CN112427475A

CN112427475A - 一种具有起伏表面的分流桥、挤压模具及挤压方法和应用

Info

Publication number: CN112427475A
Application number: CN202011196054.1A
Authority: CN
Inventors: 赵国群; 王跃林
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112427475B

Abstract

本发明属于金属挤压模具技术领域，本发明涉及一种具有起伏表面的分流桥、挤压模具及挤压方法和应用，具有起伏表面的分流桥，其截面形状为矩形、矩形倒角或水滴形，两个工作面分别为起伏形状的结构，起伏形状具有峰和谷的形状，起伏形状的峰与谷形成的若干凹槽沿着挤压方向设置。这种具有起伏表面的分流桥能够显著增大型材焊合界面氧化物和污染物的破碎程度，明显提高新鲜金属的暴露程度，可有效提高焊合质量。

Description

一种具有起伏表面的分流桥、挤压模具及挤压方法和应用

技术领域

本发明属于金属挤压模具技术领域，具体涉及一种具有起伏表面的分流桥、挤压模具及挤压方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金等有色金属的轻量化复杂结构件在航天航空、高速列车、地铁轻轨、轻量化汽车、船舶、大型工程结构等领域具有重要用途。随着轻量化需求的不断提高，在广泛使用轻质金属材料构件的同时，其构件结构的轻量化设计及其复杂性也日益提高。铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金等多腔薄壁复杂截面型材成为挤压型材的重要发展趋势，这种轻量化型材具有宽体薄壁、中空多腔和形状复杂的几何特点，其宽厚比与壁厚比大，定尺长度长，形状尺寸精度和力学性能要求高。

这种轻量化的多腔薄壁空心型材一般采用分流热挤压成形方式，首先将坯料进行加热，将加热后的坯料放入挤压模具内，在挤压机推杆的向前推动下，将坯料挤入挤压模具的多个分流孔，形成多股金属流，这些金属流分别流经挤压模具的分流孔通道，然后在挤压模具的焊合室中汇流和实现界面焊合，每股金属流的界面结合处均形成一条纵向焊缝，分流焊合后的型材最后被挤压出模具的工作带(定径带)，而形成多腔薄壁的空心型材。纵向焊缝留在型材中，且存在多条纵向焊缝，一般而言，多腔薄壁空心型材的纵向焊缝可达10-20条，这种挤压焊合的纵向焊缝属于固态焊合的焊缝。

空心挤压型材中不可避免的纵向焊缝是金属材料经分流后在焊合室内重新融合而形成的结合界面。复杂空心型材的焊缝分布多，在焊缝上常分布有夹杂、空洞等缺陷，这些位置往往成为产生腐蚀及应力腐蚀、疲劳裂纹萌生与扩展的位置，往往使纵向焊缝成为空心型材性能中最为薄弱的部位。型材焊缝缺陷可分为宏观缺陷和微观缺陷，宏观缺陷是指焊缝区域尚未焊合而形成的宏观孔洞或裂隙，微观缺陷是指焊缝在宏观尺度下焊合良好，但在微观尺度下仍存在微孔洞、微裂隙、氧化膜或其它夹杂物等，从而导致焊合界面两侧金属原子未能结合和形成金属键。因此，多腔薄壁空心型材的整体力学性能与质量很大程度上取决于型材的纵向焊缝的焊合质量，如何提高纵向焊缝的焊合质量和性能成为挤压型材产品的关键和难点，也是型材挤压行业一直追求的目标。

多年来，人们针对分流挤压型材的焊合机理和质量控制开展了诸多研究。有关研究表明，分流桥和焊合室的形状、挤压速度和温度对焊缝界面的微观组织形貌和力学性能具有重要影响。与矩形分流桥相比，尖角形分流桥更有利于获得完全焊合的焊缝。过浅的焊合室将导致焊缝出现宏观孔洞缺陷，在桥下区域易出现气室或导致金属与分流桥表面之间出现滑动摩擦，而较深的焊合室有利于提高型材焊缝质量和型材极限挤压速度，所以，增加铝型材挤压模具焊合室高度或扩大焊合室容积均可有助于获得牢固焊缝。但现有型材分流挤压焊合模具的分流桥表面均为平面结构，型材的焊合界面呈二维平面形状，界面处金属材料所受的应力状态简单，且塑性变形小，不利于提高焊合界面氧化物和污染物的破碎程度，也不利于提高新鲜金属材料的暴露程度，进而造成界面处焊合质量差。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有起伏表面的分流桥、挤压模具及挤压方法和应用。解决金属挤压成形过程中焊合界面结合质量差、易开裂等的问题。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种具有起伏表面的分流桥，其截面形状为矩形、矩形倒角或水滴形，两个工作表面为起伏形状的结构，起伏形状为具有峰和谷的形状，起伏形状的峰与谷形成的若干凹槽沿着挤压方向设置。

