專利名稱：螺旋分流擠壓鎂合金棒材的模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱加工領(lǐng)域，具體是一種螺旋分流擠壓鎂合金棒材的模具。
背景技術(shù)：
金屬鎂及鎂合金是當(dāng)前工程上應(yīng)用最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，具有導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽效果好、機(jī)械加工性能好、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼和減震性好、零件尺寸穩(wěn)定等許多優(yōu)點(diǎn)，而且鎂資源豐富并且又易于回收利用，非常有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)性發(fā)展，鎂資源又是21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，因此在航空、航天、計(jì)算機(jī)、電子、通訊、汽車和家電行業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域都非常具有吸引力，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”。盡管這樣，由于受材料的制備、加工技術(shù)的落后等因素的制約，鎂合金的發(fā)展?jié)摿εc實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀之間存在具大的差距，特別與鎂資源的儲(chǔ)量等因素形成鮮明對(duì)比，當(dāng)前鎂合金尤其是變形鎂合金的應(yīng)用量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鋼鐵和鋁合金。近代船舶、交通、軍事工業(yè)、航空、航天和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)具有高性能、輕量化和其他優(yōu)異綜合性能的先進(jìn)材料的需求量不斷增加，促使我們致力于新型高性能鎂合金及先進(jìn)制備技術(shù)的研究開發(fā)以提高傳統(tǒng)鎂合金系(如Mg-Re系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系等)的綜合性能,從而滿足結(jié)構(gòu)材料的使用要求。鎂合金輕質(zhì)棒材是用在航空航天等需要減輕重量的高精尖科技產(chǎn)品中，尤其應(yīng)用在強(qiáng)度要求不是很高的部件中，如一些螺栓的坯料。其發(fā)展?jié)摿εc實(shí)際應(yīng)用之間存在巨大的差距，因此迫切需要開發(fā)新的加工工藝制造輕質(zhì)棒材。嚴(yán)重塑性變形(severe plastic deformation, SPD)能夠細(xì)化晶粒,改善鎂合金性能。SF1D主要包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓(equal channel angular extrusion, ECAE)、高壓扭轉(zhuǎn)變形(high pressure torsion,HPT)和多向鍛造(multiple forging,MPF)等。ECAE 成為目前研究的熱點(diǎn)，但是ECAE具有單道次變形量小等缺點(diǎn)，比如將晶粒為30 y m的鎂合金細(xì)化到10 y m以下需要4飛道次ECAE擠壓(轉(zhuǎn)角擠壓)。因此研究開發(fā)新的擠壓工藝非常重要。本發(fā)明將提出新型的分流螺旋擠壓，如附圖1，即將分流模具的直通道改造為螺旋通道，合金經(jīng)分流孔進(jìn)入螺旋通道在進(jìn)入直通道。在此工藝下，由于存在擠壓和扭轉(zhuǎn)對(duì)金屬的同時(shí)作用使得單道次的變形量更大，單道次的分流螺旋擠壓擠壓作用就可獲得細(xì)小晶粒尺寸的材料，從而可有效克服ECAE需要多道次擠壓的不足。在公開號(hào)CN1357420的發(fā)明專利‘等通道轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)擠壓裝置’中，敘述了一種通過類似螺釘上的螺紋的螺旋槽的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)和傳統(tǒng)等通道轉(zhuǎn)角擠壓結(jié)合的機(jī)械裝置，坯料在安裝在止推軸承上的圓柱棒與其摩擦力和推動(dòng)力的共同作用下在通過轉(zhuǎn)角通道之前發(fā)生扭轉(zhuǎn)。