用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置以及其加工方法

1.本发明涉及金属管材成形的技术领域，具体涉及用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置以及其加工方法。


背景技术：

2.在轻合金管材的生产上，常使用的方法有轧制、带材冷弯以及挤压等几种主要的成形方式。
3.挤压是一种常见的压力加工方法。挤压加工有下列优点：在挤压过程中，被挤压金属在变形区能获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，可充分发挥被加工金属本身的塑性。因此，用挤压法可加工用轧制法或锻造法加工有困难甚至无法加工的低塑性、难变形金属或合金挤压制品的精度比热轧、锻造产品的高，制品表面品质也较好。其工艺流程简短、生产操作方便，一次挤压即可获得比热模锻或成形轧制等方法面积更大的整体结构部件，而且设备投资少、模具费用低、经济效益高。
4.一方面在传统的正向挤压下加工的管材其组织中的易出现缩孔、疏松等缺陷，这些缺陷就会是管材在使用时受力产生裂纹以及裂纹扩展的源泉。当前在金属管材尤其是轻合金管材的加工上面就急需能够替代传统正向挤压的成形方法。而spd（大塑性变形技术）等相关工艺慢慢走向成熟，这一类工艺对金属制品晶粒有着明显的细化作用以及利用这一类工艺生产出来的制品的综合性能有明显的提高。利用大塑性变形等相关工艺生产制备高性能的金属管材就需要被开发与应用。
5.另一方面在进行塑性加工之前需要对坯料做一些前处理，因此往往在加工过程中就会显得工序太多，设备太多造成传统加工的工作效率低，原材料的损耗相对较大。因此将坯料前处理、成形等几个过程结合的一体化装置就需要开发以及广泛的使用。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能够高效、便捷地生产出轻合金薄壁管材的用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置以及其加工方法。
7.解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置，包括凸模和凹模，所述凸模和凹模相对设置，所述凸模上设有多个穿孔针，所述凹模内设有多个沿凸模和凹模相对方向延伸的成型通孔，所述成型通孔与穿孔针相对设置，所述成型通孔内设有用于放置坯料的料筒，所述成型通孔的尾端为坯料成型的出料口；所述成型通孔位于料筒尾端依次分为缩径区域、扭转区域和整形区域，所述穿孔针依次分为插入段、连接段、扭转段和整形段，所述插入段插入至凸模固定连接；当凸模和凹模相插入配合时，穿孔针插入料筒内，穿孔针与成型通孔间隔设置，且所述缩径区域与连接段位置对应，所述扭转区域对应扭转段位置对应，所述整形区域与整形段位置对应，缩径区域的内径逐渐缩小，所述扭转区域的内表面呈螺旋结构，所述扭转段的外表面呈螺旋结构。
8.本发明使用时，将穿孔针插入已放好坯料的料筒内，在插入的过程中，坯料受力向右或向左流动（根据螺旋结构的旋转方向不同，其坯料受力方向也不同）；首先，坯料流过缩径区域，缩径区域内径逐渐缩小，让坯料受到周侧的挤压力；然后，挤压坯料流动到扭转区域，坯料在扭转区域与扭转段的相互作用下，会产生扭转变形，这样就增大了成形时候坯料的应变量，那么成形管材的晶粒就较为细小，而且在成形时坯料就不止受到来自一个方向的挤压力，还受到不同方向的扭转力，这样会大大削弱一些轻合金管材成型时所形成的基面织构；最后，坯料进入整形区域，整形区域与整形段相配合，且两者内径保持不变，使得坯料在整形区域内进行整形，后流出出料口成形为管材。
9.进一步，所述凸模和凹模之间且下方的位置设有用于加热坯料的加热平台，所述加热平台包括底座，所述底座上表面设有呈料台，所述底座一侧设有气缸，所述气缸的伸缩杆与呈料台连接，能够驱动呈料台向上移动，使得位于呈料台上的坯料位于成型通孔与穿孔针之间，所述底座上设有绕设在呈料台周侧的感应线圈。
