一种连续变壁厚管材的挤压成型方法及设备

1.本发明属于材料加工成型领域，具体涉及一种连续变壁厚管材的挤压成型方法以及一种连续变壁厚管材的挤压成型设备。


背景技术：

2.铝合金和镁合金型材是目前应用最广泛的材料之一，在航空航天、交通运输、大型工业设备和其它新兴领域的应用上有着明显的优势，随着我国工业技术的迅速发展，对大型精密机械和常规大型型材挤出加工技术的要求不断提高，常规的大型型材挤压成型技术已经无法适应新的生产要求，因此，在新产品的研发和开发中，必须对其进行全面的研究和分析，采用新的工艺、新的目标和新的方法。
3.大型挤压型材是一种广泛应用于建筑物结构、道路桥梁、铁路轨道、车身车架、船舶、航空航天等领域的金属制品，它是通过金属在高温下被挤压成型而制成的，因此具有较高的强度和刚度，同时重量较轻，便于加工和安装，同时，大型挤压型材可以根据需要制成各种形状和尺寸，如圆形、方形、矩形、梯形等，还可以通过组合和加工来满足各种特殊需求，随着工业制造技术的发展和现代化建筑的需要，大型挤压型材的需求量不断增加，同时，为了满足客户的不同需求，生产商不断研发和改进生产技术，提高产品的质量和力学性能。
4.变壁厚管材是指在生产管材过程中，根据管材的加工要求和使用条件，控制管壁的厚度，以满足特定的强度和弹性需求；这种技术可以有效减少管材的重量，并增加管材的使用寿命。因此其具备如下优点：通过优化管壁的厚度，可以减轻管道的重量，这在注重减轻重量的应用中是有益的；改变管壁厚度的能力可以通过优化管壁中的材料分布来提高机械性能，从而提高其强度和刚度；调整管壁厚度的能力可实现更大的设计灵活性，从而可以根据其特定应用和环境条件优化管道的性能；控制管壁厚度的能力可以帮助提高管道的耐用性，从而降低随着时间的推移发生故障的风险；可变厚度壁管材料还可以提高材料的压应力，进而提高管道的耐腐蚀性，降低与腐蚀相关的故障风险，延长管道的使用寿命，管材的加工保证了整体无缝，某种程度上保证了整体管材的连续性及使用寿命；留过渡区是为了在加工过程中尽可能防止在金属加热过程中，处于半固态金属能够更好的成型，防止挤压过程中基本管材的形状和尺寸发生较大的变形，同时也为了方便矫正管材。
5.与等壁厚管材区别：等壁厚管材是指整个管材的壁厚值相同，而变壁厚管材是指管材的壁厚值在管长方向上不同，等壁厚管材适用于一些简单的工业管道、水管、燃气管等；变壁厚管材适用于一些高强度、高精度要求的工业管道、设备管等；等壁厚管材的加工难度较低，生产效率高；变壁厚管材的加工难度较高，但生产出的管材性能更优秀；等壁厚管材价格较低，适合大量生产；变壁厚管材价格较高，但性价比更高；等壁厚管材的使用寿命一般较短；变壁厚管材的使用寿命较长，能满足更高的使用要求；总体而言，等壁厚管材适用于简单、低成本的工业应用场景，变壁厚管材适用于高精度、高强度、长寿命的工业应用场景。
6.变壁厚挤压成型工艺存在一些技术难点，主要包括：如何控制型腔壁厚的变化是变壁厚挤压成型工艺的关键技术难点；模具设计需要考虑到型腔壁厚变化的影响，从而确保产品的质量；变壁厚挤压成型工艺的成功受到材料性能的限制，选择适当的材料是关键。


技术实现要素：

7.目前，现存在大型型材挤压工艺均为等壁厚挤压工艺，本发明的目的在于提供一种连续变壁厚管材的挤压成型方法及设备，以解决对管材型腔壁的截面形状和壁厚进行连续变化的技术问题；获得内径不变、外径改变或内径、外径均变化或异型壁厚的变壁厚型材；
8.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
9.一种连续变壁厚管材的挤压成型方法，按照以下步骤进行：