其原理是定位銷卡在螺旋槽內(nèi)，當(dāng)帶有螺旋槽的桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)使桿上下移動(dòng)。該方法的主要特點(diǎn)是并非使用擠壓機(jī)進(jìn)行液壓推動(dòng)擠壓，而是通過旋轉(zhuǎn)動(dòng)力裝置使得擠壓桿在螺旋槽和定位銷的配合下運(yùn)動(dòng)，每次生產(chǎn)一件短棒，短棒需要經(jīng)過多道次加工成為細(xì)晶棒材。其缺點(diǎn)在于僅僅通過創(chuàng)新裝置改變了擠壓的動(dòng)力源，但并未從實(shí)質(zhì)上改變金屬的流動(dòng)規(guī)律，與傳統(tǒng)的等通道轉(zhuǎn)角擠壓沒有本質(zhì)上的區(qū)別。在公開號(hào)CN1695885A的發(fā)明專利‘鎂合金擠壓棒材的制造方法’中，敘述了一種用來擠壓鎂合金棒材的方法，其特點(diǎn)在于通過將鑄造的鎂合金棒材加熱后直接擠壓，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這種方法的缺點(diǎn)是僅僅通過一定擠壓比的擠壓后合金的晶粒細(xì)化程度不夠，由于直接擠壓的棒材各處變形不均，導(dǎo)致棒材的各處材質(zhì)不均，晶粒尺寸不均勻，實(shí)現(xiàn)的是每次擠壓生產(chǎn)I件產(chǎn)品。在公開號(hào)CN101773946A的發(fā)明專利‘鎂合金方形等通道旋形型腔的擠壓模具及擠壓方法’中，敘述了一種用來擠壓鎂合金方形截面棒材的方法，其特點(diǎn)與等通道轉(zhuǎn)角擠壓相似，通過將方形鎂合金棒材在模腔內(nèi)與模具一起加熱，然后以2-4mm/s的速度將棒材從模具另一端擠出。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是一定程度的改善了合金組織，細(xì)化了晶粒，也使得棒材橫截面各處變形均勻。這種方法的缺點(diǎn)是僅僅通過該模具將坯料變形，變形的過程類似于對(duì)棒材進(jìn)行扭擰擠壓，棒材擠壓前后截面尺寸形狀不變，僅僅適用于方形截面的棒料，也只用于每次I件棒料的生產(chǎn)。傳統(tǒng)方法加工的鎂合金棒晶粒粗大或者不均勻，或者需要較多道次的加工才能細(xì) 化合金晶粒，機(jī)械性能和塑性差。有鑒于此，本發(fā)明提供一種螺旋分流擠壓制備高性能鎂合金輕質(zhì)棒材的模具。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種使合金在通過分流?？诤笱刂戎睆铰菪屯ǖ纼?nèi)流動(dòng)，最后進(jìn)入矯直通道擠出棒材的擠壓模具，使金屬在連續(xù)的扭轉(zhuǎn)和剪切同時(shí)作用下獲得均勻細(xì)晶的鎂合金棒材的生產(chǎn)。該方法通過在工藝步驟中控制精確的參數(shù)，使得在即便較小擠壓比下的擠壓過程亦能實(shí)現(xiàn)鎂合金的晶粒細(xì)化，從而提高合金的各項(xiàng)性能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的晶粒粗大、性能不高、每模單件生產(chǎn)的鎂合金輕質(zhì)棒材生產(chǎn)問題，本發(fā)明提出了一種螺旋分流擠壓鎂合金棒材的模具。本發(fā)明包括分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模；所述分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模均為等徑圓柱體，將分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模依次自下而上組合稱為整體；在所述分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模內(nèi)有軸向的金屬流通通道，并且分別位于分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模上的金屬流通通道之間相互貫通；通過連接螺栓將分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模固連。