一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具

摘要

本发明公开一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具，包括旋转挤压杯形构件用冲头、成形凹模、下垫板、下模板、顶杆；冲头与带上旋转工作台的液压机的上旋转工作台连接，冲头为“工”字形回转件，与挤压坯料接触的那一端头部为圆锥体，圆锥体表面设有一定宽度与深度的非联通式沟槽，圆锥体表面中心部位的圆形区域没有开槽；成形凹模的模腔底部平面开设“十”字形槽，模腔底部平面中间开设贯通孔，成形凹模、下垫板从上到下固定在下模板上形成整体，成形凹模与下垫板、下模板连接，下垫板和下模板的中部设有与模腔的底部的贯通孔相通的顶杆通孔，顶杆置于顶杆通孔中；顶杆以来回伸缩的方式从贯通孔中进入模腔或从模腔退入到贯通孔中。

权利要求

1.一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具，其特征在于：包括旋转挤压杯形构件用冲头、成形凹模、下垫板、下模板、顶杆；所述的冲头与带上旋转工作台的液压机的上旋转工作台连接，冲头为“工”字形回转件，冲头与挤压坯料接触的那一端头部为圆锥体，圆锥体表面设有一定宽度与深度的非联通式沟槽，圆锥体表面中心部位的圆形区域没有开槽；成形凹模的模腔底部平面开设有“十”字形槽，成形凹模的模腔底部平面中间开设贯通孔，所述的成形凹模、下垫板从上到下固定在下模板上形成整体，成形凹模与下垫板、下模板连接，下垫板和下模板的中部设有与模腔的底部的贯通孔相通的顶杆通孔，所述的顶杆为“T”形，大直径的“T”形头部置于贯通孔中，小直径杆身置于顶杆通孔中；所述的冲头、顶杆通孔、贯通孔、模腔位于同一中心轴线；所述的顶杆以来回伸缩的方式从贯通孔中进入模腔或从模腔退入到贯通孔中。

2.如权利要求1所述的一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具，其特征在于：所述的非联通式沟槽为“一”字形、“十”字形或“丫”字形。

3.如权利要求1所述的一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具，其特征在于：所述的冲头的端面的锥角a取值范围为1°～3°，冲头的非联通式沟槽的锥角β取

30°～40°。

4.如权利要求1所述的一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具，其特征在于：所述的冲头的端面中心圆角R≥100mm。

说明书

一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具

技术领域

[0001] 本发明属于金属塑性加工工艺及成形技术领域，具体的说是一种用于镁合金材料挤压成形与改性的技术，特别涉及一种镁合金杯形构件的成形与强韧化的旋转挤压模具。

背景技术

[0002] 随着航空航天、国防军工、交通运输等领域的飞速发展，迫切需要采用高强韧轻质构件来实现轻量化，其中杯形构件为最具代表性的结构形式之一。镁合金密度小(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、国防军工等领域。镁合金铸造产品力学性能低，满足不了承力构件的要求；塑性成形可大幅提高镁合金构件的力学性能，已成为国内外研究热点。镁合金为密排六方晶体结构、塑性差，成形易开裂，并且传统反挤压成形的镁合金杯形构件，周向和轴向的抗拉强度相差30％左右。添加稀土元素的高强耐热镁合金，由于具有良好的高温性能，在航空航天、国防军工领域具有更好的应用前景；但由于成分偏析和夹杂严重，较常规镁合金塑性更差，成形更易开裂，传统反挤压成形的杯形构件的各向强度差异更加明显。压扭变形工艺源于20世纪50年代末前苏联学者对平砧镦粗工艺缺陷的改造——对上平砧的轴向直线运动复合一个绕轴向的旋转运动，将有害摩擦变成有益剪切作用，解决了镦粗变形时摩擦带来的不利影响。目前实际生产应用的高压扭转是压扭变形工艺的一种特殊情况，属于大塑性变形法，能制备块状超细晶材料。其制备工艺为：变形体在平压头与凹模之间承受约几千兆帕的压力作用，同时平压头或凹模旋转，变形体还受到强烈的剪切力作用，从而获得很大塑性变形。这种高压与扭转的复合加载方式产生的剧烈塑性变形能有效地将材料晶粒细化至微纳米量级，获得无疏松孔洞的材料，避免了残留孔隙对材料产生的不良影响。目前，国内外成功开发了上/下工作台旋转的成形液压机，但是利用这些液压机的压扭成形工艺，通常用于制备尺寸较小的圆形扁薄工件，无法成形一定形状要求的零件，在工业生产中应用存在一定的局限性。

