制备高性能、超细晶轻合金管材的模具及成型方法与流程

本发明属于合金管材加工领域，具体涉及一种制备高性能、超细晶轻合金管材的模具及成型方法。

背景技术：

目前，在制备超细晶合金（轻合金）管材，特别是薄壁和高精度的轻合金管材时主要采用挤压的方式成型。挤压加工不仅能够改善合金的塑性，而且还可以有效地细化晶粒，得到高性能的轻合金管材。但是传统挤压方式具有如下缺点：挤压生产过程，一般采用正向挤压，但正向挤压时坯料与挤压筒的摩擦较大，金属流动不均匀，而且正向挤压会形成沿管材挤压方向的带状组织和强烈的基面织构，造成管材的各向异性，从而降低成形管材的力学性能。这些形成的基面织构还很容易在薄管的二次加工中造成轻合金铸造组织中的缩孔、疏松等缺陷，使得管材尤其是薄管的加工精度变差。

基于正向挤压的上述缺陷，申请人考虑采用反向挤压的方向加工轻合金管材。针对反向挤压制备合金管材的成型工艺，中国国家知识产权局于2019年10月11日公告了，公告号为106362220的一种表面改性的镁合金薄壁管及其反向挤压模具和制备方法，该镁合金薄壁管采用反向挤压的方式挤压成型，该管材的反向挤压模具包括上模部分和下模部分，上模部分包括上模板和挤压杆，下模部分包括下模板、挤压筒、挤压凹模和芯棒，挤压筒内设置有挤压凹模。该挤压模具在挤压时，需先将芯棒升起，然后将将加热后的合金铸锭放入挤压筒内，再把挤压凹模放入挤压筒内且置于合金铸锭上；启动压力机，使下模部分向上移动，挤压杆对坯料进行反挤，合金管材由挤压杆中空的内部向上穿出，反挤变形工艺结束，挤压机活塞复位，下模部分下落，将堵头抽掉，卸料，反挤结束，获得mg-zn-sr合金管材。该申请的模具结构较为复杂，同时，在挤压完成后，不能够自动将成型管材顶出。另外，传统的反挤压方法所制得的管材容易产生裂纹，成型率不高。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单、管材成型自动化程度高，且成型质量好的制备高性能、超细晶轻合金管材的模具及成型方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种制备高性能、超细晶轻合金管材的模具，它包括挤压杆、凹模和弹性顶件机构，其特征在于，所述凹模由内凹模和外凹模组成，在内凹模中部设有一个用于容置待加工坯料的竖向通孔，在外凹模中部设有一个形状和尺寸与所要制备的轻合金管材外形和外径一致的型腔，所述内凹模的上端固定安装在压力机的外横梁上，下端置于外凹模的型腔内并与外凹模同轴心，内凹模外端面与所要制备的轻合金管材外形和内径一致，内凹模的外端面和外凹模的型腔之间形成一个管材成型腔，所述管材成型腔由上定径区和下变径剪切区组成，且管材成型腔与竖向通孔相联通；所述挤压杆一端固定安装在压力机的内横梁上，另一端置于内凹模的竖向通孔内，启动压力机后，压力机的内横梁能够带动挤压杆在竖向通孔内下行，实现对坯料的反挤压，压力机的外横梁能够带动内凹模上下滑动并在成形位置定位；所述弹性顶件机构一端置于外凹模内并与管材成型腔相抵，另一端固定在外凹模下方的膜座上，所述弹性顶件机构具有弹性，当挤压杆下行对坯料挤压时，弹性顶升机构被挤压后压缩变形，当挤压杆回程时弹性顶件机构回复初始状态的过程中，向上顶升，将成型后的轻合金管材从管材成型腔内顶出。这样，所设置的内凹模不但能够用于放置坯料，承担料筒的作用，还能够供挤压杆上下滑动，提供挤压路径。内凹模内的竖向通孔与外凹模的型腔相联通，从而使得坯料能够在挤压杆挤压后，通过竖向通孔进入到外凹模的型腔内，先经过管材成型腔的下端，再不断向上流动，直至成型。将成形部位设计成为内、外凹模组成的管材成型腔，坯料放置在内凹模中使得成形更加方便，提高了成形的工艺性。所设置的弹性顶件机构能够在反挤压过程中储存能量，并在反挤压完成后，释放能量，通过反向弹力对成型后的轻合金管件进行顶升，有效提高模具的自动脱模，提高其自动化程度。

