專利名稱：鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法及其專用模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎂合金塑性加工生產(chǎn)技術(shù)，特別涉及一種具有較復(fù)雜幾何外形(如可帶有螺絲柱、加強筋等)的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法及其專用模具。
背景技術(shù)：
近幾年來電腦、通訊產(chǎn)品、消費性電子等3C產(chǎn)品大行其道，而此類物品常須有便攜性。目前大部分便攜式產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)材料仍以工程塑膠為主，雖然其性能通?？梢詽M足便攜式產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需求(如強度夠、輕量、低成本、制造容易、周邊廠商配合容易等)，但隨著社會需求的不斷發(fā)展，各種塑膠材料在結(jié)構(gòu)剛性、散熱性等已開始逐漸不能滿足要求。特別是對產(chǎn)品材料特性要求更高，如電磁波干擾屏蔽、可回收性等，傳統(tǒng)塑膠材料無法滿足這些需求。鎂是工業(yè)中最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，其密度僅為1.74g/cm。鎂及鎂合金具有一些吸引人的性質(zhì)優(yōu)良的導熱性、導電性及電磁屏蔽性能；高的比強度、比剛度和減震性能；優(yōu)良的加工工藝性能，如良好的鑄造性能、機械加工性能，以及在保護氣氛下有良好的焊接性能。鎂的資源豐富，在當前日益嚴峻的能源與環(huán)境的壓力下，鎂合金易于回收和有利于環(huán)保等特點使其受到世人矚目。因此對于追求輕、薄、短、小及環(huán)境保護的高科技產(chǎn)品而言，鎂合金將是本世紀最熱門的金屬材料之一，有望得到長足的發(fā)展。
目前，鎂合金產(chǎn)品主要采用壓鑄技術(shù)加工，但壓鑄仍有許多無法克服的缺點比如生產(chǎn)速度慢、優(yōu)良率低、表面孔洞等。與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金在組織上更細、成分上更均勻、內(nèi)部更致密，因此變形鎂合金比鑄造鎂合金有高強度和高延伸率，而且塑性加工具有表面質(zhì)量好、生產(chǎn)速度快、優(yōu)良率高等優(yōu)點，因此開發(fā)鎂合金塑性加工技術(shù)是目前亟待進行的工作。
常見的鎂合金塑性加工方法，如沖壓，無法成形較復(fù)雜的幾何外形。3C產(chǎn)品薄殼件內(nèi)通常都帶有突起的螺絲孔和加強筋等較復(fù)雜的部件，螺絲孔可用來連接上下外殼，還可安裝LCD和其它電子元件；加強筋可提高薄殼件的剛度。這些部位則無法以沖壓等方式成形。而采用熱沖鍛工藝進行此類薄殼件加工是一種形之有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法及其專用模具，解決復(fù)雜的幾何外形的成形問題，可獲得材料利用率高、表面質(zhì)量好的鎂合金薄殼件。
本發(fā)明的技術(shù)方案是鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，具體工藝步驟為(1)將模具加熱至200～400℃；(2)將厚為1.5mm～6mm坯料，加熱至250～450℃；(3)將坯料涂上潤滑劑；(4)將坯料放入凹模內(nèi)，凸模向下運動，速度為10～500毫米/秒。
當沖鍛結(jié)束后，從模具中取出成形件，冷卻后，進行切邊，切去多余邊部。然后進行機加工，包括鉆孔、切削等。最后進行表面處理和噴涂，完成成品的制造。