10.在气缸的作用下，将呈料台向上移动到凸模和凹模之间，同时，保证位于呈料台上的坯料位于成型通孔与穿孔针之间，推动凸模朝向凹模方向移动，进而让穿孔针能够推动呈料台上的坯料移动至料筒内；本方案采用电磁感应加热这种加热方式，其主要是利用感应线圈在通电下，产生电磁感应使得坯料内部产生电流，依靠电流的涡流能量对坯料进行加热，这样，与凹模和凸模相配合，将以上设备就便于安装在生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，可有效地减少运输，节约人力，提高生产效率。
11.进一步，当穿孔针插入料筒内时，所述穿孔针的整形段外表面与整形区域内表面之间的间距为坯料成形后管材厚度。
12.这样设计，坯料在整形段与整形区域的配合下，对坯料进行整形形成管材，而整形段与整形区域之间的间距为定值，保证管材的厚度。
13.进一步，所述凸模远离穿孔针的端部设有固定板，所述固定板与挤压机连接。
14.这样设计，利用固定板固定连接的凸模，保证凸模的稳定性，同时，利用挤压机推动固定板移动，使得整体实现自动化控制。
15.进一步，还包括模座，所述模座中间开设有供凹模插入的通孔。这样设计，通过模座对凹模起到固定保护的作用。
16.进一步，所述穿孔针与凸模采用过盈配合连接，所述凸模与固定板采用螺钉连接。这样设计，保证稳定性。
17.用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置加工方法，包括以下步骤：步骤一：启动加热平台，感应线圈通电，通过感应线圈加热放置在呈料台上的坯料，当坯料加热温度达到工艺温度时，启动气缸，气缸的伸缩杆带动呈料台向上移动且位于穿孔针与料筒之间；步骤二：启动挤压机，所述挤压机带动凸模朝向凹模方向移动，让凸模上的穿孔针与呈料台上的坯料相接触，且穿孔针推动坯料朝向料筒移动，让坯料位于料筒内；步骤三：继续推动凸模向凹模方向移动，对料筒内的坯料进行挤压至成型通孔内，穿孔针依次穿过成型通孔的缩径区域、扭转区域和整形区域，经成型通孔的尾端成形为管材。
18.进一步，在步骤二中，所述凸模的移动速度为1-3mm/s。
19.本发明所设置的加热平台，将坯料放在呈料台的上表面，开启感应线圈，将坯料加热至所设置的工艺温度下，坯料达到工艺温度时，由呈料台将其送入位于穿孔针与料筒之间，再通过穿孔针将其送入料筒和成型通孔内进行成形，这种设备具有加热速度快，便于自动化生产等相关优势。
20.本发明所设置的主要工艺参数包括凸模的下行速度、坯料的加热温度，其中加热温度根据坯料的原材料而定，一般在该材料的再结晶温度上进行热成形，这样便于一些金属在塑性成形的过程中发生动态再结晶等相关过程，重新形成等轴新晶粒。对细化材料的晶粒，消除成形管材中的缺陷有较大的益处。
21.进一步，在步骤二中，凹模的成型通孔内加入润滑剂。 因为坯料在成形是会与模具间发生较大摩擦，为了降低摩擦力。
22.相比现有技术，本发明具有如下优点：1、本发明以挤压成形为基础，通过凸模和凹模的配合，以及自动化控制呈料台向上移动至凸模和凹模之间，通过凸模上的穿孔针移动与呈料台上的坯料相抵，并推动坯料进入到凹模的料筒内，因此，凹模既能够实现对坯料的挤压，又能够实现管材成形；在坯料挤压过程中，被挤压坯料在扭转区域和扭转段之间获得比现有技术中轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，可充分发挥被加工坯料本身的塑性，其工艺流程简短、生产操作方便，一次挤压即可获得比热模锻或成形轧制等方法面积更大的管材，而且设备投资少、模具费用低、经济效益高；另外一个方面，扭转变形的引入，使得坯料在成形过程中受力发生倾转，大大地细化了晶粒，改善了微观组织分布的不均匀性，使得最后得到的管材具有较为致密与均匀的组织，内部的孔洞缺陷率较小，该管材在大应变条件下产生裂纹概率减小。
