CN111889529B - 一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法，包括以下步骤，S1下料，S2均匀化处理，S3将均匀化后的管材、扩径模具和缩径模具加热并保温，将保温好的扩径模具先取出，扩径垫块下方连接旋转机构，S4将保温好的管材进行扩径，S5取出扩径后的管材，卸下扩径模具，S6将保温好的缩径模具取出，S7将扩径后的管材旋转挤压进行缩径，S8取出缩径旋转挤压变形后的管材，最后卸下缩径模具。本案先通过一套扩径模具对管材进行扩径变形，再通过一套缩径模具对扩径后的管材进行缩径变形，以扩径‑缩径为一个变形周期，在一个变形周期内经历多次剪切变形和扭转变形，可重复进行多道次变形，增强了变形金属的晶粒细化程度，提高了累积应变量。

Description

一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法

技术领域

本发明属于金属塑性加工工艺及成形技术领域，具体涉及一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法。

背景技术

随着航空航天、汽车工业和国防军工领域快速发展以及地球石油资源的急剧消耗，对于高强韧轻质的金属构件的需求越来越大。管材作为金属构件在制坯阶段重要的原材料，其本身具的性能对于后续金属构件的加工具有重要意义。铝/镁合金具有质量轻、比刚度高、耐磨损以及易于加工回收等特点，受到了越来越多研究人员的关注。但是由于铸态铝/镁合金管材力学性能低下，塑性成形可大幅提高铝/镁合金管材的力学性能，已成为国内外研究热点。

传统的管材塑性成形工艺主要为正挤压，但是由于正挤压过程中会沿管材挤压方向形成强烈的基面织构和带状组织，造成管材的力学性能的强烈的各向异性，严重影响了铝/镁合金管材的综合力学性能，甚至会导致管材在二次加工中发生开裂等现象。这些原因严重限制了铝/镁合金管材在工业领域的广泛使用。

研究表明大塑性变形，尤其是剪切变形能够显著细化铝/镁合金晶粒，改善正挤压工艺造成的强烈的基面织构，获得良好的综合力学性能；同时，专利号为201910965819.4的在先文献公开了扭转变形也能够有效改善铝/镁合金的力学性能的各向异性。但是在实际研究中，将多种变形方式相结合的加工方式并不多见。如何将镦粗、挤压、剪切甚至扭转等多种变形方式结合起来，达到提高铝/镁合金管材综合力学性能以及改善目前高性能棒料制坯过程中存在的工序复杂和成形效率低的问题，这是本领域人员所面对的难点。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法，提高管材的应变量，改善合金的综合力学性能。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法，包括以下步骤：

S1：下料；

S2：均匀化处理:将管材坯料加热到400℃均匀化保温24h后室温空冷；

S3：旋转挤压成形前准备:将均匀化后的管材、扩径模具和缩径模具加热至300℃并保温；所述扩径模具包括扩径上模具组件、“T”形凸模、扩径分体凹模和扩径下模具组件，所述“T”形凸模固定在扩径上模具组件上，所述扩径下模具组件包括扩径垫块和扩径下模板；述扩径分体凹模包括扩径上凹模和扩径下凹模，扩径上凹模合并在扩径下凹模的顶部，扩径下凹模的底部固定在扩径下模板上，扩径上凹模和扩径下凹模内设有扩径成形型腔，扩径成形型腔的底部设置所述扩径垫块，所述扩径下模板开设贯穿孔供扩径垫块连接旋转机构；所述“T”形凸模的上半段直径大于下半段直径；所述扩径成形型腔包括扩径挤入段型腔、扩径变形段型腔以及扩径挤出段型腔，所述扩径变形段型腔设置在扩径垫块的上方，扩径变形段型腔连通所述扩径挤入段型腔和所述扩径挤出段型腔，扩径挤出段型腔设置在扩径变形段型腔的上方边部，扩径挤入段型腔设置在扩径变形段型腔的上方中部，使得扩径变形段型腔分别在与扩径挤入段型腔、扩径挤出段型腔的连通处构成扩径差速转角，扩径挤入段型腔供管材和“T”形凸模分别置入，“T”形凸模的下半段与扩径挤入段型腔的腔壁之间留有供管材放置的空间，“T”形凸模的上半段供管材的上端面抵接，并与扩径挤入段型腔的腔壁形成间隙配合，所述扩径垫块在“T”形凸模的下方同轴开设用于“T”形凸模下半段穿过的让位通孔；所述缩径模具包括缩径上模具组件、缩径凸模、缩径凹模和缩径下模具组件，所述缩径凸模固定在缩径上模具组件上，所述缩径下模具组件包括缩径垫块和缩径下模板；所述缩径垫块固定在缩径下模板上；所述缩径凹模为横截面呈“M”形的回转体，由一实心块中部向下延伸的中柱和由实心块边部向下延伸的环柱构成，且所述中柱的长度大于环柱的长度，所述中柱末端连接在所述缩径垫块上；所述缩径凸模的内部设有倒“T”形阶梯型腔，所述缩径凸模通过倒“T”形阶梯型腔包覆在所述环柱和缩径垫块的外侧，且与缩径凹模、缩径垫块共同构成缩径成形型腔，所述缩径成形型腔包括缩径挤入段型腔、缩径变形段型腔以及缩径挤出段型腔，所述倒“T”形阶梯型腔的下半段与环柱侧壁之间构成缩径挤入段型腔，缩径挤入段型腔供扩径后的管材放置，且倒“T”形阶梯型腔的阶梯面抵接在管材的上端面；所述倒“T”形阶梯型腔的上半段与环柱侧壁形成间隙配合，所述环柱和中柱之间构成缩径挤出段型腔，所述缩径垫块上方和环柱下端之间构成所述缩径变形段型腔，所述缩径变形段型腔连通所述缩径挤入段型腔和所述缩径挤出段型腔，使得缩径变形段型腔分别在与缩径挤入段型腔、缩径挤出段型腔的连通处构成缩径差速转角；将保温好的扩径模具先取出，扩径上模具组件安装固定在压力机上工作台上，扩径下模具组件安装固定在压力机下工作台上，同时扩径垫块下方连接旋转机构；

