ZL105合金深筒薄壁件液态模锻成形工艺及模具设计.pdf

锻压技术 2002年 第4期 特种成形 ZL105合金深筒薄壁件液态模锻成形工艺及模具设计 南昌航空工业学院材料科学与工程系(330034) 王家宣 3 熊洪淼 晏建武 胡德锋 孙俊明 摘要 根据某产品深筒薄壁件的特点,选用ZL105合金在试验模具中用液态模锻成形工艺, 成形出了内径40mm ,壁厚4 mm ,深100mm的深筒薄壁模拟锻件。并对深筒薄壁模拟件的液态模 锻成形工艺影响因素进行了分析,对锻件脱模力进行了测试与计算。 关键词 铸铝合金 液态模锻 深筒薄壁件 Liquid forging technology and die design of forging parts with thin2w all and deep2cylinder in alloy ZL105 Nanchang Institutute of Aeronautical Technology Wang Jiaxuan Xiong Hongmiao Yan Jianwu Hu Defeng Sun Junming Abstract According to the characteristicof forge part with thin2wall and deep2cylinder , liquidforging technology was adopted to shape a model forge part with a 40mminside diameter and 4mm wall thick and in a height of 100mm. The alloy ZL105 was adopted to shape the model forge part in a test die. The factors affect the shaping of model forge part were discussed in this paper. And the force of core drawing2out was test and calculated also in this paper. Keywords Casting alloy Liquid forging Thin2wall and deep2cylinder parts 3 男, 44岁,教授 收稿日期: 2001207231 一、引言 自60年代至今,液态模锻工艺已在我国取得了 很大的进展,尤其是钢质液态模锻已形成了较为成 熟的理论1。但是,由于我国设备条件的限制及原 材料冶炼技术的落后,有色金属尤其是铝合金的液 态模锻工艺工业化应用才刚刚起步。由于液态模锻 工艺可实现少无切削加工、简化模具结构、缩短产 品生产周期、能制造用传统方法难以制造的复杂工 件,从而可减少汽车及飞行器的结构重量、提高结 构性能,改变传统压铸成形件成品率低、缺陷多的 现状,适应大批量的生产要求2。同时,变形铝合 金固态塑性成形生产周期长、成本高、对设备和工 艺要求高、工序多,而铸造铝合金采用液态模锻工 艺成形可获得价格低廉、组织均匀致密且形状复杂 的精锻件,适用于各种生产批量要求。选择性能相 近的铸造铝合金替代部份变形铝合金,通过液态模 锻特种成形工艺代替常规热模锻可以充分利用我国 丰富的铝材资源,具有重要的实际应用价值。对铸 铝合金深筒薄壁件的液态模锻工艺应用研究,在同 类产品的成形加工中也有着广阔的应用前景。 图1 模拟锻件示意图 二、模拟锻件的特点及模具设计 11 模拟锻件与试验模具结构 模拟锻件尺寸如图1所示,其最小壁厚与总高 之比为125 ,直径与高度之比为1215 ,锻件下段 43 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 带有锥度。试验模具为凹模下推式活塞推挤结构, 如图2所示。 图2 模具结构示意图 11 型芯固定板21 紧固螺钉31 卸料板41 型芯51 凹模61 螺钉71 凹模固定板81 隔热板91 压板101 限位拉杆111 安装板121 隔热 层131 底板141 调压螺母151 托板161 橡胶171 压缩板181 拉紧 螺杆191 螺栓201 活塞杆211 弹簧221 推杆231 螺钉241 弹簧 21 模具主要结构设计 在液态模锻中,液锻件的外形尺寸由凹模决定, 内孔尺寸由冲头决定。为了确保冲头、凹模壁、活 塞推杆与液态金属接触能正常工作,避免工作部件 不变形、不过早失效,模具主要工作部件的材料均 应选择热作模具钢,并经强化热处理。 31 模具主要结构参数的确定 分模面选择是以方便液锻件出模为原则,但同 时要保证锻件有尽量少的加工面。