一种环筒件径向-反向复合挤压成型的模具及方法

1.本发明涉及环筒件成型制造技术领域，具体涉及一种环筒件径向-反向复合挤压成型的模具及方法。


背景技术：

2.环筒件是运载火箭、战略武器等装备的关键承力构件，工作时承受复杂载荷，综合力学性能要求高，尤其是周向、轴向性能要求极高。目前，环筒件普遍采用铸造或锻造+环轧工艺成型。铸造成型件易形成组织缺陷，综合力学性能低，仅能应用于受力较小结构。锻造+环轧工艺成形环筒件综合力学性能较铸件显著提升，但环轧成形时材料主要沿周向流动，轴向、径向变形量小，易出现各向异性突出、轴向性能不达标等问题。对于薄壁筒形件，环轧时刚性弱、轴向不能压下变形(高厚比太大)，成形难度增大，形性协同制造面临较大挑战。
3.反挤压成型是环筒件成形制造的另一重要方法，但采用常规反挤压工艺成型时，环筒件变形量小，变形极不均匀(内壁变形大、外壁变形小)，挤压力大，导致环筒件组织性能不均匀，且大规格环筒件成形制造时对装备要求高，需要大吨位压机，一定程度上限制了该方法的应用。
4.径向-反向复合挤压，是近年来在反挤压变形基础上发展起来的一种新型薄壁环筒件成形制造新工艺。与传统反挤压相比，降低了挤压力的同时，增加了变形量，存在两个强剪切应力区，在增大有效应变，细化组织的同时，能提高构件的整体力学性能、降低挤压成型件性能各向异性，尤其适合薄壁环筒件的高性能一体成型，在航天领域应用前景广阔。
5.目前国内已制造出直径为200mm，壁厚为20mm的径向-反向复合挤压环筒件，但目前该工艺仍存在如下不足：一是成形时与挤压杆接触的下压段流量小，成形末端(成形段)的流量大，成形末端处于张应力状态，金属流动不连续，成型件易开裂；二是成形载荷大，直径更大、壁厚更薄的环筒件反挤压成形制造面临较大困难。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种环筒件径向-反向复合挤压成型的模具及方法，实现大规格、薄壁、高性能环筒件的成形制造。
7.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
8.一种环筒件径向-反向复合挤压成型的模具，包括挤压杆、芯模、凹模和顶出块，所述挤压杆、芯模、凹模和顶出块之间形成容纳和挤压成型件的挤压通道，所述挤压通道由挤压杆向内依次包括下压段、径向挤压段和成型段，所述下压段、径向挤压段和成型段均为流量相等的通道，所述径向挤压段通过数学模型优化与精确计算获得，所述下压段、径向挤压段和成型段的流量逐渐减小，所述径向挤压段包括内缘段、反曲面段和外缘段，所述反曲面段与内缘段和外缘段相切连接，所述顶出块设于凹模的底部并通过沿轴线向上运动以顶起成型件使之脱模，所述顶出块上设有位于凹模轴线上且凸出于凹模底面的分流结构。
9.进一步的，所述凹模和挤压杆上均设有多个t型槽，各所述t型槽通过螺栓与锻压
机紧固连接，所述芯和模凹模上设有多个相互连通的连接孔并通过过盈配合于连接孔内的切向键组件固定连接，所述芯模上设有圆柱面段并通过圆柱面段与凹模定位装配。
10.一种环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，包括以下步骤：
11.步骤一、制坯：取铝合金铸锭，并对其进行多向锻造大变形，再将其滚圆，得到近圆柱形坯料，再将近圆柱形坯料机加工至所需直径。
12.步骤二、成型：将加工后圆柱坯料和模具分别涂脱模剂，然后加热保温，再将模具安装到锻压机上，然后将圆柱坯料放入模具内，使用锻压机对圆柱坯料进行挤压，得到径向-反向复合挤压的成型件。
13.步骤三、机加工：切除成型件底部，得到尺寸精准的环筒件。
14.步骤四、t3热处理：对成型件依次进行固溶、淬火和时效热处理。
15.进一步的，步骤一中，所述铝合金铸锭在加热炉内加热至510℃，然后清除铝合金铸锭的下料毛刺，并在铝合金铸锭的表面均匀涂覆脱模剂。
