一種az80a鎂合金機匣等溫模鍛成形模具及成形方法
【專利摘要】一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具及成形方法，它涉及一種鎂合金鍛件成形模具及成形方法，以解決常規(guī)鍛造制備AZ80A鎂合金鍛件，存在成形困難、鎂合金的組織性能不均勻以及性能偏低的問題，它包括上模、下模、頂出桿和多個電加熱圈，第一圓柱的上端與本體連接，第一圓柱的下端與第一圓臺的大直徑端連接，第一圓臺和第一圓柱的中部加工有同軸的第一錐形凹槽，第一錐形凹槽的截面直徑由上至下逐漸增大；下模的上端面的四個拐角處分別設置有定位凸臺，上模蓋合在下模上，四個定位凸臺置于相應的定位槽內；上模和下模上分別安裝有電加熱圈；頂出桿的第二圓柱插裝在頂出孔內，小圓臺置于第一錐形凹槽內。本發(fā)明用于AZ80A鎂合金機匣的制備。
【專利說明】—種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具及成形方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鎂合金鍛件成形模具及成形方法，具體涉及一種大型AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具及成形方法。
【背景技術】
[0002]近年來，制造產(chǎn)品不斷向輕量化、低成本及精密化發(fā)展。各種制造難度大且復雜類構件應用越來越廣。作為實際制造中最輕的金屬材料，鎂合金已廣泛應用于航空工業(yè)、電子工業(yè)、軍事工業(yè)等領域。鎂合金具有比強度高、比重輕、比剛度高優(yōu)點。鎂合金導熱系數(shù)遠超出鈦合金，與鋁合金相當，鍛造溫度范圍窄，當坯料與模具接觸時降溫很快，坯料的塑性降低，需要更大的變形力成形，充填性能下降，在常規(guī)鍛造中，模具溫度大大低于毛坯溫度，導致不均勻的冷卻現(xiàn)象，這也使鍛件變形不均勻，變形抗力增大，金屬流動困難，鍛件余量大。
[0003]AZ80A鎂合金鍛件尺寸大、對性能要求高，要求抗拉強度達到325MPa以上，常規(guī)鍛造成形困難，無法實現(xiàn)AZ80A鎂合金鍛件成形需要。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明為解決常規(guī)鍛造制備AZ80A鎂合金鍛件，存在成形困難、鎂合金的組織性能不均勻以及性能偏低的問題，進而提供一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具及成形方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述問題采取的技術方案是:
[0006]本發(fā)明的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具包括上模、下模、頂出桿和多個電加熱圈，所述上模由制成一體的本體和凸棱構成，所述本體為方形本體，本體的下端面的中部設置有凸棱，所述凸棱由同軸設置并制成一體的第一圓柱和第一圓臺構成，第一圓柱的上端與本體連接，第一圓柱的下端與第一圓臺的大直徑端連接，第一圓臺和第一圓柱的中部加工有同軸的第一錐形凹槽，第一錐形凹槽的截面直徑由上至下逐漸增大，本體的下端面上的四個拐角處分別加工有定位槽；
[0007]所述下模為方形體，下模的上端面的中部加工有與凸棱相配合的模腔，模腔的外緣加工有一圈成形槽，模腔的中部加工有第二錐形凹槽，第二錐形凹槽的中部加工有該第二錐形凹槽相貫通的頂出孔，下模的上端面的四個拐角處分別設置有定位凸臺，上模蓋合在下模上，四個定位凸臺置于相應的定位槽內；上模和下模上分別安裝有電加熱圈；
[0008]所述頂出桿由上至下依次由同軸設置并制成一體的小圓臺、大圓臺和第二圓柱構成，小圓臺的大直徑端與大圓臺的大直徑端連接，大圓臺的小直徑端與第二圓柱連接，頂出桿的第二圓柱插裝在頂出孔內，大圓臺位于第二錐形凹槽上，小圓臺置于第一錐形凹槽內。
[0009]本發(fā)明的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形方法是按照以下步驟實現(xiàn):