进一步的，在外凹模内、靠近外凹模的型腔处还设有一用于对外凹模和坯料进行加热的加热装置。这样，所设置的加热装置能够对外凹模和坯料进行加热，这种加热方式相较传统在外部加热后，放到模具中的坯料，对温度的掌控更好，更精确，对成形的工艺性以及制件的高性能性均有较大的提升。

进一步的，所述加热装置为一个能够与外部电源电连接的加热线圈，在外凹模中部设有一环形凹槽，所述加热线圈置于环形凹槽内。这样，通过加热线圈加热的方式加热快，且由于加热线圈是装配在外凹模的环形凹槽内，其与外凹模之间的接触面积较大，能有效缩短加热时间。

进一步的，所述加热装置还包括一能够与外部电源电连接的加热棒，通过接通电源，加热棒即可对外凹模加热，从而使得热量通过内凹模传递到坯料上，对坯料进行加热。这样，所设置的加热棒也能够对外凹模进行加热，加热棒可与加热线圈交互使用，提高管材的生产效率，缩短生产周期。

进一步的，在外凹模内还设有一个用于实时监测并记录外凹模温度的温度传感器，在外凹模一侧还设有一个与加热线圈和加热棒通过电线电连接的温度控制装置，所述温度控制装置与温度传感器通过有线或无线方式连接，在温度控制装置上设有一个与外部电源相接通的电源头。这样，温度传感器能够检测到外凹模的实时温度信息，并将该温度数据传递到温度控制装置，温度控制装置在收到外凹模的实时温度数据后，即可通过控制加热棒和加热线圈电流的大小来控制加热棒和加热线圈输出的温度，进而精确控制坯料加热的温度和时间。

进一步的，所述弹性顶件机构包括一顶件块，在顶件块的下方固定安装有多个顶杆，在顶杆的下端固定有一弹性元件，所述弹性元件置于外凹模下；所述顶件块为一个直径与外凹模的型腔底部直径相等或小于型腔底部直径的圆盘，所述顶杆呈竖向设置，所述顶件块和顶杆在受到挤压杆所施加的挤压力后，顶杆下端被挤压到外凹模外，并将该挤压力传递到弹性元件上，从而使得弹性元件被压缩变形，当挤压杆完成挤压并回程时，弹性元件不再受到外部挤压，向上反弹，并带动顶杆和顶件块上移，将成型后的轻合金管材从管材成型腔内顶出。这样，顶杆能够对弹性元件进行挤压，而顶杆伸出外凹模下端后，弹性元件与外凹模下端具有一定的距离，从而为弹性元件的挤压张力提供了一定的空间。在顶件块和顶杆被挤压后，由于顶件块是嵌在外凹模内，不具有位移空间，不会出现位移。而顶杆在受到向下的挤压后，下端对弹性元件形成一定的挤压，从而使其变形压缩，当挤压杆回程后，顶杆不再受到向下的挤压力，此时，弹性元件在恢复过程中即会向上顶升，从而将制件顶出。这种通过弹力顶出的方式不会对能源造成浪费，且使用寿命长，具有很好的实用性。

进一步的，在在外凹模一侧还设有一个用于向管材成型腔内导入co2的co2保护气装置，所述co2保护气装置包括至少一个co2气罐和一根输气管，所述输气管一端与管材成型腔相联通，另一端与co2气罐相联通，在输气管上设有一个压力表和调向阀。这样，在热挤压过程中，轻合金管材极易氧化，同时在成形时，坯料也会释放一定热量会在一定程度上损坏成形管材，通入co2保护气后能在一定程度上防止管材的氧化以及降低管材表面的温度。