发明内容

[0003] 本发明的主要目的是针对镁合金杯形构件的成形与强韧化，提出一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具，该模具能有效改善镁合金的成形性、提高成形构件的综合力学性能、克服传统挤压成形的镁合金杯形构件各向强度差异大的缺点。

[0004] 为了实现上述目的，采取的技术方案是：

[0005] 一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具，包括旋转挤压杯形构件用冲头、成形凹模、下垫板、下模板、顶杆；所述的冲头与带上旋转工作台的液压机的上旋转工作台连接，冲头为“工”字形回转件，冲头与挤压坯料接触的那一端头部为圆锥体，圆锥体表面设有一定宽度与深度的非联通式沟槽，圆锥体表面中心部位的圆形区域没有开槽；成形凹模的模腔底部平面开设有“十”字形槽，成形凹模的模腔底部平面中间开设贯通孔，所述的成形凹模、下垫板从上到下固定在下模板上形成整体，成形凹模与下垫板、下模板连接，下垫板和下模板的中部设有与模腔的底部的贯通孔相通的顶杆通孔，所述的顶杆为“T”形，大直径的“T”形头部置于贯通孔中，小直径杆身置于顶杆通孔中；所述的冲头、顶杆通孔、贯通孔、模腔位于同一中心轴线；所述的顶杆以来回伸缩的方式从贯通孔中进入模腔或从模腔退入到贯通孔中。

[0006] 所述的非联通式沟槽为“一”字形、“十”字形、或“丫”字形。

[0007] 所述的冲头的端面的锥角a取值范围为1°～3°，冲头的非联通式沟槽的锥角β取30°～40°。

[0008] 所述的冲头的端面中心圆角R≥100mm。

[0009] 本发明的旋转挤压模具通过对冲头加工出非联通式沟槽，成形凹模的模腔底部平面开设槽，通过非联通式沟槽与成形凹模的槽的配合使用，主要作用有以下5点，(1)用于对挤压件42的旋转压扭成形，旋转挤压成形用的坯料的高径比较大，仅靠冲头的头部的端面摩擦很难实现扭矩在坯料内部的连续传递，冲头加工出非联通式沟槽，并与成形凹模的槽配合使用，可实现扭矩在大高径比坯料内部的连续传递，此时能更有效地发挥剪应力的作用，降低轴向变形力；(2)使挤压件受到更大的扭矩作用，有利于变形传递到挤压件的圆柱形镦粗变形区的内部，从而改善挤压件轴向上的变形均匀性；而对于满足结构参数d/D≥0.821的挤压件来说，挤压件轴向上的变形均匀性可进一步得到改善；(3)可减小挤压件的端面边缘金属与冲头的头部的端面之间的相对滑动，有利于增大圆柱形镦粗变形区内部尤其是h/2截面区域的变形量，达到更好的形变强化效果，并且能改善挤压件轴向上的变形均匀性。(4)形变强化效果更为突出，挤入冲头的非联通式沟槽中的金属在冲头绕轴旋转运动中的连续充填(“抹平-凸起-抹平-凸起……”)，会使变形区金属产生更大的剪切变形，细化晶粒、破碎树枝状组织和杂质能力更强，变形强韧化效果显著；(5)有利于加大冲头下面的圆柱变形区金属的静水压力，加上高温大变形时发生的回复与再结晶，造成晶粒细化与软化行为，使镁合金具有很高的塑性。

