金屬液態填充、塑性流動複合模鍛工藝的製作方法

2023-08-10 08:14:31 2

本發明涉及一種金屬液態填充、塑性流動複合模鍛工藝。

背景技術：

液態模鍛雖然綜合了傳統鑄造、鍛造的優點，但仍然是以凝固為主的成形，因此與固態模鍛生產出的鍛件相比在性能上仍然存在著一定的差距，主要原因是塑性變形量小，組織狀態不是經變形的細晶組織。為了提高兩種成形技術製件的性能，近年來一些學者提出採用先鑄造制坯，然後進行普通熱模鍛，這種方法只適用於簡單形狀零件，主要目的是節約材料。

有鑑於上述的缺陷，本設計人積極加以研究創新，以期創設一種金屬液態填充、塑性流動複合模鍛工藝，使其更具有產業上的利用價值。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種提高和精確控制液態模鍛製件組織性能的金屬液態填充、塑性流動複合模鍛工藝。

本發明金屬液態填充、塑性流動複合模鍛工藝，用於製備t型件，所述的工藝需採用t型件成型系統完成，其中所述的t型件成型系統包括：鍛模模具、壓力控制裝置，所述鍛模模具至少包括t型成組件，所述t型成組件包括：凸模、左凹模、右凹模以及左滑塊、右滑塊，在所述的左滑塊、右滑塊上分別壓設有的液壓活塞；所述壓力控制裝置控制所述的左滑塊、右滑塊的移動，並通過調節壓力控制裝置的壓力大小實現不同的速度；

所述的工藝至少包括如下步驟：

鍛模模具進行預熱，預熱溫度為250℃±10℃；

根據6061鋁合金的液相溫度確定澆築溫度，將熔融成液相的金屬倒入容置液態6061鋁合金的空腔內，液態金屬液填充t型件軸線垂直的圓柱體，在第一壓力下進行液態填充，衝頭壓力小於或等於壓在左滑塊、右滑塊上的液壓活塞，衝頭加載速度為15mm/s，衝頭加載完成後保壓20s，6061鋁合金凝固後在第二壓力下繼續加載衝頭，使已凝固的金屬部分推動所述的左滑塊、右滑塊向外移動，所述的左滑塊、右滑塊到達設定位置後，停止衝頭加載，通過塑性變形完成兩個軸線水平不等徑地圓柱部分的成形；其中，第一壓力小於第二壓力。

進一步地，所述鍛模模具包括下模板通過螺塞固定在下模板上的墊板，對置在所述墊板上的凹模固定套，所述左凹模、右凹模分別通過左法蘭、右法蘭連接在所述凹模固定套上，所述左滑塊設置在所述左凹模上，所述右滑塊設置在所述右滑塊上，在所述的左滑塊、右滑塊上分別壓設有的液壓活塞，所述的凸模與左凹模、右凹模單邊間隙為0.06至0.1mm；

還包括上模板通過螺栓固定在上模板上的凸模固定板，所述凸模固定板和上模板之間設有凸模墊板。

進一步地，在凹模與凹模模套之間設有斜度。

進一步地，壓力控制裝置包括：油箱、液壓泵、溢流閥、節流閥、換向閥和液壓缸；啟動後，通過節流閥調節油壓的壓力，以不同地速率帶動油缸活塞移動，直到滿足壓力機繼續施壓後的行程為止，壓力控制裝置由兩個油缸來控制左、右兩個滑塊。

進一步地，還包括固定連接裝置，所述固定連接裝置包括：平行間距設置的固定環和移動環，所述的固定環、移動環均與兩根導柱連接，所述導柱上設有螺紋，所述移動環上套設有導套，所述導套內設有於所述導柱上螺紋配合的螺紋，所述導套下方的導柱上設有螺母，所述的移動環通過兩根帶螺紋的導柱和螺母支撐起來，所述壓力控制裝置的液壓缸設置在所述移動環上，所述移動環可通過螺紋調節高度，控制液壓缸的中心與鍛模模具的左、右滑塊的中心在同一水平高度。

進一步地，t型件成型系統還包括：液壓機、加熱爐、溫控儀、可控矽溫度儀；採用可控溫度儀和開式加熱爐做為加熱熔化金屬，開式加熱爐的功率為10kw，溫度傳感器材料為鎳鉻-鎳矽合金，採用4根電阻絲加熱模具；在電阻絲內外加裝瓷管，並在加熱時包裹耐火的石棉材料來減少模具與環境的熱交換；採用xmt-101數顯溫度控制儀器測量模具的溫度，溫度控制裝置的測量範圍是1-1300攝氏度，誤差小於等於1攝氏度；線圈電壓380v，可以實現過電壓和過電流保護；所述液壓機為2000kn液態模鍛液壓機。

進一步地，採用機油石墨潤滑劑對所述鍛模模具進行潤滑，將質量分數為5％的石墨粉加入到質量分數為95％的機油中，均勻攪拌後用噴槍噴塗在模具型腔表面，其厚度為0.05-0.1mm。

