具有內凸微結構的金屬薄殼件兩道次衝鍛成形方法
2023-04-23 17:14:41
專利名稱：具有內凸微結構的金屬薄殼件兩道次衝鍛成形方法
技術領域：
本發明涉及金屬塑性加工生產技術，特別涉及一種具有複雜幾何外形(帶有具有 內凸微結構如螺柱、卡扣以及鉸接凸緣)的金屬薄殼件兩道次衝鍛成形方法。
背景技術：
現代電子技術的發展對電子器件用結構材料及部件的性能提出了越來越高的要 求。為了適應電子器件輕、薄、小型化的發展方向，要求電子器件外殼材料具有密度小、強度 和剛度高、散熱性能好、易於回收和符合環保要求等特點。目前，電子器件的外殼一般使用 的是塑料。塑料在結構剛性、散熱性以及回收利用等方面無法滿足需求，而鎂合金和鋁合金 在此諸特性及環保回收性總體衡量下，較工程塑料具有較大的優勢。目前，鎂合金和鋁合金外殼件的生產主要採用壓鑄和衝壓成形工藝。壓鑄工藝有 許多無法克服的缺點比如生產速度慢、優良率低、鑄件表面孔洞及力學性能差等。此外，壓 鑄件在厚度上都有限制，一般的壓鑄件只能達到1. 0mm 5. 0mm。衝壓成形工藝雖然可以成 形出力學性能較好、厚度較薄的外殼件，但是無法成形外殼件底部內壁上的內凸微結構，如 螺柱、卡扣以及鉸接凸緣等。
發明內容
本發明目的是提供一種具有內凸微結構的金屬薄殼件兩道次衝鍛成形方法，解決 現有技術中存在的生產速度慢、優良率低、鑄件表面孔洞及力學性能差等問題，適用材料為 鎂合金和鋁合金。它採用兩道次衝鍛成形工藝，用來成形具有內凸微結構、壁厚較薄的外殼 件。本發明的技術方案是一種具有內凸微結構的金屬薄殼件兩道次衝鍛成形方法，包括如下步驟(1)將坯料放入凹模腔內，第一道次凸模向下運動成形出帶有部分側壁的外殼件， 第一道次凸模壓下量為原始坯料厚度的10% 30% ；(2)第二道次凸模向下運動成形出完整的側壁和帶有內凸微結構的外殼件，第二 道次凸模壓下至殼底厚度滿足產品要求為止。對於鎂合金來說，具體成形工藝步驟如下(1)將模具加熱至200°C 400°C ； (2)將厚度為1. 5mm 4. 0mm的鎂合金坯料拋光後塗上潤滑劑；(3)將坯料加熱至250°C 450°C ；(4)將坯料放入凹模腔內，第一道次凸模向下運動，壓下量為原始板坯厚度的 10% 30% ；(5)將坯料溫度降為200°C 400°C ；(6)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運動，直至殼底厚度滿足產品要求為止。
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將衝鍛成形件冷卻後進行切邊處理，然後進行機加工，包括鑽孔、切削等。最後進 行表面處理和噴塗，完成成品製造。鎂的晶格是密排六方晶格排列，當溫度低於225°C時，鎂合金的塑性變形僅限於通 過基面{0001} Gno〉滑移和錐面{10丨2}〈10丨1〉孿生來實現3個幾何滑移系和2個獨立 滑移系，在該溫度範圍內鎂合金的塑性較差。當溫度高於225°C時，鎂合金附加角錐滑移面 {1011 丨111丨啟動，鎂呈現明顯的廷性轉變，塑性大大提高，同時由於發生回復、再結晶而 造成的軟化，也會使鎂及鎂合金具有較高的塑性。若材料溫度高於450°C時，會造成晶粒長 大，降低機械性能。隨著溫度的升高，衝鍛成形載荷下降，第一道次成形溫度控制在250°C 450°C。