16.进一步的，步骤一中，对所述铝合金铸锭进行两轮多向锻造，单次镦粗变形量为60％，然后进行滚圆得到近圆柱形坯料，待近圆柱形坯料冷却后，对其进行精车外圆，并在其伸入模具的一端进行倒角，得到目标尺寸圆柱坯料。
17.进一步的，步骤二中，所述圆柱坯料和模具涂脱模剂后，将圆柱坯料加热至500℃，同时将模具加热至480℃，然后均保温时间2-8h，优先时间为4h。
18.进一步的，步骤二中，加热结束后，将所述模具吊装至锻压机并与压机连接，然后设置锻压机的参数；再将圆柱坯料放入模具内，压机下压带动挤压杆向下运动，下压速度为1mm/s，总压下量为440mm；下压结束后，通过顶出块顶出成型件并取出。
19.进一步的，步骤四中，所述固溶的温度535～540℃，优选为538℃，固溶的时间为4h，所述淬火的冷却介质为水，成型件浸水后在水中往复升降，浸泡时间为5min～10min。
20.本发明通过挤压杆、芯模、凹模和顶出块形成的挤压通道，使得坯料成形时处于强烈的三向压应力状态，获得均匀、充分变形，在反挤压成型时，挤压杆沿轴线向下运动，使置于挤压通道内的坯料经两次转角剪切变形后成形，成形后通过顶出件将成型件模具中顶出，最终获得大规格薄壁环筒件；挤压通道由三段组成，每段均为等流量，段与段之间的流量逐渐减少，能有效地改善环筒件的应力状态，防止坯料开裂，提高致密性，降低变形开裂的风险；凹模底部设计了一种分流结构，改善了常规平底凹模挤压成形时存在的变形不均匀和局部变形死区问题，优化了环筒件的流线；在凹模和芯模的转角处设计成大圆角，两个大圆角转角(即内缘与分流结构之间的转角，以及外缘和凹模之间的转角)，有利于金属流动，减小了挤压力，提高了变形均匀性，降低了缺陷形成风险，从而能制备出性能优异的环筒件。通过优化挤压通道，使环筒件的金属流动连续性更好，不易开裂，且降低挤压力，可实现直径更大、壁厚更薄的大规格薄壁环筒件制造。相对于传统反挤压制造方法，其材料利用率更高，后续机加工金属切削量更小，降低了生产成本；应变更大、更均匀，获得的成型件力学性能更优异。
附图说明
21.图1为环筒件径向-反向复合挤压成型的模具的全剖示图。
22.图2为环筒件径向-反向复合挤压成型的模具的等轴视图。
23.图3为环筒件径向-反向复合挤压成型的成型件的剖面坐标系图。
24.图4为环筒件径向-反向复合挤压成型的环筒件的剖面结构示意图。
25.图例说明：
26.1、挤压杆；2、芯模；21、圆柱面段；3、凹模；4、顶出块；5、挤压通道；51、下压段；52、径向挤压段；521、内缘段；522、反曲面段；523、外缘段；53、成型段；6、分流结构；7、t型槽；8、切向键组件。
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
28.如图1-图4所示，本实施例的环筒件径向-反向复合挤压成型的模具，包括挤压杆1、芯模2、凹模3和顶出块4，挤压杆1、芯模2、凹模3和顶出块4之间形成容纳和挤压成型件的挤压通道5，挤压通道5由挤压杆1向内依次包括下压段51、径向挤压段52和成型段53，下压段51、径向挤压段52和成型段53均为流量相等的通道，径向挤压段52通过数学模型优化与精确计算获得，下压段51、径向挤压段52和成型段53的流量逐渐减小，径向挤压段52包括内缘段521、反曲面段522和外缘段523，反曲面段522与内缘段521和外缘段523相切连接，顶出块4设于凹模3的底部并通过沿轴线向上运动以顶起成型件使之脱模，顶出块4上设有位于凹模3轴线上且凸出于凹模3底面的分流结构6。