10.步骤1：选择材料，将材料预制成一定形状的管坯，根据材料的种类和管坯的尺寸选择合适型号的挤压机，根据加工要求设定挤压机中的压力、温度和速度参数；
11.步骤2：将控制外径的模具及内径的模具同时放入挤压机模支撑中；
12.步骤3：将管坯送入挤压机中进行预热，再逐渐将温度升高至指定温度，并对管坯开始挤压，使管坯产生塑性变形，进行变壁厚处理，管坯的壁厚随着外径模具及内径模具尺寸的改变而改变，直至管坯完全契合模具，完成管坯一侧的变壁厚挤压；
13.步骤4：对管坯的另一侧进行重复上述操作，得到连续变壁厚管件，对连续变壁厚管件进行冷却处理，使连续变壁厚管件保持形状和尺寸，并撤出模具，对连续变壁厚管件进行后续加工和处理，以满足不同的工程要求和应用场景。
14.本发明技术方案的连续变壁厚管件的长度范围为0.5～40m，壁厚最大厚度为0.1～0.4m，最大处壁厚与最小处壁厚比值范围为1～3。
15.本发明技术方案的连续变壁厚管件的材料为合金材料，合金材料包括铝合金和镁合金材料。
16.本发明技术方案的挤压成型方法为一种连续挤压型材方法。
17.作为本发明技术方案中连续变壁厚管件的优选方案：可加工的连续变壁厚管件可以为内径不变、外径改变的变壁厚管件。
18.作为本发明技术方案中连续变壁厚管件的优选方案：可加工的连续变壁厚管件可以为内径、外径均改变的变壁厚管件。
19.作为本发明技术方案中连续变壁厚管件的优选方案：可加工的连续变壁厚管件可以为异型的变壁厚管件。
20.本发明还包括一种连续变壁厚管材的挤压成型设备，包括挤压机、加热仓、模具支撑座、外径模具、内径模具和支撑环，所述挤压机包括挤压机前端和挤压机尾端，所述加热仓位于挤压机前端和挤压机尾端之间，所述加热仓从支撑环处解锁分为左右两部分，所述加热仓左右两部分的底端从外向内分别设置加热仓支架和移动支架，所述内径模具设置在加热仓的内腔左侧，所述模具支撑座的一端与挤压机前端的输出端连接，另一端与内径模具的一端连接，所述内径模具的另一端延伸至支撑环位置，待加工管材套在内径模具上，所述外径模具设置在加热仓的内腔右侧，所述外径模具的一端置于支撑环中，另一端通过锁键和挤压垫与挤压轴的一端固定在一起，所述挤压轴的另一端与挤压机尾端连接。
21.所述外径模具开口垂直内径与闭口垂直内径比例范围为：2:1～20:1，外径模具1开口横向内径与闭口横向内径比例范围为：1.1:1～10:1。
22.所述内径模具直径最大处小于等于外侧模具的闭口处内径。
23.通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
24.1、本发明通过准备挤出机、材料和模具等设备和工具，同时对材料进行预处理和加热处理，将预热后的材料送入挤出机中，经过加热和加压后，利用模具分别对型材两端进行挤压成型，进而被挤出成所需形状和尺寸的连续变截面材料，在挤出过程中，可以通过调节挤出机的加压加热和速度等参数，以及调节模具的形状和结构，实现对截面形状和壁厚的连续变化，挤出后的材料可以进行后续加工和处理，如切割、成型、表面处理等，获得变壁厚型材，以满足不同的工程要求和应用场景。
25.2、相对于等壁厚挤压工艺，通过连续变壁厚挤压工艺能够使材料组织结构得到优化，减少晶界的数量和尺寸增加晶粒的细化程度，从而提高材料的强度和塑性，挤压过程中材料的截面积随着时间而变化，导致材料中的应力分布也随之变化，在壁厚变化过程中，应力集中的位置也随之变化，从而影响了材料的力学性能。
附图说明
26.图1变壁厚设备整体图；其中(ⅰ)挤压机前端，(ⅱ)连续挤压变壁厚成型，(ⅲ)挤压机尾端；
27.图2连续挤压变壁厚示意图；
28.图3为三种实施方法在不同时间阶段截面图；其中(a)为变壁厚管材内径不变，外径改变，(b)为变壁厚管材内径、外径均改变，(c)为变壁厚异型管材；