附图说明

[0010] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

[0011] 图1是本发明挤压成形后的镁合金杯形构件剖视图；

[0012] 图2是本发明挤压成形后的镁合金杯形构件俯视图；

[0013] 图3是本发明挤压成形后的镁合金杯形构件仰视图；

[0014] 图4是本发明的挤压件的挤压变形金属流动分区示意图；

[0015] 图5是本发明的模具的组装图；

[0016] 图6是本发明的模具的“一”字形非联通式沟槽冲头立体图；

[0017] 图7是本发明的模具的“一”字形非联通式沟槽冲头剖视图；

[0018] 图8是本发明的模具的“一”字形非联通式沟槽冲头仰视图(图7中A向)；

[0019] 图9是本发明的模具的“一”字形非联通式沟槽冲头右视图(图7中B向)；

[0020] 图10是本发明的模具的“十”字形非联通式沟槽冲头示意图；

[0021] 图11是本发明的模具的“丫”字形非联通式沟槽冲头示意图；

[0022] 图12是本发明的模具的成形凹模剖视图；

[0023] 图13是本发明的模具的成形凹模俯视图(图12中C向)；

[0024] 图14是本发明的模具的工作状态图一；

[0025] 图15是本发明的模具的工作状态图二；

[0026] 图16是本发明的模具的工作状态图三；

[0027] 图17是本发明的模具的工作状态图四；

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

[0029] 本发明通过具体实施例来具体说明一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具及方法。

[0030] 如图5、图14～17所示，一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压模具2，包括旋转挤压杯形构件用冲头22、成形凹模23、下垫板27、下模板28、顶杆29；如图6、图7、图9所示，所述的冲头22为“工”字形回转件，冲头22与挤压坯料40(如图5所示)接触的那一端头部221为圆锥体，圆锥体表面有一定宽度与深度的“一”字形、“十”字形、或“丫”字形的非联通式沟槽222(如图5～图11所示)，圆锥体表面中心部位的一定直径大小的圆形区域没有开槽(如图6、图7、图8、图10、图11所示)；如图12～图17所示，成形凹模23的模腔231底部平面开设宽大的“十”字形槽232，成形凹模23的模腔231底部平面中间开设贯通孔233；所述的成形凹模23、下垫板27从上到下固定在下模板28上形成整体，成形凹模23通过紧固螺钉25和销钉26与下垫板27、下模板28连接，下垫板27和下模板
28的中部设有与模腔231的底部的贯通孔233相通的顶杆通孔234，所述的顶杆29为“T”形，大直径的“T”形头部291置于贯通孔233中，小直径杆身292置于顶杆通孔294中；所述的冲头22、顶杆通孔234、贯通孔233、模腔231位于同一中心轴线；所述的顶杆29以来回伸缩的方式从贯通孔233中进入模腔231或从模腔231退入到贯通孔233中。

[0031] 一种均质高强韧化镁合金杯形构件旋转挤压方法，步骤：

[0032] (1)、棒材下料，下料直径小于镁合金杯形构件1(如图1所示)的外径D3mm～5mm；

[0033] (2)、均匀化热处理，形成坯料40(如图5所示)；

[0034] (3)、成形准备：将上述的旋转挤压模具2全部加热到镁合金棒料成形温度30℃以上，安装固定好成旋转挤压模具2，将冲头22与带上旋转工作台的液压机的上旋转工作台连接(图未视出)，对冲头22工作带(图9中m尺寸)与非联通式沟槽222、成形凹模23的模腔231以及坯料40(如图5所示)喷涂油剂石墨润滑剂；将挤压用镁合金坯料40装入成形凹模23的模腔231中，如图5所示，冲头22通过上旋转工作台(图未视出)实现冲头22的轴向运动以及绕轴旋转运动，下模板28固定在液压机的下工作台上(图未视出)；(4)、成形过程：如图5、图14所示，液压机上旋转工作台(图未视出)先向下轴向运动一段距离，冲头22挤入坯料40中，液压机上旋转工作台(图未视出)向下运动直至冲头22的非联通式沟槽222大部分被金属充填，接着，如图15所示，液压机上旋转工作台(图未视出)同时以2～10mm/s的轴向运动速度以及2～5r/min绕轴旋转速度对坯料40进行加载，冲头22对挤入非联通式沟槽222中的金属在冲头22绕轴旋转运动中进行抹平-凸起-抹平-凸起连续充填，形成初坯件41，此过程中，绕轴旋转速度必须与轴向运动速度合理匹配，以防止冲头22的非联通式沟槽222内的金属被切断或形成折叠缺陷，挤压成形完成后，液压机上旋转工作台(图未视出)停止旋转并向上直线运动(如图16所示)，带动冲头22向上移动与挤压件42脱离，如图17所示，通过液压机的顶出缸(图未视出)对顶杆29的作用，将挤压成形的挤压件42从成形凹模23中顶出；

