CN115625225A - 差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于镁合金加工领域，尤其涉及一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置及方法，可镁合金管材坯料在加工过程中发生连续剧烈扭转变形和剪切变形，从而实现极大地晶粒细化，改善镁合金管材的室温力学性能，扩大镁合金应用范围；技术方案包括：外部模架和扭转剪切模具。其中，外部模架至少包括动力传动杆和加热套，所述动力传动杆贯穿所述加热套，且所述动力传动杆贯具有延其轴向往复运行的趋势。扭转剪切模具设置于所述加热套内的所述动力传动杆上，所述扭转剪切模具被配置为在所述动力传动杆驱动下运行。

Description

差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置及方法

技术领域

本发明属于镁合金加工领域，尤其涉及一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置及方法。

背景技术

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，相对于传统金属结构材料，镁合金具有诸多优点，如比强度和比刚度高、阻尼性能好、电磁屏蔽和抗辐射能力强、导热性好、易切削加工及易回收等。镁合金已在航空航天、交通运输、武器装备、信息产业等领域得到广泛应用。

然而由于镁合金独特的密排六方结构，室温下仅有2个独立的滑移系开动，满足不了塑性变形需要的5个独立滑移系的要求，故镁合金表现出较差的室温机械性能和成形性能。同时镁合金独特的结构特点导致其往往在加工过程中形成形变织构，形变织构的出现致使镁合金出现各向异性和拉压不对称现象，严重限制了其应用范围和产业化推广。晶粒细化可以显著提高镁合金材料的各项力学性能，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)，但是这些剧烈塑性变形方法存在诸多技术问题和不足，对实现大批量连续制备有着极大限制。

因此，目前急需一种有效且极大地细化镁合金管材晶粒的装置和方法，以扩大镁合金管材的生产效率和应用范围。

发明内容

为克服上述相关技术中的缺陷，本发明提供一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置及方法，可使镁合金管材坯料在加工过程中发生连续剧烈扭转变形和剪切变形，从而实现极大地晶粒细化，改善镁合金管材的室温力学性能，扩大镁合金应用范围。

为实现上述技术目的，一方面，本发明提供一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置。所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置包括：外部模架和扭转剪切模具。其中，外部模架至少包括动力传动杆和加热套，所述动力传动杆贯穿所述加热套，且所述动力传动杆贯具有延其轴向往复运行的趋势。扭转剪切模具设置于所述加热套内的所述动力传动杆上，所述扭转剪切模具被配置为在所述动力传动杆驱动下运行。

其中，所述扭转剪切模具包括：第一扭转模具、第二扭转模具和多个剪切模具。其中，第一扭转模具为环形结构，所述第一扭转模具相对于所述动力传动杆轴向固定，且所述第一扭转模具被配置为在所述动力传动杆驱动下转动。第二扭转模具为环形结构，所述第二扭转模具相对于所述动力传动杆轴向固定，且所述第二扭转模具被配置为在所述动力传动杆驱动下转动，且所述第二扭转模具相对所述第一扭转模具转动方向相反。多个剪切模具依次设置于所述第一扭转模具和所述第二扭转模具之间的所述动力传动杆上。

所述多个剪切模具包括：剪切模块和挤压模块。其中，剪切模块包括内扭转件和外扭转件，所述内扭转件为环形结构，所述内扭转件相对于所述动力传动杆轴向固定，且所述内扭转件被配置为在所述动力传动杆驱动下转动，且所述内扭转件转动角速度小于所述第一扭转模具的转动角速度，所述内扭转件外圈为多边形结构，所述外扭转件为环形结构，所述外扭转件内圈是与所述内扭转件外圈形状一致的多边形结构，且所述外扭转件内圈与所述内扭转件外圈之间设置有第一间隙。

所述剪切模块的至少一侧设置有至少一个挤压模块，所述挤压模块包括内挤压件和外挤压件，所述内挤压件为环形结构，所述内挤压件的部分外侧壁上设置有凸起，内挤压件的另一部分外侧壁上设置有凹槽，所述凸起与所述凹槽连接位置处相切，所述内挤压件具有随所述动力传动杆轴向往复运行的趋势，且所述内挤压件还具有随所述剪切模块转动的趋势；所述外挤压件为环形结构，所述外挤压件的内侧壁与所述内挤压件的外侧壁形状相适应，所述外挤压件套装于所述内挤压件上，且所述外挤压件的内侧壁与所述内挤压件的外侧壁之间设置有第二间隙，所述外挤压件套装于所述内挤压件上，且所述外挤压件的中心轴与所述内挤压件的中心轴平行且不共线，所述外挤压件相对所述内挤压件固定。

优选地，相邻两个挤压模块中，一个挤压模块的外挤压件的中心轴与对应的内挤压件的中心轴之间的最短连接线在第一平面上的正投影，与另一个挤压模块的外挤压件的中心轴与对应的内挤压件的中心轴之间的最短连接线在所述第一平面上的正投影之间的夹角为60°~120°。所述第一平面与所述动力传动杆的中心轴垂直。

