CN110576070A - 镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具及其成型方法，所述模具包括凹模、挤压杆和挤压针，在凹模内设有相互连通的正向挤压腔、侧向挤压腔和凹模型腔；所述挤压杆包括正向挤压杆和侧向挤压杆，所述正向挤压杆的上端与液压机主缸相接，下端与正向挤压腔相配合，所述侧向挤压杆的一端与液压机的侧缸相接，另一端置于侧向挤压腔内，并与挤压针间隙配合；挤压针靠近凹模型腔的一端外形与凹模型腔相对应，并与凹模型腔之间形成管材成型腔；通过正向挤压杆对坯料正向挤压后，再通过侧向挤压杆将坯料向管材成型腔方向挤压。本发明得到的镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具及其成型方法能有效提升镁合金薄壁管材成型后的强度和韧性。

Description

镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具及其成型方法

技术领域

本发明涉及一种管材成型工艺，具体涉及一种镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具及其成型方法。

背景技术

镁合金具有密度小，比强度、比刚度高等一系列的特点。镁合金的强度和铝合金相差不大，因其密度较小，所以其比强度大大高于铝合金和钢，比刚度和铝合金相差不大。镁合金在铸造方面表现出优良的性能，镁合金制品的尺寸稳定性较好，适用于大批量生产。环保性使得镁合金倍受研发人员的青睐，被誉为21世纪最具发展潜力的绿色工程材料。

由于镁是密排六方结构，导致室温的塑性 变形能力较差。但通过挤压变形，试样受到三向应力的作用，能够发生显著的动态再结晶，而且极大地弱化织构，从而大幅度提高镁合金的室温强韧性。因此，挤压变形是制备优良的、高强韧性能镁合金的显著成形方法。挤压工艺具有工艺流程 简单、生产灵活性大、产品尺寸精度高、表面质量好等优点，可以生产高质量的棒材、管材、板材及型材等产品。

大塑性变形（SPD）技术是近些年来制备高性能镁合金管材最为有效地方法，到目前为止，国内外对SPD技术仍没有一个严格且准确的定义，它泛指通过特定的加工手段或路径使材料获得较大累积应变量实现高效强化的一类工艺方法。根据霍尔－佩奇经验公式可知，在一定晶粒尺寸范围内由于晶粒细化可促使材料强度增大，但晶粒尺寸细化到一定程度后，就不再是细晶强化这个单一机制在作用了，而是几种强化机制耦合作用起主导。SPD技术被材料界公认为是制备块体纳米或超 细晶材料最有前途方法之一，已广泛用于高性能的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料等制备过程中。同时，各种新型 SPD 技术提出后均是在纯铝、铜等材料上先得到验证，然后逐渐扩展到其它材料的。等通道转角挤压、往复挤压、高压扭转等为代表的镁合金SPD技术逐渐成为本领域的研究热点方向之一。

