CN103433416B - 一种az80a镁合金机匣等温模锻成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法，它涉及一种镁合金锻件成形模具及成形方法，以解决常规锻造制备AZ80A镁合金锻件，存在成形困难、镁合金的组织性能不均匀以及性能偏低的问题，它包括上模、下模、顶出杆和多个电加热圈，第一圆柱的上端与本体连接，第一圆柱的下端与第一圆台的大直径端连接，第一圆台和第一圆柱的中部加工有同轴的第一锥形凹槽，第一锥形凹槽的截面直径由上至下逐渐增大；下模的上端面的四个拐角处分别设置有定位凸台，上模盖合在下模上，四个定位凸台置于相应的定位槽内；上模和下模上分别安装有电加热圈；顶出杆的第二圆柱插装在顶出孔内，小圆台置于第一锥形凹槽内。本发明用于AZ80A镁合金机匣的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金锻件成形模具及成形方法，具体涉及一种大型AZ80A镁合金机匣等温模锻成形模具及成形方法。
背景技术
近年来，制造产品不断向轻量化、低成本及精密化发展。各种制造难度大且复杂类构件应用越来越广。作为实际制造中最轻的金属材料，镁合金已广泛应用于航空工业、电子工业、军事工业等领域。镁合金具有比强度高、比重轻、比刚度高优点。镁合金导热系数远超出钛合金，与铝合金相当，锻造温度范围窄，当坯料与模具接触时降温很快，坯料的塑性降低，需要更大的变形力成形，充填性能下降，在常规锻造中，模具温度大大低于毛坯温度，导致不均匀的冷却现象，这也使锻件变形不均匀，变形抗力增大，金属流动困难，锻件余量大。
AZ80A镁合金锻件尺寸大、对性能要求高，要求抗拉强度达到325MPa以上，常规锻造成形困难，无法实现AZ80A镁合金锻件成形需要。
发明内容
本发明为解决常规锻造制备AZ80A镁合金锻件，存在成形困难、镁合金的组织性能不均匀以及性能偏低的问题，进而提供一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形模具及成形方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
本发明的一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形模具包括上模、下模、顶出杆和多个电加热圈，所述上模由制成一体的本体和凸棱构成，所述本体为方形本体，本体的下端面的中部设置有凸棱，所述凸棱由同轴设置并制成一体的第一圆柱和第一圆台构成，第一圆柱的上端与本体连接，第一圆柱的下端与第一圆台的大直径端连接，第一圆台和第一圆柱的中部加工有同轴的第一锥形凹槽，第一锥形凹槽的截面直径由上至下逐渐增大，本体的下端面上的四个拐角处分别加工有定位槽；
所述下模为方形体，下模的上端面的中部加工有与凸棱相配合的模腔，模腔的外缘加工有一圈成形槽，模腔的中部加工有第二锥形凹槽，第二锥形凹槽的中部加工有该第二锥形凹槽相贯通的顶出孔，下模的上端面的四个拐角处分别设置有定位凸台，上模盖合在下模上，四个定位凸台置于相应的定位槽内；上模和下模上分别安装有电加热圈；
所述顶出杆由上至下依次由同轴设置并制成一体的小圆台、大圆台和第二圆柱构成，小圆台的大直径端与大圆台的大直径端连接，大圆台的小直径端与第二圆柱连接，顶出杆的第二圆柱插装在顶出孔内，大圆台位于第二锥形凹槽上，小圆台置于第一锥形凹槽内。
本发明的一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法是按照以下步骤实现：
一、制坯：将AZ80A镁合金坯料自由锻造成制成一体的由第二圆台和第三圆柱组成的坯件，所述第二圆台的下底面的直径为667mm，第二圆台的上底面的直径为280mm，第三圆柱的高为60mm；
二、锻造成形：将步骤一制得的AZ80A镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到140-160℃时取出，并在坯件的表面均匀地喷涂石墨乳水溶液；将喷好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加热电阻炉中，加热到350-390℃并保温3-3.5个小时，最后将模具加热到330-380℃，将加热好的坯件放在下模2的模腔内，在压力机的作用下向上模1施加2000N～40000N的压力，上模1下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为375-385℃，当坯件充满模腔后，压力机停止运行，成形完毕制得锻件半成品，其中，石墨乳水溶液的质量百分浓度为10％～15％；
三、冷却：将步骤二制得的AZ80A镁合金锻件半成品用顶出杆取出，立即放入冷水中，待锻件半成品完全冷却后取出，擦干；
四、热处理：将经步骤三得到的锻件半成品进行时效处理，处理温度为165-170℃并保温20h，制得AZ80A镁合金机匣成品。
本发明的有益效果是：