优选地，所述内挤压件的一半外侧壁上设置凸起，且所述凸起的外侧面与经过所述内挤压件的中心轴的截面相交形成第一相交线，自所述凸起一端至所述凸起的中部，所述第一相交线的曲率由零递增，自所述凸起中部至所述凸起的另一端，所述第一相交线的曲率递减至零。所述内挤压件的零一半外侧壁上设置凹槽，且所述凹槽的外侧面与经过所述内挤压件的中心轴的截面相交形成第二相交线，自所述凹槽一端至所述凹槽的中部，所述第二相交线的曲率由零递增，自所述凹槽中部至所述凹槽的另一端，所述第二相交线的曲率递减至零。

优选地，所述动力传动杆包括第一螺纹轴段，所述第一螺纹轴段上设置有外螺纹，所述第一扭转模具上设置有与所述第一螺纹轴段的外螺纹相啮合的内螺纹，所述第一扭转模具套装于所述第一螺纹轴段上，所述第一螺纹轴段沿所述动力传动杆的轴向往复运行时，驱动所述第一扭转模具转动。所述动力传动杆包括第二螺纹轴段，所述第二螺纹轴段上设置有外螺纹，且所述第二螺纹轴段的外螺纹与所述第一螺纹轴段的外螺纹方向相反，所述第二扭转模具上设置有与所述第二螺纹轴段的外螺纹相啮合的内螺纹，所述第二扭转模具套装于所述第二螺纹轴段上，所述第二螺纹轴段沿所述动力传动杆的轴向往复运行时，驱动所述第二扭转模具转动。

优选地，所述动力传动杆包括多个第三螺纹轴段，所述多个第三螺纹轴段中靠近所述第一螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺纹方向与所述所述第一螺纹轴段的螺纹方向相同，且靠近所述第一螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺距大于所述第一螺纹轴段的螺距，所述多个第三螺纹轴段中靠近所述第二螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺纹方向与所述所述第二螺纹轴段的螺纹方向相同，且靠近所述第一螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺距大于所述第二螺纹轴段的螺距。

所述内扭转件设置有与所述第三螺纹轴段的外螺纹相啮合的内螺纹，所述内扭转件套装于所述第三螺纹轴段上，所述第三螺纹轴段沿所述动力传动杆的轴向往复运行时，驱动所述内扭转件转动。

优选地，所述内扭转件和/或所述外扭转件的侧面设置有多个旋转杆，所述多个旋转杆与所述动力传动杆的中心轴平行，所述内挤压件和所述外挤压件上均设置有多个通孔，每个通孔内对应的设置一个旋转杆，所述旋转杆被配置为驱动所述内挤压件和所述外挤压件与所述内扭转件和/或所述外扭转件同步转动。

优选地，所述扭转剪切模具还包括多个固定盘，固定盘为环形件，所述固定盘同轴固定于所述动力传动杆上。所述内扭转件内圈设置有与所述固定盘的边缘向适应的环形卡槽，每个所述内扭转件卡接于一个所述固定盘上，所述固定盘被配置为带动所述内扭转件随所述动力传动杆延其轴向往复运行。

优选地，所述动力传动杆包括第一传动杆和第二传动杆。所述第一传动杆位于所述加热套中的一端与所述第二传动杆位于所述加热套中的一端相连接，所述第一传动杆的中心轴与所述第二传动杆的中心轴共线，且所述第一传动杆具有绕所述第二传动杆的中心轴转动的趋势。

另一方面，本发明的一些实施例还提供一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法，适用于上述任一项实施例所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置。

所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法包括：对所述镁合金管材预热，设定真空气氛加热炉的加热温度为300~500℃，所述加热炉炉温达到设定温度后，将所述镁合金管材置所述加热炉内保温2~4h。所述镁合金管材扭转挤压变形，在温度300~500℃环境下，将所述镁合金管材的管壁绕其中心轴进行往复扭转变形，以及所述镁合金管材的管壁同时进行剪切变形，和对所述镁合金管材的管壁进行多次挤压变形。

优选地，在对所述对所述镁合金管材预热之前，还需要对所述镁合金管材进行预处理，所述对所述镁合金管材进行预处理的方法包括：将所述镁合金管材加工至外径为D，管壁壁厚为t。去除所述镁合金管材表面油污。对所述镁合金管材的表面进行打磨，所述镁合金管材小于0.1a。采用清洗液对所述镁合金管材进行超声波清洗30~60min，然后将所述镁合金管材采用无水乙醇清洗，将所述镁合金管材吹干。对镁合金管材的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用。

本发明的有益效果在于：

本发明采用第一扭转模具和第二扭转模具，可以对镁合金管材进行扭转变形，使得镁合金管材晶粒细化效果显著，且所得高性能细晶镁合金管材组织均匀，强韧性大幅提高。同时通过剪切模块可以实现对镁合金管材进行剪切变形，以及通过挤压模块实现对镁合金管材的管壁进行挤压变形，使镁合金管材发生扭转变形的同时也发生剪切变形，进一步使晶粒更加细化，组织更加均匀，提高镁合金管材综合性能。整个装置的结构简单，使用便捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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它的附图。

