本发明涉及一种金属材料处理的模具，尤其是一种制备高性能镁合金管材的模具。
背景技术：
在工业生产中，管材在生产加工过程中，主要通过成型模具挤压成型管材；传统轻合金塑性变形工艺包含铸锭制备、铸锭处理、坯料加热、热塑性变形等多个阶段。
就制造超细晶合金（轻合金）管材而言，特别是薄壁和高精度的轻合金管材，目前，主要采用挤压的方式成型，但传统的挤压生产过程中，一般为正挤压，正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，严重降低了镁合金的力学性能，并造成力学性能的各向异性，这些织构不利于薄管的二次加工（如内高压成形、折角、煨弯等）；容易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。并且，传统挤压后的轻合金管材横向截面组织为等轴晶粒，挤压后的纵向截面组织变成细长晶粒，而且特别明显。同时，由于对薄壁管材的强韧性、二次成形性能与尺寸精度要求严格，必须采用控形控性一体化的塑性成形方法，实现充填完整、变形均匀以及成形过程微观组织结构演变的协调控制，这也是当前塑性成形领域研究的热点问题。
当前镁产业急需发展成批的高性能镁合金新材料、先进低成本低能耗的原镁生产技术、大尺寸超薄和复杂零部件生产的成套技术，尤其是缺乏能同时完成挤压、连续剪切-弯曲、管材成形、整形的一套模具，不能满足市场和用户的需要。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种中空镁合金型材的成型模具，提供一种同时完成挤压-剪切-弯曲-整形复合变形的镁合金管材制备模具。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：制备高性能镁合金管材的模具，其特征在于：主要包括冲头、挤压筒、凹模、底座、芯轴和支撑板；冲头是活动式设置，冲头正对挤压筒的料筒，向下移动后进入料筒，对料筒内的镁合金料进行挤压；挤压筒上设置有加热装置进行加热；凹模与挤压筒配合设置，凹模的内孔与料筒正对；挤压筒、凹模设置在带有内孔的底座上，芯轴下端设置在支撑板上，上端伸入凹模的内孔，与凹模的内孔配合，芯轴的外侧面与凹模内孔的内壁面之间，形成挤压型腔。
进一步的特征是：所述凹模设置在挤压筒下部的腔体内，被挤压筒包覆在内。
挤压筒上设置有若干个加热孔，在加热孔内插入发热的加热棒，对挤压筒以及镁合金料进行加热。
芯轴的中心线与凹模内孔的中心线重合，形成等间距的挤压型腔。
在凹模上设置有加热孔，插入发热的加热棒进行加热。
凹模上的加热孔，与挤压筒上的部分加热孔位置对应，加热棒从挤压筒上的加热孔伸入凹模上的加热孔内。
凹模的内孔的截面，从上至下首先为一段内径缩小的缩径区d1，形成锥形结构；缩径区d1下面是一段定径区d2，d2区的内径不变；对应缩径区d1和定径区d2，芯轴5的直径不变，芯轴5与缩径区d1之间形成宽度逐渐缩小的锥形腔，芯轴5与定径区d2之间形成宽度不变的圆环腔；在d2区下面，是一段内径逐渐扩大的扩径剪切区d3，在扩径剪切区d3下面是一段内径逐渐缩小的缩径剪切区d4，扩径剪切区d3与缩径剪切区d4之间平滑过渡连接；对应扩径剪切区d3，芯轴5直径对应逐渐增大；对应缩径剪切区d4，芯轴5直径对应逐渐减小，形成的环状腔体宽度不变；在缩径剪切区d4下面，是一段内径不变的竖向整形区d5，芯轴5对应竖向整形区d5，其直径不变，形成宽度不变的圆环腔。
将凹模的内孔的平滑连接的扩径剪切区d3和缩径剪切区d4视为一组，在一组扩径剪切区d3和缩径剪切区d4的下面，增加一组或两组或三组以上的扩径剪切区d3和缩径剪切区d4；芯轴对应扩径剪切区d3，直径对应逐渐增大；对应缩径剪切区d4，直径对应逐渐减小，形成的环状腔体宽度不变；凹模与芯轴之间，形成两道、三道或四道及以上的弧形平滑转弯的挤压型腔。
相对于现有的镁合金处理模具，本发明的制备高性能镁合金管材的模具，具有如下有益效果：