[0010]—、制還:將AZ80A鎂合金還料自由鍛造成制成一體的由第二圓臺和第三圓柱組成的還件，所述第二圓臺的下底面的直徑為667mm,第二圓臺的上底面的直徑為280mm,第三圓柱的高為60mm ；[0011]二、鍛造成形:將步驟一制得的AZ80A鎂合金坯件放入箱式加熱電阻爐中加熱，加熱到140-160°C時取出，并在坯件的表面均勻地噴涂石墨乳水溶液；將噴好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加熱電阻爐中，加熱到350-390°C并保溫3-3.5個小時，最后將模具加熱到330-380°C，將加熱好的坯件放在下模2的模腔內，在壓力機的作用下向上模I施加2000N?40000N的壓力，上模I下行速度為0.8-1.2mm/s，鍛造溫度為375-385°C，當坯件充滿模腔后，壓力機停止運行，成形完畢制得鍛件半成品，其中，石墨乳水溶液的質量百分濃度為10%?15% ；
[0012]三、冷卻:將步驟二制得的AZ80A鎂合金鍛件半成品用頂出桿取出，立即放入冷水中，待鍛件半成品完全冷卻后取出，擦干；
[0013]四、熱處理:將經(jīng)步驟三得到的鍛件半成品進行時效處理，處理溫度為165_170°C并保溫20h，制得AZ80A鎂合金機匣成品。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015]一、本發(fā)明以等溫模鍛成形為技術手段成形AZ80A鎂合金機匣鍛件，僅使用一套本發(fā)明成形裝置就可以實現(xiàn)低成本、小型批量化、質量高，使用壽命高的模鍛零件生產(chǎn)，為鍛件的內部組織和優(yōu)良性能提供重要保障。
[0016]二、本發(fā)明采用模鍛成形工藝方法，使得所成形的鍛件尺寸精度高、內部組織性能好，消除了毛坯與模具之間溫度差的影響，使熱毛坯在被加熱到鍛造溫度的恒溫模具中在較低的溫度速率的情況下變形，因此減小了在常規(guī)鍛造時由變形金屬表面激冷而造成的金屬變形抗力增大、流動阻力的增加，以及變形金屬內部由不均勻變形而引起的組織性能的不均勻，有效降低了模鍛時的設備噸位，能夠實現(xiàn)小設備上成形大鍛件；本發(fā)明的產(chǎn)品具有良好的綜合機械性能。
[0017]三、本發(fā)明在進行等溫模鍛成形的同時，借助了數(shù)值模擬和實驗對該鍛件成形規(guī)律以及缺陷形成機理和控制方法，同時，采用數(shù)字化設計和制造技術有效地提高了該類鍛件模具設計、成形方案優(yōu)化以及成形工藝的質量。
[0018]四、本發(fā)明生產(chǎn)效率高，模鍛時，金屬的變形在模腔內進行，能獲得所需形狀，節(jié)省金屬材料，減少切削加工工作量，在批量足夠的條件下，能夠降低成本；本發(fā)明操作簡單，勞動強度較低。
[0019]五、本發(fā)明等溫模鍛方法能有效地提高鎂合金強度、塑性和韌性，模鍛后的試件經(jīng)人工時效處理后，制得的AZ80A鎂合金下機匣鍛件的抗拉強度最高值達到365Mpa，最低強度為334Mpa，達到了相關要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的成形模具的立體結構示意圖，圖2是圖1的A-A剖視圖，圖3是上模的立體結構示意圖，圖4是下模的立體結構示意圖，圖5是頂出桿的立體結構示意圖，圖
6是AZ80A鎂合金坯件的結構示意圖，圖7是經(jīng)步驟四制得的AZ80A鎂合金機匣示意圖(俯視看)，圖8是經(jīng)步驟四制得的AZ80A鎂合金機匣示意圖(仰視看)。
【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:結合圖1-圖5說明本實施方式，本實施方式的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具包括上模1、下模2、頂出桿3和多個電加熱圈4，所述上模I由制成一體的本體1-1和凸棱1-2構成,所述本體1-1為方形本體，本體1-1的下端面的中部設置有凸棱1-2，所述凸棱1-2由同軸設置并制成一體的第一圓柱1-3和第一圓臺1-4構成，第一圓柱1-3的上端與本體1-1連接，第一圓柱1-3的下端與第一圓臺1-4的大直徑端連接，第一圓臺1-4和第一圓柱1-3的中部加工有同軸的第一錐形凹槽1-5，第一錐形凹槽
1-5的截面直徑由上至下逐漸增大，本體1-1的下端面上的四個拐角處分別加工有定位槽1-6 ；
[0022]所述下模2為方形體，下模2的上端面的中部加工有與凸棱1-2相配合的模腔
2-1，模腔2-1的外緣加工有一圈成形槽2-2，模腔2-1的中部加工有第二錐形凹槽2-3，第二錐形凹槽2-3的中部加工有該第二錐形凹槽2-3相貫通的頂出孔2-4，下模2的上端面的四個拐角處分別設置有定位凸臺2-5，上模I蓋合在下模2上，四個定位凸臺2-5置于相應的定位槽1-6內；上模I和下模2上分別安裝有電加熱圈4 ；