S4：扩径旋转挤压成形过程：在“T”形凸模外表面以及扩径成形型腔内表面涂抹上油基石墨后，取出保温完成的管材，在管材内表面和外表面快速均匀涂抹上油基石墨，接着将管材放入扩径挤入段型腔内，此时管材下端面接触在扩径垫块上；然后，开启压力机以及旋转机构，“T”形凸模轴向向下移动，“T”形凸模的下半段先穿过管材的内表面后，T”形凸模的上半段抵接管材的上端面，挤压开始，管材同时受到“T”形凸模上半段的挤压以及扩径垫块的周向旋转，使得金属均匀流动，金属由扩径挤入段型腔通过第一扩径差速转角进入扩径变形段型腔，待充满扩径变形段型腔后，通过第二扩径差速转角反挤压进入扩径挤出段型腔，直至充满扩径挤出段型腔，由于扩径挤出段型腔设置在扩径变形段型腔的上方边部，扩径挤入段型腔设置在扩径变形段型腔的上方中部，所以扩径挤出段型腔的直径大于扩径挤入段型腔的直径，从而达到扩径管材的目的；

S5：扩径成形结束：取出扩径旋转挤压变形后的管材，卸下扩径模具；

S6：将保温好的缩径模具取出，缩径上模具组件安装固定在压力机上工作台上，缩径下模具组件安装固定在压力机下工作台上，同时缩径下模板下方连接旋转机构；

S7：缩径旋转挤压成形过程：在缩径凸模内表面、缩径凹模外表面以及缩径成形型腔内表面涂抹上油基石墨后，将扩径后的管材放入缩径挤入段型腔内，此时管材下端面接触在缩径垫块上；然后，开启压力机以及旋转机构，缩径凸模轴向向下移动，倒“T”形阶梯型腔的阶梯面抵接在管材的上端面，挤压开始，管材同时受到缩径凸模的挤压以及缩径垫块的周向旋转，使得金属均匀流动，金属由缩径挤入段型腔通过第一缩径差速转角进入缩径变形段型腔，待充满缩径变形段型腔后，通过第二缩径差速转角反挤压进入缩径挤出段型腔，直至充满缩径挤出段型腔，由于缩径挤出段型腔设置在缩径变形段型腔的上方中部，缩径挤入段型腔设置在缩径变形段型腔的上方边部，所以缩径挤出段型腔的直径小于缩径挤入段型腔的直径，从而达到缩径管材的目的，直到倒“T”形阶梯型腔的阶梯面抵接到缩径垫块上，缩径凸模停止向下移动；

S8：缩径成形结束：缩径凸模向上移动复位，再取出缩径凹模，随后取出缩径旋转挤压变形后的管材，最后卸下缩径模具，完成一次扩径-缩径变形周期。

进一步，所述缩径垫块的旋转方向与扩径垫块的旋转方向相反。

进一步，所述扩径垫块和缩径垫块的上端面均为变截面。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

一、本发明先通过一套扩径模具对管材进行扩径变形，再通过一套缩径模具对扩径后的管材进行缩径变形，以扩径-缩径为一个变形周期，在一个变形周期内经历多次剪切变形和扭转变形，提高了单道次应变量；并且变形前后管材坯料尺寸不变，可重复进行多道次变形，增强了变形金属的晶粒细化程度，提高了累积应变量。