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的内扭转件和外扭转件的结构图；

图3为本发明的内挤压件和外挤压件的结构图；

图4为本发明的挤压模块不同转动时期的状态图；

图5为本发明的镁合金管材受外力形变的状态图；

图6为本发明的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的一种步骤图；

图7为本发明的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的另一种步骤图；

图8为本发明的对所述镁合金管材进行预处理的步骤图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明的一些实施例提供本发明提供一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材5的装置。如图1至图5所示，所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材5的装置包括：外部模架1和扭转剪切模具2。其中，外部模架1至少包括动力传动杆11和加热套12，所述动力传动杆11贯穿所述加热套12，且所述动力传动杆11具有延其轴向往复运行的趋势。扭转剪切模具2设置于所述加热套12内的所述动力传动杆11上，所述扭转剪切模具2被配置为在所述动力传动杆11驱动下运行。

其中，所述扭转剪切模具2包括：第一扭转模具21、第二扭转模具22和多个剪切模具23。其中，第一扭转模具21为环形结构，所述第一扭转模具21相对于所述动力传动杆11轴向固定，且所述第一扭转模具21被配置为在所述动力传动杆11驱动下转动。第二扭转模具22为环形结构，所述第二扭转模具22相对于所述动力传动杆11轴向固定，且所述第二扭转模具22被配置为在所述动力传动杆11驱动下转动，且所述第二扭转模具22相对所述第一扭转模具21转动方向相反。多个剪切模具23依次设置于所述第一扭转模具21和所述第二扭转模具22之间的所述动力传动杆11上。

所述多个剪切模具23包括：剪切模块231和挤压模块232。其中，剪切模块231包括内扭转件2311和外扭转件2312，所述内扭转件2311为环形结构，所述内扭转件2311相对于所述动力传动杆11轴向固定，且所述内扭转件2311被配置为在所述动力传动杆11驱动下转动，且所述内扭转件2311转动角速度小于所述第一扭转模具21的转动角速度，所述内扭转件2311外圈为多边形结构，所述外扭转件2312为环形结构，所述外扭转件2312内圈是与所述内扭转件2311外圈形状一致的多边形结构，且所述外扭转件2312内圈与所述内扭转件2311外圈之间设置有第一间隙H。

所述剪切模块231的至少一侧设置有至少一个挤压模块232，所述挤压模块232包括内挤压件2321和外挤压件2322，所述内挤压件2321为环形结构，所述内挤压件2321的部分外侧壁上设置有凸起，内挤压件2321的另一部分外侧壁上设置有凹槽，所述凸起与所述凹槽连接位置处相切，所述内挤压件2321具有随所述动力传动杆11轴向往复运行的趋势，且所述内挤压件2321还具有随所述剪切模块231转动的趋势；所述外挤压件2322为环形结构，所述外挤压件2322的内侧壁与所述内挤压件2321的外侧壁形状相适应，所述外挤压件2322套装于所述内挤压件2321上，且所述外挤压件2322的内侧壁与所述内挤压件2321的外侧壁之间设置有第二间隙G，所述外挤压件2322套装于所述内挤压件2321上，且所述外挤压件2322的中心轴与所述内挤压件2321的中心轴平行且不共线，所述外挤压件2322相对所述内挤压件2321固定。

在一些示例中，差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材5的外部模架1还包括第一固定支架13和第二固定支架14，其中，第一固定支架13和第二固定支架14相对设置，加热套12水平（加热套12的中心轴水平）固定于第一固定支架13和第二固定支架14之间，可以理解的是，加热套12作为对扭转剪切模具2的工作区域加热设备，可以为两端开口的管状结构，加热套12可以包括多个加热电阻丝。在加热套12内部还可以设置有型腔填充模具24，型腔填充模具24可以是圆柱结构，中部设置有用于放置扭转剪切模具2的空腔，型腔填充模具24两端设置有通孔，便于动力传动杆11的两端贯穿通孔后与扭转剪切模具2连接。型腔填充模具24可以采用热作模具钢4Cr5MoSiV1，表面粗糙度可以为Ra0.16。

动力传动杆11可以为水平设置的直杆，动力传动杆11在外部动力的驱动下，可以在水平方向上往复运行，因此，第一固定支架13和第二固定支架14上可以设置有用于支撑动力传动杆11的通孔或者直线轴承。

第一扭转模具21和第二扭转模具22均同轴设置于动力传动杆11上，在第一扭转模具21相对第二扭转模具22的侧面上，以及在第二扭转模具22相对第一扭转模具21的侧面上均设置有多个矩形嵌块，例如可以为四个矩形嵌块。镁合金管材5的两端均设置有与多个矩形嵌块相对应的凹槽，作业时，第一扭转模具21上的多个矩形嵌块一一对应的卡接于镁合金管材5一端的多个凹槽内，同理，第二扭转模具22上的多个矩形嵌块一一对应的卡接于镁合金管材5另一端的多个凹槽内，实现对镁合金管材5的固定。