一、本发明以等温模锻成形为技术手段成形AZ80A镁合金机匣锻件，仅使用一套本发明成形装置就可以实现低成本、小型批量化、质量高，使用寿命高的模锻零件生产，为锻件的内部组织和优良性能提供重要保障。
二、本发明采用模锻成形工艺方法，使得所成形的锻件尺寸精度高、内部组织性能好，消除了毛坯与模具之间温度差的影响，使热毛坯在被加热到锻造温度的恒温模具中在较低的温度速率的情况下变形，因此减小了在常规锻造时由变形金属表面激冷而造成的金属变形抗力增大、流动阻力的增加，以及变形金属内部由不均匀变形而引起的组织性能的不均匀，有效降低了模锻时的设备吨位，能够实现小设备上成形大锻件；本发明的产品具有良好的综合机械性能。
三、本发明在进行等温模锻成形的同时，借助了数值模拟和实验对该锻件成形规律以及缺陷形成机理和控制方法，同时，采用数字化设计和制造技术有效地提高了该类锻件模具设计、成形方案优化以及成形工艺的质量。
四、本发明生产效率高，模锻时，金属的变形在模腔内进行，能获得所需形状，节省金属材料，减少切削加工工作量，在批量足够的条件下，能够降低成本；本发明操作简单，劳动强度较低。
五、本发明等温模锻方法能有效地提高镁合金强度、塑性和韧性，模锻后的试件经人工时效处理后，制得的AZ80A镁合金下机匣锻件的抗拉强度最高值达到365Mpa，最低强度为334Mpa，达到了相关要求。
附图说明
图1是本发明的成形模具的立体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是上模的立体结构示意图，图4是下模的立体结构示意图，图5是顶出杆的立体结构示意图，图6是AZ80A镁合金坯件的结构示意图，图7是经步骤四制得的AZ80A镁合金机匣示意图(俯视看)，图8是经步骤四制得的AZ80A镁合金机匣示意图(仰视看)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形模具包括上模1、下模2、顶出杆3和多个电加热圈4，所述上模1由制成一体的本体1-1和凸棱1-2构成，所述本体1-1为方形本体，本体1-1的下端面的中部设置有凸棱1-2，所述凸棱1-2由同轴设置并制成一体的第一圆柱1-3和第一圆台1-4构成，第一圆柱1-3的上端与本体1-1连接，第一圆柱1-3的下端与第一圆台1-4的大直径端连接，第一圆台1-4和第一圆柱1-3的中部加工有同轴的第一锥形凹槽1-5，第一锥形凹槽1-5的截面直径由上至下逐渐增大，本体1-1的下端面上的四个拐角处分别加工有定位槽1-6；
所述下模2为方形体，下模2的上端面的中部加工有与凸棱1-2相配合的模腔2-1，模腔2-1的外缘加工有一圈成形槽2-2，模腔2-1的中部加工有第二锥形凹槽2-3，第二锥形凹槽2-3的中部加工有该第二锥形凹槽2-3相贯通的顶出孔2-4，下模2的上端面的四个拐角处分别设置有定位凸台2-5，上模1盖合在下模2上，四个定位凸台2-5置于相应的定位槽1-6内；上模1和下模2上分别安装有电加热圈4；
所述顶出杆3由上至下依次由同轴设置并制成一体的小圆台3-1、大圆台3-2和第二圆柱3-3构成，小圆台3-1的大直径端与大圆台3-2的大直径端连接，大圆台3-2的小直径端与第二圆柱3-3连接，顶出杆3的第二圆柱3-3插装在顶出孔2-4内，大圆台3-2位于第二锥形凹槽2-3上，小圆台3-1置于第一锥形凹槽1-5内。
本实施方式的大圆台3-2与第二锥形凹槽2-3配合加工。
本实施方式利用零件二维图及镁合金、模具的热膨胀系数，用CATIA软件绘制模具，运用软件中拓扑关系及相交关系，设计出模具的三维模型图型腔，采用数控机床进行模具加工。
等温锻造时锻模设计对锻件的尺寸精度有很大的影响。模膛的尺寸精度和磨损，模具和锻件的热胀冷缩，模具和锻件的弹性变形，锻件的形状和尺寸，选用设备的刚度、精度和吨位大小等对锻件的尺寸精度均有较大的影响。考虑材料的热胀冷缩、模具制造以及锻件体积分布等因素，根据机匣冷锻件的三维造型，设计机匣的热锻件三维造型图，设计中以零件的最大投影面为分模面。通过布尔运算得到模具图，实际加工时，得到上模为850×820×355mm，下模为980×840×440mm(不包括定位凸台的高度30mm)，上模与液压机连接，下模与液压机连接。
为使锻件从较深模腔中取出，下模中心部位设计顶杆，顶杆与下模的间隙配合为0.5mm，且设计拔模斜度为5°，顶杆与下模的最底端间距为30mm。由于等温锻造过程中载荷非常大，加上锻件的几何形状特点，上模和下模在等温模锻过程中易发生错移。因此在上模和下模的相应位置设计长方体锁扣，有效防止上模和下模相对位置发生错移，并兼有导向作用。
