專利名稱：一種提高半固態(tài)鍛件質(zhì)量的模具設(shè)計方法及成形工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半固態(tài)成形技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種提高半固態(tài)鍛件質(zhì)量的模具設(shè) 計方法及成形工藝。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步對材料科學(xué)與工程技術(shù)的要求日益提高，研制開發(fā)新型高性 能結(jié)構(gòu)材料以及其先進短流程加工技術(shù)已經(jīng)成為廣大高科技企業(yè)需要迫切解決的問題， 這一現(xiàn)象在汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域體現(xiàn)得更為明顯。目前，高精密高質(zhì)量復(fù)雜結(jié) 構(gòu)件通常使用機械加工的方法加以制造。由于該傳統(tǒng)的機械加工方法具有加工周期長、 生產(chǎn)成本高等一些缺陷，長期以來探索短流程、近終形高質(zhì)量結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)方法、并能 從實驗上制備出高質(zhì)量結(jié)構(gòu)件以及研究其性能己成為一種迫切的需要。如何找到一種巧 妙的成形方法已成為廣大科學(xué)家和工程師一項極具創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的工作。目前，問題 的主要瓶頸是如何提出短流程、近凈成形且易于控制的材料成形工藝。
另一方面，在國家"十一五"中長期發(fā)展規(guī)劃中，明確提出未來加工行業(yè)必須走 低能耗、低污染的道路，并提出了相應(yīng)的考核指標(biāo)。為盡快扭轉(zhuǎn)在我國經(jīng)濟建設(shè)中占有 重要地位的材料加工及制造行業(yè)的高能耗、重污染和低性價比，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕環(huán) 境污染，增強其國際競爭力，迫切需要從冶金材料科學(xué)發(fā)展前沿出發(fā)，突破傳統(tǒng)的冶金 及加工工藝?yán)碚摵透拍睿酶咝录夹g(shù)對材料加工及控制技術(shù)進行新的工藝探索，實現(xiàn)
生產(chǎn)過程的短流程、低能耗和高質(zhì)量。20世紀(jì)70年代初期半固態(tài)加工技術(shù)的出現(xiàn)無疑 為解決上述問題帶來了希望。
所謂半固態(tài)加工是對具有一定液相組分的固液混合漿料進行壓鑄、擠壓或模鍛成 形，是一種介于普通鑄造(純液態(tài))和鍛壓(純固態(tài))之間的成形方法(M C. i^;wi"^.
與普通的加工方法相比，半固態(tài)金屬加工具有如下優(yōu)點①應(yīng)用范圍廣泛，凡具有固 液兩相區(qū)的金屬及合金均可實現(xiàn)半固態(tài)加工，如鋁合金、鎂合金和鋼的壓鑄、擠壓和鍛
壓成形；②半固態(tài)合金已經(jīng)部分釋放出結(jié)晶潛熱，因而減輕了對加工模具的熱沖擊， 使其壽命大幅度提高；③半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，因而可 以成形斷面十分復(fù)雜的零件，實現(xiàn)近凈成形，并且縮短了加工周期，提高了材料利用率， 有利于節(jié)能節(jié)材；④半固態(tài)漿料充填平穩(wěn)，無湍流和噴濺，加工溫度相對較低，凝固
3收縮小，因而成形件表面平整光滑，內(nèi)部組織致密，晶粒細小，力學(xué)性能好?？梢姲牍?態(tài)加工技術(shù)與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比具有極大的優(yōu)勢(S/wo"尺/e/"M ^/^WOg^， O"ver
Mtfto5「外6W-65S)。
20世紀(jì)70年代以來，該技術(shù)得到了美國、意大利、德國和日本等發(fā)達國家科技工 作者的普遍重視，并己先后對鋁、鎂、鉛、銅等合金在半固態(tài)工藝實驗和理論等方面開
展了廣泛的研究，取得了重要進展，部分公司已進入規(guī)模生產(chǎn)(皿^^/2/6/^/^/"1^//"^,
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D/m, 2002. /S5iV3-W22-70(W")。如美國的Alumax公司1997年的兩座半固態(tài)鋁合金成 形汽車零件生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)能力分別達到每年5000萬件。意大利的Stampal SPA和 Fiat Auto公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金汽車零件質(zhì)量達7kg,并且形狀復(fù)雜；意大利的畫 (MagnetiMarelli)為汽車公司生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金成形的fuel injection rail零件， 在2000年達到日產(chǎn)7500件。在德國，世界著名的亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成形所(IBF der RWTH-Aachen)在Reiner Ko卯教授和EFU公司總裁Gerhalt Hirt教授領(lǐng)導(dǎo)下正進行著 一項規(guī)模宏大、水平很高的半固態(tài)研究項目SFB289(Sonderforschungbereich),該項 目從1996年起連續(xù)12年從德國科研聯(lián)合會DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) 獲得資助，對半固態(tài)進行了全面、深入和系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和工業(yè)開發(fā)(M尺/wcW,及.Ko/p.