ZL105深筒薄壁 模拟锻件的分模面选择在筒口的端面,内孔按不加 工设计,冲头直径在锻件内孔直径上加上热胀量。 模具间隙的确定应考虑型腔内气体的顺利逸出 和防止金属飞溅。间隙过大不但会造成金属液的飞 溅,带来安全隐患,而且还会形成纵向毛刺充满间 隙,阻碍冲头的下移,造成压力损失,使锻件尺寸 不足,并加剧模具损伤,使间隙更大,造成恶性循 环;间隙过小,模腔中的气体难以排出,会阻碍金 属充型,造成锻件内部裹气、外表面有气泡凹陷。 对ZL105深筒模拟锻件,模具间隙以0106011mm 为宜。 由于模拟锻件上部和底部各有一段直壁部分, 锻件冷却后收缩易包在冲头上,所以在锻件直筒壁 内腔部分必须设计出模斜度,考虑不影响筒形尺寸, 出模斜度选为10 15,外壁无须考虑出模斜度。 三、ZL105深筒薄壁件液态 模锻工艺过程及参数 在涂覆ZnO涂料的专用铸铁坩埚内对ZL105合 金进行熔炼,并采用C2Cl6精炼除气, NaCl和KCl 除渣。温控设备为KSW8D11 ,控温精度 5。在WE60 100kN开式校正液压机上进行液 态模锻。 11ZL105合金的熔炼 实验用ZL105合金主要成份如表1所示。 ZL105合金熔炼温度应控制在750以下,超过 750 将造成铝液过热,吸收大量的H2。(在一个 atm下100g铝液700时含氢0115mm3, 800时 含氢0145mm3 3。)熔炼时间过长,不仅耗能耗时, 还可能增加熔体的吸气量,所以在保证合金熔化的 前提下时间愈短愈好。 表1 ZL105铝合金主要成份 化学成分SiCuMgMnZnFeAl 含量( %) 415515 110115 0135016 015013 110余量 21ZL105合金的浇注温度和浇入量 合金的浇注温度过高,不但会使合金吸入大量 气体,也可能造成液锻件凝固组织粗大;浇注温度 过低,则合金的流动性差,塑性变形抗力增大,易 造成热裂纹,给成形造成困难。对钢液,理想的浇 注温度为液相线以上50 左右4,对ZL105合金, 浇注温度为72010 为宜。 合金的注入量应进行定量的计算制作定量浇勺。 浇入铝合金液的体积应略大于锻件的理论体积,同 时还要考虑铝合金液收缩时的体积缩小量。浇入量 过大,多余的合金沿着模腔反向流动,在凹模上平 面形成一个飞边,阻碍卸料板的向下运动,使冲头 压入凹模的高度变小,影响加载效果,甚至造成模 腔内金属液在自由状态下冷却凝固,在制件内形成 冷却收缩缺陷;浇入量过小,则会造成补缩不够, 形成缺陷。 31 比压的选择 对于结晶时体积收缩的合金,比如铝合金,压 力下结晶使其熔点升高,在结晶温度不变的条件下, 相当于增加了过冷度。实际上,压力改变了形核条 件,增加了结晶核心,一般只要工艺参数选择适当 (如浇注温度、加压开始时间 ) , 用增加压力的方法 比常压下用增加过冷度的方法更易获得细晶组织。 增加压力对液锻件的性能提高会有很大的作用, 53 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 但压力的提高往往受到设备的限制,且过高的压力 也会使模具的寿命降低,增加动力的消耗。合适的 比压值与浇注温度、工件形状、尺寸、加压方式等 因素有关。根据试验经验,浇注温度越高,所需的 比压值也越大,目前尚无精确的计算公式,只能根 据试验确定。在液态模锻中,当冲头压力提高到金 属液完全凝固后仍能产生较大的塑性变形时,就相 当于固态金属的热模锻,就失去了液态模锻的意义。 同时,如此高的温度和压力对模具的性能要求也是 高难以承受的。经过实验, ZL105深筒薄壁件的比 压应取150200Mpa为宜。在此压力下,制件的外 形完整,制件内部基本无缺陷产生,如图3所示。 图3 锻件外观和锻件剖面照片 41 加压开始时间的选择 加压过早,合金液温度过高,合金液飞溅;加 压过迟,则合金已凝固,变形抗力增加,金属液难 以流动,易造成裂纹。一般以合金熔融状态时加压 效果最好,但不能低于合金固相线,对ZL105深筒 薄壁件,合适的加压开始时间以23s为宜。 51 保压时间的选择 ZL105合金凝固开始温度为627 5 ,随着冲 头压力的增大,液锻件的凝固时间缩短,当压力达 到一定值后,凝固时间就不太变化,压力一定,保 压时间也一定。对于ZL105在选定的比压下,保压 时间以10s左右为最佳。缩短保压时间,易形成收 缩缺陷,内部因压力不够得不到补缩而产生缩孔、 疏松;而延长保压时间也是有害无益,不仅会使液 锻件脱模困难,还会使模具温度升高,缩短使用寿 命,同时影响液锻件表面质量。 61 模具预热温度的选择 实验模具的预热采用电阻圈方式加热,这种加 热圈加热速度慢,可使模具各部分预热温度均匀, 减少预热应力,保证模具的预热温度要求。