本發明是通過擠壓變形改善鎂合金力學性能的擠壓裝置及加工方法，具體是一種多錐面差速扭擠制備細晶弱織構鎂合金的裝置及加工方法。

背景技術：

1、鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，具有比強度和比剛度高、機加工性能優良、易回收等優點，因此廣泛應用于汽車、3c、航空航天、國防軍工等領域，被譽為“21世紀的綠色能源材料”。然而由于鎂合金的密排六方晶體結構，導致室溫下僅有兩個滑移系易開動，不能達到多晶體塑性變形時所需的五個獨立滑移系；使得變形后材料內晶粒存在擇優取向形成強面基織構，不利于后續變形。鎂合金在室溫下塑性加工困難，限制了鎂合金在各領域中的應用。晶粒細化可以顯著提高鎂合金的各項力學性能，而劇烈塑性變形技術（例如，高壓扭轉(hpt)、等通道轉角擠壓(ecap)等）被證實能夠有效地細化鎂合金晶粒?？烧{控鎂合金的織構強度對于改善鎂合金的性能具有非常重要的現實意義，改變變形路徑是弱化鎂合金織構的有效方法，常用方法有ecap和非對稱擠壓等大塑性變形方法。因此發明一種有效的弱化鎂合金的變形織構和細化晶粒的裝置和方法對擴大鎂合金的應用范圍是十分重要的。

技術實現思路

1、本發明旨在解決上述問題，提供一種多錐面扭轉擠壓制備細晶弱織構鎂合金的裝置及加工方法。通過該裝置及加工方法，使鎂合金坯料在加工過程中受模塊圓錐面不同程度的擠壓力，同時在齒輪系轉動時迫于擠壓通道產生剪切力，從而產生擠壓剪切變形，迫使鎂合金的c軸沿模塊圓錐面與傳動方向發生偏轉，實現弱化織構和晶粒細化，改善鎂合金的力學性能，擴大應用范圍。

2、本發明通過如下技術方案得以實現：

3、一種多錐面差速扭擠制備細晶弱織構鎂合金的裝置，包括立式液壓機、多錐面模塊差速扭擠成形模具以及準雙曲面齒輪傳動裝置，其中：

4、所述立式液壓機包括液壓機頂座、壓力電機、擠壓凸模伸縮壓頭、擠壓凸模、立柱、工作平臺和液壓機底座；所述液壓機頂座由立柱支撐，其上方安裝壓力電機，壓力電機活動端朝下且穿過液壓機頂座，擠壓凸模伸縮壓頭安裝于壓力電機的活動端；擠壓凸模伸縮壓頭下方安裝擠壓凸模；

5、所述液壓機底座上方固定工作平臺，工作平臺上固定有下部墊板以及環繞下部墊板的凹模固定架，凹模固定架頂部安裝有上部墊板；所述多錐面模塊差速扭擠成形模具位于凹模固定架、上部墊板以及下部墊板之間，多錐面模塊差速扭擠成形模具外圈還設有套筒；下部墊板上表面以及上部墊板下表面開有作為滑軌的凹槽；上部墊板頂部開有與擠壓凸模相配的通孔，下部墊板、工作平臺和液壓機底座中心設有相互貫通的通孔作為漏料孔；

6、所述多錐面模塊差速扭擠成形模具內部設有上下貫通的擠壓通道，多錐面模塊差速扭擠成形模具上下表面均設有作為滑塊的弧形凸臺，弧形凸臺與下部墊板、上部墊板表面的凹槽相配合，以保證多錐面模塊差速扭擠成形模具的運動軌跡；多錐面模塊差速扭擠成形模具左右兩端中部位置處均開有凹槽，凹槽內開有螺紋孔，螺紋孔用于固定準雙曲面齒輪傳動裝置的大齒輪，凹槽用于容納準雙曲面齒輪傳動裝置的小齒輪和大齒輪，以實現多錐面模塊差速扭擠成形模具連續扭轉；上部墊板以及多錐面模塊差速扭擠成形模具內部均設有用于連接外部循環管路的加熱通道；所述準雙面齒輪傳動裝置中，大齒輪通過螺栓連接固定在多錐面模塊差速扭擠成形模具的螺紋孔上，小齒輪通過傳動軸與電機相連接實現轉動；