23.2、利用本发明制备的薄壁管材的生产周期短，制造成形的设备的费用较低，成形过程简单，生产成本较低，便于实现自动化生产。
24.3、感应加热的运用其设备就便于安装在生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，可有效地减少运输，节约人力，提高生产效率。
附图说明
25.图1为本发明用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置的结构示意图。
26.图2为本发明用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置中凸模和凹模合拢后的结构示意图。
27.图3为图1中凸模的结构示意图。
28.图4为本发明用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置中加热平台的主视图。
29.图中：固定板1、凸模2、穿孔针3、坯料4、凹模5、成型通孔6、扭转段7、整形段8、料筒9、底座10、呈料台11、感应线圈12、气缸13、模座14、缩径区域15、扭转区域16、整形区域17、连接段18。
具体实施方式
30.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
31.本实施例：参见图1至图3，用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置，包括凸模2和凹模5，凸模2和凹模5相对设置，凸模2上设有多个穿孔针3，凹模5内设有多个沿凸模2和凹模5相对方向延伸的成型通孔6，成型通孔6与穿孔针3相对设置，成型通孔6内设有用于放置坯料4的料筒9，成型通孔6的尾端为坯料4成型的出料口；成型通孔6位于料筒9尾端依次分为缩径区域15、扭转区域16和整形区域17，穿孔针3依次分为插入段、连接段18、扭转段7和整形段8，插入段插入至凸模2固定连接；当凸模2和凹模5相插入配合时，穿孔针3插入料筒9内，穿孔针3与成型通孔6间隔设置，且缩径区域15与连接段18位置对应，扭转区域16对应扭转段7位置对应，整形区域17与整形段8位置对应，缩径区域15的内径逐渐缩小，扭转区域16的内表面呈螺旋结构，扭转段7的外表面呈螺旋结构。
32.本发明使用时，将穿孔针3插入已放好坯料4的料筒9内，在插入的过程中，坯料4受力向右或向左流动（根据螺旋结构的旋转方向不同，其坯料4受力方向也不同）；首先，坯料4流过缩径区域15，缩径区域15内径逐渐缩小，让坯料4受到周侧的挤压力；然后，挤压坯料4流动到扭转区域16，坯料4在扭转区域16与扭转段7的相互作用下，会产生扭转变形，这样就增大了成形时候坯料4的应变量，那么成形管材的晶粒就较为细小，而且在成形时坯料4就不止受到来自一个方向的挤压力，还受到不同方向的扭转力，这样会大大削弱一些轻合金管材成型时所形成的基面织构；最后，坯料4进入整形区域17，整形区域17与整形段8相配合，且两者内径保持不变，使得坯料4在整形区域17内进行整形，后流出出料口成形为管材。
33.作为优选，凸模2和凹模5之间且下方的位置设有用于加热坯料4的加热平台，如图4所示，加热平台包括底座10，底座10上表面设有呈料台11，底座10一侧设有气缸13，气缸13的伸缩杆与呈料台11连接，能够驱动呈料台11向上移动，使得位于呈料台11上的坯料4位于成型通孔6与穿孔针3之间，底座10上设有绕设在呈料台11周侧的感应线圈12。
34.在气缸13的作用下，将呈料台11向上移动到凸模2和凹模5之间，同时，保证位于呈料台11上的坯料4位于成型通孔6与穿孔针3之间，推动凸模2朝向凹模5方向移动，进而让穿孔针3能够推动呈料台11上的坯料4移动至料筒9内；本方案采用电磁感应加热这种加热方式，其主要是利用感应线圈12在通电下，产生电磁感应使得坯料4内部产生电流，依靠电流的涡流能量对坯料4进行加热，这样，与凹模5和凸模2相配合，将以上设备就便于安装在生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，可有效地减少运输，节约人力，提高生产效率。
