CN113996667A

CN113996667A - 超塑性正反双向变温挤压成形方法和应用

Info

Publication number: CN113996667A
Application number: CN202111272723.3A
Authority: CN
Inventors: 王长瑞; 武练梅; 卢振; 田威
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Beijing Institute of Electronic System Engineering
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Beijing Institute of Electronic System Engineering
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2041-10-29
Also published as: CN113996667B

Abstract

本发明提供了一种超塑性正反双向变温挤压成形方法和应用，基于试验的镁锂合金材料成形性能参数及工艺参数，开展镁锂合金材料成形数值模拟分析，通过建立热力耦合有限元仿真模型，预测零件成形过程的宏观变形及微观组织演变，并与实际模拟试样测试结果进行对比，验证数值分析的准确性，评判镁锂合金的模具设计的可行性，依据有限元模拟仿真结果进行成形工艺优化。本发明采用超塑性正反双向变温挤压成形，在实现大变形的同时，可以对于细化晶粒，提高力学性能具有双重作用。在制造过程中，材料晶粒细化，力学性能获得大幅改善，在消除残余应力的同时实现高性能。

Description

超塑性正反双向变温挤压成形方法和应用

技术领域

本发明涉及镁锂合金制造的技术领域，具体涉及一种超塑性正反双向变温挤压成形方法和应用。

背景技术

针对航空航天、兵器等领域新一代国防尖端武器装备关键结构件需要高比强度、高比刚度及优良的常规力学性能的同时，各类飞行器的研究开发及制造环节均对材料的选用标准提出了越来越高的要求。节省燃料消耗、增强火箭的运载能力、提高飞行器的飞行速度和有效载荷等一直是我们不断探索和追求的目标。除此之外，民用汽车、电脑、手机等核心构件的轻量化要求也对新材料及其精密制造提出需求。为实现这些目标，对使用优质轻合金的要求越来越高。镁锂合金是世界上最轻的金属结构材料，由于具有优良的比强度、良好的导热导电性、优异的机械加工性能和低温成型性能及超轻等优点，成为迅速崛起的新型工程材料。

军民用轻量化构件一般形状复杂、尺寸精度要求高、常具有薄壁加强筋结构，为了避免焊缝的存在，不少构件希望采用大变形实现复杂结构的一体化制造。但传统铸造方法制造的镁锂合金构件难以实现低密度和强度无法兼得，存在各种各样的铸造缺陷如孔洞、偏析、成分不均等缺陷，造成耐高温性差及易腐蚀等问题。通过塑性变形的方法，如轧制、挤压、锻造等成形过程可以显著减少铸造缺陷，细化合金的晶粒，提高合金的综合力学性能，但是如何在保证大变形的情况下实现高强度，也同样面临挑战。因此，提出了超塑性正反双向变温挤压成形技术，既可以通过超塑性状态下获得大变形量，又可以起到改善材料组织和性能的目的。

发明内容

发明目的：本发明提供一种超塑性正反双向变温挤压成形方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

技术方案：提出一种超塑性正反双向变温挤压成形方法，该方法步骤如下：

步骤一、对成形构件进行数值仿真，确定成形模具形式及工艺流程；

步骤二、进行模具设计与制造，分瓣式模具结构可解决复杂异形难脱模镁锂合金构件。

步骤三、将镁锂合金坯料放置到模具中，加热到相应的温度进行保温，进行挤压，同步进行热处理，获得高性能构件。

步骤四、对成形预制坯进行数控加工，主要是加工一些难以成形的圆角和氧化表面。

步骤五、对数控加工后的镁锂合金构件进行表面处理，获得抗氧化、耐腐蚀的能力。

在进一步的实施例中，所述镁锂合金包括但不限于：LAZ931、LAZ141；

所述成形模具包括但不限于：一体化模具、分立式模具；

所述加热方式包括但不限于：电阻加热、感应加热及加热炉传导加热。

所述表面处理方式包括但不限于：化学镀、微弧氧化。

本发明还提供了超塑性正反双向变温挤压成形方法在镁锂合金复杂构件上的应用。

有益效果：本发明基于试验的镁锂合金材料成形性能参数及工艺参数，开展镁锂合金材料成形数值模拟分析，通过建立热力耦合有限元仿真模型，预测零件成形过程的宏观变形及微观组织演变，并与实际模拟试样测试结果进行对比，验证数值分析的准确性，评判镁锂合金的模具设计的可行性，依据有限元模拟仿真结果进行成形工艺优化。

