本发明属于材料挤压技术领域，具体涉及一种管材螺旋挤压成形模具及其使用方法。
背景技术：
管材是工业生产中广泛使用的重要原料。管材的塑性加工技术由于具有低能耗、省材料、高效率等优点，成为管材加工的主要手段。基于传统的管材成形方法，剧烈塑性变形衍生出一系列的新型管材成形方式，例如，tubularchannelangularpressing，tubechannelpressing和high-pressuretubetwisting等(scichinatechsci,2012,55:1-6)，此外，在传统的管材挤压变形的基础上，为提高管材的成形效率，申请公布号为cn104307908a和cn102430609a的申请专利也提出增加其他扭转变形方式实现材料的大塑性变形。
通过大塑性变形实现管材的成形是当今管材塑性加工的一个研究方向，采用复合加载方式可有效地提高管材的成形效率，挤压和扭转相结合是一种很有潜力的管材成形方式，基于上述考虑，参考海螺的螺旋线形态启发，提出新的管材挤压成形方法。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种管材螺旋挤压成形模具及使用，可实现管材的挤压和扭转相结合的复合成形方式，有利于材料的组织的改善和成形的效率的提高。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种管材螺旋挤压成形模具，包括冲头1、凹模3和垫块4；凹模3内设置有成型腔，成型腔内设置有芯模3；所述的成型腔包括导入段5，导入段5的底部通过螺旋段6连接导出段7；所述的垫块4内设置有与导出段6对应的导出腔8；所述的芯模3穿过导入段5、螺旋段6、导出段7和导出腔8；所述的冲头1穿过芯模3设置在导入段5内。
进一步的，所述的导入段5的横截面是直径为d的圆形，导入段的长度为l；芯模为一圆柱形的柱体，圆形横截面的直径为d2，芯模的长度为5l/4；冲头1的外径为d，内径为d2；螺旋段6的上横截面为大圆形，大圆形的直径为d，下横截面为小圆形，小圆形的直径为d1，d1<d，螺旋段的长度为l/4，螺旋段的螺旋线的水平投影为部分的斐波那契螺旋线，在水平投影上，大圆形和小圆形分别与斐波那契螺旋线相切；导出段7的横截面是直径为d1的圆形，导出段的长度为l/4；垫块4内的导出腔8直径为5d/4。
本发明采用上述管材螺旋挤压成形模具的成形方法的步骤为：
步骤一，准备：清洁凹模的成形型腔，所述的成型腔包括导入段，导入段的底部通过螺旋段连接导出段；在第一预成形管材内外表面、冲头、芯模和凹模的成形型腔上涂抹挤压润滑剂，所述的垫块内设置有与导出段对应的导出腔；所述的芯模3穿过导入段5、螺旋段6、导出段7和导出腔8；所述的冲头1穿过芯模3设置导入段5内
步骤二，装配：将凹模放置在垫块上，所述的垫块内设置有与导出段对应的导出腔，使凹模的中心轴和垫块的中心轴同轴，将第一预成形管材放置于凹模的成形型腔的导入段中，第一预成形管材的下端面与螺旋段的上端面相接触，第一预成形管材的上端面为挤压端面，将芯模插入第一预成形管材内，将芯模放入凹模的成形型腔的导入段中，冲头的一端连接到挤压装置的装夹固定端，另一端为挤压工作端，穿过芯模设置在导入段内，与第一预成形管材的挤压端面相接触；
步骤三，挤压成形：开启挤压装置，冲头以1～10mm/s的挤压速度挤压第一预成形管材，当冲头的挤压工作端面与的凹模的成形型腔的导入段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行；
步骤四，挤出成形：再开启挤压装置，冲头以10～20mm/s的速度提升，当冲头完全从管材螺旋挤压成形模具的凹模的成形型腔出来时，将第二预变形管材放置于凹模的成形型腔的导入段中，开启挤压装置，冲头以1～10mm/s的挤压速度挤压第二预变形管材，当冲头的挤压端面与管材螺旋挤压成形模具的凹模的成形型腔的导入段的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头的挤压运行，第二预变形管材会将第一预变形管材挤出凹模的成形型腔，第一预变形管材依次经过管材螺旋挤压成形模具的凹模的导入段、旋挤段、导出段的变形，完成第一预成形管材的螺旋挤压变形；
步骤五，成形收尾：开启挤压装置，冲头以10～20mm/s的速度提升，冲头完全从管材螺旋挤压成形模具的凹模的成形型腔出来，得到的预成形管材的外径为d，内径为d2，长度为l/2～4l/5。
进一步的，所述的导入段5的横截面是直径为d的圆形，导入段的长度为l；芯模为一圆柱形的柱体，圆形横截面的直径为d2，芯模的长度为5l/4；冲头1的外径为d，内径为d2；螺旋段6的上横截面为大圆形，大圆形的直径为d，下横截面为小圆形，小圆形的直径为d1，d1<d，螺旋段的长度为l/4，螺旋段的螺旋线的水平投影为部分的斐波那契螺旋线，在水平投影上，大圆形和小圆形分别与斐波那契螺旋线相切；导出段7的横截面是直径为d1的圆形，导出段的长度为l/4；垫块4内的导出腔8内径为5d/4。