通过挤压杆1、芯模2、凹模3和顶出块4形成的挤压通道5，使得坯料成形时处于强烈的三向压应力状态，获得均匀、充分变形，在反挤压成型时，挤压杆1沿轴线向下运动，使置于挤压通道5内的坯料经两次转角剪切变形后成形，成形后通过顶出件4将成型件模具中顶出，最终获得大规格薄壁环筒件；挤压通道5由三段组成，每段均为等流量，段与段之间的流量逐渐减少，能有效地改善环筒件的应力状态，防止坯料开裂，提高致密性，降低变形开裂的风险；凹模3底部设计了一种分流结构，改善了常规平底凹模3挤压成形时存在的变形不均匀和局部变形死区问题，优化了环筒件的流线；在凹模3和芯模2的转角处设计成大圆角，两个大圆角转角(即内缘段521与分流结构6之间的转角，以及外缘段523和凹模3之间的转角)，有利于金属流动，减小了挤压力，提高了变形均匀性，降低了缺陷形成风险，从而能制备出性能优异的环筒件。通过优化挤压通道5，使环筒件的金属流动连续性更好，不易开裂，且降低挤压力，可实现直径更大、壁厚更薄的大规格薄壁环筒件制造。相对于传统反挤压制造方法，其材料利用率更高，后续机加工金属切削量更小，降低了生产成本；应变更大、更均匀，获得的成型件力学性能更优异。
29.本实施例中，凹模3和挤压杆1上均设有多个t型槽7，各t型槽7通过螺栓与锻压机紧固连接；芯模2和凹模3上设有多个相互连通的连接孔并通过过盈配合于连接孔内的切向键组件8固定连接，芯模2上设有圆柱面段21并通过圆柱面段21与凹模3定位装配。芯模2和凹模3通过四对外耳相扣，然后使用切向键组件8紧固连接，在成型过程中形成压住芯模2的力；下压结束后，抬起锻压机带动挤压杆1向上运动，拆除凹模3与芯模2之间的切向键组件8，吊出芯模2，用顶出块4分离成型件和凹模3，取出成型件。
30.本实施例中，铝合金铸锭为2219、2a14铝合金、2195铝锂合金等高性能航天铝合金材料；模具的材料为高温模具钢5crnimo，红硬性良好，热处理后参考硬度范围41～43hrc；成型段为直线段，距离较短，坯料成形后在容纳成型件的区域与模具不接触，减小摩擦，便于脱模；本发明的环筒件(铝合金、镁合金等轻合金)相较于模具(热作模具钢)线膨胀系数
更大，冷却至室温后异形环锻件体积收缩更大，便于后续顺利脱模。该铝合金优选的牌号为2219，其主要化学元素含量(质量分数)为：含cu5.8％-6.8％、含mn0.2％～0.4％、含fe≦0.3％、含si≦0.2％、含zn≦0.1％、含mg≦0.02％、含zr0.1％～0.24％、含ti0.02％～0.1％、含v0.04％～0.14％，其他约0.14％，其余为al。
31.该实施例模具设计尺寸如下：成型件的外径为561mm，单边壁厚为13mm，要求三段直线段流量每段始终相同，段与段之间的流量依次递减，成型件的环截面面积即第三段挤压段单位时间内流过的面积约为22370mm2，换算成圆的面积则为半径84.3mm2的圆，考虑到三段直线段要依次递减，第一段挤压段为圆形截面，即芯模2的内径，减小2次到84.3mm，故将芯模2的内径设计为90mm，截面面积约为24433mm2，圆柱坯料的径向挤压段52流量面积设计为24000mm2，对圆柱坯料的径向挤压段52曲线进行计算，使其在该段流量始终保持一致，计算过程如下：该曲线在挤压通道5的剖面坐标系如附图3所示，区间[90,237.4]为坯料径向挤压段52始末横坐标，90为初始坯料下压段51的直径，237.4为最终成型段内径，横坐标90、237.4即三段挤压段两两过渡点，在芯模2的内缘段521和外缘段523处分别倒圆角44mm、80mm，在凹模3对应的位置设置相同的圆角，在这两处应保证流量截面大小介于连接的两个挤压段之间，其中，凹模3在横坐标[0,90]处放置分流结构6，分流结构6在凹模3的底面水平高度额外增加一个凸起部分起到分流作用，并与芯模2的内缘段521的圆角组成挤压通道5的一部分，保证此处流量截面大小介于连接的初始坯料下压段51与坯料径向挤压段52之间；作为挤压通道5的一部分，其设计尺寸如下：凹模3的底面水平高度以上高度为90mm，顶部为半径为20mm的半球，半球下方曲面为与半球面和凹模3的底面90mm处相切的曲面。其他尺寸在考虑机械设计相关知识的基础上进行设计，尤其在热配合处的尺寸设计，需考虑热胀冷缩；在工作面处的粗糙度应尽量小来减小挤压力。
[0032]
一种环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，包括以下步骤：