本发明采用超塑性正反双向变温挤压成形，在实现大变形的同时，可以对于细化晶粒，提高力学性能具有双重作用。在制造过程中，材料晶粒细化，力学性能获得大幅改善，在消除残余应力的同时实现高性能。

附图说明

图1 为本发明分瓣模具设计示意图。

图2为本发明超塑性挤压模具与加热一体化装置示意图。

图3为一种典型的迷离合金构件成形模具。

图4为本发明成形后微观组织。

图5为本发明成形流程图。

图中各附图标记为：主舱体1、模具分瓣式内衬2、模具外套3、上模板4、下压头5、上压头6、上模板7、冷板8、加热装置9、隔热板10、压头11、模具12。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

实施例一：

本实施例公开了一种喂料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、对成形构件进行数值仿真，确定成形模具12形式及工艺流程；

在进一步的实施例中，一种典型的带加强筋的镁锂合金筒形件主舱体1，在ABAQUS软件中把镁锂合金坯料设置为塑性体，模具12设置为刚体，模具12的温度设定为350℃。在正反挤压成形的模拟过程中，上压头6为主动模具12，负责施加压力。施加边界条件使得下模保持不动。坯料会随着上压头6的运动沿着下模与侧壁的间隙流动充填模具12，完成下筒体的成形。接着完成上压头6的更换之后继续下压，使坯料沿着上模的间隙反向流动，完成上筒体的成形工作。在双向挤压成形的模拟过程中，采用锥形的上下模具12，上下压头5既为成形模具12同时也是负责施加压力的主动模具12。施加边界条件使分瓣模和外层套筒保持不动，在压头11运动加压的过程中，坯料将沿着上下模与分瓣模之间的间隙流动，完成上下筒体的成形。

步骤二、进行模具12设计与制造，分瓣式模具12结构可解决复杂异形难脱模镁锂合金构件；

在双向变温挤压模具12与装置一体化设计与制造过程中，首先解决加热结构的设计与制造。一体化的加热结构既要实现模具12与坯料的加热，还要防止模具12与锻造挤压设备之间的热传导，相关加热机构示意图如图2所示。模具12材料选择耐热性能、强度及韧性较好的Ni7N耐热钢等模具12材料，这是保证本项目顺利实施的关键。

举例说明：一种典型的带加强筋的镁锂合金筒形件主舱体1结构及模具12如图3所示，总体结构形式为双向筒形构件，筒体总体高度约300mm-600mm，直径约100mm-300mm，筒体壁厚0.5-2mm，加强筋高度0.5-5.0mm。该结构具有三大特征对精密成形来说具有挑战：一是薄壁，二是带有环形十字加强筋，三是加强筋厚度大于主体壁厚。这三大特征复合在一起给脱模带了困难，通过分瓣式设计，以及1°-3°的拔模斜度，实现镁锂合金筒形件主舱体1脱模。

步骤三、将镁锂合金坯料放置到模具12中，加热到相应的温度进行保温，进行挤压，同步进行热处理，获得高性能构件。

在进一步的实施例中，一种典型的带加强筋的镁锂合金筒形件主舱体1具体成形过程可分为四个步骤，如图5所示：

(1) 预热过程。分别将坯料和模具12在加热炉中进行预热，待温度达到要求后完成装模工作，保温一段时间后准备开始热挤压。

(2) 正挤压过程。在挤压力的作用下，材料沿着下模与分瓣模之间的型腔流动，逐渐充填满型腔，完成下筒体的成形。

(3) 反挤压阶段。在完成下筒体的成形工作后，立即完成更换上压头6的工作，将上压头6更换为锥形的上模，随着上模的运动，坯料受到挤压力的作用，反向流动逐渐充填满上模与分瓣模之间的型腔，完成上筒体的成形。

(4) 脱模阶段。在完成上筒体的成形工作后，首先分离下垫板和上型板，脱离内外套，最后分瓣脱模，取出下模。

举例说明：挤压成形在热成形机上进行，挤压温度约260℃-330℃，保温1小时-3小时后开始正挤压，压力约20-70吨，压头11下行速度约0.01mm/s-0.2mm/s，完成后拔出正挤压模头，更换反挤压模头，升温至260℃-330℃，保温1小时-3小时后开始反挤压。成形后尺寸精度可控制在0.01mm以内。

