CN102601147B - 多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具 - Google Patents
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Abstract
一种多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具，凸模一端的端面通过连接销与挤压筒内衬的一个端面连接；凸模另一端的端面与凹模的一个端面连接。连接中，挤压筒内衬中的各金属流动通道的出口均与位于凸模配合端端面的各金属流动通道的入口对接；位于凸模与凹模配合端端面中心的定径杆嵌入凹模中心的焊合腔内，并且定径杆与凹模之间的间隙与所成形管材的壁厚相同。本发明通过将分流模具改为多坯料共进焊合腔的方法，各个坯料之间互相独立，并在合金进入焊合腔之前发生等通道转角变形，在进入焊合腔之后实现焊合挤出，有效避免了将合金分流过程，并且由于挤压力集中在等通道转角细化晶粒和焊合过程使得焊合质量更好，产品晶粒细小，从而得到更好的挤压产品。
Description
技术领域
本发明涉及热加工领域，具体是一种通过多坯料等通道转角焊合挤压成形得到细晶镁合金管材的成形模具。
技术背景
细晶镁合金、铝合金等轻质合金管材具有质量轻、比强度和比刚度高等优点。在航空、航天、自行车、便携式信号塔等领域有很大的吸引力。但是传统制作该类轻质合金管材的工艺大多采用分流挤压，分流挤压需要的挤压力大，而且常因难以精确控制其的挤压工艺参数使得管材发生模具开裂等现象。这都与分流过程和焊合过程都消耗很大的挤压力有关。而且传统分流挤压方法挤压的合金管材往往由于为了降低挤压力需要将合金加热到很高的温度才能挤出，因此导致挤出管材的晶粒粗大、机械性能较差、表面氧化严重、管材精度较难达到使用要求。
等径角挤压，也叫等通道转角挤压，简称ECAE或ECAP，该技术是一种获得超细晶材料的先进技术，高技术通过两个轴线且截面尺寸相等的通道，将被加工的坯料挤出，通过转角作用使得金属材料在挤压过程中发生很大的剪切应变来实现细化晶粒提高性能的目的，该技术在文献中常被提起，但没有文献或发明将该技术用到实际产品中，一般都是用来对各类棒材坯料进行细化晶粒。如作者Z.J.Zhang和I.H.Son等在文献《Finite element analysis of plastic deformation of CP-Ti by multi-pass equal channelangular extrusion at medium hot-working temperature》中通过有限元模拟和试验结合的方法描述了该技术产生细化金属晶粒的机理和工艺等。再如作者M.W. Fu a和Y.W.Tham在文献《The grain refinement of Al-6061 via ECAE processing：Deformationbehavior，microstructure and property》中描述了6061铝合金在通过ECAE变形后的晶粒细化情况和性能提高情况。
在公开号为CN2690068的发明创造中公开了一种等通道转角挤压制备超细晶管材的装置。该发明利用中空挤压杆对管材实施多道次的等通道转角挤压工艺来细化管材晶粒。优点是在整个过程中管材尺寸不变，而各部分均在模具的作用下发生等通道转角变形。缺点是要求坯料必须是加工好的管材，该发明只能对已有管材进行细化晶粒提高性能，而不是制造管材。
在公开号为CN102189143A的发明创造中公开了一种基于等径角挤压的超细晶镍钛形状记忆合金管制备方法。该发明在所要成形的镍钛形状记忆合金管坯的内部塞入金属芯，然后将镍钛形状记忆合金管坯封闭在金属套中，在由凸模和凹模组成的ECAE工装中对金属套、镍钛形状记忆合金管坯和金属芯同时进行挤压、产生剪切塑性变形，实现镍钛形状记忆合金管坯的晶粒细化。该发明的缺点是变形过程有辅助材料(如套筒和芯轴)参与变形，在挤压后将随产品一起变形后的套筒剥离，将随产品一起变形后的芯轴取出，不但增加了产品的后续加工工序，也因辅料参与变形增加能源的消耗。
