CN115069809A - 超高强韧铝合金的成形模具及方法 - Google Patents

超高强韧铝合金的成形模具及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高强韧铝合金的成形模具及方法，属于铝合金改性技术领域。成形模具包括：上模板一端用于与压力机连接，凸模为T形，上模板另一端与凸模一端连接，凹模中部开设通孔，套筒活动放置于凹模的通孔中，凹模底部沿径向开设用于放置垫块或缩料环的圆柱槽，垫块上表面和下表面分别用于放置待成形铝合金坯料和与压力机连接，压块上表面和下表面分别用于接触凸模另一端和待成形铝合金坯料，凹模支撑座口部开设凹模支撑圆柱槽，凹模支撑圆柱槽下面开设缩料环支撑圆柱槽，缩料环支撑圆柱槽下面开设坯料盛装通孔。本发明可避免材料开裂，提高了铝合金坯料的变型量，有效细化晶粒尺寸和破碎第二相，成形过程简单，材料利用率高。

Description

超高强韧铝合金的成形模具及方法
技术领域
本发明涉及铝合金改性技术领域，尤其涉及一种超高强韧铝合金的成形模具及方法。
背景技术
铝合金在轨道交通、船舶、空天等领域被广泛应用，而国内绝大部分铝合金材料属于中低端产品，设备要求高且制造工艺复杂、性能偏低。
传统的超高强韧铝合金成形是采用喷射沉积技术，然而该技术固有的特性使得坯锭组织内部存在一定的气孔，会影响铝合金性能，导致坯锭经过挤压成形材后利用率变低。另一方面，喷射沉积工艺具有无法将坯料进行多次变形的缺点、而且经过挤压成形材后会降低材料的利用率。
针对上述问题，本发明提出一种新型超高强韧铝合金成形方法及模具，改善超高强韧铝合金的力学性能，具有一定的工程应用价值。
发明内容
本发明提供的一种新型超高强韧铝合金成形方法及模具，能够在避免材料开裂的前提下，极大地提高了材料的变形量，有效细化晶粒尺寸和破碎第二相，且成形过程简单，材料利用率高。
为实现上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
第一方面，提供了一种超高强韧铝合金的成形模具，其包括：上模板、凸模、套筒、凹模、垫块、凹模支撑座、缩料环和压块，其中：所述上模板一端用于与压力机连接，凸模为T形，上模板另一端与凸模一端连接，凹模中部开设通孔，套筒活动放置于凹模的通孔中，套筒内径与凸模外径匹配，凹模底部沿径向开设用于放置垫块或缩料环的圆柱槽，垫块或缩料环放置于圆柱槽中，垫块和缩料环的外径与圆柱槽的直径匹配，垫块上表面和下表面分别用于放置待成形铝合金坯料和与压力机连接，压块上表面和下表面分别用于接触凸模另一端和待成形铝合金坯料，压块外径与凹模的通孔直径匹配，凹模支撑座口部开设用于支撑凹模的凹模支撑圆柱槽，凹模支撑圆柱槽下面开设用于支撑缩料环的缩料环支撑圆柱槽，缩料环支撑圆柱槽下面开设坯料盛装通孔用于盛装挤压成形的铝合金坯料。
可选地，所述套筒口部带有凸缘。
可选地，所述垫块底部中心处设有凸台。
可选地，所述压块和垫块均为两端为平底的圆柱状结构。
可选地，所述待成形铝合金坯料的初始形状为圆柱形，所述圆柱形的直径与所述缩料环的内径相同。
可选地，所述凹模的通孔直径为330mm，所述套筒的外径为260mm，所述压块的外径为330mm，所述缩料环的内径为180mm，所述垫块的直径为428mm，凹模支撑圆柱槽的直径为600mm、深度为110mm，所述缩料环支撑圆柱槽的直径为433mm、深度为20mm，所述坯料盛装通孔的直径为310mm。
