一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形方法

摘要

本发明公开的一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形方法，该方法涉及一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形模具，该模具包括上模具组件、下模具组件、顶出装置、打料装置、固定以及活动组件；上模具组件、下模具组件、顶出装置构成成形件外环壁通道、转角通道和成形件内环壁通道，该方法包括第一道次挤压成形和第二道次挤压成形，第一道次通过转角通道和外环壁通道挤压成形山形件的底部及外环壁，然后打料、脱模、顶出；第二道次通过内环壁通道挤压成形山形件的内环壁。本发明实现薄壁近等高复杂山形构件的精密塑性成形，有效克服传统加工制造模具带来的问题，改善轻合金的成形性，提高成形构件的综合力学性能，大大提高材料利用率，节能降耗。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料塑性加工及成形技术领域，特别涉及一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形方法。

背景技术

随着我国航空航天技术、高新技术武器装备以及海洋开发的快速发展，薄壁近等高山形轻合金构件(薄壁近等高山形构件是指整体构件为内外两环壁组成，内环壁和外环壁壁薄、且高度接近齐平)在各个领域的应用越来越广泛。如带有双壁壳体的导弹和卫星舱段，海洋行动传动装备上带有双壁山形构件，履带式车辆等多种装备上均应用有双壁形状的复杂锻件等。在山形件中不乏有许多双薄壁近等高式零件的存在，这些零件形状复杂，质量要求高，其几何应力集中的地方也是受力最为恶劣的部位，传统的成形模具，通过如铸造或是机械加工的方式生产的产品不同程度的存在铸造气泡、缩孔、加工成本高、浪费资源等缺陷和不足，不仅性能低下而且不能满足产品的服役要求。

发明内容

针对现有加工技术现状，本发明提出使用温挤压转角通道成形技术来实现薄壁近等高复杂山形构件的精密塑性成形。目的在于有效克服现有传统加工制造模具带来的问题，改善轻合金的成形性，提高成形构件的综合力学性能，大大提高材料利用率，节能降耗。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形方法，该方法涉及一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形模具，该模具包括上模具组件、下模具组件、顶出装置、打料装置、固定以及活动组件；所述上模具组件包括凸模固定圈以及可互换的第一道次凸模和第二道次凸模；所述下模具组件包括凹模以及可互换的中间凹模和芯轴；当所述上模具组件装配第一道次凸模时，所述凹模对应安装中间凹模，当所述上模具组件装配第二道次凸模时，所述凹模对应安装芯轴，并按中间凹模的装配方式与中间凹模互换；所述中间凸模开设放置坯料的放料通道，凹模中心具有内腔，所述中间凹模下段向内腔延伸下环壁；所述芯轴具有和中间凹模相同的放料通道和下环壁；所述凹模上方设有倒“T”形滑槽；所述顶出装置包括顶块和顶杆；所述固定以及活动组件包括伞帽、圆柱销、固定块、吊铒和链子；伞帽表面倾斜度和顶块倾斜度一致，所述中间凹模和凸模固定圈形成相通的插销槽，所述凸模固定圈下部和芯轴上部各设有吊铒；所述第一道次凸模下端的外表面形状为圆柱状，所述第二道次凸模下端的外表面形状和成形件内环壁的内壁形状相同；所述中间凹模和芯轴的下环壁各自单独与凹模构成了成形件外环壁通道，并与顶块顶部构成转角通道；所述第二道次凸模和芯轴下环壁构成成形件内环壁通道；

该方法包括第一道次挤压成形和第二道次挤压成形，步骤为：

第一道次挤压成形：

(1)成形前准备：将坯料底部加工出一个和伞帽尺寸相同的锥形孔，与第一道次挤压模具整体预热并保温；将预热保温后的第一道次挤压模具装配安装在压力机上；先将固定块推进凹模上端的倒“T”形滑槽，固定好中间凹模，随后将预热好的坯料放置在放料通道内；

(2)成形过程：上模具组件向下运动，第一道次凸模开始压着坯料向下走，坯料在第一道次凸模压力的作用下，经过两个阶段的变形：

一是径向镦粗和底部成形阶段，坯料底部坐落在伞帽上，坯料的下部沿着转角通道进入成形件外环壁通道，直至成形山形件的底部；

二是山形件外环壁的成形阶段，随着第一道次凸模继续向下挤压，坯料将通过转角通道继续进入外环壁通道里，外环壁高度增加，直至外环壁高度达到要求，完成山形件外环壁挤压成形；

