CN116197293B - 内外双金属杯型构件反挤压制备模具及构件制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内外双金属杯型构件反挤压制备模具及构件制备方法，属于金属塑性加工及成形技术领域，其中模具包括：上凸模组件，包括冲头；下凹模组件，包括内凹模及芯模，芯模具有贯通容置通孔，芯模的外侧壁包括立壁及底壁，内凹模腔的腔底壁上具有容置凹槽，容置凹槽内嵌装有顶块，顶块能够被驱动升降，顶块的顶面上具有促流槽，在芯模的任一轴截面上，促流槽的槽口与容置通孔的底端孔口边缘相对设置。本发明在顶块的顶面设置的促流槽能够促使内层金属先流动，过渡性圆弧能够加速内层金属流动，如此能够使内外双金属棒材受压变形时内外层金属的流速趋于一致，避免材料分层失效，尤其能够提高大规格铝镁双金属叠层舱段类构件的成形良品率。

Description

内外双金属杯型构件反挤压制备模具及构件制备方法

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金属杯型构件反挤压制备模具及构件制备方法。

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。因此，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。传统的舱段构件成形一般采用铝合金整体锻造机加，经济性差、质量大，无法满足轻量化要求。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，因此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型复合材料。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。针对铝镁复合技术主要包括轧制复合、爆炸复合、挤压复合、扩散复合、液固复合。其中，轧制复合由于工艺的特殊性，只能做复合板材；爆炸复合可以做相对复杂的零件，但爆炸过程不可控，且爆炸过程存在较大的危险性，爆炸产生大的高能量也可能对金属造成过烧；扩散焊目前研究大多为小尺寸试样，由于长时间的保温加压，在界面处形成厚厚的金属化合物层，扩散焊复合板常作为坦克的装甲使用，通过受击，金属化合物层破碎，大量吸收冲击能量，抗压性能强；液固复合常作为一种制坯手段，需要在后续进行别的方式加工，也可以成形一下性能要求低的构件；挤压复合目前则主要做一些电缆或者小尺寸试样。

发明人在先申请的专利（申请号为：CN201410820158）中提供了一种能够利用通道转角挤压成形工艺制备镁合金杯形构件的技术方案，其能够通过通道的转角挤压成形，极大地提高了镁合金材料的成形能力，获得高致密结构，细化组织效果显著，降低性能异向性，缩短了高性能的镁合金杯形件制造流程，但是采用其对内外双金属杯型构件进行制备时发现，由于模具结构和坯料结构使坯料外层金属更靠近外围流动通道，从而使流动过程中内层金属流动滞后于外层金属，导致棒材坯件在被挤压过程中流速或流动位置不同，进而导致两种金属材料在挤压过程中分层，结合质量差、分层失效，基于这一现象，有必要对相应的制备模具进行优化改进。

发明内容

因此，本发明提供一种内外双金属杯型构件反挤压制备模具及构件制备方法，能够解决现有技术中由于预制的双金属棒材界面层后易开裂导致的内外双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金属杯型构件反挤压制备模具，包括：

上凸模组件，包括冲头；

下凹模组件，包括具有内凹模腔的内凹模和处于所述内凹模腔内的芯模，所述芯模具有贯通其轴向两端的容置通孔，所述容置通孔用于容置内外双金属棒材且与所述冲头适配，所述芯模的外侧壁与所述内凹模腔之间具有的间隙形成杯型构件型腔，所述外侧壁包括立壁及底壁，所述内凹模腔的腔底壁上具有容置凹槽，所述容置凹槽内嵌装有顶块，所述顶块能够被驱动升降，所述顶块的顶面上具有促流槽，在所述芯模的任一轴截面上，所述促流槽的槽口与所述容置通孔的底端孔口边缘相对设置。

在一些实施方式中，所述顶块具有中央平面区，所述促流槽环绕所述中央平面区的周向延伸设置，所述顶块与所述容置通孔同轴设置，所述中央平面区的直径小于所述内外双金属棒材的内层金属的直径。

在一些实施方式中，在任一所述轴截面上，所述促流槽的槽壁的轮廓形状为过渡圆弧形。

在一些实施方式中，所述过渡圆弧形为渐开线，且该渐开线的型线由以下方程限定：

其中，x、y为在直角坐标系下构成渐开线形状的点的位置坐标；r为基圆半径，单位为mm；α为压力角，单位为rad；θ为展角，θ=inv(α)=tan(α)-α，单位为rad。

