CN115156326A - 往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轻金属塑性成形技术领域，具体涉及的是一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置及方法。通过该装置及其加工方法，使镁合金坯料在加工过程中发生连续剧烈扭转变形，从而实现晶粒细化，改善镁合金的室温力学性能，扩大镁合金应用范围。所述装置包括卧式挤压机、外部模架、内部扭转模具和往复挤压机，并将挤压通道分为左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和右固定区域V，左、右压力机控制内部扭转模具在左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和固定区域V之间往复运动，使镁合金棒料各段晶粒均得到细化；待内部扭转模具往复运动n次，完成镁合金棒料往复扭转挤压成形。

Description

往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置及方法

技术领域

本发明属于轻金属塑性成形技术领域，具体涉及的是一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置及方法。

背景技术

镁合金是密度最小的金属结构材料，同时兼备比强度和比刚度高、摩擦时不起火花、热成形性好、易回收等优点，因此其在汽车、3C、航空航天、军事等领域中占有重要地位，更是被誉为“21世纪的绿色能源材料”。然而，镁合金因其密排六方晶体结构，在室温只有3个滑移系，不满足5个滑移系的多晶体塑性变形协调性原则，宏观表现为较差的室温力学性能，此外，由于镁合金的基面和非基面滑移的临界剪切应力相差较大，低温变形时不易启动非基面滑移，使得变形后材料内晶粒存在择优取向形成强基面织构，不利于后续变形，限制了镁合金在各领域中的应用。晶粒细化可以显著提高金属材料的各项力学性能，镁合金亦是如此。剧烈塑性变形技术被证实能够有效地细化镁合金晶粒，如高压扭转(HPT)、多向锻造(MDF)、等通道转角挤压（ECAP）、旋转挤压(TE)，其可以将晶粒极度细化，甚至可获得超细晶组织。然而，扭转变形一般较为复杂，模具加工要求与设备需求高，需承受较大压力，材料扭转程度低、对实现大批量连续制备有着极大限制。

因此发明一种有效的弱化镁合金的变形织构和细化晶的装置和方法对扩大镁合金的应用范围是十分重要的。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种等截面往复扭转-剪切复合挤压变形制备细晶弱织构镁合金装置及工艺方法。通过该装置及其加工方法，使镁合金坯料在加工过程中发生连续剧烈扭转变形，从而实现晶粒细化，改善镁合金的室温力学性能，扩大镁合金应用范围。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置，包括卧式挤压机、外部模架、内部扭转模具和往复挤压机，其中：

所述外部模架包括安装在卧式挤压机上的左凹模、右凹模；左凹模和右凹模内均水平开有左右贯通且位置对应的挤压通道，所述挤压通道横截面呈圆柱形；左凹模的右侧环绕挤压通道开有缺口，右凹模的左侧环绕挤压通道开有缺口；左凹模、右凹模对接后，左右缺口部分构成一个内外模安装空间；

所述内部扭转模具位于内外模安装空间内，包括第一齿轮、至少一个第二齿轮、内齿轮、内凹模、外凹模、弹簧、至少一组挡板组、至少一个蜗轮、至少一个蜗杆；一组挡板组对应一个第二齿轮、至少一个蜗轮、至少一个蜗杆以及至少一个可动挡板；第一齿轮位于内外模安装空间内并紧靠左凹模右侧下方安置，左凹模内设有与挤压通道走向平行的第一转轴并通过第一转轴与第一齿轮相连接，左凹模内设有驱动第一转轴的电机；内凹模开有左右贯通且内径与左、右凹模挤压通道相同的挤压通道，所述内凹模位于第一齿轮上方并通过其外周固定的矩形齿轮与第一齿轮相啮合，同时左、右凹模的挤压通道和内凹模中的挤压通道同轴；所述外凹模为筒状结构，其固定在内外模安装空间内并套在内凹模中部外周，多个弹簧连接在外凹模内圈并顶在内凹模外壁上；所述内齿轮固定安装在右凹模的左侧，内凹模上在靠近其边缘的位置开有与挤压通道走向平行的至少一个轴孔，一个轴孔内转动安装有一个第二转轴，一个第二齿轮转动安装在第二转轴上且位于内凹模的右侧边缘，第二齿轮一部分沿径向伸出内凹模并与内齿轮相啮合，第二转轴上安装有至少一个蜗杆，内凹模上对应至少一个蜗杆的位置开有与挤压通道相连通的开口，每个开口内通过转轴安装有一个可动挡板；一个蜗轮与一个可动挡板连接且该蜗轮与一个蜗杆相配合，可动挡板前端伸入挤压通道内；第一齿轮通过转动带动内凹模转动，所述内齿轮的齿轮形状与内凹模的运动轨迹相一致；

