專利名稱：輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁鎂等輕合金的精密成型技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輕合金半固態(tài)流變 精密鑄造與鍛造成形的方法和裝置，尤其適合于鋁鎂等輕合金的精密成型。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造雖然能生產(chǎn)形狀復(fù)雜、難以變形加工的金屬零件，但往往存在加 工溫度高、氣孔及縮孔縮松多、鑄件存在偏析以及力學(xué)性能低等一系列缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的固態(tài)鍛 造雖然能得到性能較高的制件，但其變形抗力較大，對(duì)設(shè)備的要求較高，且金屬的流動(dòng)充填 性能不如鑄造。壓鑄、擠壓鑄造、液態(tài)模鍛等方法多是在金屬處于高溫的液態(tài)下進(jìn)行成形，它們能 在一定程度上克服液態(tài)鑄造存在的諸如氣孔、縮孔縮松等缺點(diǎn)，但高溫下工作對(duì)模具的壽 命是不利的。新近出現(xiàn)的半固態(tài)鑄造、半固態(tài)壓鑄、半固態(tài)鍛造等具有金屬流動(dòng)充型性好、加工 溫度低、制件偏析小等優(yōu)點(diǎn)，但最終制件的性能往往達(dá)不到預(yù)期要求。原因是很多半固態(tài)鍛 造，其實(shí)質(zhì)是半固態(tài)擠壓鑄造，對(duì)制件的鍛造力是不夠的；而且半固態(tài)漿料充型之后立即進(jìn) 行鍛造，鑄態(tài)坯料沒有經(jīng)歷凝固降溫的過程，不能達(dá)到很好的鍛造強(qiáng)化的效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有成形工藝的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成 形的方法，與傳統(tǒng)的鑄造和鍛造工藝相比，該方法能兼顧制件的控形和控性問題，且具有流 程短、能耗小、設(shè)備簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于制造難以變形加工的輕合金以及形狀 復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的零件；本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，可以在同一個(gè)生產(chǎn)周期和同 一副模具中實(shí)現(xiàn)對(duì)輕合金的半固態(tài)精密鑄造和鍛造加工。本發(fā)明提供的一種輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形的方法，其特征在于該方法包 括下述步驟第1步澆注半固態(tài)漿料在輕合金半固態(tài)漿料的溫度處于合金固相線以上10°C至 液相線范圍內(nèi)時(shí)，將其澆注到模具裝置的射料套筒中；第2步半固態(tài)壓鑄漿料澆注完畢后，將半固態(tài)漿料壓射入模腔進(jìn)行半固態(tài)壓 鑄成形，壓射壓力為5MPa lOOMPa，壓射速度為0. 5 10m/S，模腔的預(yù)熱溫度為150 250°C，壓鑄后得到半固態(tài)鑄造毛坯；第3步壓力機(jī)鍛造對(duì)半固態(tài)鑄造毛坯進(jìn)行鍛造，鍛造開始時(shí)間是在半固態(tài)漿料 充滿整個(gè)模腔成形凝固后的0. 05 10s，鍛造速度為30 150mm/s，鍛造壓力為200 IOOOkN,鍛造保壓時(shí)間為1 5s ；第4步取出制件。