具有起伏表面的分流桥，其工作表面为起伏形状(非平面形状)，且两个起伏表面相互对应，与传统的平面形分流桥相比，这种具有起伏表面的分流桥可将挤压型材的焊合界面由传统的二维形状提高到三维，增大焊合界面的面积，使金属材料在这种分流桥的起伏表面和焊合界面处能够产生更大的三维塑性应变，显著增大焊合界面氧化物和污染物的破碎程度，明显提高新鲜金属的暴露程度，同时也有助于界面处材料组织的细化。界面处的氧化物和污染物破碎程度越大，新鲜金属的暴露程度越高，越有助于界面的焊合，从而可有效提高焊合质量。

在本发明的一些实施方式中，分流桥的顶部和底部分别设置斜坡，斜坡形成朝向分流桥内部的夹角。

在本发明的一些实施方式中，工作面的横截面为波纹形、矩形、梯形或三角形等形状。

在本发明的一些实施方式中，两个工作面的起伏形状的峰与谷相对应或峰与腰相对应或峰与峰相对应，两个工作面的起伏形状的横截面形状相同或不同。

两个工作表面的起伏状结构相互对应，并且相对的位置不同，有助于进一步提高新鲜金属的暴露程度。

在本发明的一些实施方式中，起伏形状的深度为0.1-2mm(峰与谷之间的距离)，宽度为1-6mm(相邻峰或相邻谷的距离)；优选的，起伏形状的深度为0.5-1mm，宽度为1.2-1.8mm(相邻峰或相邻谷的距离)；进一步优选的，起伏形状的深度为0.8mm，宽度为1.5mm。

第二方面，一种挤压模具，包括上述的具有起伏表面的分流桥、挤压筒、上模、下模，从上至下依次是挤压筒、上模、下模，挤压筒、上模和下模同轴装配，分流桥设置在上模的内部。

在本发明的一些实施方式中，还包括挤压杆和挤压垫，挤压垫位于挤压杆的下方，挤压垫、挤压杆与挤压筒配合进行挤压，挤压垫活动处于挤压筒的空腔内。

在本发明的一些实施方式中，还包括空刀，空刀位于下模的内侧壁，模孔的下方。

第三方面，利用挤压模具进行挤压的方法，所述方法为：

将坯料放入挤压筒中，加热并保温模具和坯料；

在挤压杆与挤压垫的推动作用下，坯料被挤入分流孔，分流后的坯料贴着起伏的分流桥表面流入焊合室，在焊合室内的高温高压和变形作用下，其表面重新相互接触并实现焊合，最终从模孔中挤出形成带有纵向焊缝的型材。

在本发明的一些实施方式中，坯料为铝合金、铝锂合金、镁合金或钛合金；优选为AA3003铝合金、2195铝锂合金、AZ31镁合金或Ti-1300钛合金。

在本发明的一些实施方式中，坯料由单种金属组成。即单一的金属种类，比如单独挤压铝合金、铝锂合金、镁合金或钛合金。

在本发明的一些实施方式中，模具加热的温度为450-500℃；优选为470℃。

在本发明的一些实施方式中，得到的型材具有三维纵向焊缝。

第四方面，上述具有起伏表面的分流桥或挤压模具在型材挤压成型中的应用。

在本发明的一些实施方式中，型材为板材或多腔薄壁空心型材。多腔薄壁空心型材的焊缝分布多，在焊缝上常分布有夹杂、空洞等缺陷，这些位置往往成为产生腐蚀及应力腐蚀、疲劳裂纹萌生与扩展的位置，往往使纵向焊缝成为空心型材性能中最为薄弱的部位。采用具有起伏表面分流桥的模具生产多腔薄壁空心型材，可有效提高焊缝的焊合质量。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

与传统平面形分流桥相比，这种具有起伏表面的分流桥将型材的焊合界面由传统的二维形状提高到了三维形状，增大了焊合界面的面积，使金属材料在这种分流桥的起伏表面和焊合界面处能够产生更大的三维塑性应变，显著增大了焊合界面氧化物和污染物的破碎程度，明显提高了新鲜金属的暴露程度，同时也有助于界面处材料组织的细化，界面处氧化物和污染物破碎程度越大，新鲜金属的暴露程度越高，越有助于形成良好的焊合界面，从而可有效提高焊合质量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为型材分流挤压模具立体结构示意图(a)和具有起伏表面的分流桥的放大图(b)；