29.图4变壁厚管材挤压工艺过程图；
30.图中：1、外径模具，2、内径模具，3、待加工管材，4、支撑环，5、锁键，6、挤压垫，7、挤压轴，8、模具支架，9、模具支撑座，10、加热仓，11、移动支架，12、挤压机前端，13、挤压机尾端。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
32.请参阅图1、2和4，一种连续变壁厚管材的挤压成型设备包括外径模具1、内径模具2、支撑环4、锁键5、挤压垫6、挤压轴7、加热仓支架8、模具支撑座9、加热仓10、移动支架11、挤压机前端12、挤压机尾端13，模具支撑座9设置在加热仓10内壁左侧连接，用于与挤压机前端12接触，另一端与内径模具2连接，加热仓10可在支撑环3处解锁分为左右两部分，待加工管材3套在内径模具2的外壁，外径模具1的一端置于支撑环4中，另一端通过锁键5和挤压垫6与挤压轴7的一端固定在一起，挤压轴7的另一端与挤压机尾端13连接。
33.首先，将加热仓10从支撑环4处解锁，分为左右两部分，将内径模具2从右端置于加热仓10内固定在模具支撑座9上，再将待加工管材3套在内径模具2中，另一端放在支撑环4内；其次，外径模具1一端置于支撑环4中，另一端通过锁键5与挤压垫6和挤压轴7固定在一起。装置运行时，加热仓10进行升温，挤压机前端12向右挤压，挤压机尾端13被固定，通过挤
压轴7、挤压垫6受力并挤压外径模具1，挤压待加工管材3后得到连续变壁厚的基本型材，成型后，加热仓10停止加热，支撑环4解锁，打开加热仓10，成型后的基本型材从内径模具2中取出，可以进行后续的处理和加工。
34.模具设计：外径模具1开口垂直内径与闭口垂直内径比例范围为：2:1～20:1，模具开口横向内径与闭口横向内径比例范围为：1.1:1～10:1；外径模具1从开口到闭口中间范围内径可以增大或减小，闭口处的内径不大于开口处的内径；控制内径模具1为一棒状材料，其直径最大处不大于外径模具1的闭口处内径，变壁厚模具材料为热作模具钢：模具钢选用4cr5mosiv1(相当于美国模具钢h13)空冷硬化热作模具钢，相较于最传统的热作模具钢，其在国际上的应用更为广泛，该模具钢热处理采用淬火+双重回火的处理方式进行控制，特点是强度高、合金元素含量较低、空淬温度较低、淬火变形小、有较好的抗氧化性、抗冷热疲劳和抗熔融金属冲蚀性能。
35.变壁厚管材挤压工艺特点：变壁厚管材挤压工艺能够生产出高精度的管材，壁厚均匀、稳定，能满足不同应用需求；变壁厚管材挤压工艺能够满足不同的壁厚需求，灵活性高，能生产出多种不同管径、壁厚的管材；变壁厚管材挤压工艺具有较高的生产效率，适合大量生产。变壁厚管材挤压工艺生产出的管材性价比高，比其他方法生产的管材更有竞争力；变壁厚管材挤压工艺具有较高的环保性，生产过程中不会产生有害物质，不对环境造成污染；变壁厚管材挤压工艺具有较高的安全性，生产过程中不存在明显的安全隐患；总体而言，变壁厚管材挤压工艺具有高精度、灵活性高、生产效率高、成本效益高、环保、安全性高等特点，是一种理想的生产技术。
36.变壁厚管材挤压实施方法：
37.材料选取：变壁厚管材挤压工艺适用于铝合金(铝锂合金、铝镁合金)、镁合金等。表1为铝合金选取。
38.表1铝合金选取
[0039][0040]
可选取的镁合金牌号有az31b、az31s、az31t、az40m、az41m、az61a、az61m、az61s、az62m、az63b、az80a、az80m、az80s、az91d、am60b、am50a等。
[0041]
变壁厚挤压工艺参数：
[0042]
表2挤压工艺参数表