7、所述擠壓通道從上至下依次為扭轉區ⅰ，變截面扭轉區ⅱ，擠出區ⅲ；所述擠壓通道上部端口截面為矩形并向下延伸形成入口段，入口段下方分布四個向擠壓通道內側凸起的不對稱的圓錐面，且每個圓錐面不同位置處半徑不同，每個圓錐面均連接兩個相鄰矩形側邊，四個圓錐面依次相連進而環繞四個矩形側邊，但第一個圓錐面與第四個圓錐面未連接，在一個矩形邊上留出未連接段；第一個圓錐面的最小半徑端與第二個圓錐面的最小半徑端相連接，第二圓錐面的最大半徑與第三圓錐面的最小半徑端相連接，第三圓錐面的最大半徑與第四圓錐面的最小半徑端相連接，，擠壓通道自入口段至圓錐面最大半徑處的底部構成扭轉區ⅰ；四個圓錐面以及未連接段的五個下端均通過圓弧段過渡后，又豎直向下延伸一定距離，形成五段豎直段，五段豎直段下方分別向擠壓通道內側凸起多個不對稱圓錐面或圓臺，并將擠壓通道過渡成截面呈矩形的擠出區ⅲ，擠出區ⅲ的底部出口與下部墊板的通孔貫通；所述擠出區ⅲ的面積小于入口段，擠出區ⅲ與入口段的中心有偏差且擠出區ⅲ相對入口形段偏轉一定角度；扭轉區ⅰ與擠出區ⅲ之間的擠壓通道作為變截面扭轉區ⅱ。

8、進一步的，所述多錐面模塊差速扭擠成形模具由四個形狀相似的模塊組成；所述模塊由長條段以及垂直連接在長條段一端的短直段組成；四個模塊將不設短直段的一側朝內拼接成多錐面模塊差速扭擠成形模具；

9、所述四個圓錐面的母線半徑分別為r1、r2、r3、r4，四條母線的圓心分別位于每個圓錐面所連接的兩個矩形邊對角的模塊的四個頂點o1、o2、o3、o4，四條母線分別繞垂直于模腔內壁并通過圓錐面最大半徑圓心處的中心軸旋轉形成圓錐面；四個圓錐面的最大半徑分別為r5、r6、r7、r8，圓弧段過渡圓角半徑為r9；四個圓錐面分別向下延伸不同的距離l13、l14、l15、l16，未連接段向下延伸l16與對應半徑r8之和的距離；四個圓錐面的五個端點與擠出區ⅲ四條矩形邊之間的垂線作為五個半徑r10、r11、r12、r13、r14，五個半徑兩側的擠壓通道內壁通過圓錐面或者圓臺面向下過渡至擠出區ⅲ四條矩形邊，r10、r11、r12、r13、r14作為對應圓錐面或者圓臺面的最大半徑。

10、進一步的，所述多錐面模塊差速扭擠成形模具、準雙曲面齒輪傳動裝置中的大齒輪、小齒輪、擠壓凸模伸縮壓頭、擠壓凸模的材質均為4cr5mosiv1熱作模具鋼；其表面粗糙度均達到ra0.16~0.4μm。

