CN110814077B - 用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，包括带有内孔的底座，底座上方设置有与内孔正对的料筒，料筒中部设置有用于存放坯料的挤压腔，挤压腔上设置有用于对坯料挤压且沿挤压腔上下移动的挤压杆，料筒内设置有用于对坯料加热的加热装置，料筒的底部可拆卸连接有位于内孔孔口处的凹模；挤压针包括从上至下依次螺纹连接的导流杆、成型件以及引导杆，其中，成型件外侧面与凹模内壁之间形成具有对坯料连续挤压剪切且扩管整形的挤压通道，底座一侧设置有用于对成型后的坯料降温的冷却装置，在挤压杆挤压坯料时，使得坯料经过挤压通道完成镁合金动态结晶后再经冷却装置快速冷却形成镁合金管材。

Description

用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具

技术领域

本发明涉及薄壁管材成形的技术领域，具体涉及用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具。

背景技术

在工业生产中，大塑性变形技术（SPD）被广泛应用于制备各种型材。传统轻合金塑性变形工艺包含铸锭制备、铸锭处理、坯料加热、热塑性变形等多个阶段。镁合金管材的加工主要通过成型快换式成型模具挤压成型。

对于制备超细晶合金（轻合金）管材而言，特别是薄壁和高精度的轻合金管材，目前，主要采用挤压的方式成型，在挤压的过程中，金属受到三向应力使得成形管材具有优良的性能。

传统的挤压生产过程，一般为正向挤压，但正向挤压时坯料与挤压筒的摩擦较大，金属流动不均匀，而且正向挤压会形成沿管材挤压方向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。这些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。并且，传统正向挤压后的轻合金管材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。

然而，由于当前镁产业对镁合金管材有较严格的力学性能、二次成形性能与尺寸精度要求，因此，就需要采用一种能够实现对镁合金管材变形以及成形过程微观组织结构演变的协调控制来达到控形控性的快换式成型模具，解决现在当前镁合金塑性成形领域研究的热点问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种通过对镁合金管材变形以及成形过程微观组织结构的协调控制来达到控形控性，同时，还可快速更改工序，以实现生产不同形状、尺寸的型材的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，包括带有内孔的底座，所述底座上设置有与内孔连通的漏水口，所述底座上方设置有与内孔正对的料筒，所述料筒中部设置有用于存放坯料的挤压腔，所述挤压腔上设置有用于对坯料挤压且沿挤压腔上下移动的挤压杆，所述料筒内设置有用于对坯料加热的加热装置，所述料筒的底部可拆卸连接有位于内孔孔口处的凹模，所述凹模中部设置有用于连通内孔和挤压腔的型腔；

所述挤压杆下方设置有固定在底座上的挤压针，所述挤压针包括从上至下依次螺纹连接的导流杆、成型件以及引导杆，其中，所述成型件外侧面与所述凹模内壁之间形成具有对坯料连续挤压剪切且扩管整形的挤压通道，所述底座一侧设置有用于对成型后的坯料降温的冷却装置，在挤压杆挤压坯料时，使得坯料经过挤压通道完成镁合金动态结晶后再经冷却装置快速冷却形成镁合金管材。

本发明的原理和有益效果在于：

事先将坯料放置在料筒的挤压腔内，启动加热装置，加热装置对挤压腔内的坯料进行加热，使其具有一定的塑性，同时，控制挤压杆沿着挤压腔对坯料进行挤压，使得坯料从料筒经过挤压通道完成镁合金动态结晶，其中，利用组合模的原理，将凹模与底座设计成分离式，同时导流杆、成型件和引导杆之间也设计成分离式，因此，可根据使用者的需求，可以快速、任意更换成型件和凹模，这样，通过成型件与凹模之间的挤压通道以实现更改在制备的过程中坯料所经过的工序，最后成型为所需制件，这样，就能够以便制造不同形状、不同尺寸的镁合金型材与管材；

另外，由于挤压通道具有对坯料连续挤压剪切且扩管整形的作用，因此，坯料经连续剪切-扩管处理，将会进一步改善其晶粒结构，提高其机械性能，这时，坯料形成镁合金管材，并进入到底座内孔处，同时，冷却装置再对底座内孔内的镁合金坯料进行降温处理，使得镁合金坯料能够快速成型，本发明同时完成多个坯料制作工序，实现通过对镁合金管材变形以及成形过程微观组织结构演变的协调控制来达到控形控性。