[0043][0044][0045]
挤压管材长度范围：0.5～40m；壁厚最大厚度为0.1～0.4m，最大处壁厚与最小处壁厚比值范围：1～3；挤压机挤压筒直径为460mm，模具结构尺寸200～400mm，变壁厚挤压管材进口端即厚壁处最大直径范围为：(300～400)mm，闭口端即薄壁处最直径范围为：(0-300)mm，内径尺寸范围为：(0-300)mm。
[0046]
请参阅图3，为三种实施方法在不同时间阶段截面图；
[0047]
实施例一：(a)变壁厚管材内径不变，外径改变：
[0048]
步骤1：选择铝合金材料(例1050、2a16)，可以采用锻造、轧制、拉伸等方法，将材料预制成管坯规格为φ(180460mm)
×
l(4001200mm)中空管状材料，选择225mn的卧式单辊正向挤压机，根据加工要求设定挤压机中的压力、温度和速度参数，其中管坯前部分挤压速度应小于0.8m/min，过渡区部分挤压速度小于1m/min；
[0049]
步骤2：选择控制外径均匀变化的模具、内径不变的模具放入挤压机模支撑中，其中模具材料为热作模具钢选用4cr5mosiv1(相当于美国模具钢h13)空冷硬化热作模具钢；
[0050]
步骤3：将管坯送入挤压机中进行预热，内径模具穿过管坯，逐渐将温度升高至400-450℃，使其呈半固态状态并对管坯开始挤压，按照设置速度将变壁厚区挤压成型，更换挤压速度，继续挤压，完成过渡区的挤压，直至完全契合外径模具及内径模具，完成管坯的一侧变壁厚挤压，管坯的壁厚随着外径模具尺寸的改变而改变，通过改变挤压的参数和模具的设计，可以控制型材的变形量和变形形状；
[0051]
步骤4：对管坯的另一侧进行重复上述操作，或经过切割或切断或缩径处理等操作后再进行管坯另一侧重复加工，得到内径不变，外径改变的连续变壁厚管件，对连续变壁厚管件进行冷却处理，使连续变壁厚管件保持形状和尺寸，并撤出模具，对连续变壁厚管件进行表面处理，如打磨、抛光、喷漆等，以提高其外观质量和耐腐蚀性能，以满足不同的工程要求和应用场景。
[0052]
挤压完成后，及时清理和维护挤压机和工作区域，以确保下一次操作的顺利进行，同时，定期对挤压机进行检查和保养，以确保其稳定运行和延长使用寿命。
[0053]
实施例二：(b)变壁厚管材内径、外径均改变：
[0054]
步骤1：选择铝合金材料(例1050、2a16)，可以采用锻造、轧制、拉伸等方法，将材料预制成一定形状的管坯，选择225mn的卧式单辊正向挤压机，根据加工要求设定挤压机中的压力、温度和速度参数，其中管坯前部分挤压速度应小于0.8m/min，过渡区部分挤压速度小于1m/min；
[0055]
步骤2：选择控制外径均匀变化的模具、内径为均匀变化的模具放入挤压机模支撑中，其中模具材料为热作模具钢选用4cr5mosiv1(相当于美国模具钢h13)空冷硬化热作模具钢；
[0056]
步骤3：将管坯送入挤压机中进行预热，内径模具穿过管坯，逐渐将温度升高至400-450℃，使其呈半固态状态并对管坯开始挤压，按照设置速度将变壁厚区挤压成型，更换挤压速度，继续挤压，完成过渡区的挤压，直至完全契合外径模具及内径模具，完成管坯的一侧变壁厚挤压，管坯的壁厚随着外径模具及内径模具尺寸的改变而改变，通过改变挤压的参数和模具的设计，可以控制型材的变形量和变形形状；
[0057]
步骤4：对管坯的另一侧进行重复上述操作，或经过切割或切断或缩径处理等操作后再进行管坯另一侧重复加工，得到内径、外径均改变的连续变壁厚管件，对连续变壁厚管件进行冷却处理，使连续变壁厚管件保持形状和尺寸，并撤出模具，对连续变壁厚管件进行表面处理，如打磨、抛光、喷漆等，以提高其外观质量和耐腐蚀性能，以满足不同的工程要求和应用场景。