11、所述準雙面齒輪傳動裝置，大齒輪通過凸臺和螺栓連接固定在多錐面模塊差速扭擠成形模具上，小齒輪與傳動軸相連（傳動軸由套筒上開的孔伸入），通過電機控制傳動軸轉動，帶動小齒輪和與之嚙合的端面大齒輪傳動。進而使得在擠壓過程中，多錐面模塊差速扭擠成形模具轉動控制方形坯料扭轉變形。在扭轉區，鎂合金坯料在擠壓凸模伸縮壓頭的推動和準雙曲面齒輪的轉動下發生扭轉前進。前進過程中，坯料受擠壓凸模擠壓與多錐面模塊差速扭擠成形模具扭轉逐步轉動，坯料發生塑性變形，晶粒細化；到達變截面扭轉區，通過準雙曲面齒輪傳動裝置使多錐面模塊差速扭擠成形模具發生扭轉、多錐面模塊差速扭擠成形模具內部擠壓通道以多個大小不一的圓錐面輪廓改變截面形狀。在擠壓凸模伸縮壓頭推動坯料前進的同時，多錐面模塊差速扭擠成形模具在準雙曲面齒輪傳動裝置的帶動下發生扭轉；鎂合金坯料在多錐面模塊差速扭擠成形模具扭轉過程中，受擠壓凸模與模塊擠壓，鎂合金坯料發生更加劇烈地塑性變形，坯料晶粒c軸發生在y方向的轉動，弱化織構。同時多錐面模塊差速扭擠成形模具內部分布不對稱的圓錐面，且每個圓錐面不同位置處半徑不同，使得鎂合金坯料在模塊各個部位的接觸面積不同，進而導致坯料不同部位流動速度不同，產生的摩擦阻力亦不同。鎂合金坯料差速流動逐步改變截面形狀為曲線多邊形，伴隨著模塊轉動產生的扭轉變形，坯料出現了強烈的塑性變形，c軸在y、z方向上發生明顯偏轉，達到了弱化織構的目的。最后通過擠出區，鎂合金坯料實現了所需的細晶弱織構。該裝置能夠通過多錐面扭轉擠壓變形，制備細晶弱織構鎂合金。

12、所述準雙曲面齒輪傳動機構帶動多錐面模塊模具扭轉最大角度可達0~90°，通過調節小齒輪轉速控制鎂合金坯料扭轉的劇烈程度。套筒上開有相應的長條孔，便于外部柔性管路與加熱通道相連接，且不影響模具的有限角度的旋轉。

13、進一步地，當鎂合金棒材擠壓制備結束時，控制立式液壓機頂座退出擠壓凸模模具直至足夠放入下一塊鎂合金坯料，為下一次棒材擠壓做好準備。

14、一種多錐面差速扭擠制備細晶弱織構鎂合金的加工方法包括以下步驟：

15、s1、鎂合金坯料預處理：

16、s1-1、將鎂合金坯料加工成鎂合金方形棒料，鎂合金方形棒料表面用600目砂紙進行打磨，去除油污，然后依次用800目、?1000目、1200目砂紙進行打磨，直至鎂合金坯料表面光潔；

17、s1-2、將丙酮與無水乙醇按體積比3:2在清洗槽中混合并攪拌均勻，配制成超聲波清洗液；

18、s1-3、將步驟s1-1制備的鎂合金方形棒料浸沒入步驟s1-2制備的清洗液內，將清洗槽放置在超聲波清洗機上對鎂合金方形棒料超聲波清洗60min，然后取出鎂合金方形棒料并用無水乙醇清洗，最后用吹風機吹干；