由於再熱會引起晶粒長大，從而導致機械性能下降，故應該降低第二道次成形坯料 的溫度，將其控制在200°C 400°C。對於鋁合金來說，具體成形工藝步驟如下(1)將厚度為1. 5mm 4. Omm的鋁合金坯料拋光後塗上潤滑劑；(2)將坯料放入凹模腔內，第一道次凸模向下運動，壓下量為原始板坯厚度的 10% 30% ；(3)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運動，直至殼底厚度滿足產品要求為止。與鎂合金不同之處在於，鋁合金用的模具和坯料均不需要加熱，常溫下操作即可。第二道次凸模的特點第二道次凸模側面具有約束壁，分別對應外殼件的側壁。約 束壁的厚度與外殼件的側壁厚度相同，導流槽用於多餘的金屬從中溢出。本發明中，潤滑劑為石墨和矽油的混合物，石墨的重量百分比為5% 20% ；或 者，潤滑劑為二硫化鉬和石墨的混合物，二硫化鉬的重量百分比為50% 90% ；或者，潤滑 劑為滑石粉和動物油的混合物，滑石粉的重量百分比為5% 20%。在第二道次成形過程中，第二道次凸模具有導流槽、約束壁以及成形內凸微結構 的凹腔(如螺柱孔、鉸接凸緣槽以及卡扣槽)。導流槽設於第二道次凸模的四個角部，約束 壁設於第二道次凸模的四個側壁，成形凸微結構的凹腔設於第二道次凸模的底面。本發明的原理如下板材單道次衝鍛成形雖然成形效率較高，但是其成形載荷較大、內凸微結構容易 產生根部充不滿，根部流線紊亂和成形精度低等缺陷。凸模與金屬板材接觸面積較大，金屬 板材單位面積受力較小，為了使金屬發生屈服，需要的成形載荷大大增加。由於內凸微結構 成形時發生局部劇烈塑性變形，金屬流入凸模凹腔的阻力較大。當外殼件側壁和內凸微結 構同時成形時，大量金屬向側壁流動，金屬無法完全填滿凸模的凹腔，導致內凸微結構成形 精度低。兩道次衝鍛成形工藝能有效改善內凸微結構的成形性能和成形精度。第一道次成 形部分側壁後，在第二道次成形過程中，金屬流向側壁的阻力增加，這樣金屬更加容易流入 第二道次凸模的凹腔成形出形狀複雜的內凸微結構；金屬完全充滿第二道次凸模的凹腔所 需的最大成形載荷也隨之降低。此外，增加金屬流向側壁的阻力能有效避免金屬過快地向 一個方向流動導致內凸微結構根部金屬流線發生紊亂，降低內凸微結構和薄殼件底部的結 合強度。本發明的有益效果如下
1、本發明採用兩道次衝鍛成形工藝，第一道次凸模成形出帶有部分側壁的外殼 件，第二道次凸模成形出完整的側壁和位於外殼件底部內壁上的螺柱、卡扣以及鉸接凸緣 等內凸微結構。從而，不僅成形出滿足高度要求的外殼件側壁，而且成形出形狀複雜、尺寸 精度高、流線分布合理的內凸微結構。2、本發明採用兩道次衝鍛成形可以大大降低成形載荷、提高內凸微結構的成形性 能和成形精度。為了防止晶粒長大導致機械性能下降，第二道次成形時，鎂合金板料的溫度 有所下降。3、良好的潤滑條件有利於金屬材料的流動，有效降低模具磨損和降低成形載荷， 提高產品的表面質量。在金屬板材衝鍛成形前，坯料表面需拋光處理，並均勻塗上潤滑劑。 潤滑劑可以為石墨和矽油的混合物，或者二硫化鉬和石墨的混合物，或者動物油和滑石粉 的混合物。4、本發明可以成形出尺寸精度高的金屬薄殼件的側壁和形狀複雜的內凸微結構， 內凸微結構成形質量好，所製成的外殼件機械性能好，所需成形載荷較低。5、作為一種局部體積成形工藝，衝鍛成形工藝既能成形出力學性能良好的外殼 件，壁厚最薄可達0. 5mm 0. 8mm，而且能同時成形出內壁上的內凸微結構。