[0023]所述頂出桿3由上至下依次由同軸設置并制成一體的小圓臺3-1、大圓臺3-2和第二圓柱3-3構成，小圓臺3-1的大直徑端與大圓臺3-2的大直徑端連接，大圓臺3-2的小直徑端與第二圓柱3-3連接，頂出桿3的第二圓柱3-3插裝在頂出孔2-4內，大圓臺3_2位于第二錐形凹槽2-3上，小圓臺3-1置于第一錐形凹槽1-5內。
[0024]本實施方式的大圓臺3-2與第二錐形凹槽2-3配合加工。
[0025]本實施方式利用零件二維圖及鎂合金、模具的熱膨脹系數(shù)，用CATIA軟件繪制模具，運用軟件中拓撲關系及相交關系，設計出模具的三維模型圖型腔，采用數(shù)控機床進行模具加工。
[0026]等溫鍛造時鍛模設計對鍛件的尺寸精度有很大的影響。模膛的尺寸精度和磨損，模具和鍛件的熱脹冷縮，模具和鍛件的彈性變形，鍛件的形狀和尺寸，選用設備的剛度、精度和噸位大小等對鍛件的尺寸精度均有較大的影響。考慮材料的熱脹冷縮、模具制造以及鍛件體積分布等因素，根據(jù)機匣冷鍛件的三維造型，設計機匣的熱鍛件三維造型圖，設計中以零件的最大投影面為分模面。通過布爾運算得到模具圖，實際加工時，得到上模為850 X 820 X 355mm，下模為980 X 840 X 440mm (不包括定位凸臺的高度30mm)，上模與液壓機連接，下模與液壓機連接。
[0027]為使鍛件從較深模腔中取出，下模中心部位設計頂桿，頂桿與下模的間隙配合為
0.5mm，且設計拔模斜度為5°，頂桿與下模的最底端間距為30mm。由于等溫鍛造過程中載荷非常大，加上鍛件的幾何形狀特點，上模和下模在等溫模鍛過程中易發(fā)生錯移。因此在上模和下模的相應位置設計長方體鎖扣，有效防止上模和下模相對位置發(fā)生錯移，并兼有導向作用。
[0028]生產(chǎn)實踐和科研證明，鎂合金在鍛造過程中，加熱次數(shù)越少越好，每加熱一次，一般會損失部分性能，基于此，精確設計機匣成形坯件，以保證一次終鍛成形合格出鍛件，本實施方式得到的坯件如圖6所示。本實施方式最終制得的AZ80A鎂合金機匣鍛件外表光滑，綜合機械性能良好。
[0029]【具體實施方式】二:結合圖2說明本實施方式，本實施方式的第一圓柱1-3的下端和第一圓臺1-4的大直徑端圓弧過渡。如此設置，便于制造鎂合金機匣，滿足設計要求和實際需要。其它與【具體實施方式】一相同。[0030]【具體實施方式】三:結合圖2說明本實施方式，本實施方式所述第一圓臺1-4的任意一條母線與軸線的夾角β為72°。如此設置，滿足設計要求和實際生產(chǎn)需求。其它與【具體實施方式】一相同。
[0031]【具體實施方式】四:結合圖1-圖5說明本實施方式，本實施方式所述本體1-1的兩個相對的側面上設置有四個上連接固定槽1-7，下模2的兩個相對的側面上設置四個下連接固定槽2-7，上連接固定槽1-7和下連接固定槽2-7 —一對應設置。如此設置，上連接固定槽上安裝螺栓，用于連接液壓機，下連接固定槽上安裝螺栓，用于連接液壓機，滿足設計要求和實際需要。其它與【具體實施方式】一、二或三相同。
[0032]【具體實施方式】五:結合圖1-圖8說明本實施方式，本實施方式的利用【具體實施方式】一、二或三的等溫模鍛成形模具實現(xiàn)一種ΑΖ80Α鎂合金機匣等溫模鍛成形方法，所述ΑΖ80Α鎂合金機匣等溫模鍛成形方法是按照以下步驟實現(xiàn):
[0033]一、制坯:將ΑΖ80Α鎂合金坯料自由鍛造成制成一體的由第二圓臺和第二圓柱組成的還件，所述第二圓臺的下底面的直徑D為667mm,第二圓臺的上底面d的直徑為280mm,第三圓柱的高h為60mm ；
[0034]二、鍛造成形:將步驟一制得的AZ80A鎂合金坯件放入箱式加熱電阻爐中加熱，加熱到140-160°C時取出，并在坯件的表面均勻地噴涂石墨乳水溶液；將噴好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加熱電阻爐中，加熱到350-390°C并保溫3-3.5個小時，最后將模具加熱到330-380°C，將加熱好的坯件放在下模2的模腔內，在壓力機的作用下向上模I施加2000N?40000N的壓力，上模I下行速度為0.8-1.2mm/s，鍛造溫度為375-385°C，當坯件充滿模腔后，壓力機停止運行，成形完畢制得鍛件半成品，其中，石墨乳水溶液的質量百分濃度為10%?15% ；
[0035]三、冷卻:將步驟二制得的AZ80A鎂合金鍛件半成品用頂出桿取出，立即放入冷水中，待鍛件半成品完全冷卻后取出，擦干；