[0035] (4)、将挤压件42最后加工形成镁合金杯形构件1(如图1所示)。

[0036] 如图1、图2、图3所示，本发明涉及的镁合金杯形构件1的外径为D，内径为d，如图4所示，镁合金杯形构件1加工之前的挤压件42在旋转挤压成形时的金属流动分区包括已变形区、刚性区、圆柱镦粗变形区、圆环变形区，杯壁11为已变形区，杯底13为刚性区，杯底13中部的杯腔底部14为圆柱镦粗变形区，杯底13与杯壁11的连接处12为圆环变形区，为保证高度方向上的变形均匀性，冲头22下面的圆柱镦粗变形区高径比h/d≤0.2，即可见本发明所涉及的均质高强韧化镁合金杯形构件1的合理结构参数为

[0037] 本发明所采用的镁合金杯形构件的旋转挤压模具2的冲头22，其与挤压用坯料40接触端面加工出一定宽度与深度的非联通式沟槽222(如图5、图6所示)。非联通式沟槽222形状可以设计成“一”字形、“十”字形、或“丫”字形的非联通式沟槽222(如图6、图8、图10与图11所示)，加工出非联通式沟槽222与成形凹模23的槽232(如图5所示)的配合使用，主要作用有以下5点，(1)用于对挤压件42的旋转压扭成形(如图15所示)，旋转挤压成形用的坯料40的高径比较大(远大于0.2)，仅靠冲头22的头部221的端面摩擦很难实现扭矩在坯料40内部的连续传递，冲头22加工出非联通式沟槽222，并与成形凹模23的槽232配合使用，可实现扭矩在大高径比坯料40内部的连续传递，此时能更有效地发挥剪应力的作用，降低轴向变形力；(2)使挤压件42受到更大的扭矩作用，有利于变形传递到挤压件42的圆柱形镦粗变形区14的内部，从而改善挤压件42轴向上的变形均匀性；而对于满足结构参数d/D≥0.821的挤压件42来说，挤压件42轴向上的变形均匀性可进一步得到改善；(3)可减小挤压件42的端面边缘的金属与冲头22的头部221的端面之间的相对滑动，有利于增大圆柱形镦粗变形区14内部尤其是h/2截面区域的变形量，达到更好的形变强化效果，并且能改善挤压件42轴向上的变形均匀性。(4)形变强化效果更为突出，挤入冲头22的非联通式沟槽222中的金属在冲头22绕轴旋转运动中的连续充填(“抹平-凸起-抹平-凸起……”)，会使变形区金属产生更大的剪切变形，细化晶粒、破碎树枝状组织和杂质能力更强，变形强韧化效果显著；(5)有利于加大冲头22下面的圆柱变形区金属的静水压力，加上高温大变形时发生的回复与再结晶，造成晶粒细化与软化行为，使镁合金具有很高的塑性。

[0038] 本发明所采用的镁合金杯形构件1的旋转挤压模具2的冲头22的非联通式沟槽222形状可以设计成“一”字形(如图6所示)、“十”字形(如图10所示)、“丫”字形(如图11所示)，冲头22的中心部位223不用开槽，这是由于圆轴扭转时，横截面上任意点的剪应力与该点到圆心的距离成正比；距圆心等距离的各点处的剪应力都相等，剪应力的方向与半径垂直；在圆柱轴心部位的剪应力很小，相应剪应力所起的作用也不明显。

[0039] 以外径200mm，内径170mm的杯形件为例，冲头22的非联通式沟槽222宽度b(如图8所示)取值10mm左右；冲头22的非联通式沟槽222深度h(如图9所示)取值10mm左右，冲头22的端面221锥角a(如图9所示)从有利与金属流动与提供尽可能大的水平摩擦剪应力的角度考虑，取值范围可为1°～3°，冲头22的端面221中心圆角R(如图7所示)在结构设计允许的前提下，应尽可能取大值(R100mm左右)，冲头22的非联通式沟槽锥角β(如图9所示)，取30°～40°，以方便实现挤入冲头22的非联通式沟槽222中的金属在冲头22绕轴旋转运动中的连续充填，考虑金属在非联通式沟槽222中的充填以及避免挤入冲头22的非联通式沟槽222内的金属在绕轴旋转过程中被切断，冲头22的非联通式沟槽222的入口处圆角半径r(如图9所示)取10mm左右。