进一步，所述挤压杆呈中空结构，所述导流杆内嵌在所述挤压杆内，所述导流杆外壁与挤压腔内壁之间形成环状的挤压腔。

这样设计，导流杆设置在呈中空结构的挤压杆内，在挤压杆往下挤压坯料时，坯料就会沿着导流杆与挤压腔形成的环状的挤压腔进行挤压，并且，坯料在挤压腔形成环状结构。

进一步，所述加热装置包括加热线圈和加热棒，所述料筒上设置有呈圆环结构的加热凹槽，所述加热线圈绕设在所述加热凹槽内，所述加热凹槽与挤压腔之间设置有呈长条状的加热孔，且所述加热孔贯穿所述凹模，所述加热棒安装在所述加热孔内。

采用两种加热方式，即加热棒与电阻加热线圈共同对成形装置进行加热，使得模具内部温度更加稳定、均匀。节省了生产时间，提高了生产效率。

进一步，所述冷却装置包括水箱，所述水箱底部设置有延伸至内孔的出水管，所述出水管上设置有朝向所述引导杆上端的喷嘴，所述水箱与所述出水管连通处设置有水泵。

通过水泵将水箱内冷却水经出水管输送至喷嘴处，再通过喷嘴将冷却水喷射在引导杆已成型的镁合金管材或型材上，这样设计的目的是为了冷却成形管材或型材的温度，热挤压刚完成后得到的成形管材或型材依然具有较高的温度，对于镁合金来说，较高的温度会使得其发生过度的动态再结晶，进而造成最后制品的晶粒粗大，会在很大程度上降低制件的力学性能。因此，冷却水的加入会避免刚成形的管材或者型材过度再结晶，阻止晶粒的过度长大，提升制件的综合性能。

进一步，所述成型件为第一成型件，所述凹模为第一凹模，所述第一成型件外侧面与第一凹模内壁之间形成第一挤压通道，所述第一挤压通道上部分空间为具有对坯料挤压且剪切的非对称挤压区域，所述第一挤压通道的下部分空间为具有对坯料连续剪切且扩管整形的挤压剪切扩管整形区域，其中，所述非对称挤压区域为通孔中心分别到通孔两侧内壁的两个区域，其中，一个区域的直径从上至下逐渐减小，另一个区域的直径保持不变。

根据传统挤压生产管材或者型材时，容易产生沿着管材挤压方向上的织构，从而造成镁合金管材或者型材严重的各向异性，这样会使得管材或者型材在受力时发生断裂或者出现裂纹等缺陷，因此，在非对称挤压区域的非对称的条件下进行管材的挤压成型，坯料在两侧受到的挤压力不同会使得成形时，传统挤压产生的沿挤压方向上的基面织构发生倾转，从而降低基面织构的强度，降低制件的各向异性，提高镁合金制件的综合力学性能。

进一步，所述挤压剪切扩管整形区域包括从上至下依次衔接的普通挤压区、第一定径区以及若干段剪切扩管区，所述普通挤压区与所述非对称挤区域相衔接，所述普通挤压区的通孔内壁向通孔中心倾斜靠拢，使得通孔内径逐渐缩小；所述第一定径区的通孔内壁竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变；所述剪切扩管区的通孔内壁向外倾斜后向下弯折并延伸，使得剪切扩管区形成可变内径通道。

利用普通挤压区、第一定径区以及剪切扩管区三向不等值压缩应力状态下挤压变形的高挤压比细化晶粒，利用多次剪切产生的大塑性变形导致镁合金材料内部产生较大的应变，从而再次细化晶粒，提高了组织的均匀性，促进了坯料流动的均匀性，提高了制品的表面质量。

进一步，所述剪切扩管区包括第一段剪切扩管区和第二段剪切扩管区，所述第一段剪切扩管区包括第一扩径剪切区和第二定径区，所述第一扩径剪切区与第一定径区相衔接，所述第一扩径剪切区的通孔内径逐渐扩大，所述第二定径区的通孔内壁竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变，所述第一扩径剪切区与第二定径区之间以圆角平衡过渡连接，所述第二定径区的内径大于第一定径区的内径。

这样设计，使得坯料经过第一扩径剪切和第一定径区进行第一次的剪切，同时，可以削弱基面织构的主导地位，并发生倾转。

进一步，第二段剪切扩管区包括第二扩径剪切区和整形区，第二扩径剪切区与整形区之间以圆角平衡过渡连接，第二扩径剪切区的通孔内径逐渐增大，整形区的通孔内壁竖直向下延伸，并与内孔连通。

