一种轻合金杯形件旋转挤压成形模具的制作方法

本发明涉及金属塑性加工及成形技术领域，具体涉及一种扇叶形结构凸台模面的轻合金杯形件旋转挤压成形模具。

背景技术：

杯形构件是航空航天、国防军工、交通运输等领域最具代表性的结构形式之一，是反向挤压技术的典型制件。反向挤压锻件的形状和尺寸精度精确、切削余量少、综合力学性能好，具有“高效、优质、低能耗”的特点，在技术和经济上有很高的使用价值。采用传统反挤压成形工艺制备的杯形构件，需要多道次镦粗拔长制坯才能达到理想的细晶强化效果，生产效率较低。一直以来，国内外学者针对杯形构件的成形工艺及性能优化做了大量的研究和报道，“镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形模具及方法”、“一种镁合金高性能杯形件的差速挤压成形模具及方法”、“一种均质高强韧化镁合金杯形构件旋转挤压方法”等都是不断探索和改进杯形构件反向挤压成形技术，提高杯形构件的综合力学性能方面做出努力。而压扭变形工艺源于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，属于大塑性变形方法，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mpa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。在高压扭转的基础上，有学者对凸模和凹模也做出了改进，例如已公开的中国专利公开号为cn103878196a专利名称为“一种均质高强韧化镁合金杯形构件旋转挤压方法”是一种冲头和凹模底部端面开槽的新型旋转挤压成形方法，该发明方法通过合理的工艺参数控制，杯形件整体上成形效果较好，塑性变形很大，分布相对比较均匀，但同时也存在一些局限，该方法对工艺参数较为敏感，如果工艺参数控制不当，在生产中很容易产生折叠和开裂等缺陷。诸如此类的，目前，国内外已成功开发了上/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，锻件成形效果并不太理想，容易产生折叠或裂纹等缺陷，在工业生产中应用存在一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种轻合金杯形件旋转挤压成形模具，目的在于改善镁合金的成形性，获得大塑性变形，提高成形构件的综合力学性能，克服传统旋转挤压成形过程中成形效果不佳，容易产生折叠或裂纹等缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种轻合金杯形件旋转挤压成形模具，它包含冲头、成形凹模、下垫板、下模板、顶块、顶杆；所述的冲头设在成形凹模的上方；冲头与成形凹模之间设有坯料；冲头为“丁”字形回转件；冲头与坯料接触的那一端为“扇叶”形结构凸台模面；成形凹模为环形回转体；成形凹模内腔侧壁上设有多个弧面凹槽，均布于成形凹模内腔侧壁上，成形凹模内腔侧壁设有一定的拔模斜度；成形凹模设在下垫板的上方；下垫板设在下模板的上方；成形凹模、下垫板通过紧固件及定位销与下模板连接；成形凹模的内腔内设有顶块；顶块与成形凹模的内腔腔壁间隙配合；顶块的底面放置在下垫板上；顶块底面设有螺纹孔；下垫板和下模板的中部设有贯通孔；贯通孔内设有顶杆；顶杆的顶端与顶块螺纹连接。

优选地，所述的“扇叶”形结构凸台模面包含一定厚度的工作带及一定厚度的凸台，凸台设在工作带的底端端面中部；凸台为“扇叶”形凸台，“扇叶”形凸台中间部位为圆形平面。

优选地，所述的“扇叶”形凸台为呈“一”字形分布的对称半圆错位“扇叶”形结构。

优选地，所述的“扇叶”形凸台还可以呈“丫”字形分布。

优选地，所述的弧面凹槽的弧面张角为120°，弧面与成形凹模内腔壁连接处倒圆角；成形凹模内腔侧壁的拔模斜度为0.5°-1°。

优选地，所述的冲头、成形凹模、贯通孔、顶块、顶杆位于同一轴线上，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。

