CN116174588A - 内外双层金属棒材正挤压制备模具及棒材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内外双层金属棒材正挤压制备模具及棒材制备方法，属于金属塑性加工及成形技术领域，包括：上凸模组件，包括冲头；下凹模组件，包括下凹模本体，下凹模本体上构造有型腔体，型腔体包括沿着冲头的挤压方向依次设置的坯料容置部、外层金属流速减缓部以及棒材成型部，其中，坯料容置部为直筒结构且其口径与冲头的挤压部的外径相匹配，外层金属流速减缓部的口径沿着挤压方向越来越小且其大口径端的口径不大于坯料容置部的口径，棒材成型部为直筒结构。本发明促使径向外层与内层的两种金属材料的流速趋于一致，有效克服异种金属材料挤压后材料流速不均的不足，提高界面的结合质量，避免材料分层失效，提升双层金属棒材成形质量的目的。

Description

内外双层金属棒材正挤压制备模具及棒材制备方法

技术领域

本发明属于金属塑性加工及成形技术领域，具体涉及一种内外双层金属棒材正挤压制备模具及棒材制备方法。

背景技术

随着航天航空与国防军工高端装备的快速发展，对于大运力、高机动、低能耗、长寿命的要求越来越迫切，这就要求所使用的关键构件具有高速化、高性能、轻量化和高功效等性能，采用轻质高强韧材料和大形整体化、薄壁轻量化的复杂结构是必然的选择。单一的金属或合金已很难完全满足现代化的生产对材料综合性能的需求，因而人们发展了金属复合材料。这种材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面上实现牢固的冶金结合而制备的一种新形复合材料。镁合金是一种轻质合金材料，密度小(为铝的2/3、钛的1/2)，是最轻的金属结构材料，具有良好的比强度、比刚度、导热导电性、电磁屏蔽性、阻尼减震性等优点，广泛应用于航空航天、交通运输、电子通讯、国防军工等领域。但镁合金为密排六方晶体结构，弹性模量低、抗腐蚀性能差。提高镁合金的强度、耐蚀性，采用耐蚀性和加工性能好的铝合金包覆在镁合金表面，获得的铝镁复合材料既有良好的耐蚀性，又可改善镁合金的加工成形性能。研究表明，变形前先将两种合金复合到一起有助于提高金属间结合界面的结合质量，避免材料分层失效。目前挤压成形铝镁双层棒材，主要是外镁内铝，并且尺寸都是电缆粗细的小试样，难以控制流速，挤压成形前的预制复合坯料铸造困难且界面层厚，易开裂。此外对如何制备更高质量的外镁内铝双层棒材，有效提高在挤压制备过程中或者制备之后的棒材内外两层的不同金属之间的结合质量、避免两层金属之间的材料分层失效是业内亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明提供一种内外双层金属棒材正挤压制备模具及棒材制备方法，能够解决现有技术中由于预制的双层金属棒材界面层后易开裂导致的内外双层金属棒材材料结合质量低、分层失效的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种内外双层金属棒材正挤压制备模具，包括：

上凸模组件，包括冲头；

下凹模组件，包括下凹模本体，所述下凹模本体上构造有型腔体，所述型腔体包括沿着所述冲头的挤压方向依次设置的坯料容置部、外层金属流速减缓部以及棒材成型部，其中，所述坯料容置部为直筒结构且其口径与所述冲头的挤压部的外径相匹配，所述外层金属流速减缓部的口径沿着所述挤压方向越来越小且其大口径端的口径不大于所述坯料容置部的口径，所述棒材成型部为直筒结构。