图2为型材分流挤压模具结构剖分示意图；

图3为分流桥工作表面的横截面结构示意图：(a)波纹形，(b)矩形，(c)梯形，(d)三角形；

图4为分流桥两个工作表面起伏状结构的对应方式：(a)峰对谷，(b)峰对腰，(c)峰对峰，(d)波纹形对三角形；

图5为具有双面波纹形分流桥的形状：(a)轴测图，(b)剖面图；

图6为传统平面形分流桥的形状：(a)轴测图，(b)剖面图；

图7为相同挤压工艺参数下双面波纹形分流桥与传统平面形分流桥模具挤出型材的实物对比图，板A：采用双面波纹形分流桥模具挤出的板材；板B：采用传统平面形分流桥模具挤出的板材；

图8为双面波纹形分流桥与传统平面形分流桥模具挤压过程焊合区域的等效应变对比图(QForm数值模拟结果)：(a)双面波纹形分流桥，(b)传统平面形分流桥；

图9为相同挤压工艺参数下本发明双面波纹形分流桥与传统平面形分流桥模具挤出型材的拉伸力学性能对比图：(a)工程应力-应变对比图，(b)拉伸力学性能对比图，YS屈服强度，UTS抗拉强度，Elongation延伸率；

其中，1-挤压杆、2-挤压垫、3-挤压筒、4-分流桥、5-上模、6-模孔、7-空刀、8-下模、9-纵向焊缝、10-型材、11-坯料。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1中的(b)图、图5所示，具有起伏表面的分流桥，其截面形状为矩形、矩形倒角或水滴形，两个工作表面为起伏形状的结构，起伏形状具有峰和谷的形状，起伏形状的峰与谷形成的若干凹槽沿着挤压的方向设置。

分流桥的两个工作表面为起伏状结构，两个起伏表面相互对应。分流桥的整体形状与常规分流桥相同，起伏状结构存在于分流桥的工作表面上。

分流桥的顶部和底部分别设置斜坡，斜坡形成朝向分流桥内部的夹角。如图3所示，起伏表面的横截面为波纹形、矩形、梯形或三角形等形状。

如图4所示，两个工作面的起伏形状的峰与谷相对应或峰与腰相对应或峰与峰相对应，两个工作面的起伏形状的横截面形状相同或不同。

相比于传统平面形分流桥，采用这种起伏表面分流桥模具生产的型材的焊缝区域的等效应变较大，焊合质量好，型材的屈服强度、抗拉强度和延伸率高。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

采用双面波纹形的分流桥，如图5所示。结合图1中的(a)图和图2，本实施例公开了一种具有起伏表面的分流桥、挤压模具及挤压方法和应用，挤压模具包括挤压杆(1)、挤压垫(2)、挤压筒(3)、具有起伏表面的分流桥(4)、上模(5)、加工有模孔(6)和空刀(7)的下模(8)，坯料(11)从模孔中挤出形成带有纵向焊缝(9)的型材(10)，所述具有起伏表面的分流桥装配在上模中，分流桥下方为焊合室，所述挤压杆、挤压垫、挤压筒、上模和下模同轴装配。

所述坯料为AA3003铝合金，所述模具材料为H13钢，挤压件形状为铝合金板材，在板材中间位置存在一条纵向焊缝。

所述挤压筒的内径为55mm；所述模孔为矩形，规格为34×5mm，长度为4mm，所述双面波纹形分流桥两个工作表面的波纹形状如图5(b)所示，其工作部分的宽度为24mm，厚度为8mm，两个工作表面上的波纹深度为0.8mm，宽度为1.5mm，两工作表面上的波纹采用波峰对波谷的对应方式。

步骤(a)：将模具组装，按照图1和图2中所示的顺序将挤压筒、双面波纹形分流桥、上模和下模组装起来，使挤压筒、上模和下模同轴装配。

步骤(b)：将直径为54mm，长55mm的AA3003铝合金坯料放入挤压筒中并安装好挤压垫与挤压杆。

步骤(c)：使用带有控温系统的加热圈将模具包裹起来并接通电源对坯料、挤压垫、挤压筒、上模和下模进行加热，加热温度为470℃，到达试验温度后对整个模具及坯料保温15min。

步骤(d)：开启压力机进行挤压，直至挤压杆的下移量达到35mm，停止挤压。

步骤(e)：将挤压出的AA3003铝合金板材取出，板材截面规格为34×5mm，板材实物图如图7中的板A所示。

对比例1

采用传统平面形分流桥，其分流桥结构如图6所示，除分流桥外，其它模具结构与实施例1相同。

步骤(a)：将模具组装，按照图1和图2中所示的顺序将挤压筒、平面形分流桥、上模和下模组装起来，使挤压筒、上模和下模同轴装配。

步骤(c)：使用带有控温系统的加热圈将模具包裹起来并接通电源，对坯料、挤压垫、挤压筒、上模和下模进行加热，加热温度为470℃，到达试验温度后对整个模具及坯料保温15min。