本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置的結(jié)構(gòu)為凹模組件位于下模座上，鎖模油缸 和壓射油缸均固定在下模座上，并分別位于凹模組件的兩側(cè)；下模固定支架位于凹模組件的上方，凹模組件包括凹模鑲塊和凹模，凹模鑲塊分成移動(dòng)凹模鑲塊和固定凹模鑲塊兩部 分，凹模也分成移動(dòng)凹模和固定凹模兩部分；移動(dòng)凹模鑲塊固定在移動(dòng)凹模內(nèi)并能隨移動(dòng) 凹模一起沿著下模座移動(dòng)，固定凹模鑲塊固定在固定凹模內(nèi)，固定凹模固定在下模座上；移 動(dòng)凹模連接鎖模油缸，射料套筒通過套筒支座固定在下模座上，并與凹模型腔的入口對(duì)齊， 活塞桿位于射料套筒內(nèi)并和壓射油缸連接，壓射油缸、活塞桿和射料套筒構(gòu)成射料系統(tǒng)；凸 模限位塊和復(fù)位彈簧均固定在下模固定支架上，且復(fù)位彈簧位于凸模限位塊和凸模組件之 間，凸模組件由凸模和凸模鑲塊構(gòu)成，復(fù)位彈簧頂起凸模使之與凸模限位塊接觸，凸模帶動(dòng) 凸模鑲塊，使凸模鑲塊與移動(dòng)凹模鑲塊和固定凹模鑲塊組成閉合的鑄造型腔。采用本發(fā)明，可以在同一個(gè)生產(chǎn)周期和同一副模具中實(shí)現(xiàn)輕合金半固態(tài)漿料的擠 壓鑄造和終鍛成形，很好地集成了半固態(tài)鑄造和鍛造成形的優(yōu)點(diǎn)，半固態(tài)鑄造過程中，金屬 漿料流變充型性好，成形溫度低，模具壽命長；余熱下的鍛造成形能減少半固態(tài)鑄造毛坯的 縮孔縮松，進(jìn)一步破碎和細(xì)化鑄態(tài)毛坯的晶粒組織，從而大大提高半固態(tài)鑄造毛坯的力學(xué) 性能。該法特別適合生產(chǎn)一些難以變形加工的輕合金以及形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的零件， 與傳統(tǒng)的鑄造和鍛造工藝相比，該方法能兼顧制件的控形和控性問題，且具有流程短、能耗 小、設(shè)備簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形模具裝置示意圖；圖2-5是模具裝置的工作流程示意圖，其中，圖2為半固態(tài)澆注狀態(tài)，圖3為半固 態(tài)壓鑄狀態(tài)，圖4為半固態(tài)鍛造狀態(tài)，圖5為取件狀態(tài)；圖1中1-鎖模油缸，2-壓力機(jī)，3-下模座，4-移動(dòng)凹模，5-移動(dòng)凹模鑲塊，6-制 件，7-固定凹模，8-固定凹模鑲塊，9-壓射油缸，10-活塞桿，11-射料套筒，12-套筒支座， 13-復(fù)位彈簧，14-凸模，15-壓力機(jī)滑塊，16-鍛壓墊板，17-凸模限位塊，18-下模固定支 架，19-凸模鑲塊。
具體實(shí)施例方式下面通過借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說明性的，本發(fā) 明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。本發(fā)明方法的工藝步驟和工藝條件(1)澆注半固態(tài)漿料在輕合金半固態(tài)漿料的溫度處于合金固相線以上10°C至液 相線范圍內(nèi)時(shí)，將其澆注到模具裝置的射料套筒中。(2)半固態(tài)壓鑄漿料澆注完畢后，將半固態(tài)漿料壓射入模腔進(jìn)行半固態(tài)壓鑄成 形，壓射壓力為5MPa lOOMPa，壓射速度為0. 5 10m/s，模腔的預(yù)熱溫度為150 250°C， 漿料在模腔中凝固得到半固態(tài)鑄造毛坯。以上半固態(tài)壓鑄工藝參數(shù)的控制將直接影響漿料 的充填性能、毛坯的凝固組織以及制件的最終組織和性能。(3)壓力機(jī)鍛造對(duì)半固態(tài)鑄造毛坯進(jìn)行鍛造，鍛造的工藝參數(shù)如下①鍛造開始的時(shí)間控制鍛造開始的時(shí)間是在半固態(tài)漿料充滿整個(gè)模腔成形凝固后的0. 05 10s，不 同的鍛造開始時(shí)間將對(duì)應(yīng)不同的鑄態(tài)毛坯的溫度和變形抗力大小，影響毛坯晶粒破碎及細(xì)化的難以程度，影響鍛造強(qiáng)化的效果，并最終影響制件的顯微組織和力學(xué)性能。