一种铝镁合金杯形件旋转挤压成形模具的制作方法

本发明属于金属塑性加工工艺及成形技术领域，具体涉及一种铝镁合金杯形件旋转挤压成形模具。

背景技术：

随着航空航天、国防军工以及汽车工业等领域的快速发展，其结构件都面临突破现有性能低下以及轻量化要求的难题。杯形件作为这些领域最具代表性的结构形式之一，也面临轻量化高性能的瓶颈。镁合金作为目前质量最轻且具有很大潜力的金属，得到了越来越多的研究人员的关注，但是由于铸态铝/镁合金(尤其是镁合金)性能低下，这大大限制了铝/镁合金的广泛应用。杯形件是传统反向挤压技术的典型制件，但是由于传统反挤压变形量小，其性能不能满足目前工业领域的要求；虽然通过前期多道次制坯后再进行反挤压工艺能够有效杯形件的晶粒尺寸，达到理想的细晶强化效果，但是其工序复杂，生产效率较低；并且通过传统挤压工艺成形杯形件的过程中，金属的流动不均匀、杯壁具有强烈的基面织构，导致构件的各向异性明显，其周向和轴向的抗拉强度相差较大。因此，研究开发具有高性能、无各向异性的铝/镁合金杯形件具有切实重要的意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种铝镁合金杯形件旋转挤压成形模具，将多种变形方式结合，能够有效增加应变量，改善构件综合力学性能；并且能够在只更换模具芯模的条件下加工不同尺寸杯形构件，有效节约了加工成本。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种铝镁合金杯形件旋转挤压成形模具，包括与压力机工作台连接的上模具组件、凸模、与转动机构连接的凹模以及芯模；所述芯模为变截面圆柱体，所述凹模开设有成形型腔，所述凸模固定在上模具组件上，并同轴设置在成形型腔上方，所述芯模固定在所述成形型腔内；成形型腔包括位于所述芯模上方的挤入段型腔、所述芯模与成形型腔之间的挤出段型腔、以及倾斜连接于挤入段型腔和挤出段型腔之间的变形段型腔，变形段型腔与挤入段型腔连接处的倾斜角为第一差速角，变形段型腔与挤出段型腔连接处的倾斜角为第二差速角，所述变形段型腔横截面积小于挤入段型腔横截面积，所述挤出段型腔横截面积小于变形段横截面积。

作为本发明的进一步改进，所述凹模的下方设置下模板，所述芯模通过芯模销钉和芯模螺钉固定在下模板上。

作为本发明的进一步改进，所述凹模为分体凹模，所述分体凹模包括上凹模和下凹模，下模板对应安装孔的位置设有沉头孔，所述上凹模下端形成环形凸缘，环形凸缘上均布四个安装孔，安装孔和沉头孔通过连接件连接，从而上凹模与下凹模合并在一起并固定在下模板上。

作为本发明的进一步改进，所述上模具组件包括与压力机工作台连接的上模板以及与上模板相连接的上模座套，所述上模座套内固定凸模。

本发明的挤压原理是：本发明的坯料金属在变形过程中，经历了两次类似于等径角挤压的剪切变形、两次缩径挤压变形以及扭转变形。第一次剪切变形与缩径挤压变形：变形段型腔横截面积小于挤入段型腔横截面积，挤压过程中金属发生了缩径变挤压形；挤入段型腔与变形段型腔连接处第一差速角的存在造成了金属由挤入段型腔流向变形段型腔时，各个部分金属流动速度不同，造成了横截面方向形成应力梯度，发生了剪切变形。第二次剪切变形与缩径挤压变形：挤出段型腔横截面积小于变形段型腔横截面积，挤压过程中金属发生了缩径挤压变形；变形段型腔与挤出段型腔连接处第二差速角的存在造成了金属由变形段型腔流向挤出段型腔时，发生了剪切变形。扭转变形：在整个变形过程中，凸模轴向向下挤压的同时凹模进行周向旋转，使得金属发生周向扭转变形。