在第一扭转模具21和第二扭转模具22之间设置多个剪切模具23，例如可以设置两个剪切模具23，每个剪切模具23包括剪切模块231和挤压模块232。

其中，剪切模块231包括内扭转件2311和外扭转件2312，内扭转件2311的可以为环形结构，内扭转件2311同轴设置于动力传动杆11上，内扭转件2311的外圈为多边形结构，例如可以为正六边形结构，相应地，外扭转件2312的外圈为正六边形结构，内扭转件2311和外扭转件2312之间设置有第一间隙H，第一间隙H的宽度处处相等，镁合金管材5经过第一间隙H，如此内扭转件2311转动时，可以驱动镁合金管材5和外扭转件2312同时转动，但是镁合金管材5相对内扭转件2311和外扭转件2312具有转动速度差，实现对镁合金管材5剪切变形。

挤压模块232包括内挤压件2321和外挤压件2322，内挤压件2321和外挤压件2322之间设置有第二间隙G，第二间隙G由对应的凸起和凹槽构成，第二间隙G相对的两侧均为光滑面，可以理解的是，设置于第二间隙G中的镁合金管材5与内挤压件2321和外挤压件2322之间可以形成相对运动，也就是说，内挤压件2321和外挤压件2322可以屈服镁合金管材5的管壁形变，但是不能驱动镁合金管材5跟随运行，或者仅能微量地驱动镁合金管材5跟随运行，实现对镁合金管材5的挤压变形。

动力传动杆11在水平方向往复运行时，驱动第一扭转模具21和第二扭转模具22转动，且第一扭转模具21和第二扭转模具22转动方式相反，如此实现对镁合金管材5扭转变形。同时动力传动杆11还可以驱动内扭转件2311转动，靠近第一扭转模具21的内扭转件2311转动方向与第一扭转模具21的转动方向相同，但是内扭转件2311转动速度低于第一扭转模具21的转动速度，同理，靠近第二扭转模具22的内扭转件2311转动方向与第二扭转模具22的转动方向相同，但是内扭转件2311转动速度低于第二扭转模具22的转动速度，可以实现镁合金管材5管壁整体扭转，且剪切模块231对镁合金管材5同时实现剪切和挤压变形，从而使得镁合金管材5晶粒细化。

在一些实施例中，相邻两个挤压模块232中，一个挤压模块232的外挤压件2322的中心轴与对应的内挤压件2321的中心轴之间的最短连接线在第一平面上的正投影，与另一个挤压模块232的外挤压件2322的中心轴与对应的内挤压件2321的中心轴之间的最短连接线在所述第一平面上的正投影之间的夹角为60°~120°，例如可以是60°、90°或120°。所述第一平面与所述动力传动杆11的中心轴垂直。

在一些示例中，可以在剪切模块231的一侧设置有一个或两个挤压模块232，或者在剪切模块231的两侧设置有一个或两个挤压模块232，相邻的挤压模块232可以位于剪切模块231同一侧、剪切模块231两侧或两个剪切模块231之间，相邻的挤压模块232存在角度偏差，例如相差90°，便于镁合金管材5在第二间隙G中的坯料体积产生盈余和缺稀形成互补。

在一些实施例中，所述内挤压件2321的一半外侧壁上设置凸起，且所述凸起的外侧面与经过所述内挤压件2321的中心轴的截面相交形成第一相交线，自所述凸起一端至所述凸起的中部，所述第一相交线的曲率由零递增，自所述凸起中部至所述凸起的另一端，所述第一相交线的曲率递减至零。所述内挤压件2321的零一半外侧壁上设置凹槽，且所述凹槽的外侧面与经过所述内挤压件2321的中心轴的截面相交形成第二相交线，自所述凹槽一端至所述凹槽的中部，所述第二相交线的曲率由零递增，自所述凹槽中部至所述凹槽的另一端，所述第二相交线的曲率递减至零。

可以理解的是，外挤压件2322的内侧面与内挤压件2321的外侧面相对应，外挤压件2322的内侧面和内挤压件2321的外侧面之间形成宽度处处相等的第二间隙G，也就是说，内挤压件2321设置凸起的外侧壁对应的外挤压件2322的内侧壁处为凹槽，内挤压件2321设置凹槽的外侧壁对应的外挤压件2322的内侧壁处为凸起。

在一些实施例中，所述动力传动杆11包括第一螺纹轴段111，所述第一螺纹轴段111上设置有外螺纹，所述第一扭转模具21上设置有与所述第一螺纹轴段111的外螺纹相啮合的内螺纹，所述第一扭转模具21套装于所述第一螺纹轴段111上，所述第一螺纹轴段111沿所述动力传动杆11的轴向往复运行时，驱动所述第一扭转模具21转动。所述动力传动杆11包括第二螺纹轴段112，所述第二螺纹轴段112上设置有外螺纹，且所述第二螺纹轴段112的外螺纹与所述第一螺纹轴段111的外螺纹方向相反，所述第二扭转模具22上设置有与所述第二螺纹轴段112的外螺纹相啮合的内螺纹，所述第二扭转模具22套装于所述第二螺纹轴段112上，所述第二螺纹轴段112沿所述动力传动杆11的轴向往复运行时，驱动所述第二扭转模具22转动。