往复挤压机包括位于卧式挤压机左右两侧的左、右压力电机以及位于挤压通道内左右两侧的左、右挤压杆，左、右压力电机的伸缩压头分别抵住左、右挤压杆。

进一步地，所述挤压空间包括由左向右依次设置的左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和右固定区域V五个区域，扭转区域Ⅱ和扭转区域Ⅳ在镁合金棒料成形过程中不断扭转进入该区域的镁合金棒料，中间推动区Ⅲ将挤出的镁合金棒料向扭转区域Ⅳ推进或将挤出的镁合金棒料向扭转区域Ⅱ推进，左固定区域Ⅰ与右固定区域V将挤出扭转区域Ⅲ的镁合金棒料。该装置能够实现通过等截面往复扭转-剪切复合挤压变形制备细晶弱织构镁合金。

进一步地，所述左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和右固定区域V五个区域的横截面截面的形状与尺寸均与镁合金棒料横截面的形状与尺寸相同。

进一步地，左、右凹模的挤压通道内周圈固定有电热丝；左右凹模通过多根螺栓连接。

进一步的，环绕内凹模周向等间距安装有多个第二转轴，每个第二转轴上安装有多个蜗杆，每个蜗杆配有一个蜗轮，每个蜗轮配有一个可动挡板，即每个第二转轴对应上通过蜗轮蜗杆机构连接有多个可动挡板。

进一步地，左凹模、左挤压杆、可动挡板、右凹模、右挤压杆的材质均为热作模具钢4Cr5MoSiV1，其中不同组可动挡板的底端圆弧半径、前端圆弧半径、长度均不相同；左凹模、左挤压杆、可动挡板、右凹模、右挤压杆的表面粗糙度均为Ra0.16~0.4μm。

一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的方法，包括以下步骤：

S1、镁合金棒料预处理：

S1-1、将镁合金棒材加工成圆柱形的镁合金棒料，并用600目砂纸对镁合金棒料的表面进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金棒料表面光洁；

S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2在清洗槽中混合后搅拌均匀，配制成清洗液；

S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金棒料浸没入步骤S1-2制备的清洗液内，将清洗槽放置在超声波清洗机上对镁合金棒料超声波清洗60min，然后取出镁合金棒料并用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干；

S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金棒料的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；

S2、镁合金棒料预热：设定真空气氛加热炉的加热温度为450℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金棒料放入加热炉内，保温3h；

S3、往复扭转挤压变形成形装置的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将左挤压杆和右挤压杆外表面、左凹模和右凹模内腔、可动挡板的所有表面、涡轮和蜗杆齿轮部分外表面涂抹石墨油溶液；

S3-2、装配：

首先，将左凹模安装在卧式挤压机上，再将第一齿轮固定在左凹模上，再将内凹模和第一齿轮啮合放置在一起，同时使内凹模和左凹模的挤压通道相平行，再将外凹模下端和内凹模下端紧靠放置，随后将弹簧安装在内凹模和外凹模之间位置，再将内齿轮安装在右凹模上，内齿轮刚好和第二齿轮外部啮合放置，最后将左凹模、中间模具和右凹模通过四个螺栓安装在一起；

S3-3、预热：控制加热丝温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；

S4、往复扭转挤压成形：左右凹模以及内凹模的挤压通道共同连成挤压空间；所述挤压空间包括由左向右依次设置的左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和右固定区域V五个区域；

S4-1、将左挤压杆从左凹模中退出，使镁合金棒料填充在左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ四个区域，随后将左挤压杆重新推入左凹模中；操作左挤压杆将胚料向右推进，在挤压过程中第一齿轮会同时转动，第一齿轮的转动会带动内凹模的转动从而实现对胚料的扭挤，内凹模在转动过程中内部的第二齿轮会在内齿轮上转动，第二齿轮转动的同时会带动着蜗轮蜗杆转动，实现可动挡板在成形过程中摆动；当镁合金棒料到达右挤压杆时，右压力机开动，第一齿轮会同时发生反向转动，镁合金棒料在右挤压杆的作用下向左运动，在往复扭转挤压成形过程中，控制加热丝温度为300~500℃；