本发明的设计原理为：本发明的“扇叶”形结构凸台模面冲头与坯料接触的那端端面采用对称半圆错位“扇叶”形结构凸台模面，有利于旋转挤压时金属流动，错位处的凸台采用大角度的倒斜角，凸台正视图类似“扇叶”状。“扇叶”形结构凸台的中部为平面，绕轴做旋转运动时为圆形平面，这是由于绕轴扭转时，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。而冲头的“扇叶”形结构凸台模面，主要用于增加坯料和冲头端面接触时的摩擦力，变被动摩擦为促进金属促进金属流动的主动摩擦，通过主动摩擦力给坯料施加扭矩作用，从而使坯料受到较大的扭矩力，压扭过程中迫使坯料产生高度方向的压缩变形和横截面上的剪切变形，消除挤压成形中摩擦的有害作用，迫使坯料发生大塑性变形。

本发明的成形凹模为环形回转体，在凹模内腔侧壁上开有数个均匀分布的弧面凹槽，凹槽弧面张角为120°，弧面与成形凹模内腔壁连接处倒圆角，防止坯料在压扭成形过程中打转而造成坯料外表不同程度的损伤，且有利于旋转挤压成形时大高径比坯料的扭矩传递；凹模内腔侧壁设置了一定的拔模斜度(0.5°-1°)，便于坯料反挤压成形过程中的金属流动和挤压完成后杯形件从凹模中的取出。

本发明有益效果为：本发明与传统反挤压成形技术相比，有效提高了变形体内部静水压力，冲头采用对称半圆错位“扇叶”形结构凸台模面设计，实现了坯料在压扭过程中，金属沿垂直于“扇叶”面的法线方向受压，通过改变变形体内部应力应变状态，使接触面及接触面附近的金属产生大的扭矩力，迫使坯料产生高度方向的压缩变形和横截面上的剪切变形，从而极大程度破碎晶粒内部枝状组织和杂质，迫使合金材料获得巨大的塑性变形，可以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，保证挤压成形构件的组织均匀，降低挤压成形构件性能异向性。不需要反复镦粗或拔长制坯破碎树枝状组织和碎化杂质，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，大幅增强合金材料的形变强化效果，并缩短了高强韧化合金杯形构件的制造流程。

本发明与压扭成形(高压扭转)相比，冲头采用对称半圆错位“扇叶”形结构凸台模面设计，成形凹模采用内腔壁均布凹槽的设计，有利于旋转挤压成形时大高径比坯料的扭矩传递。能实现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。“扇叶”形结构凸台模面设计使得与冲头接触的坯料端面产生剧烈的剪切变形，从而使得挤入冲头的“扇叶”面沟槽部位的金属在冲头绕轴旋转运动中连续充填(“凸起-抹平-凸起-抹平……”)，使变形区金属产生巨大的剪切变形，细化晶粒、破碎树枝状组织和杂质能力更强，形变强化效果更为突出，此外，本发明的挤压成形杯形构件轴向的载荷要求更低，设备使用寿命更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是坯料在待挤压时本发明的工作状态示意图；

图2是坯料在挤压成形时本发明的工作状态示意图；

图3是坯料在挤压完成后被顶出时本发明的工作状态示意图；

图4是“扇叶”形结构凸台模面冲头的结构示意图；

图5是“一”字形分布的“扇叶”形结构凸台模面冲头的仰视图；

图6是“丫”字形分布的“扇叶”形结构凸台模面冲头的仰视图；

图7是“扇叶”形结构凸台模面冲头扭压复合加载示意图；

图8是成形凹模的结构示意图；

图9是图8中a-a方向的剖视图；

图10是实施例中圆柱形坯料剖视图；

图11是实施例中空心坯料剖视图；

图12是实施例中空心坯料在旋转挤压成形时示意图；

图13是实施例中空心坯料旋转挤压成形后得到的底部带孔的筒形件剖视图。

附图标记说明：

1、冲头；2、成形凹模；3、坯料；4、下垫板；5、定位销；6、顶杆；7、紧固件；8、下模板；9、顶块；10、贯通孔；11、“扇叶”形结构凸台模面；12、弧面凹槽；13、工作带；14、凸台；15、圆形平面；16、空心坯料；17、空心坯料中间内孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