在一些实施方式中，所述底壁上具有朝向所述内凹模腔的腔底壁凸起的第一凸环，在任一所述轴截面上，所述第一凸环的顶面与所述腔底壁平行，所述第一凸环远离所述容置通孔的孔口一侧形成第一剪切转角。

在一些实施方式中，所述立壁上具有朝向所述内凹模腔的腔立壁凸起的第二凸环，在任一所述轴截面上，所述第二凸环的顶面与所述腔立壁平行，所述第二凸环靠近所述第一凸环的一侧形成第二剪切转角。

在一些实施方式中，所述容置通孔的孔壁上构造有多个减速环槽，各所述减速环槽围绕所述容置通孔的周向延伸，且多个所述减速环槽沿着所述容置通孔的轴向间隔设置。

在一些实施方式中，所述减速环槽的槽深为1mm-3mm、宽为8mm-10mm，且相邻的两个所述减速环槽的间隔为15mm-20mm。

本发明还提供一种内外双金属杯型构件反挤压制备方法，采用上述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具进行，所述制备方法包括如下步骤：

准备内外双金属棒材，所述内外双金属棒材包括中心棒及套装于其上的外环棒，所述中心棒为第一金属材料，所述外环棒为第二金属材料，将外环棒套装于中心棒上；

将内外双金属棒材以及所述内外双金属杯型构件反挤压制备模具加热至目标成形温度并保温，并将所述内外双金属杯型构件反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内外双金属棒材置入所述容置通孔内；

控制所述压力机驱动所述上凸模组件下行挤压所述内外双金属棒材以将所述内外双金属棒材完全挤压入所述杯型构件型腔内。

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内外双金属棒材置入所述容置通孔内的步骤之前还包括：在所述内凹模腔的腔壁上涂抹润滑剂，所述冲头上不涂抹所述润滑剂。

在一些实施方式中，所述第一金属材料为铝合金，所述第二金属材料为镁合金。

本发明提供的一种内外双金属杯型构件反挤压制备模具及构件制备方法，在顶块的顶面设置的促流槽能够使内外双金属棒材的内层金属先流动，如此能够使内外双金属棒材受压变形时内外层金属的流速趋于一致，避免材料分层失效，尤其能够提高大规格铝镁双金属叠层舱段类构件的成形良品率。

附图说明

图1为本发明实施例的内外双金属杯型构件反挤压制备模具的结构示意图（在挤压棒材之前）；

图2为本发明实施例的内外双金属杯型构件反挤压制备模具的结构示意图（在挤压棒材制备形成内外双金属杯型构件之后）；

图3为图1中的下凹模组件中部分部件的结构示意图；

图4为图1中的内外双金属棒材的结构示意图（轴截面）；

图5为内外层金属流动界面首次对齐位置示意。

附图标记表示为：

11、冲头；12、上垫板；13、上模板；21、内凹模；211、过渡弧线；22、芯模；221、容置通孔；222、立壁；223、减速环槽； 224、第一剪切转角；225、第二剪切转角；226、底壁；23、保护套；24、下垫板；25、下模板；31、顶块；311、促流槽；32、顶杆；4、下压导向杆；100、内外双金属棒材；101、中心棒；102、外环棒；200、杯型构件型腔。

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，提供一种内外双金属杯型构件反挤压制备模具，包括：上凸模组件，包括冲头11、上垫板12及上模板13，其中冲头11通过相应的楔头结构可拆卸地连接于上垫板12的下侧面，同时上垫板12可拆卸地连接于上模板13的下侧面，上凸模组件通过上模板13与压力机的上部结构（其能够下行实现对棒材的施压）连接；下凹模组件，包括具有内凹模腔（图中未标注）的内凹模21和处于内凹模腔内的芯模22，也即内凹模21与芯模22两者为组合体结构，具体参见图1所示，芯模22的顶端沿其径向向外凸出形成一个大致为T型的结构，通过该凸出结构芯模22夹设于内凹模腔的开口上，前述的内凹模腔以及芯模22皆为回转体，芯模22具有贯通其轴向两端的容置通孔221，容置通孔221用于容置内外双金属棒材100且与冲头11适配，也即冲头11的直径与容置通孔221的直径大致相等，且长度最好是稍大于容置通孔221的深度，如此保证冲头11对容置通孔221内的内外双金属棒材100的反挤压施力的顺利进行，芯模22的外侧壁与内凹模腔之间具有的间隙形成杯型构件型腔200，参见图3所示，前述的外侧壁包括立壁222及底壁226，内凹模腔的腔底壁上具有容置凹槽，容置凹槽内嵌装有顶块31，顶块31能够被驱动升降，顶块31的顶面上具有促流槽311，在芯模22的任一轴截面上，促流槽311的槽口与容置通孔221的底端孔口边缘相对设置。