S4-2、通过左、右压力机控制内部扭转模具在左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和固定区域V之间往复运动，使镁合金棒料各段晶粒均得到细化；待内部扭转模具往复运动n次，并且使内部扭转模具处于初始位置，然后按下停止按钮，完成镁合金棒料往复扭转挤压成形；

S4-3、取出步骤S4-2制得的镁合金棒料，用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤S1-2制备的清洗液清洗镁合金棒料，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金棒材。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1.内部扭转结构在齿轮的带动下做一种不规则的运动，这样可以有效的弱化了镁合金棒料的织构，提高镁合金力学性能。

2.不对称往复挤压过程中可动挡板的存在可以促进这种不对称挤压的进行，使得镁合金棒晶粒细化效果更为显著，当可动挡板的个数n

时所得到的镁合金棒料组织更为均匀。

附图说明

图1 为本发明中等截面往复扭转-剪切复合挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置示意图；

图2为图1中内部挤压通道的主剖面图；

图3为内部扭转挤压结构左侧的侧视图；

图4为内部扭转挤压结构右侧的侧视图；

图5为内凹模在内齿轮运动的的状态图；

图6为上下可动挡板不同时的镁合金棒材胚料状态图；

图7为上下可动挡板相同时的镁合金棒材胚料状态图。

图中：1—卧式挤压机，2—显示屏，3—指示灯，4—电源开关，5—加热套开关，6—左挤压杆开关，7—右挤压杆开关，8—左连接导线，9—右连接导线， 10—左压力电机底座，11—右压力电机底座，12—左压力电机，13—右压力电机，14—左压力电机传动带，15—右压力电机传动带，16—左挤压伸缩腔，17—右挤压伸缩腔，18—左挤压伸缩压头19—右挤压伸缩压头，20—左挤压杆，21—右挤压杆，22—螺栓，23—左凹模，24—加热丝，25—镁合金棒料，26—第一齿轮，27—第一下可动挡板，28—第一上可动挡板，29—内凹模，30—外凹模，31—弹簧，32—第二下可动挡板，33—第二上可动挡板，34—蜗杆，35—蜗轮，36—内齿轮，37—第二齿轮，38—右凹模。

Ⅰ-左固定区域；Ⅱ-扭转区域；Ⅲ-中间推动区；Ⅳ-扭转区域；V-右固定区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置，它包括外部模架、内部扭转模具和往复挤压机，其中：

所述外部模架包括左凹模23、右凹模38、螺栓22，加热丝24，通过四根螺母22将左凹模23和右凹模38与中间的模具连接在一起其中这四个螺栓22相对放置，挤压通道位于凹模中间位置，横截面成圆柱形，加热丝24位于挤压通道两侧。

内部扭转模具包括第一齿轮26、内齿轮36、第二齿轮37、内凹模29、外凹模30、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32、蜗杆34、蜗轮35、弹簧31，所述左凹模安置在卧式挤压机上1，第一齿轮26在紧靠左凹模23下方安置，将内凹模29和第一齿轮26相啮合放置在左凹模23中间位置同时左凹模23的挤压通道和内凹模29中的挤压通道相重合，这样在第一齿轮26的转动下会带动内凹模29转动实现一种类似于蝴蝶形的运动轨迹，第二齿轮37、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32、蜗杆34、蜗轮35均位于内凹模29中，其中第一上可动挡板28、第一下可动挡板27对镁合金棒料的扭转起到促到进作用，第二上可动挡板33、第二下可动挡板32对镁合金棒料在内凹模29中间挤压通道时的向前运动起到一种促进作用同时防止中间不受力从而无法到达扭转区域Ⅳ对模具造成损伤，蜗轮35镶嵌在可动挡板内部，蜗杆34在可动挡板底部与蜗轮35啮合，在第二齿轮37的带动下使蜗轮35蜗杆34转动从而带动可动挡板的运动，使得镁合金棒料在运动过程中受到不同状态的阻碍力，第二齿轮37位于内凹模29右端，其中第二齿轮37的一部分位于内凹模29外部与内齿轮36相啮合，在第一齿轮转动过程中会带动第二齿轮沿着内齿轮36运动，第二齿轮的转动会使蜗轮35蜗杆34转动从而带动可动挡板的运动，内齿轮安装在右凹模上，其内部形状和内凹模的运动轨迹的形状相一致，外凹模30下端和内凹模29下端紧靠放置，内凹模29和外凹模30之间位置安装弹簧。

