專利名稱：超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及金屬材料微加工技術(shù)，尤其涉及一種超聲振動(dòng)輔助半固態(tài) 金屬微觸變成形裝置。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代初，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了半固態(tài) 金屬的流變性能，并發(fā)展了金屬半固態(tài)成形技術(shù)，該工藝介于固態(tài)金屬成形和 液態(tài)金屬成形之間，融合了鑄造和塑性成形工藝優(yōu)點(diǎn)，具有高效、節(jié)能等顯著 優(yōu)點(diǎn)，許多學(xué)者稱其為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的近凈成形技術(shù)之一。如今國內(nèi) 外學(xué)者已經(jīng)對(duì)半固態(tài)金屬成形開展了大量的研究工作，鋁合金及鎂合金的半固 態(tài)加工技術(shù)日益成熟，其研究成果在汽車工業(yè)中零件加工中已經(jīng)取得了較大程 度的應(yīng)用。
半固態(tài)金屬成形是針對(duì)固、液態(tài)共存的半熔化或半凝固金屬進(jìn)行成形加工 的工藝方法的總稱，主要包括觸變成形和流變成形兩種工藝，其中流變成形 (Rheoforming)是指將經(jīng)攪拌獲得的半固態(tài)金屬漿料在保持其半固態(tài)溫度的條 件下直接進(jìn)行半固態(tài)加工，而觸變成形(Thixoforming)是指將半固態(tài)漿料冷卻凝 固成坯料后，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然后進(jìn)行成形加 工。觸變成形工藝流程長，但它便于組織專業(yè)化生產(chǎn)，質(zhì)量便于控制，因而成 為半固態(tài)成形技術(shù)研究的重點(diǎn)，在現(xiàn)有的研究及工業(yè)應(yīng)用中也絕大多數(shù)采用觸 變成形的工藝。
金屬坯料處于半固態(tài)時(shí)具有一定的固液比，和液態(tài)壓鑄相比，它具有一定 的粘度，所以，成形時(shí)可以避免噴濺、紊流以及巻氣等缺點(diǎn)；它和固體鍛造相 比，易于形成微細(xì)特征，且變形力小，可以節(jié)省能源。因此，和傳統(tǒng)成形工藝 相比，半固態(tài)金屬成形具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)成形溫度低，成形件力學(xué)性能 好，較好地綜合了固態(tài)金屬模鍛與液態(tài)壓鑄成形的優(yōu)點(diǎn)，可以批量生產(chǎn)形狀復(fù) 雜、高性能和高精度的微型零部件。半固態(tài)成形的固有優(yōu)點(diǎn)決定了半固態(tài)成形 技術(shù)有應(yīng)用于微小零件制備的潛力，并且有望解決目前微細(xì)結(jié)構(gòu)加工技術(shù)普遍 存在的成本高、效率低的問題，為微細(xì)結(jié)構(gòu)的大批量低成本生產(chǎn)提供一種新方 法，然而至今半固態(tài)微成形技術(shù)在世界范圍內(nèi)報(bào)道仍很少。2004年荷蘭的 Steinhoff等人在《Steel Research International雜志第75巻第611-619頁首次提出了有關(guān)微半固態(tài)成形(又稱微觸變成形，Micro-Thixoforming)的概念和方 法，但至今還沒有出現(xiàn)該技術(shù)研究和應(yīng)用的進(jìn)一步報(bào)道。美國密歇根大學(xué)的 Gap-YongKim等人在博士論文的研究中對(duì)于微/介觀尺度下的半固態(tài)鋁合金微 觸變成形技術(shù)進(jìn)行了研究，主要研究成果在2007年的《Transactions of the ASME， Journal of Manufacturing Science and Engineering》雜志第129巻第246-251頁進(jìn) 行了報(bào)道。
從當(dāng)前半固態(tài)金屬微成形技術(shù)的研究報(bào)道中可以發(fā)現(xiàn)，目前半固態(tài)金屬微 成形技術(shù)發(fā)展尚處于起步階段，技術(shù)上還不成熟，微成形填充效果不甚理想。 主要存在的問題有
(1) 在半固態(tài)金屬微觸變成形過程中，成形效果不夠穩(wěn)定，同一加工過程中
的一些相同結(jié)構(gòu)特征的成形一致性還不夠好；
(2) 半固態(tài)金屬微觸變成形結(jié)構(gòu)中還存在縮孔、晶粒結(jié)構(gòu)不致密等問題，制 造出的工件的微結(jié)構(gòu)形貌也有待改進(jìn)；
(3) 半固態(tài)金屬微觸變成形的加工效率和能耗尚有待改進(jìn)。