采用上述方案后，本发明与传统反挤压技术相比，有以下有益效果：

(1)增大变形量，增强了变形坯料晶粒细化效果，提高了杯形构件的综合力学性能。传统反挤压技术应变量较小，晶粒细化程度效果较差；而本发明中坯料在变形过程中经历了两次剪切变形、两次缩径挤压变形以及扭转变形，有效提高了坯料应变量，增强了晶粒细化效果，提高了杯形构件的综合力学性能。

(2)变形更加均匀，改善杯形构件的力学性能的各向异性。传统反挤压技术变形过程中杯形构件杯壁会形成强烈的基面织构，导致杯形构件力学性能的各向异性，在二次加工中容易导致构件产生缺陷甚至破裂；本发明将扭转变形、剪切变形以及缩径挤压变形有效的结合起来，使得坯料在变形过程中经历了两次剪切变形以及扭转变形，有效改善了杯形构件杯壁的力学性能的各向异性，提高了杯形构件的综合力学性能。

(3)变形坯料金属应力状态以及应变量可变。本发明可以在不更改模具的情况下通过改变凹模旋转周数来改变金属流动状态从而改变应变量实现对杯形构件性能的不同要求；并且本发明可以在只更换芯模的情况下，其他变形过程以及操作流程不变，加工不同尺寸的轻质高性能杯形构件。

采用上述方案后，本发明与现有优异杯形构件成形技术相比，有以下有益效果：

(1)变形更均匀。本发明中变形过程中将两次剪切变形、两次缩径挤压变形以及扭转变形相结合，增强了晶粒的细化程度，同时进一步改善了传统挤压技术所导致的力学性能的各向异性。

(2)降低了加工成本。现有杯形构件成形技术，模具型腔复杂，且只能加工同一规格杯形构件；本发明通过更换不同尺寸芯模，其他变形过程以及操作流程不变，可以制备不同规格的杯形构件，有效降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明一实施例模具的结构示意图；

图2为本发明一实施例凸模的正视示意图；

图3为本发明一实施例凸模的仰视示意图；

图4为本发明一实施例芯模的正视示意图；

图5为本发明一实施例芯模的仰视示意图；

图6为本发明一实施例成形型腔示意图；

图7为本发明一实施例挤压前的结构示意图；

图8为本发明一实施例挤压时的结构示意图；

图9为本发明一实施例挤压完成的结构示意图；

图10为本发明一实施例挤压成形的杯形构件示意图；

图11为传统反挤压工艺deform-3d模拟图；

图12为本发明一实施例杯形构件杯壁厚10mm，凹模旋转速度为0.209rad/sdeform-3d模拟图；

图13为本发明一实施例杯形构件杯壁厚10mm，凹模旋转速度为0.418rad/sdeform-3d模拟图；

图14为本发明一实施例杯形构件杯壁厚10mm，凹模旋转速度为0.627rad/sdeform-3d模拟图；

图15为本发明一实施例杯形构件杯壁厚5mm，凹模旋转速度为0.209rad/sdeform-3d模拟图。

标号说明：

1-上模板，2-上销钉，3-上模座套，4-凸模，5-上凹模，6-挤入段型腔，7-第一差速角，8-第二差速角，9-螺栓，10-螺母，11-垫圈，12-下凹模，13-下销钉，14-下模板，15-下螺钉，16-芯模，17-挤出段型腔，18-变形段型腔，19-上螺钉，20-坯料，21-芯模销钉，22-芯模螺钉。

具体实施方式

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明提供一种铝镁合金杯形件旋转挤压成形模具，请参阅图1，包括与压力机工作台(图中未示出)连接的上模具组件、凸模4、下模板14、与转动机构(图中未示出)连接的凹模以及芯模16；所述上模具组件包括与压力机工作台连接的上模板1以及与上模板1通过上销钉2和上螺钉19固定的上模座套3，所述上模座套3内固定凸模4，所述凹模为分体凹模，所述分体凹模包括上凹模5和下凹模12，方便拆装以及取料。