往复挤压机包括左连接导线8、右连接导线9、左压力电机底座10，右压力电机底座11，左压力电机12、右压力电机13、左压力电机传送带14、右压力电机传送带15、左挤压伸缩腔16、右挤压伸缩腔17、左挤压伸缩压头18、右挤压伸缩压头19、左挤压杆20、右挤压杆21，左压力电机12通过左压力连接导线8和卧式挤压机1相连，左压力电机12下方为左压力电机底座10，上方为左压力电机传送带14，左压力电机传送带14上方设有左挤压伸缩型腔16，左挤压伸缩腔16内设有左挤压伸缩压头18，左挤压伸缩压头18与左挤压杆20相接触。右连接导线9、右压力电机底座11、右压力电机13、右压力电机传送带15、右挤压伸缩腔17、右挤压伸缩压头19、右挤压杆21和左连接导线8、左压力电机底座10、左压力电机12、左压力电机传送带14、左挤压伸缩腔16、左挤压伸缩压头18、左挤压杆20相对放置。

进一步地，所述挤压空间包括由左向右依次设置的左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和右固定区域V五个区域，扭转区域Ⅱ和扭转区域Ⅳ在镁合金棒料25成形过程中不断扭转进入该区域的镁合金棒料25，中间推动区Ⅲ将挤出的镁合金棒料25向扭转区域Ⅳ推进或将挤出的镁合金棒料25向扭转区域Ⅱ推进，左固定区域Ⅰ与右固定区域V将挤出扭转区域Ⅲ的镁合金棒料25整形。

进一步地，所述左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和右固定区域V五个区域的横截面截面的形状与尺寸均与镁合金棒料25横截面的形状与尺寸相同。

进一步地，左凹模23、左挤压杆20、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32、右凹模38、右挤压杆21的材质均为热作模具钢4Cr5MoSiV1，其中第一上可动挡板28的底端圆弧半径为r ₁、前端圆弧半径为r ₂、长度为l ₁，第一下可动挡板27的底端圆弧半径为r ₃、前端圆弧半径为r ₄、长度为l ₂，且r ₁≠r ₂≠r ₃≠r ₄、l ₁≠l ₂。

进一步地，左凹模23、左挤压杆20、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32、右凹模38、右挤压杆21的表面粗糙度均为Ra0.16~0.4μm。

进一步地；所述第一上可动挡板28、第一下可动挡板27，第二上可动挡板33、第二下可动挡板32在成形过程中摆动角为α（α₁~α₄）。

本具体实施方式中，在进行往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金之前先精选制备过程需要的材料、化学试剂：

1、镁合金棒料25：圆柱形胚料，材料选用AZ31，含镁96%、含铝3%、含锌1%；

2、砂纸，固态固体；

3、石墨油溶液，黏稠液体；

4、无水乙醇，液态液体，纯度99.5%；

5、丙酮，液态液体，纯度99%。

一种采用上述装置往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的方法，包括以下步骤：

S1、镁合金棒料25预处理：

S1-1、将镁合金棒材加工成圆柱形的镁合金棒料25，并用600目砂纸对镁合金棒料25的表面进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金棒料25表面光洁；

S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2在清洗槽中混合后搅拌均匀，配制成清洗液；

S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金棒料25浸没入步骤S1-2制备的清洗液内，将清洗槽放置在超声波清洗机上对镁合金棒料25超声波清洗60min，然后取出镁合金棒料25并用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干；

S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金棒料25的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；

S2、镁合金棒料25预热：设定真空气氛加热炉的加热温度为450℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金棒料25放入加热炉内，保温3h；

S3、往复扭转挤压变形成形装置的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将左挤压杆20和右挤压杆21外表面、左凹模23和右凹模37内腔、第一上可动挡板28和第一下可动挡板27、第二上可动挡板33和第二日下可动挡板32的所有表面、涡轮35和蜗杆34齿轮部分、螺栓外表面涂抹石墨油溶液；

