一种细长构件转模反挤压细晶成形模具与成形方法与流程

本发明涉及一种细长构件转模反挤压细晶成形方法与模具。

背景技术：

随着高端装备制造业的快速发展，产品结构大型化、整体化、高性能、低成本已成为共性发展趋势，细长盲孔构件制造用材涉及铜合金、铝合金、镁合金、合金钢等多种材料，其长径比越来越长，已超出常规成形技术的能力范畴，按照常规反挤压的经验，纯铝反挤压件的长径比≤7，紫铜反挤压件的长径比≤5，黄铜反挤压件的长径比≤4，低碳钢反挤压件的长径比≤3，如果反挤压件的长径比过大，超过凸模的抗弯应力，则挤压过程中凸模容易“漂移”，偏离挤压中心轴，更为严重的是造成凸模弯曲折断。对于大长径比构件，目前多采用冲孔、拔伸的工艺，但该工艺的制造工艺流程长，加热次数多，坯料晶粒细化的能力有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种细长构件转模反挤压细晶成形模具与成形方法。

为了实现上述目的，采用以下技术方案。

一种细长构件转模反挤压细晶成形模具，其特征在于，所述模具包括：上模结构和下模结构，其中上模结构包括上筒体，上筒体内设置有镶块，在上筒体的内壁上设置有凸起，在镶块的外壁上设置有对应凹槽，上筒体内壁下部设置有阶梯孔，镶块的上表面设置有与阶梯孔对应的梯形台；上筒体的上表面设置有两个相对的齿轮圈，齿轮圈通过轴杆固定在上筒体壁内，两个齿轮圈的中间设置有与齿轮圈相啮合的凸模套，凸模的上部通过键与凸模套过盈配合，使得凸模套的转动可以带动凸模的转动；

下模结构包括下筒体，下筒体的上部具有下固定板，下筒体的下部具有下模板，下筒体的底部设置有下垫板，下垫板上设置有凹模，在凹槽与下筒体的内壁之间设置有预应力圈，顶杆穿过下垫板和下模板后位于下筒体的底部；

在下固定板上设置有支撑杆，支撑杆的头部设置有限高块，镶块的底部设置有与限高块对应的盲孔。

镶块外表面开有4个均布的通孔槽，并对称剖分成左镶块和右镶块，左镶块和右镶块与凸模间隙配合，并与上筒体内表面4个均布的凸台间隙配合，防止左镶块和右镶块的转动，同时保证左镶块和右镶块的轴向运动。

凹模内表面具有内锥角。

在凹模上的4个均布的限高块，限高块可以沿其支撑杆轴线旋转，具有推动左镶块、右镶块轴向运动的功能，同时兼具打料的功能。

主动模可以为上模，即上模沿轴线向下压制，下模轴向位置静止；主动模也可以为下模，即下模沿轴线向上压制，上模轴向位置静止。

一种使用上述的细长构件转模反挤压细晶成形模具的成形方法，其特征在于，左电机驱动传递的总功率P_左(KW)，/右电机驱动传递的总功率P_右(KW)与转速n(rad/min)的比值其中η为功率传递效率；[τ]为凸模材料承受的最大扭转剪切应力(Pa)；d为凸模直径(m)。

首先将坯料置于凹模型腔内，然后在主动模作用下凸模沿轴向相对运动，使坯料发生塑性变形；当凸模工作带区域完全进入坯料内部后，凸模沿轴向相对运动的同时，沿挤压中心轴旋转运动，当左右镶块与限高块接触后，左右镶块在凸模中同时相对滑动，使坯料发生连续旋转挤压细晶变形。

凸模沿挤压中心轴旋转运动的实现方法，是通过左和/或右电机驱动分别带动左和/或右齿轮圈旋转，左和/或右齿轮圈通过齿轮啮合带动凸模套旋转，凸模套通过均匀分布的键块带动凸模旋转运动，键块与凸模套和凸模之间采用过盈配合。

当坯料工作状态下的最大变形应力σ_cr＞ασ_s时，凸模L₁段的许用最大长径比为凸模L₂段的许用最大长径比为当坯料工作状态下的最大变形应力σ_cr≤ασ_s时，凸模L₁段的许用最大长径比为凸模L₂段的许用最大长径比为

