一种镁合金带筋筒形件强塑变挤压成形装置及方法

摘要

本发明提供一种镁合金带筋筒形件强塑变挤压方法及成形装置，属于塑性加工技术领域。圆柱坯料经一次变通道转角挤压向周向扩展形成环筋，再经过二次变通道转角挤压进入上下型腔形成带四条纵筋的薄壁筒。材料经多次转角挤压时晶粒不断细化，发生强烈塑性变形，配合模具型腔实现一次挤压成形得到高强度的镁合金带筋筒形件。缩小挤压模具的定径带长度以降低成形件与模具之间的摩擦力而降低成形力。设计专用的纵向拉杆和横向轴销，并和模具结构相配合，在零件成形结束之后利用挤压机上工作台回程将模具拆卸而取出成形件。本发明可一次成形具有高强度的镁合金筒形件且内部环筋和纵筋可用作支撑结构，设计的取件结构能有效解决筒形挤压件难取出的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及金属塑性加工工艺及成形技术领域，具体涉及一种镁合金材料高性能筋筒类零件挤压成形方法。

背景技术

筒形件是航空航天、交通运输等领域中典型的结构类零件，随着航天工业不断进步，如何实现航天用筒类零件的高性能与轻量化成为目前亟待解决的问题。薄壁带筋结构可以有效提高筒形件强度与刚度，并有效减轻零件质量。针对此类零件，目前存在切削加工、铸造、焊接及旋压成形等成形方式。采用切削加工方式成形带筋筒形件，金属流线会遭到破坏，力学性能及使用性能方面大幅降低，且加工余量大，不仅浪费大量材料与能源，还对环境造成较大污染；而铸造成形过程中，极容易产生铸造缺陷，且筋部难以完全成形，在力学性能上也难以尽如人意；经过焊接的带筋筒形件残余应力较大，使得零件疲劳强度较低，结构安全性能较差。因而传统的加工方式并不能完全适应于内环筋筒形件的成形。较为先进的筒形件成形方式有旋转挤压工艺，较前三种成形方式具有一定的优势，但对于带筋的筒形件而言，旋压工艺过程复杂，成形难度较大，且生产成本也相应提高，因而难以通过旋压方法得到理想的带内筋筒形件。综上，探索一种有效的带筋筒形件并能保证其力学性能的成形方法具有重要意义。

目前强塑变技术已被认为是制备块状细晶材料的有效方法，常见的强塑变技术有等通道转角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)等，这些方法在细晶强化方面具有显著的作用，可将金属内部组织细化至亚微米乃至纳米级。然而现有的强塑变技术主要是使坯料金属获得更好的内部组织性能，在后续的热成形工艺中，由于高温等原因，坯料组织性能会发生一定的改变，使之前强塑变处理的细晶强化作用减弱。将强塑变细晶技术与传统挤压成形方法向结合，使用强塑变挤压方法进行带筋筒形件的成形，有望在成形过程中对金属材料实现细晶强化，得到力学性能更优的带筋筒形件，这将成为一种便捷有效的高性能的镁合金带筋筒形件成形方法。因此，使用强塑变挤压技术进行镁合金带筋筒形件成形的研究具有重大意义。

发明内容

本发明目的是提供一种镁合金高性能带筋筒形件强塑变挤压成形方法及其成形装置，本发明将强塑变细晶材料制备工艺与复合挤压成形相结合，提出一种高性能镁合金带筋筒形件强塑变挤成形方法：成形过程中镁合金圆柱坯料经一次变通道转角挤压向周向扩展形成环筋，再经过二次变通道转角挤压进入上下型腔形成带四条纵筋的薄壁筒形件，通过两次变通道转角挤压，镁合金材料发生强烈塑性变形，获得更细小的晶粒结构，材料组织性能明显提高，获得力学性能较优的镁合金带筋筒形件。

一种镁合金高性能带筋筒形件强塑变挤压成形装置，其特征在于包括以下部分：下模座、固定套、横向轴销、纵向拉杆、上模座、上垫板、定位销、顶杆、紧固螺钉一、固定圈、上凸模、筒形凹模、成形件、螺母、垫片、螺栓、下凸模、定位销、顶出块、顶出杆、紧固螺钉二、下垫板；