这样设计，使得坯料在经过第二扩径剪切区剪切后，在整形区完成了成型的工序，新型塑性工艺大大细化了晶粒，可以细化镁材表面和心部组织，减少甚至消除带状组织。

进一步，所述成型件为第二成型件，所述凹模为第二凹模，所述第二成型件外侧面与第二凹模内壁之间形成具有对坯料连续挤压弯曲剪切且扩径的第二挤压通道，其中，所述第二挤压通道包括第一弯曲剪切区、第二弯曲剪切区和第三弯曲剪切区，所述第一弯曲剪切区、第二弯曲剪切区和第三弯曲剪切区均呈向外弯曲并形成半环结构，所述第一弯曲剪切区、第二弯曲剪切区和第三弯曲剪切区的直径从上至下依次增大。

本方案中的第二成型件和第二凹模相配合形成对坯料连续挤压弯曲剪切并扩径的第二挤压通道，第二挤压通道的工序为挤压-弯曲-扩径工序，坯料经过第二挤压通道后成形，该部位是由第一弯曲剪切区、第二弯曲剪切区和第三弯曲剪切区三个内径成弧度变化的区域组成，且制件的内径不断扩大，通过该区域能有效细化晶粒、使得成形时产生的基面织构发生倾转，从而弱化成形时产生的强烈的基面织构的工序，并能够有效地达到细化晶粒、削弱织构的效果。

进一步，所述成型件为第三成型件，所述凹模为第三凹模，所述第三成型件外侧面与第三凹模内壁之间形成具有对坯料连续挤压扭转剪切的第三挤压通道，其中，所述第三挤压通道包括从上至下依次衔接的第一扭转剪切区、第二扭转定径区和第三扭转剪切区，所述第一扭转剪切区和第三扭转剪切区为向外倾斜后向下弯折并延伸，且所述第一扭转剪切区和第三扭转剪切区相错设置，使得第一扭转剪切区和第三扭转剪切区均形成相错开的可变内径通道，所述第二扭转定径区为竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变。

本方案中的第三成型件和第三凹模相配合形成对坯料连续挤压扭转剪切的第三挤压通道，第三挤压通道的工序为挤压—扭转工序，该第三挤压通道由第一扭转剪切区、第三扭转剪切区两个扭转区与第二扭转定径区一个定径区组成，同时，由于第一扭转剪切区和第三扭转剪切区相错开设置，因此，使得坯料在经过第三挤压通道时，使得镁合金坯料在成形时产生的基面织构发生倾转，能有效细化晶粒，从而弱化成形时产生的基面织构。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、利用组合模的原理，将凹模与底座设计成分离式，同时导流杆、成型件和引导杆之间也设计成分离式，因此，可根据使用者的需求，可以快速、任意更换成型件和凹模，这样，通过成型件与凹模之间的挤压通道以实现更改在制备的过程中坯料所经过的工序，最后成型为所需制件，这样，就能够以便制造不同形状、不同尺寸的镁合金型材与管材，因此，本发明既可以通过冷却装置快速冷却管材和型材，生产不同形状、不同尺寸的型材和管材，将大大节约制造的成本，又能够通过这样的设计能够轻易的改变成形的工序，这对提高镁合金制件的性能有着很大的作用。

2、本发明的快换式成型模具可以大大改善镁合金管材的微观组织以及基体中第二相的形态，可以细化镁材表面和心部组织，减少甚至消除带状组织，第二相在新的变形方式下分布弥散、细小圆整。采用连续塑性成形工艺挤压后存在多种类型的织构，可以削弱基面织构的主导地位，并发生倾转。将非对称挤压、连续剪切、扩管、成形、整形5道工序整合在一起促进超细晶镁合金动态再结晶的发生，更能发挥超细晶镁合金材料的塑性变形能力，避免在大应变条件下产生裂纹，减少或消除组织内部的孔洞缺陷，提高了生产效率、降低了成本、节约了能源，利用此种方法能够批量生产超细晶高性能的镁合金管材，新型连续塑性成形技术的推广奠定了基础。