二、在扩径旋转挤压的变形过程中，管材经历了两次剪切变形，第一差速角使得金属在由扩径挤入段型腔流向扩径变形段型腔时，其横截面积的金属流动速率不同，造成了横截面方向的应力梯度，发生了第一次剪切变形；同理，第二差速角使得金属发生了第二次剪切变形；所以金属由扩径挤入段型腔流向扩径挤出段型腔的过程中，发生了两次剪切变形；在缩径旋转挤压的变形过程中，管材也经历了两次剪切变形，因此在一个变形周期内，管材共经历了四次变形，增大了变形金属的晶粒细化程度，提高了累积应变量，改善管材力学性能的各向异性。

三、本发明所述的缩径是针对管材的缩径，而非一般块状坯料的缩径，一方面，因为管材是具有内通孔的管状型材，所以成形难度更大，另一方面，块状坯料的缩径一般只是外侧金属差生形变，而中部金属不产生形变，所以只是单纯的缩径，力学性能得不到增强，本发明采用缩径凸模包裹缩径凹模的挤压方式对管材进行整体缩径和形变，从模具结构上与现有缩径模具就存在极大差异，不仅结构更加简单，而且成形应变量更大。

四、在整个扩径变形过程中，旋转机构只需带动扩径垫块进行旋转，无需将整个扩径分体凹模和扩径下模具组件进行旋转，而在整个缩径变形过程中，旋转机构只需带动缩径垫块和缩径下模板进行旋转，缩径垫块和缩径下模板体积小，耗能低，大大减少了电机功率，无需将整个缩径凹模进行旋转，两者都有利于节能减排，降低生产成本。而且，扩径垫块和缩径垫块的旋转使得金属不仅发生了剪切变形，还经历了扭转变形，提高了单道次应变量，进一步改变了金属变形时的应力状态，使得金属变形更加均匀。

附图说明

图1为本发明一实施例扩径模具的整体结构示意图；

图2为本发明一实施例“T”形凸模的结构示意图；

图3为图2的仰视图；

图4为本发明一实施例扩径垫块的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为本发明一实施例变截面扩径垫块的结构示意图一；

图7为本发明一实施例变截面扩径垫块的结构示意图二；

图8为本发明一实施例扩径成形型腔的结构示意图；

图9为本发明一实施例扩径旋转挤压开始示意图；

图10为本发明一实施例扩径旋转挤压进行中示意图；

图11为本发明一实施例扩径旋转挤压完成示意图；

图12为本发明一实施例缩径模具的整体结构示意图；

图13为本发明一实施例缩径凸模的结构示意图；

图14为图13的仰视图；

图15为本发明一实施例缩径凹模的结构示意图；

图16为本发明一实施例等截面缩径垫块的结构示意图；

图17为图16的仰视图；

图18为本发明一实施例变截面缩径垫块的结构示意图一；

图19为本发明一实施例变截面缩径垫块的结构示意图二；

图20为本发明一实施例缩径成形型腔的结构示意图；

图21为本发明一实施例缩径旋转挤压开始示意图；

图22为本发明一实施例缩径旋转挤压进行中示意图；

图23为本发明一实施例缩径旋转挤压完成示意图。

标号说明：

1-扩径上模具组件，11-上模板，12-上模座套，13-扩径上销钉，14-扩径上螺钉，2-“T”形凸模，21-上半段，22-下半段，3-扩径分体凹模，31-扩径上凹模，311-环形凸缘，312-安装孔，32-扩径下凹模，4-扩径下模具组件，41-扩径垫块，411-变截面，412-让位通孔，42-扩径下模板，421-沉头孔，422-螺栓，423-螺母，424-垫圈，43-扩径下销钉，44-扩径下螺钉，45-贯穿孔，5-扩径成形型腔，51-扩径挤入段型腔，52-扩径变形段型腔，53-扩径挤出段型腔，54-第一扩径差速转角，55-第二扩径差速转角，6-管材；

1’-缩径上模具组件，11’-缩径上模板，12’-缩径上模座套，13’-缩径上销钉，14’-缩径上螺钉，2’-缩径凸模，21’-倒“T”形阶梯型腔，22’-阶梯面，3’-缩径凹模，31’-实心块，32’-中柱，33’-环柱，34’-上滚动轴承，35’-下滚动轴承，4’-缩径下模具组件，41’-缩径垫块，411’-变截面，412’-倒“T”形卡槽，42’-缩径下模板，43’-缩径下销钉，44’-缩径下螺钉，5’-缩径成形型腔，51’-缩径挤入段型腔，52’-缩径变形段型腔，53’-缩径挤出段型腔，54’-第一缩径差速转角，55’-第二缩径差速转角。

