本发明属于金属塑性加工工艺及成形技术领域，具体涉及一种高性能铝镁合金管材扩径旋转挤压成形模具。

背景技术：

随着航空航天、汽车工业和国防军工领域快速发展以及地球石油资源的急剧消耗，对于高强韧轻质的金属构件的需求越来越大。管材作为金属构件在制坯阶段重要的原材料，其本身具的性能对于后续金属构件的加工具有重要意义。铝/镁合金具有质量轻、比刚度高、耐磨损以及易于加工回收等特点，受到了越来越多研究人员的关注。但是由于铸态铝/镁合金管材力学性能低下，塑性成形可大幅提高铝/镁合金管材的力学性能，已成为国内外研究热点。

传统的管材塑性成形工艺主要为正挤压，但是由于正挤压过程中会沿管材挤压方向形成强烈的基面织构和带状组织，造成管材的力学性能的强烈的各向异性，严重影响了铝/镁合金管材的综合力学性能，甚至会导致管材在二次加工中发生开裂等现象。这些原因严重限制了铝/镁合金管材在工业领域的广泛使用。

研究表明大塑性变形，尤其是剪切变形能够显著细化铝/镁合金晶粒，改善正挤压工艺造成的强烈的基面织构，获得良好的综合力学性能；同时，专利号为201910965819.4的在先文献公开了扭转变形也能够有效改善铝/镁合金的力学性能的各向异性。但是在实际研究中，将多种变形方式相结合的加工方式并不多见。如何将镦粗、挤压、剪切甚至扭转等多种变形方式结合起来，达到提高铝/镁合金管材综合力学性能以及改善目前高性能棒料制坯过程中存在的工序复杂和成形效率低的问题，这是本领域人员所面对的难点。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种高性能铝镁合金管材扩径旋转挤压成形模具，实现管材扩径的同时，提高应变量，改善合金的综合力学性能。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种高性能铝镁合金管材扩径旋转挤压成形模具，包括与压力机连接的上模具组件、“t”形凸模、分体凹模和下模具组件，所述“t”形凸模固定在上模具组件上，所述下模具组件包括垫块和下模板；

所述分体凹模包括上凹模和下凹模，上凹模合并在下凹模的顶部，下凹模的底部固定在下模板上，上凹模和下凹模内设有成形型腔，成形型腔的底部设置所述垫块，所述下模板开设贯穿孔供垫块连接旋转机构；所述“t”形凸模的上半段直径大于下半段直径；

所述成形型腔包括挤入段型腔、变形段型腔以及挤出段型腔，所述变形段型腔设置在垫块的上方，变形段型腔连通所述挤入段型腔和所述挤出段型腔，挤出段型腔设置在变形段型腔的上方边部，挤入段型腔设置在变形段型腔的上方中部，使得变形段型腔分别在与挤入段型腔、挤出段型腔的连通处构成差速转角，挤入段型腔供管材和“t”形凸模分别置入，“t”形凸模的下半段与挤入段型腔的腔壁之间留有供管材放置的空间，“t”形凸模的上半段供管材的上端面抵接，并与挤入段型腔的腔壁形成间隙配合，所述垫块在“t”形凸模的下方同轴开设用于“t”形凸模下半段穿过的让位通孔。

进一步，所述垫块的上端面设计为变截面。

进一步，所述“t”形凸模下半段至所述让位通孔之间的高度距离小于所述“t”形凸模上半段至所述管材上端面的高度距离。

进一步，所述挤出段型腔的顶端突出于所述下凹模，该突出部分形成于所述上凹模内。

进一步，所述上凹模外侧形成环形凸缘，环形凸缘上均布四个安装孔，即安装孔之间的设置间隔为90°，所述下模板对应安装孔的位置设有沉头孔，沉头孔和安装孔之间采用螺栓连接，并用螺母配合螺栓进行固定，螺栓与螺母之间设置有垫圈，从而将上凹模与下凹模合并在一起并固定在下模板上。