19、s1-4、將步驟s1-3制備的鎂合金方形棒料的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；

20、s2、鎂合金方形棒料預熱：設定真空氣氛加熱爐的加熱溫度為450℃，加熱爐爐溫達到設定溫度后，將鎂合金方形棒料放入加熱爐內，保溫3h；

21、s3、多錐面模塊差速扭擠成形模具的潤滑、裝配與預熱；

22、s3-1、潤滑：將多錐面模塊差速扭擠成形模具的上下表面，弧形凸臺表面和上部墊板15、下部墊板表面、凹槽以及構成擠壓通道的所有零件表面全部涂抹石墨油溶液；

23、s3-2、裝配：首先將下部墊板固定在工作平臺上，套筒固定在下部墊板上；再將多錐面模塊差速扭擠成形模具四個模塊分別與準雙曲面齒輪傳動裝置中的大齒輪通過螺栓連接固定，將組裝好的多錐面模塊差速扭擠成形模具放在下部墊板上，多錐面模塊差速扭擠成形模具下方的弧形凸臺與下部墊板的凹槽相配合；固定準雙曲面齒輪傳動裝置中的小齒輪與傳動軸，小齒輪與模具上的大齒輪嚙合，安裝上部墊板，上部墊板凹槽與多錐面模塊差速扭擠成形模具上部弧形凸臺相配合；控制液壓機頂座的擠壓凸模向下插入上部墊板通孔，且不與上部墊板接觸，保證擠壓凸模的軸線與上部墊板軸線重合，擠出區ⅲ位置貫穿工作平臺與墊板設置的漏料孔對齊；

24、s3-3、預熱：油溫機控制器開啟油溫機，設定通入上部墊板和多錐面模塊差速扭擠成形模具中的熱油溫度均為350~500℃，達到設定溫度后保溫2~4h；

25、s4、多錐面差速扭擠成形：

26、s4-1、控制壓力電機將擠壓凸模由擠壓通道內退出，將鎂合金方形棒料放入擠壓通道內并使其與上部墊板及多錐面模塊差速扭擠成形模具上部接觸，控制擠壓凸模下行進行擠壓，擠壓速度為10~200mm/min，擠壓過程中，控制油溫機始終保證通入上部墊板和多錐面模塊差速扭擠成形模具中的熱油溫度為350~500℃，鎂合金方形棒料在擠壓通道內由上至下依次經過扭轉區ⅰ、變截面扭轉區ⅱ與擠出區ⅲ，最終從漏料孔擠出，獲得高性能細晶鎂合金材料；

27、s4-2、多錐面差速扭擠成形后，執行以下步驟a或步驟b：

28、a.擠壓第二塊鎂合金方形棒料時：首先，關閉油溫機，控制立式液壓機將擠壓凸模退出直至足夠放入下一塊鎂合金方形棒料；然后，將經步驟s4-1擠壓獲得的細晶弱織構鎂合金材料從漏料孔處鋸斷；放入下一塊鎂合金方形棒料后，開啟油溫機并重復步驟s4-1進行變截面差速扭擠成形，直至全部鎂合金坯料差速扭擠完成后執行步驟b；

29、b?.鎂合金坯料擠壓結束后，則關閉油溫機，控制立式液壓機將擠壓凸模由多錐面模塊差速扭擠成形模具中退出，待多錐面模塊差速扭擠成形模具與鎂合金坯料均冷卻至室溫后，將多錐面模塊差速扭擠成形模具從立式液壓機上拆卸下，將擠壓獲得的細晶弱織構鎂合金從漏料孔處鋸斷，將通道內未成形的鎂合金方形棒料取出，封存模具以待后續使用；

30、s4-3、取出步驟s4-2制得的細晶弱織構鎂合金棒料，用砂紙打磨其表面，然后用步驟s1-2制備的超聲波清洗液清洗，最后用無水乙醇二次清洗，并用吹風機吹干，制得能夠直接投入使用的細晶弱織構鎂合金棒材。

31、使用本發明裝置及加工方法差速扭擠制備鎂合金方形棒料時，由于a.準雙曲面齒輪傳動系統的可靠機械傳動作用，b.內部多錐面模塊差速扭擠成形模具的不對稱的圓錐面結構在上述兩者的協同作用下，所得細晶鎂合金方形棒料晶粒細化效果較傳統工藝方法所得鎂合金方形棒料更為明顯。

32、與現有技術相比本發明的有益效果為：

33、1.擠壓通道提供劇烈的差速剪切變形、扭轉變形和動態再結晶，有效弱化鎂合金基面織構，提高鎂合金力學性能；

34、2.準雙曲面齒輪傳動機構轉速可調，可控制坯料的的扭轉速度，并且擠壓通道通道以圓錐面輪廓實現變截面，使得鎂合金坯料接觸不同圓錐面的不同部分時流動速度不同，使得坯料進一步實現差速螺旋擠壓變形，使得鎂合金棒材晶粒細化、織構弱化效果更為顯著。