具体实施方式

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。

一实施例：

本发明提供一种高性能铝镁合金管材扩径旋转挤压成形模具，请参阅图1至图8，包括与压力机上工作台(图中未示出)连接的扩径上模具组件1、“T”形凸模2、扩径分体凹模3和扩径下模具组件4。

所述扩径上模具组件1包括与压力机上工作台连接的上模板11、上模座套12、扩径上销钉13和扩径上螺钉14，所述上模座套12通过扩径上销钉13以及扩径上螺钉14固定在上模板11下方，上模座套12用于固定“T”形凸模2，从而使所述“T”形凸模2可拆卸地固定在扩径上模具组件1上。

所述扩径下模具组件4包括扩径垫块41、扩径下模板42、扩径下销钉43和扩径下螺钉44，所述扩径分体凹模3包括扩径上凹模31和扩径下凹模32，扩径上凹模31合并在扩径下凹模32的顶部，并且所述扩径上凹模31外侧形成环形凸缘311，环形凸缘311上均布四个安装孔312，即安装孔312之间的设置间隔为90°，所述扩径下模板42对应安装孔312的位置设有沉头孔421，沉头孔421和安装孔312之间采用螺栓422连接，并用螺母423配合螺栓422进行固定，螺栓422与螺母423之间设置有垫圈424，所述扩径下凹模32底部通过扩径下螺钉44和扩径下销钉43固定在扩径下模板42上，从而可以使扩径上凹模31与扩径下凹模32合并一起且同时固定在扩径下模板42上。

扩径上凹模31和扩径下凹模32内设有扩径成形型腔5，扩径成形型腔5的底部设置所述扩径垫块41，所述扩径下模板42开设贯穿孔45供扩径垫块41连接旋转机构(图中未示出)，旋转机构工作时，只有扩径垫块41在旋转，而扩径上凹模31和扩径下凹模32均为固定状态；所述“T”形凸模2为横截面呈“T”字形的凸模，因此，“T”形凸模2的上半段21直径D大于下半段22直径d，如图2和图3所示。

结合图1和图8，所述扩径成形型腔包括扩径挤入段型腔51、扩径变形段型腔52以及扩径挤出段型腔53，所述扩径变形段型腔52设置在扩径垫块41的上方，扩径变形段型腔52由扩径上凹模31、扩径下凹模32和扩径垫块41一同构成，扩径变形段型腔52连通所述扩径挤入段型腔51和所述扩径挤出段型腔53，扩径挤出段型腔53设置在扩径变形段型腔52的上方边部，扩径挤入段型腔51设置在扩径变形段型腔52的上方中部，使得扩径变形段型腔52在与扩径挤入段型腔51的连通处构成第一扩径差速转角54，扩径变形段型腔52在与扩径挤出段型腔53的连通处构成第二扩径差速转角55，扩径挤入段型腔51供管材6和“T”形凸模2分别置入，如图6所示，“T”形凸模2的下半段22与扩径挤入段型腔51的腔壁之间留有供管材6放置的空间，“T”形凸模的上半段21供管材6的上端面抵接，并与扩径挤入段型腔51的腔壁形成间隙配合，即扩径挤入段型腔51的直径约等于上半段21的直径D，所述扩径垫块41在“T”形凸模2的下方同轴开设用于“T”形凸模2下半段22穿过的让位通孔412。所述扩径挤入段型腔51、扩径变形段型腔52、扩径挤出段型腔53共同处于扩径分体凹模3的中心轴线上。

为了方便扩径后的管材脱模，所述扩径成形型腔在扩径分体凹模内的设计也为分体式，即所述扩径挤出段型腔的顶端突出于所述扩径下凹模，该突出部分形成于所述扩径上凹模内，这样一来，在取下扩径上凹模后，管材的顶端露出于扩径下凹模，方便直接抓取、脱出。

本发明提供一种高性能铝镁合金管材缩径旋转挤压成形模具，请参阅图12至图23，包括与压力机上工作台连接的缩径上模具组件1’、缩径凸模2’、缩径凹模3’和缩径下模具组件4’。

所述缩径上模具组件1’包括与压力机上工作台连接的缩径上模板11’、缩径上模座套12’、缩径上销钉13’和缩径上螺钉14’，所述缩径上模座套12’通过缩径上销钉13’以及缩径上螺钉14’固定在缩径上模板11’下方，缩径上模座套12’用于固定缩径凸模2’，从而使所述缩径凸模2’可拆卸地固定在缩径上模具组件1’上。

