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缩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缩径旋转挤压成形模具，实现管材缩径的同时，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缩径旋转挤压成形模具，包括与压力机连接的上模具组件、凸模、凹模和下模具组件，所述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；所述垫块固定在下模板上，下模板连接旋转机构；

所述凹模为横截面呈“m”形的回转体，由一实心块中部向下延伸的中柱和由实心块边部向下延伸的环柱构成，且所述中柱的长度大于环柱的长度，所述中柱末端连接在所述垫块上；

所述凸模的内部设有倒“t”形阶梯型腔，所述凸模通过倒“t”形阶梯型腔包覆在所述环柱和垫块的外侧，且与凹模、垫块共同构成成形型腔，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，所述倒“t”形阶梯型腔的下半段与环柱侧壁之间构成挤入段型腔，挤入段型腔供管材放置，且倒“t”形阶梯型腔的阶梯面抵接在管材的上端面；所述倒“t”形阶梯型腔的上半段与环柱侧壁形成间隙配合，所述环柱和中柱之间构成挤出段型腔，所述垫块上方和环柱下端之间构成所述变形段型腔，所述变形段型腔连通所述挤入段型腔和所述挤出段型腔，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。

进一步，所述垫块的上端面设计为变截面。

进一步，所述中柱末端呈“十”字形，所述垫块内部开设有倒“t”形卡槽，所述“十”字形中柱配合置入倒“t”形卡槽中，并在“十”字形上端面套设上滚动轴承、在“十”字形下端面套设下滚动轴承，从而使所述垫块可相对中柱末端进行旋转。

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，上模座套用于固定凸模。

进一步，所述下模具组件还包括下销钉和下螺钉，所述垫块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、由于挤入段型腔位于在变形段型腔的上方边部，挤出段型腔设置在变形段型腔的上方中部，所以挤入段型腔的直径大于挤出段型腔的直径，从而金属可以由边部的挤入段型腔向中部的挤出段型腔流动，从而达到缩径管材的目的，过程简单且成形效率高。

二、本发明针对的是管材的缩径，而非一般块状坯料的缩径，一方面，因为管材是具有内通孔的管状型材，所以成形难度更大，另一方面，块状坯料的缩径一般只是外侧金属差生形变，而中部金属不产生形变，所以只是单纯的缩径，力学性能得不到增强，本发明采用凸模包裹凹模的挤压方式对管材进行整体缩径和形变，从模具结构上与现有缩径模具就存在极大差异，不仅结构更加简单，而且成形应变量更大。

三、在缩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。

四、在整个缩径变形过程中，旋转机构只需带动垫块和下模板进行旋转，垫块和下模板体积小，耗能低，大大减少了电机功率，无需将整个凹模进行旋转，节能减排。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为本发明一实施例凹模的结构示意图；

图5为本发明一实施例等截面垫块的结构示意图；

图6为图5的仰视图；

图7为本发明一实施例变截面垫块的结构示意图一；

图8为本发明一实施例变截面垫块的结构示意图二；

图9为本发明一实施例成形型腔的结构示意图；

图10为本发明一实施例缩径旋转挤压开始示意图；

图11为本发明一实施例缩径旋转挤压进行中示意图；

图12为本发明一实施例缩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-凸模，21-倒“t”形阶梯型腔，22-阶梯面，3-凹模，31-实心块，32-中柱，33-环柱，34-上滚动轴承，35-下滚动轴承，4-下模具组件，41-垫块，411-变截面，412-倒“t”形卡槽，42-下模板，43-下销钉，44-下螺钉，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缩径旋转挤压成形模具，请参阅图1至图12，包括与压力机上工作台(图中未示出)连接的上模具组件1、凸模2、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用于固定凸模2，从而使所述凸模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，所述垫块41底部通过下螺钉44和下销钉43固定在下模板42上，下模板42连接旋转机构带动垫块41一起旋转。

如图1和图4所示，所述凹模3为横截面呈“m”形的回转体，凹模3由一实心块31中部向下延伸的中柱32和由实心块31边部向下延伸的环柱33构成，且所述中柱32的长度h大于环柱33的长度h，所述中柱32末端呈“十”字形，所述垫块41内部开设有倒“t”形卡槽412，结合图5和图6所示，所述“十”字形中柱32末端配合置入倒“t”形卡槽412中，并在“十”字形上端面套设上滚动轴承34、在“十”字形下端面套设下滚动轴承35，从而使所述中柱32末端连接在所述垫块41上，当垫块41旋转时，凹模3保持静止，上、下滚动轴承34,35可以增加垫块41的轴向载荷。

如图2和图3所示，所述凸模2的内部设有倒“t”形阶梯型腔21，所述凸模2通过倒“t”形阶梯型腔21包覆在所述环柱33和垫块41的外侧，且与凹模3、垫块41共同构成成形型腔5，结合图1和图9所示，所述成形型腔5包括挤入段型腔51、变形段型腔52以及挤出段型腔53，所述倒“t”形阶梯型腔21的下半段与环柱33侧壁之间构成挤入段型腔51，挤入段型腔51供管材6放置，且倒“t”形阶梯型腔的阶梯面22抵接在管材6的上端面；所述倒“t”形阶梯型腔21的上半段与环柱33侧壁形成间隙配合，所述环柱33和中柱32之间构成挤出段型腔53，所述垫块41上方和环柱33下端之间构成所述变形段型腔52，所述变形段型腔52连通所述挤入段型腔51和所述挤出段型腔53，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，所述挤入段型腔51、变形段型腔52、挤出段型腔53共同处于凹模3的中心轴线上。

如图7和图8所示，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10-12，一种高性能铝镁合金管材缩径旋转挤压成形方法，包括以下步骤：

s1：下料；

s2：均匀化处理:将管材坯料加热到400℃均匀化保温24h后室温空冷；

s3：缩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，同时下模板42下方连接旋转机构；

s4：缩径旋转挤压成形过程：在凸模2内表面、凹模3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，凸模2轴向向下移动，倒“t”形阶梯型腔的阶梯面22抵接在管材6的上端面，挤压开始，管材6同时受到凸模2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的上方中部，挤入段型腔51设置在变形段型腔52的上方边部，所以挤出段型腔53的直径小于挤入段型腔51的直径，从而达到缩径管材的目的，直到倒“t”形阶梯型腔的阶梯面22抵接到垫块41上，缩径凸模停止向下移动；

s5：成形结束：凸模2向上移动复位，再取出凹模3，随后取出缩径旋转挤压变形后的管材6，最后卸下模具。

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。在整个缩径变形过程中，旋转机构只需带动垫块进行旋转，无需将整个凹模进行旋转，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的管材坯料进行缩径，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0rad/s、0.209439rad/s，当本发明旋转速度为0时，缩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为3.34；当本发明旋转速度为0.209439rad/s时，缩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为4.25，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，缩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为4.25，当垫块上表面为波浪形的变截面时，缩径旋转挤压变形中的平均等效应变值为5.63，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。