3、本发明制备简洁、成形过程简单、安全，成形设备生产成本低，快换式成型模具可以配合立式挤压机直接进行生产；通过此模具制备的管材，可连续稳定进行生产且生产周期短，使生产效率大大提高，这样就便于实现自动化；并且在提高超细晶镁合金力学性能和成型能力方面具有较大的潜力，可以实现连续的、大尺寸的超细晶镁合金管材的生产，适合制备塑性较差的镁合金管材，适用范围广。

4、本发明对成形大口径薄壁管材具有比较大的实用性，通过扩管的方式成形大口径管材不仅减少了快换式成型模具的体积，从而降低了制造成本，还大大缩短了管材的生产周期，提高了生产效率。

5、与一般的成型模具相比，本发明不仅增加了非对称挤压阶段还增加了剪切阶段这两个阶段能够有效地促进镁合金的动态再结晶过程，有效地细化晶粒，提高了成形管材的塑性以及力学性能。

6、采用两种加热方式，即加热棒与电阻加热线圈共同对成形装置进行加热，使得模具内部温度更加稳定、均匀。节省了生产时间，提高了生产效率。

7、利用热电偶与温度转换器测量与记录温度，可以直观、准确了解到模具与坯料的温度以及在成形过程中的温度变化情况。

附图说明

图1为实施例1本发明用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具的结构示意图。

图2为图1中B-B的剖视图。

图3为图2中A处的局部放大图。

图4为实施例1中的第一种挤压针结构示意图。

图5为图4中挤压针中间的第一成型件。

图6为实施例2中的第二种挤压针结构示意图。

图7为实施例2中的第二凹模结构示意图。

图8为图6中挤压针中间的第二成型件。

图9为实施例3中的第三种挤压针结构示意图。

图10为实施例3中的第三凹模结构示意图。

图11为图9中挤压针中间的第三成型件。

图12为本发明普通挤压的管材晶粒微观组织图。

图13为本发明非对称挤压的管材晶粒微观组织图。

图14为本发明挤压剪切扩管的管材晶粒微观组织图。

图15为本发明管材晶粒力学性能（硬度）测试结果图。

图中：挤压杆1、加热线圈2、料筒3、第一凹模4、热电偶探头5、挤压针6、底座7、喷嘴8、坯料9、加热棒10、水泵11、水箱12、进水管13、导流杆14、第一成型件15、第一螺纹柱151、第一螺纹槽152、引导杆16、漏水口17、第二成型件18、第二凹模181、第二螺纹柱182、第二螺纹槽183、第三成型件19、第三凹模191、第三螺纹柱192、第三螺纹槽193。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本实施例1：参见图1和图2，用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，包括带有内孔的底座7，底座7上设置有与内孔连通的漏水口17，底座7包括个支撑板，通过个支撑板对底座7进行固定与支撑，底座7上方设置有与内孔正对的料筒3，料筒3中部设置有用于存放坯料9的挤压腔，挤压腔上设置有用于对坯料9挤压且沿挤压腔上下移动的挤压杆1，料筒3内设置有用于对坯料9加热的加热装置，料筒3的底部设置有位于内孔孔口处的凹模，凹模与料筒3通过螺钉连接紧固，这样设计，实现凹模与料筒3之间的可拆卸连接。

加热装置包括加热线圈2和加热棒10，料筒3上设置有呈圆环结构的加热凹槽，加热线圈2绕设在加热凹槽内，加热凹槽与挤压腔之间设置有呈长条状的加热孔，且加热孔贯穿凹模，加热棒10安装在加热孔内；采用两种加热方式，即加热棒10与电阻加热线圈2共同对成形装置进行加热，使得模具内部温度更加稳定、均匀；节省了生产时间，提高了生产效率。

还包括热电偶和与热电偶电连接的温度转换器，料筒3上设置有耐高温的热电偶探头5，热电偶探头5与热电偶电连接。用导线将热电偶探头5、热电偶和温度转换器相连、最后将温度转换器与笔记本或者温度记录仪相连。用其测量与记录模具与坯料9的温度及其变化情况。

参见图4，挤压杆1下方设置有固定在底座7上的挤压针6，挤压针6包括从上至下依次螺纹连接的导流杆14、成型件以及引导杆16，其中，成型件外侧面与所述凹模内壁之间形成具有对坯料9连续挤压剪切且扩管整形的挤压通道，底座7一侧设置有用于对成型后的坯料9降温的冷却装置，在挤压杆1挤压坯料9时，使得坯料9经过挤压通道完成镁合金动态结晶后再经冷却装置快速冷却形成镁合金管材。