所述缩径下模具组件4’包括缩径垫块41’、缩径下模板42’、缩径下销钉43’和缩径下螺钉44’，所述缩径垫块41’底部通过缩径下螺钉44’和缩径下销钉43’固定在缩径下模板42’上，缩径下模板42’连接旋转机构带动缩径垫块41’一起旋转。

如图12和图15所示，所述缩径凹模3’为横截面呈“M”形的回转体，缩径凹模3’由一实心块31’中部向下延伸的中柱32’和由实心块31’边部向下延伸的环柱33’构成，且所述中柱32’的长度H大于环柱33’的长度h，所述中柱32’末端呈“十”字形，所述缩径垫块41’内部开设有倒“T”形卡槽412’，结合图16和图17所示，所述“十”字形中柱32’末端配合置入倒“T”形卡槽412’中，并在“十”字形上端面套设上滚动轴承34’、在“十”字形下端面套设下滚动轴承35’，从而使所述中柱32’末端连接在所述缩径垫块41’上，当缩径垫块41’旋转时，缩径凹模3’保持静止，上、下滚动轴承34’,35’可以增加缩径垫块41’的轴向载荷。

如图13和图14所示，所述缩径凸模2’的内部设有倒“T”形阶梯型腔21’，所述缩径凸模2’通过倒“T”形阶梯型腔21’包覆在所述环柱33’和缩径垫块41’的外侧，且与缩径凹模3’、缩径垫块41’共同构成缩径成形型腔5’，结合图12和图20所示，所述缩径成形型腔5’包括缩径挤入段型腔51’、缩径变形段型腔52’以及缩径挤出段型腔53’，所述倒“T”形阶梯型腔21’的下半段与环柱33’侧壁之间构成缩径挤入段型腔51’，缩径挤入段型腔51’供扩径后的管材6放置，且倒“T”形阶梯型腔的阶梯面22’抵接在管材6的上端面；所述倒“T”形阶梯型腔21’的上半段与环柱33’侧壁形成间隙配合，所述环柱33’和中柱32’之间构成缩径挤出段型腔53’，所述缩径垫块41’上方和环柱33’下端之间构成所述缩径变形段型腔52’，所述缩径变形段型腔52’连通所述缩径挤入段型腔51’和所述缩径挤出段型腔53’，使得缩径变形段型腔52’在与缩径挤入段型腔51’的连通处构成第一缩径差速转角54’，缩径变形段型腔52’在与缩径挤出段型腔53’的连通处构成第二缩径差速转角55’，所述缩径挤入段型腔51’、缩径变形段型腔52’、缩径挤出段型腔53’共同处于缩径凹模3’的中心轴线上。

本发明将扩径垫块41的上端面设计为变截面411，将缩径垫块41’的上端面设计为变截面411’，在一实施例中，所述变截面411，411’均为平滑连续的波浪形，该设计目的将会在下面进行介绍。

请参阅图9-图11、图21-图23，一种高性能铝镁合金管材扩径旋转挤压成形方法，包括以下步骤：

S1：下料；

S2：均匀化处理:将管材坯料6加热到400℃均匀化保温24h后室温空冷；

S3：扩径旋转挤压成形前准备:将均匀化后的管材6、扩径模具和缩径模具加热至300℃并保温；将保温好的扩径模具取出，扩径上模具组件1安装固定在压力机上工作台上，扩径下模具组件4安装固定在压力机下工作台(图中未示出)上，同时扩径垫块41下方连接旋转机构；

S4：扩径旋转挤压成形过程：在“T”形凸模2外表面以及扩径成形型腔5内表面涂抹上油基石墨后，取出保温完成的管材6，在管材6内表面和外表面快速均匀涂抹上油基石墨，接着将管材6放入扩径挤入段型腔51内，此时管材6下端面接触在扩径垫块41上；然后，开启压力机以及旋转机构，“T”形凸模2轴向向下移动，“T”形凸模2的下半段22先穿过管材6的内表面后，T”形凸模2的上半段21抵接管材6的上端面，挤压开始，管材6同时受到“T”形凸模上半段21的挤压以及扩径垫块41的周向旋转，使得金属均匀流动，金属由扩径挤入段型腔51通过第一扩径差速转角54进入扩径变形段型腔52，待充满扩径变形段型腔52后，通过第二扩径差速转角55反挤压进入扩径挤出段型腔53，直至充满扩径挤出段型腔53，由于扩径挤出段型腔53设置在扩径变形段型腔52的上方边部，扩径挤入段型腔51设置在扩径变形段型腔52的上方中部，所以扩径挤出段型腔53的直径大于扩径挤入段型腔51的直径，从而达到扩径管材的目的；