当前镁产业急需发展成批的高性能镁合金、先进低成本低能耗的原镁生产 技术、大尺寸超薄和复杂零部件生产的成套技术，尤其缺乏高性能镁合金薄壁管材的制造方法。传统镁合金成型工艺采用正向挤压成型，这种正向挤压生产过程，沿管材挤压方向形成的带状组织和强烈的基面织构，造成管材的各向异性从而降低成形管材的力学性能等一系列问题。且传统正挤压后形成的基面织构还很容易在薄管的二次加工中造成轻合金铸造组织中的缩孔、疏松等缺陷，使得管材尤其是薄管的加工精度变差。另外，传统挤压后的镁合金合金制件横向截面组织为等轴晶粒，挤压后的纵向截面组织变成细长晶粒，对其力学性能有较大的影响。基于上述原因，申请人欲设计一种能够对镁合金坯料进行双向挤压，且制作成本低，结构简单的模具。同时，结合SPD技术对模具成型工艺进行一定改进，使得成型后的镁合金薄壁管材成型后具有较高的强度和韧性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够对镁合金坯料进行双向挤压，且制作成本低，结构简单的模具，并针对传统镁合金薄壁管材成型工艺进行改进，提高镁合金薄壁管材成型后的强度和韧性的镁合金薄壁管材的成型方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具，包括凹模、挤压杆和挤压针，其特征在于，在凹模内设有相互连通的正向挤压腔、侧向挤压腔和凹模型腔，所述正向挤压腔呈竖向设置，侧向挤压腔和凹模型腔呈横向设置，且侧向挤压腔和凹模型腔同轴心并贯穿凹模，侧向挤压腔和凹模型腔的接通处位于正向挤压腔的正下方；所述正向挤压腔由上坯料容纳区和下缩颈区组成；所述挤压杆包括正向挤压杆和侧向挤压杆，所述正向挤压杆的下端与正向挤压腔的上坯料容纳区相配合，在使用过程中能够在液压机的主缸带动下上下移动并定位，所述侧向挤压杆靠近凹模的一端置于侧向挤压腔内，在使用过程中能够在液压机的侧缸带动下左右移动并定位；所述挤压针的一端套在侧向挤压杆内，与侧向挤压杆间隙配合，挤压针靠近凹模型腔的一端外形与凹模型腔相对应，并与凹模型腔之间形成管材成型腔，所述管材成型腔由由内至外依次联通的定径区、变径剪切区和成形区组成；通过启动液压机的主缸，可带动正向挤压杆挤压坯料经过上坯料容纳区和下缩颈区后，进入到部分侧向挤压腔内；通过启动液压机的侧缸可带动侧向挤压杆向管材成型腔方向移动，并将坯料向管材成型腔方向挤压，经管材成型腔被挤出后获得镁合金薄壁管材制品。这样，模具结构简单，主要由凹模和挤压针形成，挤压针与凹模通过一固定杆固定连接，并与凹模型腔一起形成管材成型腔，坯料的正向挤压和侧向挤压都在凹模内形成，模具的整体性好，强度高，能有效防止模具被挤裂，延长了模具使用寿命。同时，模具主要由凹模形成，节省了昂贵的钢模具的使用成本。所设置的正向挤压杆和侧向挤压杆能够带动坯料进行正向挤压后在进行侧向挤压，采用这种双向挤压后形成的镁合金管材能够消除在传统的正向挤压生产过程，沿管材挤压方向形成的带状组织和强烈的基面织构，造成管材的各向异性从而降低成形管材的力学性能等一系列问题。所设置的管材成型腔中包括变径剪切区，在坯料被挤压到该区域后，坯料形成剪切大塑性变形，能有效地促进动态再结晶发生，细化微观组织（晶粒），并弱化基面织构。

进一步的，所述变径剪切区由内经逐渐减少的第一剪切区和第二剪切区组成，第一剪切区与第二剪切区相接处采用圆角过渡。这样，坯料经过该区域时经过了两侧剪切变形，在很大程度上调控坯料内部织构，累计应变，促进动态再结晶过程，细化晶粒。

进一步的，在凹模四周还设有用于对凹模和坯料进行加热的加热装置，所述加热装置与外部电源电连接。这样，坯料不用在模具外加热，而是直接在模具内加热，能有效防止坯料热量的流失，精确把控坯料的成形温度。

进一步的，所述挤压针通过一固定杆穿过侧向挤压杆上端后与凹模固定连接，在侧向挤压杆长度方向设有一个用于与挤压针间隙配合的装配孔，在侧向挤压杆上还设有一个沿其长度方向设置的条形槽，所述固定杆的下端穿过条形槽后与挤压针固定连接，所述条形槽的轴向长度大于或等于侧向挤压杆的挤压深度。这样，在侧向挤压杆侧向挤压过程中，固定杆不会对侧向挤压杆造成阻挡。

一种镁合金管材的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将坯料进行均匀化处理；S2，将均匀化处理后的坯料放入到凹模的正向挤压腔中进行加热预处理，所述模具如上所述，所述坯料呈棒材状，置于凹模的正向挤压腔内；S3，待坯料温度达到成形温度后，关闭加热装置；S4，启动液压机，操作液压机主缸顶出，带动正向挤压杆对放在正向挤压腔内的坯料正向挤压，直至坯料充满侧向挤压腔后，操作液压机主缸回程；S5，启动液压机侧缸向凹模型腔方向顶出，坯料在侧向挤压杆的侧向挤压下，逐步进入管材成型腔的定径区、变径剪切区和成形区后成型为镁合金管材，在挤压完成后，操作液压机的侧缸回程。这样，坯料的挤压通过操控液压机完成，其自动化程度高，能有效提升管材的生产效率，实现自动化。采用双向挤压成型的方式挤压坯料成型后，能够消除镁合金中的显微孔洞等缺陷、提高材料的致密性、破碎枝晶，形成细小的等轴晶，促使基面织构弱化，从而保证管材的成形精度和力学性能，此设计还可以适用于铝、钛等合金的成形。

进一步的，S4中，采用正向挤压杆对坯料正向挤压时，挤压的速度为1mm/s至5mm/s，挤压的温度为380℃至420℃；采用侧向挤压杆对坯料进行侧向挤压时，挤压的速度为1-3mm/s。这样，这样的工艺参数能让镁合金在挤压成形的过程中动态再结晶的程度最大化，能进一步细化晶粒、提升管材的性能。