上凸模、下凸模与筒形凹模根据楔形件配合关系，组成具有细化晶粒与成形带筋筒形件作用的型腔结构；纵向拉杆和横向轴销和模具结构相配合在零件成形结束之后利用挤压机上工作台回程将模具拆卸而取出成形件。

进一步地，上凸模与下凸模分别位于筒形凹模上下两侧，在其内部组成型腔结构，此型腔包括两个变通道转角结构，可通过一次挤压实现细化晶粒与成形带筋筒形件的功能，在定径带之外部分加大了凸模与凹模之间的间隙，减小了成形件与模具之间摩擦力，便于成形后取件。

进一步地，上凸模、下凸模、筒形凹模及固定套部分采用了楔形块配合的结构，定位准确，且仅通过一组螺栓即能固定整个型腔结构，拆装简便。

进一步地，纵向拉杆设在上模座，在进行挤压成形前，将纵向拉杆装于上模座凹槽内，在挤压成形完成后，将横向轴销通过纵向拉杆下部方槽插入固定套及筒形凹模上方槽内，即能将固定套、筒形凹模、上凸模与上模座相连接，同时打开固定套底部螺栓连接，利用挤压机上工作台回程将固定套、筒形凹模、上凸模随上模座一同提起，与成形件分离，由此，便于成形件取出。

一种采用如上所述成形装置实现镁合金高性能带筋筒形件强塑变挤压成形的方法，其特征在于将强塑变细晶材料制备工艺与复合挤压成形相结合，成形过程中镁合金圆柱坯料经一次变通道转角挤压向周向扩展形成环筋，再经过二次变通道转角挤压进入上下型腔形成带四条纵筋的薄壁筒形件，通过两次变通道转角挤压，镁合金材料发生强烈塑性变形，获得更细小的晶粒结构，材料组织性能明显提高，获得力学性能较优的镁合金带筋筒形件。

进一步地，镁合金带筋筒形件的高性能由以下两个途径实现：(1)镁合金筒件及筋部通过一次挤压完成，金属流线完整，横筋进过一次转角挤压、筒身与纵筋经过两次转角挤压，发生剧烈剪切变形材料内部产生大量机械破碎与再结晶，从而获得更细小均匀的晶粒结构，使筒身与筋部具有较高的力学性能；(2)镁合金带筋筒形件，筋部、特别是纵筋作为加强筋，提高筒形件整体结构强度及刚度。

进一步地，包括以下六个步骤：下料-模具组装-模具预热与坯料加热及保温-模具安装-挤压成形-模具拆卸与取件；其中，为降低坯料的变形抗力，应先将坯料加热至成形温度并保温一段时间，将模具预热至相同温度，放入坯料，于恒温箱中进行强塑变挤压成形。

进一步地，本发明具体成形步骤如下：

步骤一：进行镁合金棒材下料，经热处理制成镁合金坯料。

步骤二：进行镁合金带筋直筒件模具组装：

(1)将下垫板与下凸模安装于下模座上，并通过定位销进行与紧固螺钉二进行定位与连接，装入顶出杆与顶出块；

(2)根据楔形块配合，依次安装筒形凹模、上凸模与固定套，同时将固定套与筒形凹模侧面方槽调整对齐，通过螺栓与螺母将固定套与下垫板、下模座进行连接固定；

(3)将顶杆置于固定圈中，将固定圈通过定位销定位，与上垫板、上模座由紧固螺钉一相连接；

(4)将纵向拉杆置于上模座两侧凹槽中；

(5)将顶杆下端至于上凸模中间空腔中，根据顶杆与上凸模的配合关系进行装配。

步骤三：将坯料加热至成形温度350-400℃并保温0.5-1.5小时，同时将模具预热至350-400℃。

步骤四：将预热后模具通过压板螺栓安装与挤压机上，在安装过程中应当首先将下模座与挤压机相连接，再将上模座与挤压机相连接，挤压机带动上模座及与上模座相连接的部分模具向上运动，在坯料表面及模具内表面涂抹润滑剂，将坯料放入模具内。