所述分体凹模开设有成形型腔，所述凸模4同轴设置在成形型腔上方，所述芯模16固定在所述成形型腔内；所述成形型腔包括挤入段型腔6、变形段型腔18和挤出段型腔17，挤入段型腔6为位于所述芯模16上方的空间，挤出段型腔17为所述芯模16与成形型腔之间的空间、变形段型腔18为连接于挤入段型腔6和挤出段型腔17之间的空间，变形段型腔中心轴倾斜一定角度，变形段型腔18与挤入段型腔6连接处的倾斜角为第一差速角7，变形段型腔18与挤出段型腔17连接处的倾斜角为第二差速角8，此外，结合图6，所述变形段型腔横截面积小于挤入段型腔横截面积，所述挤出段型腔横截面积小于变形段横截面积。

所述下凹模12的下方设置下模板14，所述芯模16通过芯模销钉21和芯模螺钉22固定在下模板上。所述芯模16中心轴与分体凹模中心轴同轴。所述芯模16和下凹模12通过下销钉13和下螺钉15固定连接在下模板14上；所述上凹模5下端形成环形凸缘，环形凸缘上均布四个安装孔，即安装孔之间的设置间隔为90°，所述下模板14对应安装孔的位置设有沉头孔，沉头孔和安装孔之间用连接件(具体为螺栓9)连接，并用螺母10进行固定，垫圈11置于螺栓9与螺母10之间，从而上凹模5与下凹模12合并在一起并固定在下模板14上。分体凹模通过下模板14固定在转动机构上，在压力机工作台带动凸模4轴向向下挤压的同时，转动机构带动分体凹模5,12进行周向旋转。

所述芯模16为变截面圆柱体，可通过更换不同尺寸芯模16制备出不同尺寸杯形构件。如图10所示，该图为本发明挤压完成的杯形构件示意图。该杯形构件内径为d，外径为d1。

下面介绍以制备外径200mm，内径180mm的镁合金杯形构件为具体实施例。

一实施例：

请参阅图7-9，本实施例采用直径为168mm，高为140mm的圆柱形坯料20，成形型腔l＝34mm，l1＝15mm，l2＝10mm(l>l1>l2)，芯模16的直径d为180mm，第一差速角7和第二差速角8为117°，凸模1下压速度为1mm/s，凹模旋转速度为0.21rad/s，润滑剂选择为油基石墨。

一种铝镁合金杯形件旋转挤压成形方法，包含以下步骤：

步骤一，成形前准备：下料，将棒料加工为直径168mm，高140mm的圆柱形坯料20，将坯料20在t＝300℃均匀化保温12h；将上述一种铝镁合金杯形件旋转挤压成形模具装配好并放入保温炉加热至300℃保温1h；将保温好的模具取出，将凸模组件安装固定在压力机工作台上，将凹模组件安装固定在旋转机构上。

步骤二，成形过程：在凸模1外表面以及凹模成形型腔内表面涂抹上油基石墨之后，在保温炉内取出均匀化完成的坯料20，并且在坯料20外表面均匀快速涂抹上油基石墨后放入挤入段型腔6；开启压力机构以及旋转机构，控制凸模4轴向进给和分体凹模5,12周向旋转，使得金属均匀流动，由于第一差速角7和第二差速角8的存在，使得金属在由挤入段型腔6经过变形段型腔18向挤出段型腔17流动时，各个部分金属流动速率不同，在各个型腔连接处形成应力梯度，产生了两次剪切变形；同时金属由挤入段型腔6流向变形段型腔18时，由于型腔横截面积由l缩减为l1，使得金属发生了缩径挤压变形；金属由变形段型腔18流向挤出段型腔17时，由于型腔横截面积由l1缩减为l2，使得金属发生了第二次缩径挤压变形，直至充满成形型腔。综上所述，金属在变形过程中，由挤入段型腔6流向挤出段型腔17时，经历了两次剪切变形和两次缩径挤压变形。

步骤三，成形完成：金属充满型腔后，取下螺母10，卸下上凹模5，取出下销钉13和下螺钉15，卸下下凹模12，取出成形的杯形构件。

在整个变形过程中，下凹模组件与芯模16由转动机构带动发生周向旋转，使金属在变形过程中还产生了周向扭转变形。

采用上述方案后，本发明与传统反挤压技术相比，有以下有益效果：

(1)增大变形量，增强了变形坯料晶粒细化效果，提高了杯形构件的综合力学性能。传统反挤压技术应变量较小，晶粒细化程度效果较差；而本发明中坯料在变形过程中经历了两次剪切变形、两次缩径挤压变形以及扭转变形，有效提高了坯料应变量，增强了晶粒细化效果，提高了杯形构件的综合力学性能。