[0033]
步骤一、制坯：取铝合金铸锭，并对其进行多向锻造大变形，再将其滚圆，得到近圆柱形坯料，再将近圆柱形坯料机加工至所需直径。
[0034]
步骤二、成型：将加工后圆柱坯料和模具分别涂脱模剂，然后加热保温，再将模具安装到锻压机上，然后将圆柱坯料放入模具内，使用锻压机对圆柱坯料进行挤压，得到径向-反向复合挤压的成型件。
[0035]
步骤三、机加工：切除成型件底部，得到尺寸精准的环筒件。
[0036]
步骤四、t3热处理：对成型件依次进行固溶、淬火和时效热处理。通过优化挤压通道5，使环筒件的金属流动连续性更好，不易开裂，且降低挤压力，从而能制备直径更大和壁厚更薄的大规格薄壁环筒件。相对于传统反挤压制造方法，其材料利用率更高，后续机加工金属切削量更小，剪切应变更大，获得的成型件性能更高，降低了生产成本。
[0037]
本实施例中，步骤一中，铝合金铸锭在加热炉内加热至510℃，然后清除铝合金铸锭的下料毛刺，并在铝合金铸锭的表面均匀涂覆脱模剂。加热铝合金铸锭能进一步提高金属的流动连续性，从而更好地进行锻造；在其表面均匀涂覆脱模剂，能减少其在锻造时与其他接触的表面的摩擦力。为了保证加热的均匀性，铝合金铸锭放置位置距离加热炉的炉壁约100mm，距离加热炉的炉门约240～300mm，保温时间不低于2h。
[0038]
本实施例中，步骤一中，对铝合金铸锭进行两轮多向锻造，单次镦粗变形量为
60％，然后进行滚圆得到近圆柱形坯料，待近圆柱形坯料冷却后，对其进行精车外圆，并在其伸入模具的一端进行倒角，得到目标尺寸圆柱坯料。近圆柱形铸锭为高度约为440mm、直径约为180mm的圆棒，待近圆柱形铸锭冷却后，精车外圆至直径为178.4mm，通过在近圆柱形铸锭的一端倒角，便于将得到的圆柱坯料放入模具的芯模2内；
[0039]
本实施例中，步骤二中，圆柱坯料和模具涂脱模剂后，将圆柱坯料加热至500℃，同时将模具加热至480℃，然后均保温2-8h，优先时间为4h。保温时间的设置能保证模具和圆柱坯料得到充分地且均匀的预热，保证了圆柱坯料和模具热透。为了维持坯料较高的变形温度，圆柱坯料与模具均回炉保温一次，加热温度410℃，保温时间不低于2h。
[0040]
本实施例中，步骤二中，加热结束后，将模具吊装至锻压机并与压机连接，然后设置锻压机的参数；再将圆柱坯料放入模具内，压机下压带动挤压杆1向下运动，下压速度为1mm/s，总压下量为440mm；下压结束后，通过顶出块4顶出成型件并取出。
[0041]
本实施例中，步骤三中，切除成型件的圆角部分，并对成型件的环筒薄壁进行加工切除，获得所需成型件。
[0042]
本实施例中，步骤四中，固溶的温度535～540℃，优选为538℃，固溶的时间为4h，淬火的冷却介质为水，成型件浸水后在水中往复升降，浸泡时间为5min～10min。为了防止在转移过程中出现残余结晶相的析出，降低成型件的力学性能，淬火转移时间应尽量缩短。成型件的淬火冷却速度越快，固溶体内被“固定”的空位越多，有利于提高后续时效强化的效果；固溶温度不高于440℃，能避免成型件产生过烧现象。
[0043]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种环筒件径向-反向复合挤压成型的模具，其特征在于，包括挤压杆(1)、芯模(2)、凹模(3)和顶出块(4)，所述挤压杆(1)、芯模(2)、凹模(3)和顶出块(4)之间形成容纳和挤压成型件的挤压通道(5)，所述挤压通道(5)由挤压杆(1)向内依次包括下压段(51)、径向挤压段(52)和成型段(53)，所述下压段(51)、径向挤压段(52)和成型段(53)均为流量相等的通道，所述径向挤压段(52)通过数学模型精确计算获得，所述下压段(51)、径向挤压段(52)和成型段(53)的流量逐渐减小，所述径向挤压段(52)包括内缘段(521)、反曲面段(522)和外缘段(523)，所述反曲面段(522)与内缘段(521)和外缘段(523)相切连接，所述顶出块(4)设于凹模(3)的底部并通过沿轴线向上运动以顶起成型件使之脱模，所述顶出块(4)上设有凸出于凹模(3)底面的分流结构(6)。