S3-2、装配：

首先，将左凹模23安装在卧式挤压机1上，再将第一齿轮26固定在左凹模23上，再将内凹模29和第一齿轮26啮合放置在一起（啮合部分位于内凹模左侧伸出外凹模的部分），同时使内凹模29和左凹模23的挤压通道相平行，再将外凹模30下端和内凹模29下端紧靠放置，随后将弹簧31安装在内凹模29和外凹模30之间位置，再将内齿轮36安装在右凹模38上，内齿轮36刚好和第二齿轮37外部啮合放置，最后将左凹模23、中间模具和右凹模38通过四个螺栓22安装在一起。

S3-3、预热：操作加热套开关5控制加热丝24温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；

S4、往复扭转挤压成形：

S4-1、将左挤压杆20从左凹模23中退出，使镁合金棒料25填充在左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ四个区域，随后将左挤压杆20重新推入左凹模23中；操作左挤压杆20将胚料向右推进其为速度为v ₁，在挤压过程中第一齿轮26会同时转动，第一齿轮26的转动会带动内凹模29的转动从而实现对胚料的扭挤，第一齿轮26和内凹模29的角速度分别为ω ₁和ω ₂，内凹模29在转动过程中内部的第二齿轮37会在内齿轮36上转动，第二齿轮37转动的同时会带动着蜗杆34蜗轮35转动，实现第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32在成形过程中摆动α度，第二齿轮36、蜗杆34、蜗轮35、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32的转动角速度分别为ω ₃、ω ₄、ω ₅、ω ₆、ω ₇、ω ₈、ω ₉。当镁合金管材胚料到达右挤压杆21时，右挤压电机13开动，第一齿轮26会同时发生反向转动，镁合金管材胚料在右挤压杆21的作用下向左运动，其为速度为v ₂，在往复扭转挤压成形过程中，操作加热套开关5控制加热层温度为300~500℃；

S4-2、操作左挤压杆开关6和右挤压杆开关7控制内部扭转模具在左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和固定区域V之间往复运动，使镁合金棒料各段晶粒均得到细化；待内部扭转模具往复运动n次（n≥20次），并且使内部扭转模具处于初始位置，然后按下停止按钮，完成镁合金棒料25往复扭转挤压成形；

S4-3、取出步骤S4-2制得的镁合金棒料25，用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤S1-2制备的清洗液清洗镁合金棒料25，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金棒材25。

具体实施例

一种等截面往复扭转-剪切复合挤压变形制备细晶弱织构镁合金装置及工艺方法，采用如下步骤：

（1）将往外部模架、内部扭转挤压装置安装于卧式往复液压挤压机上，安装牢固，各部位置，连接关系要正确，按序操作；

（2）AZ31镁合金块材坯料将AZ31镁合金块材坯料外表面用600目砂纸进行打磨，去除油污，随后依次用1000,1200,2500目砂纸进行打磨，确保表面清洁、光滑；将打磨好的镁合金块材坯料置于丙酮和无水乙醇体积比为3:2的混合液中进行超声波清洗30min，随后用酒精清洗并用吹风机吹干；

（3）开启真空气氛加热炉对镁合金块材坯料进行预热，预设温度为400℃，达到预定温度时继续将镁合金块材坯料置于加热炉中保温3h；

（4）开启挤压模腔外部加热装置，对挤压模腔Ⅰ、Ⅲ、V区域进行加热，加热温度预设为400℃，达到预设温度后继续保温3h；

（5）在镁合金块材坯料表面涂抹高温石墨油溶液进行润滑，退出左挤压杆20，左挤压杆20尺寸与右挤压杆21尺寸相同，将预热后的镁合金块材坯料置于挤压模腔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V内，将左挤压杆20伸入挤压模腔Ⅰ内，并接触镁合金块材坯料。本发明中左凹模23、左挤压杆20、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32、右凹模38、右挤压杆21的材质均为热作模具钢4Cr5MoSiV1，左凹模23、左挤压杆20、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32、右凹模38、右挤压杆21的表面光滑粗糙度均为Ra 0.3μm；