生产实践和科研证明，镁合金在锻造过程中，加热次数越少越好，每加热一次，一般会损失部分性能，基于此，精确设计机匣成形坯件，以保证一次终锻成形合格出锻件，本实施方式得到的坯件如图6所示。本实施方式最终制得的AZ80A镁合金机匣锻件外表光滑，综合机械性能良好。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的第一圆柱1-3的下端和第一圆台1-4的大直径端圆弧过渡。如此设置，便于制造镁合金机匣，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述第一圆台1-4的任意一条母线与轴线的夹角β为72°。如此设置，满足设计要求和实际生产需求。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述本体1-1的两个相对的侧面上设置有四个上连接固定槽1-7，下模2的两个相对的侧面上设置四个下连接固定槽2-7，上连接固定槽1-7和下连接固定槽2-7一一对应设置。如此设置，上连接固定槽上安装螺栓，用于连接液压机，下连接固定槽上安装螺栓，用于连接液压机，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1-图8说明本实施方式，本实施方式的利用具体实施方式一、二或三的等温模锻成形模具实现一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法，所述AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法是按照以下步骤实现：
一、制坯：将AZ80A镁合金坯料自由锻造成制成一体的由第二圆台和第二圆柱组成的坯件，所述第二圆台的下底面的直径D为667mm，第二圆台的上底面d的直径为280mm，第三圆柱的高h为60mm；
二、锻造成形：将步骤一制得的AZ80A镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到140-160℃时取出，并在坯件的表面均匀地喷涂石墨乳水溶液；将喷好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加热电阻炉中，加热到350-390℃并保温3-3.5个小时，最后将模具加热到330-380℃，将加热好的坯件放在下模2的模腔内，在压力机的作用下向上模1施加2000N～40000N的压力，上模1下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为375-385℃，当坯件充满模腔后，压力机停止运行，成形完毕制得锻件半成品，其中，石墨乳水溶液的质量百分浓度为10％～15％；
三、冷却：将步骤二制得的AZ80A镁合金锻件半成品用顶出杆取出，立即放入冷水中，待锻件半成品完全冷却后取出，擦干；
四、热处理：将经步骤三得到的锻件半成品进行时效处理，处理温度为165-170℃并保温20h，制得AZ80A镁合金机匣成品。
本实施方式得到的锻件上四个位置进行取样，进行了拉伸测试，锻件的抗拉强度达到355Mpa，达到了相关要求。本实施方式的上模为850×820×355mm，下模为980×840×440mm(不包括定位凸台的高度30mm)。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤二中加热到150℃时取出；加热到380℃并保温3.2小时，最后将模具加热到375℃，将加热好的坯件放在下模2的模腔内，在压力机的作用下向上模1施加30000N的压力，上模1下行速度为1.0mm/s，锻造温度为380℃。本实施方式得到的锻件半成品力学性能稳定，抗拉强度高，满足实际需要。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是步骤四中处理温度为168℃。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式的一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法是按照以下步骤实现：
一、制坯：将AZ80A镁合金坯料自由锻造成制成一体的由第二圆台和第三圆柱组成的坯件，所述第二圆台的下底面的直径D为667mm，第二圆台的上底面d的直径为280mm，第二圆柱的高h为60mm；
二、锻造成形：将步骤一制得的AZ80A镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到145℃时取出，并在坯件的表面均匀地喷涂石墨乳水溶液；将喷好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加热电阻炉中，加热到385℃并保温3小时，最后将模具加热到380℃，将加热好的坯件放在下模2的模腔内，在压力机的作用下向上模1施加40000N的压力，上模1下行速度为1.0mm/s，锻造温度为380℃，当坯件充满模腔后，压力机停止运行，成形完毕制得锻件半成品，其中，石墨乳水溶液的质量百分浓度为12％；
三、冷却：将步骤二制得的AZ80A镁合金锻件半成品用顶出杆取出，立即放入冷水中，待锻件半成品完全冷却后取出，擦干；
四、热处理：将经步骤三得到的锻件半成品进行时效处理，处理温度为170℃并保温20h，制得AZ80A镁合金机匣成品。