2002, 5/(2人7-/《)。日本的Speed Star Wheel公司已經(jīng)用半固態(tài)加工技術(shù)生產(chǎn)鋁合金輪 轂(重5kg)。另外，在日本一些公司已用半固態(tài)鎂合金觸變成形技術(shù)生產(chǎn)出移動通訊 手機外殼和筆記本電腦外殼等。在全世界范圍內(nèi)已先后召開了 io次半固態(tài)國際學(xué)術(shù)會 議(S2P)，取得了重要學(xué)術(shù)成果。
我國從80年代后期開始，在國家自然科學(xué)基金、863和973等計劃的支持下，先 后有不少高校和科研單位開展了這方面的研究，如北京有色金屬研究總院(:^J^^資 査，餘變，石力f5"e附"淑尸薩孤'"go/，/城—-傳第二辟殿牟會論文菜 龍庶2002:204-2朋)、重慶大學(xué)(左宏l,浙,銀鄰產(chǎn)舉，各、忠銀范譜，李薪全， ^欲尿孝模屋鎵舒會金羊廚漆羞蕃工藝刀靡齊車零/f游羊錄態(tài)屋鎵成系 W^^二屆舉y^漆牟會論Jt"菜_^_京2002:^2-/卯)等。在半固態(tài)加工成形技術(shù)的基礎(chǔ) 理論研究方面取得了可喜進展，并自形設(shè)計和開發(fā)了不同類型的試驗設(shè)備，甚至與企慶九方鑄造有限公司合作研制的 JH70型摩托車發(fā)電機鎂合金半固態(tài)支架;北京有色金屬研究總院與東風(fēng)汽車公司合作，
采用半固態(tài)壓鑄生產(chǎn)的鋁合金汽車空調(diào)器零件。
在半固態(tài)成形過程中，半固態(tài)漿料在模腔充填過程被認為是無紊流特征的層流(非 牛頓流動行為)，理論上，這種無紊流漿料充填可以避免在常規(guī)鑄造中常出現(xiàn)的氣孔、 汽泡等缺陷，形成具有高力學(xué)性能的成形件，并且層流具有封閉的流動前沿，以降低 氧化物等夾雜。然而在實際生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)開裂、材料重疊形成的折痕以及局部 材料冷縮形成的縮孔，這可能是半固態(tài)加工技術(shù)難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)地部分原 因。相對于半固態(tài)壓鑄成形，在半固態(tài)觸變鍛造或擠壓成形過程中，對加熱坯料的固 相分?jǐn)?shù)要求大幅度地提高，其液相分?jǐn)?shù)通常被認為是作為潤滑使用。由此產(chǎn)生的結(jié)果 是漿料充填過程中產(chǎn)生紊流的傾向降低，然而材料流動產(chǎn)生封閉前沿的可能性也同時 降低，前沿開裂可能性加大。因而對半固態(tài)流動前沿進行深入而系統(tǒng)的研究具有重要 的意義，同時對實際生產(chǎn)中零件質(zhì)量的提高具有重要的指導(dǎo)作用。
實際上，在半固態(tài)成形過程中，漿料由于熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)等原因在變形 過程中逐步凝固，因而，半固態(tài)成形過程在本質(zhì)上是在非等溫條件下完成的。由于熱 傳導(dǎo)參數(shù)和熱輻射系數(shù)等熱能參數(shù)在實際生產(chǎn)中無法改變，因而對流動前沿的改進只
能從兩個方面進行控制成形過程中的模具運動速度或通過模具優(yōu)化的方法改變模具 結(jié)構(gòu)和尺寸來實現(xiàn)。另一方面，半固態(tài)加工溫度區(qū)間通常很窄，其成形過程必須在很 短的時間內(nèi)完成。這要求成形壓力機不僅有高的位置精度，同時必須有較高的滑塊運 動速度。在觸變鍛造成形中加熱毛坯的液相分?jǐn)?shù)通?？刂圃?0%以下，因而由模具高 速運動所產(chǎn)生的漿料紊流充填現(xiàn)象可以避免，但流動前沿開裂問題可能發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高半固態(tài)鍛件質(zhì)量的模具設(shè)計方法及成形工藝，以 解決半固態(tài)觸變鍛造成形過程中流動前沿的開裂和不封閉等問題。