参看图1-3、8-9所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含冲头1、成形凹模2、下垫板4、下模板8、顶块9、顶杆6；所述的冲头1设在成形凹模2的上方；冲头1与成形凹模2之间设有坯料3；冲头1为“丁”字形回转件；冲头1与坯料3接触的那一端为“扇叶”形结构凸台模面11；成形凹模2为环形回转体；成形凹模2内腔侧壁上设有多个弧面凹槽12，均布于成形凹模内腔侧壁上，成形凹模内腔侧壁设有一定的拔模斜度；成形凹模2设在下垫板4的上方；下垫板4设在下模板8的上方；成形凹模2、下垫板3通过紧固件7及定位销5与下模板8连接；成形凹模2的内腔内设有顶块9；顶块9与成形凹模2的内腔腔壁间隙配合；顶块9的底面放置在下垫板4上；顶块9底面设有螺纹孔；下垫板4和下模板8的中部设有贯通孔10；贯通孔10内设有顶杆6；顶杆6的顶端与顶块9螺纹连接；

参看图4所示，所述的“扇叶”形结构凸台模面11包含一定厚度的工作带13及一定厚度的凸台14，凸台14设在工作带13的底端端面中部；凸台14为“扇叶”形凸台，“扇叶”形凸台中间部位为圆形平面15；

参看图5所示，凸台14的形状为“扇叶”形，两片“扇叶”呈中心对称分布，即由两个对称半圆凸台错位分布后倒斜角而成。“扇叶”形凸台的两个对称半圆面的半径为r3，工作带圆面半径为r4，“扇叶”形结构凸台的中部为圆形平面，其半径为r2；工作带圆面周径比“扇叶”所能扫过的最大周径l2单边大l0，工作带圆面形成闭合环形区域，不但可以保证“扇叶”形凸台能提供巨大的扭矩，使待变形坯料在冲头1旋转挤压过程中周向受足够大的剪切力，而且能够确保冲头1工作带13以下接触面的待变形坯料在冲头1扭矩作用下平稳渐变地从冲头1的中心凸台面向“扇叶”面，从“扇叶”面向工作带13圆面均匀流动，使压扭变形更加均匀；本具体实施方式中，“扇叶”形凸台还可以呈“丫”字形分布(参看图6所示)。

参看图7所示，“扇叶”形结构凸台模面11上的工作带13底部圆角r1的取值范围为8°-10°，“扇叶”形凸台的“扇叶”面的水平面倾角α0的取值范围为15°-60°，“扇叶”形凸台底部圆角r0的取值范围为3°-5°。

参看图8-9所示，成形凹模2的内腔侧壁设有一定锥度的拔模斜度，拔模斜度为0.5°-1°，6-8个弧面凹槽12均布于内腔侧壁，每个弧面凹槽12开口角为120°，弧面凹槽12与内腔壁连接的边倒3°-5°的圆角。

参看图12-13所示，挤压空心坯料16时，空心坯料16内径为φ2小于凸台14中心圆面直径2×r2，保证“扇叶”在旋转挤压时能完全接触到待挤压坯料，根据旋转挤压的特点，距离轴心越近，压扭变形时剪切力越小，“扇叶”形结构凸台模面中心部分为圆形平面15，正好吻合了空心坯料中间内孔17，在旋转挤压变形过程中不需要剪切变形，从而能够充分发挥“扇叶”形结构凸台模面结构所能达到的压扭复合加载，且不影响挤压空心坯料时底部收口效果。