1、在同一模具上同时完成了挤压、连续剪切-弯曲、管材成形、整形4道工序，相比管材热挤压工艺工序更少，并且减少了废料，节约了能源；并且，挤压和连续剪切变形可引入大应变率，促进超细晶镁合金动态再结晶的发生，更能发挥超细晶镁合金材料的塑性变形能力，避免在大应变条件下产生裂纹，减少或消除组织内部的孔洞缺陷；通过管材连续成形温度和速度、模具结构调控可控制管材的变形程度及均匀性，从而控制晶粒细化的程度及基面织构的强度和管材精度，能够批量生产超细晶镁合金薄壁(1-5mm)管材；使细化晶粒和成形的效率高，并具有高效、节能的特性。
2、该模具结构简单，生产成本低，配合立式挤压机使用；通过本申请的模具挤压成型管材，可连续稳定进行生产，简化生产工艺，缩短生产周期，制备和生产超细晶镁合金材料时间短、成形速度快，使生产效率大大提高，便于自动控制实现自动化；并且在提高超细晶镁合金力学性能和成型能力方面具有较大的潜力，可以实现连续的、大尺寸的超细晶镁合金管材的生产，适合制备塑性较差的镁合金管材，适用范围广。
3、本装置生产的超细晶镁合金管材强塑性好；通过工艺和模具结构参数优化，能够消除超细晶镁合金中显微孔洞等缺陷、提高材料的致密性、破碎枝晶，形成细小的等轴晶，并促使基面织构弱化，从而保证管材的成形精度和力学性能，并可以通过调整剪切次数和剪切强度来调控微观组织织构，从而提高管材的可靠性和可控性，可应用于镁铝钛等超细晶镁合金管材的加工成形。
4、与其它大应变晶粒细化的方法相比，本方法具有较大的实用性，可以直接安装在大型挤压机上进行挤压。
5、与普通的挤压相比，本方法增加了剪切阶段、弯曲阶段以及整形阶段，可以提高金属流动的均匀性，最大限度地提高材料表面的光洁度。
6、制备和生产镁合金材料时间短、成形速度快，可以连续生产，生产率高。适用范围广，操作简单。
7、本装置生产的镁合金材料强塑性好，提供的制备工艺简单，显著降低产品成本的同时具有环境友好特征，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明中模具结构主视图；
图2为图1沿a—a向剖视图；
图3为图2的局部放大图；
图4是第二种实施例结构剖视图；
图5是图4的局部放大图；
图6为实施例经过缩径段的纵向组织；
图7为实施例经过一次剪切后的纵向组织；
图8为实施例经过一次剪切和一次弯曲的纵向组织；
图9为实施例中整形段管材的纵向组织。
图中：1—冲头、2—挤压筒、3—凹模、4—底座、5—芯轴、6—支撑板、7—料筒、8—加热孔、9—观察孔、10—镁合金料。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明。
如图1、2、3所示，本发明提供了一种制备高性能镁合金管材的模具，主要包括冲头1、挤压筒2、凹模3、底座4、芯轴5和支撑板6等，冲头1是活动式设置，在挤压装置（挤压机）带动下上下移动，冲头1正对挤压筒2的料筒7，向下移动后进入料筒7，对料筒7内的镁合金料10进行挤压；挤压筒2上设置有加热装置进行加热，具体可以是设置有若干个加热孔8，在加热孔8内插入发热的加热棒，对挤压筒以及镁合金料10进行加热，达到工艺要求的温度以及加热均匀度；凹模3与挤压筒2配合设置，凹模3的内孔与料筒7正对，形成挤压时镁合金料的移动通道；凹模3具体设置在挤压筒2下部的腔体内，被挤压筒2包覆在内。挤压筒2、凹模3设置在带有内孔的底座4上，芯轴5下端设置在支撑板6上，上端伸入凹模3的内孔，与凹模3的内孔配合，在芯轴5的外侧面与凹模3内孔的内壁面之间，形成挤压型腔，具体安装时，芯轴5的中心线与凹模3内孔的中心线重合，芯轴5的外侧面与凹模3内孔的内壁面之间的间隙均匀，形成等间距、均匀的挤压型腔。根据需要，在支撑板6上还设置有观察孔9，便于操作者观看内部挤压操作的情况。冲头1可以有两种结构，一种是实心的，挤压设置在料筒7的镁合金料；一种是空心的，其内孔与芯轴5的外表面配合，芯轴5伸入冲头1的内孔中；镁合金料套在芯轴5上，加热以及被挤压。