有鉴于此，本发明提供一种通过改进挤压筒和模具，实现多坯料等通道转角细化晶粒后焊合挤压成形生产高精度高强度细晶薄壁合金管材，不但避免了分流过程的挤压力耗散，而且利用等通道转角达到更好的细化晶粒提高性能的效果。
发明内容
为克服现有技术中存在的成形过程中增加了后续加工工序和能耗的不足，本发明提出了一种多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具。
本发明包括挤压筒内衬、凸模和凹模；凸模一端的端面通过连接销与挤压筒内衬的一个端面连接；凸模另一端的端面与凹模的一个端面连接；连接中，挤压筒内衬中的四条金属流动通道的出口均与位于凸模配合端端面的四个金属流动通道的入口对接；位于凸模与凹模配合端端面中心的定径杆嵌入凹模中心的焊合腔内，并且定径杆与凹模上的定径孔内表面之间有间隙；所述间隙的尺寸与所成形管材的壁厚相同。
挤压筒内衬内均布有4～6个沿挤压筒内衬轴向方向延伸、并贯通该挤压筒内衬轴向金属流动通道；所述各金属流动通道的中心线均与挤压筒内衬的中心线平行，并且各坯料孔的中心线与挤压筒内衬的中心线等距。
所述的定径杆位于凸模上与凹模配合一端的端面中心；该定径杆端头处有径向凸出的凸台，该凸台的直径等于待成形管材的内径；在凸模上均布有4个贯通该凸模轴向的金属流动通道，各金属流动通道的中心线均与凸模的中心线之间有15～50°的夹角，在挤压筒内衬与凸模的配合面上形成金属流动通道的转角；所述凸模的金属流动通道在该凸模与凹模配合一端端面上的出口，与位于凸模4该端面的定径杆的根部相切。
所述凹模与凸模配合一端的内孔为等径孔，该凹模另一端为成形孔，并且该成形孔的出模口大于该成形孔的入模口；凹模与凸模配合一端端面中心有焊合腔，该焊合腔的孔径略大于凸模端面上的各金属流动通道外缘的距离；在凹模的焊合腔与凹模的变径孔之间有定径孔；该定径孔的内径为15～100mm。
凹模与凸模4配合一端端面处孔径比凸模端面上的各金属流动通道外缘大3mm。
本发明通过将分流模具改为多坯料共进焊合腔的方法，各个坯料之间互相独立，代替了传统挤压方法分流之后的几股金属流，并在合金进入焊合腔之前发生等通道转角变形，在进入焊合腔之后实现焊合挤出。不仅有效避免了将合金分流过程，而且挤压机提供的挤压力几乎全部集中在等通道转角细化晶粒和焊合过程使得焊合质量更好，产品晶粒细小，从而得到更好的挤压产品。本发明中，凸模上的金属流动通道的中心线与模具中心线之间有夹角，使得金属在流动中在通过挤压筒内衬和凸模发生等通道转角变形，即可以细化晶粒的纯剪切变形。通过位于凸模一端端面中心有轴向凸出的定径杆，确定挤压产品管材的内径。凹模7上的焊合腔各处采用圆弧平滑过渡，避免金属流动变形过程中产生死区。
使用中，挤压筒内衬中的金属坯料在挤压垫的推动下，向凸模流动，在凸模与凹模的交界等通道转角处处发生等通道转角塑性变形，在凸模上通道中流动到焊合腔区域，通过定径杆处确定管材截面形状挤出。在这个过程中发生晶粒细化的过程有三个塑性变形阶段，第一个阶段是通道转角过程使金属在流动过程中产生了较大的剪切塑性变形，因此可以细化晶粒。第二个阶段是金属在焊合过程的塑性变形，高压下的填充过程原子滑移和孪生可以细化晶粒。第三个阶段是在金属挤出工作带时发生了挤压截面变小的单纯挤压变形，可以细化晶粒，挤压比越大细化效果越好。如利用直径为34mm的4股坯料挤压直径104mm厚度3mm的AZ31镁合金管材，原始坯料晶粒尺寸100μm以上，最终得到平均晶粒尺寸达到8μm以下。
本发明与传统单坯料分流挤压焊合管材工艺相比，使用多坯料可以避免单坯料在分流成多股金属流的过程带来的挤压力增大，因此本发明所述的模具可以减小挤压力，如利用直径为34mm的4股坯料挤压直径104mm厚度3mm的AZ31镁合金管材，挤压力峰值为210吨。比传统的工艺的630吨省力达50％以上。并且本发明采用分体式组合模，操作简单、方便。
附图说明