本發(fā)明使用對模具幾何尺寸優(yōu)化的方法來改進半固態(tài)觸變鍛造成形中流動前沿的 不封閉狀況，研究對象為觸變鍛造一次成形的法蘭件(圖1)。
以圓形法蘭為研究對象，對一定傾斜角度(10-20° )梯形截面的法蘭，成形時坯 料在法蘭各個半徑處的流量必須恒定才能最大程度地提高鍛件質(zhì)量，防止開裂情況的 發(fā)生。假設(shè)坯料的徑向充填速度為Vr，法蘭的最大外徑為R，最大外徑R處法蘭厚度 為h (5mm<h<7mm)，半徑為r((X"R)處法蘭的厚度為H(r)，該厚度H(r)必須滿足流動前沿面積恒等，即H(r) X 2w-C(C為常量)。由于坯料的徑向充填速度可以通過 調(diào)節(jié)壓力機成形速度和坯料半固態(tài)溫度進行優(yōu)化，使之成為與半徑大小無關(guān)的常量， 這樣流動前沿面積乘以徑向充填速度也為常量，即H(r) X 2nr X Vr =常量，也 就是徑向體積流量始終相等。從而在根本上解決了半固態(tài)觸變鍛件流動前沿的開裂問 題，提高了鍛件質(zhì)量。 具體工藝步驟如下-
1、 坯料準(zhǔn)備。購買或制備一定直徑的具有半固態(tài)組織特征的棒料，鋸切加工成所 需尺寸的坯料。
2、 對坯料進行感應(yīng)加熱。用感應(yīng)加熱爐將坯料快速均勻加熱到觸變鍛造成形所需 要的半固態(tài)溫度(對A356鋁合金577-581'C)。
3、 半固態(tài)觸變鍛造成形法蘭件的模具設(shè)計。圖2和圖3為半固態(tài)觸變鍛造成形過 程中漿料沿半徑方向流動前沿恒等面積的示意圖。法蘭的成形腔設(shè)計在觸變鍛造模具上 模的底部水平方向。由于所述零件為軸向?qū)ΨQ，先在徑向從最大外徑R處向內(nèi)確定5-8 個等距離點，如確定Pr到P6'(PrP2^P2'P3'-…-P5T6'-L， L=6mm)，再根據(jù)其在 高度方向上圓周面積相等的原則確定P1到P6，也就是S^S2-…-S6 (S為流動前沿 而積)。通過把P1到P6連成線得到形狀為一條雙曲線，進而形成雙曲面，即模具法蘭 成形腔的曲面部分，此為上模法蘭成形腔設(shè)計的重要依據(jù)。
4、 半固態(tài)觸變鍛造成形法蘭件。將感應(yīng)加熱后的半固態(tài)坯料迅速用夾具放入到預(yù) 熱(預(yù)熱溫度250-300'C)過的觸變鍛造模具的凹模中。調(diào)整壓力機的速度(對A356鋁 合金80-120mm/s)，使?jié){料在徑向充填過程中徑向速度為恒定值，這樣漿料在徑向充 填中可實現(xiàn)等體積流量的填充方式(H(r) X 2nr X Vr =常量)。使用石墨脫模劑， 并保壓一定時間。使用以上參數(shù)可觸變鍛造成形得到具有封閉流動前沿的高質(zhì)量法蘭 零件。
本發(fā)明的優(yōu)點提供了一種提高半固態(tài)鍛件質(zhì)量的模具設(shè)計方法和成形工藝，使 半固態(tài)漿料在成形中實現(xiàn)等體積流量的填充，解決了半固態(tài)觸變鍛造成形過程中流動 前沿的開裂和不封閉等問題。成形后的零部件輪廓清晰、尺寸穩(wěn)定精確，力學(xué)性能大 大優(yōu)于常規(guī)材料制品，得到了具有封閉流動前沿的高質(zhì)量鍛件。實際上，該等體積流 量的模具設(shè)計技術(shù)也可以用于其它對質(zhì)量有較高要求的復(fù)雜零件或?qū)植抠|(zhì)量有較高
要求的零件。因此，該方法具有一定的通用性。


圖1為半固態(tài)觸變鍛造一次成形某法蘭件的示意圖。
圖2為半固態(tài)觸變鍛造成形過程中漿料沿半徑方向流動的模型示意圖(軸對 稱1/4模型)，Pl'、 P2'.....P6'分別為P1、 P2.....P6在法蘭下表面(x軸)上的投影。