為了將半固態(tài)金屬微成形方法推向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，從而提供一種適合大批量、 低成本和高效的金屬微細(xì)結(jié)構(gòu)特征加工方法，對(duì)于現(xiàn)有的半固態(tài)金屬微觸變成 形技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)是十分必要的。 發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述半固態(tài)金屬微觸變成形方法的不足，本實(shí)用新型的目的在于 提供一種超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形裝置。利用超聲波的導(dǎo)引作用、 排除氣體、增強(qiáng)半固態(tài)金屬材料材料流動(dòng)性、減小微成形阻力、增加材料致密 度等作用，達(dá)到對(duì)半固態(tài)金屬微觸變成形過程的輔助作用，從而獲得良好的半 固態(tài)金屬工件微成形效果，提高微觸變成形效率。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本實(shí)用新型在下模的下端設(shè)有下模電加熱器，下模與超聲變幅桿連接，在 下模中安裝下模熱電偶，下表面帶有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)的沖頭的上端與上模連接， 上模上端設(shè)有上模電加熱器，上模與壓桿連接，上模中安裝上模熱電偶。
所述帶有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)的沖頭下表面開有為孔徑和深度均為0.8mm lmm 的圓孔陣列。
本實(shí)用新型成形方法，該方法包括以下各步驟
(1)將內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)為球狀晶的半固態(tài)金屬坯料置于下模上，通過內(nèi)嵌電加 熱器預(yù)熱并保持沖頭和下模溫度升至250 350°C;(2)感應(yīng)線圈加熱半固態(tài)金屬坯料溫度，控制坯料的固相分?jǐn)?shù)或液相分?jǐn)?shù)至 固液共存區(qū)；
P)將下表面帶有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)的沖頭壓下并施加鍛壓載荷，開始?jí)毫?工，鍛壓力為50kN 70kN，與此同時(shí)開啟功率超聲發(fā)生裝置，通過超聲變幅桿 與下模的直接連接，對(duì)半固態(tài)金屬微觸變成形加工過程施加功率為300 500W， 頻率為15 20kHz的超聲振動(dòng)，在超聲波的輔助作用下，完成對(duì)半固態(tài)金屬坯 料的微觸變成形過程；
(4) 完成半固態(tài)金屬的超聲振動(dòng)輔助微觸變成形過程，停止超聲振動(dòng)和模具 加熱；
(5) 升起沖頭后，取出半固態(tài)金屬微觸變成形零件。 本實(shí)用新型具有的有益效果是
本實(shí)用新型首次將超聲振動(dòng)應(yīng)用于半固態(tài)金屬微觸變成形過程，利用超聲 振動(dòng)多方面的輔助作用改善了微觸變成形效果，縮短了工藝時(shí)間，提高了工藝 質(zhì)量，降低了制造成本。它對(duì)于促進(jìn)半固態(tài)金屬微觸變成形方法的發(fā)展及其應(yīng) 用，從而獲得一種高效率、低成本、高品質(zhì)的金屬微細(xì)結(jié)構(gòu)特征加工方法具有 重要意義。

圖1是超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形裝置示意圖(感應(yīng)加熱時(shí))。 圖2是超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形裝置示意圖(觸變成形時(shí))。 圖中1.超聲變幅桿，2.下模電加熱器，3.螺釘，4.沖頭，5.螺栓，
6.上模電加熱器，7.壓桿，8.上模，9.上模熱電偶，10.下模，11.半固
態(tài)金屬坯料，12.下模熱電偶，13.感應(yīng)線圈。
具體實(shí)施方式
如圖1及圖2所示，本實(shí)用新型是在下模10的下端設(shè)有下模電加熱器2， 下模10與超聲變幅桿1連接，在下模10中安裝下模熱電偶12，下表面帶有微 細(xì)特征結(jié)構(gòu)的沖頭4的上端與上模8連接，上模8上端設(shè)有上模電加熱器6，上 模8與壓桿7連接，上模8中安裝上模熱電偶9。
所述帶有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)的沖頭下表面開有為孔徑和深度均為0.8mm lmm 的圓孔陣列。
如圖1及圖2所示，本實(shí)用新型提出的超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成 形方法的具體實(shí)施過程如下-
(1)如圖l所示，在加工裝置中設(shè)置上模電加熱器6與下模電加熱器2分別