其中E为凸模材料的弹性模量(Pa)，σ_s为凸模工作状态下的极限屈服应力(Pa)，d为凸模直径(m)，α为弯曲失稳系数；σ_cr为坯料工作状态下的最大变形应力(Pa)，K₁和K₂为安全系数，凸模L₁段的安全系数K₁≤0.8，凸模L₂段的安全系数K₂≤0.6，并且K₁大于K₂。

凸模端面具有3～4个均布的凸起条状结构，凸模承受的最大扭矩其中[τ]为凸模材料承受的最大扭转剪切应力(Pa)，δ为安全系数；d为凸模直径(m)；在旋转凸模反挤压过程中，凸模端面的凸起条状结构嵌入坯料内部，并使坯料表层区域发生剧烈的塑性变形，细化晶粒。

本发明通过设计旋转凸模反挤压工艺和模具，与常规反挤压工艺相比，大幅降低凸模承载的载荷和单位应力；通过设计凸模端面的凸起条状结构，细化坯料晶粒；通过设计滑动镶块在凸模中间区域轴向运动，增强凸模的稳定性，有利于提高凸模长径比，适用于铜合金、铝合金、镁合金、合金钢等多种材料的细长构件成形制造，缩短工艺流程，提高细长构件制造性能。

说明书附图

图1为本发明中转模反挤压细晶成形模具示意图；

图2为凸模结构示意图；

图3为凸模旋转传动示意图；

图4为整体镶块结构示意图；

图4A为沿图4中的A-A的剖面图；

图4B为沿图4中B-B的剖面图；

图5为上筒体结构示意图；

图5A为沿图5中的A-A的剖面图；

图5B为沿图5中B-B的剖面图；

图6为限高块结构示意图；

图7为凸模端面为凸台结构示意图；

图8为凸模端面为凹槽结构示意图；

图9为合金钢锻件轴向载荷与位移关系图；

图10为合金钢锻件转模反挤压扭矩与位移关系图；

图11为铝合金锻件轴向载荷与时间关系图；

图12为铝合金锻件转模反挤压扭矩与时间关系图；

图13为铜合金锻件轴向载荷与时间关系图；

图14为铜合金锻件转模反挤压扭矩与时间关系图；

图中，1—左电机；2—上模板；3—上固定板；4—左齿轮圈；5—左轴杆；6—凸模套；7—上筒体；8—左镶块；9—凸模；10—下固定板；11—下筒体；12—预应力圈；13—凹模；14—顶杆；15—下垫板；16—下模板；17—上垫板；18—左球轴承；19—止推轴承；20—键块；21—右电机；22—右齿轮圈；23—右轴杆；24—右球轴承；25—右镶块；26—垫圈；27—限高块；28—支撑杆；29—坯料。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步说明。

首先根据产品的几何结构和材质，设计转模反挤压总变形量，制定相应的锻件图，计算转模反挤压过程中轴向载荷、轴向应力、水平载荷、水平应力、扭矩等参数，在此基础上设计制造转模反挤压模具，并核定凸模材料及性能、电机类型、润滑方式、装取料和卸料方式等，然后将转模反挤压模具安装在液压机中，再将坯料置于凹模型腔内，在主动模作用下凸模沿轴向相对运动，使坯料发生塑性变形；当凸模工作带区域完全进入坯料内部后，凸模沿轴向相对运动的同时，沿挤压中心轴旋转运动，当左右镶块与限高块接触后，左右镶块在凸模中同时相对滑动，使坯料发生连续旋转挤压细晶变形。

实施例1

(1)产品材料为合金钢，产品内孔长径比为5.1，该设计的锻件内孔直径Φ35mm、内孔深168mm。

(2)在产品锻件图的基础上，设计了常规反挤压(即凸模只沿轴向运动)、转模反挤压两种工艺，设计了凸模端面为凸台结构(如图7)、凸模端面为凹槽结构(如图8)两种结构，压制运动为上模主动、下模主动两种方式，对上述方案进行仿真分析的结果如图9，可以发现转模反挤压与常规反挤压相比，轴向载荷大幅降低，同时凸模端面为凸台的结构比凹槽结构更为省力，上模主动和下模主动的方式对轴向载荷影响不大。按照凸模端面为凸台的结构，计算转模反挤压最大载荷500000N，校算的凸模单位应力为520MPa。