可以知道的是，对于本领域的技术人员，为使第一扭转模具21和第二扭转模具22能够转动，且在水平方向上保持位移为零，可以在第一扭转模具21和型腔填充模具24之间设置轴承，具体地，第一扭转模具21的外侧面与轴承内圈相固定，轴承外圈与型腔填充模具24相固定，同理，可以在第二扭转模具22和型腔填充模具24之间设置轴承。第一螺纹轴段111和第二螺纹轴段112上的螺纹牙型可以采用梯形螺纹，且螺纹角度应足够大，且第一扭转模具21和第二扭转模具22与对应的第一螺纹轴段111和第二螺纹轴段112之间的摩擦力较小，使得动力传动杆11的移动可以驱动第一扭转模具21和第二扭转模具转动。

在一些实施例中，所述动力传动杆11包括多个第三螺纹轴段113，所述多个第三螺纹轴段113中靠近所述第一螺纹轴段111的第三螺纹轴段113的螺纹方向与所述所述第一螺纹轴段111的螺纹方向相同，且靠近所述第一螺纹轴段111的第三螺纹轴段113的螺距大于所述第一螺纹轴段111的螺距，所述多个第三螺纹轴段113中靠近所述第二螺纹轴段112的第三螺纹轴段113的螺纹方向与所述所述第二螺纹轴段112的螺纹方向相同，且靠近所述第一螺纹轴段111的第三螺纹轴段113的螺距大于所述第二螺纹轴段112的螺距。

所述内扭转件2311设置有与所述第三螺纹轴段113的外螺纹相啮合的内螺纹，所述内扭转件2311套装于所述第三螺纹轴段113上，所述第三螺纹轴段113沿所述动力传动杆11的轴向往复运行时，驱动所述内扭转件2311转动。

同理可知，第三螺纹轴段113的螺纹牙型可以采用梯形螺纹，且螺纹角度应足够大，且内扭转件2311与第三螺纹轴段113之间的摩擦力较小，使得动力传动杆11的移动可以驱动内扭转件2311转动。

在一些实施例中，所述内扭转件2311和/或所述外扭转件2312的侧面设置有多个旋转杆26，所述多个旋转杆26与所述动力传动杆11的中心轴平行，所述内挤压件2321和所述外挤压件2322上均设置有多个通孔，每个通孔内对应的设置一个旋转杆26，所述旋转杆26被配置为驱动所述内挤压件2321和所述外挤压件2322与所述内扭转件2311和/或所述外扭转件2312同步转动。

在一些实施例中，扭转剪切模具2还包括锁紧支架25，锁紧支架25可以设置于相邻两个剪切模具23之间，锁紧支架25套装于动力传动杆11上，锁紧支架25可以绕动力传动杆11转动，锁紧支架25与相邻的两个剪切模具23的靠近锁紧支架25的旋转杆26固定连接。

锁紧支架25包括左锁紧端251和右锁紧端252，左锁紧端251包括设置于中部的左锁紧管253，右锁紧端252包括设置于中部的右锁紧管254，其中，左锁紧管253的管径可以大于右锁紧管254的管径，右锁紧管254可以套装于动力传动杆11且具有相对动力传动杆11转动的趋势，右锁紧管254固定于轴承的内圈，左锁紧管253固定于轴承内圈，使左锁紧端251可以相对右锁紧端252转动。

且靠近第一扭转模具21的剪切模具23的旋转杆26延伸至第一扭转模具21侧面，也就是说，靠近第一扭转模具21的旋转杆26抵触第一扭转模具21侧面，并可以相对第一扭转模具21转动；靠近第二扭转模具22的旋转杆26抵触第二扭转模具22侧面，并可以相对第二扭转模具22转动。为便于旋转杆26可以相对第一扭转模具21和第二扭转模具22运行，旋转杆26靠近第一扭转模具21和第二扭转模具22的端头上可以设置万象滚轮。

在一些实施例中，所述扭转剪切模具2还包括多个固定盘2323，固定盘2323为环形件，所述固定盘2323同轴固定于所述动力传动杆11上。所述内扭转件2311内圈设置有与所述固定盘2323的边缘向适应的环形卡槽，每个所述内扭转件2311卡接于一个所述固定盘2323上，所述固定盘2323被配置为带动所述内扭转件2311随所述动力传动杆11延其轴向往复运行。

示例性地，内扭转件2311内圈至其一侧面上设置有台阶槽，具体安装时，可以将固定盘2323设置于台阶槽内，在固定盘2323面向台阶槽的外侧面上设置卡板，卡板可以为两个半环形结构，通过螺杆与内扭转件2311固定，实现将固定盘2323设置于内扭转件2311的环形卡槽内，可以理解的是，环形卡槽即为台阶槽的一部分。

在一些实施例中，所述动力传动杆11包括第一传动杆114和第二传动杆115。所述第一传动杆114位于所述加热套12中的一端与所述第二传动杆115位于所述加热套12中的一端相连接，所述第一传动杆114的中心轴与所述第二传动杆115的中心轴共线，且所述第一传动杆114具有绕所述第二传动杆115的中心轴转动的趋势。

示例性地，第一传动杆114和第二传动杆115可以通过轴承连接，例如一个套管两端各设置一个轴承，两个轴承中的一个与第一传动杆114连接，另一个轴承与第二传动杆115连接。或者，第一传动杆114位于所述加热套12中的一端设置锥形凹槽，第二传动杆115位于所述加热套12中的一端是与锥形凹槽相适应的锥形结构，锥形结构可以卡接于锥形凹槽内。