该技术方案中，在顶块31的顶面设置的促流槽311能够使内外双金属棒材100的内层金属先流动，如此能够使内外双金属棒材100受压变形时内外层金属的流速趋于一致，避免材料分层失效，尤其能够提高大规格铝镁双金属叠层舱段类构件（也即杯型构件）的成形良品率。

前述的顶块31的底部连接（例如螺纹连接）有顶杆32，在杯型构件制备完毕后，可以通过控制顶杆32升起以利用顶块31将构件由内凹模腔中顶出。

在一个优选的实施例中，顶块31具有中央平面区，促流槽311环绕中央平面区的周向延伸设置，顶块31与容置通孔221同轴设置，中央平面区的直径小于内外双金属棒材100的内层金属的直径，如此，能够使内层金属先于外层金属与顶块31接触，进而使内层金属先于外层金属沿径向向外流动并推动外层金属沿径向向外流动，进一步有利于两者在成形过程中流速保持一致性。

在一个可行的实施例中，在任一轴截面上，促流槽311的槽壁的轮廓形状为过渡圆弧形，能够加速内层金属流动。进一步而言，过渡圆弧形为渐开线，且该渐开线的型线由以下方程限定：

，其中，x、y为在直角坐标系下构成渐开线形状的点的位置坐标；r为基圆半径，单位为mm；α为压力角，单位为rad；θ为展角，θ=inv(α)=tan(α)-α，单位为rad，该技术方案中，促流槽311的槽壁的轮廓形状具体采用渐开线形状，其具有类似最速降线的功用，由于在成型过程中内层金属将与该槽壁接触，因此其能够直接促进内层金属流动，进而使成型过程中内外层金属流速进一步趋于一致。

具体参见图3所示，底壁226上具有朝向内凹模腔的腔底壁凸起的第一凸环，在任一轴截面上，第一凸环的顶面与腔底壁平行，第一凸环远离容置通孔221的孔口一侧形成第一剪切转角224，如此，一方面，第一剪切转角224能够在金属流动过程中提供剪切力，去除金属表面的氧化皮并促进金属结合面间的扩散，提高结合面强度和表面质量，另一方面，第一凸环则将其与腔底壁之间的金属流动通道变窄，使金属经受强烈三向压应力，使晶粒细化并改善组织，并使制件加工硬化。进一步地，立壁222上具有朝向内凹模腔的腔立壁凸起的第二凸环，在任一轴截面上，第二凸环的顶面与腔立壁平行，第二凸环靠近第一凸环的一侧形成第二剪切转角225，第二凸环能够将向上的金属流动通道的宽度进一步变窄，创造大挤压比条件，提高结合面质量并改善组织，而在通过第二剪切转角225后一段距离时金属流动通道变宽，减小零件表面与模具的摩擦力，提高成形效率和薄壁制件的成形质量。

在一些实施方式中，第一剪切转角224、第二剪切转角225、第一凸环、第二凸环、立壁222以及底壁226相连接的位置圆滑过渡，具体而言，以图3所示的方位为参考，第一剪切转角224的右侧与底壁226（端面）之间圆滑过渡，而左侧则与第一凸环之间圆滑过渡，第二剪切转角225在第一凸环与第二凸环之间圆滑过渡，从而能够防止结构突变导致的金属材料的阻力，保证挤压变形的顺畅进行。在一个具体的实施例中，前述圆滑过渡皆采用半径为3mm的圆弧过渡。在另一个具体的实施例中，参见图3所示，腔底壁与腔立壁之间连接处形成过渡弧线211，过渡弧线211与腔立壁的连接处形成转角凸台，转角凸台与前述的第二凸环之间形成金属流动的通道，且转角凸台与第二凸环的水平位置大致相同，进一步使金属在通过第二剪切转角225时流动通道进一步变窄，创造大挤压比条件，提高结合面质量并改善组织，在通过第二剪切转角225后一段距离时流动通道变宽，减小零件表面与模具的摩擦力，提高成形效率和薄壁制件的成形质量。