進一步地，所述第一壓力為10mpa、20mpa或30mpa；所述t型成組件的材質為5crnimo。

進一步地，還包括將t型件固溶在溫度525℃保溫了2個小時，取出後淬火，再在175℃時效8小時，對所述t型件進行硬度測試。

藉由上述方案，本發明金屬液態填充、塑性流動複合模鍛工藝至少具有以下優點：

在一個模具形腔中，液態金屬首先在一個較低壓力作用下完成充型、凝固，獲得與成形零件形狀相近的毛坯；繼續增加壓力後已成形金屬會迫使一些活動模塊產生移動，釋放出一些模具空間，同時使預段毛坯在壓力作用下實現了真正意義上的塑性變形，最後獲得成形零件。此技術對提高和精確控制液態和半固態模鍛製件組織性能有重要意義，為汽車輕量化和重型機械、武器裝備採用輕質6061鋁合金製件提供一項高效、節能的近淨成形技術奠定理論基礎。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。

附圖說明

圖1是本發明模鍛模具的結構示意圖；

圖2是本發明壓力控制裝置的結構示意圖；

圖3是本發明固定連接裝置的結構示意圖；

圖4是本發明本發明不同側缸壓力下的硬度-位置曲線；

1-上模板；2-凸模墊板；3-凸模；4-凸模固定板；5、10、17-螺栓；6、9-左、右凹模；7、13-左、右滑塊；8、11-左、右法蘭；12-液壓活塞；14-凹模固定套；15-墊板；16-下模板；21-油箱；22-液壓泵；23-溢流閥；24-節流閥；25-換向閥；26-液壓缸；31-移動環；32-導柱；33-導套；35-固定環；36-螺母；37-止轉銷定。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

參見圖1至圖4，本發明一較佳實施例所述的一種金屬液態填充、塑性流動複合模鍛工藝，工藝包括：在一個模具形腔中，液態或半固態金屬首先在第一壓力作用下完成充型、凝固，獲得與成形零件形狀的毛坯；施加第二壓力後已成形金屬會迫使一些活動模塊產生移動，釋放出一些模具空間，同時使預段毛坯在壓力作用下實現了真正意義上的塑性變形，最後獲得成形零件，其中，第一壓力值小於第二壓力值。

本實施例選擇形狀簡單的t形件做為一體化模鍛的典型件，液態或半固態充填軸線垂直的圓柱體，兩個軸線水平不等徑的圓柱部分是在充填金屬凝固後通過塑性變形而成。一體化成形過程中即要完成液態或半固態充填又要完成塑性變形，所以對成形裝置要求較高，較複雜。

本實施例一體化模鍛系統，包括三個主要部分：模具部分、壓力控制裝置、固定連接裝置。模具部分是成形裝置的主體；壓力控制裝置控制活動滑塊的移動，並通過調節其壓力大小實現不同的速度；固定連接裝置是將模具與壓力控制裝置連接起來並使模具活動型芯與液壓缸匹配合適。

模具設計的要點如下：

(1)成形零件的模具材料液態和半固態模鍛成形過程中，成形零件與熔融金屬接觸，要吸收大量的熱量,因此可能因為溫度過高而導致強度降低，這就要求選用的材料具有一定的強度、耐熱性和耐蝕性。對模具鋼進行適當的熱處理以提高硬度，如果硬度不夠，模具可能損傷。本試驗成形零件選擇5crnimo。

(2)凸、凹摸間隙間隙要適當。凹、凸間隙過小，會因凸模與凹模產生的裝配誤差而相碰或咬住；過大，6061鋁合金熔液則可通過模具間隙噴出，①造成危險，②產生縱向飛邊，減小加壓效果，③阻礙衝頭的下移,造成壓力損失,使鍛件尺寸不足,並加劇模具損傷，使間隙更大,造成惡性循環。根據實際生產經驗單邊間隙為0.06-0.1mm較為合適。

(3)脫模結構由於零件的形狀限制不能利用頂杆直接頂出製件，而是需要先頂出組合凹模，然後將組合凹模打開取出模鍛件。同時為了方便取出凹模,在凹模與凹模模套之間需要設計一定的斜度。

(4)排氣熔融金屬本身和倒入型腔過程中將會夾帶一些氣體，這些氣體如果不排型腔,會阻礙金屬充型，造成鍛件內部裹氣、外表面有氣泡凹陷，嚴重影響製件的質量模。一般情形下，模具要設排氣孔。本試驗沒有但設置排氣孔，而是利用通過凸、凹模間隙將氣體排出。

t形件成形模具工作原理：在成形時，首先將熔融金屬倒入組合凹模中，在較小的衝頭3壓力下進行液態填充，在填充時金屬逐漸凝固。此時，液壓機給衝頭的力小於或等於活動滑塊外部控制壓力，所以滑塊保持不動，型腔保持圖中塗黑區域。繼續加大壓力，金屬坯料對活動滑塊的壓力增大，逐漸超過活動滑塊外部控制壓力，已成形部分的金屬將推動滑塊6、13向外移動，型腔形狀產生變化，型腔空間變大，此時充填形成的圓柱體(φ50)產生壓縮塑性變形，兩水平柱體(φ20，φ30)通過變徑角擠亞剪切大塑性變形而成。