步骤五：通过设置挤压机挤压行程进行镁合金带筋直筒件挤压成形。

步骤六：挤压完成后，进行模具拆卸及取件。

(1)将横向轴销通过纵向拉杆下侧方槽插入固定套与筒形凹模两侧的方形槽中，将固定套、筒形凹模及上凸模与上模座相连接，安装纵向拉杆与横向轴销之间的螺栓；

(2)打开固定套下部螺栓连接；

(3)利用挤压机将上模座、顶杆及固定套、筒形凹模、上凸模部分模具抬起；

(4)利用顶出杆与顶出块将镁合金带筋筒件顶出；

(5)将上模座及与其连接的模具放下至与下模座上模具相配合，依次拆卸，并完成模具清理工作。

本发明所提供镁合金带筋筒形件强塑变挤压成形方法并不局限于成形带有四条纵向内筋、一条横向内环筋的镁合金筒形件，可通过改变模具结构推广至成形以下几种镁合金筒形件：仅有一条横向内环筋，无纵向内筋的筒形件；具有一条横向内环筋与若干条对称纵向内筋的筒形件。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1.筒形件为坯料金属连续挤压流动而形成，具有连续金属流线特征，筒身及筋之间具有完好的一体性，且工艺过程简单，操作简便。

2.挤压过程中材料内部积累大量塑性应变，有利于改善金属内部组织性能，可以达到细化晶粒的目的，提高成形件性能。

3.采用了楔形块配合、拉杆、轴销等模具结构，并利用上工作台回程进行模具拆卸，简化模具拆装过程，成形件容易取出，克服了挤压件取件困难的问题，为镁合金带筋筒形件连续生产提供了可行性。

4.直筒件内筋的形状与数量拓展性强。

附图说明

图1为本发明镁合金带筋筒形件成形前模具结构示意图。

图2为本发明镁合金带筋筒形件成形后模具结构示意图。

图3为本发明镁合金带筋筒形件卸料时模具结构示意图。

图4为本发明镁合金带筋筒形件结构示意图。

图5为本发明镁合金带筋筒形件纵向内筋处型腔结构示意图,其中图5(a)为主视图，图5(b)为俯视图，图5(c)为图5(a)圈出部分局部放大示意图。

图6为本发明镁合金带筋筒形件直筒筒壁处型腔结构示意图，其中图6(a)为主视图，图6(b)为俯视图，图6(c)为图6(a)圈出部分局部放大示意图。

图7为本发明模具拉杆与轴销结构示意图。

图1：1-坯料

图2：

2—下模座3—固定套4—纵向轴销

5—横向拉杆6—上模座7—上垫板

8—定位销9—顶杆10—紧固螺钉一

11—固定圈 12—上凸模 13—筒形凹模

14—成形件 15—螺母 16—垫片

17—螺栓 18—下凸模 19—定位销

20—顶出块 21—顶出杆 22—紧固螺钉二

23—下垫板

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所提出的具体实施方式仅用于解释本发明而非限定本发明。

本发明是一种镁合金带筋筒形件强塑变挤压成形工艺，同时提供该工艺的成形装置。应当指出的是，本发明所述的镁合金带筋筒形件结构如图4所示，在内部带有四条纵向内筋，一条横向内环筋，为全面展示模具内部结构，如图2所示，发明所提供的镁合金带筋筒形件强塑变挤压模具包括以下部分：用于成形的上凸模12、下凸模18、筒形凹模13、顶杆9；用于拆卸与取件的横向拉杆5、纵向轴销4、顶出杆21与顶出块20；以及外部链接与固定装置。