②鍛造的速度控制鍛造的速度為30 150mm/s，鍛造的速度與鍛造開始的時(shí)間類似，同樣對(duì)鍛 造的效果有很大的影響；③鍛造的壓力控制鍛造的壓力為200kN IOOOkN (千牛)，鍛造壓力的大小直接決定鑄態(tài)毛坯的 變形程度和縮孔縮松的彌合程度，從而決定制件的最終組織和力學(xué)性能；④鍛造的保壓時(shí)間控制鍛造的保壓時(shí)間為1 5s，保壓時(shí)間同樣對(duì)鍛件的最終組織和力學(xué)性能有重 要影響；(4)取出制件鍛造及保壓完成后，取出制件。如圖1所示，本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)為模具裝置通過下模座3固定在壓力機(jī)2的臺(tái)面 上，鍛壓墊板16固定在壓力機(jī)2的滑塊15上。凹模組件位于下模座3上，鎖模油缸1和壓 射油缸9均固定在下模座3上，并分別位于凹模組件的兩側(cè)。下模固定支架18位于凹模組 件的上方，凹模組件包括凹模鑲塊和凹模，凹模鑲塊分成移動(dòng)凹模鑲塊5和固定凹模鑲塊8 兩部分，相應(yīng)的凹模也分成移動(dòng)凹模4和固定凹模7兩部分；移動(dòng)凹模鑲塊5固定在移動(dòng)凹 模4內(nèi)并能隨4 一起沿著下模座3移動(dòng)，固定凹模鑲塊8固定在固定凹模7內(nèi)，固定凹模7 固定在下模座3上。移動(dòng)凹模4連接鎖模油缸1，鎖模油缸1的功能是鎖緊模具和拉出移動(dòng)凹模4，即實(shí)現(xiàn)模具的閉合與開啟動(dòng)作， 可將移動(dòng)凹模4、移動(dòng)凹模鑲塊5和制件6抽出下模固定支架18之外。射料套筒11通過套 筒支座12固定在下模座3上，并與凹模型腔的入口對(duì)齊；活塞桿10位于射料套筒11內(nèi)并 和壓射油缸9連接，壓射油缸9、活塞桿10和射料套筒11構(gòu)成射料系統(tǒng)，射料系統(tǒng)的功能是 將半固態(tài)漿料壓射入模具型腔。凸模限位塊17和復(fù)位彈簧13均固定在下模固定支架18 上，且復(fù)位彈簧13位于凸模限位塊17和凸模組件之間。凸模組件由凸模14和凸模鑲塊19 構(gòu)成，在沒有鍛造的情況下，凸模14在復(fù)位彈簧13的作用下被頂起與凸模限位塊17接觸， 凸模14帶動(dòng)凸模鑲塊19與凹模鑲塊5和8組成閉合的鑄造型腔，進(jìn)行半固態(tài)壓鑄，其中， 凸模鑲塊19下表面的形狀和制件6上表面的形狀吻合，凹模鑲塊5和8上表面的形狀和制 件6下表面的形狀吻合；在壓力機(jī)滑塊15帶動(dòng)鍛壓墊板16對(duì)凸模14進(jìn)行鍛造的情況下， 凸模14和凸模鑲塊19在壓力的作用下又有一定的壓下量，以進(jìn)行后續(xù)的鍛造。其工作過 程如下，鎖模油缸1處于鎖模狀態(tài)，半固態(tài)漿料澆注入射料套筒11后，由壓射油缸9驅(qū)動(dòng)活 塞桿10將漿料壓入模腔進(jìn)行半固態(tài)鑄造；停留一定的時(shí)間或在一定的毛坯溫度下，壓力機(jī) 滑塊15帶動(dòng)鍛壓墊板16下行，通過凸模14和凸模鑲塊19對(duì)鑄態(tài)毛坯進(jìn)行鍛造最終成形； 鍛造及保壓完成后，壓力機(jī)滑塊15帶動(dòng)鍛壓墊板16上行，凸模14和凸模鑲塊19在復(fù)位彈 簧13的作用下復(fù)位；鎖模油缸1抽出移動(dòng)凹模4，將移動(dòng)凹模鑲塊5及制件6 —起抽出，從 而取出制件。實(shí)例1 將輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形模具安裝在壓力機(jī)2上，鎖模油缸1處于鎖模 狀態(tài)。制備好的ZLlOl半固態(tài)漿料，在其溫度為590°C時(shí)，定量地將其澆注到模具裝置的射 料套筒11中。漿料澆注完畢后，啟動(dòng)模具上的射料油缸9，將半固態(tài)漿料壓射入模腔進(jìn)行半固態(tài)壓鑄成形，壓射壓力為50MPa，壓射速度為5m/s，模腔的預(yù)熱溫度為200°C，漿料在模 腔中凝固得到半固態(tài)鑄造毛坯6。在半固態(tài)壓鑄完成后，鎖模油缸1、射料油缸9均處于鎖 緊狀態(tài)。壓力機(jī)滑塊15帶動(dòng)鍛壓墊板16下行，通過凸模14和凸模鑲塊19對(duì)鑄態(tài)毛坯6 進(jìn)行鍛造，鍛造開始的時(shí)間是在半固態(tài)漿料充滿整個(gè)模腔成形凝固后的5s，鍛造的速度為 90mm/s，鍛造的壓力為600kN，鍛造的保壓時(shí)間為3s。