CN107199303A - 半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，采用锻模系统完成该工艺，该工艺包括：在一个模具形腔中，半固态金属首先在第一压力作用下完成充型、凝固，获得与成形零件形状的毛坯；施加第二压力后已成形金属会迫使一些活动模块产生移动，释放出一些模具空间，同时使预段毛坯在压力作用下实现了真正意义上的塑性变形，最后获得成形零件，其中，第一压力值小于第二压力值。

Description

半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺

技术领域

本发明涉及一种半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺。

背景技术

液态模锻虽然综合了传统铸造、锻造的优点，但仍然是以凝固为主的成形，因此与固态模锻生产出的锻件相比在性能上仍然存在着一定的差距，主要原因是塑性变形量小，组织状态不是经变形的细晶组织。为了提高两种成形技术制件的性能，近年来一些学者提出采用先铸造制坯，然后进行普通热模锻，这种方法只适用于简单形状零件，主要目的是节约材料。

有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种提高和精确控制液态模锻制件组织性能的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺。

本发明半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，所述的工艺需采用T型件模锻系统完成，其中所述的T型件模锻系统包括：模具装置、压力驱动装置，所述模具装置至少包括T型成组件，所述T型成组件包括：凸模、左凹模、右凹模以及左滑块、右滑块，在所述的左滑块、右滑块上分别压设有的液压活塞；所述压力驱动装置控制所述的左滑块、右滑块的移动，并通过调节压力驱动装置的压力大小实现不同的速度；

所述的工艺至少包括如下步骤：

采用应变诱导熔化激活法制备铝合金半固态坯料，包括：选择6061铝镁合金挤压棒材，在6061铝镁合金挤压棒材的上、下端面采用油脂石墨润滑剂，将挤压态坯料直接镦粗，在镦粗前先将坯料进行退火，消除应力，退火温度为 540℃，保温2h，空冷，然后在润滑条件下进行冷镦粗，将冷镦后的坯料加热到6061铝合金的半固态温度区间610℃，保温时间15分钟，得到半固态坯料；

模具装置进行预热，预热温度为300℃±10℃；

将半固态坯料在在610℃下加热50分钟，将半固态合金倒入容置液态6061 铝合金的空腔内，合金填充T型件轴线垂直的圆柱体，在第一压力下进行液态填充，冲头压力小于或等于压在左滑块、右滑块上的液压活塞，冲头加载速度为15mm/s，冲头加载完成后保压20s，6061铝合金凝固后在第二压力下继续加载冲头，使已凝固的金属部分推动所述的左滑块、右滑块向外移动，所述的左滑块、右滑块到达设定位置后，停止冲头加载，通过塑性变形完成两个轴线水平不等径地圆柱部分的成形；其中，第一压力小于第二压力。

进一步地，所述模具装置包括下模板通过螺塞固定在下模板上的垫板，对置在所述垫板上的凹模固定套，所述左凹模、右凹模分别通过左法兰、右法兰连接在所述凹模固定套上，所述左滑块设置在所述左凹模上，所述右滑块设置在所述右滑块上，在所述的左滑块、右滑块上分别压设有的液压活塞，所述的凸模与左凹模、右凹模单边间隙为0.06至0.1mm；

还包括上模板通过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间设有凸模垫板。

进一步地，在凹模与凹模模套之间设有斜度。

进一步地，压力驱动装置包括：油箱、液压泵、溢流阀、节流阀、换向阀和液压缸；启动后，通过节流阀调节油压的压力，以不同地速率带动油缸活塞移动，直到满足压力机继续施压后的行程为止，压力驱动装置由两个油缸来控制左、右两个滑块。

进一步地，还包括固定连接装置，所述固定连接装置包括：平行间距设置的固定环和移动环，所述的固定环、移动环均与两根导柱连接，所述导柱上设有螺纹，所述移动环上套设有导套，所述导套内设有于所述导柱上螺纹配合的螺纹，所述导套下方的导柱上设有螺母，所述的移动环通过两根带螺纹的导柱和螺母支撑起来，所述压力驱动装置的液压缸设置在所述移动环上，所述移动环可通过螺纹调节高度，控制液压缸的中心与模具装置的左、右滑块的中心在同一水平高度。

进一步地，T型件模锻系统还包括：液压机、加热炉、温控仪、可控硅温度仪；采用可控温度仪和开式加热炉做为加热熔化金属，开式加热炉的功率为 10kw，温度传感器材料为镍铬-镍硅合金，采用4根电阻丝加热模具；在电阻丝内外加装瓷管，并在加热时包裹耐火的石棉材料来减少模具与环境的热交换；采用XMT-101数显温度控制仪器测量模具的温度，温度控制装置的测量范围是 1ˉ1300摄氏度，误差小于等于1摄氏度；线圈电压380V，可以实现过电压和过电流保护；所述液压机为2000KN液态模锻液压机。