在另一个更优的实施例中，容置通孔221的孔壁上构造有多个减速环槽223，各减速环槽223围绕容置通孔221的周向延伸，且多个减速环槽223沿着容置通孔221的轴向间隔设置，通过在容置通孔221的孔壁上设置减速环槽223能够降低外层金属的流速，进而有利于使内外层金属在成型过程中流速趋于一致。

在一些实施方式中，减速环槽223的槽深为1mm-3mm、宽为8mm-10mm，且相邻的两个减速环槽223的间隔为15mm-20mm。

根据本发明的实施例，还提供一种内外双金属杯型构件反挤压制备方法，采用上述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具进行，制备方法包括如下步骤：

准备内外双金属棒材100，内外双金属棒材100包括中心棒101及套装于其上的外环棒102，中心棒101为第一金属（例如铝合金）材料，外环棒102为第二金属（例如镁合金）材料，将外环棒102套装于中心棒101上，其中在同一成型挤压力的条件下，外环棒102在成型过程中的流速高于中心棒101在成型过程中的流速，具体而言，能在外环棒102与中心棒101两者套装之前，根据具体的尺寸要求下料前述两种坯料，以两种坯料分别为铝合金坯料及镁合金坯料（铝镁坯料）为例，先对两种坯料进行均匀化热处理，之后将两者的接触表面用钢刷打毛、去氧处理后以过盈配合的方式套装形成前述的内外双金属棒材100；

将内外双金属棒材100以及内外双金属杯型构件反挤压制备模具加热至目标成形温度并保温，并将内外双金属杯型构件反挤压制备模具装配至压力机上，具体而言，将前述的内外双金属棒材100加热到成形温度480℃（也即前述的目标成形温度）并保温，同时还将内外双金属杯型构件反挤压制备模具加热至目标成形温度并保温；

将加热至目标成形温度并保温的内外双金属棒材100置入容置通孔221内；

控制压力机驱动上凸模组件下行挤压内外双金属棒材100以将内外双金属棒材100完全挤压入杯型构件型腔200内，具体而言，结合参见图1及图2所示，内外双金属棒材100为冲头11向下挤压，其在容置通孔221内发生镦粗变形，棒材的内层金属的底端首先与顶块31的中央平面区接触并沿着径向向外形变，内层金属在成型挤压前期快速充满促流槽311，当具有减速环槽223时，其对外层金属在成型过程中则减缓了外部金属的流速，如此，在两者的共同作用下将内外层金属在进入轴向型腔（也即杯型构件型腔200的轴向部分）之前实现位置对齐，如图5所示，而当包括前述的第一剪切转角224、第二剪切转角225及第一凸环以及第二凸环时，由于前述结构的阻碍以及剪切作用，进而使内外层金属以共同的位置和速度继续流动，逐渐充满整个型腔，同时前述的剪切转角提供剪切变形力，破坏了内外层两种金属材料的表面氧化层，露出新鲜金属，提高表面质量，并促使内外层金属间的结合界面发生机械连接和扩散连接，提高了金属间结合界面的结合质量，避免材料分层失效，极大地提高了大规格铝镁双金属叠层舱段类构件（也即杯型构件）的成形良品率。

最后，通过卸料工序将成形的杯型构件由下凹模组件中卸除，具体而言，拧开保护套23和下模板25之间的螺钉，由压力机带动模具上半部分和保护套23脱离内凹模21和芯模22，之后液压机带动顶杆32上行，将芯模22取出，最终从芯模22上取下杯型构件。前述的保护套23与上模板13两者之间通过多根下压导向杆4滑动连接，也即在成型过程中，上模板13沿着下压导向杆4的引导方向由上而下滑动下压。

在一些实施方式中，在将加热至目标成形温度并保温的内外双金属棒材100置入容置通孔221内的步骤之前还包括：在内凹模腔的腔壁上涂抹润滑剂，冲头11上不涂抹润滑剂，前述的润滑剂例如油剂石墨润滑剂，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。

在一个具体的实施例中，以成形的杯型构件为外径200mm、内径160mm的大规格镁合金薄壁环件为例，镁合金毛坯的尺寸高为360mm，内径为45mm，外径为90mm，铝合金毛坯的尺寸高为360mm，直径为45mm。