其中，冷却装置包括水箱12，水箱12底部设置有延伸至内孔的出水管，出水管上设置有朝向引导杆16上端的喷嘴8，水箱12与出水管连通处设置有水泵11；水箱12内储存有一定量的冷却水，当冷却水不够时，水箱12上设置有进水管13，通过进水管13将冷却水输送至水箱12内，然后，热挤压完成后立即开启冷却水装置，启动水泵11，通过水泵11将水箱12内冷却水经出水管输送至喷嘴8处，再通过喷嘴8将冷却水喷射在引导杆16已成型的镁合金管材或型材上，最后，冷却水经底座7上的漏水口17流入到液压机工作台设置的流水管道内。

这样设计的目的是为了冷却成形管材或型材的温度，热挤压刚完成后得到的成形管材或型材依然具有较高的温度，对于镁合金来说，较高的温度会使得其发生过度的动态再结晶，进而造成最后制品的晶粒粗大，会在很大程度上降低制件的力学性能。因此，冷却水的加入会避免刚成形的管材或者型材过度再结晶，阻止晶粒的过度长大，提升制件的综合性能。

参见图5和图3，成型件为第一成型件15，第一成型件15顶部设置有第一螺纹柱151，该第一螺纹柱151与导流杆14底部的内孔螺纹连接，第一成型件15底部设置有第一螺纹槽152，第一螺纹槽152与引导杆16顶部顶柱螺纹连接。

凹模为第一凹模4，第一成型件15外侧面与第一凹模4内壁之间形成第一挤压通道，第一挤压通道上部分空间为具有对坯料9挤压且剪切的非对称挤压区域，第一挤压通道的下部分空间为具有对坯料9连续剪切且扩管整形的挤压剪切扩管整形区域。

在本实施例中，非对称挤压区域和挤压剪切扩管整形区域可设置呈多层次，坯料9经多道次的非对称挤压与连续剪切-扩管处理，将会进一步改善其晶粒结构，提高其机械性能，其中，非对称挤压区域为通孔中心分别到通孔两侧内壁的两个区域，分别为A1区域和A2区域，其中，A2区域的直径从上至下逐渐减小，A1区域的直径保持不变。

根据传统挤压生产管材或者型材时，容易产生沿着管材挤压方向上的织构，从而造成镁合金管材或者型材严重的各向异性，这样会使得管材或者型材在受力时发生断裂或者出现裂纹等缺陷，因此，在非对称挤压区域的非对称的条件下进行管材的挤压成型，坯料9在两侧受到的挤压力不同会使得成形时，传统挤压产生的沿挤压方向上的基面织构发生倾转，从而降低基面织构的强度，降低制件的各向异性，提高镁合金制件的综合力学性能。

挤压剪切扩管整形区域包括从上至下依次衔接的普通挤压区B1、第一定径区B2以及若干段剪切扩管区，普通挤压区B1与非对称挤区域相衔接，普通挤压区B1的通孔内壁向通孔中心倾斜靠拢，使得通孔内径逐渐缩小；第一定径区B2的通孔内壁竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变；剪切扩管区的通孔内壁向外倾斜后向下弯折并延伸，使得剪切扩管区形成可变内径通道。

利用普通挤压区B1、第一定径区B2以及剪切扩管区三向不等值压缩应力状态下挤压变形的高挤压比细化晶粒，利用多次剪切产生的大塑性变形导致镁合金材料内部产生较大的应变，从而再次细化晶粒，提高了组织的均匀性，促进了坯料9流动的均匀性，提高了制品的表面质量。

剪切扩管区包括第一段剪切扩管区和第二段剪切扩管区，第一段剪切扩管区包括第一扩径剪切区B3和第二定径区B4，第一扩径剪切区B3与第一定径区B2相衔接，第一扩径剪切区B3的通孔内径逐渐扩大，第二定径区B4的通孔内壁竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变，第一扩径剪切区B3与第二定径区B4之间以圆角平衡过渡连接，第二定径区B4的内径大于第一定径区B2的内径。这样设计，使得坯料9经过第一扩径剪切B3和第一定径区B4进行第一次的剪切，同时，可以削弱基面织构的主导地位，并发生倾转。