S5：扩径成形结束：松开螺母423，取下垫圈424，再向上取出扩径上凹模31，之后，取出扩径旋转挤压变形后的管材6，最后卸下扩径模具；

S6：将保温好的缩径模具取出，缩径上模具组件1’安装固定在压力机上工作台上，缩径下模具组件4’安装固定在压力机下工作台上，同时缩径下模板42’下方连接旋转机构；

S7：缩径旋转挤压成形过程：在缩径凸模2’内表面、缩径凹模3’外表面以及缩径成形型腔5’内表面涂抹上油基石墨后，将扩径后的管材6放入缩径挤入段型腔51’内，此时管材6下端面接触在缩径垫块41’上；然后，开启压力机以及旋转机构，缩径凸模2’轴向向下移动，倒“T”形阶梯型腔的阶梯面22’抵接在管材6的上端面，挤压开始，管材6同时受到缩径凸模2’的挤压以及缩径垫块41’的周向旋转，缩径垫块41’的旋转方向与扩径垫块41的旋转方向相反以改善坯料变形过程中的均匀性，使得金属均匀流动，金属由缩径挤入段型腔51’通过第一缩径差速转角54’进入缩径变形段型腔52’，待充满缩径变形段型腔52’后，通过第二缩径差速转角55’反挤压进入缩径挤出段型腔53’，直至充满缩径挤出段型腔53’，由于缩径挤出段型腔53’设置在缩径变形段型腔52’的上方中部，缩径挤入段型腔51’设置在缩径变形段型腔52’的上方边部，所以缩径挤出段型腔53’的直径小于缩径挤入段型腔51’的直径，从而达到缩径管材的目的，直到倒“T”形阶梯型腔的阶梯面22’抵接到缩径垫块41’上，缩径凸模2’停止向下移动；

S8：成形结束：缩径凸模2’向上移动复位，再取出缩径凹模3’，随后取出缩径旋转挤压变形后的管材6，最后卸下缩径模具。

作为本发明的进一步改进，所述“T”形凸模下半段22至所述让位通孔412之间的高度距离小于所述“T”形凸模上半段21至所述管材6上端面的高度距离，使得“T”形凸模上半段21在抵接到所述管材6上端面的时候，“T”形凸模下半段22就已经穿过让位通孔412，保证让位通孔412能给“T”形凸模下半段22让位的同时，让位通孔22在扩径变形段型腔52的开口处还得到了封堵，避免金属流动从让位通孔412流出。

采用上述方案后，本发明与传统挤压技术相比，有以下有益效果：

(1)增大了单道次变形量，增强了晶粒细化的程度，提高了坯料的综合力学性能。传统挤压技术应变量小，且一般只能进行单道次变形，晶粒细化效果差；本发明通过将剪切变形与扭转变形相结合，实现了单道次变形内多次剪切变形以及扭转变形，极大提高了单道次应变量，提高了管材的综合力学性能。

(2)变形更加均匀，弱化力学性能的各向异性。传统挤压工艺成形的管材，通常具有强烈的基面织构，导致力学性能各向异性，极大限制了管材的广泛应用；目前研究表明剪切变形以及扭转变形可以有效改善力学性能的各向异性；本发明通过将剪切变形以及扭转变形在单道次变形内结合，不仅提高了变形量，而且改变了金属变形过程中的应力状态，使得金属变形更加均匀，有效改善了变形坯料的择优取向，弱化了基面织构，改善了力学性能的各向异性。

(3)应变量以及应力状态可控。在整个扩径变形过程中，旋转机构只需带动扩径垫块进行旋转，无需将整个扩径分体凹模和扩径下模具组件进行旋转，而在整个缩径变形过程中，旋转机构只需带动缩径垫块和缩径下模板进行旋转，缩径垫块和缩径下模板体积小，耗能低，故本发明节能减排，大大减少了电机功率。并且本发明扩径垫块和缩径垫块旋转速度更容易进行控制和改变，可以在不更换模具的前提下，改变变形坯料的应力状态和应变量；以及可以通过更换扩径垫块和缩径垫块，改变扩径变形段型腔形状和缩径变形段型腔形状，改变变形坯料的应力状态和应变量，以满足不同条件下对管材不同性能的需求。