35.作为优选，当穿孔针3插入料筒9内时，穿孔针3的整形段8外表面与整形区域17内表面之间的间距为坯料4成形后管材厚度。
36.这样设计，坯料4在整形段8与整形区域17的配合下，对坯料4进行整形形成管材，而整形段8与整形区域17之间的间距为定值，保证管材的厚度。
37.作为优选，凸模2远离穿孔针3的端部设有固定板1，固定板1与挤压机连接。
38.这样设计，利用固定板1固定连接的凸模2，保证凸模2的稳定性，同时，利用挤压机推动固定板1移动，使得整体实现自动化控制。
39.作为优选，还包括模座14，模座14中间开设有供凹模5插入的通孔。这样设计，通过模座14对凹模5起到固定保护的作用。
40.作为优选，穿孔针3与凸模2采用过盈配合连接，凸模2与固定板1采用螺钉连接。这
样设计，保证稳定性。
41.用于制备轻合金薄壁管材的一体化装置加工方法，包括以下步骤：步骤一：启动加热平台，感应线圈12通电，通过感应线圈12加热放置在呈料台11上的坯料4，当坯料4加热温度达到工艺温度时，启动气缸13，气缸13的伸缩杆带动呈料台11向上移动且位于穿孔针3与料筒9之间；步骤二：启动挤压机，挤压机带动凸模2朝向凹模5方向移动，让凸模2上的穿孔针3与呈料台11上的坯料4相接触，且穿孔针3推动坯料4朝向料筒9移动，让坯料4位于料筒9内；步骤三：继续推动凸模2向凹模5方向移动，对料筒9内的坯料4进行挤压至成型通孔6内，穿孔针3依次穿过成型通孔6的缩径区域15、扭转区域16和整形区域17，经成型通孔6的尾端成形为管材。
42.作为优选，在步骤二中，凸模2的移动速度为1-3mm/s。
43.本发明所设置的加热平台，将坯料4放在呈料台11的上表面，开启感应线圈12，将坯料4加热至所设置的工艺温度下，坯料4达到工艺温度时，由呈料台11将其送入位于穿孔针3与料筒9之间，再通过穿孔针3将其送入料筒9和成型通孔6内进行成形，这种设备具有加热速度快，便于自动化生产等相关优势。
44.本发明所设置的主要工艺参数包括凸模2的下行速度、坯料4的加热温度，其中加热温度根据坯料4的原材料而定，一般在该材料的再结晶温度上进行热成形，这样便于一些金属在塑性成形的过程中发生动态再结晶等相关过程，重新形成等轴新晶粒。对细化材料的晶粒，消除成形管材中的缺陷有较大的益处。
45.作为优选，在步骤二中，凹模5的成型通孔6内加入润滑剂。 因为坯料4在成形是会与模具间发生较大摩擦，为了降低摩擦力。
46.1、本发明以挤压成形为基础，通过凸模2和凹模5的配合，以及自动化控制呈料台11向上移动至凸模2和凹模5之间，通过凸模2上的穿孔针3移动与呈料台11上的坯料4相抵，并推动坯料4进入到凹模5的料筒9内，因此，凹模5既能够实现对坯料4的挤压，又能够实现管材成形；在坯料4挤压过程中，被挤压坯料4在扭转区域16和扭转段7之间获得比现有技术中轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，可充分发挥被加工坯料4本身的塑性，其工艺流程简短、生产操作方便，一次挤压即可获得比热模锻或成形轧制等方法面积更大的管材，而且设备投资少、模具费用低、经济效益高；另外一个方面，扭转变形的引入，使得坯料4在成形过程中受力发生倾转，大大地细化了晶粒，改善了微观组织分布的不均匀性，使得最后得到的管材具有较为致密与均匀的组织，内部的孔洞缺陷率较小，该管材在大应变条件下产生裂纹概率减小。
47.2、利用本发明制备的薄壁管材的生产周期短，制造成形的设备的费用较低，成形过程简单，生产成本较低，便于实现自动化生产。
48.3、感应加热的运用其设备就便于安装在生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，可有效地减少运输，节约人力，提高生产效率。
49.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。