进一步的，所述上定径区与下变径剪切区之间的夹角为130°-150°。这样，能够使坯料在反挤压的过程中累计较多的应变，从而细化成形管材的晶粒，另外这样也不会因为角度过大造成管材的破裂。

一种制备高性能、超细晶轻合金管材的成型方法，包括如下步骤：s1，将坯料进行均匀化处理；s2，将均匀化处理后的坯料放入到模具中进行加热预处理，所述模具如上所述，所述坯料呈棒材状，置于内凹模的竖向通孔内，所述坯料通过外凹模内的加热装置进行加热；s3，在坯料加热到成形温度后，启动压力机，压力机的外横梁带动内凹模下行至成形位置固定，然后，压力机的内横梁带动挤压杆下行并对放置在内凹模竖向通孔内的坯料件反挤压，在反挤压的过程中，坯料不断被挤压，直至充满整个管材成型腔，形成轻合金管材；s4，反挤压完成后，压力机内横梁带动挤压杆上行，然后外横梁带动内凹模上行，在内凹模上行的同时，弹性顶件机构对成型后的轻合金管材进行顶升，使轻合金管材被顶出管材成型腔外。这样，在对坯料进行反挤压时，金属坯料同模具的接触力变小，坯料向下流动的阻力相对变小，所需的挤压力变小，能耗降低；通过反挤压的方式，坯料得到更大的变形，累计了更多的应变量，有利于加大成形是动态再结晶的程度，细化晶粒。反挤压时，金属流动主要集中在模口附近的位置，因而沿着管材长度变形的方向上金属的变形是较为均匀的。另外一个方面，管材成型腔由上定径区和下变径剪切区组成，当坯料先经过变径剪切变区后，坯料产生剪切变形，剪切变形可以削弱管材基面织构的主导地位，并发生倾转，大大改善薄壁管材的微观组织以及基体中第二相的形态，细化表面和心部组织，减少甚至消除带状组织。第二相在新的变形方式下分布弥散、细小圆整。该方法的反挤压、反挤压剪切等工序能够有效地促进合金动态再结晶的发生，均匀制品的组织。最后得到的管材具有较为致密与均匀的组织，内部的孔洞缺陷率较小，该管材在大应变条件下产生裂纹概率减小，能耗降低的同时就降低了成本、节约了能源。

进一步的，s3中，挤压杆进行反挤压时，挤压速度为1-5mm/s，反挤压时，坯料所需到达的挤压温度为360℃-430℃。这样，这个温度区间在很多轻合金比如镁合金、铝合金的再结晶温度以上，能够使得其在成形的过程中发生动态再结晶，改变晶粒的尺寸，形成很多等轴细晶，提高制件的强度与塑性。速度区间值的选取能够很好地保证管材的表面质量，过高的速度会降低模具的寿命，过低的速度会损坏管材的表面质量。

附图说明

图1为实施例中挤压杆向下挤压时坯料在模具中结构图；

图2为实施例中坯料被挤压过程中的流动过程图；

图3为实施例中坯料刚进行反挤压成型时，坯料的等效应变图；

图4为实施例中坯料刚经过下变径剪切区时的等效应变图；

图5为实施例中坯料刚挤压到上定径区时的等效应变图；

图6为实施例中坯料快挤压到管材成型腔顶部时的等效应变图；

图7为实施例中刚进行反挤压成型时，坯料的金属流速图；

图8为实施例中坯料刚经过下变径剪切区时的金属流速图；

图9为实施例中坯料刚挤压到上定径区时的金属流速图；

图10为实施例中坯料快挤压到管材成型腔顶部时的金属流速图；

图11为实施例中利用模具对镁合金进入剪切段剪切成形前的微观组织放大示意图；

图12为实施例中利用模具对镁合金进入剪切段剪切成形后的微观组织放大示意图。

图中：挤压杆1、内凹模2、竖向通孔21、外凹模3、环形凹槽31、管材成型腔4、上定径区41、下变径剪切区42、加热装置5、加热线圈51、加热棒52、温度传感器6、弹性顶件机构7、顶件块71、顶杆72、弹性元件73、坯料8、温度控制装置9、co2保护气装置10、co2气罐101、输气管102、压力表103、调向阀104、保护柜105。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