进一步，所述上模具组件包括与压力机连接的上模板、上模座套、上销钉和上螺钉，所述上模座套通过上销钉以及上螺钉固定在上模板下方，上模座套用于固定“t”形凸模。

进一步，所述下模具组件还包括下销钉和下螺钉，所述下凹模底部通过下螺钉和下销钉固定在下模板上。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

一、由于挤出段型腔设置在变形段型腔的上方边部，挤入段型腔设置在变形段型腔的上方中部，所以挤出段型腔的直径大于挤入段型腔的直径，从而金属可以由中部的挤入段型腔向边部的挤出段型腔流动，从而达到扩径管材的目的，过程简单且成形效率高。

二、在扩径旋转挤压的变形过程中，管材经历了两次剪切变形，第一差速角使得金属在由挤入段型腔流向变形段型腔时，其横截面积的金属流动速率不同，造成了横截面方向的应力梯度，发生了第一次剪切变形；同理，第二差速角使得金属发生了第二次剪切变形；所以金属由挤入段型腔流向挤出段型腔的过程中，发生了两次剪切变形，增大了变形金属的晶粒细化程度，提高了累积应变量改善管材力学性能的各向异性。

三、在整个扩径变形过程中，旋转机构只需带动垫块进行旋转，无需将整个分体凹模和下模具组件进行旋转，节能减排，大大减少了电机功率。而且，垫块旋转使得金属在经过成形型腔时，不仅发生了两次剪切变形，还经历了扭转变形，提高了单道次应变量，进一步改变了金属变形时的应力状态，使得金属变形更加均匀。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一实施例“t”形凸模的结构示意图；

图3为图2的仰视图；

图4为本发明一实施例垫块的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为本发明一实施例变截面垫块的结构示意图一；

图7为本发明一实施例变截面垫块的结构示意图二；

图8为本发明一实施例成形型腔的结构示意图；

图9为本发明一实施例扩径旋转挤压开始示意图；

图10为本发明一实施例扩径旋转挤压进行中示意图；

图11为本发明一实施例扩径旋转挤压完成示意图。

标号说明：

1-上模具组件，11-上模板，12-上模座套，13-上销钉，14-上螺钉，2-“t”形凸模，21-上半段，22-下半段，3-分体凹模，31-上凹模，311-环形凸缘，312-安装孔，32-下凹模，4-下模具组件，41-垫块，411-变截面，412-让位通孔，42-下模板，421-沉头孔，422-螺栓，423-螺母，424-垫圈，43-下销钉，44-下螺钉，45-贯穿孔，5-成形型腔，51-挤入段型腔，52-变形段型腔，53-挤出段型腔，54-第一差速转角，55-第二差速转角，6-管材。

具体实施方式

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。

一实施例：

本发明提供一种高性能铝镁合金管材扩径旋转挤压成形模具，请参阅图1至图8，包括与压力机上工作台(图中未示出)连接的上模具组件1、“t”形凸模2、分体凹模3和下模具组件4。

所述上模具组件1包括与压力机上工作台连接的上模板11、上模座套12、上销钉13和上螺钉14，所述上模座套12通过上销钉13以及上螺钉14固定在上模板11下方，上模座套12用于固定“t”形凸模2，从而使所述“t”形凸模2可拆卸地固定在上模具组件1上。

所述下模具组件4包括垫块41、下模板42、下销钉43和下螺钉44，所述分体凹模3包括上凹模31和下凹模32，上凹模31合并在下凹模32的顶部，并且所述上凹模31外侧形成环形凸缘311，环形凸缘311上均布四个安装孔312，即安装孔312之间的设置间隔为90°，所述下模板42对应安装孔312的位置设有沉头孔421，沉头孔421和安装孔312之间采用螺栓422连接，并用螺母423配合螺栓422进行固定，螺栓422与螺母423之间设置有垫圈424，所述下凹模32底部通过下螺钉44和下销钉43固定在下模板42上，从而可以使上凹模31与下凹模32合并一起且同时固定在下模板42上。