第二段剪切扩管区包括第二扩径剪切区B5和整形区B6，第二扩径剪切区B5与整形区B6之间以圆角平衡过渡连接，第二扩径剪切区B5的通孔内径逐渐增大，整形区B6的通孔内壁竖直向下延伸，并与内孔连通。这样设计，使得坯料9在经过第二扩径剪切区B5剪切后，在整形区B6完成了成型的工序，新型塑性工艺大大细化了晶粒，可以细化镁材表面和心部组织，减少甚至消除带状组织。

本发明多次的挤压剪切扩管整形区域与非对称挤压区域，形成多道次的挤压型腔，坯料9经多道次的非对称挤压与连续剪切-扩管处理，将会进一步改善其晶粒结构，提高其机械性能。

其中，挤压杆1呈中空结构，导流杆14内嵌在挤压杆1内，导流杆14外壁与挤压腔内壁之间形成环状的挤压腔；这样设计，导流杆14设置在呈中空结构的挤压杆1内，在挤压杆1往下挤压坯料9时，坯料9就会沿着导流杆14形成的环状的挤压腔进行挤压，并且，坯料9在挤压腔形成环状结构。

若需要生产管材，将成型件设计成圆形，其成型件直径与管材内径相同，凹模的成形部位设计为圆形，内径与管材外径相同。生产方型材，将成型件设计成方形，尺寸就与型材的内部尺寸一致，同样的，凹模的成形部位也设计为方形，尺寸与型材的外部尺寸一致。

参见图12-图14，管材晶粒的细化明显，通过这种成形工艺，可以引入剪切变形，增大了挤压过程中镁合金管材的应变量，使得在成形的过程中有更多的晶粒发生动态再结晶，使得成形管材的晶粒得以细化。引入剪切变形后，在切应力的作用下，晶粒发生转动，因此晶粒的取向发生变化，即织构类型发生改变。弱化了织构。

参见图15，从图中可以清晰的看出成形管材在经过变通道挤压剪切过后，硬度有明显的提升，利用合理的工艺参数进行薄壁管材的成形，挤压的温度为一般选为360℃到400℃之间，挤压速度选择为2mm/s到10mm/s之间，另外选择石墨作为润滑剂，从而减小成形时的摩擦力。

其原理如下：

事先利用螺钉和垫板将挤压杆1固定在压力机上，再将坯料9放置在料筒3内，在经过加热棒10与加热线圈2对整个模具及坯料9进行充分加热，利用热电偶探头5测定加热温度，待到温度达到工艺要求的温度后，压力机下行带动挤压杆1向下运动，向下运动进入料筒3对其内部放置的坯料9进行挤压；使得坯料9从料筒3经过凹模的型腔完成镁合金动态结晶。

其中，在坯料9经过非对称挤压区域时，由于非对称挤压区域具有对坯料9挤压且剪切的作用，因此，坯料9在进行挤压且剪切之后，有效削弱了镁合金坯料9的基面织构，细化了晶粒；之后，坯料9再经过挤压剪切扩管整形区域，由于挤压剪切扩管整形区域具有对坯料99连续剪切且扩管整形的作用。

因此，坯料9经连续剪切-扩管处理，将会进一步改善其晶粒结构，提高其机械性能，这时，坯料9形成镁合金管材，并进入到底座7内孔处，在通过冷却装置的冷却水进行快速降温，从而避免刚成形的管材或者型材过度再结晶，阻止晶粒的过度长大，提升制件的综合性能，本发明同时完成挤压、剪切、扩管以及整形复合变形，实现对镁合金管材变形以及成形过程微观组织结构演变的协调控制来达到控形控性。

实施例2，参见图6-图8，成型件为第二成型件18，第二成型件18顶部设置有第二螺纹柱182，该第二螺纹柱182与导流杆14底部的内孔螺纹连接，第二成型件18底部设置有第二螺纹槽183，第二螺纹槽183与引导杆16顶部顶柱螺纹连接。

凹模为第二凹模181，第二成型件18外侧面与第二凹模181内壁之间形成具有对坯料9连续挤压弯曲剪切且扩径的第二挤压通道，其中，第二挤压通道包括第一弯曲剪切区C1、第二弯曲剪切区C2和第三弯曲剪切区C3，第一弯曲剪切区C1、第二弯曲剪切区C2和第三弯曲剪切区C3均呈向外弯曲并形成半环结构，第一弯曲剪切区C1、第二弯曲剪切区C2和第三弯曲剪切区C3的直径从上至下依次增大。