实施例：

用圆柱体实心坯料制备外径200mm、内径170mm的7075铝合金杯状件为具体实例，对一种“扇叶”形结构凸台模面的轻合金杯形件旋转挤压成形方法做详细介绍。

实施例中所采用的模具部件具体工艺尺寸如下：参看图7所示，冲头1的工作带13直径d1取170mm，工作带13底部倒角r1取10°，工作带13厚度h1取20mm，“扇叶”形凸台14倾角α0取30°，“扇叶”形凸台14底部圆角r0取5°；参看图5、7所示，r4＝d1/2＝85mm，l0＝l1/2＝15mm，r3＝55mm；参看图8所示，成形凹模2高度为h2＝200mm，内腔侧壁拔模斜度为0.5°，侧壁上弧面凹槽12的开口角为120°，弧面凹槽12与内腔壁连接的边倒圆角5°(图中未示出)；参看图10所示，坯料3采用圆柱形坯料，尺寸φ1＝200mm，h2＝80mm；

参看图1-3所示，将冲头1、成形凹模2、下垫板4、下模板8、顶块9、顶杆6安装在上工作台可旋转的液压机上，所述的成形凹模2、下垫板4从上到下用紧固件7及定位销5固定在下模板8上形成整体，下垫板4和下模板8的中部设有贯通孔10；

所述的顶块9放置于成形凹模2的内腔中，与内腔腔壁间隙配合，顶块9的底面放置在下垫板4上，顶块9的底面开有螺纹孔，与所述的顶杆6通过螺纹连接；

所述的冲头1、成形凹模2、贯通孔10、顶块9、顶杆6位于同一轴线上；所述的顶杆6以来回伸缩的方式从贯通孔10中进入模腔或从模腔退入到贯通孔10中。

参看图1-3所示，本实施例的旋转挤压成形方法，包含如下步骤：

1、坯料下料；

2、均匀化热处理，制备锻压成形所用坯料3；

3、成形前准备：将均匀化热处理好的坯料3加热到热挤压温度460℃并保温，并将本发明所述的一种轻合金杯形件旋转挤压成形模具预热至480℃并保温4小时，将预热保温后的模具安装在液压机上；给冲头1的工作带13及“扇叶”形凸台14和成形凹模2腔内均匀喷抹水基石墨润滑剂，并将加热好的坯料3放入成形凹模2内腔中，等待挤压变形；

(4)冲头1在成形液压机可旋转上工作台(图中未示出)的带动下向下运动，此时上工作台不旋转，只做向下运动；

(5)随着冲头1向下运动，冲头1先接触到成形凹模2腔内的待挤压坯料3上表面，以2mm/s的速度继续匀速向下运动，使得接触面金属陆续流入到冲头1端面工作带以下凸台的“扇形”面区域，同时坯料3外围部分金属陆续流入到成形凹模2内腔壁凹槽内，直至成形液压机上工作台运动到规定位置(从冲头1接触到坯料3开始计算，冲头1下压行程15mm)；

(6)成形液压机上工作台带动冲头1以10°/s(即0.1745rad/s)的速度开始旋转，旋转方向为“扇叶”面前推坯料3的方向；冲头1一边以10°/s的速度匀速旋转，一边以2mm/s的速度匀速下压，直至运动到规定位置(从冲头1接触到坯料3开始计算，冲头1下压行程85mm)；

(7)成形完毕，成形液压机上工作台停止旋转运动，停止向下运动后，上工作台反向抬升，直至上工作台行程复位；然后顶杆6在液压机顶出缸(图中未示出)的作用下上升，将挤压成形的杯形件从成形凹模2的模腔内顶出(如图3所示)，随后退回到贯通孔10，完成一个工作循环。

本发明的一种“扇叶”形结构凸台模面的轻合金杯形件旋转挤压成形方法与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：

1、提高了合金材料的成形能力，能使合金材料获得更大的塑性变形。例如，镁合金是低塑性材料，即使在高温下进行塑性变形也极易开裂；本挤压成形方法有效提高了变形体内部静水压力，可以极大程度提高镁合金材料的塑性；与传统反挤压相比，本方法所提供的对称半圆错位“扇叶”形结构凸台模面冲头能变被动摩擦为促进金属流动的主动摩擦，通过主动摩擦力给坯料施加扭矩作用，迫使坯料产生高度方向的压缩变形和横截面上的剪切变形，消除挤压成形中摩擦的有害作用，迫使坯料发生大塑性变形。

