CN113941613A - 一种镁及镁合金无缝管材螺旋挤压装置及挤压工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镁及镁合金无缝管材螺旋挤压装置及挤压工艺，属于镁及镁合金塑性加工领域。本发明提供了一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，包括螺旋挤压模具、螺旋内芯、挤压冲头、模具定位销、盛料筒、模具模套；所述螺旋挤压模具锥形型腔内及螺旋内芯头部外侧均设有螺旋流线槽；在螺旋挤压模具和螺旋内芯间形成坯料非均匀切变区，从而实现坯料在挤压过程中的螺旋流动，进而对镁及镁合金织构进行连续弱化，达到织构调控的目的；制备的管材具有高塑性、低拉压异性。加压时无需通过挤压设备外部提供剪切应力，不用牵引，降低生产成本且能够提高生产效率。本发明的镁及镁合金无缝管材螺旋挤压装置可以广泛用于镁及镁合金无缝管材的加工制造。
Description
技术领域
本发明属于镁及镁合金塑性加工领域，具体涉及一种镁及镁合金无缝管材螺旋挤压装置及挤压工艺。
背景技术
镁合金由于其轻质高强、优异的阻尼性能、回收利用率高等特性，被认为是钢的最有潜力的候补材料。近年来镁合金是航空产业、航天产业和国防弹体产业中应用的最轻的金属结构功能材料。然而传统挤压工艺制备的镁合金管材存在拉压异性严重，塑性不足等，限制了其更广泛的应用。
本领域中制备镁或镁合金无缝管，一般采用常规的锥形或平角模具或是采用高压扭转法制备，从而得到所需的镁合金管材。但是对于常规锥模和平角挤压制备的镁及镁合金管材，存在力学性能较差，拉压异性严重，塑性加工性能较低等缺陷，难以满足复杂工况下使用要求。另外对于高压扭转挤压等工艺需要设备提供坯料挤压过程中必须的剪切应力，实施过程中成本投入较高，且转速不好把控。因此，有必要改进当前镁及镁合金无缝管材的挤压装置及挤压工艺，达到提高镁及镁合金无缝管材的性能及节能、提效的目的。
发明内容
本发明的目的就是为了改善现有挤压装置和工艺制备的镁及镁合金无缝管材存在易形成强基面织构、力学性能较差、拉压异性严重、二次塑性成形性较低等缺陷，以及常规管材扭转挤压生产成本高、设备要求高、设备易出现故障等问题，而研发的一种镁及镁合金无缝管材螺旋挤压装置及挤压工艺。本发明可以实现挤压过程的应变路径精细控制，对镁及镁合金织构进行连续弱化可控，实现管材的高塑性、低拉压异性；同时提高生产效率、降低生产成本。
为实现上述发明目的，本发明首先提供了一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，包括螺旋挤压模具、螺旋内芯、挤压冲头、模具定位销、盛料筒、模具模套；所述螺旋挤压模具锥形型腔内设有螺旋流线槽I，所述螺旋内芯头部外侧设有与所述螺旋流线槽I相匹配的螺旋流线槽II；所述螺旋流线槽I沿挤出轴向顺或逆时针360°均匀排列，数量为偶数4～24个；所述螺旋流线槽II沿挤出轴向顺或逆时针360°均匀排列，数量小于或等于所述螺旋流线槽I的数量。
所述螺旋挤压模具内的螺旋流线槽I为螺旋扫描曲面；螺旋流线槽截面可以是单圆角矩形、三角形、圆形及其他形状；螺旋流线槽螺距长度为10mm-200mm，螺旋流线槽螺纹深度5-10mm。
所述螺旋内芯上的螺旋流线槽II为螺旋扫描曲面；流线槽截面可以是单圆角矩形、三角形、圆形及其他形状；流线槽螺距长度为10mm-100mm；流线槽螺纹深度4-8mm。
所述螺旋挤压模具内的螺旋流线槽I和螺旋内芯上的螺旋流线槽II，沿挤出轴向转动方向可以相同也可以不同；螺旋流线槽截面形状可以相同也可以不同。
当所述螺旋流线槽I和II转动方向相同时，可实现切变，提高弯曲等塑性成形能力，有利于二次成形。当所述螺旋流线槽I和II转动方向不同时，可以提高拉压异性，同时不显著降低强度，有利于复杂承载。
所述螺旋挤压模具内的螺旋流线槽I及螺旋内芯上的螺旋流线槽II，可以通过加工刀具沿扫描轴扫描加工得到。
所述螺旋挤压模具的锥角为30°～60°；优选地，所述螺旋挤压模具的锥角为45°。
所述盛料筒的底面与所述螺旋挤压模具进料口平面平行；所述盛料筒与所述螺旋挤压模具为平面对接后与所述模具模套过盈配合后装配于卧式挤压机；以方便模具更换。
所述模具模套与所述螺旋挤压模具和所述盛料筒之间为过盈配合；所述盛料筒内径尺寸80mm-100mm，内表面粗糙度<Ra0.4；所述盛料筒内径小于所述螺旋挤压模具进料口外径；