本實施例中，(1)改變活動型芯的控制方式。原設計採用彈簧實現控制，在工作時，一可能會出現失效和壓力隨型芯位移量增大；二是控制壓力小；三是彈簧元件及安裝附件佔用空間大，且不能得到大的型芯移動量，若要實現會使模具尺寸變得很大，因此可以設計一套液壓系統來取代原來的彈簧。

(2)在凹模外側增加斜度以減小凹模與模套的接觸面積，並用定位銷定位，以控制飛邊的形成，並起到減小成形後的脫模阻力的作用。

壓力控制裝置由油箱、液壓泵、溢流閥、節流閥、換向閥和液壓缸六個部分組成，圖2為其原理圖。液壓系統啟動後，通過節流閥調節油壓的壓力，以不同地速率帶動油缸活塞移動，直到滿足壓力機繼續施壓後的行程為止。此套系統由兩個油缸來控制左、右兩個滑塊，由於左右兩邊圓柱面直徑不同，所受到的壓力也不一樣，我們可以通過這套系統來增加更多的試驗條件變化，從而對一體化模鍛技術進行更充分地研究。

為了固定和連接接活動滑塊控制油壓缸與成形模具設計了輔助設備，如圖3所示的。這套輔助設備是由兩個內外直徑相同的大圓環組成，由兩根帶螺紋的導柱和螺母支撐起來的。上面的圓環可通過螺紋調節高度使控制油缸的中心與模具活動滑塊的中心在同一水平高度。油壓缸就固定在這個可以上下移動的圓環上。

以6061鋁合金為例進行本發明的t型件組織性能的驗證。

在t型件5個點截取10mm×10mm×15mm的試樣對其進行密度和硬度測試。1點為直徑30mm滑塊的接觸端，2點為與直徑20mm滑塊接觸的端面，3點和4點分別為兩不同尺寸的轉角處，5點為與衝頭接觸的上表面。

微觀組織結論：晶粒的形貌和大小受到壓力和變形方向的影響，在晶界附近和部分晶粒處出現了一些黑色的點狀物，這些點狀物是一些析出相，由於6061鋁合金中mg的的含量較高，所以含有較多的mg2si相。

液態充填模鍛件密度測試結果與分析

鍛件的密度基本均勻，但仍存在著一定的分布規律：1、5點是與滑塊接觸位置密度較低，這是因為在是擠出φ30mm和φ20mm圓柱體的前端部分，擠出時沒有參加塑性變形，是在充填時壓力較小情況下的凝固組織，所以組織較疏鬆；2、4點位於轉角處金屬參與了剪切塑性變形，密度較大；與主衝頭接觸位置3，受到的壓力大，類似鐓粗變形，所以材料較緻密；轉角處即有上方金屬傳遞的壓力，又受到兩側已凝固金屬的阻礙及油缸的壓力，密度值較大。側缸壓力的變化對1、3、5點的影響規律不明顯，但可以看到轉角處的真密度隨壓力呈現增大的趨勢。

不同側缸壓力的真密度(g/cm3)

硬度測試

先要將模鍛件進行固溶+人工時效的t6熱處理，固溶在溫度525℃保溫了2個小時，取出後淬火，再在175℃時效8小時。

(1)液態充填模鍛件硬度測試結果下表是測試力100n，保壓15s的硬度測量結果。從測量的結果來看，硬度與密度分布變化趨勢相似，說明緻密度是影響材料力學性能的重要因素之一。側缸壓力對與衝頭接觸的位置幾乎不產生影響，而1、2、4、5位置的硬度值隨著測缸壓力的增加呈現增加的趨勢。由於轉角處產生了一定的塑性變形，所以此處在整個製件取點位置中硬度值最大，特別是小直徑端轉角處，由金相圖即可知這裡的塑性變形程度是最大的，與硬度測試結果基本吻合。1、3、5點的硬度值較低，這是因為成形中這幾處實際上是一定壓力下的凝固而成，這與密度測量的結果也是一致的。

硬度測試結果

一體化模鍛件的力學性能：得到液態充填方式模鍛件力學性能見下表。

液態充填模鍛件的力學性能

與6061典型力學性能相比，可見模鍛件的性能都達到了塑性變形的效果，液態充填模鍛件的力學性能與常規性能相當。

一體化模鍛件的密度、硬度分布較均勻，模鍛件微觀組織觀察，在模鍛件存在塑性變形組織，液態充填的力學性能分別達到和超過了常規6061鍛件的性能指標，證明一體化模鍛是可行的，有應用價值。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，並不用於限制本發明，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。