在一些实施方式中，所述外层金属流速减缓部的口径沿着所述挤压方向圆滑减小。

在一些实施方式中，所述型腔体为回转结构，在所述回转结构的轴截面上，所述外层金属流速减缓部的单侧型线为渐开线。

在一些实施方式中，所述型腔体还包括剪切变形部，所述剪切变形部处于所述外层金属流速减缓部与所述棒材成型部之间。

在一些实施方式中，所述剪切变形部包括沿着所述挤压方向依次设置的多个凸环，多个所述凸环的直径不等。

在一些实施方式中，所述棒材成型部的口径大于所述剪切变形部的材料流出口的口径。

在一些实施方式中，所述下凹模本体包括上下组装的上模分体及下模分体，所述棒材成型部至少部分地构造于所述下模分体上。

本发明还提供一种内外双层金属棒材正挤压制备方法，采用上述的内外双层金属棒材正挤压制备模具进行，所述制备方法包括如下步骤：

准备组合式坯料，所述组合式坯料包括第一金属管材及第二金属棒材，其中第一金属管材过盈套装于所述第二金属棒材的外圆周壁上；

将所述组合式坯料以及所述内外双层金属棒材正挤压制备模具加热至目标成形温度并保温，并将所述内外双层金属棒材正挤压制备模具装配至压力机上；

将加热至目标成形温度并保温的所述组合式坯料置入所述坯料容置部内；

控制所述压力机驱动所述上凸模组件下行挤压所述组合式坯料以将所述组合式坯料完全挤压入所述棒材成型部内。

在一些实施方式中，所述组合式坯料还包括连接于所述第一金属管材以及所述第二金属棒材的对应一端的第一金属板材。

在一些实施方式中，所述第一金属管材与所述第一金属板材的材质皆为镁合金，所述第二金属棒材的材质为铝合金。

在一些实施方式中，在将加热至所述目标成形温度并保温的所述组合式坯料置入所述坯料容置部内的步骤之前还包括：在所述型腔体的腔壁上涂抹润滑剂，所述冲头上不涂抹所述润滑剂。

本发明提供的一种内外双层金属棒材正挤压制备模具及棒材制备方法，在对处于坯料容置部内的坯料挤压时，外层金属流速减缓部将减缓处于坯料外层的金属的流动，促使径向外层与内层的两种金属材料的流速趋于一致，有效克服异种金属材料挤压后材料流速不均的不足，从而提高了金属间结合界面的结合质量，避免材料分层失效，最终达到提升双层金属棒材成形质量的目的；另外，该技术方案中的模具结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明实施例的内外双层金属棒材正挤压制备模具的结构示意图；

图2为图1中的组合式坯料的结构示意图；

图3为图1中的上模分体的结构示意图；

图4为图1中的外层金属流速减缓部的一种具体实施例尺寸示意；

图5为金属流速减缓部的线型为渐开线的示意图（其中LK段即所需凹模形状）。

附图标记表示为：

11、冲头；12、连接杆；13、上模板；21、上模分体；211、坯料容置部；212、外层金属流速减缓部；213、棒材成型部；214、剪切变形部；2141、凸环；22、下模分体；23、下模板；100、组合式坯料；101、第一金属管材；102、第二金属棒材；103、第一金属板材。

具体实施方式

结合参见图1至图5所示，根据本发明的实施例，提供一种内外双层金属棒材正挤压制备模具，包括：上凸模组件，包括冲头11、上模板13，冲头11通过连接杆12可拆卸地连接于上模板13的下侧面上，上凸模组件通过上模板13与压力机的上部结构（其能够下行实现对坯料的施压）连接，其中冲头11与连接杆12的一端螺纹连接；下凹模组件，包括下凹模本体（图中未标引）以及连接（例如螺纹连接）于其下的下模板23，下模板23用于与压力机的下部结构螺纹连接，下凹模本体上构造有型腔体，如图1所示，型腔体包括沿着冲头11的挤压方向（以图1所示的方位为例，挤压方向为自上而下）依次设置的坯料容置部211、外层金属流速减缓部212以及棒材成型部213，其中，坯料容置部211为直筒结构且其口径与冲头11的挤压部的外径相匹配，外层金属流速减缓部212的口径沿着挤压方向越来越小且其大口径端的口径不大于坯料容置部211的口径，棒材成型部213为直筒结构。

该技术方案中，在对处于坯料容置部211内的坯料挤压时，外层金属流速减缓部212内壁在材料出口处迅速收缩使外部材料流动趋于减缓，且底部留有一台阶（也即后文中的凸环2141），对减缓材料流动起到进一步作用，促使径向外层与内层的两种金属材料的流速趋于一致，有效克服异种金属材料挤压后材料流速不均的不足，从而提高了金属间结合界面的结合质量，避免材料分层失效，最终达到提升双层金属棒材成形质量的目的；另外，该技术方案中的模具结构简单，操作方便。