所述螺旋挤压模具出口处设置定径带和过渡段；保证产品表面光滑平整。
所述模具定位销位于所述螺旋挤压模具侧面，并与所述螺旋挤压模具间为过盈配合；所述模具定位销长度的2/3～3/4在所述螺旋挤压模具内。
本发明还提供一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压方法，采用上述镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，包括如下步骤：
(1)镁合金坯料预处理：将镁合金坯料车成尺寸适宜的初始料；
(2)预热处理：坯料和模具预热温度150℃～400℃，盛料筒预热温度250℃～400℃；
(3)初次挤压：模具表面用石墨乳润滑，坯料放入盛料筒，挤压速度0.1～0.5mm/s，盛料筒内剩余10～15mm料时停止挤压，把料打出；
(4)二次挤压：模具取出保温150℃～400℃至少半小时，盛料筒预热温度250℃～400℃，坯料加热至150℃～400℃，再次挤压，挤压速度0.1～0.5mm/s，盛料筒内剩余10～15mm料时停止挤压，挤压后空冷。
所述坯料采用感应加热、炉式加热等，棒料端部偏中心测温。在挤压时不用牵引，螺旋挤压模具和螺旋内芯均无需转动，挤压过程可以高效迅速的完成。
本发明方法制备得到的部分不同尺寸的螺旋挤压管材产品如图7所示。
有益效果：
本发明相对于传统镁及镁合金管材挤压模具及挤压工艺而言，具有如下优势：
1、本发明首创采用螺旋挤压模具内和螺旋内芯上相匹配的螺旋流线槽，在螺旋挤压模具和螺旋内芯间形成坯料非均匀切变区，从而实现坯料在挤压过程中的螺旋流动，进而对镁及镁合金织构进行连续弱化，达到织构调控的目的；制备的管材具有高塑性、低拉压异性。而现有的管材挤压模具不具备织构调控的作用，且管材力学性能较差，拉压异性严重，塑性加工性能较低。
2、本发明螺旋挤压模具和螺旋内芯上的螺纹结构还可以在镁及镁合金管材挤出过程中提供强剪切应力，所以无需通过挤压设备外部提供剪切应力，即可实现坯料在型腔内沿流线方向不均匀流动。挤压时不用牵引，螺旋挤压模具和螺旋内芯均不转动。本发明比现有的管材挤压模具更高效、挤压效果更好，成本更低。
3、本发明具有精确性和可控性，本发明的螺旋挤压模具和螺旋内芯之间为路径可控变形区，可通过改变螺旋挤压模具和螺旋内芯上的螺旋流线槽的螺距、螺纹深度、截面形状及尺寸、螺旋槽转动方向等，相应改变坯料流动路径，满足应变路径精确控制的目的，从而可以满足不同的生产需要。对于螺旋流线槽方向的差异影响具体为:相同可实现切变，提高弯曲等塑性成形能力，有利于二次成形；不同在不同向时，会因为流动杂糅，使的挤压丝织构沿挤压方向弱化，可以提高拉压异性，同时不显著降低强度，有利于复杂承载。
附图说明
图1为本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置装配主视剖视结构示意图。
图2为本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置主体立体剖视结构示意图。
图3为本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置的螺旋内芯局部示意图。
图4为本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置的螺旋挤压模具局部示意图。
图5为本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置的螺旋挤压模具内螺旋流线槽的三种截面形状。
图6为本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置的螺旋内芯上的螺旋流线槽的三种截面形状。
图1-6中：1.挤压头；2.盛料筒；3.螺旋挤压模具；4.螺旋内芯；5.坯料；6.定位销；7.螺旋内芯上的螺旋流线槽II；8.螺旋挤压模具内的螺旋流线槽I；9.定径带；10.过渡段；11.螺旋挤压模具的螺旋流线槽截面；12.螺旋挤压模具螺旋流线槽螺旋扫描轴；13挤压轴向；14.模具模套。
图7为本发明镁及镁合金无缝管材螺旋挤压装置及挤压工艺制备得到的部分不同尺寸的螺旋挤压管材产品。