(3)挤压完成后：停止第一道次凸模向下运动，固定块退出倒“T”形滑槽，插销槽里插上圆柱销使中间凹模与挤压件固定，第一道次凸模反向向上运动，带动中间凹模与挤压件一起上升，并采用打料装置限制挤压件上升完成第一道次打料、脱模，挤压件掉入凹模内，此时顶出装置将挤压件顶出凹模，工作人员夹走挤压件并取下伞帽；

第二道次挤压成形：

(1)成形前准备：将第一道次挤压成形的挤压件与第二道次挤压模具加热并保温，将预热保温后的第二道次挤压模具安装在压力机上；先将挤压件放入凹模中，先将吊铒挂上链子，上模具组件向下将芯轴放回凹模内，再取下链子并固定住芯轴；

(2)成形过程：上模具组件向下运动，第二道次凸模接触到第一道次挤压时中间预留部分平台时开始挤压，第二道次凸模继续向下运动，挤压件沿着第二道次凸模外表面向上长高，直至内环壁高度达到要求；

(3)挤压完成后：停止第二道次凸模的向下运动，再将吊铒挂上链子，第二道次凸模开始反向向上运动，压力机上工作台带动芯轴和坯料向上走，并采用打料装置限制挤压件上升完成第二道次打料、脱模；挤压件掉入凹模内，此时顶出装置将挤压件顶出凹模，工作人员夹走挤压件并取下伞帽，轻合金山形件挤压完成。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：

1.因为伞帽、顶块和中间凹模下环壁能够共同构成转角通道的通道口，再加上中间凹模下环壁和凹模构成了成形件外环壁通道，所以可以通过控制工艺参数(例如伞帽和顶块的倾斜度、中间凹模下环壁的倾斜度和底部过渡带圆角)来改变坯料在通过通道口进入通道挤压变形过程中的受力情况，确保了坯料在此过程中不发生开裂和对中间凹模下环壁产生过大冲击力使其变形，更好的控制金属应力状态、等效应变量、塑性变形和组织均匀性等，保证了轻合金山形件外环壁的顺利成形，满足了轻合金山形件外环壁及底部的最终尺寸和性能要求。

2.巧妙采用转角通道成形技术来实现薄壁近等高复杂山形构件的精密塑性成形的同时，保证了外环壁成形时壁厚差的控制，防止坯料向下挤压时发生轴向失稳和挤压成形后方便取出挤压件；也保证了在成形内环壁时不影响内外环壁之间的距离和方便取出最终挤压成形的轻合金山形件。

3.采用温挤压成形技术，较冷挤压大大减小了挤压力，在保证了近净成形的同时也确保了材料的综合力学性能最优。

4.配合可拆卸式的第一道次凸模、第二道次凸模、中间凹模和芯轴，只需要更换第一、第二道次凸模和中间凹模及芯轴等结构便可进行不同壁厚的山形件或桶形件挤压成形，提高了模具的利用率。

进一步，所述下模具组件还包括限位片，限位片在放入坯料后放置在中间凹模的放料通道口处，当第一道次凸模向下运动，接触到坯料上表面时取掉限位片。

进一步，所述第一道次挤压成形的成形前准备还包括在即将与坯料接触的第一道次凸模底部、凹模内腔、伞帽、顶块表面和中间凹模表面均匀的喷上水基石墨润滑剂。

进一步，所述第二道次挤压成形的成形前准备还包括在即将与坯料接触的第二道次凸模表面、凹模内壁和芯轴表面均匀的喷上水基石墨润滑剂。

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。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例中第一道次模具整体结构剖视图；