附图1是多坯料等通道转角焊合挤压管材模具装配图；其中：图1a是右视图；图1b是主剖视图；图1c是A-A剖视图；
附图2是挤压筒内衬；其中：图2a是右视图；图2b是主剖视图；图2c是B-B剖视图；
附图3是凸模；其中：图3a是右视图；图3b是主剖视图；图3c是左视图；图3d是C-C剖视图；
附图4是凹摸；其中：图4a是右视图；图4b是主剖视图；图4c是D-D剖视图；
附图5是金属在模具中流动过程示意图。其中：
1.坯料孔 2.定位槽 3.挤压筒内衬 4.凸模 5.起吊螺孔 6.连接销
7.凹模 8.定位销 9.连接孔 10.定位销孔 11.螺栓
12.连接销 13.焊合腔 14连接孔 15.起吊螺孔 16.定径杆
17.螺栓孔 18.挤压垫 19坯料 20.等通道转角处 21.通道 22.定径孔
具体实施方式
本实施例是一种多坯料等通道转角焊合挤压成形细晶合金管材的模具，用于挤压成形细晶镁合金管材。所挤压管材产品的直径为104mm厚度3mm圆管。成形过程采用的挤压机吨位为2500t。采用H13热作模具钢制作模具和其余挤压工具。
本实施例包括挤压筒内衬3、凸模4和凹模7。凸模4一端的端面通过连接销12与挤压筒内衬3的一个端面连接；凸模4另一端的端面通过内六角紧固螺栓11和连接销6与凹模7的一个端面连接。连接中，挤压筒内衬3中的四条金属流动通道的出口均与位于凸模4配合端端面的四个金属流动通道的入口对接；位于凸模4与凹模7配合端端面中心的定径杆嵌入凹模7中心的焊合腔13内。
如附图2所示，挤压筒内衬3为圆柱体。挤压筒内衬3的外径与挤压筒的内径配合。挤压筒内衬3内均布有4个沿挤压筒内衬3轴向方向延伸、并贯通该挤压筒内衬3轴向直孔，该直孔均为金属流动通道。所述金属流动通道的孔径根据拟成形的坯料的外径确定。所述各金属流动通道的中心线均与挤压筒内衬3的中心线平行，并且各坯料孔的中心线与挤压筒内衬3的中心线等距。在挤压筒内衬3外圆周表面中部有一个截面为矩形的环形定位槽2，当挤压筒内衬3与挤压筒配合时，通过该定位槽2与挤压筒内圆表面卡环的配合实现挤压筒内衬3的轴向定位。在挤压筒内衬3与凸模4配合的的端面上对称分布有2个连接孔，用于将挤压筒内衬3与凸模4固连。
如附图3所示，凸模4上与凹模7配合一端的端面中心有轴向凸出的圆柱形的定径杆16。该定径杆16端头处有径向凸出的凸台，该凸台的直径等于待成形管材的内径，使该定径杆的纵截面呈“T”形，以利于金属成形。本实施例中，定径杆端头处的直径比定径杆其它的部分的直径大8mm，并且该定径杆端头处的轴向长度为8mm。定径带的轴向长度为15～100mm，本实施例中，所述定径杆的长度为20mm。在凸模4与凹模7配合时，位于凸模4端面的定径杆16的端头处嵌入凹模的定径孔内，并与凹模7上的定径孔内表面之间有间隙；所述间隙的尺寸与所成形管材的壁厚相同。
在凸模4上均布有4个贯通该凸模4轴向的金属流动通道的通孔，所述位于凸模4上的金属流动通道在该凸模4与挤压筒内衬3配合端端面孔口与模具中心线之间的距离L大于该凸模4与凹模7配合端端面孔口与模具中心线之间的距离1，使各金属流动通道的中心线均与凸模4的中心线之间有15～50°的夹角，在挤压筒内衬3与凸模4的配合面上形成金属流动通道的转角，这样使得金属在流动中在通过挤压筒内衬和凸模发生等通道转角变形，即可以细化晶粒的纯剪切变形；本实施例中，各通孔的中心线与凸模4的中心线之间的夹角均为17°。所述凸模4的金属流动通道在该凸模4与凹模配合一端端面上的出口，与位于凸模4该端面的定径杆16的根部相切。
在凸模4的2端端面上，各均布有2个销孔分别用于该凸模4与挤压筒内衬3和凹模7轴向定位和连接。凸模4的外表面有一个起吊螺纹孔5。在凸模4与凹模7配合端的端面上有两个螺纹盲孔，用于将凸模与凹模紧固连接。