进一步地，采用机油石墨润滑剂对所述模具装置进行润滑，将质量分数为 5％的石墨粉加入到质量分数为95％的机油中，均匀搅拌后用喷枪喷涂在模具型腔表面，其厚度为0.05-0.1mm。

进一步地，所述第一压力为10MPa、20MPa或30MPa；所述T型成组件的材质为5CrNiMo。

进一步地，还包括将T型件固溶在温度525℃保温了2个小时，取出后淬火，再在175℃时效8小时，对所述T型件进行硬度测试。

借由上述方案，本发明半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺至少具有以下优点：

在一个模具形腔中，液态金属首先在一个较低压力作用下完成充型、凝固，获得与成形零件形状相近的毛坯；继续增加压力后已成形金属会迫使一些活动模块产生移动，释放出一些模具空间，同时使预段毛坯在压力作用下实现了真正意义上的塑性变形，最后获得成形零件。此技术对提高和精确控制液态和半固态模锻制件组织性能有重要意义，为汽车轻量化和重型机械、武器装备采用轻质6061铝合金制件提供一项高效、节能的近净成形技术奠定理论基础。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明模锻模具的结构示意图；

图2是本发明压力驱动装置的结构示意图；

图3是本发明固定连接装置的结构示意图；

图4是本发明不同侧缸压力下的硬度-位置曲线；

1-上模板；2-凸模垫板；3-凸模；4-凸模固定板；5、10、17-螺栓；6、9- 左、右凹模；7、13-左、右滑块；8、11-左、右法兰；12-液压活塞；14-凹模固定套；15-垫板；16-下模板；21-油箱；22-液压泵；23-溢流阀；24-节流阀；25-换向阀；26-液压缸；31-移动环；32-导柱；33-导套；35-固定环；36- 螺母；37-止转销定。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图4，本发明一较佳实施例所述的一种半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，所述的工艺至少包括如下步骤：

采用应变诱导熔化激活法制备铝合金半固态坯料，包括：选择6061铝镁合金挤压棒材，在6061铝镁合金挤压棒材的上、下端面采用油脂石墨润滑剂，将挤压态坯料直接镦粗，在镦粗前先将坯料进行退火，消除应力，退火温度为 540℃，保温2h，空冷，然后在润滑条件下进行冷镦粗，将冷镦后的坯料加热到 6061铝合金的半固态温度区间610℃，保温时间15分钟，得到半固态坯料；

模具装置进行预热，预热温度为300℃±10℃；

将半固态坯料在在610℃下加热50分钟，将半固态合金倒入容置液态6061 铝合金的空腔内，合金填充T型件轴线垂直的圆柱体，在第一压力下进行液态填充，冲头压力小于或等于压在左滑块、右滑块上的液压活塞，冲头加载速度为15mm/s，冲头加载完成后保压20s，6061铝合金凝固后在第二压力下继续加载冲头，使已凝固的金属部分推动所述的左滑块、右滑块向外移动，所述的左滑块、右滑块到达设定位置后，停止冲头加载，通过塑性变形完成两个轴线水平不等径地圆柱部分的成形；其中，第一压力小于第二压力。

所述的工艺需采用T型件模锻系统完成，其中所述的T型件模锻系统包括：模具装置、压力驱动装置，所述模具装置至少包括T型成组件，所述T型成组件包括：凸模、左凹模、右凹模以及左滑块、右滑块，在所述的左滑块、右滑块上分别压设有的液压活塞；所述压力驱动装置控制所述的左滑块、右滑块的移动，并通过调节压力驱动装置的压力大小实现不同的速度；

本实施例选择形状简单的T形件做为一体化模锻的典型件，半固态充填轴线垂直的圆柱体，两个轴线水平不等径的圆柱部分是在充填金属凝固后通过塑性变形而成。一体化成形过程中即要完成半固态充填又要完成塑性变形，所以对成形装置要求较高，较复杂。

本实施例一体化模锻系统，包括三个主要部分：模具部分、压力驱动装置、固定连接装置。模具部分是成形装置的主体；压力驱动装置控制活动滑块的移动，并通过调节其压力大小实现不同的速度；固定连接装置是将模具与压力驱动装置连接起来并使模具活动型芯与液压缸匹配合适。

模具设计的要点如下：

(1)成形零件的模具材料液态和半固态模锻成形过程中，成形零件与熔融金属接触，要吸收大量的热量,因此可能因为温度过高而导致强度降低，这就要求选用的材料具有一定的强度、耐热性和耐蚀性。对模具钢进行适当的热处理以提高硬度，如果硬度不够，模具可能损伤。本试验成形零件选择5CrNiMo。