步骤(e)：将挤压出的AA3003铝合金板材取出，板材截面规格为34×5mm，板材实物图如图7中的板B所示。

通过图7中的板A和板B对比可知，板A的挤压效果较好。

实施例1与对比例1挤压过程焊合区域的等效应变分别如图8中的(a)图和(b)图所示，该应变分布是通过型材挤压模拟软件QForm数值模拟获得的。从图8中可看出，实施例1获得的焊缝区域的等效应变最大值约为44.4，最小值约为24.3，平均值约为30.7，而对比例1获得的焊缝区域的等效应变最大值约为16.9，最小值约为11.9，平均值约为14.2，可见实施例1获得的焊缝区域的平均等效应变约为对比例1的2.16倍。因此，与传统平面形分流桥挤压模具相比，本发明的双面波纹形分流桥挤压模具能够显著增加焊合区域材料的塑性变形，这将提高焊合界面氧化物和污染物的破碎程度和新鲜金属的暴露程度，从而明显提高纵向焊缝的焊合质量。

实施例1与对比例1挤压出的AA3003铝合金板材的拉伸性能对比如图9所示。从图9中可看出，与对比例1比较，实施例1获得挤压板材的屈服强度提高62.6％，抗拉强度提高17.1％，延伸率提高11.9％。因此，与传统平面形分流桥挤压模具相比，实施例1双面波纹形分流桥挤压模具所生产的AA3003铝合金板材的屈服强度、抗拉强度和延伸率都有明显的提高。

与传统平面形分流桥挤压模具相比，双面波纹形分流桥挤压模具能够显著增加焊合区域材料的塑性变形，这将提高焊合界面氧化物和污染物的破碎程度和新鲜金属的暴露程度，从而明显提高纵向焊缝的焊合质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有起伏表面的分流桥，其特征在于：其截面形状为矩形、矩形倒角或水滴形，两个工作表面为起伏形状的结构，起伏形状具有峰和谷的形状，起伏形状的峰与谷形成的若干凹槽沿着挤压的方向设置。

2.如权利要求1所述的具有起伏表面的分流桥，其特征在于：工作面的横截面为波纹形、矩形、梯形或三角形等形状；

或，分流桥的顶部和底部分别设置斜坡，斜坡形成朝向分流桥内部的夹角。

3.如权利要求1所述的具有起伏表面的分流桥，其特征在于：两个工作面的起伏形状的峰和谷相对应或峰与腰相对应或峰与峰相对应，两个工作面的起伏形状的横截面形状相同或不同。

4.如权利要求1所述的具有起伏表面的分流桥，其特征在于：起伏形状的波纹深度为0.1-2mm，波纹宽度为1-6mm；优选的，起伏形状的深度为0.5-1mm，宽度为1.2-1.8mm；进一步优选的，起伏形状的深度为0.8mm，宽度为1.5mm。

5.一种挤压模具，其特征在于：包括权利要求1-4任一所述的具有起伏表面的分流桥、挤压筒、上模、下模，从上至下依次是挤压筒、上模、下模，挤压筒、上模和下模的同轴装配，分流桥设置在上模的内部。

6.如权利要求5所述的挤压模具，其特征在于：还包括挤压杆、挤压垫，挤压垫位于挤压杆的下方，挤压垫、挤压杆与挤压筒配合进行挤压，挤压垫的活动处于挤压筒的空腔内。

7.如权利要求5所述的挤压模具，其特征在于：还包括空刀，空刀位于下模的内侧壁，模孔的下方。

8.利用权利要求5-8任一所述的挤压模具进行挤压的方法，其特征在于：将坯料放入挤压筒中，加热并保温模具和坯料；

9.如权利要求8所述的挤压的方法，其特征在于：坯料为铝合金、铝锂合金、镁合金或钛合金；优选为AA3003铝合金、2195铝锂合金、AZ31镁合金或Ti-1300钛合金；

或，坯料由单种金属组成；

或，模具加热的温度为450-500℃；优选为470℃；

或，得到的型材具有三维纵向焊缝。

10.权利要求1-4任一所述的具有起伏表面的分流桥或权利要求5-7任一所述的挤压模具在型材的挤压成型中的应用；

优选的，型材为板材或多腔薄壁空心型材。