镁合金管材5的扭转方向相反，对动力传动杆11形成两个方向相反的反作用力，可能导致动力传动杆11中部形成应力汇集，第一传动杆114和第二传动杆115可以避免因应力集中造成的动力传动杆11断裂的情况发生。

在一些实施例中，所述差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材5的装置还可以包括左伸缩件3和右伸缩件4，其中，左伸缩件3与第一传动杆114连接，右伸缩件4与第二传动杆115连接，左伸缩件3和右伸缩件4可以是液压油缸或电动螺杆。

在一些实施例中，左伸缩件3与第一传动杆114之间可以设置有左连接件，右伸缩件4与第二传动杆115可以设置有右连接件。左连接件和右连接件可以为联轴器。

在一些实施例中，第一螺纹轴段111、第二螺纹轴段112和第三螺纹轴段113均可以为管状结构，并可以套装于动力传动杆11上，为便于控制第一螺纹轴段111、第二螺纹轴段112和第三螺纹轴段113与动力传动杆11锁紧和分离，可以在第一螺纹轴段111和动力传动杆11之间设置有径向离合器116，在第二螺纹轴段112和动力传动杆11之间设置有径向离合器116，在第三螺纹轴段113和动力传动杆11之间设置有径向离合器116，径向离合器116可以采用液压油控制。

在一些实施例中，差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材5的装置还包括控制装置，控制装置用于控制左伸缩件3、右伸缩件4和加热套12的运行。

另一方面，本发明的一些实施例还提供一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法，适用于上述任一项实施例所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置。

如图6所示，所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法包括：

S1、对所述镁合金管材预热，设定真空气氛加热炉的加热温度为300~500℃，所述加热炉炉温达到设定温度后，将所述镁合金管材置所述加热炉内保温2~4h。

S2、所述镁合金管材扭转挤压变形，在温度300~500℃环境下，将所述镁合金管材的管壁绕其中心轴进行往复扭转变形，以及所述镁合金管材的管壁同时进行剪切变形，和对所述镁合金管材的管壁进行多次挤压变形。

在一些实施例中，如图7所示，在对所述对所述镁合金管材预热之前，还需要步骤S1’，步骤S1’包括对所述镁合金管材进行预处理，如图8所示，所述对所述镁合金管材进行预处理的方法包括：

S11、将所述镁合金管材加工至外径为D，管壁壁厚为t。

S12、去除所述镁合金管材表面油污。

S13、对所述镁合金管材的表面进行打磨，所述镁合金管材小于0.1a。

S14、采用清洗液对所述镁合金管材进行超声波清洗30~60min，然后将所述镁合金管材采用无水乙醇清洗，最后将所述镁合金管材吹干。

S15、对镁合金管材的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用。

在一些示例中，本发明所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法结合上述实施例提供的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置的过程为：

Y1、对差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置润滑：将动力传动杆11外表面、第一螺纹轴段、第二螺纹轴段和第三螺纹轴段的外表面、旋转杆的外表面、第一间隙和第二间隙的外表面涂抹石墨油溶液。

Y2、装配：将镁合金管材装配至差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，具体地，镁合金管材的两端与对应的第一扭转模具、第二扭转模具固定。且镁合金管材需要穿过第一间隙和第二间隙，可以理解的是，为方便安装，外挤压件和外扭转件可以是两个半环形结构。

Y3、预热：控制加热套温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4h，留待后步使用。

Y4、驱动差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置进行差角往复扭转挤压变形：

Y4-1、镁合金管材的往复扭转变形是第一螺纹轴段和第二螺纹轴段左右移动，通过螺纹使第一扭转模具和第二扭转模具产生相反方向的旋转带动镁合金管材整体产生扭转变形，又通过所啮合的细螺纹和粗螺纹使剪切模块和第一扭转模具/第二扭转模具旋转时产生旋转速度差，进而使第一扭转模具/第二扭转模具和剪切模块之间的镁合金管材坯料产生扭转变形。

在镁合金管材坯料扭转变形过程中，由于左右两侧扭转方向相反，易在管材坯料中间产生相反的应力汇集造成管材断裂，因此通过以下步骤解决：

①操作第一螺纹轴段和动力传动杆之间的径向离合器、第二螺纹轴段和动力传动杆之间的径向离合器，使左伸缩杆带动第一传动杆向右移动，同时带动第二传动杆向右移动使第一螺纹轴段和第二螺纹轴段整体向右移动，从而带动所有与螺纹啮合的旋转模具发生旋转，从整套装置的左视角看，第一扭转模具和靠近左侧的剪切模块逆时针旋转，第二扭转模具和靠近右侧的剪切模块顺时针旋转，此时镁合金管材两侧相反的应力集中在管材中间，第一传动杆带动第一螺纹轴段和第二螺纹轴段整体向右移动

（20mm～80mm）后停止；

②操作第一螺纹轴段和动力传动杆之间的径向离合器，使第一传动杆与第一螺纹轴段脱离，此时移动第一传动杆时第一螺纹轴段不随之发生左右移动，第一传动杆继续挤压使第二螺纹轴段向右移动