上凹模31和下凹模32内设有成形型腔5，成形型腔5的底部设置所述垫块41，所述下模板42开设贯穿孔45供垫块41连接旋转机构(图中未示出)，旋转机构工作时，只有垫块41在旋转，而上凹模31和下凹模32均为固定状态；所述“t”形凸模2为横截面呈“t”字形的凸模，因此，“t”形凸模2的上半段21直径d大于下半段22直径d，如图2和图3所示。

结合图1和图8，所述成形型腔包括挤入段型腔51、变形段型腔52以及挤出段型腔53，所述变形段型腔52设置在垫块41的上方，变形段型腔52由上凹模31、下凹模32和垫块41一同构成，变形段型腔52连通所述挤入段型腔51和所述挤出段型腔53，挤出段型腔53设置在变形段型腔52的上方边部，挤入段型腔51设置在变形段型腔52的上方中部，使得变形段型腔52在与挤入段型腔51的连通处构成第一差速转角54，变形段型腔52在与挤出段型腔53的连通处构成第二差速转角55，挤入段型腔51供管材6和“t”形凸模2分别置入，如图6所示，“t”形凸模2的下半段22与挤入段型腔51的腔壁之间留有供管材6放置的空间，“t”形凸模的上半段21供管材6的上端面抵接，并与挤入段型腔51的腔壁形成间隙配合，即挤入段型腔51的直径约等于上半段21的直径d，所述垫块41在“t”形凸模2的下方同轴开设用于“t”形凸模2下半段22穿过的让位通孔412。所述挤入段型腔51、变形段型腔52、挤出段型腔53共同处于分体凹模3的中心轴线上。

为了方便扩径后的管材脱模，所述成形型腔在分体凹模内的设计也为分体式，即所述挤出段型腔的顶端突出于所述下凹模，该突出部分形成于所述上凹模内，这样一来，在取下上凹模后，管材的顶端露出于下凹模，方便直接抓取、脱出。

本发明将垫块41的上端面设计为变截面411，在一实施例中，所述变截面411为平滑连续的波浪形，该设计目的将会在下面进行介绍。

请参阅图9-11，一种高性能铝镁合金管材扩径旋转挤压成形方法，包括以下步骤：

s1：下料；

s2：均匀化处理:将管材坯料6加热到400℃均匀化保温24h后室温空冷；

s3：扩径旋转挤压成形前准备:将均匀化后的管材6和模具加热至300℃并保温；将保温好的模具取出，上模具组件1安装固定在压力机上工作台上，下模具组件4安装固定在压力机下工作台(图中未示出)上，同时垫块41下方连接旋转机构；

s4：扩径旋转挤压成形过程：在“t”形凸模2外表面以及成形型腔5内表面涂抹上油基石墨后，取出保温完成的管材6，在管材6内表面和外表面快速均匀涂抹上油基石墨，接着将管材6放入挤入段型腔51内，此时管材6下端面接触在垫块41上；然后，开启压力机以及旋转机构，“t”形凸模2轴向向下移动，“t”形凸模2的下半段22先穿过管材6的内表面后，t”形凸模2的上半段21抵接管材6的上端面，挤压开始，管材6同时受到“t”形凸模上半段21的挤压以及垫块41的周向旋转，使得金属均匀流动，金属由挤入段型腔51通过第一差速转角54进入变形段型腔52，待充满变形段型腔52后，通过第二差速转角55反挤压进入挤出段型腔53，直至充满挤出段型腔53，由于挤出段型腔53设置在变形段型腔52的上方边部，挤入段型腔51设置在变形段型腔52的上方中部，所以挤出段型腔53的直径大于挤入段型腔51的直径，从而达到扩径管材的目的；

s5：成形结束：松开螺母423，取下垫圈424，再向上取出上凹模31，之后，取出扩径旋转挤压变形后的管材6，最后卸下模具。

作为本发明的进一步改进，所述“t”形凸模下半段22至所述让位通孔412之间的高度距离小于所述“t”形凸模上半段21至所述管材6上端面的高度距离，使得“t”形凸模上半段21在抵接到所述管材6上端面的时候，“t”形凸模下半段22就已经穿过让位通孔412，保证让位通孔412能给“t”形凸模下半段22让位的同时，让位通孔22在变形段型腔52的开口处还得到了封堵，避免金属流动从让位通孔412流出。