在一些实施方式中，外层金属流速减缓部212的口径沿着挤压方向圆滑减小，也即沿着图1中自上而下的方向，外层金属流速减缓部212的口径以非线性的方式圆滑收缩，有利于对坯料的挤压变形并沿着挤压方向的顺畅流动，降低挤压阻力，在外观上形成碗口型挤压凹模，解决异种金属材料挤压流速不均的问题。

在一个优选的实施例中，型腔体为回转结构，也即，本发明中的型腔体的各个型腔部分处于同一中心轴线上，在回转结构的轴截面上，外层金属流速减缓部212的单侧型线（也可以称之为母线）为渐开线，在实现异种金属流速趋于一致的目的的前提下，指导该部件的加工成型，渐开线具体由如下方程限定：

，其中x、y为直角坐标系下构成渐开线的点的位置坐标，r为基圆半径，单位为mm，α为压力角，θ为展角，θ=inv(α)=tan(α)-α，单位为rad，如图3中外层金属流速减缓部212所示，相较于采用锥形直壁（也即斜率相等的直线锥壁），其内壁斜率受限于模具高度且保持不变，材料流速取决于材料本身性质，不能起到对异种结合材料流速的控制作用，而渐开线形状的内壁在材料入口处斜率较大方便材料进入，在靠近材料出口处内壁迅速收缩，减缓外侧材料的流动速度，使内外材料流速趋于一致。参见图4所示，当r取10mm，θ+α取[90°~120°]，绕y轴旋转后可得到大径（也即大口径端）为φ31.4mm，小径（也即小口径端）为26.2mm，高为9.1mm的碗形回转体，也即前述的外层金属流速减缓部212。

型腔体还包括剪切变形部214，剪切变形部214处于外层金属流速减缓部212与棒材成型部213之间，通过在外层金属流速减缓部212与棒材成型部213之间的区域进一步设置前述剪切变形部214，对外层金属流速减缓部212处变形流出的坯料在此处被剪切变形，从而使内外层金属的结合界面处发生剧烈变形，氧化层破碎，露出新鲜金属，发生机械连接和扩散连接，同时还有效减少外层的金属上的黑皮等滞留，进一步提升了棒材的制备质量。

具体而言，作为一种优选的实现方式，剪切变形部214包括沿着挤压方向依次设置的多个凸环2141，多个凸环2141的直径不等，在型腔体的轴截面上剪切变形部214呈现高度不等的台阶结构，高度不等的台阶结构能够使挤压流经其的坯料沿着棒料径向变形量不同，进一步利于两种金属材料之间的机械连接与扩散连接。作为优选的方案，棒材成型部213的口径大于剪切变形部214的材料流出口的口径，略大即可，以能够对剪切变形部214挤压流出的坯料形成导向。

下凹模本体可以为一体式结构，但是一体式的结构对制备完毕的双层金属棒材的取出过程较为繁琐，由于本发明的模具其型腔的口径尤其是棒材成型部213的口径大于剪切变形部214的材料流出口的口径，导致成形后的棒材只能通过棒材成型部213的下部取出，这需要解除下凹模本体与下模板23之间的连接关系，该取出过程显然繁琐很多，因此，作为一种更优的实现方式，将下凹膜本体设计为分体结构，也即下凹模本体包括上下组装的上模分体21及下模分体22，棒材成型部213至少部分地构造于下模分体22上，此时下模分体22与下模板23之间螺纹连接即可，如此，在棒材成形后可以将上模分体21与下模分体22分离后即可实现取出目的，无需解除下模板23与下凹模本体的连接关系，操作更加便捷。在一个优选的实施例中，下模分体22的顶端面与上模分体21的底端面之间构造有凹凸结构，通过前述的凹凸结构实现两个分体的便捷组装定位与分离，使棒材的取出过程更为简便。前述的凹凸结构具体如图1所示，包括一构造于下模分体22的顶端面上的圆环凸起以及构造于上模分体21的底端面上的圆环凹槽，圆环凸起嵌装于圆环凹槽内，从而实现便捷的定位连接。