(2)凸、凹摸间隙间隙要适当。凹、凸间隙过小，会因凸模与凹模产生的装配误差而相碰或咬住；过大，6061铝合金熔液则可通过模具间隙喷出，①造成危险，②产生纵向飞边，减小加压效果，③阻碍冲头的下移,造成压力损失, 使锻件尺寸不足,并加剧模具损伤，使间隙更大,造成恶性循环。根据实际生产经验单边间隙为0.06ˉ0.1mm较为合适。

(3)脱模结构由于零件的形状限制不能利用顶杆直接顶出制件，而是需要先顶出组合凹模，然后将组合凹模打开取出模锻件。同时为了方便取出凹模, 在凹模与凹模模套之间需要设计一定的斜度。

(4)排气熔融金属本身和倒入型腔过程中将会夹带一些气体，这些气体如果不排型腔,会阻碍金属充型，造成锻件内部裹气、外表面有气泡凹陷，严重影响制件的质量模。一般情形下，模具要设排气孔。本试验没有但设置排气孔，而是利用通过凸、凹模间隙将气体排出。

T形件成形模具工作原理：在成形时，首先将熔融金属倒入组合凹模中，在较小的冲头3压力下进行液态填充，在填充时金属逐渐凝固。此时，液压机给冲头的力小于或等于活动滑块外部控制压力，所以滑块保持不动，型腔保持图中涂黑区域。继续加大压力，金属坯料对活动滑块的压力增大，逐渐超过活动滑块外部控制压力，已成形部分的金属将推动滑块6、13向外移动，型腔形状产生变化，型腔空间变大，此时充填形成的圆柱体(φ50)产生压缩塑性变形，两水平柱体(φ20，φ30)通过变径角挤亚剪切大塑性变形而成。

本实施例中，(1)改变活动型芯的控制方式。原设计采用弹簧实现控制，在工作时，一可能会出现失效和压力随型芯位移量增大；二是控制压力小；三是弹簧元件及安装附件占用空间大，且不能得到大的型芯移动量，若要实现会使模具尺寸变得很大，因此可以设计一套液压系统来取代原来的弹簧。

(2)在凹模外侧增加斜度以减小凹模与模套的接触面积，并用定位销定位，以控制飞边的形成，并起到减小成形后的脱模阻力的作用。

压力驱动装置由油箱、液压泵、溢流阀、节流阀、换向阀和液压缸六个部分组成，图2为其原理图。液压系统启动后，通过节流阀调节油压的压力，以不同地速率带动油缸活塞移动，直到满足压力机继续施压后的行程为止。此套系统由两个油缸来控制左、右两个滑块，由于左右两边圆柱面直径不同，所受到的压力也不一样，我们可以通过这套系统来增加更多的试验条件变化，从而对一体化模锻技术进行更充分地研究。

为了固定和连接接活动滑块控制油压缸与成形模具设计了辅助设备，如图3 所示的。这套辅助设备是由两个内外直径相同的大圆环组成，由两根带螺纹的导柱和螺母支撑起来的。上面的圆环可通过螺纹调节高度使控制油缸的中心与模具活动滑块的中心在同一水平高度。油压缸就固定在这个可以上下移动的圆环上。

以6061铝合金为例进行本发明的T型件组织性能的验证。

在T型件5个点的试样对其进行密度和硬度测试。P1ˉP5位置，在5个点截取10mm×10mm×15mm的试样对其进行密度和硬度测试。P1为直径30mm滑块的接触端，P2为与直径20mm滑块接触的端面，P3和P4分别为两不同尺寸的转角处，P5为与冲头接触的上表面。

半固态充填模锻件密度测试结果与分析

半固态模锻件密度基本均匀，与液态充填总体趋势一致。侧缸压力的变化对1、3、5点的影响不大，规律不明显，转角处的真密度随压力呈现增大的趋势。

表1 不同测缸压力的真密度(g/cm³)

硬度测试

先要将模锻件进行固溶+人工时效的T6热处理，固溶在温度525℃保温了 2个小时，取出后淬火，再在175℃时效8小时。

参见图4，测试力100N，保压15s的硬度测量结果。硬度与密度分布变化趋势相似，说明致密度是影响材料力学性能的重要因素之一。侧缸压力对与冲头接触的位置3几乎不产生影响，而1、2、4、5位置的硬度值随着测缸压力的增加呈现增加的趋势。由于转角处产生了一定的塑性变形，所以此处在整个制件取点位置中硬度值最大，特别是小直径端转角处，这里的塑性变形程度是最大的。1、3、5点的硬度值较低，这是因为成形中这几处实际上是一定压力下的凝固而成，这与密度测量的结果也是一致的。