采用上述方案后，本发明与传统挤压技术相比，有以下有益效果：

(1)增大了单道次变形量，增强了晶粒细化的程度，提高了坯料的综合力学性能。传统挤压技术应变量小，且一般只能进行单道次变形，晶粒细化效果差；本发明通过将剪切变形与扭转变形相结合，实现了单道次变形内多次剪切变形以及扭转变形，极大提高了单道次应变量，提高了管材的综合力学性能。

(2)变形更加均匀，弱化力学性能的各向异性。传统挤压工艺成形的管材，通常具有强烈的基面织构，导致力学性能各向异性，极大限制了管材的广泛应用；目前研究表明剪切变形以及扭转变形可以有效改善力学性能的各向异性；本发明通过将剪切变形以及扭转变形在单道次变形内结合，不仅提高了变形量，而且改变了金属变形过程中的应力状态，使得金属变形更加均匀，有效改善了变形坯料的择优取向，弱化了基面织构，改善了力学性能的各向异性。

(3)应变量以及应力状态可控。在整个扩径变形过程中，旋转机构只需带动垫块进行旋转，无需将整个分体凹模和下模具组件进行旋转，节能减排，大大减少了电机功率。并且本发明垫块旋转速度更容易进行控制和改变，可以在不更换模具的前提下，改变变形坯料的应力状态和应变量；以及可以通过更换垫块，改变变形段型腔形状，改变变形坯料的应力状态和应变量，以满足不同条件下对管材不同性能的需求。

(4)普通垫块只是起到铺垫的作用，其上表面一般为平面，因此，普通垫块构成的变形段型腔52则为等截面通道，而本发明将垫块41的上端面设计为变截面411，在一实施例中，所述变截面411为平滑连续的波浪曲面，变截面411使得变形段型腔52由等截面通道变为变截面通道，增大了金属流经变形段型腔52时的摩擦力，造成金属在通过变形段型腔52时应力状态发生改变，进一步增大了应变量。

本实施例采用外径20mm、内径15mm以及高70mm的管材坯料进行扩径，差速转角均为90°，凸模下压速度为1mm/s，垫块旋转速度为0.209rad/s，润滑剂选择为油基石墨。借助deform-3d有限元模拟软件进行传统挤压工艺以及本发明管材旋转挤压成形模拟分析，进一步验证了本发明能够获得更大的塑性变形量。模拟参数设置方面，模具材料导入的是45钢模型，坯料材料导入的是az80。模具和坯料温度均为300℃，网格划分为50000，凸模下压速度为1mm/s，摩擦系数为0.3，旋转挤压速度为0.209439rad/s、0.418878rad/s和0.628317rad/s，当本发明旋转速度为0时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为3.04；当本发明旋转速度为0.209439rad/s时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为3.48，当本发明旋转速度为0.418878rad/s时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为5.21，当本发明旋转速度为0.628317rad/s时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为5.35，因为平均等效应变值是反应管材应变量大小的重要参数，所以由上述可以看出，平均等效应变值随着垫块的旋转速度的增大而增大，进而证明扭转变形有助于塑性变形量的增加。而在速度一定(旋转速度为0.209439rad/s)的情况下，当垫块上端面为平面时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为3.48，当垫块上表面为波浪形的变截面时，扩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为4.89，由数据可以直观反映出，垫块为变截面对管材应变量的大小起到积极的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。