一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具及方法 |
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| 申请号 | CN201510945591.4 | 申请日 | 2015-12-14 | 公开(公告)号 | CN105397010A | 公开(公告)日 | 2016-03-16 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 袁林; 徐福昌; 单德彬; | ||||
| 摘要 | 一种稀土镁 合金 薄腹支叉等温 模锻 成形模具及方法，它涉及一种镁合金薄腹支叉锻件成形模具及方法，以解决常规 锻造 制备稀土镁合金薄腹支叉类锻件，存在制坯和成形困难，容易出现成形 缺陷 ，镁合金锻件的组织性能很难控制以及性能偏低的问题，成形方法主要步骤是：一、制坯；二、锻造成形；三、冷却；四、一次 酸洗 ；五、修伤；六、终锻；七、二次酸洗：将经步骤六得到的镁合金锻件进行酸洗，清洗掉表面的 石墨 ，得到 表面处理 的成形锻件；八，将步骤七得到的表面处理的成形锻件放入时效炉中进行时效处理，制得稀土镁合金薄腹支叉成品。本 发明 用于镁合金薄腹支叉的制备。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具，其特征在于：所述成形模具包括上模(1)、下模(2)和顶杆(3)，下模(2)的上表面的中部由上至下依次加工有模腔(2-1)和顶出孔(2-2)，模腔(2-1)和顶出孔(2-2)贯通； |
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| 说明书全文 | 一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具及方法技术领域[0001] 本发明涉及一种镁合金薄腹支叉锻件成形模具及方法，具体涉及一种稀土镁合金薄腹支叉锻件等温模锻成形模具及方法。 背景技术[0002] 镁合金是目前工程应用材料中最轻的金属材料，具有较高的比强度和比刚度。随着航空航天、汽车、电子等领域的发展，其对材料轻量化、高性能的要求越来越高。对于要求减重的航空航天类构件，大多设计为具有腹板和支叉的结构，这种构件如果采用传统方法如铸造、机械加工等方法制造，难以满足高性能、环保、节能、高效等要求。而采用等温成形工艺这种精密塑性成形的方法是一种有效的生产此类构件的方法。 发明内容[0004] 本发明为解决常规锻造制备稀土镁合金薄腹支叉类锻件，存在制坯和成形困难，容易出现成形缺陷，镁合金锻件的组织性能很难控制以及性能偏低的问题，进而提供一种稀土镁合金薄腹支叉类等温模锻成形模具及方法。 [0005] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是： [0006] 本发明的一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具包括上模、顶杆和下模，下模的上表面的中部由上至下依次加工有模腔和顶出孔，模腔和顶出孔贯通； [0007] 模腔内布置有凹模镶块，凹模镶块为阶梯式凹模镶块，凹模镶块的小端置于顶出孔内，上模的下表面的中部加工有与模腔相配合的冲头，冲头和凹模镶块的大端的形状与待成形的薄腹支叉配合设置，冲头伸入模腔内，顶杆伸入顶出孔内，且顶杆的上表面顶靠在凹模镶块的小端的下表面上，上模和下模上分别安装有电加热圈，上模和下模上设置有贯通的导柱孔，上模盖合在下模上。 [0008] 本发明的一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形方法是按照以下步骤实现： [0009] 一、制坯：将稀土镁合金原材料为直径是155mm，长度是160mm的挤压棒材进行镦粗拔长工艺复合成形，得到自由锻造成带弧形的镁合金钣坯件； [0010] 二、锻造成形：将步骤一制得的稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到160-180℃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400-440℃并保温2-2.5小时，最后将模具加热到380-410℃，将加热好的坯件放在下模的模腔内，在压力机的作用下向上模施加1300吨～ 1600吨的压力，上模下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为415-425℃，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15％～ 20％； [0011] 三、冷却：将步骤二制得的稀土镁合金锻件半成品用顶出杆取出，空冷； [0012] 四、一次酸洗：将经步骤三得到的锻件半成品进行酸洗，清理完表面； [0013] 五、修伤：将经步骤四得到的锻件半成品进行修伤，清理掉折叠部分； [0014] 六、终锻：将经步骤五得到的锻件半成品稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到160-180℃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370-400℃并保温2-2.5小时，最后将模具加热到350-370℃，将加热好的坯件放在下模的模腔内，在压力机的作用下向上模施加1300吨～1600吨的压力，上模下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为385-395℃，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15％～20％； [0015] 七、二次酸洗：将经步骤六得到的镁合金锻件进行酸洗，清洗掉表面的石墨，得到表面处理的成形锻件； [0016] 八、将步骤七得到的表面处理的成形锻件放入时效炉中进行时效处理，时间为60小时，温度为200℃，制得稀土镁合金薄腹支叉成品。 [0017] 本发明的有益效果是： [0018] 一、本发明以等温模锻成形为技术手段成形稀土镁合金薄腹支叉类锻件，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。 [0019] 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，凹模采用镶块式结构，避免了薄腹支叉类锻件难以脱模的困难。 [0020] 三、本发明通过计算机有限元数值模拟进行工艺、方案和预制坯料的精确设计等，避免了薄腹支叉类锻件成形过程中较易出现的充不满和折叠缺陷等。