第二方面，提供了一种超高强韧铝合金的成形方法， 所述超高强韧铝合金的成形方法采用上述第一方面所述的超高强韧铝合金的成形模具，其包括如下步骤：
S1，将待成形铝合金坯料加热到成形温度并保温，并将成形模具整体预热至待成形铝合金坯料成形温度以上并保温，将上模板、凸模、套筒、凹模和垫块装配在压力机上，并沿着套筒和凹模内壁涂抹油基石墨润滑剂后，将经过预热处理的待成形铝合金坯料放在套筒的型腔中心；
S2，压力机向下运动，带动上模板和凸模下压，铝合金在套筒的型腔内发生径向流动，下压第一高度后，压力机停止向下运动并开始向上运动，待凸模与套筒分离后，取出套筒并将压块放入凹模中，压力机继续向下运动，对待成形铝合金坯料再次进行镦粗，下行第二高度后，压力机停止下行，开始向上运动，完成两次镦粗；
S3，移走凹模及垫块，将凹模支撑座置于压力机顶出杠的中心线上，再将缩料环置于凹模支撑座的中心线上，最后将凹模套于缩料环上，使凹模支撑座、凹模、缩料环和压力机顶出杠四者中心线重合；
S4，压力机向下运动，带动上模板和凸模下压，金属在凹模中发生径向、轴向流动，压力机下行第三高度后停止向下运动，开始向上运动，取走压块，将形状和尺寸与压块相同的料头放入凹模内，再将压块置于料头上，压力机继续下行，直至将待成形铝合金坯料完全从缩料环中挤出，得到成形的铝合金坯料。
可选地，所述压力机向下挤压所述待成形铝合金坯料的挤压速度为0.5-1.2mm/s。
可选地，所述待成形铝合金坯料的组分为：
Zn：9～11wt%，Cu：2.0～3.0wt%，Mg：2.5～3.5wt%，Fe：≤0.06wt%，Zr：≤0.15wt%，余量为铝和杂质。
可选地，所述S1将待成形铝合金坯料加热到450℃并保温。
上述所有可选技术方案均可任意组合，本发明不对一一组合后的结构进行详细说明。
本发明的有益效果如下：
借由上述方案，在本发明提供的成形模具的型腔的约束下，对待成形铝合金坯料进行多次镦粗和正挤压，可以在避免大高径比铝合金坯料在成形过程中开裂的前提下，极大地提高了铝合金坯料的变型量，有效细化晶粒尺寸和破碎第二相，且成形过程简单，材料利用率高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明中对待成形铝合金坯料进行镦粗处理的成形模具的结构示意图。
图2是本发明中对待成形铝合金坯料进行再镦粗处理的成形模具的结构示意图。
图3是本发明中对待成形铝合金坯料进行正挤压处理的成形模具的结构示意图。
图4是本发明提供的超高强韧铝合金的成形方法的成形过程示意图。
附图标记如下：
1-上模板，2-凸模，3-套筒、4-凹模，5-垫块，6-凹模支撑座，7-缩料环，8-压块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图3所示，本发明提供的超高强韧铝合金的成形模具，其包括：上模板1、凸模2、套筒3、凹模4、垫块5、凹模支撑座6、缩料环7和压块8，其中：所述上模板1一端用于与压力机连接，凸模2为T形，上模板1另一端与凸模2一端连接，凹模4中部开设通孔，套筒3活动放置于凹模4的通孔中，套筒3内径与凸模2外径匹配，凹模4底部沿径向开设用于放置垫块5或缩料环7的圆柱槽，垫块5或缩料环7放置于圆柱槽中，垫块5和缩料环7的外径与圆柱槽的直径匹配，垫块5上表面和下表面分别用于放置待成形铝合金坯料和与压力机连接，压块8上表面和下表面分别用于接触凸模2另一端和待成形铝合金坯料，压块8外径与凹模4的通孔直径匹配，凹模支撑座6口部开设用于支撑凹模4的凹模支撑圆柱槽，凹模支撑圆柱槽下面开设用于支撑缩料环7的缩料环支撑圆柱槽，缩料环支撑圆柱槽下面开设坯料盛装通孔用于盛装挤压成形的铝合金坯料。