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 (10)

1.一种内外双金属杯型构件反挤压制备模具，其特征在于，包括：

上凸模组件，包括冲头（11）；

下凹模组件，包括具有内凹模腔的内凹模（21）和处于所述内凹模腔内的芯模（22），所述芯模（22）具有贯通其轴向两端的容置通孔（221），所述容置通孔（221）用于容置内外双金属棒材（100）且与所述冲头（11）适配，所述芯模（22）的外侧壁与所述内凹模腔之间具有的间隙形成杯型构件型腔（200），所述外侧壁包括立壁（222）及底壁（226），所述内凹模腔的腔底壁上具有容置凹槽，所述容置凹槽内嵌装有顶块（31），所述顶块（31）能够被驱动升降，所述顶块（31）的顶面上具有促流槽（311），在所述芯模（22）的任一轴截面上，所述促流槽（311）的槽口与所述容置通孔（221）的底端孔口边缘相对设置，以使所述内外双金属棒材（100）受压变形时内外层金属的流速趋于一致，所述内外双金属棒材（100）包括中心棒（101）及套装于其上的外环棒（102），所述中心棒（101）为第一金属材料，所述外环棒（102）为第二金属材料；所述顶块（31）具有中央平面区，所述促流槽（311）环绕所述中央平面区的周向延伸设置，所述顶块（31）与所述容置通孔（221）同轴设置，所述中央平面区的直径小于所述内外双金属棒材（100）的内层金属的直径。

2.根据权利要求1所述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具，其特征在于，在任一所述轴截面上，所述促流槽（311）的槽壁的轮廓形状为过渡圆弧形。

3.根据权利要求2所述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具，其特征在于，所述过渡圆弧形为渐开线，且该渐开线的型线由以下方程限定：

其中，x、y为在直角坐标系下构成渐开线形状的点的位置坐标；r为基圆半径，单位为mm；α为压力角，单位为rad；θ为展角，θ=inv(α)=tan(α)-α，单位为rad。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具，其特征在于，所述底壁（226）上具有朝向所述内凹模腔的腔底壁凸起的第一凸环，在任一所述轴截面上，所述第一凸环的顶面与所述腔底壁平行，所述第一凸环远离所述容置通孔（221）的孔口一侧形成第一剪切转角（224）。

5.根据权利要求4所述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具，其特征在于，所述立壁（222）上具有朝向所述内凹模腔的腔立壁凸起的第二凸环，在任一所述轴截面上，所述第二凸环的顶面与所述腔立壁平行，所述第二凸环靠近所述第一凸环的一侧形成第二剪切转角（225）。

6.根据权利要求1所述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具，其特征在于，所述容置通孔（221）的孔壁上构造有多个减速环槽（223），各所述减速环槽（223）围绕所述容置通孔（221）的周向延伸，且多个所述减速环槽（223）沿着所述容置通孔（221）的轴向间隔设置。

7.根据权利要求6所述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具，其特征在于，所述减速环槽（223）的槽深为1mm-3mm、宽为8mm-10mm，且相邻的两个所述减速环槽（223）的间隔为15mm-20mm。

8.一种内外双金属杯型构件反挤压制备方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的内外双金属杯型构件反挤压制备模具进行，所述制备方法包括如下步骤：

准备内外双金属棒材（100），将外环棒（102）套装于中心棒（101）上；

将内外双金属棒材（100）以及所述内外双金属杯型构件反挤压制备模具加热至目标成形温度并保温，并将所述内外双金属杯型构件反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内外双金属棒材（100）置入所述容置通孔（221）内；

控制所述压力机驱动所述上凸模组件下行挤压所述内外双金属棒材（100）以将所述内外双金属棒材（100）完全挤压入所述杯型构件型腔（200）内。

9.根据权利要求8所述的内外双金属杯型构件反挤压制备方法，其特征在于，在将加热至所述目标成形温度并保温的所述内外双金属棒材（100）置入所述容置通孔（221）内的步骤之前还包括：在所述内凹模腔的腔壁上涂抹润滑剂，所述冲头（11）上不涂抹所述润滑剂。

10.根据权利要求8所述的内外双金属杯型构件反挤压制备方法，其特征在于，所述第一金属材料为铝合金，所述第二金属材料为镁合金。