一种镁合金高性能杯形件的差速挤压成形方法技术

一种镁合金高性能杯形件的差速挤压成形方法，涉及金属塑性加工成形技术领域；采用组合式凹模，包括“T”形上凹模和“U”形下凹模。“T”形上凹模内部为圆柱体型腔，“T”形上凹模安装在“U”形下凹模上，形成的回转体型腔的截面为“山”字形。“山”字形挤压腔的底部采用错位的“阶梯”式差速挤压台阶。经过三个阶段的变形：一是经过轴向类似圆柱墩粗变形阶段；二是径向挤压大变形阶段；三是转角挤压剪切变形阶段。采用“山”字形挤压腔及腔底错位的“阶梯”式差速挤压台阶来挤压镁合金杯形件，极大地提高镁合金材料成形能力，获得高致密结构，极大的塑性变形量，晶粒细化效果显著，消除杯形件筒壁的晶粒双模态分布效果明显，缩短了高性能镁合金杯形件制作流程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属塑性加工工艺及成形
，具体涉及一种用于镁合金材料挤压成形与改性的差速挤压成形方法。
技术介绍
杯形构件是航空航天、国防军工、交通运输等领域最具代表性的结构形式之一，是反向挤压技术的典型制件。对于杯形件制造，大都采用反挤压成形技术，反向挤压技术是一种先进的少切削加工工艺，不仅提高了锻件的形状和尺寸精度、节约了金属材料，而且因金属纤维流线呈仿形性而提高了该类零件的机械性能，具有“高效、优质、低能耗”的特点，在技术和经济上有很高的使用价值，已成为国内外争相研究的热点。镁合金杯形件采用传统反挤压成形的方法，需要多道次镦粗拔长制坯达到理想的细晶强化效果，生产效率低且成形构件各向异性明显，其周向和轴向的抗拉强度相差较大。因此，研究开发高强韧镁合金杯状件新型成形方法具有切实重要的意义。已公开的中国专利号为ZL201410820158.3专利名称为“镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形模具及方法”是一种制备杯状构件的新型成形方法，属于大塑性变形范畴，相比于传统反挤压方法具有很大的技术优势，成形件的平均等效塑性应变可达传统反挤压的2倍以上，其成形力小，变形量大，成形件的等效塑性应变分布更加均匀，对于杯形构件晶粒细化和力学性能的提升具有一定的作用和效果。但研究发现，通过专利“镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形模具及方法”成形的杯形件，筒壁在垂直于金属流动方向的面上，晶粒呈典型双模态晶粒分布。双模态晶粒分布是指金属在挤压腔内锥形凸台的作用下被压扁拉长，部分原始粗大晶粒得到显著细化，部分粗大的晶粒呈长条状分布。这与等通道转角挤压(ECAP)后晶粒分布形态极为相似。晶粒的双模态分布现象致使杯形件筒壁试样轴向拉伸断裂机制为细晶带的韧性断裂伴随粗晶带的脆性解理断裂相结合的混合断裂机制，在一定程度上降低杯状件的塑性及力学性能。显然，筒壁晶粒双模态分布制约着高强韧杯形件研发与生产实践。就此看来，专利“镁合金杯形构件的环形通道转角挤压成形模具及方法”存在一定的技术局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种镁合金高性能杯形件的差速挤压成形方法，该方法能够来获得更大的平均等效应变，提高晶粒细化效果，大幅度减小环形通道转角挤压成形的杯形件的筒壁呈双模态晶粒分布，降低筒壁混合拉伸断裂机制的发生率。为了解决
技术介绍
所存在的问题，本专利技术是采用以下技术方案：一种镁合金高性能杯形件的差速挤压成形方法，其顺序包括：(1)棒材下料；(2)均匀化热处理，形成镁合金毛坯；(3)成形前准备：将镁合金毛坯加热到成形温度并保温，并将差速挤压成形模具整体预热至镁合金坯料成形温度以上并保温；所述的差速挤压成形模具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以及组合式凹模；所述的上模具组件包括与压力机的上工作台连接的上模板、与上模板相接的上模座套以及上模座套内置的冲头；所述的上模板用紧固螺栓装配在压力机上工作台上，所述冲头的上端放置在上模座套的内部中心线上，冲头上端由圆柱销定位，四周通过内六角螺栓把上模座套与上模板固定，使冲头牢牢紧固于上模座套中；所述的组合式凹模包括，“T”形上凹模和“U”形下凹模，所述的“T”形上凹模内部为圆柱形型腔，与冲头间隙配合，“T”形上凹模上端设有环形锥面，与下模座套型腔上端锥面限位配合；所述的“U”形下凹模内部为回转体型腔；“T”形上凹模安装在“U”形下凹模的回转体型腔内，回转体型腔和圆柱形型腔共同组成的截面形状为“山”字形挤压腔；所述的下模具组件包括下模板座套、下垫板及下模板；所述的下模座套内部为圆柱形型腔，型腔内部与组合式凹模间隙配合，型腔上端以环形锥面收口，以对上凹模限位承力；下模座套和下垫板自上而下固定在下模板上。