鍛造及保壓完成后，壓力機(jī)滑塊15帶 動(dòng)鍛壓墊板16上行，凸模14和凸模鑲塊19在復(fù)位彈簧13作用下復(fù)位，移動(dòng)凹模4及其鑲 塊5在鎖模油缸1作用下左移，抽出下模固定支架18之外，從而取出制件6。實(shí)例2 將輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形模具安裝在壓力機(jī)2上，鎖模油缸1處于鎖模 狀態(tài)。制備好的ZLlOl半固態(tài)漿料，在其溫度為610°C時(shí)，定量地將其澆注到模具裝置的射 料套筒11中。漿料澆注完畢后，啟動(dòng)模具上的射料油缸9，將半固態(tài)漿料壓射入模腔進(jìn)行半 固態(tài)壓鑄成形，壓射壓力為lOOMPa，壓射速度為lOm/s，模腔的預(yù)熱溫度為250°C，漿料在模 腔中凝固得到半固態(tài)鑄造毛坯6。在半固態(tài)壓鑄完成后，鎖模油缸1、射料油缸9均處于鎖 緊狀態(tài)。壓力機(jī)滑塊15帶動(dòng)鍛壓墊板16下行，通過凸模14和凸模鑲塊19對(duì)鑄態(tài)毛坯6 進(jìn)行鍛造，鍛造開始的時(shí)間是在半固態(tài)漿料充滿整個(gè)模腔成形凝固后的10s，鍛造的速度為 150mm/s，鍛造的壓力為IOOOkN,鍛造的保壓時(shí)間為5s。鍛造及保壓完成后，壓力機(jī)滑塊15 帶動(dòng)鍛壓墊板16上行，凸模14和凸模鑲塊19在復(fù)位彈簧13作用下復(fù)位，移動(dòng)凹模4及其 鑲塊5在鎖模油缸1作用下左移，抽出下模固定支架18之外，從而取出制件6。實(shí)例3 將輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形模具安裝在壓力機(jī)2上，鎖模油缸1處于鎖模 狀態(tài)。制備好的ZL101半固態(tài)漿料，在其溫度為570°C時(shí)，定量地將其澆注到模具裝置的射 料套筒11中。漿料澆注完畢后，啟動(dòng)模具上的射料油缸9，將半固態(tài)漿料壓射入模腔進(jìn)行半 固態(tài)壓鑄成形，壓射壓力為5MPa，壓射速度為0. 5m/s，模腔的預(yù)熱溫度為150°C，漿料在模 腔中凝固得到半固態(tài)鑄造毛坯6。在半固態(tài)壓鑄完成后，鎖模油缸1、射料油缸9均處于鎖 緊狀態(tài)。壓力機(jī)滑塊15帶動(dòng)鍛壓墊板16下行，通過凸模14和凸模鑲塊19對(duì)鑄態(tài)毛坯6 進(jìn)行鍛造，鍛造開始的時(shí)間是在半固態(tài)漿料充滿整個(gè)模腔成形凝固后的0. 05s，鍛造的速度 為30mm/s，鍛造的壓力為200kN，鍛造的保壓時(shí)間為Is。鍛造及保壓完成后，壓力機(jī)滑塊15 帶動(dòng)鍛壓墊板16上行，凸模14和凸模鑲塊19在復(fù)位彈簧13作用下復(fù)位，移動(dòng)凹模4及其 鑲塊5在鎖模油缸1作用下左移，抽出下模固定支架18之外，從而取出制件6。實(shí)例4 將輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形模具安裝在壓力機(jī)2上，鎖模油缸1處于鎖模 狀態(tài)。制備好的ZL101半固態(tài)漿料，在其溫度為590°C時(shí)，定量地將其澆注到模具裝置的射 料套筒11中。漿料澆注完畢后，啟動(dòng)模具上的射料油缸9，將半固態(tài)漿料壓射入模腔進(jìn)行半 固態(tài)壓鑄成形，壓射壓力為50MPa，壓射速度為5m/s，模腔的預(yù)熱溫度為200°C，漿料在模腔 中凝固得到半固態(tài)壓鑄毛坯6。移動(dòng)凹模4及其鑲塊5在鎖模油缸1作用下左移，抽出下模 固定支架18之外，從而取出制件6。