(4)普通垫块只是起到铺垫的作用，其上表面一般为平面，因此，普通垫块构成的变形段型腔则为等截面通道，而本发明将垫块的上端面设计为变截面，在一实施例中，所述扩径垫块和缩径垫块的变截面均为平滑连续的波浪曲面，变截面使得变形段型腔由等截面通道变为变截面通道，增大了金属流经变形段型腔时的摩擦力，造成金属在通过变形段型腔时应力状态发生改变，进一步增大了应变量。

本实施例采用外径20mm、内径15mm以及高70mm的管材坯料进行扩径，差速转角均为90°，凸模下压速度为1mm/s，扩径垫块旋转速度为0.209Rad/s，缩径垫块旋转速度为-0.209Rad/s，润滑剂选择为油基石墨。借助Deform-3D有限元模拟软件进行传统挤压工艺以及本发明管材旋转挤压成形模拟分析，进一步验证了本发明能够获得更大的塑性变形量。模拟参数设置方面，模具材料导入的是45钢模型，坯料材料导入的是AZ80。模具和坯料温度均为300℃，网格划分为50000，凸模下压速度为1mm/s，摩擦系数为0.3，旋转挤压速度为0.209439Rad/s、0.418878Rad/s和0.628317Rad/s，当本发明旋转速度为0时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为3.04，扩径-缩径旋转挤压变形过程中的平均等效应变为8.15；当本发明旋转速度为0.209439Rad/s时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为3.48，扩径-缩径旋转挤压变形过程中的平均等效应变为8.75，当本发明旋转速度为0.418878Rad/s时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为5.21，扩径-缩径旋转挤压变形过程中的平均等效应变为9.05；当本发明旋转速度为0.628317Rad/s时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为5.35，扩径-缩径旋转挤压变形过程中的平均等效应变为9.38，因为平均等效应变值是反应管材应变量大小的重要参数，所以由上述可以看出，平均等效应变值随着扩径垫块的旋转速度的增大而增大，进而，证明了扭转变形有助于塑性变形量的增加，更重要的是，管材经过扩径和缩径的一个变形周期后，管材的应变量变化明显，重复进行多道次变形，将进一步增大金属的晶粒细化程度，提高了累积应变量。而在速度一定(旋转速度为0.209439Rad/s)的情况下，当扩径垫块上端面为平面时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为3.48，当扩径垫块上表面为波浪形的变截面时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为4.89；当缩径垫块上端面为平面时，缩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为4.25，当缩径垫块上表面为波浪形的变截面时，缩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为5.63，由数据可以直观反映出，扩径垫块41和缩径垫块41’为变截面对管材应变量的大小起到积极的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (2)

1.一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：下料；

S2：均匀化处理:将管材坯料加热到400℃均匀化保温24h后室温空冷；

S3：旋转挤压成形前准备:将均匀化后的管材、扩径模具和缩径模具加热至300℃并保温；所述扩径模具包括扩径上模具组件、“T”形凸模、扩径分体凹模和扩径下模具组件，所述“T”形凸模固定在扩径上模具组件上，所述扩径下模具组件包括扩径垫块和扩径下模板；述扩径分体凹模包括扩径上凹模和扩径下凹模，扩径上凹模合并在扩径下凹模的顶部，扩径下凹模的底部固定在扩径下模板上，扩径上凹模和扩径下凹模内设有扩径成形型腔，扩径成形型腔的底部设置所述扩径垫块，所述扩径下模板开设贯穿孔供扩径垫块连接旋转机构；所述“T”形凸模的上半段直径大于下半段直径；所述扩径成形型腔包括扩径挤入段型腔、扩径变形段型腔以及扩径挤出段型腔，所述扩径变形段型腔设置在扩径垫块的上方，扩径变形段型腔连通所述扩径挤入段型腔和所述扩径挤出段型腔，扩径挤出段型腔设置在扩径变形段型腔的上方边部，扩径挤入段型腔设置在扩径变形段型腔的上方中部，使得扩径变形段型腔分别在与扩径挤入段型腔、扩径挤出段型腔的连通处构成扩径差速转角，扩径差速转角设置在所述扩径垫块的上方；扩径挤入段型腔供管材和“T”形凸模分别置入，“T”形凸模的下半段与扩径挤入段型腔的腔壁之间留有供管材放置的空间，“T”形凸模的上半段供管材的上端面抵接，并与扩径挤入段型腔的腔壁形成间隙配合，所述扩径垫块在“T”形凸模的下方同轴开设用于“T”形凸模下半段穿过的让位通孔；所述扩径挤出段型腔的顶端突出于所述扩径下凹模，该突出部分形成于所述扩径上凹模内；所述缩径模具包括缩径上模具组件、缩径凸模、缩径凹模和缩径下模具组件，所述缩径凸模固定在缩径上模具组件上，所述缩径下模具组件包括缩径垫块和缩径下模板；所述缩径垫块固定在缩径下模板上；所述缩径凹模为横截面呈“M”形的回转体，由一实心块中部向下延伸的中柱和由实心块边部向下延伸的环柱构成，且所述中柱的长度大于环柱的长度，所述中柱末端连接在所述缩径垫块上；所述缩径凸模的内部设有倒“T”形阶梯型腔，所述缩径凸模通过倒“T”形阶梯型腔包覆在所述环柱和缩径垫块的外侧，且与缩径凹模、缩径垫块共同构成缩径成形型腔，所述缩径成形型腔包括缩径挤入段型腔、缩径变形段型腔以及缩径挤出段型腔，所述倒“T”形阶梯型腔的下半段与环柱侧壁之间构成缩径挤入段型腔，缩径挤入段型腔供扩径后的管材放置，且倒“T”形阶梯型腔的阶梯面抵接在管材的上端面；所述倒“T”形阶梯型腔的上半段与环柱侧壁形成间隙配合，所述环柱和中柱之间构成缩径挤出段型腔，所述缩径垫块上方和环柱下端之间构成所述缩径变形段型腔，所述缩径变形段型腔连通所述缩径挤入段型腔和所述缩径挤出段型腔，使得缩径变形段型腔分别在与缩径挤入段型腔、缩径挤出段型腔的连通处构成缩径差速转角；缩径差速转角设置在所述缩径垫块的上方；所述扩径垫块和缩径垫块的上端面均为变截面；将保温好的扩径模具先取出，扩径上模具组件安装固定在压力机上工作台上，扩径下模具组件安装固定在压力机下工作台上，同时扩径垫块下方连接旋转机构；