其中，所述压块8用于阻挡金属向上流动。
图1和图2所示的结构分别用于对待成形铝合金坯料进行镦粗处理和再镦粗处理，图3所示的结构用于对待成形铝合金坯料进行正挤压处理。
可选地，所述套筒3口部带有凸缘，以便于将套筒3置于凹模4中。
可选地，所述垫块5底部中心处设有凸台，以便于压力机的顶出杠将垫块5顶出。
可选地，所述压块8和垫块5均为两端为平底的圆柱状结构。
可选地，所述待成形铝合金坯料的初始形状为圆柱形，所述圆柱形的直径与所述缩料环7的内径相同，使得成形的铝合金坯料与待成形铝合金坯料的初始形状相同，在不改变铝合金坯料形状的前提下，改善了铝合金坯料的性能。
本发明实施例还提供了一种超高强韧铝合金的成形模具的成形方法， 所述成形方法采用上述实施例中的成形模具，如图4所示，该成形方法包括如下步骤：
S1，将待成形铝合金坯料加热到成形温度并保温，并将成形模具整体预热至待成形铝合金坯料成形温度以上并保温，将上模板1、凸模2、套筒3、凹模4和垫块5装配在压力机上，并沿着套筒3和凹模4内壁涂抹油基石墨润滑剂后，将经过预热处理的待成形铝合金坯料放在套筒3的型腔中心。
S2，压力机向下运动，带动上模板1和凸模2下压，铝合金在套筒3的型腔内发生径向流动，下压第一高度后，压力机停止向下运动并开始向上运动，待凸模2与套筒3分离后，取出套筒3并将压块8放入凹模4中，压力机继续向下运动，对待成形铝合金坯料再次进行镦粗，下行第二高度后，压力机停止下行，开始向上运动，完成两次镦粗。
S3，移走凹模4及垫块5，将凹模支撑座6置于压力机顶出杠的中心线上，再将缩料环7置于凹模支撑座6的中心线上，最后将凹模4套于缩料环7上，使凹模支撑座6、凹模4、缩料环7和压力机顶出杠四者中心线重合。
S4，压力机向下运动，带动上模板1和凸模2下压，金属在凹模4中发生径向、轴向流动，压力机下行第三高度后停止向下运动，开始向上运动，取走压块8，将形状和尺寸与压块8相同的料头放入凹模4内，再将压块8置于料头上，压力机继续下行，直至将待成形铝合金坯料完全从缩料环7中挤出，得到成形的铝合金坯料。料头是一个小的废料，用于完全把待成形铝合金坯料顶下去。
可选地，所述压力机向下挤压所述待成形铝合金坯料的挤压速度为0.5-1.2mm/s。试验表明，该挤压速度比较合适，可以防止待成形铝合金坯料在挤压过程中发生开裂。
可选地，所述待成形铝合金坯料的组分为：
Zn：9～11wt%，Cu：2.0～3.0wt%，Mg：2.5～3.5wt%，Fe：≤0.06wt%，Zr：≤0.15wt%，余量为铝和杂质。
可选地，所述S1将待成形铝合金坯料加热到450℃并保温，确保待成形铝合金坯料达到成形温度。
为了证明本发明上述实施例所述的有益效果，本发明进一步提供了实验实施例；在此需要说明的是：实验实施例仅是用来证明上述提及的有益效果，但是，本发明的上述方案并不局限于实验实施例所述的各项参数。
实验实施例：
具体地，该试验实施例中，所述凹模4的通孔直径为330mm，所述套筒3的外径为260mm，所述压块8的外径为330mm，所述缩料环7的内径为180mm，所述垫块5的直径为428mm，凹模支撑圆柱槽的直径为600mm、深度为110mm，所述缩料环支撑圆柱槽的直径为433mm、深度为20mm，所述坯料盛装通孔的直径为310mm，所述凸台为直径98mm、高度100mm的圆柱状。
