中北大学张治民教授团队:多向加载旋转挤压新技术|CJME论文推荐|中北大学|凸模|塑性|张治民|强韧化|旋转挤压|构件

引用论文

Zhang, Z., Xue, Y., Zhang, X. et al. New Technology of Multidirectional Loading Rotary Extrusion. Chin. J. Mech. Eng. 36, 123 (2023). https://doi.org/10.1186/s10033-023-00942-1

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研究背景及目的

相关设计研究及工程实践表明，结构效率和可靠性兼顾、结构功能一体化的薄壁高筋镁/铝合金壳体是航天与国防高端装备迫切需求的轻量化构件，是提升装备战技指标和节能减排的主流结构件。该类构件具有尺寸大、薄壁高筋(满足刚度需求)、形状复杂的结构特点；同时要求很高的均匀强韧性(不同方向/部位上抗拉强度差小于10%)和抗冲击承载能力。结构上的大型整体化、薄壁轻量化、形状复杂化以及性能要求苛刻，加之高强镁/铝合金缺口敏感性大，焊接和切削加工都无法满足产品使用要求，必须整体塑性成形。塑性变形尤其是剧塑性变形是镁/铝合金细化晶粒，提高强度、塑性、韧性及疲劳寿命等力学性能的最佳途径。高强镁/铝合金塑性差，加之薄壁高筋结构金属流动困难，传统塑性加工不仅成形力大，工模具难以承受；同时高筋成形后脱模难；还存在成形易开裂、变形不均匀和强各向异性等问题。由于传统工艺的众多缺陷，致使无法成形出带内环高筋的高性能薄壁构件，迫切需要薄壁高筋镁/铝合金壳体的形性一体化控制成形新技术。

试验方法

旋转挤压主要是通过增加变形剪应力，加大剪应变细化晶粒，提高材料性能，但无法制备大锭坯，更无法做出大型复杂构件。为此，亟需一种在实现材料大变形强韧化的同时、成形出高性能的内环高筋壳体件的加工技术。在长期研究的基础上，综合挤压、旋压以及旋转挤压的优势，中北大学张治民教授团队研发了直线运动与旋转运动相匹配，主动增加强剪切力的多向加载旋转挤压成形新技术。多向加载旋转挤压是在坯料轴向、径向加载的基础上增加强旋转力矩实现周向加载，通过凸模直线运动与凹模（带着坯料）旋转运动的有机组合，借助于“组合式”或“开放式”凸模，主动给变形金属增加强剪切力，迫使金属有序流动并在“微区”产生累积的剧塑性变形，进而实现内环高筋壳体精确成形和材料强韧化的一种新技术。

结果

（1）实现大规格难变形材料的组织超细化和纤维组织的定向分布，提高构件综合性能；

图1 筒形件旋转挤压成形组织演变

图2 旋转挤压成形对合金硬度的影响

（2）有效提高材料利用率和生产效率，减少能耗；

图3 旋转挤压带筋直筒和锥筒变形前后结构图

（3）有效减少变形不均匀，弱化各向异性，提高构件可靠性；

图4 旋转圈数对织构的影响

（4）有效提高变形程度，降低成形力。

图5 旋转速度与等效应变、载荷大小关系

如图5所示，随凸起花瓣的增加，即凹下部分与突起部分面积比的增加，构件平均等效塑性应变明显增加，轴向挤压载荷减少，旋转力矩相应增加(表1)。

图6 不同凸模结构示意图

表1 凸模结构对轴向挤压载荷及等效塑性应变的影响

由凸模行程-载荷曲线图(图7)可知，对于相同的变形量，旋转挤压与传统挤压相比轴向挤压力减少，有利于减缓模具损耗和降低设备吨位。

图7 传统反挤压与旋转反挤压载荷随时间变化曲线

结论

(1) 多向加载旋转挤压成形技术，是大型内环筋构件整体精密成形和剧变形强韧化为一体的形性控制成形新技术，拓展了塑性成形新领域。

(2) 多向加载旋转挤压成形技术，可实现大构件在“微区”的累积剧塑性变形，有效细化组织，是提高构件力学性能的有效途径。

(3) 多向加载旋转挤压技术改变凸模结构形状或旋转运动速度，显著影响变形程度和成形载荷，颠覆了传统挤压的毛坯与工件形状决定变形程度和成形力的工艺设计。

前景与应用

针对大型高性能内环筋类轻质构件精确成形的需求，研发了直线运动与旋转运动相匹配，主动增加强剪切力的多向加载旋转挤压成形新技术。其原理为：在坯料轴向挤压加载的同时，增加径向力与旋转力矩，通过轴向、径向以及旋转运动的协同作用，控制金属有序流动并产生“隆起-抹平”微区累积剧塑性变形，实现材料均匀强韧化的同时，通过凸模“椭圆-圆”的连续变形，在筒壁上长出来高筋，实现筒形件或内环筋构件的高品质成形。该技术丰富了塑性成形理论，拓宽了塑性成形的应用领域，成形的大型高性能内环筋镁构件已成功在航天装备中得到工程化验证，解决了大型内环筋构件整体成形和剧变形强韧化的难题，具有良好的推广应用前景。

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团队带头人

张治民，教授，博导。国防973首席、国家重大专项技术首席、国务院特贴专家、全国优秀教师、国防科技精密塑性成形创新团队带头人、中北大学学术委员会主任。1982年至今一直从事金属构件精密成形及改性新技术研究，先后牵头组建“镁合金关键技术及工艺国家地方联合工程研究中心”、“国防科技精密塑性成形技术研究应用中心”以及“镁基材料深加工教育部工程技术中心”。先后主持国家“863”、国防“973”、国家重点基金、国防基础科研重点、装备发展部共用技术等项目，以第一完成人获得国家科技进步二等奖1项、2019年何梁何利基金科学与技术进步奖、2018年第八届中国兵工学会科技奖特等奖、省部级科技一等奖5项、二等奖14项，2023年第四届中国有色金属创新争先计划获得者；申请发明专利150余项(美国4项)/授权120余项，发表论文200余篇；制定工艺规范48个，行业标准2项。

作者介绍

董蓓蓓，博士，讲师。主要从事金属精密塑性成形工艺的基础研究工作。作为项目负责人，主持山西省青年项目1项。入选中国科协第八届青年人才托举工程，《材料开发与应用》期刊青年编委，获2021年山西省优秀博士论文、第二十四届中国专利奖优秀奖（排名第二）、第二届NFSOC高等教育教学成果二等奖（排名第四）；授权国家发明专利8项，以第一/通讯作者发表SCI收录9篇。

团队研究方向

作者团队所在的山西省集成精密塑性成形工程技术研究中心是山西省首批5个工程中心之一，同时也是镁基材料深加工教育部工程中心、国防科技工业精密塑性成形技术研究应用中心（技术依托单位）、镁合金关键技术及工艺国家地方联合工程研究中心。聚焦镁产业发展和高端装备轻量化需求，围绕以下四个方向，开展镁基材料深加工基础理论、共性关键技术、工程化应用研究，解决镁基材料强韧性低、构件成形难、无法推广应用的难题：

（1）镁基材料强韧化及武器装备应用技术；

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作者：董蓓蓓

责任编辑：谢雅洁

责任校对：张强

审核：张强

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