CN115537624B - 一种柔性体精密成形用材料、配套模具及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种柔性体精密成形用材料、制备方法及配套模具。提出一种熔点为40‑60℃的固持材料，即多元Ga‑In‑Sn合金，Ga：10～20％、In+Sn：90～80％且Sn：0～10％；在坩埚内将配料加热熔化同时充分搅拌，在常温下冷却结晶得到填料合金；采用工装将待加工毛坯固定并放置在模具中；将填料熔化后添置于模具及毛坯中，而后可进行柔性体加工。本发明提出的材料具有低熔点、低成本、环保且易清除、无残留等优点，显著提高难加工薄壁产品的加工效率和加工精度，工程上可实施性强。本发明适用于对薄壁回转体、薄壁弯管、柔性体如蜂窝等精密加工。

Description

一种柔性体精密成形用材料、配套模具及制备方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种柔性体精密成形用填充材料、配套模具及材料制备与模具使用方法。

背景技术

金属薄壁零件(特别是厚度≤1.0mm)的精密加工是零件制造过程的难题。航空航天产品结构件往往因为形状结构复杂、材料去除量大、薄壁易变形等特点，对零件加工精度、质量及加工效率等各方面又具有更高的要求。如结构为薄壁且回转体的情况下，由于壁厚薄和形状复杂的双重因素，导致常规成型方法和加工方法难以满足零件外形和精度要求。采用常规加工手段，首先，零件表面由于切削加工所形成的残余应力层会严重影响到零件的静力强度、疲劳强度以及抗腐蚀等诸多与残余应力相关的性能，进而影响到零件的使用寿命。此外，由于薄壁零件通常为柔性体，导致无法对其进行夹持和固定，且加工时会导致零件表面发生塌陷、内部结构单元扭转、弯折等变形，无法保证质量。

采用填充物辅助法来增强复杂薄壁结构件刚性的方法已得到应用。特制石膏为一种主料为石膏的材料，但石膏材料的填充能力十分不足、而且这种材料不能重复使用。复合石蜡材料熔点低、强度低但粘性过大，导致薄壁结构件成型后不易脱模取出。低熔点金属材料(如铅Pb、铋Bi、锡Sn、铟In、锑Sb)具有较低的粘度和较低的表面张力且可以重复使用，作为工业常用填充物。常用低熔点金属铅、铋、锡、铟的熔点分别是327.4℃、271.4℃、231.9℃、156.4℃。尽管以上金属材料的熔点在150℃-350℃，但单纯使用某一种金属材料仍需相对较高的熔化温度；这对大规模生产带来不便。同时，考虑到对待填充薄壁件冶金性能不应产生影响、清理方便、回收率高，需要进行大量试验确定低熔点合金的熔点、成分和含量及回收率，因此实验反馈周期长、成本大。此外，填充材料需环保、对人体无伤害。

专利201410572919.8公开了一种利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法，选择熔点为65℃的低熔点且含铅合金。也有文献筛选适合填充结构件内腔的低熔点材料，即Pb＝30％、Bi＝41％、Sn＝20％、Sb＝9％的金属材料，其熔点也为65℃。此外，专利201410213376.0提出低熔点填充合金由铋、锡、铅、镉四元素按Bi＝50％、Pb＝26.7％、Sn＝13.3％、Cd＝10％混合组成、低熔点填充合金的熔点在65-80℃。专利201210555091.6-“一种提高钛合金大型环槽薄壁件刚度的工艺方法”，低熔点合金的熔点为60-80℃，成分为Bi＝38-42.5％、Pb＝26-38.8％、Sn＝0.2-28％、Bi＝8-9％。以上专利及文献中涉及的材料均含有大量的铅元素，但铅属于有毒重金属，已被列入有毒有害水污染物名录。同时铅(Pb)具有X射线和γ射线不易穿透的特点，导致填充体的缺陷检查存在极大误差。

另有专利201510891898.0-“一种叶片类复杂薄壁型面零件自适应定位方法”以及专利201610652869.3-“一种用于薄壁叶片轴端加工的低熔点合金浇注夹具”，但均没有描述低熔点填充材料的材料种类和材料成分以及填充材料的熔点、流动性、导电性和射线穿透效果等特征。

发明内容

本发明的目的是：鉴于现有技术存在的问题，本发明提出一种柔性体精密成形用无铅材料、制备方法及配套模具，材料熔点低在40-60℃、流动性佳、环保且可回收利用。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一方面，提供一种柔性体精密成形用材料，所述合金的成分及质量百分比为：Ga：10～20％、In+Sn：90～80％且Sn：0～10％，元素总和为100％。