S4：扩径旋转挤压成形过程：在“T”形凸模外表面以及扩径成形型腔内表面涂抹上油基石墨后，取出保温完成的管材，在管材内表面和外表面快速均匀涂抹上油基石墨，接着将管材放入扩径挤入段型腔内，此时管材下端面接触在扩径垫块上；然后，开启压力机以及旋转机构，“T”形凸模轴向向下移动，“T”形凸模的下半段先穿过管材的内表面后，T”形凸模的上半段抵接管材的上端面，挤压开始，管材同时受到“T”形凸模上半段的挤压以及扩径垫块的周向旋转，使得金属均匀流动，金属由扩径挤入段型腔通过第一扩径差速转角进入扩径变形段型腔，待充满扩径变形段型腔后，通过第二扩径差速转角反挤压进入扩径挤出段型腔，直至充满扩径挤出段型腔，由于扩径挤出段型腔设置在扩径变形段型腔的上方边部，扩径挤入段型腔设置在扩径变形段型腔的上方中部，所以扩径挤出段型腔的直径大于扩径挤入段型腔的直径，从而达到扩径管材的目的；

S5：扩径成形结束：取出扩径旋转挤压变形后的管材，卸下扩径模具；

S6：将保温好的缩径模具取出，缩径上模具组件安装固定在压力机上工作台上，缩径下模具组件安装固定在压力机下工作台上，同时缩径下模板下方连接旋转机构；

S7：缩径旋转挤压成形过程：在缩径凸模内表面、缩径凹模外表面以及缩径成形型腔内表面涂抹上油基石墨后，将扩径后的管材放入缩径挤入段型腔内，此时管材下端面接触在缩径垫块上；然后，开启压力机以及旋转机构，缩径凸模轴向向下移动，倒“T”形阶梯型腔的阶梯面抵接在管材的上端面，挤压开始，管材同时受到缩径凸模的挤压以及缩径垫块的周向旋转，使得金属均匀流动，金属由缩径挤入段型腔通过第一缩径差速转角进入缩径变形段型腔，待充满缩径变形段型腔后，通过第二缩径差速转角反挤压进入缩径挤出段型腔，直至充满缩径挤出段型腔，由于缩径挤出段型腔设置在缩径变形段型腔的上方中部，缩径挤入段型腔设置在缩径变形段型腔的上方边部，所以缩径挤出段型腔的直径小于缩径挤入段型腔的直径，从而达到缩径管材的目的，直到倒“T”形阶梯型腔的阶梯面抵接到缩径垫块上，缩径凸模停止向下移动；

S8：缩径成形结束：缩径凸模向上移动复位，再取出缩径凹模，随后取出缩径旋转挤压变形后的管材，最后卸下缩径模具，完成一次扩径-缩径变形周期。

2.如权利要求1所述一种高性能铝镁合金管材旋转挤压成形方法，其特征在于：所述缩径垫块的旋转方向与扩径垫块的旋转方向相反。

Images