[0036]四、熱處理:將經(jīng)步驟三得到的鍛件半成品進行時效處理，處理溫度為165_170°C并保溫20h，制得AZ80A鎂合金機匣成品。
[0037]本實施方式得到的鍛件上四個位置進行取樣，進行了拉伸測試，鍛件的抗拉強度達到355Mpa，達到了相關要求。本實施方式的上模為850X820X355mm，下模為980X840X440mm (不包括定位凸臺的高度30mm)。
[0038]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】五不同的是步驟二中加熱到150°C時取出；加熱到380°C并保溫3.2小時，最后將模具加熱到375°C，將加熱好的坯件放在下模2的模腔內，在壓力機的作用下向上模I施加30000N的壓力，上模I下行速度為1.0mm/s,鍛造溫度為380°C。本實施方式得到的鍛件半成品力學性能穩(wěn)定，抗拉強度高，滿足實際需要。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】五相同。
[0039]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】五或六不同的是步驟四中處理溫度為168°C。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】五或六相同。
[0040]【具體實施方式】八:本實施方式的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形方法是按照以下步驟實現(xiàn):
[0041]—、制還:將AZ80A鎂合金還料自由鍛造成制成一體的由第二圓臺和第三圓柱組成的還件，所述第二圓臺的下底面的直徑D為667mm,第二圓臺的上底面d的直徑為280mm,第二圓柱的高h為60mm ；
[0042]二、鍛造成形:將步驟一制得的AZ80A鎂合金坯件放入箱式加熱電阻爐中加熱，力口熱到145°C時取出，并在坯件的表面均勻地噴涂石墨乳水溶液；將噴好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加熱電阻爐中，加熱到385°C并保溫3小時，最后將模具加熱到380°C，將加熱好的坯件放在下模2的模腔內，在壓力機的作用下向上模I施加40000N的壓力，上模I下行速度為1.0mm/s，鍛造溫度為380°C，當坯件充滿模腔后，壓力機停止運行，成形完畢制得鍛件半成品，其中，石墨乳水溶液的質量百分濃度為12% ；
[0043]三、冷卻:將步驟二制得的AZ80A鎂合金鍛件半成品用頂出桿取出，立即放入冷水中，待鍛件半成品完全冷卻后取出，擦干；
[0044]四、熱處理:將經(jīng)步驟三得到的鍛件半成品進行時效處理，處理溫度為170°C并保溫20h，制得AZ80A鎂合金機匣成品。
[0045]本實施方式采用的模具的上模為850 X 820 X 355mm，下模為980 X 840 X 440mm (不含定位凸臺的高度為30_)，本實施方式得到的坯件示意圖如圖6所示，本實施方式得到的AZ80A鎂合金機匣成品示意圖如圖7和圖8所示。本實施方式得到的AZ80A鎂合金機匣成品鍛件，具有外表平整，輪廓清晰，流線沿幾何外形分布合理的特點，同時鍛件強度高，塑性和韌性好，模鍛后的試件經(jīng)人工時效處理后，鍛件縱向抗拉強度達到365Mpa，屈服強度達到243Mpa，延伸率7%，HB硬度91.2。鍛件橫向抗拉強度達到334Mpa，屈服強度達到231Mpa，延伸率6.5以上，HB硬度90.7。鍛件表面晶粒細小均勻，內部組織致密。經(jīng)超聲波檢測，鍛件內部內未見夾雜、氣泡、縮孔等缺陷。
【權利要求】
1.一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具，其特征在于:所述成形模具包括上模(I)、下模(2)、頂出桿(3)和多個電加熱圈(4)，所述上模(I)由制成一體的本體(1-1)和凸棱(1-2)構成，所述本體(1-1)為方形本體，本體(1-1)的下端面的中部設置有凸棱(1-2)，所述凸棱(1-2)由同軸設置并制成一體的第一圓柱(1-3)和第一圓臺(1-4)構成，第一圓柱(1-3)的上端與本體(1-1)連接，第一圓柱(1-3)的下端與第一圓臺(1-4)的大直徑端連接，第一圓臺(1-4)和第一圓柱(1-3)的中部加工有同軸的第一錐形凹槽(1-5)，第一錐形凹槽(1-5)的截面直徑由上至下逐漸增大，本體(1-1)的下端面上的四個拐角處分別加工有定位槽(1-6)； 