圖3為半固態(tài)觸變鍛造成形過程中漿料沿半徑方向流動前沿恒等面積的幾何 描述的示意圖，x軸為法蘭下表面徑向方向。
具體實施例
使用半固態(tài)觸變鍛造成形方法制備法蘭件。 實施例1:
從Duralcan公司(Duralcan company)購買直徑為4> 50mm的具有半固態(tài)組織 特征的A356鋁合金棒料。鋸切加工成4)50mmX52mm的圓柱狀坯料，用感應(yīng)加熱 爐將坯料快速均勻加熱到半固態(tài)溫度581'C。
設(shè)計半固態(tài)觸變鍛造成形法蘭件的模具。法蘭的成形腔設(shè)計在觸變鍛造模具上模的 底部水平方向，根據(jù)所研究軸對稱目標(biāo)零件的尺寸，在法蘭成形腔的下表面徑向(x軸) 從最大外徑R處向內(nèi)確定7個等距離點，即Pl'到P7'(P1T2'= P2'P3'=...=P6T7'=L，其 中L=8mm)，再根據(jù)其在高度方向上圓周面積相等的原則確定Pl到P7，也就是 S1-S2=...=S7 (S為流動前沿面積)。通過把P1到P7連成線得到形狀為一條雙曲線， 進而形成雙曲面，即為模具法蘭成形腔的曲面部分。
將感應(yīng)加熱后的半固態(tài)鋁合金坯料迅速用夾具放入到觸變鍛造模具的凹模中(模 具預(yù)熱溫度設(shè)為260'C)。壓力機的速度調(diào)整為80mm/s、使用石墨脫模劑，成形壓力設(shè) 為600KN,保壓時間設(shè)為8秒。使用以上參數(shù)可鍛造成形得到具有封閉流動前沿的高質(zhì) 量法蘭件。
實施例2:
將直徑為4)50mm的具有半固態(tài)組織特征的A356鋁合金棒料鋸切加工成4>50mm X55mm的圓柱狀坯料，用感應(yīng)加熱爐將坯料快速均勻加熱到半固態(tài)溫度5WC。
設(shè)計半固態(tài)觸變鍛造成形法蘭件的模具。法蘭的成形腔設(shè)計在觸變鍛造模具上模的 底部水平方向，根據(jù)所研究軸對稱目標(biāo)零件的尺寸，在法蘭成形腔的下表面徑向(x軸) 從最大外徑R處向內(nèi)確定6個等距離點，即Pr到P6'(Pl'P2^ P2T3'=...=P5'P6'=L，其 中L=7mm)，再根據(jù)其在高度方向上圓周面積相等的原則確定Pl到P6,也就是
7S1=S2=...=S6 (S為流動前沿面積)。通過把P1到P6連成線得到形狀為一條雙曲線， 進而形成雙曲面，即為模具法蘭成形腔的曲面部分。
使用簡易輸送裝置將感應(yīng)加熱后的半固態(tài)鋁合金坯料迅速放入觸變鍛造模具的凹 模中(模具預(yù)熱溫度設(shè)為260°C)。壓力機的速度調(diào)整為100mm/s、使用石墨脫模劑， 成形壓力設(shè)為600KN，保壓時間設(shè)為8秒。使用以上參數(shù)可鍛造成形得到具有封閉流動 前沿的高質(zhì)量法蘭件。
實施例3:
將直徑為4)50ram的具有半固態(tài)組織特征的A356鋁合金棒料鋸切加工成4>50ram X61mm的圓柱狀坯料，用感應(yīng)加熱爐將坯料快速均勻加熱到半固態(tài)溫度577'C。
設(shè)計半固態(tài)觸變鍛造成形法蘭件的模具。法蘭的成形腔設(shè)計在觸變鍛造模具上模的 底部水平方向，根據(jù)所研究軸對稱目標(biāo)零件的尺寸，在法蘭成形腔的下表面徑向(x軸) 從最大外徑R處向內(nèi)確定5個等距離點，即？1'到？5'( 1下2'= P2'P3'=...=P4T5'=L，其 中L=6mm),再根據(jù)其在高度方向上圓周面積相等的原則確定Pl到P5,也就是 S1=S2=...=S5 (S為流動前沿面積)。通過把P1到P5連成線得到形狀為一條雙曲線， 進而形成雙曲面，即為模具法蘭成形腔的曲面部分。