2、获得高致密结构，细化组织效果显著，降低挤压成形构件性能异向性。本发明的一种“扇叶”形结构凸台模面的轻合金杯形件旋转挤压成形方法通过改变合金材料内部应力应变状态，使材料内部产生了较大切应变量，可极大程度的焊合变形体内部孔隙、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，大幅增强合金材料的形变强化效果；本旋转挤压方法可以提高挤压成形构件的组织均匀性，降低挤压成形构件性能异向性。

3、缩短了轻合金高性能杯形构件的制造流程。传统反挤压成形塑性变形有限，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径向剪切力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、大幅增强铝镁合金材料的形变强化效果。

本发明一种“扇叶”形结构凸台模面的轻合金杯形件旋转挤压成形方法与其他旋转挤压成形方法相比较，具有实质性的技术优势和显著的效果是：

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。本发明的冲头“扇叶”形结构凸台模面设计和成形凹模内腔侧壁带均布弧面凹槽的设计能够在变形过程中对整个坯料实施稳固的扭矩作用，有效降低材料失稳，提高可锻坯料所允许的高径比。

2、合金材料能获得更加均匀分布的大塑性变形，细化晶粒的效果更显著。本发明的一种“扇叶”形结构凸台模面的轻合金杯形件旋转挤压成形方法借助内腔侧壁带均布弧面凹槽的成形凹模对变形坯料的固定，“扇叶”形结构凸台模面冲头在旋转挤压时，形成扭压复合加载成形，迫使坯料产生高度方向的压缩变形和横截面上的剪切变形，从而使坯料获得更大的塑性变形。

3、对旋转挤压成形的杯形件的缺陷消除优势明显。本发明的“扇叶”形结构凸台模面冲头与变形金属面接触，特别是冲头工作带及凸台部分的特定设计，使得金属在扭压复合加载变形时流动更加流畅，结合成形凹模内腔的特定设计，使金属在流动时没有死角、回流等情况的发生，从而有效避免了工件开裂和折叠缺陷。

4、借助deform-3d有限元模拟软件进行模拟分析，进一步验证了本发明的一种“扇叶”形结构凸台模面的轻合金杯形件旋转挤压成形方法具有良好的成形效果，有效避免了开裂和折叠缺陷，同时冲头轴向载荷更小。模拟参数设置方面，材料导入的是7075铝合金材料模型，模具和坯料温度均为460℃，网格划分为10000，冲头轴向下压速度为2mm/s，冲头绕轴旋转速度0.1745rad/s，摩擦系数为0.3，第一道工序只有冲头下压时，行程设15mm，第二道工序边旋转边挤压时，行程设70mm，从模拟结果可以直观的看出，等效应变的柱状图分布较为均匀，折叠角(foldingangle)max：236°，损伤值(damage)max：0.553，avg：0.532。并且，旋转挤压时冲头轴向载荷(zload)稳定值为2.30×10⁶n左右，约230t，而其他的旋转挤压方法冲头轴向载荷(zload)会达到310t，传统反挤压甚至更大。进一步论证了本发明方法的技术优势。此外，由于能降低变形体轴向的载荷要求，不但节省了成本，还使设备的使用寿命大幅度提高。

5、本发明为铝镁合金杯形构件提供了一种短流程、高性能、可控性强的制造方法，为制备超细晶高性能杯形件提供了参考。随着航空航天、国防军工、交通运输等装备的轻量化水平提高，速度、可靠性、承载能力等战技指标要求也日益提升，对硬度高、承载能力强、组织相对均匀、各向异性小、综合力学性能更加优异的超细晶高性能杯形件的需求越来越大，综合性能要求越来越高。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。