5對(duì)沖頭4和下模10進(jìn)行加熱，同時(shí)在裝置中也設(shè)置上模熱電偶9及下模熱電偶 12，并分別實(shí)時(shí)測量上模8及下模10的溫度。將上模電加熱器6與上模熱電偶 9，以及下模電加熱器2與下模熱電偶12連接至多通道高精度溫度控制儀從而 形成兩個(gè)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，通過設(shè)定多通道溫度控制儀的控制溫度及控制策 略等有關(guān)參數(shù)，可以達(dá)到對(duì)于沖頭4及下模10溫度的實(shí)時(shí)反饋控制。沖頭4及 下模10采用的材料為熱作模具鋼H13。在超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形 加工之前需要對(duì)沖頭4及下模10進(jìn)行預(yù)熱，溫度保持在300'C左右，這是因?yàn)?在半固態(tài)金屬微觸變成形過程中，如果沖頭4和下模IO的溫度與半固態(tài)金屬坯 料11 二次加熱溫度相比過低，則會(huì)引起半固態(tài)金屬坯料11在加工過程中的溫 度下降過快，使半固態(tài)漿料迅速結(jié)殼，或增加冷隔，從而影響半固態(tài)金屬微結(jié) 構(gòu)的成形效果，但模具溫度如果過高，容易粘焊，加速模具磨損，因此控制沖 頭4及下模10溫度在30(TC左右。
(2) 如圖1所示，在下模10及沖頭4預(yù)熱完成后，使用感應(yīng)線圈13對(duì)于置 于下模10上的半固態(tài)金屬坯料11進(jìn)行加熱，控制坯料的固相分?jǐn)?shù)或液相分?jǐn)?shù) 至固液共存區(qū)，半固態(tài)金屬坯料11可以采用A356、 A357等常用半固態(tài)鋁合金 或鎂合金進(jìn)行加工。在完成感應(yīng)加熱后，移出感應(yīng)線圈13。
(3) 如圖2所示，待半固態(tài)金屬坯料加熱至固液共存區(qū)后，將沖頭4壓下并 施加鍛壓載荷，開始?jí)毫庸?，鍛壓力?0kN 70kN。超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金 屬微觸變成形裝置可以在普通壓機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，其中上模8及壓桿7通 過螺栓5連接，沖頭4下端的微細(xì)特征結(jié)構(gòu)可根據(jù)工件需要采用微細(xì)電火花加 工方式完成加工。在壓力加工開始的同時(shí)開啟超聲發(fā)生裝置，超聲波的功率為 300 500W，頻率為15 20kHz。由于超聲變幅桿1與下模10通過螺釘3直接 連接，從而保證了超聲波振動(dòng)能量的有效傳遞。在微觸變成形加工過程中一直 施加超聲振動(dòng)，使得半固態(tài)金屬坯料在超聲波的輔助作用下完成快速微成形過 程。在壓力加工的同時(shí)依然需要通過兩個(gè)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)對(duì)于沖頭4和下模 IO進(jìn)行持續(xù)加熱，維持沖頭4和下模10處于高溫狀態(tài)，從而保證半固態(tài)金屬微 觸變成形過程中的溫度處于固液共存區(qū)。
(4) 微觸變成形過程完成后，停止超聲振動(dòng)和模具加熱。
(5) 升起沖頭后，取出半固態(tài)金屬微成形工件，重復(fù)以上過程即可開始下一 工件的加工。
權(quán)利要求1、一種超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形裝置，其特征在于在下模(10)的下端設(shè)有下模電加熱器(2)，下模(10)與超聲變幅桿(1)連接，在下模(10)中安裝下模熱電偶(12)，下表面帶有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)的沖頭(4)的上端與上模(8)連接，上模(8)上端設(shè)有上模電加熱器(6)，上模(8)與壓桿(7)連接，上模(8)中安裝上模熱電偶(9)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形裝置， 其特征在于所述帶有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)的沖頭下表面開有為孔徑和深度均為 0.8mm lmm的圓孔陣列。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)金屬微觸變成形裝置。在下模的下端設(shè)有下模電加熱器，下模與超聲變幅桿連接，在下模中安裝下模熱電偶，沖頭的上端與上模連接，上模上端設(shè)有上模電加熱器，上模與壓桿連接，上模中安裝上模熱電偶。本實(shí)用新型將半固態(tài)金屬坯料重熔加熱至固液共存區(qū)后開始?jí)毫庸?，同時(shí)施加超聲振動(dòng)，減少半固態(tài)金屬坯料與微模具之間的摩擦和微成形阻力，增強(qiáng)半固態(tài)金屬材料的流動(dòng)性，改善半固態(tài)金屬材料在微模具中的填充性能，獲得良好的微成形效果。本實(shí)用新型促進(jìn)了半固態(tài)金屬微觸變成形，提高了微成形效率，降低了設(shè)備成本，避免了微加工過程中縮孔等缺陷，改善了半固態(tài)金屬微觸變成形效果。
文檔編號(hào)B22D27/04GK201295751SQ20082016823
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者周紅華, 姚喆赫, 梅德慶, 淼 錢, 陳子辰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)