本实施例提供的制备高性能、超细晶轻合金管材的模具及成型方法，包括挤压杆1、凹模和弹性顶件机构7；所述凹模由内凹模2和外凹模3组成，在内凹模2中部设有一个用于容置待加工坯料的竖向通孔21，在外凹模3中部设有一个形状和尺寸与所要制备的轻合金管材外形和外径一致的型腔，所述内凹模2的上端固定安装在压力机的外横梁上，下端置于外凹模3的型腔内并与外凹模3同轴心，内凹模2外端面与所要制备的轻合金管材外形和内径一致，内凹模的外端面和外凹模的型腔之间形成一个管材成型腔4，所述管材成型腔4由上定径区41和下变径剪切区42组成，且管材成型腔4与竖向通孔21相联通；所述挤压杆1一端固定安装在压力机的内横梁上，另一端置于内凹模2的竖向通孔21内，启动压力机后，压力机的内横梁能够带动挤压杆1在竖向通孔内下行，实现对坯料的反挤压，压力机的外横梁能够带动内凹模2上下滑动并在成形位置定位；所述弹性顶件机构7一端置于外凹模内并与管材成型腔相抵，另一端固定在外凹模下方的膜座上，所述弹性顶件机构7具有弹性，当挤压杆1下行对坯料8挤压时，弹性顶升机构被挤压后压缩变形，当挤压杆回程时弹性顶件机构回复初始状态的过程中，向上顶升，将成型后的轻合金管材从管材成型腔内顶出。

在外凹模3内、靠近外凹模的型腔处还设有一用于对外凹模3和坯料8进行加热的加热装置5。所述加热装置为一个能够与外部电源电连接的加热线圈51，在外凹模3中部设有一环形凹槽31，所述加热线圈51置于环形凹槽31内。为进一步增加加热效率，所述加热装置还包括一能够与外部电源电连接的加热棒52，通过接通电源，加热棒52即可对外凹模加热，从而使得热量通过内凹模传递到坯料上，对坯料进行加热。

在外凹模内还设有一个用于实时监测并记录外凹模温度的温度传感器6，在外凹模一侧还设有一个与加热线圈51和加热棒52通过电线电连接的温度控制装置9，所述温度控制装置9与温度传感器6通过有线或无线方式连接，在温度控制装置9上设有一个与外部电源相接通的电源头。

所述弹性顶件机构7包括一顶件块71，在顶件块71的下方固定安装有多个顶杆72，在顶杆72的下端固定有一弹性元件73，所述弹性元件73置于外凹模3下；所述顶件块72为一个直径与外凹模3的型腔底部直径相等或小于型腔底部直径的圆盘，所述顶杆呈竖向设置，所述顶件块71和顶杆72在受到挤压杆所施加的挤压力后，顶杆72下端被挤压到外凹模外，并将该挤压力传递到弹性元件73上，从而使得弹性元件被压缩变形，当挤压杆完成挤压并回程时，弹性元件不再受到外部挤压，向上反弹，并带动顶杆和顶件块上移，将成型后的轻合金管材从管材成型腔内顶出。具体装配时，弹性元件下端与液压装置的下部主体部分相抵。所述弹性元件73为橡胶，抗压强度能达到160~100mpa。这样，弹性元件的弹力大，能承受多次挤压，且在多次挤压后弹力不会消减。

在外凹模一侧还设有一个用于向管材成型腔4内导入co2的co2保护气装置10，所述co2保护气装置10包括两个相联通的co2气罐101和一根输气管102，所述输气管102一端与管材成型腔4相联通，另一端与co2气罐相联通，在输气管102上设有一个压力表103和调向阀104。如图所示，在本实施例中，两co2气罐101置于一保护柜105内，所述输气管102与co2气罐101联通时，需穿过保护柜105后，与co2气罐101联通。为了使整个气体都能充满管材成型腔4，本申请中的输气管102最好位于管材成型腔4下端，并靠近地底部位置。