所述下模(2)為方形體，下模(2)的上端面的中部加工有與凸棱(1-2)相配合的模腔(2-1)，模腔(2-1)的外緣加工有一圈成形槽(2-2)，模腔(2-1)的中部加工有第二錐形凹槽(2-3)，第二錐形凹槽(2-3)的中部加工有與該第二錐形凹槽(2-3)相貫通的頂出孔(2-4)，下模(2)的上端面的四個拐角處分別設置有定位凸臺(2-5)，上模(I)蓋合在下模(2)上，四個定位凸臺(2-5)置于相應的定位槽(1-6)內；上模(I)和下模(2)上分別安裝有電加熱圈(4)； 所述頂出桿(3)由上至下依次由同軸設置并制成一體的小圓臺(3-1)、大圓臺(3-2)和第二圓柱(3-3)構成，小圓臺(3-1)的大直徑端與大圓臺(3-2)的大直徑端連接，大圓臺(3-2)的小直徑端與第二圓柱(3-3)連接，頂出桿(3)的第二圓柱(3-3)插裝在頂出孔(2-4)內，大圓臺(3-2)位于第二錐形凹槽(2-3)上，小圓臺(3-1)置于第一錐形凹槽(1-5)內。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具，其特征在于: 第一圓柱(1-3)的下端和第一圓臺(1-4)的大直徑端圓弧過渡。
3.根據(jù)權利要求1所述 的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形模具，其特征在于:所述第一圓臺(1-4)的任意一條母線與軸線的夾角(β )為72°。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種ΑΖ80Α鎂合金機匣等溫模鍛成形模具，其特征在于:所述本體(1-1)的兩個相對的側面上設置有四個上連接固定槽(1-7)，下模(2)的兩個相對的側面上設置四個下連接固定槽(2-7)，上連接固定槽(1-7)和下連接固定槽(2-7)——對應設置。
5.利用權利要求1、2或3所述的一種等溫模鍛成形模具實現(xiàn)ΑΖ80Α鎂合金機匣等溫模鍛成形方法，其特征在于:所述ΑΖ80Α鎂合金機匣等溫模鍛成形方法是按照以下步驟實現(xiàn): 一、制坯:將ΑΖ80Α鎂合金坯料自由鍛造成制成一體的由第二圓臺和第三圓柱組成的還件，所述第二圓臺的下底面的直徑(D)為667mm,第二圓臺的上底面(d)的直徑為280mm,第三圓柱的高(h)為60mm ； 二、鍛造成形:將步驟一制得的AZ80A鎂合金坯件放入箱式加熱電阻爐中加熱，加熱到140-160°C時取出，并在坯件的表面均勻地噴涂石墨乳水溶液；將噴好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加熱電阻爐中，加熱到350-390°C并保溫3-3.5個小時，最后將模具加熱到330-380 °C，將加熱好的坯件放在下模(2 )的模腔內，在壓力機的作用下向上模(I)施加2000N?40000N的壓力，上模(I)下行速度為0.8-1.2mm/s，鍛造溫度為375-385°C，當坯件充滿模腔后，壓力機停止運行，成形完畢制得鍛件半成品，其中，石墨乳水溶液的質量百分濃度為10%?15% ； 三、冷卻:將步驟二制得的AZ80A鎂合金鍛件半成品用頂出桿取出，立即放入冷水中，待鍛件半成品完全冷卻后取出，擦干； 四、熱處理:將經(jīng)步驟三得到的鍛件半成品進行時效處理，處理溫度為165-170°C并保溫20h，制得AZ80A鎂合金機匣成品。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形方法，其特征在于: 步驟二中加熱到150°C時取出，加熱到380°C并保溫3.2個小時，最后將模具加熱到375°C，將加熱好的坯件放在下模(2)的模腔內，在壓力機的作用下向上模(I)施加30000N的壓力，上模(I)下行速度為LOmm/s，鍛造溫度為380°C。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的一種AZ80A鎂合金機匣等溫模鍛成形方法，其特征在于:步驟四中處理溫度為168°C。`
【文檔編號】B21J13/02GK103433416SQ201310435511
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權日:2013年9月23日
【發(fā)明者】袁林, 徐福昌, 單德彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學