本实验实施例提供一种新型超高强韧铝合金改性方法，具体包括如下步骤：
（1）将铝合金毛坯加热到成形温度（450℃）并保温，并将成形模具整体预热至待成形铝合金坯料成形温度以上并保温，将成形模具装配在压力机上，并沿着套筒3、凹模4内壁涂抹一定的油基石墨润滑剂，将经过预热处理的待成形铝合金坯料放在套筒3型腔中心；
（2）压力机向下运动，带动上模具组件下压，金属在套筒3型腔内发生径向流动，下压280mm高度后，压力机停止向下运动，开始向上运动，取出套筒3并放入压块8，压力机继续向下运动，对待成形铝合金坯料再次进行镦粗，下行89mm后，压力机停止下行，开始向上运动，完成两次镦粗；
（3）移走凹模4及垫块5，将凹模支撑座6置于压机顶出杠中心线上，再将缩料环7置于凹模支撑座6中心线上，最后将凹模4套于缩料环7上，使凹模支撑座6、凹模4、缩料环7、顶出杠四者中心线重合；
（4）压力机向下运动，带动上模板1和凸模2下压，金属发生径向、轴向流动，压力机下行146mm高度后，压力机停止向下运动，开始向上运动，并取走凹模4内压块8，将料头放入凹模4内，再将压块8置于料头上，压力机继续下行，直至将待成形铝合金坯料完全挤出，得到成形的铝合金坯料。
上述实验实施例通过往复镦挤大塑性变形工艺，在不改变待成形铝合金坯料初始形状的情况下，通过累计应变达到大塑性变形效果，该套方法分为两步，即将ф180×515的圆柱形坯料镦粗成ф260×235，然后再镦粗至ф330×146，最后缩径为ф180×515。通过对成形的铝合金坯料进行分析可得，通过该方法成形后，铝合金坯料的真应变值达到2.42，值得注意的是，该套成形工艺远大于大塑性变形所对应的真应变值1.5。因此，本发明实施例可以在避免材料开裂的前提下，极大地提高了铝合金坯料的变形量，可以有效细化晶粒和破碎析出相。
由于金属材料的强度和塑性变形量有着密不可分的联系，Al-Zn-Mg-Cu合金是主强化相合金，通过主强化相η’相的析出能够提高合金的力学性能，为此，本发明实施例将成形方法与大塑性变形工艺相结合，通过采用上述成形模具使用合适的速度挤压待成形铝合金坯料，不仅能够防止坯料开裂，极大地提高了材料的变形量，有效细化晶粒尺寸和破碎第二相，且成形过程简单，材料利用率高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高强韧铝合金的成形模具，其特征在于，包括：上模板（1）、凸模（2）、套筒（3）、凹模（4）、垫块（5）、凹模支撑座（6）、缩料环（7）和压块（8），其中：所述上模板（1）一端用于与压力机连接，凸模（2）为T形，上模板（1）另一端与凸模（2）一端连接，凹模（4）中部开设通孔，套筒（3）活动放置于凹模（4）的通孔中，套筒（3）内径与凸模（2）外径匹配，凹模（4）底部沿径向开设用于放置垫块（5）或缩料环（7）的圆柱槽，垫块（5）或缩料环（7）放置于圆柱槽中，垫块（5）和缩料环（7）的外径与圆柱槽的直径匹配，垫块（5）上表面和下表面分别用于放置待成形铝合金坯料和与压力机连接，压块（8）上表面和下表面分别用于接触凸模（2）另一端和待成形铝合金坯料，压块（8）外径与凹模（4）的通孔直径匹配，凹模支撑座（6）口部开设用于支撑凹模（4）的凹模支撑圆柱槽，凹模支撑圆柱槽下面开设用于支撑缩料环（7）的缩料环支撑圆柱槽，缩料环支撑圆柱槽下面开设坯料盛装通孔用于盛装挤压成形的铝合金坯料。