图8为实施例2制备得到的AZ31镁合金管材室温拉伸应力应变曲线。
图9为实施例2制备得到的AZ31镁合金管材微观组织特征。
图10为实施例3制备得到的AZ31镁合金管材室温拉伸应力应变曲线。
图11为实施例3制备得到的AZ31镁合金管材微观组织特征。
图12为实施例4制备得到的ZK61镁合金管材室温拉伸应力应变曲线。
图13为实施例4制备得到的ZK61镁合金管材微观组织特征。
图14为实施例5制备得到的ZK61镁合金管材室温拉伸应力应变曲线。
图15为实施例5制备得到的ZK61镁合金管材微观组织特征。
图16为实施例6制备得到的ZK61镁合金管材室温拉伸应力应变曲线。
图17为实施例6制备得到的ZK61镁合金管材微观组织特征。
图18为实施例7制备得到的AZ31镁合金管材室温拉伸应力应变曲线。
图19为实施例7制备得到的AZ31镁合金管材微观组织特征。
具体实施方式
下面结合实例对本发明一种镁及镁合金无缝管材螺旋挤压装置及挤压工艺进行进一步的描述，如无特殊说明，本发明中的所述术语均为本领域常规含义的术语，所述方法为本领域通用方法。
实施例1
如图1-6所示镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，包括螺旋挤压模具3、螺旋内芯4、挤压冲头1、模具定位销6、盛料筒2、模具模套14；所述螺旋挤压模具3锥形型腔内设有螺旋流线槽I(8)，所述螺旋内芯4头部外侧设有与所述螺旋流线槽I相匹配的螺旋流线槽II(7)；所述螺旋挤压模具3的锥角为45°，所述螺旋流线槽I沿挤出轴向顺时针360°均匀排列，数量为8个；所述螺旋流线槽II沿挤出轴向逆时针360°均匀排列，数量等于所述螺旋流线槽I的数量。
所述螺旋挤压模具3内的螺旋流线槽I为螺旋扫描曲面；螺旋流线槽截面是圆角矩形；螺旋流线槽螺距长度为100mm，螺旋流线槽螺纹深度5mm。所述螺旋内芯上的螺旋流线槽II为螺旋扫描曲面；流线槽截面是圆角矩形；流线槽螺距为30mm；流线槽螺纹深度4mm。所述螺旋挤压模具3内的螺旋流线槽I及螺旋内芯上的螺旋流线槽II，通过加工刀具沿扫描轴12扫描加工得到。
所述盛料筒2的底面与所述螺旋挤压模具3进料口平面平行；所述盛料筒2与所述螺旋挤压模具3为平面对接后与所述模具模套14过盈配合后装配于卧式挤压机。所述模具模套14与所述螺旋挤压模具3和所述盛料筒2之间为过盈配合；所述盛料筒2内径尺寸80mm-100mm，内表面粗糙度<Ra0.4；所述盛料筒2内径小于所述螺旋挤压模具3进料口外径。所述螺旋挤压模具3出口处设置定径带9和过渡段10。所述模具定位销6位于所述螺旋挤压模具3侧面，并与所述螺旋挤压模具3间为过盈配合；所述模具定位销6长度的2/3～3/4在所述螺旋挤压模具内。
实施例2
1、镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，采用实施例1的装置。
2、挤压工艺如下：
低温(150℃)挤压：AZ31镁合金坯料车成Φ78×150mm内径与螺旋内芯外径相同的初始料，盛料筒80mm，挤压口直径25；模具和坯料温度150℃，料筒温度250℃，挤压模具表面采取石墨乳润滑，挤压速度0.5mm/s。在盛料筒内剩余10-15mm料时停止挤压。挤压后无需切断，把料打出，保留变形区的锥形过渡段。在进行下一次挤压前，模具取出保温150℃至少半小时，盛料筒保持温度250℃；坯料加热至150℃(棒料端部偏中心测温)。挤压后空冷。
本实施例2制备的AZ31镁合金管材外形如图7所示，其室温拉伸曲线如图8所示。抗拉强度为280MPa，延伸率为31.96％，抗压强度为407MPa。其微观组织特征如图8所示，平均晶粒尺寸5.8μm，呈现弱基面织构，最大极密度为3.0。
实施例3
采用本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置进行AZ31镁合金挤压实验：
1、镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置：同实施例1。
2、挤压工艺如下：