(4)、安装模具：将预热保温后的模具安装在压力机上；给组合式凹模内腔注入油剂石墨润滑剂，同时从上凹模顶端小孔自上而下往“山”字形挤压腔内注入油剂石墨润滑剂；将经过均匀化热处理的镁合金毛坯放入组合式凹模的上凹模圆柱形型腔内；(5)成形过程：压力机带动上模具组件的上模板、上模座套及冲头向下运动，挤压镁合金毛坯在“山”字形挤压腔内沿型腔流动变形；镁合金毛坯在圆柱形冲头压力的作用下，经过三个阶段的变形：一是经过轴向类似圆柱墩粗变形阶段；二是径向挤压大变形阶段；随着压力机带动冲头继续向下挤压，金属开始沿着“山”字形挤压腔底径向挤压，此过程中，金属流经差速挤压带后缩径挤压进入内径较小的挤压通道；三是转角挤压剪切变形阶段；压力机带动冲头继续向下挤压金属进入“山”字形挤压腔底部圆角区域，金属受剪切应力作用沿着凹模壁轴向向上流动，形成镁合金杯形件的筒壁；(6)挤压成形完成后：停止压力机上工作台的向下运动；拧紧上模板与下模座套连接的紧固螺栓，松开下模座套、下垫板及下模板连接处的紧固螺栓；压力机上工作台反向向上运动，带动冲头上升并与杯形件脱离，同时上模板带动下模座套上升，与组合式凹模脱离；通过液压缸顶出缸对顶杆作用，将镁合金杯形件从组合式凹模中顶出。本专利技术的原理为：设计了组合式凹模结构，“T”形上凹模内腔和“U”形下凹模内腔共同形成“山”字形回转体型腔，特别是型腔底部采用了“阶梯”式差速挤压台阶。台阶的长度为a，高为h，上下相邻台阶过渡带水平倾角为α，过渡圆半径为r。所谓的差速，是指“T”形上凹模下端面的“阶梯”台阶与对应下方位置的“U”形下凹模内腔的“阶梯”台阶在纵向方向有个错位差，在挤压过程中金属流经此区域时，金属上下表面沿着台阶流动，流速形成差速。考虑到金属流动规律，本专利技术采用上下“阶梯”台阶纵向错位距离为半个台阶长度a/2(经过Deform-3D有限元模拟，错位距离为a/2时平均等效塑性应变最大)。通过控制工艺参数(台阶个数、台阶长高比a/h、过渡带倾角α)来改变镁合金坯料在挤压变形过程中的受力情况，从而控制金属应力状态、等效应变量、晶粒细化程度、塑性变形和组织均匀性等。金属流经“阶梯”式差速挤压台阶后，金属上下表面受挤压台阶剪切应力的作用；同时由于上下“阶梯”式径向挤压台阶有个错位差，导致金属在此区域挤压时上下表面挤压速度不一致，金属内部也会产生扭矩和剪应力；另外，“阶梯式”径向挤压台阶所构成的挤压区域为入口口径大，出口口径小，金属在挤压进入此区域时还受到“阶梯式”径向挤压台阶轴向挤压力。这三个因素共同改变了金属的应力状态，致使金属表面和内部都能获得更大塑性变形量，增加了平均等效应变，获得更高致密结构，组织细化效果显著，“阶梯式”径向挤压台阶有效增加了金属在挤压过程中的变形次数，大幅度破碎了传统反挤压工艺杯形件微观组织为扁平状细长条分布，使大小晶粒分布更为均匀，对消除晶粒双模态分布现象效果明显。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。