图2为本发明所提供的实施例中第二道次模具整体结构剖视图；

图3为本发明所提供的实施例中第一道次挤压前将坯料放入时模具工作状态剖视图；

图4为本发明所提供的实施例中第一道次坯料在待挤压时模具工作状态剖视图；

图5为本发明所提供的实施例中坯料在径向镦粗和底部成形阶段模具工作状态剖视图；

图6为本发明所提供的实施例中坯料在山形件外环壁的成形阶段模具工作状态剖视图；

图7为本发明所提供的实施例中第一道次挤压完成后脱模工作状态示意图；

图8为本发明所提供的实施例中坯料在山形件内环壁成形阶段模具工作状态剖视图；

图9为本发明所提供的实施例中第二道次挤压完成后第二道次凸模脱模工作状态示意图；

图10为本发明所提供的实施例中第二道次挤压完成后芯轴脱模工作状态示意图；

图11为本发明所提供的实施例中第一道次凸模结构示意图；

图12为本发明所提供的实施例中第二道次凸模结构示意图；

图13为本发明所提供的实施例中凹模结构剖视图；

图14为本发明所提供的实施例中中间凹模结构示意图；

图15为本发明所提供的实施例中芯轴结构剖视图；

图16为本发明所提供的实施例中伞帽及顶块结构剖视图；

图17为本发明所提供的实施例中挤压成形前的坯料示意图；

图18为本发明所提供的实施例中挤压成形后的山形件示意图。

标号说明

1—顶杆；2—下模板；3—下模内六角圆柱头螺钉；4—顶块；5—伞帽；6—凹模；7—中间凹模；71-中间凹模放料通道；72-中间凹模下环壁；8—固定块；9—第一道次凸模；10—凸模固定圈；11—上模内六角圆柱头螺钉；12—上模板；13—限位片；14—圆柱销；15—打料板；16—芯轴；161-芯轴放料通道；162-芯轴下环壁；17—吊铒；18—链子；19—第二道次凸模；20-成形件外环壁通道；21-转角通道；22-成形件内环壁通道。

具体实施例

本发明揭示的一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形方法，参阅图1-18，包括与压力机的上部结构连接的上模具组件、与压力机下部结构连接的下模具组件、顶出装置、打料装置、固定以及活动组件。

如图1和图2所示，所述上模具组件包括与压力机的上工作台连接的上模板12、与上模板相接的凸模固定圈10以及可互换的第一道次凸模9和第二道次凸模19；所述第一道次凸模9下端穿过凸模固定圈10中间，所述第一道次凸模9上端和凸模固定圈10装配在一起，凸模固定圈10通过上模内六角螺栓11装配在上模板12，上模板12用紧固螺栓装配在压力机上工作台(图中未示出)；所述第二道次凸模19按第一道次凸模的装配方式与第一道次凸模9互换。

如图1和图2所示，所述下模具组件包括与压力机下工作台连接的下模板2、凹模6以及可互换的中间凹模7和芯轴16；所述凹模6通过下模内六角螺栓3装配在下模板2，所述的下模板2用紧固螺栓装配在压力机下工作台(图中未示出)。凹模6中心具有内腔，当所述上模具组件装配第一道次凸模9时，所述凹模6对应安装中间凹模7，优选地，所述中间凹模7外表面形成凸台，凸台与凹模内腔上方通过一定深度的卡槽间隙配合在一起，所述芯轴16也具有和中间凹模7相同的凸台；当所述上模具组件装配第二道次凸模19时，所述凹模6对应安装芯轴16，并按中间凹模的装配方式与中间凹模7互换；所述中间凸模7开设放置坯料的放料通道71，且放料通道71直径大于坯料直径，所述中间凹模下段向内腔延伸下环壁72；所述芯轴具有和中间凹模相同的放料通道161和下环壁162；为了优化成形线条以及利于脱模，所述中间凹模和芯轴的下环壁72，162底部形成圆角，优选地，所述中间凹模的下环壁72底部还带有倾斜度。

如图1所示，所述顶出装置包括顶块4和顶杆1；顶块4由凹模6的内腔放入并与下模板2接触，顶块4上表面带有倾斜度，顶块4与凹模6的内腔半径间隙配合且形成过渡转角；顶杆1与下模板2间隙配合，且设于顶块4底部；

如图1和图2所示，所述打料装置包括打料板15，所述凹模6上方设有四个倒“T”形滑槽，打料板滑动在倒“T”形滑槽中，需要打料时推进完成打料，不需要时推出、卸下，当第二道次凸模19挤压坯料时，打料板15可以推进以固定芯轴16，如图8所示；