为了温度均匀以及提高加热效率，凹模3上也设置有加热孔，也需要插入发热的加热棒进行加热；具体结构是，凹模3上的加热孔，与挤压筒2上的全部或部分加热孔8位置对应，加热棒可以从挤压筒2上的加热孔8伸入凹模3上的加热孔内，同时加热。
凹模3是活动设置，根据不同的挤压工艺，更换凹模3和芯轴5，形成多种截面的挤压型腔，满足不同的挤压工艺的需要。
如图3所示，本发明提供一种具体的凹模3和芯轴5，形成的一种具体的挤压型腔：凹模3的内孔的截面，从上至下为一段内径逐渐缩小的缩径区d1，形成锥形结构；缩径区d1下面是一段定径区d2，d2区的内径不变；对应缩径区d1和定径区d2，芯轴5的直径不变，芯轴5与缩径区d1之间形成宽度逐渐缩小的锥形腔，芯轴5与定径区d2之间形成宽度不变的圆环腔；在d2区下面，是一段内径逐渐扩大的扩径剪切区d3，在扩径剪切区d3下面是一段内径逐渐缩小的缩径剪切区d4，扩径剪切区d3与缩径剪切区d4之间平滑过渡连接，形成一个“c”字形平滑连接结构；芯轴5对应扩径剪切区d3，其直径对应逐渐增大，芯轴5对应缩径剪切区d4，其直径对应逐渐减小，芯轴5对应扩径剪切区d3与缩径剪切区d4的外侧面，形成一个“c”字形平滑连接结构；芯轴5与扩径剪切区d3与缩径剪切区d4之间，形成的环状腔体宽度基本恒定不变，芯轴5与扩径剪切区d3之间，对管材形成一次剪切处理，芯轴5与缩径剪切区d4之间，对管材形成第二次剪切以及弯曲处理；在缩径剪切区d4下面，是一段内径不变的竖向整形区d5，芯轴5对应竖向整形区d5，其直径不变，形成宽度不变的圆环腔；该区域对前述处理后的管材进行整形处理。本发明在同一模具上同时完成了挤压、连续剪切-弯曲、管材成形、整形4道工序，镁合金坯料成形过程中依次经过缩径段、定径段、剪切段、弯曲段以及整形段，利用三向不等值压缩应力状态下挤压变形的高挤压比细化晶粒，利用等间距通道转角的剪切产生的大塑性变形导致镁合金材料内部的大应变，从而再次细化晶粒提高组织的均匀性，利用挤压变形和弯曲变形调整镁合金的流动速度促使均匀、提高变形材料的表面质量。
本发明芯轴5的外侧面与凹模3内孔的内壁面之间形成的挤压型腔，从上至下的宽度，最佳是保持相等，形成等间距、等宽挤压通道。
如图4、5所示，本发明的挤压型腔，其另一种具体实施例结构，凹模3的内孔的截面，其缩径区d1，定径区d2、扩径剪切区d3、缩径剪切区d4，与前面实施例的结构基本相同，芯轴5的外侧面形状也基本相同；本实施例的改进，是在凹模3的一组扩径剪切区d3和缩径剪切区d4的下面（即将平滑连接的扩径剪切区d3和缩径剪切区d4视为一组），增加一组或两组或三组以上的扩径剪切区d3和缩径剪切区d4；芯轴5对应凹模3的扩径剪切区d3，直径对应逐渐增大；对应缩径剪切区d4，直径对应逐渐减小，形成的环状腔体宽度不变；凹模3与芯轴5之间，形成两道、三道或四道及以上的弧形平滑转弯的挤压型腔，镁合金经多道次的连续剪切-弯曲处理，进一步改善其晶粒结构，提高其机械性能。
镁合金料10在挤压筒2的料筒7内被加热，达到要求的温度后，开启挤压机带动冲头1向下进入料筒7，挤压镁合金料10，镁合金料10依次经过缩径段、定径段、剪切段、弯曲段以及整形段，最终成型得到管材。
选择合适的挤压比（本实施例的挤压比为9.33），az31镁合金铸坯的尺寸外径为ф39.8mm，内径为20.4фmm，挤压的温度为380℃，挤压速度为23mm/s，挤压筒及模具加热到380℃，采用石墨润滑剂。对挤压后镁合金进行微观组织观察发现，坯料从缩径段到挤出成形，各个阶段组织存在明显差异，如图6-9所示，变化趋势明显。管材组织主要为分布均匀圆整的等轴晶粒，如图所示；等通道转角的剪切产生的大塑性变形导致镁合金材料内部的大应变，从而再次细化晶粒提高组织的均匀性，提高相关性能。
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。