进一步的，在凹模上还设有一用于检测凹模温度的热电偶探头，所述热电偶探头与液压机的中控系统通过有线或无线的方式连接，将检测数据实施传递给液压机的中控系统。这样，设置检测装置后，能够实时了解凹模和坯料的温度，从而精确把控管材的挤压温度。

附图说明

图1为实施例中双向挤压成型模具的半剖视图；

图2为实施例中凹模的剖面结构图；

图3为数值模拟坯料的整个变形过程；

图4为正向挤压时，管坯的极图；

图5为侧向挤压后，最终成型为管材的极图。

图中：正向挤压杆1、坯料2、凹模3、正向挤压腔31、挤压针4、管材成型腔、侧向挤压杆6、固定杆7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

如图1、图2所示，本实施例提供了一种镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具，包括凹模3、挤压杆和挤压针4；在凹模3内设有相互连通的正向挤压腔31、侧向挤压腔32和凹模型腔33，所述正向挤压腔31呈竖向设置，侧向挤压腔32和凹模型腔呈横向设置，且侧向挤压腔32和凹模型腔同轴心并贯穿凹模3，侧向挤压腔32和凹模型腔的接通处位于正向挤压腔31的正下方；所述正向挤压腔31由上坯料容纳区和下缩颈区组成；所述挤压杆包括正向挤压杆1和侧向挤压杆6，所述正向挤压杆1的上端与液压机的主缸相接，下端与正向挤压腔31的上坯料容纳区相配合，所述侧向挤压杆6的一端与液压机的侧缸相接，另一端置于侧向挤压腔内；所述挤压针4上端通过一固定杆7与凹模3固定连接，挤压针4的一端套在侧向挤压杆6内，与侧向挤压杆6间隙配合，另一端外形与凹模型腔相对应（挤压针的外边缘轴线保持与凹模型腔平行），并与凹模型腔之间形成管材成型腔5；所述管材成型腔5由由内至外依次联通的定径区、变径剪切区和成形区组成；通过启动液压机的主缸，可带动正向挤压杆1挤压坯料2经过上坯料容纳区和下缩颈区后，进入到部分侧向挤压腔内；通过启动液压机的侧缸可带动侧向挤压杆向管材成型腔方向移动，并将坯料向管材成型腔方向挤压（此处挤压主要是通过侧向挤压杆的端面进行挤压），经管材成型腔被挤出后获得镁合金薄壁管材制品。

具体的，所述变径剪切区由内经逐渐减少的第一剪切区和第二剪切区组成，第一剪切区与第二剪切区相接处采用圆角过渡。

在凹模3四周还设有用于对凹模和坯料进行加热的加热装置（图中未画出），所述加热装置与外部电源电连接。具体的，所述加热装置可以为电加热线圈，也可以为电加热棒。

在侧向挤压杆6长度方向设有一个用于与挤压针间隙配合的装配孔61，在侧向挤压杆6上还设有一个沿其长度方向设置的条形槽，所述固定杆的下端穿过条形槽后与挤压针固定连接，所述条形槽的轴向长度大于或等于侧向挤压杆的挤压深度。挤压针与

本实施例还提供了一种镁合金管材的成型方法，包括如下步骤：S1，将坯料2进行均匀化处理，具体的，将坯料放入马弗炉加热到400℃并保温3-4小时后随炉冷却，采用均匀化处理后，可以消除镁锭中的杂质与孔洞，达到枝晶的作用；S2，将均匀化处理后的坯料2放入到模具的正向挤压腔31中进行加热预处理，所述模具如上所述，所述坯料呈棒材状，置于凹模的正向挤压腔内；S3，待坯料温度达到成形温度后，关闭加热装置；S4，启动液压机，操作液压机主缸顶出，带动正向挤压杆1对放在正向挤压腔31内的坯料2正向挤压，直至坯料2充满侧向挤压腔32后，操作液压机主缸回程；S5，启动液压机侧缸向凹模型腔方向顶出，坯料在侧向挤压杆6的侧向挤压下，逐步进入管材成型腔5的定径区、变径剪切区和成形区后成型为镁合金管材，在挤压完成后，操作液压机的侧缸回程。需要注意的是，在具体操作过程中，在侧向挤压杆端部未通过逐项挤压腔31正下方时，为避免坯料串到正向挤压腔的下缩颈区内，所述正向挤压杆1可在侧向挤压杆端部（或者坯料）通过正向挤压腔后，再操作正向挤压杆1回程。

S4中，采用正向挤压杆1对坯料2正向挤压时，挤压的速度为1mm/s至5mm/s，挤压的温度为380℃至420℃（该温度即为坯料所要加热的成型温度）；采用侧向挤压杆对坯料进行侧向挤压时，挤压的速度为1-3mm/s。