所采用的專用模具主要包括上模板、凹模墊板、退塊、凹模、芯桿、凸模、凸模固定板、下模板。其中凹模放于凹模墊板上，退塊和芯桿放入凹模內(nèi)，用螺釘與定位銷釘將凹模和凹模墊板固定于下模板上，凸模安裝于凸模固定板，用螺釘和定位銷釘固定于上模板。模具的主要特征是凸模具有與薄殼件的螺絲柱、加強筋相對應(yīng)的螺絲柱孔和加強筋槽，凸模側(cè)面具有凸模約束壁，分別對應(yīng)薄殼件的側(cè)壁，凸模約束壁壁厚與薄殼件側(cè)壁厚度相同，凸模約束壁底面長度小于對應(yīng)的薄殼件側(cè)壁長度，形成可容納多余金屬的流出槽。
所述凸模約束壁底面長度約占所對應(yīng)的薄殼件側(cè)壁長度的4/5～9/10。
所述模具安裝有加熱、保溫裝置；凹模內(nèi)徑向分布有加熱棒孔，加熱棒置于加熱棒孔內(nèi)。
本發(fā)明原理如下鎂的晶格是密排六方晶格排列，室溫下只有基面{0001}產(chǎn)生滑移，因此鎂合金常溫下容易脆裂；200℃以上時第一類角錐面{1011}產(chǎn)生滑移，塑性大為提高；225℃以上時第二類角錐面{1012}也可能產(chǎn)生滑移，塑性提高更大。因此必須升高溫度，以產(chǎn)生新的變形機制，才足以使材料變形容易。而且在較高溫度下的塑性變形，可以發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，能細化晶粒、提高機械性能。較高溫度下，沖鍛所需的噸位比較低溫下所需的噸位低得多；但若材料溫度高于450℃，會造成晶粒長大，降低機械性能。故此鎂合金坯料溫度需控制好，一般在250～450℃。
良好的潤滑條件，能利于鎂合金材料的流動，有效降低模具磨損，降低設(shè)備所需噸位，提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量。凹模內(nèi)壁、芯桿工作表面和凸模工作部位需進行拋光處理。對鎂合金坯料表面進行拋光處理。在沖鍛前，坯料表面要均勻涂抹上潤滑劑，潤滑劑可采用液體聚四氟乙烯(PTFE)或二硫化鉬或石墨。
鎂合金的流動性不好，比如對于形狀如方盒的薄殼件，側(cè)壁的四個角落成形高度相對側(cè)壁中部低得多。針對鎂合金的流動特性，合理的設(shè)計凸模形狀可有效提高四個角落的成形高度，使側(cè)壁高度均勻，減少切邊余量、節(jié)省坯料。
本發(fā)明的主要優(yōu)點1、本發(fā)明改進凸模幾何外形，增加約束壁和流出槽，使薄殼件側(cè)壁平整、高度均勻、切邊量少、節(jié)省坯料。
2、本發(fā)明成形的薄壁件幾何外形較復(fù)雜，可帶有螺絲柱、加強筋等，方便上、下外殼連接，易于安裝電子產(chǎn)品內(nèi)部的線路板和LCD等部件，提高了產(chǎn)品剛度，生產(chǎn)的薄殼件適用于3C產(chǎn)品。
3、本發(fā)明外殼壁厚薄，厚度可達到0.5～0.8mm，符合3C產(chǎn)品要求的輕、薄、短、小的特點。
4、本發(fā)明通過本方式成形的鎂合金薄殼件，表面質(zhì)量好，簡化后續(xù)表面處理過程。
5、本發(fā)明在合理的工藝參數(shù)下進行加工，可得到細小的晶粒，產(chǎn)品的機械性能高于其它方式成形的產(chǎn)品。


圖1為本發(fā)明具體實施時采用的鎂合金熱沖鍛專用模具結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2a-b為本發(fā)明的凹模剖面圖。其中，圖2a為主視圖；圖2b為圖2a的C-C剖視圖。
圖3為采用本發(fā)明制造的一個典型產(chǎn)品圖。
圖4為制造圖3所示產(chǎn)品的凸模圖。
圖中，1下模板；2凹模墊板；3退塊；4凹模；5芯桿；6凸模；7凸模固定板；8上模板；9薄殼件；10螺絲柱；11加強筋；12角落；13側(cè)壁；14加熱棒孔；15螺絲柱孔；16加強筋槽；17流出槽；18約束壁底面；19凸模約束壁。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施對本發(fā)明進行進一步的說明。
如圖1和圖2a-b所示，所采用的專用模具主要包括下模板1、凹模墊板2、退塊3、凹模4、芯桿5、凸模6、凸模固定板7、上模板8。其中凹模4放于凹模墊板2上，退塊3和芯桿5放入凹模4內(nèi)，用螺釘與定位銷釘將凹模4和凹模墊板2固定于下模板1上。凸模6安裝于凸模固定板7，用螺釘和定位銷釘固定于上模板8。