图1为本专利技术所提供的实施例中坯料在挤压成形时模具工作状态示意图；图2为本专利技术所提供的实施例中坯料在待挤压时模具工作状态示意图；图3-1为本专利技术所提供的实施例中组合式凹模装配示意图；图3-2为本专利技术所提供的实施例中组合式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镁合金高性能杯形件的差速挤压成形方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)棒材下料；(2)均匀化热处理，形成镁合金毛坯；(3)成形前准备：将镁合金毛坯加热到成形温度并保温，并将差速挤压成形模具整体预热至镁合金坯料成形温度以上并保温；所述的差速挤压成形模具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以及组合式凹模；所述的上模具组件包括与压力机的上工作台连接的上模板、与上模板相接的上模座套以及上模座套内置的冲头；所述的上模板用紧固螺栓装配在压力机上工作台上，所述冲头的上端放置在上模座套的内部中心线上，冲头上端由圆柱销定位，四周通过内六角螺栓把上模座套与上模板固定，使冲头牢牢紧固于上模座套中；所述的组合式凹模包括，“T”形上凹模和“U”形下凹模，所述的“T”形上凹模内部为圆柱形型腔，与冲头间隙配合，“T”形上凹模上端设有环形锥面，与下模座套型腔上端锥面限位配合；所述的“U”形下凹模内部为回转体型腔；“T”形上凹模安装在“U”形下凹模的回转体型腔内，回转体型腔和圆柱形型腔共同组成的截面形状为“山”字形挤压腔；所述的下模具组件包括下模板座套、下垫板及下模板；所述的下模座套内部为圆柱形型腔，型腔内部与组合式凹模间隙配合，型腔上端以环形锥面收口，以对上凹模限位承力；下模座套和下垫板自上而下固定在下模板上。(4)、安装模具：将预热保温后的模具安装在压力机上；给组合式凹模内腔注入油剂石墨润滑剂，同时从上凹模顶端小孔自上而下往“山”字形挤压腔内注入油剂石墨润滑剂；将经过均匀化热处理的镁合金毛坯放入组合式凹模的上凹模圆柱形型腔内；(5)成形过程：压力机带动上模具组件的上模板、上模座套及冲头向下运动，挤压镁合金毛坯在“山”字形挤压腔内沿型腔流动变形；镁合金毛坯在圆柱形冲头压力的作用下，经过三个阶段的变形：一是经过轴向类似圆柱墩粗变形阶段；二是径向挤压大变形阶段；随着压力机带动冲头继续向下挤压，金属开始沿着“山”字形挤压腔底径向挤压，此过程中，金属流经差速挤压带后缩径挤压进入内径较小的挤压通道；三是转角挤压剪切变形阶段；压力机带动冲头继续向下挤压金属进入“山”字形挤压腔底部圆角区域，金属受剪切应力作用沿着凹模壁轴向向上流动，形成镁合金杯形件的筒壁；(6)挤压成形完成后：停止压力机上工作台的向下运动；拧紧上模板与下模座套连接的紧固螺栓，松开下模座套、下垫板及下模板连接处的紧固螺栓；压力机上工作台反向向上运动，带动冲头上升并与杯形件脱离，同时上模板带动下模座套上升，与组合式凹模脱离；通过液压缸顶出缸对顶杆作用，将镁合金杯形件从组合式凹模中顶出。...

【技术特征摘要】
1.一种镁合金高性能杯形件的差速挤压成形方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)棒材下料；(2)均匀化热处理，形成镁合金毛坯；(3)成形前准备：将镁合金毛坯加热到成形温度并保温，并将差速挤压成形模具整体预热至镁合金坯料成形温度以上并保温；所述的差速挤压成形模具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以及组合式凹模；所述的上模具组件包括与压力机的上工作台连接的上模板、与上模板相接的上模座套以及上模座套内置的冲头；所述的上模板用紧固螺栓装配在压力机上工作台上，所述冲头的上端放置在上模座套的内部中心线上，冲头上端由圆柱销定位，四周通过内六角螺栓把上模座套与上模板固定，使冲头牢牢紧固于上模座套中；所述的组合式凹模包括，“T”形上凹模和“U”形下凹模，所述的“T”形上凹模内部为圆柱形型腔，与冲头间隙配合，“T”形上凹模上端设有环形锥面，与下模座套型腔上端锥面限位配合；所述的“U”形下凹模内部为回转体型腔；“T”形上凹模安装在“U”形下凹模的回转体型腔内，回转体型腔和圆柱形型腔共同组成的截面形状为“山”字形挤压腔；所述的下模具组件包括下模板座套、下垫板及下模板；所述的下模座套内部为圆柱形型腔，型腔内部与组合式凹模间隙配合，型腔上端以环形锥面收口，以对上凹模限...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛勇，陈帅帅，张治民，李国俊，王强，白冰，杨博文，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14