如图5、图6所示，上凸模12与下凸模18分别位于筒形凹模13上、下两侧，通过定位锥面与之定位，由筒形凹模13内表面与上凸模12、下凸模18外表面组成成形型腔区域；此型腔包括两个变通道转角结构，可通过一次挤压实现细化晶粒与成形带筋筒形件的功能，成形过程中坯料1经一次变通道转角挤压向周向扩展形成环筋，再经过二次变通道转角挤压进入上下型腔形成带四条纵筋的成形件14，通过两次变通道转角挤压，材料发生强烈塑性变形，获得更细小的晶粒结构，材料组织性能明显提高；在上凸模12下部与下凸模18上部设有特殊圆角结构，便于镁合金坯料流动成形；本发明模具在型腔在定径带之外部分加大了上凸模12、下凸模18与筒形凹模13之间的间隙，减小了成形件14与模具之间摩擦力，便于成形后取件。

本发明模具为便于模具预拆卸设置有横向拉杆5与纵向轴销4结构，横向拉杆5为下部带有方槽的T形方杆件，如图2、图7所示，横向拉杆5上端置于上模座6两侧凹槽中，在镁合金内环筋直筒件挤压成形完成后，横向拉杆5下部通过纵向轴销4与固定套3、筒形凹模13相连接，将固定套3底部螺栓17打开，通过挤压机上工作台向上提升上模座6，将固定套3、上凸模12与筒形凹模13向上提升与成形件14分离，便于取出成形完成的镁合金带筋筒形件。其中轴销4在挤压成形前不进行安装，在挤压完成后进行安装，如图1所示为镁合金带筋筒形件强塑变挤压成形前模具结构示意图，图3为本发明镁合金带筋筒形件卸料时模具结构示意图。

本发明所提供镁合金带筋筒形件强塑变挤压成形方法并不局限于成形带有四条纵向内筋、一条横向内环筋的镁合金筒形件，可通过改变模具结构推广至成形以下几种镁合金筒形件：仅有一条横向内环筋，无纵向内筋的筒形件；具有一条横向内环筋与若干条对称纵向内筋的筒形件。

本发明提出的一种镁合金高性能内环筋筒形件强塑变挤压成形方法，包括以下步骤：

步骤一：进行镁合金棒材下料，经热处理制成镁合金坯料1。

步骤二：进行镁合金带筋直筒件模具组装：(1)将下垫板23与下凸模18安装于下模座2上，并通过定位销19进行与紧固螺钉22进行定位与连接，并根据图2装配关系装入顶出杆21与顶出块20；(2)根据楔形块配合，依次安装筒形凹模13、上凸模12与固定套3，同时将固定套3与筒形凹模侧面方槽调整对齐，通过螺栓17与螺母15将固定套3与下垫板23、下模座2进行连接固定；(3)将顶杆9置于固定圈11中，将固定圈11通过定位销8定位，与上垫板7、上模座6由紧固螺钉10相连接；(4)将纵向拉杆5置于上模座6两侧凹槽中，；(5)将顶杆9下端至于上凸模12中间空腔中，根据顶杆9与上凸模12的配合关系进行装配。

步骤三：将坯料1加热至成形温度350-400℃并保温1小时，同时将模具预热至350-400℃。

步骤四：将预热后模具通过压板螺栓安装与挤压机上，在安装过程中应当首先将下模座2与挤压机相连接，再将上模座6与挤压机相连接，挤压机带动上模座6及与上模座6相连接的部分模具向上运动，在坯料表面及模具内表面涂抹润滑剂，将坯料1放入模具内。

步骤五：通过设置挤压机挤压行程进行镁合金带筋直筒件挤压成形。

步骤六：挤压完成后，进行模具拆卸及取件：(1)将横向轴销4通过纵向拉杆5下侧方槽插入固定套3与筒形凹模13两侧的方形槽中，将固定套3、筒形凹模13及上凸模12与上模座6相连接，安装纵向拉杆5与横向轴销4之间的螺栓；(2)打开固定套3下部螺栓17连接；(3)利用挤压机将上模座6、顶杆9及固定套3、筒形凹模13、上凸模12等部分模具抬起；(4)利用顶出杆21与顶出块20将镁合金带筋筒件顶出；(5)将上模座6及与其连接的模具放下至与下模座2上模具相配合，依次拆卸，并完成模具清理工作。

本发明的原理是通过一次单向热挤压实现镁合金带内环筋薄壁筒形件的成形，所述方法只须一次热挤压即可成形完毕。