为了在更好的控制挤压杆1的下压速率，在对一种材料的轻合金管材的坯料进行下压前，应对挤压杆1的下压压力有效控制，以保证管材成型质量。在本实施例的液压机上还设有一个压力传感器，所述压力传感器通过导线与压力记录仪16相连接，通过这样的设计能够记录成形时的实时压力值，通过坯料所受的压力值来调节液压机的下行速率（若记录仪上显示的压力载荷过大，就可以适当降低液压机运行速率），从而提高成形的工艺性，因为坯料成形时的压力载荷过大会在一定程度上影响装置的使用寿命以及会降低管材的成形性。

本实施例中上定径区41与下变径剪切区42之间的夹角为130°-150°。如图所示，本实施例中的下变径剪切区与上定径区之间通过圆角作为平滑过渡连接。

进一步的，内凹模2中部的竖向通孔与外凹模的型腔同轴心。这样，可确保内凹模和外凹模所形成的管材成型腔与凹模同轴心，进而使得制备后的管材厚度一致。

一种制备高性能、超细晶轻合金管材的成型方法，包括如下步骤：s1，将坯料8进行均匀化处理（具体的，将坯料放入马弗炉加热到400℃并保温3-4小时后随炉冷却）；s2，将均匀化处理后的坯料8放入到模具中进行加热预处理，所述模具如上所述，所述坯料呈棒材状，置于内凹模的竖向通孔内，所述坯料通过外凹模内的加热装置进行加热；s3，在坯料加热到成形温度后，启动压力机，压力机的外横梁带动内凹模下行至成形位置固定，然后，压力机的内横梁带动挤压杆下行并对放置在内凹模竖向通孔内的坯料件反挤压，在反挤压的过程中，坯料不断被挤压，直至充满整个管材成型腔，形成轻合金管材；s4，反挤压完成后，压力机内横梁带动挤压杆上行，然后外横梁带动内凹模上行，在内凹模上行的同时，弹性顶件机构对成型后的轻合金管材进行顶升，使轻合金管材被顶出管材成型腔外。

s3中，挤压杆进行反挤压时，挤压速度为1-5mm/s，反挤压时，坯料所需到达的挤压温度为360℃-430℃。

s3中，挤压杆对坯料进行反挤压的同时，开启co2保护气装置10中的调向阀11，此时，co2气体经过输气管102向管材成型腔4内流动，并充满管材成型腔4，从而在坯料被挤压过程中对管材的氧化以及降低管材表面的温度。

图2为有限元模拟坯料成形的过程，坯料先流经外凹模的底部即向四周扩散后，随后向上流动依次经过反挤压剪切区，最后成型。

图3-图6为坯料成型过程中的等效应变图，图3为刚进行反挤压成型时，坯料的等效应变图，此时的等效应变较小，转角处的应变值大于其它部位。图4为坯料刚经过反挤压剪切区的应变图，从图中可以看出剪切段的应变值明显大于其余部分，结合图2即坯料已经结束了反挤压剪切来看，剪切段的加入明显会累计应变。同时，从图3-图6的等效应变过程中可以明显看出剪切段附近区域的应变值最大，等效应变量及其分布情况是影响成形管材晶粒细化与均匀性的关键因素，较大的应变量可以使得晶粒内的位错密度增加，加剧晶格畸变，为动态再结晶提供了大量晶核，从图11所示的利用该模具对镁合金剪切段剪切成形前的微观组织图，图12为对镁合金剪切段剪切成形之后的微观组织，从两张微观组织图中可以明确看出，剪切段加入之前晶粒比较粗大，剪切段的加入细化了晶粒。

图7到图10为实施例中坯料挤压到不同位置后的金属流速图。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。