进一步地，所述合金的成分及质量百分比为：Ga：10～20％、In+Sn：90～80％且Sn：3～9％。

3～9％的Sn元素，对应合金熔化后流动性更佳，更适合填充中空结构件。

优选的组分中，所述合金的成分及质量百分比为：Ga：10～20％、In+Sn：90～80％且Sn：4～6％。

4～6％的Sn元素，对应合金的导电性更好，适合对较大尺寸工件的固话，这样对大工件的加工效果较高。

另一方面，提供柔性体精密成形用材料配套使用的模具，所述模具分体式，可拆卸、可组装；模具整体上由三部分组成，分别是壁体、填料通道和排料孔。填料通道位于壁体的上部，填料通道对称、均匀分布；通道上端口水平；通道下端口位置应高于待加工毛坯的上端；通道具有弯管形状；排料孔位于壁体下部，位置与柔性体底部同水平面或低于该底部。壁体由两个半模组成，通过螺钉进行连接。

所述通道的垂直部位长度为10-15cm，弯管处角度为30-40°；通道直径为壁体厚度的三分之一。这样的尺寸匹配本发明的方法，有利于低熔点合金的流动性，充型效果，避免空隙和孔隙等缺陷。

模具材质或者组成模具中部件的材质为变形钛铝合金。

最后，还提供一种柔性体精密成形用材料的制备方法，步骤如下：

步骤一、备料，将各组分按以下重量份进行配料；

步骤一、熔炼填料合金：将原料放于坩埚内加热熔化同时充分搅拌，在熔融态下将其倒入陶瓷容器；室温下冷却结晶得到填料合金；填料合金熔点为40-60℃；

步骤三、毛坯定位：所述毛坯为待加工的坯料。将毛坯放置在模具中，并采用定位工装将毛坯的基准点固定；模具含有填料通道和排料孔；对毛坯内外壁涂覆陶瓷粉、静置5min后使用。其作用是如果有低熔点合金粘度大可能导致该合金不容易从毛坯表面除掉，因此，需要对毛坯内外壁涂覆陶瓷粉、静置5min后使用；

步骤四、毛坯固化：将步骤二中的填料合金加热至65-75℃、保温7-20min，再将熔态的填料合金自模具底部的填料通道缓慢推进所述模具中；添置过程中填料合金熔体应充满模具和毛坯，过程中不可出现气泡、不可引入杂质；

步骤五、毛坯加工：采用机械加工或者电加工方法，将步骤四所得固化体加工为满足外形尺寸要求的零件；

步骤六、填料去除：加热步骤五中含有填充体的零件，即加热含有填料及零件的分体式模具；加热至65-75℃、保温7-20min；由于模具含有高效排料孔，熔化态填料通过排料孔排出至指定容器内，进行回收；

步骤七、拆除模具，超声清洗零件以去除表面残余填料合金；静置或烘干零件至表面无液体残留；检测零件外形尺寸和表面缺陷。

本发明的有益效果是：

本发明提出一种三元体系的In-Ga-Sn低熔点合金，用作柔性体精密成形的填充固持材料。该In-Ga-Sn合金的材料成分简易，具有熔点低、无污染、化学性质稳定且易制备的优点。

从基础组元分析，镓元素Ga熔点仅为29.76℃，铟元素In熔点为156.61℃，锡元素Sn熔点为231.89℃，且以上三种元素均属于低熔点的元素、均非稀有元素和有害元素。从材料制造角度分析，Ga元素和In元素质地柔软、柔软易切割，可塑性性强、延展性好，方便于材料制造；且以上三种元素的沸点均很高，同时均在常温且干燥的空气中化学性能稳定。

本发明通过合理设计和工艺实验，优化了以上三种元素配比，从而提出了一种In-Ga-Sn三元低熔点材料及其使用方法和配套模具。该In-Ga-Sn三元合金的熔点在40-60℃，与其他低熔点填充材料相比，熔点低至40-50℃且无铅元素，并可以回收重复利用。在该材料的使用特性方面，兼顾了熔点低、流动性且导电性佳，因此该材料较为适用于对各类柔性且超薄(厚度低于1.0mm)零件进行固持，如各类薄壁回转体、薄壁弯管、蜂窝等各种刚性较差的零件，可显著提高柔性体的刚性以便于进行高效率精密加工，且对操作环境无特殊要求。此外，本发明还提供了一种与该材料配套使用的模具，该模具上设计了填料通道和排料孔，以便于提高填充效率和保障填充效果。

