本发明属于金属塑性加工技术领域，涉及一种扭-挤复合强塑变成形方法及工艺装置，具体是指一种加工高性能板/筒类构件的扭-挤复合强塑变成形方法及工艺装置。
背景技术：
随着大飞机、大火箭等先进飞行器的不断研发，迫切需要发展实现复杂高性能构件的先进成形方法以满足整体减重和高可靠性的迫切要求。如航天器典型筒件环境工况苛刻且对承受载荷有一定要求，是影响新型号重量和运行可靠性的重要结构之一，迫切需要采用高强轻质合金以满足航天器高性能及减重的需求。然而，关于金属挤压成形工艺在成形高性能板/筒类构件方面仍存在局限性。采用传统成形工艺成形的板/筒类构件，尽管可以成形板/筒类构件，但得到的构件性能相对较低，难以满足航空航天构件的高性能要求。因此，探索金属成形新方法得到高性能板/筒类构件是需要迫切解决的问题。
细晶强化是提高材料强韧化效果的主要方法。国内外发展了多种强塑变技术(如转角挤压、非对称轧制等)以获得微米乃至纳米级别的超细晶组织。强塑变技术多用于制备具备细晶组织的坯料，在后续热成形(挤压、锻造等)时的细小晶粒会长大，导致强塑变工艺制备细晶组织的作用减弱甚至消失。强塑变扭转可获取细晶组织，而挤压满足成形要求，前者可保障细晶强化性能而后者保障形状尺寸精度。因而本发明综合考虑两个工艺的优势，提出“扭转-挤压复合成形”新方法实现一个工艺过程“形性”精确控制，有望实现零件的成形同时又保证零件具有高强韧性能，进而满足复杂构件一体化成形及减重的需求，本发明提出的扭-挤复合强塑变成形方法对于实现高性能零件塑性加工具有重要意义。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是针对传统成形工艺难以成形高性能板/筒类构件的问题，提供一种加工高性能板/筒类构件的扭-挤复合强塑变成形方法及工艺装置。本发明基于“高压扭转强塑变”原理，结合高压扭转强塑变细晶与挤压成形的优势，提出了“扭-挤复合强塑变成形”的新方法。
一种扭-挤复合强塑变成形方法，其特征在于：坯料同时受到高压扭转和挤压的作用，坯料下端的金属剧烈剪切使得晶粒机械破碎，同时塑性功和摩擦功产生的温升使得动态再结晶细化和改善金属塑性；施加大的挤压力将会助使金属发生塑性流动，进而经过工艺装置型腔内的转角变形获得高性能构件，实现了一个工艺过程的成性和成形的精确控制。
进一步地，坯料采用屑状金属片挤压而成。
进一步地，为了避开工艺装置和坯料加热速度差，避免坯料长时间加热而引起晶粒长大，该成形方法可以降低坯料和工艺装置预热温度，分别预热装置和坯料至成形温度t1的0.4～0.6倍。挤压过程是在恒温箱内完成的，使工艺装置和坯料的温度始终保持所需的温度。
进一步地，挤压坯料适用于镁合金、铝合金、钛合金等难变形轻质金属材料。
本发明还提供了一种扭-挤复合强塑变成形工艺装置，包括与压力机上部结构连接的上组件、与工作台连接的下组件、凸模和组合式凹模。上组件包括与压力机的上部结构连接的上模座、垫板和上模座套。凸模上端放入上模座套并通过连接机构和上模座固定连接。组合式凹模包括上凹模和下凹模，下组件包括与工作台连接的旋转头、滚动轴承和下模板，组合式凹模安装在下模板上。旋转头设计有特殊形状以实现晶粒的机械破碎；滚动轴承置于旋转头与下模板之间，且旋转头与下凹模和下模板之间均有一定的间隙，以实现旋转头的快速旋转；下凹模和上凹模共同组成模腔，模腔内可设有转角，具体成形哪种类型复杂特征的构件，主要是取决于组合式凹模的型腔特征。
上述的一种扭-挤复合强塑变成形工艺装置的关键零件(旋转头和组合式凹模零件)均可更换尺寸或者形状并进行替换，可以更换不同尺寸和形状组合式凹模来控制不同的挤压比，获得多种尺寸的挤压成形板/筒类构件并效控制成形过程的塑性变形量。
进一步地，为了增大旋转头与坯料的接触面积，更好的发挥扭转剪切细化晶粒的效果，旋转头上表面设计有螺旋状工作带，且横截面为顶角90°～150°的三角形。
本发明的优点有：
(1)晶粒细化效果明显，坯料同时受到高压扭转和挤压的作用，坯料下端的金属剧烈剪切使得晶粒机械破碎，同时塑性功和摩擦功产生的温升使得动态再结晶细化。
(2)可通过缩减加热工序可避免坯料加热环节引起的晶粒长大。
(3)通过挤压作用可使金属处于高静水压力状态，从而可获得较大的塑性变形量，和旋转剪切作用相结合形成高压旋转环境，为成形高性能构件提供新的途径。