(2)变形更加均匀，改善杯形构件的力学性能的各向异性。传统反挤压技术变形过程中杯形构件杯壁会形成强烈的基面织构，导致杯形构件力学性能的各向异性，在二次加工中容易导致构件产生缺陷甚至破裂；本发明将扭转变形、剪切变形以及缩径挤压变形有效的结合起来，使得坯料在变形过程中经历了两次剪切变形以及扭转变形，有效改善了杯形构件杯壁的力学性能的各向异性，提高了杯形构件的综合力学性能。

(3)变形坯料金属应力状态以及应变量可变。本发明可以在不更改模具的情况下通过改变凹模旋转周数来改变金属流动状态从而改变应变量实现对杯形构件性能的不同要求；并且本发明可以在只更换芯模的情况下，其他变形过程以及操作流程不变，加工不同尺寸的轻质高性能杯形构件。

采用上述方案后，本发明与现有优异杯形构件成形技术相比，有以下有益效果：

(1)变形更均匀。本发明中变形过程中将两次剪切变形、两次缩径挤压变形以及扭转变形相结合，增强了晶粒的细化程度，同时进一步改善了传统挤压技术所导致的力学性能的各向异性。

(2)降低了加工成本。现有杯形构件成形技术，模具型腔复杂，且只能加工同一规格杯形构件；本发明通过更换不同尺寸芯模，其他变形过程以及操作流程不变，可以制备不同规格的杯形构件，有效降低了生产成本。

将上述具体尺寸带入deform-3d有限元模拟软件进行传统反挤压工艺以及本发明杯形构件旋转挤压模拟分析，进一步验证了本发明能够获得更大的塑性变形量。模拟参数设置方面，模具材料导入的是45钢模型，坯料材料导入的是az80。模具和坯料温度均为300℃，网格划分为50000，凸模下压速度为1mm/s，摩擦系数为0.3，旋转挤压速度为0.209439rad/s、0.418878rad/s和0.628317rad/s。采用相同尺寸坯料，传统反挤压工艺制备高200mm、内径180mm和外径200mm杯形构件；本发明模具制备高200mm、内径180mm和外径200mm，以及高200mm、内径90mm和外径200mm杯形构件。如图11所示，该图为传统反挤压工艺deform-3d模拟图，从图中可以看出平均等效应变为1.45。如图12-14所示，以上为本发明杯形构件杯壁厚10mm，凹模旋转速度分别为0.209rad/s、0.418rad/s和0.627rad/sdeform-3d模拟图，从图中可以看出当旋转速度为0.209rad/s时，平均等效应变为3.79，最大折叠角为328°，平均折叠角为115°，平均损伤值为0.098；当旋转速度为0.418rad/s时，平均等效应变为3.78，最大折叠角为284°，平均折叠角为116°，平均损伤值为0.0931；当旋转速度为0.627rad/s时，平均等效应变为3.34，最大折叠角为265°，平均折叠角为113°，平均损伤值为0.0805。通过采用传统反挤压工艺和本发明工艺在相同加工条件下对相同尺寸坯料进行模拟发现，本发明平均等效应变远大于传统反挤压工艺，进一步验证了本发明的技术优势。此外从图12-14对比发现，随着旋转速度的增加，平均等效应变逐渐减小，但是最大折叠角以及平均损伤值均大幅下降，表明增加旋转速度有助于提高坯料成形性能，避免开裂和折叠缺陷。图15为通过本发明模具制备外径200mm、内径190mm杯形构件，旋转速度为0.209rad/s的deform-3d模拟图，验证了通过更换芯模尺寸即可制备不同规格杯形构件，并且缩径挤压变形量的增大，导致平均等效应变达到了6.40。综上所述，以上实验数据表明，本发明的优势：应变量大；变形均匀；变形状态可控；仅通过更换芯模即可制备不同规格杯形构件，缩减了加工成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。