根据本发明的实施例，还提供一种内外双层金属棒材正挤压制备方法，采用上述的内外双层金属棒材正挤压制备模具进行，制备方法包括如下步骤：

准备组合式坯料100，组合式坯料100包括第一金属管材101及第二金属棒材102，其中第一金属管材101过盈套装于第二金属棒材102的外圆周壁上（两种金属材料形成在径向上的内层与外层），使第一金属管材101及第二金属棒材102形成一个结合相对牢固的组合体；之后，将组合式坯料100以及内外双层金属棒材正挤压制备模具加热至目标成形温度并保温，并将内外双层金属棒材正挤压制备模具装配至压力机上，前述的目标成形温度具体与对应的金属材质相关，当第一金属管材101的材质皆为镁合金，第二金属棒材102的材质为铝合金时，前述的目标成形温度对应为450℃；之后，将加热至目标成形温度并保温的组合式坯料100置入坯料容置部211内；再之后，控制压力机驱动上凸模组件下行挤压组合式坯料100以将组合式坯料100完全挤压入棒材成型部213内。该过程中，坯料容置部211内的组合式坯料100在压力机及上凸模组件的挤压作用下依次先后进入外层金属流速减缓部212及剪切变形部214后最终被挤压入最终成型腔也即棒材成型部213内，在坯料进入外层金属流速减缓部212中后，由于外层金属流速减缓部212的口径减缩的特点，使坯料外层的金属的流动减缓，促使径向外层与内层的两种金属材料的流速趋于一致，有效克服异种金属材料挤压后材料流速不均的不足，从而提高了金属间结合界面的结合质量，避免材料分层失效，最终达到提升双层金属棒材成形质量的目的，在坯料进入剪切变形部214中后，对外层金属流速减缓部212处变形流出的坯料形成剪切变形，从而使内外层金属的结合界面处发生剧烈变形，氧化层破碎，露出新鲜金属，发生机械连接和扩散连接，同时还有效减少外层的金属上的黑皮等滞留，进一步提升了棒材的制备质量。

结合参见图1及图2所示，在一些实施方式中，组合式坯料100还包括连接于第一金属管材101以及第二金属棒材102的对应一端的第一金属板材103，在一个具体的实施例中，第一金属板材103焊接于前述的对应一端上，通过焊接连接的方式，能够阻止复合坯料在加工过程中出现开裂，解决因复合坯料质量低而发生分层失效的问题，参见图1所示的方位，前述的对应一端为组合式坯料100远离冲头11的一端，如此，通过第一金属管材101以及第一金属板材103对第二金属棒材102的外圆周面以及底端面形成完整包裹，使外层包覆金属材料在加工过程中与模具直接产生相互力的作用，并同时利用其自身的良好流动性形成对内层被包覆金属材料的保护，利于整体成形质量。需要说明的是，前述的第一金属管材101、第二金属棒材102以及第一金属板材103的尺寸相互适配且在设计前期根据最终棒材的尺寸及模具的尺寸进行确定即可，在对三者进行组装时，应将相应的坯料的接触表面采用钢刷打毛、去氧处理，以提升组装形成组合坯体的结合强度与界面质量。具体的，以成形件外径90mm、铝芯60 mm的外镁内铝双层金属棒材为例，空心镁环（也即第一金属管材101）的尺寸为内径D1＝180mm、外径D2=320mm，实心铝（合金）棒（也即第二金属棒材102）的尺寸为直径D3＝180mm，实心镁（合金）薄片（也即第一金属板材103）的尺寸为直径D4＝320mm，厚度为35mm。

在一个具体的实施例中，第一金属管材101与第一金属板材103的材质皆为镁合金，第二金属棒材102的材质为铝合金，从而最终制备的内外双层金属棒材为外镁内铝棒材。在一些实施方式中，在将加热并保温的组合式坯料100置入坯料容置部211内的步骤之前还包括：在型腔体的腔壁上涂抹润滑剂，冲头11上不涂抹润滑剂，从而防止在冲头11上涂抹的润滑剂渗入坯料中影响两种材料的结合质量。前述的润滑剂例如油剂石墨润滑剂。