硬度测试结果

一体化模锻件的力学性能：

模锻件经T6处理后，取样进行常温拉伸试验。得到模锻件力学性能见下表

半固态充填模锻件的力学性能

与6061典型力学性能相比，半固态充填模锻件的性能高出很多。

一体化模锻件的密度、硬度分布较均匀，模锻件微观组织观察，在模锻件存在塑性变形组织，半固态充填模锻件的力学性能分别达到和超过了常规6061 锻件的性能指标，证明一体化模锻是可行的，有应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，用于制备T型件，其特征在于，所述的工艺需采用T型件模锻系统完成，其中所述的T型件模锻系统包括：模具装置、压力驱动装置，所述模具装置至少包括T型成组件，所述T型成组件包括：凸模、左凹模、右凹模以及左滑块、右滑块，在所述的左滑块、右滑块上分别压设有的液压活塞；所述压力驱动装置控制所述的左滑块、右滑块的移动，并通过调节压力驱动装置的压力大小实现不同的速度；

所述的工艺至少包括如下步骤：

采用应变诱导熔化激活法制备铝合金半固态坯料，包括：选择6061铝镁合金挤压棒材，在6061铝镁合金挤压棒材的上、下端面采用油脂石墨润滑剂，将挤压态坯料直接镦粗，在镦粗前先将坯料进行退火，消除应力，退火温度为540℃，保温2h，空冷，然后在润滑条件下进行冷镦粗，将冷镦后的坯料加热到6061铝合金的半固态温度区间610℃，保温时间15分钟，得到半固态坯料；

模具装置进行预热，预热温度为300℃±10℃；

将半固态坯料在在610℃下加热50分钟，将半固态合金倒入容置液态6061铝合金的空腔内，合金填充T型件轴线垂直的圆柱体，在第一压力下进行液态填充，冲头压力小于或等于压在左滑块、右滑块上的液压活塞，冲头加载速度为15mm/s，冲头加载完成后保压20s，6061铝合金凝固后在第二压力下继续加载冲头，使已凝固的金属部分推动所述的左滑块、右滑块向外移动，所述的左滑块、右滑块到达设定位置后，停止冲头加载，通过塑性变形完成两个轴线水平不等径地圆柱部分的成形；其中，第一压力小于第二压力。

2.根据权利要求1所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，所述模具装置包括下模板通过螺塞固定在下模板上的垫板，对置在所述垫板上的凹模固定套，所述左凹模、右凹模分别通过左法兰、右法兰连接在所述凹模固定套上，所述左滑块设置在所述左凹模上，所述右滑块设置在所述右滑块上，在所述的左滑块、右滑块上分别压设有的液压活塞，所述的凸模与左凹模、右凹模单边间隙为0.06至0.1mm；

还包括上模板通过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间设有凸模垫板。

3.根据权利要求2所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，在凹模与凹模模套之间设有斜度。

4.根据权利要求1所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，压力驱动装置包括：油箱、液压泵、溢流阀、节流阀、换向阀和液压缸；启动后，通过节流阀调节油压的压力，以不同地速率带动油缸活塞移动，直到满足压力机继续施压后的行程为止，压力驱动装置由两个油缸来控制左、右两个滑块。

5.根据权利要求4所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，还包括固定连接装置，所述固定连接装置包括：平行间距设置的固定环和移动环，所述的固定环、移动环均与两根导柱连接，所述导柱上设有螺纹，所述移动环上套设有导套，所述导套内设有于所述导柱上螺纹配合的螺纹，所述导套下方的导柱上设有螺母，所述的移动环通过两根带螺纹的导柱和螺母支撑起来，所述压力驱动装置的液压缸设置在所述移动环上，所述移动环可通过螺纹调节高度，控制液压缸的中心与模具装置的左、右滑块的中心在同一水平高度。

6.根据权利要求5所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，T型件模锻系统还包括：液压机、加热炉、温控仪、可控硅温度仪；采用可控温度仪和开式加热炉做为加热熔化金属，开式加热炉的功率为10kw，温度传感器材料为镍铬-镍硅合金，采用4根电阻丝加热模具；在电阻丝内外加装瓷管，并在加热时包裹耐火的石棉材料来减少模具与环境的热交换；采用XMT-101数显温度控制仪器测量模具的温度，温度控制装置的测量范围是1-1300摄氏度，误差小于等于1摄氏度；线圈电压380V，可以实现过电压和过电流保护；所述液压机为2000KN液态模锻液压机。

7.根据权利要求1所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，采用机油石墨润滑剂对所述模具装置进行润滑，将质量分数为5％的石墨粉加入到质量分数为95％的机油中，均匀搅拌后用喷枪喷涂在模具型腔表面，其厚度为0.05-0.1mm。

8.根据权利要求1所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，所述第一压力为22MPa、34MPa、46MPa；所述T型成组件的材质为5CrNiMo。

9.根据权利要求1所述的半固态充填－塑性变形一体化模锻工艺，其特征在于，还包括将T型件固溶在温度525℃保温了2个小时，取出后淬火，再在175℃时效8小时，对所述T型件进行硬度测试。