对 ZL105合金筒形薄壁件,合适的模具预热温度为 250 300。 71 润滑剂的选择 在ZL105模拟锻件的液态模锻过程中,润滑剂 的选择和喷涂非常重要。由于深筒薄壁件壁厚与高 度比值很小,锻件成形易包在凸模上,如果润滑不 良会造成合金液与凸模的粘附和焊合,脱模困难; 另外,凹模如果不考虑润滑,也会由于铝液粘附模 具拉伤模具型腔,降低工件表面质量。对ZL105合 金较合适的润滑剂为水剂胶体石墨。 四、抽芯力计算与测试 实验液锻件的抽芯力按下式计算6: P抽= EL ( T 1- Ti ) ( R - r) (Cos -Sin ) / 2(1 - k) 式中 E 液锻件材料的杨氏模量, Mpa T1 开始凝固温度, L 芯轴的长度, mm Ti 抽芯时的温度, r 液锻件的孔半径, mm R 液锻件孔的最小壁厚处半径, mm 芯轴的脱模斜度 , ( ) 液锻件材料的线膨胀系数 , ( 10 - 6 ) , 1/ 锻件与芯轴接触面摩擦系数,= 012 0125 k 间接液态模锻单位压力系数 k值按下列条件选取:单位压力10Mpa时k= 011 , 30Mpa时k= 012 , 50Mpa时k= 013 ,余类 推。 理论计算与实验测试结果见表2 ,二者相差不大。 表2 理论抽拔力与实验抽拔力数据对比 液锻件 抽拔力 实验抽拔力 (kN) 实验平均值 (kN) 理论计算值 (kN) 筒形件82 ,60 ,66 ,5565. 86418 五、结论 (1) ZL105深筒薄壁件适宜于采用液态模锻工 艺成形。模拟模液锻件的内部质量和外观质量均无 明显缺陷。 (2)实验用模具结构采用了凹模下推活塞式结 63 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 锻压技术 2002年 第4期 柔轮旋压加工进给比与始旋角关系的模糊识别 燕山大学机械厂(066004) 杨宏青 3 卢秀春 摘要 应用信息分配法进行了柔轮旋压加工进给比与始旋角关系的模糊识别研究,并将计算得 出的预测结果应用于生产,得到满足质量要求的柔轮毛坯。生产实践结果证明该方法是可行的,具 有良好的识别效果。 关键词 封闭式柔轮 热旋压 信息分配法 模糊关系 Fuzzy recongition of the relationship between feed ratio and start angle of elevation on spinning forming of flexspline Yanshan University Yang Hongqing Lu Xiuchun Abstract Study was made by meansof information distribution method on the fuzzy recognition of the relationship be2 tween feed ratio and start angle of elevation in spinning forming of flexspline. And flexspline blank meeting quality demands is gained through practical application of prediction value. The practical results show that this method isfeasible and has good recognition effect. Keywords Closed flexspline Spinning Information distribution method Fuzzy relationship 一、引言 谐波齿轮传动是一种依靠柔性机构的弹性变形 来实现运动传递的新型传动机构,具有传动比大、 精度高、承载能力强、重量轻等许多其它传动方式 所不具备的特殊优良性能,因而具有良好的发展前 景。然后。这种新型的传动在国内应用还很少。究 其原因,主要是其关键零件 封闭式柔轮的加工 工艺落后,成本高,造成总体结构的价格昂贵,使 其应用受到限制。针对这一问题,文献1提出一 3 男, 30岁,讲师,在职博士研究生 收稿日期: 2001205211 种新的柔轮成形工艺方案,即以热旋压工艺来代替 传统的机加工艺制造柔轮坯,可以大大提高材料的 利用率,降低生产成本,并保持了金属纤维流线的 连续性,提高了使用性能。但实际加工中,如何寻 求最佳工艺参数匹配是柔轮正确成形的技术难点之 一。而其中进给比f与始旋角的关系确定尤为关 键。其对应关系