(4)可广泛应用于镁合金、铝合金、钛合金等板/筒类构件的成形制造。
附图说明
图1为实例1的镁合金筒形件扭-挤复合强塑变成形工艺装置示意图；
图2为实例1中的旋转头结构示意图；
图3为实例1中的挤压坯料示意图；
图4为实例1中的筒形件示意图；
图5为实例1的镁合金筒形件扭-挤复合强塑变成形结束时示意图；
图6为实例2的镁合金板件扭-挤复合强塑变成形工艺装置示意图；
图7为实例2中的挤压坯料示意图；
图8为实例2的镁合金板件扭-挤复合强塑变成形结束时示意图；
附图1标记：1-旋转头、2-下模板、3-滚动轴承、4-下凹模、5-上凹模、6-上模座套、7-垫板、8-上模板、9-凸模、10-坯料，
附图5标记：1-旋转头、2-下模板、3-滚动轴承、4-下凹模、5-上凹模、6-上模座套、7-垫板、8-上模板、9-凸模、11-筒形件，
附图6标记：1-旋转头、2-下模板、3-滚动轴承、4-下凹模、5-上凹模、6-上模座套、7-垫板、8-上模板、9-凸模、10-坯料、12-下模座套，
附图8标记：1-旋转头、2-下模板、3-滚动轴承、4-下凹模、5-上凹模、6-上模座套、7-垫板、8-上模板、9-凸模、12-下模座套、13-板形件
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，实施例包含了镁合金筒形件、板件的成形，仅仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，对于铝合金、钛合金板/筒类构件等，本发明也普遍适用。
实例1：以一种镁合金筒形件扭-挤复合强塑变成形方法及工艺装置并结合附图进行详细描述。
如图1所示，所述的一种镁合金筒形件扭-挤复合强塑变成形工艺装置，挤压坯料为圆柱形，如图3所示。成形工艺装置使用步骤为：
第一步：通过螺栓将上模座套6、凸模9和垫板7固定在上模板8上；
第二步：将上模板8固定到液压机的滑块上，将下模板2固定到液压机的工作台上；
第三步：将滚动轴承3安装在下模板2的凹槽中；
第四步：将下凹模4固定在下模板2上；
第五步：将旋转头1安装在滚动轴承3上，且置于下凹模4中心的模孔中；
第六步：将上凹模5与下凹模4固定；
第七步：对坯料10进行预热至125～200℃并保温0.5h(均匀化退火处理)，使其晶粒分布更加均匀。同时加热工艺装置至与坯料10相同的温度。
第八步：在坯料10表面和工艺装置内壁涂抹油基石墨作为润滑剂，将制备好的坯料10放入上凹模5的模腔中，坯料10与旋转头1上表面接触头接触；
第九步：旋转头1按一定的角速度w1转动；
第十步：凸模9向下移动，对坯料10进行挤压，坯料10上端受凸模9向下的挤压作用，使坯料10在凹模通道内流动转角挤压变形，坯料10下端受旋转头1的扭转剪切作用，可获取细晶组织，最终成形镁合金高性能筒形件11，如图5所示，图4为最终成形的筒形件。
图2为旋转头结构示意图，为了增大旋转头1与坯料10的接触面积，更好的发挥扭转剪切细化晶粒的效果，旋转头1上表面设计有螺旋状工作带，且横截面为顶角90°～150°的三角形。高压扭转强塑变通过旋转头1带动其附近室温金属发生剧烈塑性剪切，大量塑性功使材料温度达到250～400℃，其中剧烈剪切和温升可诱发晶粒的机械破碎和动态再结晶细化；挤压可充分利用高压扭转的良好塑性和细化晶粒成形具有细晶组织的形状尺寸。因此，可实现镁合金高性能筒形件的成性和成形的精确成形，且可以通过缩减加热工序可避免坯料10加热环节引起的晶粒长大和额外能耗。
实例2：结合图6说明本实施方式，所述的一种镁合金板形件扭-挤复合强塑变成形工艺装置，挤压坯料为方形块，如图7所示。本实例的组合式凹模由上凹模5和下凹模4组成；组合式凹模通过下模座套12将其固定在下模板2上，对坯料10进行挤压成形时，挤压速度为v2，旋转头转速为w2，坯料10下端的金属受旋转头1的扭转剪切作用，可获取细晶组织，随着挤压变形的继续，金属开始沿着凹模型腔向两侧方向流动，形成板件13，如图8所示。
实例3：本实例在第七步中，坯料10为铝及其合金和钛及其合金和塑性加工性能更好的难变形轻质金属材料。
需要说明的是，具体成形哪种类型复杂特征的构件，主要是取决于组合式凹模的型腔特征。