分流螺旋模的下端面中心上有4個(gè)對(duì)稱分布的同徑直孔，形成了金屬流通通道；所述的金屬流通通道的中心線均與分流螺旋模的中心線平行；在所述各金屬流通通道的下端分別與螺旋形金屬流通通道連通；各螺旋形金屬流通通道貫通至分流螺旋模的上端面，所述螺旋形金屬流通通道的長(zhǎng)度為1/8螺距；輔助螺旋模的下端面中心上有4個(gè)對(duì)稱分布的同徑貫通孔，為金屬流通通道，并且所述的各金屬流通通道的位置與分流螺旋模上金屬流通通道的位置對(duì)應(yīng)；所述各金屬流通通道的一端分別與分流螺旋模上的螺旋形金屬流通通道連通，另一端與矯直模上的金屬流通通道連通；所述位于輔助螺旋模上的金屬流通通道亦為螺旋形，該螺旋形金屬流通通道的長(zhǎng)度為1/8螺距。矯直模下端面中心上對(duì)稱有4個(gè)對(duì)稱分布的同徑直通孔，為金屬流通通道，并且所述的各金屬流通通道的位置與輔助螺旋模上螺旋形金屬流通通道的位置對(duì)應(yīng)，所述矯直模上各金屬流通通道的一端分別與輔助螺旋模上的金屬流通通道連通。
使用時(shí)，在裝配后的模具內(nèi)孔刷石墨水，并在出口附近涂抹動(dòng)物油脂或機(jī)油，將坯料加熱至420°C保溫12小時(shí)完成均勻化處理以達(dá)到坯料內(nèi)部組織均勻后冷卻至380°C保溫I小時(shí)以上，起到變形坯料材質(zhì)均勻的前提。模具和擠壓筒的工作溫度為350°C。將處理完成的AZ31鎂合金裝入擠壓筒，擠壓桿初始擠壓速度設(shè)為4mm/s，待合金分流進(jìn)入螺旋通道之后將擠壓速度調(diào)高至5mm/s，待擠出棒材長(zhǎng)度約50mm后將擠壓速度調(diào)高至6mm/s保持勻速完成整根坯料的擠壓。圖5和圖6給出了分流螺旋擠壓分流孔內(nèi)的合金晶粒細(xì)化模型和過程。本發(fā)明中，當(dāng)坯料剛進(jìn)入分流孔時(shí)，大部分晶粒為原始鑄態(tài)晶粒，晶粒十分粗大，在扭轉(zhuǎn)和剪切應(yīng)力的同時(shí)作用下，晶粒開始發(fā)生破碎和少量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，由于有限的應(yīng)變，此時(shí)微觀組織不均勻，新的晶粒主要在剪切帶內(nèi)和晶界處形成，所以導(dǎo)致原始組織的晶界上分布著細(xì)小晶粒。隨著金屬流在分流孔內(nèi)連續(xù)的、均勻的扭轉(zhuǎn)著進(jìn)入螺旋通道時(shí)，晶粒也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和承受著剪切應(yīng)變，變形材料進(jìn)一步發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。通過交滑移和攀滑移，位錯(cuò)堆積越來越大，最終導(dǎo)致位錯(cuò)重排，亞結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)指使大角度晶粒不斷形成。大變形條件下積累了大量的形變儲(chǔ)能，晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，能位較高的區(qū)域也產(chǎn)生大量的晶核，大部分晶粒都破碎成細(xì)小 的再結(jié)晶組織。由于在螺旋通道內(nèi)的金屬具有非軸向性，因此需要矯直，即合金進(jìn)入矯直通道進(jìn)行矯直，最后形成產(chǎn)品。產(chǎn)品各部分合金最終的變形情況具有近似性，所以最終形成均勻細(xì)小的等軸晶粒，在AZ31鎂合金坯料變形溫度為380°C，擠壓速度為3mm s^,AZ31鎂合金在分流螺旋擠壓熱擠壓變形過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，顯著地細(xì)化了晶粒，經(jīng)過直徑為24mm的通道1/4螺距行程，平均晶粒減小到約3_5 y m，且晶粒大小均勻。如圖7所示。


附圖I是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖Ia是立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖Ib是本發(fā)明中一個(gè)金屬流通通道的結(jié)構(gòu)示意圖，圖Ic是本發(fā)明中四個(gè)金屬流通通道的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖2a是本發(fā)明的俯視圖，圖2b是圖2a的A向視圖；圖2c是圖2a的B向視圖。