（20mm～80mm）后停止，此过程中镁合金管材坯料左侧不发生旋转，镁合金管材坯料右侧继续顺时针旋转，第一间隙中镁合金管材坯料不发生扭转，此时在管材坯料中间相反应力汇集消除，同时应力分布在六边形通道两侧避免了应力汇集在一点导致管材断裂；

③操作第一螺纹轴段和动力传动杆之间的径向离合器，使右伸缩杆带动第二螺纹轴段向左移动

（20mm～80mm）后停止，之后使第一传动杆与第一螺纹轴段固定，最后第二传动杆带动第一螺纹轴段和第二螺纹轴段一起向左移动

（20mm～80mm）后停止，此过程即完成了上述①和②的逆变形，即完成一次右移动循环；同理，左移动循环也分类似的三步完成，不同点为整体向左移动且操作第二螺纹轴段和动力传动杆之间的径向离合器；综上即完成镁合金管材坯料的往复扭转变形。

Y4-2、镁合金管材坯料的变角度剪切变形是通过内挤压件和外挤压件的旋转完成的。内挤压件和外挤压件之间构成一个离心圆弧形通道，离心圆弧形通道中是处处圆滑，因此当离心圆剪切模具旋转时，通道中的镁合金管材坯料不随内挤压件和外挤压件发生扭转，使离心圆弧形通中压制为弧形的镁合金管材的管壁为形成外凸或凹陷的弧形。弧形与保持柱面的管壁连处的切线与保持柱面的管壁形成的剪切角度，随着内挤压件和外挤压件发生实时变化，如图4所示，剪切角度变化依次为

，其范围皆在90°～270°，之后旋转导致的剪切角度变化为此逆向变化。

同时当第一螺纹轴段左右移动时，通过固定盘带动内挤压件和外挤压件左右移动，以上左右移动和旋转的结合使第二间隙中的镁合金管材坯料发生变角度的剪切变形。

Y4-3、控制第一传动杆和第二传动杆移动进而带动第一螺纹轴段和第二螺纹轴段使镁合金管材坯料产生扭转变形和变角度剪切变形，第一螺纹轴段和第二螺纹轴段左右往复移动使管材坯料发生往复扭转变形和变角度剪切变形，使镁合金管材各段晶粒均得到细化；待往复运动n次（n≥20次），并且使内部模具处于初始位置时，按下停止按钮，完成镁合金管材差角往复扭转挤压变形；

Y4-4、取出步骤Y4-3制得的镁合金管材，用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤Y1-2制备的清洗液清洗镁合金管材，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高性能细晶镁合金管材。

在本说明书的描述中，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。

以上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，任何熟悉本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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，包括：

外部模架，至少包括动力传动杆和加热套，所述动力传动杆贯穿所述加热套，且所述动力传动杆贯具有延其轴向往复运行的趋势；

扭转剪切模具，设置于所述加热套内的所述动力传动杆上，所述扭转剪切模具被配置为在所述动力传动杆驱动下运行；

其中，所述扭转剪切模具包括：

第一扭转模具，环形结构，所述第一扭转模具相对于所述动力传动杆轴向固定，且所述第一扭转模具被配置为在所述动力传动杆驱动下转动；

第二扭转模具，环形结构，所述第二扭转模具相对于所述动力传动杆轴向固定，且所述第二扭转模具被配置为在所述动力传动杆驱动下转动，且所述第二扭转模具相对所述第一扭转模具转动方向相反；

多个剪切模具，依次设置于所述第一扭转模具和所述第二扭转模具之间的所述动力传动杆上，所述多个剪切模具包括：

剪切模块，包括内扭转件和外扭转件，所述内扭转件为环形结构，所述内扭转件相对于所述动力传动杆轴向固定，且所述内扭转件被配置为在所述动力传动杆驱动下转动，且所述内扭转件转动角速度小于所述第一扭转模具的转动角速度，所述内扭转件外圈为多边形结构，所述外扭转件为环形结构，所述外扭转件内圈是与所述内扭转件外圈形状一致的多边形结构，且所述外扭转件内圈与所述内扭转件外圈之间设置有第一间隙；

挤压模块，所述剪切模块的至少一侧设置有至少一个挤压模块，所述挤压模块包括内挤压件和外挤压件，所述内挤压件为环形结构，所述内挤压件的部分外侧壁上设置有凸起，内挤压件的另一部分外侧壁上设置有凹槽，所述凸起与所述凹槽连接位置处相切，所述内挤压件具有随所述动力传动杆轴向往复运行的趋势，且所述内挤压件还具有随所述剪切模块转动的趋势；所述外挤压件为环形结构，所述外挤压件的内侧壁与所述内挤压件的外侧壁形状相适应，所述外挤压件套装于所述内挤压件上，且所述外挤压件的内侧壁与所述内挤压件的外侧壁之间设置有第二间隙，所述外挤压件套装于所述内挤压件上，且所述外挤压件的中心轴与所述内挤压件的中心轴平行且不共线，所述外挤压件相对所述内挤压件固定。