本发明的有益效果：
本发明采用的管材螺旋挤压的技术方案，可实现管材的挤压与扭转剪切相结合的复合成形方式。管材受到冲头、凹模的成形型腔和芯模的限制，处于强烈的三向压应力状态，在剪切应力的作用下，材料能够获得比传统单纯挤压成形更大的变形程度，有利于材料组织的改善和材料性能的提高。
本发明提供的一种用于管材螺旋挤压成形模具及其成形方法，具有变形效果好，速度快，效率高的优点，该发明具有成形方法简单，操作简便等优点，有利于提高管材的生产效率。
附图说明
图1是管材螺旋挤压成形模具的结构示意图；
图2是管材螺旋挤压成形模具的凹模的成形型腔结构示意图；
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
参照图1、图2所示，一种管材螺旋挤压成形模具，包括冲头1、凹模3和垫块4；凹模3内设置有成型腔，成型腔内设置有芯模3；所述的成型腔包括导入段5，导入段5的底部通过螺旋段6连接导出段7；所述的垫块4内设置有与导出段6对应的导出腔8；所述的冲头1穿过芯模3设置导入段5内。
所述的冲头1圆形横截面的外径为20mm，内径15mm，冲头1的长度为100mm；导入段5的横截面是直径为20mm的圆形，导入段5的长度为80mm；螺旋段6的上端面为大圆形，大圆形的直径为20mm，侠端面为小圆形，小圆形的直径为18mm，螺旋段6的长度为20mm，螺旋段6的螺旋线的水平投影为部分的斐波那契螺旋线，在水平投影上，大圆形和小圆形分别与斐波那契螺旋线相切；导出段7的横截面是直径为18mm的圆形，导出段7的长度为20mm；芯模3为一圆柱形的柱体，圆形横截面的直径为15mm，芯模3的长度为100mm；垫块4为一环形的柱体，内径为22.5mm。
本发明采用上述管材螺旋挤压成形模具的成形方法的步骤为：
步骤一，准备：清洁管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔，所述的成型腔包括导入段，导入段的底部通过螺旋段连接导出段；，在第一预成形管材内外表面、冲头1、芯模3和管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔上涂抹挤压润滑剂；
步骤二，装配：将管材螺旋挤压成形模具的凹模2放置在垫块4上，使凹模2的中心轴和垫块4的中心轴同轴，将第一预成形管材放置于管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔的导入段5中，第一预成形管材的下端面与螺旋段6的上端面相接触，第一预成形管材的上端面为挤压端面，将芯模3插入第一预成形管材内，将芯模3放入管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔的导入段5中，冲头1的一端连接到挤压装置的装夹固定端，另一端为挤压工作端，与第一预成形管材的挤压端面相接触；
步骤三，挤压成形：开启挤压装置，冲头1以8mm/s的挤压速度挤压第一预成形管材，当冲头1的挤压工作端面与管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔的导入段5的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头1的挤压运行；
步骤四，挤出成形：再开启挤压装置，冲头1以15mm/s的速度提升，当冲头1完全从管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔出来时，将第二预变形管材放置于管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔的导入段5中，开启挤压装置，冲头1以8mm/s的挤压速度挤压第二预变形管材，当冲头1的挤压端面与管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔的导入段5的下端面重合时，关闭挤压装置，停止冲头1的挤压运行，第二预变形管材会将第一预变形管材挤出管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔，第一预变形管材依次经过管材螺旋挤压成形模具的凹模2的导入段5、旋挤段、导出段7的变形，完成第一预成形管材的螺旋挤压变形；
步骤五，成形收尾：开启挤压装置，冲头1以15mm/s的速度提升，冲头1完全从管材螺旋挤压成形模具的凹模2的成形型腔出来。