（6）开启电机，在左压力电机12的作用下使左挤压杆20向左运动，其速度v ₁约为200mm/min，在左挤压杆20向左运动过程中，第一齿轮26的旋转会同时带动内凹模29的旋转，使得镁合金棒料在扭转区域Ⅱ、Ⅳ发生扭转变形，第一齿轮26的角速度和内凹模29的角速度分别为ω₁=0.1r/s和ω₂=0.05r/s，当内凹模29转动过程内部的第二齿轮37会在内齿轮36中发生转动从而带动着蜗杆34蜗轮35转动，实现第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32在成形过程中摆动角从30°到120°转动，第二齿轮36、蜗轮35、蜗杆34、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32的转动角速度分别为ω₃=0.1、ω₄=0.05、ω₅=0.1、ω₆=0.05、ω₇=0.1、ω₈=0.1、ω₉=0.1r/s；

（7）当镁合金管材胚料到达右挤压杆21时，右压力电机13开动，同时第一齿轮发生反转，镁合金管材胚料在右挤压杆21的作用下向左运动，其为速度为v ₂约为200 mm/min，当镁合金胚料再一次经过扭转区域Ⅱ、Ⅳ会发生扭转变形会并且再一次受到第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32对镁合金棒料25的扭转变形的综合作用；

（8）重复20次上述步骤（6）和步骤（7），实等截面往复扭转-剪切复合挤压变形加工过程；

（9）取出镁合金棒料25，使用砂纸对其表面进行打磨，随后置于丙酮和无水乙醇体积比为3:2的混合液中进行超声波清洗，最后用酒精清洗并用吹风机冷风吹干。

结论：通过本发明一种等截面往复扭转-剪切复合挤压变形制备细晶弱织构镁合金装置及工艺方法，镁合金坯料的平均晶粒尺寸与常规镁合金相比大大减小，从原始的33μm减小到1.52 μm，基面织构由强基面织构转变为偏转的弱基面织构，织构和初始镁合金棒料相比得到了有效的弱化。

所用材料、化学试剂：AZ31镁合金块状坯料，其直径d=50mm；砂纸：SiC，600目，2张；1000目，2张；1200目，2张；2500目，2张；高温石墨油溶液：C，500g；无水乙醇：CH₃CH₂OH,1200ml; 丙酮：C₃H₆O，800ml。

以下结合附图对本发明通过上述步骤获得细晶弱织构镁合金的原理进行详述：

开启左压力电机12，使左挤压杆20对预先置于左凹模23挤压模腔内的镁合金管材胚料进行挤压，镁合金管材胚料在左挤压杆20的作用下向右流动，并在内部扭转挤压模具内发生两次扭转分别为扭转区域Ⅱ和扭转区域Ⅳ，晶粒组织因受到剧烈塑性变形SPD发生晶粒细化。当镁合金管材胚料到达右挤压杆21时，右压力电机开动，镁合金管材胚料在右挤压杆21的作用下向左运动，晶粒再一次细化，重复n次（

）后实现对胚料的往复连续扭转挤压加工，组织被细化，力学性能有效提高，从而获得细晶弱织构镁合金管材。

所述内部扭转挤压模具是由第一齿轮26带动内凹模在外凹模中运动如图1、3所示。内凹模中有第二齿轮37、第一上可动挡板28、第一下可动挡板27、第二上可动挡板33、第二下可动挡板32、蜗杆34、蜗轮35，其中第一上可动挡板28、第一下可动挡板27为一类可动挡板其数目为n，第二上可动挡板33、第二下可动挡板32为另一类可动挡板其数目为n。第一类可动挡板于第二齿轮的带动作用下蜗杆34蜗轮35会发生转动，这样在扭转挤压过程中可动挡板和挤压通道的角度会不断发生变换，从而使镁合金棒料的应力状态也会不断发生改变，镁合金胚料在两种不同运动状态的示意图如图6和图7所示。在如图6中，A和B分别是可动挡板所处不同状态时的胚料状态和晶粒取向，从中可以看到镁合金棒料25发生了剧烈的塑性变形并且晶粒取向从原先平行于TD方向在经过内部扭转模具和活动挡板的共同作用逐渐转向平行于ED方向，所以这类可动挡板的作用主要是促进镁合金棒料不对称扭转挤压的进行，弱化镁合金的织构细化晶粒。第二类可动挡板对镁合金棒料25在内凹模29中间挤压通道时的向前运动起到一种促进作用同时防止中间不受力从而无法到达扭转区域Ⅳ对模具造成损伤。图6是当第一类可动挡板大小形状相同时的镁合金棒料的胚料示意图，图6和图7相比较而言当第一类可动挡板大小不同时，镁合金塑性变形更严重，对织构的弱化效果更明显。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置，其特征在于，包括卧式挤压机（1）、外部模架、内部扭转模具和往复挤压机，其中：