高温(400℃)挤压：选取AZ31镁合金作为挤压坯料，车成Φ78×150mm，内径与螺旋内芯外径相同的初始料，盛料筒80mm，挤压口直径25；模具和坯料温度400℃，盛料筒温度400℃，挤压速度，0.5mm/s。在盛料筒内剩余10-15mm料时停止挤压。挤压后无需切断，把料打出，保留变形区的锥形过渡段。在进行下一次挤压前，模具取出保温400℃至少半小时，盛料筒保持温度400℃；坯料加热至400℃(棒料端部偏中心测温)。挤压后空冷。
本实施例制备的AZ31镁合金管材室温拉伸曲线如图10所示。抗拉强度为286MPa,延伸率为30.2％。抗压强度为489MPa。微观组织特征如图11所示，平均晶粒尺寸为6.2μm，最大极密度4.7。
实施例4
采用本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置进行ZK61镁合金挤压实验：
1、镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置：同实施例1。
2、挤压工艺如下：
高温(400℃)挤压：选取ZK61镁合金作为挤压坯料，车成Φ78×150mm，内径与螺形内芯外径相同的初始料，盛料筒80mm，挤压口直径采用25；模具和坯料温度400℃，料筒温度400℃，挤压速度0.5mm/s。在盛料筒内剩余10-15mm料时停止挤压。挤压后无需切断，把料打出，保留变形区的锥形过渡段。在进行下一次挤压前，模具取出保温400℃至少半小时，料筒保持温度400℃；坯料加热至400℃(棒料端部偏中心测温)。挤压后空冷。
本实施例制备的ZK61镁合金管材室温拉伸曲线和微观组织如图12和图13所示。抗拉强度为324MPa,延伸率为30.54％。抗压强度为323MPa。平均晶粒尺寸为13.0μm，最大极密度10.1。
实施例5
采用本发明所示镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置进行ZK61镁合金挤压实验：
1、镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置：同实施例1，所不同的是：螺旋流线槽I数量为10，沿挤压轴向逆时针转动，截面形状为圆角矩形，螺纹深度6mm，流线槽螺纹螺距100mm。
螺旋内芯螺旋流线槽II数量为8，沿挤压轴向顺时针转动，截面形状为圆角矩形，螺纹深度6mm，流线槽螺纹螺距30mm。
2、挤压工艺如下：
高温(400℃)挤压：选取ZK61镁合金作为挤压坯料，车成Φ78×150mm，内径与螺形内芯外径相同的初始料，盛料筒80mm，挤压口直径采用25；模具和坯料温度400℃，料筒温度400℃，挤压速度0.5mm/s。挤压时不用牵引，在盛料筒内剩余10-15mm料时停止挤压。挤压后无需切断，把料打出，保留变形区的锥形过渡段。在进行下一次挤压前，模具取出保温400℃至少半小时，料筒保持温度400℃；坯料加热至400℃(棒料端部偏中心测温)。挤压后空冷。
本实施例制备的ZK61镁合金管材室温拉伸曲线和微观组织如图14和图15所示。抗拉强度为314MPa,延伸率为30.6％。抗压强度为501MPa。平均晶粒尺寸为4.2μm，最大极密度5.5。
实施例6
采用本发明所示镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置进行ZK61镁合金挤压实验：
1、镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置：同实施例1，所不同的是：螺旋流线槽I数量为6，沿挤压轴向顺时针转动，截面形状为圆形，螺纹深度5mm，流线槽螺纹螺距100mm。
螺旋内芯螺旋流线槽II数量为6，沿挤压轴向顺时针转动，截面形状为圆角矩形，螺纹深度4mm，流线槽螺纹螺距30mm。
2、挤压工艺如下：
低温(250℃)挤压：选取ZK61镁合金作为挤压坯料，车成Φ73×150mm，内径与螺形内芯外径相同的初始料，盛料筒80mm，挤压口直径采用25；模具和坯料温度250℃，料筒温度250℃，挤压速度0.5mm/s。在盛料筒内剩余10-15mm料时停止挤压。挤压后无需切断，把料打出，保留变形区的锥形过渡段。在进行下一次挤压前，模具取出保温250℃至少半小时，料筒保持温度250℃；坯料加热至250℃(棒料端部偏中心测温)。挤压后空冷。
本实施例制备的ZK61镁合金管材室温拉伸曲线和微观组织如图16和图17所示。抗拉强度为320MPa,延伸率为29.6％。抗压强度为496MPa。平均晶粒尺寸为7.6μm，最大极密度7.3，表现为倾斜织构。