如图4所示，所述凹模7为中空回转体，其内孔为阶梯状，并且该凹模7与凸模4配合一端的内孔为等径孔，该凹模7另一端为变径的成形孔，在凹模7的该端形成了喇叭口，使成形孔的出模口大于该成形孔的入模口，以减少成形后的管材与成形孔孔壁的摩擦。本实施例中，成形孔的孔壁与模具中心线之间的夹角为13°。在所述凹模7与凸模4配合一端的端面外缘处有环形凸台，用于凸模4的径向定位。该环形凸台的内径与凸模4配合端端面的环形装配台阶的外径相同。凹模7与凸模4配合一端端面中心有焊合腔13，该焊合腔13的孔径略大于凸模4端面上的各金属流动通道外缘的距离，以利于金属充型和流动。本实施例中，所述凹模7与凸模4配合一端端面处孔径比凸模4端面上的各金属流动通道外缘大3mm。
在凹模7的焊合腔13与凹模7的变径孔之间有等径的定径孔22。该定径孔22的内径与所成形管材的外径相同。定径孔22的轴向长度根据所成形管材的规格确定，为15～100mm；本实施例中，该定径孔22的轴向长度与凸模4上定径杆端头处的轴向长度相同，亦为8mm。在凹模7的外表面有起吊螺孔15和定位销孔10。
焊合腔13底部的直角采用R＝10mm的圆弧平滑过渡，以避免金属流动变形过程中产生死区。
在凹模7与凸模4配合的端面上有2个定位销孔，该定位孔的位置与凸模4配合端面上的销孔的位置对应，通过销子以防止凹模7与凸模4之间错位。在凹模7的端面有两个螺栓通孔17，用于通过螺栓将凹模7于凸模4固连。
装配时，挤压筒内衬3和凸模4采用连接销12和定位孔9配合轴向定位，利用定位槽2用来固定挤压筒内衬3沿轴线位置。凸模4和凹模7采用定位销6和内六角螺栓固定；起吊螺孔5用来组装和在挤压机上安装模具；定位销8和定位孔10配合使在挤压机上安装模具时使模具圆周定位，定位销8为Φ16×40mm。定位槽2用来确定挤压筒内衬轴线位置，应与挤压筒配合轴向定位。装配后在坯料孔1内壁和模具内壁刷石墨水润滑。
Claims (5)
1.一种多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具，其特征在于，包括挤压筒内衬、凸模和凹模；凸模一端的端面通过连接销与挤压筒内衬的一个端面连接；凸模另一端的端面与凹模的一个端面连接；连接中，挤压筒内衬中的四条金属流动通道的出口均与位于凸模配合端端面的四个金属流动通道的入口对接；位于凸模与凹模配合端端面中心的定径杆嵌入凹模中心的焊合腔内，并且定径杆与凹模上的定径孔内表面之间有间隙；所述间隙的尺寸与所成形管材的壁厚相同。
2.如权利要求1所述一种多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具，其特征在于，挤压筒内衬内均布有4个沿挤压筒内衬轴向方向延伸、并贯通该挤压筒内衬轴向金属流动通道；所述各金属流动通道的中心线均与挤压筒内衬的中心线平行，并且各坯料孔的中心线与挤压筒内衬的中心线等距。
3.如权利要求1所述一种多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具，其特征在于，所述的定径杆位于凸模上与凹模配合一端的端面中心；该定径杆端头处有径向凸出的凸台，该凸台的直径等于待成形管材的内径；在凸模上均布有4个贯通该凸模轴向的金属流动通道，各金属流动通道的中心线均与凸模的中心线之间有15～50°的夹角，在挤压筒内衬与凸模的配合面上形成金属流动通道的转角；所述凸模的金属流动通道在该凸模与凹模配合一端端面上的出口，与位于凸模4该端面的定径杆的根部相切。
4.如权利要求1所述一种多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具，其特征在于，所述凹模与凸模配合一端的内孔为等径孔，该凹模另一端为成形孔，并且该成形孔的出模口大于该成形孔的入模口；凹模与凸模配合一端端面中心有焊合腔，该焊合腔的孔径略大于凸模端面上的各金属流动通道外缘的距离；在凹模的焊合腔与凹模的变径孔之间有定径孔；该定径孔的内径为15～100mm。
5.如利要求1所述一种多坯料等通道转角焊合挤压成形管材的模具，其特征在于，所述凹模与凸模4配合一端端面处孔径比凸模端面上的各金属流动通道外缘大3mm。
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