所述外部模架包括安装在卧式挤压机（1）上的左凹模（23）、右凹模（38）；左凹模（23）和右凹模（38）内均水平开有左右贯通且位置对应的挤压通道，所述挤压通道横截面呈圆柱形；左凹模（23）的右侧环绕挤压通道开有缺口，右凹模（38）的左侧环绕挤压通道开有缺口；左凹模（23）、右凹模（38）对接后，左右缺口部分构成一个内外模安装空间；

所述内部扭转模具位于内外模安装空间内，包括第一齿轮（26）、至少一个第二齿轮（37）、内齿轮（36）、内凹模（29）、外凹模（30）、弹簧（31）、至少一组挡板组、至少一个蜗杆（34）、至少一个蜗轮（35）；一组挡板组对应一个第二齿轮（37）、至少一个蜗杆（34）、至少一个蜗轮（35）以及至少一个可动挡板；第一齿轮（26）位于内外模安装空间内并紧靠左凹模（23）右侧下方安置，左凹模（23）内设有与挤压通道走向平行的第一转轴并通过第一转轴与第一齿轮（26）相连接，左凹模（23）内设有驱动第一转轴的电机；内凹模（29）开有左右贯通且内径与左、右凹模挤压通道相同的挤压通道，所述内凹模（29）位于第一齿轮（26）上方并通过其外周固定的矩形齿轮与第一齿轮（26）相啮合，同时左、右凹模的挤压通道和内凹模（29）中的挤压通道同轴；所述外凹模（30）为筒状结构，其固定在内外模安装空间内并套在内凹模中部外周，多个弹簧（31）连接在外凹模（30）内圈顶部并顶在内凹模（29）外壁上；所述内齿轮（36）固定安装在右凹模（30）的左侧，内凹模（29）上在靠近其边缘的位置开有与挤压通道走向平行的至少一个轴孔，一个轴孔内转动安装有一个第二转轴，一个第二齿轮（37）转动安装在第二转轴上且位于内凹模（29）的右侧边缘，第二齿轮（37）一部分沿径向伸出内凹模（29）并与内齿轮（36）相啮合，第二转轴上安装有至少一个蜗杆（34），内凹模（29）上对应至少一个蜗杆（34）的位置开有与挤压通道相连通的开口，每个开口内通过转轴安装有一个可动挡板；一个蜗轮（35）与一个可动挡板连接且该蜗轮（35）与一个蜗杆（34）相配合，可动挡板前端伸入挤压通道内；第一齿轮（26）通过转动带动内凹模（29）转动，所述内齿轮（36）的齿轮形状与内凹模（29）的运动轨迹相一致；

往复挤压机包括位于卧式挤压机（1）左右两侧的左、右压力电机以及位于挤压通道内左右两侧的左、右挤压杆，左、右压力电机的伸缩压头分别抵住左、右挤压杆。

2.如权利要求1所述的一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置，其特征在于，左、右凹模的挤压通道内周圈固定有电热丝（24）；左右凹模通过多根螺栓（22）连接。

3.如权利要求1所述的一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置，其特征在于，环绕内凹模（29）周向等间距安装有多个第二转轴，每个第二转轴上安装有多个蜗杆（34），每个蜗杆（34）配有一个蜗轮（35），每个蜗轮（35）配有一个可动挡板。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置，其特征在于，所述左压力机包括左压力电机底座（10），左压力电机（12）、左压力电机传送带（14）、左挤压伸缩腔（16）、左挤压伸缩压头（18）和左挤压杆（20），左压力电机（12）通过左压力连接导线（8）和卧式挤压机（1）相连，左压力电机（12）下方为左压力电机底座（10），上方为左压力电机传送带（14），左压力电机传送带（14）上方设有左挤压伸缩腔（16），左挤压伸缩腔（16）内设有左挤压伸缩压头（18），左挤压伸缩压头（18）与左挤压杆（20）相接触；右压力机包括右压力电机底座（11），右压力电机（13）、右压力电机传送带（15）、右挤压伸缩腔（17）、右挤压伸缩压头（19）、右挤压杆（21）；右压力电机（13）通过右压力连接导线（9）和卧式挤压机（1）相连，右压力电机（13）下方为右压力电机底座（11），上方为右压力电机传送带（15），右压力电机传送带（15）上方设有右挤压伸缩腔（17），右挤压伸缩腔（17）内设有右挤压伸缩压头（19），右挤压伸缩压头（19）与右挤压杆（21）相接触。