[0058]
实施例三：(c)变壁厚异型管材：
[0059]
步骤1：选择铝合金材料(例1050、2a16)，将材料预制成一定形状的管坯，选择225mn的卧式单辊正向挤压机，根据加工要求设定挤压机中的压力、温度和速度参数，其中型材前部分挤压速度应小于0.8m/min，过渡区部分挤压速度小于1m/min；
[0060]
步骤2：选择控制外径均匀变化，内径为异型棒材的模具放入挤压机模支撑中，其中模具材料为热作模具钢选用4cr5mosiv1(相当于美国模具钢h13)空冷硬化热作模具钢。
[0061]
步骤3：将管坯送入挤压机中进行预热，内径模具穿过管坯，逐渐将温度升高至400-450℃，使其呈半固态状态并对管坯开始挤压，按照设置速度将变壁厚区挤压成型，更换挤压速度，继续挤压，完成过渡区的挤压，直至完全契合外径模具及内径模具，完成管坯的一侧变壁厚挤压，管坯的壁厚随着外径模具尺寸的改变而改变；通过改变挤压的参数和模具的设计，可以控制型材的变形量和变形形状；
[0062]
步骤3：将管坯送入挤压机中进行预热，逐渐将温度升高至400-450℃，并对管坯开始挤压，使管坯产生塑性变形，进行变壁厚处理，直至完全契合外径模具及内径模具，完成管坯的一侧变壁厚挤压，管坯的壁厚随着外径模具尺寸的改变而改变；管坯型腔壁的截面形状随着内径为异型棒材的模具而改变，通过改变挤压的参数和模具的设计，可以控制型材的变形量和变形形状；
[0063]
步骤4：对管坯的另一侧进行重复上述操作，或经过切割或切断或缩径处理等操作后再进行管坯另一侧重复加工，得到内径为异型，外径改变的连续变壁厚管件，对连续变壁厚管件进行冷却处理，使连续变壁厚管件保持形状和尺寸，并撤出模具，对连续变壁厚管件
进行表面处理，如打磨、抛光、喷漆等，以提高其外观质量和耐腐蚀性能，以满足不同的工程要求和应用场景。
[0064]
连续变壁厚管材挤压方法特点：在挤压过程中，管材的壁厚会不断增加或减小，从而实现管材的变壁厚，这种方法可以使管材的壁厚均匀变化，从而提高管材的强度和耐用性。这种方法可以实现对管材的连续加工，使得生产效率更高，在连续挤压过程中，管材会不断从挤压机器的出口处流出，形成连续的管材。连续变壁厚管材挤压方法适用于各种材质的管材加工，包括铝、铜、钢、不锈钢等，同时，这种方法可以应用于各种不同直径和壁厚的管材加工。由于挤压机器的精度高，因此连续变壁厚管材挤压方法可以实现高精度加工，同时，挤压机器还可以通过调整加工参数，如挤压速度、挤压力等，来控制管材的壁厚和直径。相比于其他加工方法，连续变壁厚管材挤压方法的成本相对较低，这是由于这种方法可以实现高效连续加工，减少了材料浪费和加工时间，从而降低了生产成本。
[0065]
连续变壁厚管材挤压方法优点：采用连续生产的方式，生产效率高，产量大通过控制挤压的参数和过程，可以使管材的质量达到较高的标准，且稳定。可以加工各种材料，如钢材、铝材等，适用于各种规格的管材。采用闭式生产环境，生产环境清洁，工作条件优良。可以加工各种复杂的结构，如异型管、变壁厚管等。生产效率高，质量稳定，生产环境好，可以降低加工成本。
[0066]
对于变壁厚管材样品，可以考虑以下几项具体检测项目：检查外径、内径、壁厚等尺寸是否符合标准要求，检查样品的形状是否正确，包括圆度、直线性、端面平整度等，通过化学分析等方法确定样品的材料组成，检查是否符合标准要求，通过弯曲试验、压缩试验、拉伸试验等方法，检查样品的强度、韧性等力学性能，测量样品的密度，判断是否符合标准要求，检查样品表面是否有腐蚀、裂纹、污染等缺陷；这些检测项目可以根据具体应用场景的要求进行选择，也可以根据需要添加其他检测项目。

技术特征：