如图1和图2所示，所述固定以及活动组件包括伞帽5、圆柱销14、固定块8、限位片13、吊铒17和链子18；伞帽5放置于顶块4上，伞帽5底部形成伞柄，顶块4顶部开设吊装孔，伞帽5通过伞柄插入吊装孔内固定在顶块上4，起到定位作用和改变坯料流动方向减小坯料对中间凹模下环壁72的冲击力；伞帽5上表面带有和顶块4一致的倾斜度；在第一道次打料前，需要将中间凹模7随着凸模9一起上升，所述中间凹模7和凸模固定圈10形成相通的插销槽，当第一道次凸模9下降挤压时，将圆柱销14配合插入插销槽中，使得中间凹模7和凸模固定圈10固定在一起，从而中间凹模7随着第一道次凸模9一起上升。

在第二道次打料前，需要芯轴16随着第二道次凸模19上升，当第二道次凸模19下降挤压时，所述凸模固定圈10下部与芯轴16上部通过吊铒17之间用链子18挂上使芯轴16固定第二道次凸模19，从而芯轴16随着第二道次凸模19上升；当第一道次凸模9挤压坯料时，固定块8在第一道次成形时通过凹模6上方的倒“T”形滑槽推入，起到固定中间凹模7的作用；限位片13在放入坯料后放置在中间凹模的放料通道17口处，起到限位作用。

所述第一道次凸模9下端的外表面形状为圆柱状，所述第二道次凸模19下端的外表面形状和成形件内环壁的内壁形状相同；所述中间凹模7和芯轴的下环壁162各自单独与凹模6构成了成形件外环壁通道20，并与顶块顶部构成转角通道21；所述第二道次凸模19和芯轴下环壁162构成成形件内环壁通道22。

现如今轻合金使用较多的为铝、镁合金，所以下面我们取铝合金为例简要的说明，一种薄壁近等高山形轻合金构件挤压成形方法，包括第一道次挤压成形和第二道次挤压成形，其步骤包括：

第一道次挤压成形：

(1)成形前准备：将坯料底部加工出一个和伞帽尺寸相同的锥形孔，加热到470℃并保温12h，并将上述的第一道次挤压模具整体预热至480℃并保温；将预热保温后的第一道次挤压模具按照图1所述的装配关系安装在压力机上。

参考图3和图4，在即将与坯料接触的凸模9底部、凹模6内腔、伞帽5、顶块4表面和中间凹模7表面均匀的喷上水基石墨润滑剂，此时将固定块8从四周推进凹模6上端倒“T”形滑槽，固定好中间凹模7，随后将预热好的坯料放置在中间凹模7内，并放上限位片13。

(2)成形过程：参考图4、图5和图6，压力机带动上模具组件的上模板12、凸模固定圈10和第一道次凸模9向下运动，接触到坯料上表面时取掉限位片13，第一道次凸模9开始压着坯料向下走，由于坯料直径和中间凹模7内直径有一差值，并且成形件外环壁通道20结构的构成，所以坯料在第一道次凸模9压力的作用下，经过两个阶段的变形：

一是径向镦粗和底部成形阶段，坯料在第一道次凸模9的作用下有一个轻微的镦粗过程，坯料底部坐落在伞帽5上，如图15所示，伞帽5表面倾斜度和顶块4倾斜度一致为25°，凸模9向下运动，坯料的下部沿着转角通道21进入成形件外环壁通道20的同时处于放料通道71中的坯料直径逐渐到达放料通道71的直径，当坯料直径不在变化时只向下流动，并将成形山形件的底部；

二是山形件外环壁的成形阶段，随着压力机带动第一道次凸模9继续向下挤压，坯料在上一阶段已经将顶块4与凹模6底部所形成的区域充满，此时坯料将通过转角通道21继续进入外环壁通道20里，如图13所示，中间凹模下环壁72底端有R8的圆角，外环壁通道20里不断挤入坯料致使外环壁高度增加，直至外环壁高度达到要求，完成山形件外环壁挤压成形。