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi) 容，可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形的方法，其特征在于該方法包括下述步驟第1步澆注半固態(tài)漿料在輕合金半固態(tài)漿料的溫度處于合金固相線以上10℃至液相線范圍內(nèi)時(shí)，將其澆注到模具裝置的射料套筒中；第2步半固態(tài)壓鑄漿料澆注完畢后，將半固態(tài)漿料壓射入模腔進(jìn)行半固態(tài)壓鑄成形，壓射壓力為5MPa～100MPa，壓射速度為0.5～10m/s，模腔的預(yù)熱溫度為150～250℃，壓鑄后得到半固態(tài)鑄造毛坯；第3步壓力機(jī)鍛造對(duì)半固態(tài)鑄造毛坯進(jìn)行鍛造，鍛造開始時(shí)間是在半固態(tài)漿料充滿整個(gè)模腔成形凝固后的0.05～10s，鍛造速度為30～150mm/s，鍛造壓力為200～1000kN，鍛造保壓時(shí)間為1～5s；第4步取出制件。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于，該裝置的結(jié)構(gòu)為凹模組件位于下模座(3)上，鎖模油缸(1)和壓射油缸(9)均固定在下模座(3)上，并 分別位于凹模組件的兩側(cè)；下模固定支架(18)位于凹模組件的上方，凹模組件包括凹模鑲 塊和凹模，凹模鑲塊分成移動(dòng)凹模鑲塊(5)和固定凹模鑲塊(8)兩部分，凹模也分成移動(dòng)凹 模(4)和固定凹模(7)兩部分；移動(dòng)凹模鑲塊(5)固定在移動(dòng)凹模(4)內(nèi)并能隨(4) 一起 沿著下模座(3)移動(dòng)，固定凹模鑲塊(8)固定在固定凹模(7)內(nèi)，固定凹模(7)固定在下模 座(3)上；移動(dòng)凹模(4)連接鎖模油缸(1)，射料套筒(11)通過套筒支座(12)固定在下模 座(3)上，并與凹模型腔的入口對(duì)齊；活塞桿(10)位于射料套筒(11)內(nèi)并和壓射油缸(9) 連接，壓射油缸(9)、活塞桿(10)和射料套筒(11)構(gòu)成射料系統(tǒng)；凸模限位塊(17)和復(fù)位 彈簧(13)均固定在下模固定支架(18)上，且復(fù)位彈簧(13)位于凸模限位塊(17)和凸模 組件之間，凸模組件由凸模(14)和凸模鑲塊(19)構(gòu)成，復(fù)位彈簧(13)頂起凸模(14)使之 與凸模限位塊(17)接觸，凸模(14)帶動(dòng)凸模鑲塊(19)，使凸模鑲塊(19)與移動(dòng)凹模鑲塊 (5)和固定凹模鑲塊(8)組成閉合的鑄造型腔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輕合金半固態(tài)流變精密鑄鍛成形的方法和裝置。模具的成形型腔采用鑲塊式結(jié)構(gòu)，凹模和凹模鑲塊都分為移動(dòng)和固定兩部分，移動(dòng)凹模和移動(dòng)凹模鑲塊連接鎖模油缸，在鎖模油缸的作用下能夠水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模具的開合；固定凹模和固定凹模鑲塊連接射料系統(tǒng)。半固態(tài)漿料澆注后，射料系統(tǒng)進(jìn)行半固態(tài)壓鑄得到毛坯，隨后壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)鍛壓墊板對(duì)毛坯進(jìn)行鍛造，鑄鍛完成后鎖模油缸拉出移動(dòng)凹模，取出制件。本發(fā)明可在同一生產(chǎn)周期和同一模具中實(shí)現(xiàn)輕合金的半固態(tài)精密鑄造和鍛造成形，集成了兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，能兼顧制件的控形和控性，特別適合制造難以變形加工的輕合金及形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的零件，具有流程短、能耗小、設(shè)備簡單他成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B21J5/02GK101934336SQ20101028037
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月14日
發(fā)明者張磊, 李建軍, 樊自田, 潘璋, 王文俊, 董選普, 陳東風(fēng), 魏必明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)