需要说明的是，为了对组合式坯料100进行均匀的施力挤压，冲头11的底端面为平面，而由于本发明中的外层金属流速减缓部212的口径减缩的结构特点，冲头11不能够将所有的坯料挤压入下方型腔内，因此，在上凸模组件挤压至最低位置后，应放入料头（图中未示出），以保证尽量多的坯料进入棒材成型部213内，提升材料利用率。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各方式的有利技术特征可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，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 (11)

1.一种内外双层金属棒材正挤压制备模具，其特征在于，包括：

上凸模组件，包括冲头（11）；

下凹模组件，包括下凹模本体，所述下凹模本体上构造有型腔体，所述型腔体包括沿着所述冲头（11）的挤压方向依次设置的坯料容置部（211）、外层金属流速减缓部（212）以及棒材成型部（213），其中，所述坯料容置部（211）为直筒结构且其口径与所述冲头（11）的挤压部的外径相匹配，所述外层金属流速减缓部（212）的口径沿着所述挤压方向越来越小，所述棒材成型部（213）为直筒结构。

2.根据权利要求1所述的内外双层金属棒材正挤压制备模具，其特征在于，所述外层金属流速减缓部（212）的口径沿着所述挤压方向圆滑减小。

3.根据权利要求1或2所述的内外双层金属棒材正挤压制备模具，其特征在于，所述型腔体为回转结构，在所述回转结构的轴截面上，所述外层金属流速减缓部（212）的单侧型线为渐开线。

4.根据权利要求1所述的内外双层金属棒材正挤压制备模具，其特征在于，所述型腔体还包括剪切变形部（214），所述剪切变形部（214）处于所述外层金属流速减缓部（212）与所述棒材成型部（213）之间。

5.根据权利要求4所述的内外双层金属棒材正挤压制备模具，其特征在于，所述剪切变形部（214）包括沿着所述挤压方向依次设置的多个凸环（2141），多个所述凸环（2141）的直径不等。

6.根据权利要求4所述的内外双层金属棒材正挤压制备模具，其特征在于，所述棒材成型部（213）的口径大于所述剪切变形部（214）的材料流出口的口径。

7.根据权利要求1所述的内外双层金属棒材正挤压制备模具，其特征在于，所述下凹模本体包括上下组装的上模分体（21）及下模分体（22），所述棒材成型部（213）至少部分地构造于所述下模分体（22）上。

8.一种内外双层金属棒材正挤压制备方法，其特征在于，采用权利要求4至7中任一项所述的内外双层金属棒材正挤压制备模具进行，所述制备方法包括如下步骤：

准备组合式坯料（100），所述组合式坯料（100）包括第一金属管材（101）及第二金属棒材（102），其中第一金属管材（101）过盈套装于所述第二金属棒材（102）的外圆周壁上；

将所述组合式坯料（100）以及所述内外双层金属棒材正挤压制备模具加热至目标成形温度并保温，并将所述内外双层金属棒材正挤压制备模具装配至压力机上；

将加热至所述目标成形温度并保温的所述组合式坯料（100）置入所述坯料容置部（211）内；

控制所述压力机驱动所述上凸模组件下行挤压所述组合式坯料（100）以将所述组合式坯料（100）完全挤压入所述棒材成型部（213）内。

9.根据权利要求8所述的内外双层金属棒材正挤压制备方法，其特征在于，所述组合式坯料（100）还包括连接于所述第一金属管材（101）以及所述第二金属棒材（102）的对应一端的第一金属板材（103）。

10.根据权利要求9所述的内外双层金属棒材正挤压制备方法，其特征在于，所述第一金属管材（101）与所述第一金属板材（103）的材质皆为镁合金，所述第二金属棒材（102）的材质为铝合金。

11.根据权利要求8所述的内外双层金属棒材正挤压制备方法，其特征在于，在将加热至所述目标成形温度并保温的所述组合式坯料（100）置入所述坯料容置部（211）内的步骤之前还包括：在所述型腔体的腔壁上涂抹润滑剂，所述冲头（11）上不涂抹所述润滑剂。

Images