圖1為第一道次成形示意圖。圖2為第一道次凸模示意圖。圖3為第二道次成形示意圖。圖4為第二道次凸模示意圖。圖中，1第一道次凸模；2第二道次凸模；3凹模腔；4第一道次坯料；5第二道次坯 料；6導流槽；7約束壁；8螺柱孔；9鉸接凸緣槽；10卡扣槽。
具體實施例方式如圖1-2所示，模具主要包括第一道次凸模1、凹模腔3，在第一道次凸模1與凹模 腔3之間放置第一道次坯料4。如圖3-4所示，模具主要包括第二道次凸模2、凹模腔3，在第二道次凸模2與凹模 腔3之間放置第二道次坯料5。實施例1本實施例鎂合金牌號為AZ31B，鎂合金薄殼件兩道次熱衝鍛成形方法，其具體的工 序及步驟如下(1)將模具加熱至400°C ；(2)在厚度為4. 0mm的第一道次坯料4 (擠壓板或軋制板)拋光處理後塗上石墨和 矽油的混合物，本實施例中，石墨的重量百分比為15% ；(3)將第一道次坯料4加熱至450°C ；(4)將第一道次坯料4放入凹模腔3內，第一道次凸模1向下運動，壓下量為 1.2mm，成形出帶有部分側壁的外殼件(即第二道次坯料5)；(5)將第二道次坯料5溫度降至400°C ；
(6)換用第二道次凸模2，第二道次凸模2向下運動，壓下量為1.8mm，成形出完整 的側壁和帶有內凸微結構的外殼件。如圖4所示，在第二道次成形過程中，第二道次凸模2具有導流槽6、約束壁7以及 成形內凸微結構的凹腔(如螺柱孔8、鉸接凸緣槽9以及卡扣槽10等)。其中，導流槽6設於第二道次凸模2的四個角部，用於成形結束後多餘金屬溢出。約束壁7設於第二道次凸模2的四個側壁，用於限制側壁中間部位過快成形。螺柱孔8設於第二道次凸模2的底面中心，用於成形螺絲柱。鉸接凸緣槽9設於第二道次凸模2的底面長邊上，用於成形鉸接凸緣，鉸接凸緣用 來安裝外殼件的活動轉軸。卡扣槽10設於第二道次凸模2的底面短邊上，用於成形卡扣，卡扣用來固定外殼 件。將衝鍛成形件進行切邊處理，然後進行機加工，包括鑽孔、切削等。最後進行表面 處理和噴塗，完成成品製造。實施例2與實施例1不同之處在於本實施例鎂合金牌號為ZK60A，鎂合金薄殼件兩道次熱衝鍛成形方法，其具體的工 序及步驟如下(1)將模具加熱至200°C ；(2)在厚度為1. 5mm的第一道次坯料(擠壓板或軋制板)拋光處理後塗上二硫化 鉬和石墨的混合物，本實施例中，二硫化鉬的重量百分比為80% ；(3)將第一道次坯料加熱至250°C ；(4)將第一道次坯料放入凹模腔內，第一道次凸模向下運動，壓下量為0.4mm，成 形出帶有部分側壁的外殼件(即第二道次坯料)；(5)將第二道次坯料溫度降至200°C ；(6)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運動，壓下量為0.5mm，成形出完整的 側壁和帶有內凸微結構的外殼件。將衝鍛成形件進行切邊處理，然後進行機加工，包括鑽孔、切削等。最後進行表面 處理和噴塗，完成成品製造。