在凹模3上还设有一用于检测凹模温度的热电偶探头（图中未画出），所述热电偶探头与液压机的中控系统通过有线或无线的方式连接，将检测数据实施传递给液压机的中控系统。

图3所示为坯料的整个变形过程，从图中可以看出坯料先经过正向挤压，随后进行侧向挤压，最后经过成形区，成型为管材。

图4和图5为正向挤压和侧向挤压时，坯料的极图。由于传统的正向挤压变形时晶粒的择优取向极易形成织构，导致最终挤压制品的各向异性严重，不利于后续的二次加工。如图4所示正向挤压时，管坯具有很强的挤压织构，经侧向挤压之后如图5所示，织构类型发生改变，强度明显降低，由28.07降低为14.65。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具，包括凹模（3）、挤压杆和挤压针（4），其特征在于，在凹模（3）内设有相互连通的正向挤压腔（31）、侧向挤压腔（32）和凹模型腔（33），所述正向挤压腔（31）呈竖向设置，侧向挤压腔（32）和凹模型腔呈横向设置，且侧向挤压腔（32）和凹模型腔同轴心并贯穿凹模（3）；所述正向挤压腔（31）由上坯料容纳区和下缩颈区组成；所述挤压杆包括正向挤压杆（1）和侧向挤压杆（6），所述正向挤压杆（1）的下端与正向挤压腔（31）的上坯料容纳区相配合，在使用过程中能够在液压机的主缸带动下上下移动并定位，所述侧向挤压杆（6）靠近凹模的一端置于侧向挤压腔内，在使用过程中能够在液压机的侧缸带动下左右移动并定位；所述挤压针（4）的一端套在侧向挤压杆（6）内，与侧向挤压杆间隙配合，挤压针（4）靠近凹模型腔（33）的一端外形与凹模型腔相对应，并与凹模型腔之间形成管材成型腔（5），所述管材成型腔（5）由由内至外依次联通的定径区、变径剪切区和成形区组成；使用时，通过启动液压机的主缸，可带动正向挤压杆（1）挤压坯料（2）经过上坯料容纳区和下缩颈区后，进入到部分侧向挤压腔内；通过启动液压机的侧缸可带动侧向挤压杆向管材成型腔方向移动，并将坯料向管材成型腔方向挤压，经管材成型腔被挤出后获得镁合金薄壁管材制品。

2.根据权利要求1所述的镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具，其特征在于，所述变径剪切区由内经逐渐减少的第一剪切区和第二剪切区组成，第一剪切区与第二剪切区相接处采用圆角过渡。

3.根据权利要求1或2所述的镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具，其特征在于，在凹模（3）四周还设有用于对凹模和坯料进行加热的加热装置，所述加热装置与外部电源电连接。

4.根据权利要求1所述的镁合金薄壁管材的双向挤压成型模具，其特征在于，所述挤压针通过一固定杆（7）穿过侧向挤压杆上端后与凹模（3）固定连接，在侧向挤压杆（6）长度方向设有一个用于与挤压针间隙配合的装配孔（61），在侧向挤压杆（6）上还设有一个沿其长度方向设置的条形槽，所述条形槽的轴向长度大于或等于侧向挤压杆的挤压深度。

5.一种镁合金管材的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将坯料（2）进行均匀化处理；S2，将均匀化处理后的坯料（2）放入到模具的正向挤压腔（31）中进行加热预处理，所述模具如权利要求3所述，所述坯料呈棒材状，置于凹模的正向挤压腔内；S3，待坯料温度达到成形温度后，关闭加热装置；S4，启动液压机，操作液压机主缸顶出，带动正向挤压杆（1）对放在正向挤压腔（31）内的坯料（2）正向挤压，直至坯料（2）充满侧向挤压腔（32）后，操作液压机主缸回程；S5，启动液压机侧缸向凹模型腔方向顶出，坯料在侧向挤压杆（6）的侧向挤压下，逐步进入管材成型腔（5）的定径区、变径剪切区和成形区后成型为镁合金管材，在挤压完成后，操作液压机的侧缸回程。

6.根据权利要求5所述的镁合金管材的成型方法，其特征在于，S4中，采用正向挤压杆（1）对坯料（2）正向挤压时，挤压的速度为1mm/s至5mm/s，挤压的温度为380℃至420℃；采用侧向挤压杆对坯料进行侧向挤压时，挤压的速度为1-3mm/s。

7.根据权利要求5所述的镁合金管材的成型方法，其特征在于，在凹模（3）上还设有一用于检测凹模温度的热电偶探头，所述热电偶探头与液压机的中控系统通过有线或无线的方式连接，将检测数据实施传递给液压机的中控系统。