本实施方式采用的模具的上模为850×820×355mm，下模为980×840×440mm(不含定位凸台的高度为30mm)，本实施方式得到的坯件示意图如图6所示，本实施方式得到的AZ80A镁合金机匣成品示意图如图7和图8所示。本实施方式得到的AZ80A镁合金机匣成品锻件，具有外表平整，轮廓清晰，流线沿几何外形分布合理的特点，同时锻件强度高，塑性和韧性好，模锻后的试件经人工时效处理后，锻件纵向抗拉强度达到365Mpa，屈服强度达到243Mpa，延伸率7％，HB硬度91.2。锻件横向抗拉强度达到334Mpa，屈服强度达到231Mpa，延伸率6.5以上，HB硬度90.7。锻件表面晶粒细小均匀，内部组织致密。经超声波检测，锻件内部内未见夹杂、气泡、缩孔等缺陷。
Claims (3)
1.一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法，该成形方法采用的AZ80A镁合金机匣等温模锻成形模具包括上模(1)、下模(2)、顶出杆(3)和多个电加热圈(4)，所述上模(1)由制成一体的本体(1-1)和凸棱(1-2)构成，所述本体(1-1)为方形本体，本体(1-1)的下端面的中部设置有凸棱(1-2)，所述凸棱(1-2)由同轴设置并制成一体的第一圆柱(1-3)和第一圆台(1-4)构成，第一圆柱(1-3)的上端与本体(1-1)连接，第一圆柱(1-3)的下端与第一圆台(1-4)的大直径端连接，第一圆台(1-4)和第一圆柱(1-3)的中部加工有同轴的第一锥形凹槽(1-5)，第一锥形凹槽(1-5)的截面直径由上至下逐渐增大，本体(1-1)的下端面上的四个拐角处分别加工有定位槽(1-6)；
所述下模(2)为方形体，下模(2)的上端面的中部加工有与凸棱(1-2)相配合的模腔(2-1)，模腔(2-1)的外缘加工有一圈成形槽(2-2)，模腔(2-1)的中部加工有第二锥形凹槽(2-3)，第二锥形凹槽(2-3)的中部加工有该第二锥形凹槽(2-3)相贯通的顶出孔(2-4)，下模(2)的上端面的四个拐角处分别设置有定位凸台(2-5)，上模(1)盖合在下模(2)上，四个定位凸台(2-5)置于相应的定位槽(1-6)内；上模(1)和下模(2)上分别安装有电加热圈(4)；
所述顶出杆(3)由上至下依次由同轴设置并制成一体的小圆台(3-1)、大圆台(3-2)和第二圆柱(3-3)构成，小圆台(3-1)的大直径端与大圆台(3-2)的大直径端连接，大圆台(3-2)的小直径端与第二圆柱(3-3)连接，顶出杆(3)的第二圆柱(3-3)插装在顶出孔(2-4)内，大圆台(3-2)位于第二锥形凹槽(2-3)上，小圆台(3-1)置于第一锥形凹槽(1-5)内；
其特征在于：所述AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法是按照以下步骤实现：
一、制坯：将AZ80A镁合金坯料自由锻造成制成一体的由第二圆台和第三圆柱组成的坯件，所述第二圆台的下底面的直径(D)为667mm，第二圆台的上底面(d)的直径为280mm，第三圆柱的高(h)为60mm；
二、锻造成形：将步骤一制得的AZ80A镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到140-160℃时取出，并在坯件的表面均匀地喷涂石墨乳水溶液；将喷好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加热电阻炉中，加热到350-390℃并保温3-3.5个小时，最后将模具加热到330-380℃，将加热好的坯件放在下模(2)的模腔内，在压力机的作用下向上模(1)施加2000N～40000N的压力，上模(1)下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为375-385℃，当坯件充满模腔后，压力机停止运行，成形完毕制得锻件半成品，其中，石墨乳水溶液的质量百分浓度为10％～15％；
三、冷却：将步骤二制得的AZ80A镁合金锻件半成品用顶出杆取出，立即放入冷水中，待锻件半成品完全冷却后取出，擦干；
四、热处理：将经步骤三得到的锻件半成品进行时效处理，处理温度为165-170℃并保温20h，制得AZ80A镁合金机匣成品。
2.根据权利要求1所述的一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法，其特征在于：步骤二中加热到150℃时取出，加热到380℃并保温3.2个小时，最后将模具加热到375℃，将加热好的坯件放在下模(2)的模腔内，在压力机的作用下向上模(1)施加30000N的压力，上模(1)下行速度为1.0mm/s，锻造温度为380℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种AZ80A镁合金机匣等温模锻成形方法，其特征在于：步骤四中处理温度为168℃。
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