实施例7
采用本发明镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置进行AZ31镁合金挤压实验：
1、镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置：同实施例1，所不同的是：螺旋挤压模具的螺旋流线槽I挤压轴向为顺时针转动；螺旋内芯螺旋流线槽II沿挤压轴向顺时针转动。
2、挤压工艺如下：
高温(400℃)挤压：选取AZ31镁合金作为挤压坯料，车成Φ78×150mm，内径与螺旋内芯外径相同的初始料，盛料筒80mm，挤压口直径25；模具和坯料温度400℃，盛料筒温度400℃，挤压速度，0.5mm/s。在盛料筒内剩余10-15mm料时停止挤压。挤压后无需切断，把料打出，保留变形区的锥形过渡段。在进行下一次挤压前，模具取出保温400℃至少半小时，盛料筒保持温度400℃；坯料加热至400℃(棒料端部偏中心测温)。挤压后空冷。
本实施例制备的AZ31镁合金管材室温拉伸曲线如图18所示。抗拉强度为344MPa,延伸率为31.7％。抗压强度为521MPa。微观组织特征如图19所示，平均晶粒尺寸为5.3μm，最大极密度4.7，表现为倾斜织构。
Claims (7)
1.一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，包括螺旋挤压模具、螺旋内芯、挤压冲头、模具定位销、盛料筒、模具模套；其特征是，所述螺旋挤压模具锥形型腔内设有螺旋流线槽I，所述螺旋内芯头部外侧设有与所述螺旋流线槽I相匹配的螺旋流线槽II；所述螺旋流线槽I沿挤出轴向顺或逆时针360°均匀排列，数量为偶数4～24个；所述螺旋流线槽II沿挤出轴向顺或逆时针360°均匀排列，数量小于或等于所述螺旋流线槽I的数量。
2.如权利要求1所述的一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，其特征是，所述螺旋挤压模具内的螺旋流线槽I为螺旋扫描曲面；螺旋流线槽截面可以是单圆角矩形、三角形、圆形及其他形状；螺旋流线槽螺距长度为10mm～200mm，螺旋流线槽螺纹深度5～10mm。
3.如权利要求1所述的一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，其特征是，所述螺旋内芯上的螺旋流线槽II为螺旋扫描曲面；流线槽截面可以是单圆角矩形、三角形、圆形及其他形状；流线槽螺距长度为10mm～100mm；流线槽螺纹深度4～8mm。
4.如权利要求1所述的一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，其特征是，所述螺旋挤压模具内的螺旋流线槽I和螺旋内芯上的螺旋流线槽II，沿挤出轴向转动方向可以相同也可以不同；螺旋流线槽截面形状可以相同也可以不同。
5.如权利要求1所述的一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，其特征是，所述螺旋挤压模具内的螺旋流线槽I及螺旋内芯上的螺旋流线槽II，可以通过加工刀具沿扫描轴扫描加工得到。
6.如权利要求1所述的一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，其特征是，所述螺旋挤压模具的锥角为30°～60°。
7.一种镁及镁合金无缝管螺旋挤压方法，其特征是，使用权利要求1所述镁及镁合金无缝管螺旋挤压装置，包括如下步骤：
(1)镁合金坯料预处理：将镁合金坯料车成尺寸适宜的初始料；
(2)预热处理：坯料和模具预热温度150℃～400℃，盛料筒预热温度250℃～400℃；
(3)初次挤压：模具表面用石墨乳润滑，坯料放入盛料筒，挤压速度0.1～0.5mm/s，盛料筒内剩余10～15mm料时停止挤压，把料打出；
(4)后续挤压：模具取出保温150℃～400℃至少半小时，盛料筒预热温度250℃～400℃；坯料加热至150℃～400℃，再次挤压，挤压速度0.1～0.5mm/s，盛料筒内剩余10～15mm料时停止挤压，挤压后空冷。
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