2.根据权利要求1所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，相邻两个挤压模块中，一个挤压模块的外挤压件的中心轴与对应的内挤压件的中心轴之间的最短连接线在第一平面上的正投影，与另一个挤压模块的外挤压件的中心轴与对应的内挤压件的中心轴之间的最短连接线在所述第一平面上的正投影之间的夹角为60°~120°；

所述第一平面与所述动力传动杆的中心轴垂直。

3.根据权利要求2所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，所述内挤压件的一半外侧壁上设置凸起，且所述凸起的外侧面与经过所述内挤压件的中心轴的截面相交形成第一相交线，自所述凸起一端至所述凸起的中部，所述第一相交线的曲率由零递增，自所述凸起中部至所述凸起的另一端，所述第一相交线的曲率递减至零；

所述内挤压件的零一半外侧壁上设置凹槽，且所述凹槽的外侧面与经过所述内挤压件的中心轴的截面相交形成第二相交线，自所述凹槽一端至所述凹槽的中部，所述第二相交线的曲率由零递增，自所述凹槽中部至所述凹槽的另一端，所述第二相交线的曲率递减至零。

4.根据权利要求3所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，所述动力传动杆包括第一螺纹轴段，所述第一螺纹轴段上设置有外螺纹，所述第一扭转模具上设置有与所述第一螺纹轴段的外螺纹相啮合的内螺纹，所述第一扭转模具套装于所述第一螺纹轴段上，所述第一螺纹轴段沿所述动力传动杆的轴向往复运行时，驱动所述第一扭转模具转动；

所述动力传动杆包括第二螺纹轴段，所述第二螺纹轴段上设置有外螺纹，且所述第二螺纹轴段的外螺纹与所述第一螺纹轴段的外螺纹方向相反，所述第二扭转模具上设置有与所述第二螺纹轴段的外螺纹相啮合的内螺纹，所述第二扭转模具套装于所述第二螺纹轴段上，所述第二螺纹轴段沿所述动力传动杆的轴向往复运行时，驱动所述第二扭转模具转动。

5.根据权利要求4所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，所述动力传动杆包括多个第三螺纹轴段，所述多个第三螺纹轴段中靠近所述第一螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺纹方向与所述所述第一螺纹轴段的螺纹方向相同，且靠近所述第一螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺距大于所述第一螺纹轴段的螺距，所述多个第三螺纹轴段中靠近所述第二螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺纹方向与所述所述第二螺纹轴段的螺纹方向相同，且靠近所述第一螺纹轴段的第三螺纹轴段的螺距大于所述第二螺纹轴段的螺距；

所述内扭转件设置有与所述第三螺纹轴段的外螺纹相啮合的内螺纹，所述内扭转件套装于所述第三螺纹轴段上，所述第三螺纹轴段沿所述动力传动杆的轴向往复运行时，驱动所述内扭转件转动。

6.根据权利要求5所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，所述内扭转件和/或所述外扭转件的侧面设置有多个旋转杆，所述多个旋转杆与所述动力传动杆的中心轴平行，所述内挤压件和所述外挤压件上均设置有多个通孔，每个通孔内对应的设置一个旋转杆，所述旋转杆被配置为驱动所述内挤压件和所述外挤压件与所述内扭转件和/或所述外扭转件同步转动。

7.根据权利要求6所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，所述扭转剪切模具还包括多个固定盘，固定盘为环形件，所述固定盘同轴固定于所述动力传动杆上；

所述内扭转件内圈设置有与所述固定盘的边缘向适应的环形卡槽，每个所述内扭转件卡接于一个所述固定盘上，所述固定盘被配置为带动所述内扭转件随所述动力传动杆延其轴向往复运行。

8.根据权利要求7所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，所述动力传动杆包括第一传动杆和第二传动杆；

所述第一传动杆位于所述加热套中的一端与所述第二传动杆位于所述加热套中的一端相连接，所述第一传动杆的中心轴与所述第二传动杆的中心轴共线，且所述第一传动杆具有绕所述第二传动杆的中心轴转动的趋势。

9.一种差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法，适用于上述权利要求1至8任一项所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的装置，其特征在于，所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法包括：

对所述镁合金管材预热，设定真空气氛加热炉的加热温度为300~500℃，所述加热炉炉温达到设定温度后，将所述镁合金管材置所述加热炉内保温2~4h；

所述镁合金管材扭转挤压变形，在温度300~500℃环境下，将所述镁合金管材的管壁绕其中心轴进行往复扭转变形，以及所述镁合金管材的管壁同时进行剪切变形，和对所述镁合金管材的管壁进行多次挤压变形。

10.根据权利要求9所述的差角往复扭转挤压制备细晶镁合金管材的方法，其特征在于，在对所述对所述镁合金管材预热之前，还需要对所述镁合金管材进行预处理，所述对所述镁合金管材进行预处理的方法包括：

将所述镁合金管材加工至外径为D，管壁壁厚为t；

去除所述镁合金管材表面油污；

对所述镁合金管材的表面进行打磨，所述镁合金管材小于0.1a；

采用清洗液对所述镁合金管材进行超声波清洗30~60min，然后将所述镁合金管材采用无水乙醇清洗，将所述镁合金管材吹干；

对镁合金管材的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用。

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