附圖3是分流螺旋模的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖3a是分流螺旋模的底視圖；圖313是圖3a的D向視圖；圖3c是圖3a的C向視圖；圖3d是助螺旋模的三維視圖。附圖4是輔助螺旋模的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖4a是輔助螺旋模的三維示意圖；圖4b是輔助螺旋模的底視圖；圖4c是圖4b的E向視圖；圖4d是圖4b的F向視圖。附圖5是矯直模的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖5a是矯直模的三維視圖；圖513是矯直模的俯視圖；圖5c是圖5b的G向視圖；圖5d是圖5b的H向視圖。附圖6是擠壓過程金屬流動(dòng)成形示意圖；附圖7是晶粒細(xì)化過程示意圖；附圖8是擠出產(chǎn)品的微觀組織圖。圖中I.分流螺旋模2.輔助螺旋模3.矯直模4.定位銷5.連接螺栓6.坯料
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例是一種螺旋分流擠壓制作鎂合金輕質(zhì)棒材的模具，用于成形寬度為直徑為24mm的AZ31鎂合金圓棒材，成形過程采用的擠壓機(jī)噸位為630t。采用H13熱作模具鋼制作模具和其余擠壓工具。如圖I所示。本實(shí)施例包括分流螺旋模I、輔助螺旋模2和矯直模3。所述分流螺旋模I、輔助螺旋模2和矯直模3均為用H13制成的等徑圓柱體，按照分流螺旋模I、輔助螺旋模2和矯直模3的次序自下而上組合稱為整體，形成了本實(shí)施例所稱的螺旋分流擠壓制作鎂合金輕質(zhì)棒材的模具。在所述分流螺旋模I、輔助螺旋模2和矯直模3內(nèi)有軸向的金屬流通通道，并且分別位于分流螺旋模I、輔助螺旋模2和矯直模3上的金屬流通通道之間相互貫通。通過連接螺栓5將分流螺旋模I、輔助螺旋模2和矯直模3固連。如圖2所示，分流螺旋模I為圓柱體。分流螺旋模的下端面中心上有4個(gè)對(duì)稱分布的直徑為24_、長(zhǎng)度為IOmm的直孔，形成了金屬流通通道。該金屬流通通道位于分流螺旋模I的下端面的入口的直徑為48mm，在該金屬入口處有90°圓弧倒角，該倒角形成的弧面為金屬的流動(dòng)面，能夠防止金屬在入口處堆積。所述的金屬流通通道的中心線均與分流螺旋模I的中心線平行。在所述各金屬流通通道的下端分別與螺旋形的金屬流通通道連通。各螺旋形金屬流通通道貫通至分流螺旋模I的上端面，所述螺旋形金屬流通通道的長(zhǎng)度為 1/8螺距。本實(shí)施例中螺旋形金屬流通通道的螺距為560mm，螺形線的公稱直徑為70mm。在分流螺旋模I上端面外緣處的圓周上對(duì)稱分布有兩個(gè)螺紋孔和兩個(gè)銷孔，并且兩個(gè)螺紋孔對(duì)稱分布，用于安裝連接螺栓5 ;兩個(gè)銷孔對(duì)稱分布，用于安裝定位銷4。所述的螺紋孔和銷孔均為盲孔。輔助螺旋模2為圓柱體。輔助螺旋模2的下端面中心上對(duì)稱有4個(gè)同徑的貫通孔，為金屬流通通道，并且所述的各金屬流通通道的位置與分流螺旋模I上金屬流通通道的位置對(duì)應(yīng)。所述各金屬流通通道的一端分別與分流螺旋模I上的螺旋形金屬流通通道連通，另一端與矯直模3上的金屬流通通道連通。所述位于輔助螺旋模2上的金屬流通通道亦為螺旋形，該螺旋形金屬流通通道的長(zhǎng)度為1/8螺距，直徑為24_。本實(shí)施例中螺旋形金屬流通通道的螺距為560_，螺形線的公稱直徑為70_。在輔助螺旋模2的外圓周表面有一個(gè)起吊螺栓孔。在輔助螺旋模2上的螺旋形金屬流通通道的外側(cè)對(duì)稱分布有一對(duì)螺桿通孔和一對(duì)銷孔，并且兩個(gè)螺紋孔對(duì)稱分布，用于安裝連接螺栓5;兩個(gè)銷孔對(duì)稱分布，用于安裝定位銷4。所述螺桿通孔和銷孔的中心線均與輔助螺旋模2的軸線對(duì)稱。矯直模3為圓柱體。在矯直模3下端面中心上對(duì)稱有4個(gè)同徑的貫通孔，為金屬流通通道，并且所述的各金屬流通通道的位置與輔助螺旋模2上螺旋形金屬流通通道的位置對(duì)應(yīng)，并且矯直模3上各金屬流通通道的一端分別與輔助螺旋模2上的金屬流通通道連通。所述位于輔助螺旋模2上的金屬流通通道為直通孔。在矯直模3上的金屬流通通道的外側(cè)亦對(duì)稱分布有一對(duì)有沉孔的螺桿通孔和一對(duì)銷孔，并且兩個(gè)螺紋孔對(duì)稱分布，用于安裝連接螺栓5 ;兩個(gè)銷孔對(duì)稱分布，用于安裝定位銷4。所述螺桿通孔和銷孔的中心線均與輔助螺旋模2的軸線對(duì)稱。加工分流螺旋模I和輔助螺旋模2時(shí)，在數(shù)控機(jī)床上采用針鉆頭從兩個(gè)端面按尺寸多鉆次加工螺旋線孔，數(shù)控機(jī)床加工后的螺旋線內(nèi)孔壁呈階梯狀，后用金剛石柔性研磨繩磨光。