如圖3所示，熱沖鍛薄殼件9內(nèi)部帶有4個螺絲柱10，1個加強筋11。預(yù)成形薄殼件為四方形，難點在于殼內(nèi)部不但要成形出螺絲柱和加強筋，而且薄殼件四個角12難以成形。
取鎂合金AZ31軋制或擠壓板材(厚度為1.5mm～6mm)一塊，其面積與預(yù)成形薄殼件底部面積相等，可剛好平放入凹模內(nèi)。根據(jù)預(yù)成形薄殼件成品的形狀和體積，按體積相等原則，適當留出余量，精確計算出所需坯料的厚度。
將坯料進行表面拋光處理，然后放入加熱爐中加熱至250～450℃。在此溫度下，鎂合金的塑性好，能有效降低設(shè)備噸位，同時不會發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象。
將模具預(yù)熱至200～400℃，最好保持溫度在300℃以上。將坯料均勻涂抹潤滑劑液體聚四氟乙烯(PTFE)或二硫化鉬或石墨，然后放入凹模4內(nèi)，置于芯桿5上。凹模內(nèi)徑向分布有12個加熱棒孔14，將加熱棒置于加熱棒孔14內(nèi)。加熱模具，可保證坯料溫度在所需變形溫度范圍內(nèi)，如圖2a-b所示。
凸模6開始向下運動，速度為10mm/s～500mm/s，施加力的大小與凸模截面積、凸模速度和成品薄殼件的厚度相關(guān)，大約在5～15噸/厘米2。
對應(yīng)預(yù)成形薄殼件9的螺絲柱10和加強筋11，凸模6具有螺絲柱孔15和加強筋槽16。在凸模6作用下，能成形4個螺絲柱10和加強筋11。根據(jù)鎂合金的塑性變形特性，預(yù)成形薄殼件側(cè)壁13中間的成形高度通常遠高于四個角落12的成形高度。為此，如圖4所示，本發(fā)明的凸模具有4個凸模約束壁19，分別對應(yīng)預(yù)成形薄殼件的4個側(cè)壁。如凸模約束壁19對應(yīng)預(yù)成形薄殼件的側(cè)壁13。凸模約束壁19可限制薄殼件側(cè)壁13中間的成形高度，有效提高四個角落12的成形高度。如當鎂合金材料變形流動到凸模約束壁底面18處時，凸模約束壁19將限制材料繼續(xù)向上流動，而向兩側(cè)流動，流向角落，從而提高了四個角落12的成形高度。凸模約束壁底面長度小于薄殼件側(cè)壁長度，所述凸模約束壁底面長度約占所對應(yīng)的薄殼件側(cè)壁長度的4/5～9/10。這樣可形成流出槽17，多余的金屬可從流出槽17中流出。
實施例1鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，具體工藝步驟如下(1)將模具加熱至200℃；(2)將厚度為1.5mm板材加熱至250℃；(3)將坯料均勻涂抹上潤滑劑液體聚四氟乙烯；(4)將坯料放入凹模內(nèi)，凸模向下運動速度為500mm/s沖鍛出殼形件。根據(jù)成形件的尺寸和形狀不同，對凸模施加力的大小控制在為5ton/cm2～15ton/cm2。
實施例2鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，具體工藝步驟如下(1)將模具加熱至300℃；(2)將厚度為3mm板材加熱至350℃；(3)將坯料均勻涂抹上潤滑劑二硫化鉬；(4)將坯料放入凹模內(nèi)，凸模向下運動速度為100mm/s沖鍛出殼形件。根據(jù)成形件的尺寸和形狀不同，對凸模施加力的大小控制在為5ton/cm2～15ton/cm2。
實施例3鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，具體工藝步驟如下(1)將模具加熱至400℃；(2)將厚度為6mm板材加熱至450℃；(3)將坯料均勻涂抹上潤滑劑石墨；(4)將坯料放入凹模內(nèi)，凸模向下運動速度為10mm/s沖鍛出殼形件。根據(jù)成形件的尺寸和形狀不同，對凸模施加力的大小控制在為5ton/cm2～15ton/cm2。
當沖鍛結(jié)束后，從模具中取出成形件，冷卻后，進行切邊，切去多余邊部。然后進行機加工，包括鉆孔、切削等。最后進行表面處理和噴涂，完成成品的制造。
權(quán)利要求