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。 [0021] 四、本发明通过自由锻制坯获得一种薄腹支叉类稀土镁合金锻件的坯料，解决了当前薄腹支叉类稀土镁合金坯料不易获得的难题。 [0022] 五、本发明通过每道次锻造间降低30℃左右的温度控制，避免了镁合金薄腹支叉类锻件晶粒急剧长大，机械性能下降等。本发明通过镁合金锻造时针对道次数增加的情况下，阶梯降低锻造温度，实现保证镁合金组织和性能的目的。 [0023] 六、本发明通过研究人工时效工艺，使最终成形的锻件断裂强度达到465-475MPa，屈服强度达到375-385MPa。本发明等温模锻方法能有效地提高稀土镁合金支叉类锻件强度、塑性和韧性，模锻后的试件经人工时效处理后，制得的镁合金薄腹支叉锻件的抗拉强度最高值达到475Mpa，屈服强度为385Mpa，机械性能明显增加。锻件表面晶粒细小均匀，无粗晶混晶，内部组织致密，流线分布合理。经超声波检测，锻件内部内未见夹杂、气泡、缩孔等缺陷，达到了相关要求。 [0025] 图1是本发明的成形模具的主视结构示意图，图2是图1的侧视图，图3是上模的主视结构示意图，图4是上模的仰视结构示意图，图5是图4的侧视图，图6是下模的主视结构示意图，图7是图6的侧视图，图8是图6的A-A向视图，图9是顶杆的结构示意图，图10是步骤一得到的坯件的结构示意图，图11是步骤四制得的半成品锻件的结构示意图，图 12是步骤七得到的表面处理的稀土镁合金薄腹支叉锻件示意图，图13是步骤八处理得到的稀土镁合金薄腹支叉成品示意，图14是采用有限元数值模拟得到的用于制备本发明薄腹支叉锻件的预制坯示意图。 具体实施方式[0026] 具体实施方式一：结合图1-图2说明，本实施方式的一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具包括上模1、顶杆3和下模2，下模2的上表面的中部由上至下依次加工有模腔2-1和顶出孔2-2，模腔2-1和顶出孔2-2贯通； [0027] 模腔2-1内布置有凹模镶块5，凹模镶块5为阶梯式凹模镶块，凹模镶块5的小端置于顶出孔2-2内，上模1的下表面的中部加工有与模腔2-1相配合的冲头1-1，冲头1-1和凹模镶块5的大端的形状与待成形的薄腹支叉配合设置，冲头1-1伸入模腔2-1内，顶杆3伸入顶出孔2-2内，且顶杆3的上表面顶靠在凹模镶块5的小端的下表面上，上模1和下模2上分别安装有电加热圈4，上模1和下模2上设置有贯通的导柱孔1-3，上模1盖合在下模2上。 [0028] 本实施方式根据零件形状图设计得到锻件图，根据锻件图设计了模具图，模具为了脱模方便，将凹模型腔底部设计镶块式凹模镶块5，用于锻件脱模，采用有限元进行工艺过程的数值模拟，设计了两种预制坯形状，进行了有限元数值模拟，表明采用图14预制坯不易产生折叠形状。根据该预制坯料，采用了Φ155mm×160mm的挤压棒材。本实施方式的稀土镁合金是指Mg-13Gd-6Y-0.6Zr镁合金。 [0029] 具体实施方式二：结合图9说明，本实施方式的顶杆3由上至下依次由同轴设置并制成一体的上圆柱3-1和下圆柱3-2构成，下圆柱3-2的上端与上圆柱3-1的下端面固接，上圆柱3-1插装在顶出孔2-2内，上圆柱3-1的上表面顶靠在凹模镶块5上。如此设置，使用方便可靠。其它与具体实施方式一相同。 [0030] 具体实施方式三：结合图1-图14说明，本实施方式的利用具体实施方式一或二的一种等温模锻成形模具实现一种等温模锻成形模具实现稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形方法，该稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形方法是按照以下步骤实现： [0031] 一、制坯：将稀土镁合金原材料为直径是155mm，长度是160mm的挤压棒材进行镦粗拔长工艺复合成形，得到自由锻造成带弧形的镁合金钣坯件； [0032] 二、锻造成形：将步骤一制得的稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到160-180℃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400-440℃并保温2-2.5小时，最后将模具加热到380-410℃，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1300吨～1600吨的压力，上模1下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为415-425℃，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15％～20％； [0033] 三、冷却：将步骤二制得的稀土镁合金锻件半成品用顶出杆取出，空冷； [0034] 四、一次酸洗：将经步骤三得到的锻件半成品进行酸洗，清理完表面； [0035] 五、修伤：将经步骤四得到的锻件半成品进行修伤，清理掉折叠部分； [0036] 六、终锻：将经步骤五得到的锻件半成品稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到160-180℃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370-400℃并保温2-2.5小时，最后将模具加热到350-370℃，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1300吨～1600吨的压力，上模1下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为385-395℃，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15％～20％； [0037] 七、二次酸洗：将经步骤六得到的镁合金锻件进行酸洗，清洗掉表面的石墨，得到表面处理的成形锻件； [0038] 八、将步骤七得到的表面处理的成形锻件放入时效炉中进行时效处理，时间为60小时，温度为200℃，制得稀土镁合金薄腹支叉成品。 [0039] 本实施方式根据零件形状图设计得到锻件图，根据锻件图设计了模具图，模具为了脱模方便，将凹模型腔底部设计镶块式凹模镶块5，用于锻件脱模，采用有限元进行工艺过程的数值模拟，设计了两种预制坯形状，进行了有限元数值模拟，表明采用图14预制坯不易产生折叠形状。根据该预制坯料，采用了直径为155mm，长度为160mm的挤压棒材。本实施方式的稀土镁合金是指Mg-13Gd-6Y-0.6Zr镁合金。 [0040] 本实施方式的步骤一得到的坯件的结构示意图如图10所示；步骤四制得的半成品锻件的结构示意图如图11所示，得到的坯件外表光滑平整，预锻件与薄腹支叉相匹配；步骤七得到的表面处理的稀土镁合金薄腹支叉锻件示意图如图12所示，得到的锻件外表光滑平整，表面处理成形锻件与薄腹支叉相匹配；步骤八处理得到的稀土镁合金薄腹支叉成品示意图如图13所示。由图13可知，得到的锻件外表光滑平整，成形锻件与薄腹支叉相匹配。根据该工艺可进行批产锻件。 [0041] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点在于：步骤二中将步骤一制得的稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到170℃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420℃并保温2.5小时，最后将模具加热到400℃，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1400吨的压力，上模1下行速度为1.0mm/s，锻造温度为 420℃。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。 [0042] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三至四之一不同点在于：步骤二中将步骤一制得的稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到180℃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440℃并保温2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1300吨的压力，上模1下行速度为1.2mm/s，锻造温度为415℃。其它步骤及参数与具体实施方式三至四之一相同。 [0043] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同点在于：步骤六中将经步骤五得到的锻件半成品稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到170℃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2.2小时，最后将模具加热到360℃，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1400吨的压力，上模1下行速度为1.0mm/s，锻造温度为390℃。其它步骤及参数与具体实施方式三至五之一相同。 [0044] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同点在于：步骤六中将经步骤五得到的锻件半成品稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到180℃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400℃并保温2小时，最后将模具加热到350℃，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1600吨的压力，上模1下行速度为1.2mm/s，锻造温度为385℃。其它步骤及参数与具体实施方式三至六之一相同。 [0045] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同点在于：步骤一中石墨乳水溶液的质量百分浓度为18％。 [0046] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同点在于：步骤六中石墨乳水溶液的质量百分浓度为20％。 [0047] 具体实施方式十：本实施方式的一种等温模锻成形模具实现稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形方法是按照一下步骤进行的： [0048] 一、制坯：将稀土镁合金原材料为直径是155mm，长度是160mm的挤压棒材进行镦粗拔长工艺复合成形，得到自由锻造成带弧形的镁合金钣坯件； [0049] 二、锻造成形：将步骤一制得的稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到170℃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420℃并保温2.5小时，最后将模具加热到400℃，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1450吨的压力，上模1下行速度为1.0mm/s，锻造温度为420℃，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18％； [0050] 三、冷却：将步骤二制得的稀土镁合金锻件半成品用顶出杆取出，空冷； [0051] 四、一次酸洗：将经步骤三得到的锻件半成品进行酸洗，清理完表面； [0052] 五、修伤：将经步骤四得到的锻件半成品进行修伤，清理掉折叠部分； [0053] 六、终锻：将经步骤五得到的锻件半成品稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到165℃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390℃并保温2.2小时，最后将模具加热到370℃，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1600吨的压力，上模1下行速度为1.2mm/s，锻造温度为390℃，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20％； [0054] 七、二次酸洗：将经步骤六得到的镁合金锻件进行酸洗，清洗掉表面的石墨，得到表面处理的成形锻件； [0055] 八、将步骤七得到的表面处理的成形锻件放入时效炉中进行时效处理，时间为60小时，温度为200℃，制得稀土镁合金薄腹支叉成品。 [0056] 本实施方式通过有限元模拟、实验和组织性能的精确调控相结合的方法精确设计每道次成形的坯料和工艺，每道次等温锻造间逐次降低锻造温度的方法成形出了该薄腹支叉锻件6，由图13可知，得到的锻件外表光滑平整，成形锻件与薄腹支叉相匹配。性能达到了较高要求，断裂强度达到470MPa，屈服强度达到383MPa。 |
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