2.根据权利要求1所述的超高强韧铝合金的成形模具，其特征在于，所述套筒（3）口部带有凸缘。
3.根据权利要求1所述的超高强韧铝合金的成形模具，其特征在于，所述垫块（5）底部中心处设有凸台。
4.根据权利要求1所述的超高强韧铝合金的成形模具，其特征在于，所述压块（8）和垫块（5）均为两端为平底的圆柱状结构。
5.根据权利要求1所述的超高强韧铝合金的成形模具，其特征在于，所述待成形铝合金坯料的初始形状为圆柱形，所述圆柱形的直径与所述缩料环（7）的内径相同。
6.根据权利要求1所述的超高强韧铝合金的成形模具，其特征在于，所述凹模（4）的通孔直径为330mm，所述套筒（3）的外径为260mm，所述压块（8）的外径为330mm，所述缩料环（7）的内径为180mm，所述垫块（5）的直径为428mm，凹模支撑圆柱槽的直径为600mm、深度为110mm，所述缩料环支撑圆柱槽的直径为433mm、深度为20mm，所述坯料盛装通孔的直径为310mm。
7. 一种超高强韧铝合金的成形方法， 所述超高强韧铝合金的成形方法采用权利要求1至6中任一权利要求所述的超高强韧铝合金的成形模具，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将待成形铝合金坯料加热到成形温度并保温，并将成形模具整体预热至待成形铝合金坯料成形温度以上并保温，将上模板（1）、凸模（2）、套筒（3）、凹模（4）和垫块（5）装配在压力机上，并沿着套筒（3）和凹模（4）内壁涂抹油基石墨润滑剂后，将经过预热处理的待成形铝合金坯料放在套筒（3）的型腔中心；
S2，压力机向下运动，带动上模板（1）和凸模（2）下压，铝合金在套筒（3）的型腔内发生径向流动，下压第一高度后，压力机停止向下运动并开始向上运动，待凸模（2）与套筒（3）分离后，取出套筒（3）并将压块（8）放入凹模（4）中，压力机继续向下运动，对待成形铝合金坯料再次进行镦粗，下行第二高度后，压力机停止下行，开始向上运动，完成两次镦粗；
S3，移走凹模（4）及垫块（5），将凹模支撑座（6）置于压力机顶出杠的中心线上，再将缩料环（7）置于凹模支撑座（6）的中心线上，最后将凹模（4）套于缩料环（7）上，使凹模支撑座（6）、凹模（4）、缩料环（7）和压力机顶出杠四者中心线重合；
S4，压力机向下运动，带动上模板（1）和凸模（2）下压，金属在凹模（4）中发生径向、轴向流动，压力机下行第三高度后停止向下运动，开始向上运动，取走压块（8），将形状和尺寸与压块（8）相同的料头放入凹模（4）内，再将压块（8）置于料头上，压力机继续下行，直至将待成形铝合金坯料完全从缩料环（7）中挤出，得到成形的铝合金坯料。
8.根据权利要求7所述的超高强韧铝合金的成形方法，其特征在于，所述压力机向下挤压所述待成形铝合金坯料的挤压速度为0.5-1.2mm/s。
9.根据权利要求7所述的超高强韧铝合金的成形方法，其特征在于，所述待成形铝合金坯料的组分为：
Zn：9～11wt%，Cu：2.0～3.0wt%，Mg：2.5～3.5wt%，Fe：≤0.06wt%，Zr：≤0.15wt%，余量为铝和杂质。
10.根据权利要求7所述的超高强韧铝合金的成形方法，其特征在于，所述S1将待成形铝合金坯料加热到450℃并保温。
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