(3)设计制造转模反挤压模具，设计凸模端面为凸台结构，凸模材料选取H13钢，其淬火+回火处理状态下的屈服应力σ_s为1460MPa，弹性模量E为210GPa，弯曲失稳系数选取α＝0.57，凸模材料承受的最大扭转剪切应力与凸模材料极限屈服应力的比值选取0.6，则计算得到凸模L₁段的许用最大长径比为6.1，凸模L₂段的许用最大长径比为4.5，凸模材料设计承受的最大扭矩为7001794N·mm，而转模反挤压凸模实际承受的最大扭矩约为2800000N·mm(如图10)，能够保证凸模设计的稳定性。设计的左镶块和右镶块与凸模间隙配合，并与上筒体内表面4个均布的凸台间隙配合，防止左镶块和右镶块的转动，同时保证左镶块和右镶块的轴向运动。设计主动模可以是上模，也可以是下模，并将模具安装在液压设备中。

(4)坯料加热到1000±10℃，凹模型腔和凸模工作带涂覆石墨润滑剂，模具预热温度为300℃，将坯料置于凹模型腔内，凹模内表面设计有0.1°的内锥角，凸模工作带长度为5mm，在上模主动模作用下凸模沿轴向运动15mm，使坯料发生塑性变形，然后左/右电机驱动分别带动左/右齿轮圈旋转，左/右齿轮圈通过齿轮啮合带动凸模套旋转，凸模套通过均匀分布的键块带动凸模旋转运动，键块与凸模套和凸模之间采用过盈配合，使得凸模沿轴向相对运动的同时，沿挤压中心轴旋转运动，当左右镶块与限高块接触后，左右镶块在凸模中同时相对滑动，使坯料发生连续旋转挤压细晶变形，得到所设计的锻件。与常规反挤压相比，该工艺明显提高锻件综合性能。

实施例2

(1)产品材料为7A04，产品内孔长径比为8.3，设计锻件的内孔直径Φ35mm、内孔深280mm。

(2)设计同样的工艺方案进行仿真分析，结果如图11，转模反挤压与常规反挤压相比，轴向载荷大幅降低；按照凸模端面为凸台的结构，计算转模反挤压最大载荷200000N，校算的凸模单位应力为208MPa，凸模实际承受的最大扭矩为1200000N·mm(如图12)，凸模材料选取H13钢能够保证凸模设计的稳定性。

(3)将坯料加热到410±5℃，凹模型腔和凸模工作带涂覆石墨润滑剂，模具预热温度为300℃，将坯料置于凹模型腔内，凹模内表面设计有0.1°的内锥角，通过转模反挤压成形，得到的7A04锻件晶粒细小，分布较均匀。

实施例3

(1)产品材料为铜锌合金，产品内孔长径比为5.6，设计的锻件内孔直径Φ35mm、内孔深186mm。

(2)设计同样的工艺方案进行仿真分析，结果如图13，转模反挤压与常规反挤压相比，轴向载荷大幅降低；按照凸模端面为凸台的结构，计算转模反挤压最大载荷400000N，校算的凸模单位应力为416MPa，凸模实际承受的最大扭矩为2700000N·mm(如图14)，凸模材料选取H13钢能够保证凸模设计的稳定性。

(3)将坯料加热到420±10℃，凹模型腔和凸模工作带涂覆石墨润滑剂，模具预热温度为300℃，将坯料置于凹模型腔内，凹模内表面设计有0.1°的内锥角，通过转模反挤压成形，得到所设计的锻件。与常规反挤压相比，该工艺明显细化晶粒。

本发明提出的一种细长构件转模反挤压细晶成形方法与模具，一是设计旋转凸模反挤压工艺和模具，与常规反挤压工艺相比，大幅降低凸模承载的载荷和单位应力，二是设计凸模端面的凸起条状结构，细化坯料晶粒；三是设计滑动镶块在凸模中间区域轴向运动，增强凸模的稳定性，有利于提高凸模长径比，适用于铜合金、铝合金、镁合金、合金钢等多种材料的细长构件成形制造，缩短工艺流程，提高细长构件制造性能。