(3)挤压完成后：如图7所示，停止压力机上工作台的向下运动，此时退出四个固定块8，在中间凹模7顶端与凸模固定圈10相配合的插销槽里插上四个圆柱销14，此时压力机上工作台反向向上运动，带动中间凹模7与挤压件一起上升，当中间凹模7中部从凹模6卡槽出来后，将打料板15从倒“T”形滑槽中推入，当打料板15接触到挤压件的外环壁后阻止挤压件上升，压力机上工作台继续上升，如图13所示，中间凹模下环壁72是有2°的倾斜度和R8的圆角，这样就将挤压件与模具脱离，上工作台一直上升到顶点，挤压件与模具分离后会掉入凹模6内，此时升起顶出缸推动顶杆1及顶块4将挤压件顶出凹模6，工作人员夹走挤压件并取下伞帽5。

第二道次挤压成形：

(1)成形前准备：将第一道次挤压成形的挤压件加热到470℃并保温，并将上述的第二道次挤压模具整体预热至480℃并保温，将预热保温后的模具按照图2所述的装配关系安装在压力机上。

参考图8、图12和图14，先在第一道次凸模19表面喷上水基石墨润滑剂，然后上工作台向下到一定距离将凸模固定圈10与芯轴16之间的吊铒17挂上链子18，上工作台上升一定距离带起芯轴16为喷润滑剂做准备，在即将与挤压件接触的凹模6内壁和芯轴16表面均匀的喷上水基石墨润滑剂，凹模6内壁少喷，芯轴16表面多喷，喷好润滑剂之后；将预热好的挤压件放入凹模6中，上工作台向下将芯轴16放回凹模6卡槽内，取掉链子18并将打料板15推入倒“T”形滑槽固定住芯轴16。

(2)成形过程：参考图8和图11，压力机带动上模具组件的上模板12、凸模固定圈10和第二道次凸模19向下运动，第二道次凸模19接触到第一道次挤压时中间预留部分平台时开始挤压，第二道次凸模19继续向下运动，挤压件沿着第二道次凸模19底部第一部分倾斜度α为4°的斜壁向上长高，当压力机继续向下运动时，挤压件通过带有R6的过渡圆台，沿着倾斜度β为4°的上斜壁继续长高，直至第二道次凸模19运动到行程终点停止；整个过程中，外环壁也会增长一定高度但不是很大。

(3)挤压完成后：参考图9、图10和图14，停止压力机上工作台的向下运动，压力机上工作台反向向上运动，使第二道次凸模19从挤压件中脱离，完成第二道次凸模19脱离；然后再向下到一定距离挂上链子18并退出打料板15，压力机上工作台带动芯轴16和坯料向上走，当芯轴16上升超过倒“T”形滑槽时将打料板15推入，当打料板15接触到挤压件的外环壁后阻止挤压件上升，完成挤压件与芯轴16之间的脱离，将上工作台升至最高点然后顶出缸推动顶杆1及顶块4将山形挤压件顶出凹模6，工作人员取出挤压件并取下伞帽5，轻合金山形件省力挤压完成。

本发明的成形难点一是如何以省力的方式成形内外两环壁和保证最终成形的壁厚均匀一致性，二是在于第一道次坯料挤压成形时防止轴向发生失稳和保证第二道次内壁成形时内外两环壁之间的间隔距离不受影响以及易于坯料的放置和取出。

对于第一个成形难点，本发明采用转角通道技术和两道次先后成形外内两环壁的方法来克服。先用转角通道来实现外环壁的成形，然后再通过反挤压成形内环壁，模具凸凹模的成形面会根据相应的零件图优化出一个最优的成形曲线，很大程度上降低了成形力。成形件外环壁通道内径是一致的可以很好的保证外环壁的壁厚均匀一致性，反挤压成形内环壁时对凸模进行准确限位可以保证内环壁壁厚均匀一致性。对于第二个成形难点，本发明采用放料通道直径与坯料直径有一定差值达到合理的配合，以及放料通道高度足够高，保证坯料能安全的向下挤压，在第二道次凸模挤压内壁时，本发明采用和中间凹模底部完全一样的芯轴和凹模间隙配合来分隔开内环壁与外环壁，达到不影响内外环壁之间间隔距离的目的，中间凹模及芯轴是可上下活动的，所以可以很轻松的取出挤压成形件。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。