實施例3與實施例1不同之處在於本實施例鋁合金牌號為1050，鋁合金薄殼件兩道次衝鍛成形方法，其具體的工序 及步驟如下(1)將厚度為3mm的第一道次坯料(擠壓板或軋制板)拋光處理後塗上滑石粉和 動物油的混合物；本實施例中，滑石粉的重量百分比為10% ；(2)將第一道次坯料放入凹模腔內，第一道次凸模向下運動，壓下量為0.8mm，成 形出帶有部分側壁的外殼件(即第二道次坯料)；(3)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運動，壓下量為1.5mm，成形出完整的 側壁和帶有內凸微結構的外殼件。將衝鍛成形件進行切邊處理，然後進行機加工，包括鑽孔、切削等。最後進行表面處理和噴塗，完成成品製造。 實施例結果表明，本發明可以成形出尺寸精度高的金屬薄殼件的側壁和形狀複雜 的內凸微結構；內凸微結構成形質量好；所製成的外殼件機械性能好，所需成形載荷較低。
權利要求
一種具有內凸微結構的金屬薄殼件兩道次衝鍛成形方法，其特徵在於，包括如下步驟(1)將坯料放入凹模腔內，第一道次凸模向下運動成形出帶有部分側壁的外殼件，第一道次凸模壓下量為原始坯料厚度的10％～30％；(2)第二道次凸模向下運動成形出完整的側壁和帶有內凸微結構的外殼件，第二道次凸模壓下至殼底厚度滿足產品要求為止。
2.根據權利要求1所述的成形方法，其特徵在於所述金屬材料為鎂合金或鋁合金，坯 料為擠壓板或軋制板，厚度為1. 5mm 4. 0mm。
3.根據權利要求2所述的成形方法，其特徵在於，對於鎂合金，需將模具加熱至 200°C 400°C，坯料均勻塗上潤滑劑後加熱至250°C 450°C，將坯料放入凹模腔內，第一 道次凸模向下運動成形出帶有部分側壁的外殼件，坯料溫度降為200°C 400°C後，第二道 次凸模向下運動成形出完整的側壁和帶有內凸微結構的外殼件。
4.根據權利要求2所述的成形方法，其特徵在於，對於鋁合金，模具和坯料均不需加 熱，常溫下成形。
5.根據權利要求1所述的成形方法，其特徵在於所述潤滑劑為石墨和矽油的混合物， 石墨的重量百分比為5% 20%;或者，潤滑劑為二硫化鉬和石墨的混合物，二硫化鉬的重 量百分比為50% 90%;或者，潤滑劑為滑石粉和動物油的混合物，滑石粉的重量百分比為 5% 20%。
6.根據權利要求1所述的成形方法，其特徵在於在第二道次成形過程中，第二道次凸 模具有導流槽、約束壁以及成形內凸微結構的凹腔，導流槽設於第二道次凸模的四個角部， 約束壁設於第二道次凸模的四個側壁，成形凸微結構的凹腔設於第二道次凸模的底面。
全文摘要
本發明涉及金屬塑性加工生產技術，特別涉及一種具有複雜幾何外形(帶有內凸微結構如螺柱、卡扣以及鉸接凸緣)的金屬薄殼件兩道次衝鍛成形方法，適用的金屬材料有鎂合金和鋁合金。以金屬板材為毛坯，對於鎂合金需要將模具加熱至200℃～400℃(鋁合金不需加熱)，鎂合金坯料加熱至250℃～450℃(鋁合金不需加熱)，坯料均勻塗上潤滑劑後放入凹模腔內，第一道次凸模成形出帶有部分側壁的外殼件，第二道次凸模成形出完整的側壁和螺柱、卡扣以及鉸接凸緣等內凸微結構。本發明可以解決現有技術中存在的生產速度慢、優良率低、鑄件表面孔洞及力學性能差等問題，成形出尺寸精度高的金屬薄殼件的側壁和形狀複雜的內凸微結構，內凸微結構成形質量好。
文檔編號B21J5/02GK101850396SQ20091001098
公開日2010年10月6日 申請日期2009年4月1日 優先權日2009年4月1日
發明者唐偉東, 孫成, 張士宏, 王忠堂 申請人:中國科學院金屬研究所