本实施例中的第二成型件18和第二凹模181相配合形成对坯料9连续挤压弯曲剪切并扩径的第二挤压通道，第二挤压通道的工序为挤压-弯曲-扩径工序，坯料9经过第二挤压通道后成形，该部位是由第一弯曲剪切区C1、第二弯曲剪切区C2和第三弯曲剪切区C3三个内径成弧度变化的区域组成，且制件的内径不断扩大，通过该区域能有效细化晶粒、使得成形时产生的基面织构发生倾转，从而弱化成形时产生的强烈的基面织构的工序，并能够有效地达到细化晶粒、削弱织构的效果。

实施例3，参见图9-图11，成型件为第三成型件19，第三成型件19顶部设置有第三螺纹柱192，该第三螺纹柱192与导流杆14底部的内孔螺纹连接，第三成型件19底部设置有第三螺纹槽193，第三螺纹槽193与引导杆16顶部顶柱螺纹连接。

凹模为第三凹模191，第三成型件19外侧面与第三凹模191内壁之间形成具有对坯料9连续挤压扭转剪切的第三挤压通道，其中，第三挤压通道包括从上至下依次衔接的第一扭转剪切区D1、第二扭转定径区D2和第三扭转剪切区D3，第一扭转剪切区D1和第三扭转剪切区D3为向外倾斜后向下弯折并延伸，且第一扭转剪切区D1和第三扭转剪切区D3相错设置，使得第一扭转剪切区D1和第三扭转剪切区D3均形成相错开的可变内径通道，第二扭转定径区D2为竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变。

本实施例中的第三成型件19和第三凹模191相配合形成对坯料9连续挤压扭转剪切的第三挤压通道，第三挤压通道的工序为挤压—扭转工序，该第三挤压通道由第一扭转剪切区D1、第三扭转剪切区D3两个扭转区与第二扭转定径区D2一个定径区组成，同时，由于第一扭转剪切区D1和第三扭转剪切区D3相错开设置，因此，使得坯料9在经过第三挤压通道时，使得镁合金坯料9在成形时产生的基面织构发生倾转，能有效细化晶粒，从而弱化成形时产生的基面织构。

综上，利用组合模的原理，将凹模与底座7设计成分离式，同时导流杆14、成型件和引导杆16之间也设计成分离式，因此，可根据使用者的需求，可将第一凹模4和第一成型件15更换为第二凹模181和第二成型件18，或者第三凹模191和第三成型件19，从而快速、任意更换成型件和凹模，这样，通过成型件与凹模之间的挤压通道以实现更改在制备的过程中坯料9所经过的工序，最后成型为所需制件，这样，就能够以便制造不同形状、不同尺寸的镁合金型材与管材，因此，本发明既可以通过冷却装置快速冷却管材和型材，生产不同形状、不同尺寸的型材和管材，将大大节约制造的成本，又能够通过这样的设计能够轻易的改变成形的工序，这对提高镁合金制件的性能有着很大的作用。

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，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 (10)

1.用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于：包括带有内孔的底座（7），所述底座（7）上设置有与内孔连通的漏水口（17），所述底座（7）上方设置有与内孔正对的料筒（3），所述料筒（3）中部设置有用于存放坯料（9）的挤压腔，所述挤压腔上设置有用于对坯料（9）挤压且沿挤压腔上下移动的挤压杆（1），所述料筒（3）内设置有用于对坯料（9）加热的加热装置，所述料筒（3）的底部可拆卸连接有位于内孔孔口处的凹模，所述凹模中部设置有用于连通内孔和挤压腔的型腔；

所述挤压杆（1）下方设置有固定在底座（7）上的挤压针（6），所述挤压针（6）包括从上至下依次螺纹连接的导流杆（14）、成型件以及引导杆（16），其中，所述成型件外侧面与所述凹模内壁之间形成具有对坯料（9）连续挤压剪切且扩管整形的挤压通道，所述底座（7）一侧设置有用于对成型后的坯料（9）降温的冷却装置，在挤压杆（1）挤压坯料（9）时，使得坯料（9）经过挤压通道完成镁合金动态结晶后再经冷却装置快速冷却形成镁合金管材。

2.根据权利要求1所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述挤压杆（1）呈中空结构，所述导流杆（14）上端能嵌入挤压杆（1）空腔内，所述导流杆（14）外壁与挤压腔内壁之间形成环状的挤压腔。