在进一步的实施例中，一种典型的带加强筋的镁锂合金筒形件主舱体1具体数控加工过程如下：

(1) 把锂镁合金桶安装在数控车床上，安装中心架，找正外圆，控制公差在0.1mm以内。

(2)用定制深孔车刀加工里孔和中间厚度到标准尺寸。

(3) 一面完成后，换面加工另一侧，安装加紧好锂镁合金桶，安装中心架，找正外圆，控制公差在0.1mm以内。

(4) 根据里孔预留尺寸，加工里孔定位胎具和后端顶尖定位胎具。

(5) 把合金桶***里孔定位胎具，把锂镁合金桶缓慢***胎具，安装好后定位胎具后用车床顶尖固定住。

(6)加工外圆尺寸到设计尺寸，加工前端面到设计尺寸。

(7) 换面加工另一侧的端面到设计尺寸。

(8)把锂镁合金桶和胎具从车床上卸下来，转移到数控加工中心。

(9) 设计锂镁合金桶的两端异形数模，经过仿真模拟实现设计要求后，用夹具合金桶固定安装到数控四轴加工中心上，定位找正后开始加工两端外形到设计尺寸。

(10) 设计锂镁合金桶的外圆数模，经过仿真模拟实现设计要求后，把锂镁合金桶安装到数控四轴加工中心上，定位找正后开始加工外圆到设计尺寸，定位找正精度小于0.02mm。

举例说明：微弧氧化工艺为：Na₂SiO₃，3-7g/L；NaF₂1-3g/L；NaOH0.5-0.1g/L，Na₂B4O₇·12H₂O 0.4-0.8g/L；电参数：氧化时间5min-25min，频率100Hz-500Hz，占空比40-90%，电流密度0.1-5 A·dm^-2。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims

1.超塑性正反双向变温挤压成形方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、对成形构件进行数值仿真，确定成形模具形式及工艺流程；

步骤2、进行模具设计与制造，使用分瓣式模具结构解决复杂异形难脱模镁锂合金构件；

步骤3、将镁锂合金坯料放置到模具中，加热到相应的温度进行保温，进行挤压，同步进行热处理，获得高性能构件；

步骤4、对成形预制坯进行数控加工，加工难以成形的圆角和氧化表面；

步骤5、对数控加工后的镁锂合金构件进行表面处理，获得抗氧化、耐腐蚀的能力。

2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤1进一步包括：

步骤1-1、在ABAQUS软件中把镁锂合金坯料设置为塑性体，模具设置为刚体，模具的温度设定为350℃；

步骤1-2、在正反挤压成形的模拟过程中，上压头为主动模具，负责施加压力；施加边界条件使得下模保持不动；坯料随着上压头的运动沿着下模与侧壁的间隙流动充填模具，完成下筒体的成形；

步骤1-3、更换上压头后继续下压，使坯料沿着上模的间隙反向流动，完成上筒体的成形工作；在双向挤压成形的模拟过程中，采用锥形的上下模具，上下压头既为成形模具同时也是负责施加压力的主动模具；

步骤1-4、施加边界条件使分瓣模和外层套筒保持不动，在压头运动加压的过程中，坯料沿着上下模与分瓣模之间的间隙流动，完成上下筒体的成形。

3.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤2进一步包括：

使用加热机构对模具和坯料进行加热，并防止模具与锻造挤压设备之间的热传导。

4.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，步骤3进一步包括：

步骤3-1、预热；

步骤3-2、正挤压；

步骤3-3、反挤压；

步骤3-4、脱模。

5.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，预热的过程进一步包括：

分别将坯料和模具在加热炉中进行预热，待温度达到要求后完成装模工作，保温预定时间后准备开始热挤压。

6.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，正挤压的过程进一步包括：

在挤压力的作用下，材料沿着下模与分瓣模之间的型腔流动，逐渐充填满型腔，完成下筒体的成形。

7.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，反挤压的过程进一步包括：

在完成下筒体的成形工作后，立即完成更换上压头的工作，将上压头更换为锥形的上模，随着上模的运动，坯料受到挤压力的作用，反向流动逐渐充填满上模与分瓣模之间的型腔，完成上筒体的成形。

8.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，脱模的过程进一步包括：

在完成上筒体的成形工作后，首先分离下垫板和上型板，脱离内外套，最后分瓣脱模，取出下模。

9.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于：

所述镁锂合金包括：LAZ931、LAZ141；

所述成形模具包括：一体化模具、分立式模具；

所述加热方式包括：电阻加热、感应加热及加热炉传导加热；

所述表面处理方式包括：化学镀、微弧氧化。

10.权利要求1至9中任一项所述的成形方法在镁锂合金复杂构件上的应用。