1.鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，產(chǎn)品的形狀為盒形外殼，殼底部內(nèi)壁局部有厚度變化，帶有螺絲柱、加強筋等，其特征在于具體工藝步驟如下(1)將模具加熱至200～400℃；(2)將坯料加熱至250～450℃；(3)將坯料均勻涂抹上潤滑劑；(4)將坯料放入凹模內(nèi)，凸模向下運動沖鍛出殼形件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，其特征在于所述坯料為鑄板、擠壓板或軋制板，厚度為1.5mm～6mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，其特征在于所述潤滑劑為液體聚四氟乙烯或二硫化鉬或石墨。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，其特征在于所述凸模向下運動速度為10～500mm/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法，其特征在于所述凸模上的工作部分進行拋光處理；凹模內(nèi)壁進行拋光處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法所用的專用模具，包括下模板(1)、凹模墊板(2)、退塊(3)、凹模(4)、芯桿(5)、凸模(6)、凸模固定板(7)、上模板(8)，其中凹模(4)放于凹模墊板(2)上，退塊(3)和芯桿(5)放入凹模(4)內(nèi)，凹模(4)和凹模墊板(2)固定于下模板(1)上，凸模(6)安裝于凸模固定板(7)，凸模(6)和凸模固定板(7)固定于上模板(8)，其特征在于凸模(6)具有與薄殼件的螺絲柱、加強筋相對應(yīng)的螺絲柱孔(15)和加強筋槽(16)，凸模(6)側(cè)面具有凸模約束壁(19)，分別對應(yīng)薄殼件的側(cè)壁(13)，凸模約束壁(19)壁厚與薄殼件側(cè)壁(13)厚度相同，凸模約束壁底面長度小于對應(yīng)的薄殼件側(cè)壁(13)長度，形成可容納多余金屬的流出槽(17)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法所用的專用模具，其特征在于所述凸模約束壁底面長度占所對應(yīng)的薄殼件側(cè)壁長度的4/5～9/10。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法所用的專用模具，其特征在于模具安裝有加熱、保溫裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法所用的專用模具，其特征在于所述凹模(4)內(nèi)徑向分布有加熱棒孔(14)，加熱棒置于加熱棒孔內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂合金薄殼件熱沖鍛成形方法及其專用模具，主要用于電子消費類產(chǎn)品的外殼生產(chǎn)，如MP3播放機、手機、PDA、數(shù)碼相機等。其步驟將厚度為1.5mm～6mm的鎂合金坯料作為毛坯，將模具加熱至200～ 400℃，坯料加熱至250～450℃，坯料均勻涂抹上潤滑劑后，放入凹模內(nèi)，凸模向下運動沖鍛出殼形件。該模具的凸模側(cè)面具有凸模約束壁，分別對應(yīng)薄殼件的側(cè)壁，凸模約束壁壁厚與薄殼件側(cè)壁厚度相同，凸模約束壁底面長度小于對應(yīng)的薄殼件側(cè)壁長度，形成可容納多余金屬的流出槽。本發(fā)明生產(chǎn)出的外殼具有較復(fù)雜的幾何外形，可帶有螺絲柱、加強筋等；壁厚薄、尺寸精度高；表面質(zhì)量好、機械性能高；生產(chǎn)效率高、材料利用率高。
文檔編號B21J3/00GK1903477SQ200510046938
公開日2007年1月31日 申請日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者李章剛, 張士宏, 徐永超, 王忠堂, 鄭文濤, 任麗梅 申請人:中國科學院金屬研究所