤压筒(13)长10mm。
5.采用权利要求1所述的镁/铝合金双金属复合管成形模具进行成形的方法，其特征在于：挤压成形过程为挤压筒(13)、挤压筒内衬(3)和主轴(1)、挤压芯针(10)同时向右运动实现挤压，通过齿轮A(8)与齿轮B(15)的传动实现装模挤压轴(6)在挤压过程中的反复转动，挤压完成后通过剪切装置(4)实现压余的切除。
6.根据权利要求5所述的镁/铝合金双金属复合管成形模具进行成形的方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1：将齿轮A(8)安装于装模挤压轴(6)，再将套筒(9)、推力轴承(17)、圆柱滚子轴承(7)安装在装模挤压轴(6)上，装模挤压轴(6)两端通过螺栓将端盖A(14)和端盖B(18)固定在齿轮箱(15)上；
S2：将挤压模(5)与装模挤压轴(6)过盈配合下装配；
S3：将挤压筒(13)和挤压筒内衬(3)过盈配合下装配，然后装在挤压筒座内，用键周向定位；
S4：将挤压芯针(10)与主轴(1)通过螺纹配合装配，并将挤压垫片(2)套在挤压芯针(10)上；
S5：对镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)预热至成形温度并保温0.5h，同时加热模具至与镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)相同的温度；
S6：在铝合金管坯(12)外表面、镁合金管坯(11)内表面、挤压模(5)和挤压芯针(10)壁涂抹油基石墨作为润滑剂，将制备好的镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)放入挤压筒内衬(3)中；
S7：主轴(1)和挤压筒(13)向左同步移动，使挤压模(5)对镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)进行挤压；
S8：装模挤压轴(6)带动挤压模(5)在一定的转动频率与角度范围内转动，镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)受挤压模(5)的挤压作用，使镁合金管坯(11)和铝合金管坯(12)挤压复合变形，挤压模(5)反复旋转，最终成形高性能复合管(19)；
S9：挤压结束后，主轴(1)向左移动，挤压筒(13)及挤压筒内衬(3)向右移动，装模挤压轴(6)将压余和挤压垫片(2)推出挤压筒(13)，剪切装置(4)切除压余。
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