3.根据权利要求1-2任一项所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述加热装置包括加热线圈（2）和加热棒（10），所述料筒（3）上设置有呈圆环结构的加热凹槽，所述加热线圈（2）绕设在所述加热凹槽内，所述加热凹槽与挤压腔之间设置有呈长条状的加热孔，且所述加热孔贯穿所述凹模，所述加热棒（10）安装在所述加热孔内。

4.根据权利要求3所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述冷却装置包括水箱（12），所述水箱（12）底部设置有延伸至内孔的出水管，所述出水管上设置有朝向所述引导杆（16）上端的喷嘴（8），所述水箱（12）与所述出水管连通处设置有水泵（11）。

5.根据权利要求1、2和4任一项所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述成型件为第一成型件（15），所述凹模为第一凹模（4），所述第一成型件（15）外侧面与第一凹模（4）内壁之间形成第一挤压通道，所述第一挤压通道上部分空间为具有对坯料（9）挤压且剪切的非对称挤压区域，所述第一挤压通道的下部分空间为具有对坯料（9）连续剪切且扩管整形的挤压剪切扩管整形区域，其中，所述非对称挤压区域为通孔中心分别到通孔两侧内壁的两个区域，其中，一个区域（A2）的直径从上至下逐渐减小，另一个区域（A1）的直径保持不变。

6.根据权利要求5所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述挤压剪切扩管整形区域包括从上至下依次衔接的普通挤压区（B1）、第一定径区（B2）以及若干段剪切扩管区，所述普通挤压区（B1）与所述非对称挤区域相衔接，所述普通挤压区（B1）的通孔内壁向通孔中心倾斜靠拢，使得通孔内径逐渐缩小；所述第一定径区（B2）的通孔内壁竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变；所述剪切扩管区的通孔内壁向外倾斜后向下弯折并延伸，使得剪切扩管区形成可变内径通道。

7.根据权利要求6项所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述剪切扩管区包括第一段剪切扩管区和第二段剪切扩管区，所述第一段剪切扩管区包括第一扩径剪切区（B3）和第二定径区（B4），所述第一扩径剪切区（B3）与第一定径区（B2）相衔接，所述第一扩径剪切区（B3）的通孔内径逐渐扩大，所述第二定径区（B4）的通孔内壁竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变，所述第一扩径剪切区（B3）与第二定径区（B4）之间以圆角平衡过渡连接，所述第二定径区（B4）的内径大于第一定径区（B2）的内径。

8.根据权利要求7项所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，第二段剪切扩管区包括第二扩径剪切区（B5）和整形区（B6），第二扩径剪切区（B5）与整形区（B6）之间以圆角平衡过渡连接，第二扩径剪切区（B5）的通孔内径逐渐增大，整形区（B6）的通孔内壁竖直向下延伸，并与内孔连通。

9.根据权利要求1、2和4任一项所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述成型件为第二成型件（18），所述凹模为第二凹模（181），所述第二成型件（18）外侧面与第二凹模（181）内壁之间形成具有对坯料（9）连续挤压弯曲剪切且扩径的第二挤压通道，其中，所述第二挤压通道包括第一弯曲剪切区（C1）、第二弯曲剪切区（C2）和第三弯曲剪切区（C3），所述第一弯曲剪切区（C1）、第二弯曲剪切区（C2）和第三弯曲剪切区（C3）均呈向外弯曲并形成半环结构，所述第一弯曲剪切区（C1）、第二弯曲剪切区（C2）和第三弯曲剪切区（C3）的直径从上至下依次增大。

10.根据权利要求1、2和4任一项所述的用于制备大口径镁合金管材的快换式成型模具，其特征在于，所述成型件为第三成型件（19），所述凹模为第三凹模（191），所述第三成型件（19）外侧面与第三凹模（191）内壁之间形成具有对坯料（9）连续挤压扭转剪切的第三挤压通道，其中，所述第三挤压通道包括从上至下依次衔接的第一扭转剪切区（D1）、第二扭转定径区（D2）和第三扭转剪切区（D3），所述第一扭转剪切区（D1）和第三扭转剪切区（D3）为向外倾斜后向下弯折并延伸，且所述第一扭转剪切区（D1）和第三扭转剪切区（D3）相错设置，使得第一扭转剪切区（D1）和第三扭转剪切区（D3）均形成相错开的可变内径通道，所述第二扭转定径区（D2）为竖直向下延伸，使得通孔内径保持不变。

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