1.一种连续变壁厚管材的挤压成型方法，其特征在于：按照以下步骤进行：步骤1：选择材料，将材料预制成一定形状的管坯，根据材料的种类和管坯的尺寸选择合适型号的挤压机，根据加工要求设定挤压机中的压力、温度和速度参数；步骤2：将控制外径的模具及内径的模具同时放入挤压机模支撑中；步骤3：将管坯送入挤压机中进行预热，再逐渐将温度升高至指定温度，并对管坯开始挤压，使管坯产生塑性变形，进行变壁厚处理，管坯的壁厚随着外径模具及内径模具尺寸的改变而改变，直至管坯完全契合模具，完成管坯一侧的变壁厚挤压；步骤4：对管坯的另一侧进行重复上述操作，得到连续变壁厚管件，对连续变壁厚管件进行冷却处理，使连续变壁厚管件保持形状和尺寸。2.根据权利要求1所述的连续变壁厚管材的挤压成型方法，其特征在于：连续变壁厚管件的长度范围为0.5～40m，壁厚最大厚度为0.1～0.4m，最大处壁厚与最小处壁厚比值范围为1～3。3.根据权利要求1所述的连续变壁厚管材的挤压成型方法，其特征在于：连续变壁厚管件的材料为合金材料，合金材料包括铝合金和镁合金。4.根据权利要求1所述的连续变壁厚管材的挤压成型方法，其特征在于：该挤压成型方法为一种连续挤压型材方法。5.根据权利要求1所述的连续变壁厚管材的挤压成型方法，其特征在于：可加工的连续变壁厚管件可以为内径不变、外径改变的变壁厚管件。6.根据权利要求1所述的连续变壁厚管材的挤压成型方法，其特征在于：可加工的连续变壁厚管件可以为内径、外径均改变的变壁厚管件。7.根据权利要求1所述的连续变壁厚管材的挤压成型方法，其特征在于：可加工的连续变壁厚管件可以为异型的变壁厚管件。8.一种连续变壁厚管材的挤压成型设备，应用于权利要求1-7任一所述的挤压成型方法，其特征在于：设备包括挤压机、加热仓、模具支撑座、外径模具、内径模具和支撑环，所述挤压机包括挤压机前端和挤压机尾端，所述加热仓位于挤压机前端和挤压机尾端之间，所述加热仓从支撑环处解锁分为左右两部分，所述加热仓左右两部分的底端从外向内分别设置加热仓支架和移动支架，所述内径模具设置在加热仓的内腔左侧，所述模具支撑座的一端与挤压机前端的输出端连接，另一端与内径模具的一端连接，所述内径模具的另一端延伸至支撑环位置，待加工管材套在内径模具上，所述外径模具设置在加热仓的内腔右侧，所述外径模具的一端置于支撑环中，另一端通过锁键和挤压垫与挤压轴的一端固定在一起，所述挤压轴的另一端与挤压机尾端连接。9.根据权利要求8所述的连续变壁厚管材的挤压成型设备，其特征在于：所述外径模具开口垂直内径与闭口垂直内径比例范围为：2:1～20:1，外径模具1开口横向内径与闭口横向内径比例范围为：1.1:1～10:1。10.根据权利要求8所述的连续变壁厚管材的挤压成型设备，其特征在于：所述内径模具直径最大处小于等于外侧模具的闭口处内径。

技术总结
本发明公开了一种连续变壁厚管材的挤压成型方法及设备，涉及材料加工成型领域，准备挤出机、材料和模具等设备和工具，同时对材料进行预处理和加热处理，将预热后的材料送入挤出机中，经过加热和加压后，利用模具分别对型材两端进行挤压成型，进而被挤出成所需形状和尺寸的连续变截面材料，在挤出过程中，可以通过调节挤出机的加压加热和速度等参数，以及调节模具的形状和结构，实现对截面形状和壁厚的连续变化。通过不同模具在一定的温度及压力、挤压速度等条件下，获得变壁厚管材，进而实现优化管壁的厚度，减轻管材重量，提高管材力学性能等优点。性能等优点。性能等优点。


技术研发人员：刘春忠 张洪宁 王继杰 杨帅 佟金玲 冯哲 马士才 卢天倪 农智升 张占伟
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/7/12