5.如权利要求1-3任一项所述的一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的装置，其特征在于，左凹模（23）、左挤压杆（20）、可动挡板、右凹模（38）、右挤压杆（21）的材质均为热作模具钢4Cr5MoSiV1，其中不同组可动挡板的底端圆弧半径、前端圆弧半径、长度均不相同；左凹模（23）、左挤压杆（20）、可动挡板、右凹模（38）、右挤压杆（21）的表面粗糙度均为Ra0.16~0.4μm。

6.一种往复扭转挤压变形制备细晶弱织构镁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、镁合金棒料（25）预处理：

S1-1、将镁合金棒材加工成圆柱形的镁合金棒料（25），并用600目砂纸对镁合金棒料（25）的表面进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金棒料（25）表面光洁；

S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2在清洗槽中混合后搅拌均匀，配制成清洗液；

S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金棒料（25）浸没入步骤S1-2制备的清洗液内，将清洗槽放置在超声波清洗机上对镁合金棒料（25）超声波清洗60min，然后取出镁合金棒料（25）并用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干；

S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金棒料（25）的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；

S2、镁合金棒料（25）预热：设定真空气氛加热炉的加热温度为450℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金棒料（25）放入加热炉内，保温3h；

S3、往复扭转挤压变形成形装置的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将左挤压杆（20）和右挤压杆（21）外表面、左凹模（23）和右凹模（37）内腔、可动挡板的所有表面、蜗轮（35）和蜗杆（34）齿轮部分外表面涂抹石墨油溶液；

S3-2、装配：

首先，将左凹模（23）安装在卧式挤压机（1）上，再将第一齿轮（26）固定在左凹模（23）上，再将内凹模（29）和第一齿轮（26）啮合放置在一起，同时使内凹模（29）和左凹模（23）的挤压通道相平行，再将外凹模（30）下端和内凹模（29）下端紧靠放置，随后将弹簧（31）安装在内凹模（29）和外凹模（30）之间位置，再将内齿轮（36）安装在右凹模（38）上，内齿轮（36）刚好和第二齿轮（37）外部啮合放置，最后将左凹模（23）、中间模具和右凹模（38）通过四个螺栓（22）安装在一起；

S3-3、预热：控制加热丝（24）温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；

S4、往复扭转挤压成形：左右凹模以及内凹模的挤压通道共同连成挤压空间；所述挤压空间包括由左向右依次设置的左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和右固定区域V五个区域；

S4-1、将左挤压杆（20）从左凹模（23）中退出，使镁合金棒料（25）填充在左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ四个区域，随后将左挤压杆（20）重新推入左凹模（23）中；操作左挤压杆（20）将胚料向右推进，在挤压过程中第一齿轮（26）会同时转动，第一齿轮（26）的转动会带动内凹模（29）的转动从而实现对胚料的扭挤，内凹模（29）在转动过程中内部的第二齿轮（37）会在内齿轮（36）上转动，第二齿轮（37）转动的同时会带动着蜗轮（35）蜗杆（34）转动，实现可动挡板在成形过程中摆动；当镁合金棒料（25）到达右挤压杆（21）时，右压力机开动，第一齿轮（26）会同时发生反向转动，镁合金棒料（25）在右挤压杆（21）的作用下向左运动，在往复扭转挤压成形过程中，控制加热丝（24）温度为300~500℃；

S4-2、通过左、右压力机控制内部扭转模具在左固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ、中间推动区Ⅲ、扭转区域Ⅳ和固定区域V之间往复运动，使镁合金棒料各段晶粒均得到细化；待内部扭转模具往复运动n次，并且使内部扭转模具处于初始位置，然后按下停止按钮，完成镁合金棒料（25）往复扭转挤压成形；

S4-3、取出步骤S4-2制得的镁合金棒料（25），用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤S1-2制备的清洗液清洗镁合金棒料（25），最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金棒材（25）。

Images