2.根据权利要求1所述的环筒件径向-反向复合挤压成型的模具，其特征在于，所述凹模(3)和挤压杆(1)上均设有多个t型槽(7)，各所述t型槽(7)通过螺栓与锻压机紧固连接，所述芯模(2)和凹模(3)上设有多个相互连通的连接孔并通过过盈配合于连接孔内的切向键组件(8)固定连接，所述芯模(2)上设有圆柱面段(21)并通过圆柱面段(21)与凹模(3)定位装配。3.一种如权利要求1-2中任一项环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、制坯：取铝合金铸锭，并对其进行多向锻造大变形，再将其滚圆，得到近圆柱形坯料，再将近圆柱形坯料机加工至所需直径；步骤二、成型：将加工后圆柱坯料和模具分别涂脱模剂，然后加热保温，再将模具安装到锻压机上，然后将圆柱坯料放入模具内，使用锻压机对圆柱坯料进行挤压，得到径向-反向复合挤压的成型件；步骤三、机加工：切除成型件底部，得到尺寸精准的环筒件；步骤四、t3热处理：对成型件依次进行固溶、淬火和时效热处理。4.根据权利要求3所述的环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，其特征在于，步骤一中，所述铝合金铸锭在加热炉内加热至510℃，然后清除铝合金铸锭的下料毛刺，并在铝合金铸锭的表面均匀涂覆脱模剂。5.根据权利要求3所述的环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，其特征在于，步骤一中，对所述铝合金铸锭进行两轮多向锻造，单次镦粗变形量为60％，然后进行滚圆得到近圆柱形坯料，待近圆柱形坯料冷却后，对其进行精车外圆，并在其伸入模具的一端进行倒角，得到目标尺寸圆柱坯料。6.根据权利要求3所述的环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，其特征在于，步骤二中，所述圆柱坯料和模具涂脱模剂后，将圆柱坯料加热至500℃，同时将模具加热至480℃，然后均保温时间2-8h，优先时间为4h。7.根据权利要求3所述的环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，其特征在于，步骤二中，加热结束后，将所述模具吊装至锻压机并与压机连接，然后设置锻压机的参数；再将圆柱坯料放入模具内，压机下压带动挤压杆(1)向下运动，下压速度为1mm/s，总压下量为440mm；下压结束后，通过顶出块(4)顶出成型件并取出。8.根据权利要求3所述的环筒件径向-反向复合挤压成型的方法，其特征在于，步骤四中，所述固溶的温度535～540℃，优选为538℃，固溶的时间为4h，所述淬火的冷却介质为
水，成型件浸水后在水中往复升降，浸泡时间为5min～10min。

技术总结
本发明公开了一种环筒件径向-反向复合挤压成型的模具，其挤压通道包括流量相等的下压段、径向挤压段和成型段，径向挤压段通过数学模型精确计算获得，下压段、径向挤压段和成型段的流量逐渐减小；顶出块设于凹模的底部并通过沿轴线向上运动以顶起成型件使之脱模，顶出块上设有凸出于凹模底面的分流结构。本发明还公开了环筒件成形方法。本发明挤压通道可有效地改善环筒件成形时的应力状态，提高致密性，降低变形开裂的风险；通过设置在顶出块上的分流结构，减少了变形死区，改善了环筒件的流线；挤压通道内的大圆角有效地减小了挤压力，提高了变形均匀性，降低了缺陷形成风险。降低了缺陷形成风险。降低了缺陷形成风险。


技术研发人员：易幼平 何海林 黄始全
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/7/13