[0040] 本发明所采用的镁合金杯形构件1的旋转挤压模具2的成形凹模23，模腔231的底部平面开设大宽度(40～80mm)大深度(20～30mm)的“十”字形槽232(如图12与图13所示)，防止挤压件42在冲头22的旋转作用下在成形凹模23中打转，并且有利于旋转挤压成形时坯料所受的扭矩的传递。

[0041] 本发明的一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压方法与镁合金杯形构件1的传统反挤压成形相比较，具有实质性的技术特点和显著的效果是：

[0042] (1)提高了镁合金材料的成形能力：镁合金低塑性材料，即使在高温下成形，也极易开裂。本挤压成形方法有效提高了挤压件42的内部静水压力，可以极大程度提高镁合金材料的塑性。较传统反挤压变形，挤压件42内部各点等效塑性应变值能大幅度提高。

[0043] (2)获得高致密结构，细化组织效果显著，降低挤压件42性能异向性：本发明的旋转挤压成形方法有效提高了挤压件42的内部静水压力，通过改变镁合金材料内部应力应变状态产生了较大切应变量，可极大程度的焊合挤压件42的内部孔隙、破碎变形体内部铸态组织、细化晶粒组织至亚微米级甚至纳米量级、形成具有大角晶界的细晶结构，大幅增强镁合金材料的形变强化效果。本挤压成形方法可以保证挤压件42的组织均匀，降低挤压件42性能异向性。

[0044] (3)缩短了高性能的镁合金杯形构件1的制造流程：传统反挤压成形塑性应变有限，达不到好的形变强化效果。所以在传统反挤压成形前，必须通过多道次圆柱体镦粗(有时还需要接着进行拔长)制坯来获得较大的塑性变形。而本发明的挤压成形方法，不需要镦粗或拔长制坯，直接利用轴向压力和切向剪切的同时作用就可获得极大的塑性应变，这有助于破碎树枝状组织和碎化杂质、大幅增强镁合金材料的形变强化效果。

[0045] 本发明的一种均质高强韧化镁合金杯形构件的旋转挤压方法与压扭成形(高压扭转)相比较，具有实质性的技术特点和显著的效果是：

[0046] (1)能挤压成形任意高度的坯料：突破了压扭成形(高压扭转)只能用于制备尺寸较小的扁薄工件的局限。

[0047] (2)能获得更大的剪切变形量，形变强化效果更为突出：压扭成形(高压扭转)是靠压头与坯料间主动摩擦来获得剪切变形量。而本发明的挤压成形方法，不仅冲头22与挤压件42接触的端面的主动摩擦会产生剪切变形，而且挤入冲头22的非联通式沟槽222内的金属在冲头22的绕轴旋转运动中的连续充填，会使变形区金属产生更大的剪切变形，细化晶粒、破碎树枝状组织和杂质能力更强。对于镁合金高性能杯形构件1来说，本发明的挤压成形方法不需要镦粗(拔长)制坯，制造流程更短。

[0048] (3)能降低变形体轴向的载荷要求、提高设备使用寿命：要想获得与本发明同样的形变强化效果，压扭成形(高压扭转)反挤压成形杯形构件必须借助于压头与坯料间更大的主动摩擦，在相同的润滑条件下，压扭成形(高压扭转)反挤压成形杯形构件轴向的载荷要求更高。耦合轴向运动与绕轴旋转的液压机上工作台，若轴向载荷过大，必定会加速推力轴承部件的磨损，降低设备的使用寿命。

[0049] 本发明为镁合金杯形构件1提供了一种短流程、高性能的制造方法，也为制备镁合金超细晶材料提供了参考。随着新型武器装备的轻量化水平的提高以及战技指标(速度、可靠性、承载能力等)的日益提升，对于性能异向性小的镁合金高性能杯形构件的需求越来越大，本发明应用前景将越来越好。