將3個(gè)模具主要構(gòu)件裝配后將整體模具簡(jiǎn)易粘連后整體鉆銷孔和螺栓基孔。本實(shí)施例裝配后在模具內(nèi)孔刷石墨水，并在出口附近涂抹動(dòng)物油脂或機(jī)油，采用的AZ31鎂合金的坯料6為092mmX450mm。將坯料6加熱至420°C保溫12小時(shí)完成均勻化處理以達(dá)到坯料內(nèi)部組織均勻后冷卻至380°C保溫I小時(shí)以上，起到變形坯料材質(zhì)均勻的前提。模具和擠壓筒的工作溫度為350°C。將處理完成的AZ31鎂合金裝入擠壓筒，擠壓 桿初始擠壓速度設(shè)為4mm/s，待合金分流進(jìn)入螺旋通道之后將擠壓速度調(diào)高至5mm/s，待擠出棒材長(zhǎng)度約50mm后將擠壓速度調(diào)高至6mm/s保持勻速完成整根坯料的擠壓。該方法生產(chǎn)的棒材晶粒均勻細(xì)小，如圖7。
權(quán)利要求
1.一種螺旋分流擠壓鎂合金棒材的模具，其特征在于，包括分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模；所述分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模均為等徑圓柱體，將分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模依次自下而上組合稱為整體；在所述分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模內(nèi)有軸向的金屬流通通道，并且分別位于分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模上的金屬流通通道之間相互貫通；通過連接螺栓將分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模固連； 分流螺旋模的下端面中心上有4個(gè)對(duì)稱分布的同徑直孔，形成了金屬流通通道；所述的金屬流通通道的中心線均與分流螺旋模的中心線平行；在所述各金屬流通通道的下端分別與螺旋形金屬流通通道連通；各螺旋形金屬流通通道貫通至分流螺旋模的上端面，所述螺旋形金屬流通通道的長(zhǎng)度為1/8螺距； 輔助螺旋模的下端面中心上有4個(gè)對(duì)稱分布的同徑貫通孔，為金屬流通通道，并且所述的各金屬流通通道的位置與分流螺旋模上金屬流通通道的位置對(duì)應(yīng)；所述各金屬流通通道的一端分別與分流螺旋模上的螺旋形金屬流通通道連通，另一端與矯直模上的金屬流通通道連通；所述位于輔助螺旋模上的金屬流通通道亦為螺旋形，該螺旋形金屬流通通道的長(zhǎng)度為1/8螺距； 矯直模下端面中心上對(duì)稱有4個(gè)對(duì)稱分布的同徑直通孔，為金屬流通通道，并且所述的各金屬流通通道的位置與輔助螺旋模上螺旋形金屬流通通道的位置對(duì)應(yīng)，所述矯直模上各金屬流通通道的一端分別與輔助螺旋模上的金屬流通通道連通。
全文摘要
一種螺旋分流擠壓鎂合金棒材的模具，將分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模依次自下而上組合稱為整體。在所述分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模內(nèi)有軸向的金屬流通通道，并且分別位于分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模上的金屬流通通道之間相互貫通；通過連接螺栓將分流螺旋模、輔助螺旋模和矯直模固連。所述分流螺旋模、輔助螺旋模上的金屬流通通道為螺旋形，所述矯直模上的金屬流通通道為直通道。產(chǎn)品各部分合金最終的變形情況具有近似性，最終形成均勻細(xì)小的等軸晶粒，AZ31鎂合金在分流螺旋擠壓熱擠壓變形過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，顯著地細(xì)化了晶粒，經(jīng)過直徑為24mm的通道1/4螺距行程，平均晶粒減小到約3-5μm，且晶粒大小均勻。
文檔編號(hào)B21C25/02GK102744282SQ201210250150
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者楊合, 潘霞, 石磊, 胡琳琳, 董可可, 郭良剛, 陳孝慶, 陳建華 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)