使用簡易輸送裝置將感應(yīng)加熱后的半固態(tài)鋁合金坯料迅速放入觸變鍛造模具的凹 模中(模具預(yù)熱溫度設(shè)為260°C)。壓力機的速度調(diào)整為120mm/s、使用石墨脫模劑， 成形壓力設(shè)為600KN,保壓時間設(shè)為8秒。使用以上參數(shù)可鍛造成形得到具有封閉流動 前沿的高質(zhì)量法蘭件。
權(quán)利要求
1.一種提高半固態(tài)鍛件質(zhì)量的模具設(shè)計方法及成形工藝，其特征是以圓形法蘭為研究對象，對10-20°傾斜角度梯形截面的法蘭，成形時坯料在法蘭各個半徑處的流量保持恒定，假設(shè)坯料的徑向充填速度為Vr，法蘭的最大外徑為R，最大外徑R處法蘭厚度為h，其中5mm＜h＜7mm，半徑為r處法蘭的厚度為H(r)，0＜r＜R，該厚度H(r)必須滿足流動前沿面積恒等，即H(r)×2πr＝C，C為常量；坯料的徑向充填速度通過調(diào)節(jié)壓力機成形速度和坯料半固態(tài)溫度進行，使徑向充填速度成為與半徑大小無關(guān)的常量，這樣流動前沿面積乘以徑向充填速度也為常量，即H(r)×2πr×Vr＝常量，也就是徑向體積流量始終相等。
2. 如權(quán)利要求1所述一種提高半固態(tài)鍛件質(zhì)量的模具設(shè)計方法及成形工藝，其特征是具體工藝步驟如下1) 、坯料準(zhǔn)備；購買或制備具有半固態(tài)組織特征的棒料，鋸切加工成所需尺寸的 坯料；2) 、對坯料進行感應(yīng)加熱，用感應(yīng)加熱爐將坯料快速均勻加熱到觸變鍛造成形所 需要的半固態(tài)溫度；對A356鋁合金577-581'C;3) 、半固態(tài)觸變鍛造成形法蘭件的模具設(shè)計；法蘭的成形腔設(shè)計在觸變鍛造模具上 模的底部水平方向；由于所述零件為軸向?qū)ΨQ，先在徑向從最大外徑R處向內(nèi)確定5-8 個等距離點；相對于6個等距離點確定Pl'到P6' ， P1T2'= P2'P3'=...=P5'P6'=L， L=6mm;再根據(jù)其在高度方向上圓周面積相等的原則確定Pl到P6，也就是S1=S2 =...= S6， S為流動前沿面積；通過把P1到P6連成線得到形狀為一條雙曲線，進而形成雙曲 面，即模具法蘭成形腔的曲面部分，此為上模法蘭成形腔設(shè)計的重要依據(jù)；4) 、半固態(tài)觸變鍛造成形法蘭件；將感應(yīng)加熱后的半固態(tài)坯料迅速用夾具放入到 預(yù)熱過的觸變鍛造模具的凹模中，預(yù)熱溫度為250-30(TC;調(diào)整壓力機的速度，對A356 鋁合金80-120mm/s,使?jié){料在徑向充填過程中徑向速度為恒定值，這樣漿料在徑向充 填中能實現(xiàn)等體積流量的填充方式，H(r) X 2nr X Vr =常量。
全文摘要
本發(fā)明屬于半固態(tài)成形技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高半固態(tài)鍛件質(zhì)量的模具設(shè)計方法及成形工藝。其特征是以圓形法蘭為研究對象，對10-20°傾斜角度梯形截面的法蘭，成形時坯料在法蘭各個半徑處的流量保持恒定，假設(shè)坯料的徑向充填速度為Vr，法蘭的最大外徑為R，最大外徑R處法蘭厚度為h，其中5mm＜h＜7mm，半徑為r處法蘭的厚度為H(r)，0＜r＜R，該厚度H(r)必須滿足流動前沿面積恒等；坯料的徑向充填速度通過調(diào)節(jié)壓力機成形速度和坯料半固態(tài)溫度進行，使徑向充填速度成為與半徑大小無關(guān)的常量，這樣流動前沿面積乘以徑向充填速度也為常量，也就是徑向體積流量始終相等。本發(fā)明使半固態(tài)漿料在成形中實現(xiàn)等體積流量的填充，解決了半固態(tài)觸變鍛造成形過程中流動前沿的開裂和不封閉等問題。
文檔編號B21J13/02GK101648253SQ200910090638
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者汪富玉, 王開坤 申請人:北京科技大學(xué)