附图说明

图1为本发明的柔性体精密成形用材料的制备方法流程图；

图2为本发明的柔性体精密成形用材料配套使用的模具示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。

实施例：

一、各个实施例组分表：

表1

表1所示为填充金属材料的成分、性能及使用工艺列表。涉及的性能主要包括材料的熔点和电阻率，电阻率是影响材料固化后导电效果的因素，因此，该参数也是影响固持柔性体加工效果的主要因素。而熔点参数影响了固持参数，通常加热温度高于熔点10℃对填充金属材料进行熔化。

虽然合金的导电性能与成分的配比有关，但是如表2所示，与10％的Sn含量相比，4～6％的Sn元素，对应合金的导电性更好，适合对较大尺寸(长度为米级)工件的固话，这样对大工件的加工效果较高。

表2

序号	成分wt.％	熔点℃	电阻率nΩ·m
				1	In:80％、Ga:20％、Sn:0％	40.6	95.5
2	In:80％、Ga:19.5％、Sn:0.5％	41.6	101.0
				3	In:83％、Ga:16％、Sn:1％	49.2	97.5
4	In:80％、Ga:18％、Sn:2％	42.8	102.5
				5	In:86％、Ga:11.5％、Sn:2.5％	53.5	90.7
6	In:85.7％、Ga:10.5％、Sn:3.8％	55.5	103.2
				7	In:86％、Ga:10％、Sn:4％	57.5	93.2
8	In:76％、Ga:19％、Sn:5％	43.5	112.8
				9	In:80.5％、Ga:13.5％、Sn:6％	50.5	100.5
10	In:73％、Ga:20％、Sn:7％	49.2	120.4
				11	In:78％、Ga:13％、Sn:9％	45.3	121.2
12	In:75％、Ga:15％、Sn:10％	60.0	127.5
				13	In:73％、Ga:17％、Sn:10％	47.2	130.5

二、使用时配套的模具：

如图2所示，模具为分体式，可拆卸、可组装。模具整体上由三部分组成，分别是壁体、填料通道和排料孔。填料通道位于壁体的上部，填料通道对称、均匀分布；通道上端口水平；通道下端口位置应高于柔性体毛坯的上端；通道具有弯管形状，其中垂直部位长度为10-15cm，弯管处角度a为30-40°；通道直径为壁体厚度的三分之一。排料孔位于壁体下部，位置与柔性体底部同水平面或低于该底部。壁体由两个半模组成，通过螺钉进行连接，连接部位即示意图2中左右两侧黑色位置。

三、制备过程：

对于实施例1、2、3中的组分，制备过程具体如下：

实施例1

对一种钛合金网状体进行外表面型面加工。

TC4钛合金网状体是一种内部壁厚仅为0.02mm、网状单元尺寸为20×20×50mm的中空结构，结构体内包含单元数量为550个。该金属网状结构体的型面为双曲面，如采用常规机械加工手段，由于网状体为柔性导致无法夹持和固定，且加工时会导致网状单元发生扭转、变形，无法保证单元的形状，以及零件型面加工无法进行。

采用组分表中序号为13的填充材料，成分为：In:73％、Ga:17％、Sn:10％，熔点为47.2℃、使用工艺为65-67℃、保温9-12min。将以上元素按照配比称料和混合、并采用坩埚对混料进行3次熔化，在室温下混料凝固，形成填料合金。利用模具对钛合金网状体零件毛坯进行装夹和基准点定位。将填料合金进行熔化，加热温度为65-67℃、保温时间9-12min。通过模具上数个填料通道将熔化的填料合金缓慢、一次性灌入模具，添置过程不应产生气孔和引入其他夹杂物。待填料冷却、凝固，将模具拆除，将固化零件进行加工至符合图纸要求。将钛合金网状体放回模具，并将模具置于温度高于填料熔点10℃的水中，保温20min后，打开排料孔、将填料排出至回收装置中。填料待重复使用。从模具中取出钛合金网状体、对其进行超声清洗，清洗液为常规清洗剂；对钛合金网状体零件进行静置或烘干，检测钛合金网状体尺寸精度。

加工后，未见钛合金网状体零件内部网状单元的扭转、变形等表面缺陷；型面的贴膜精度达到0.1mm、满足零件要求。

实施例2

对一种高温合金S型弯管进行外表面精密加工。

高温合金S型弯管是一种壁厚仅为0.15mm、弯角达到120°的中空结构。该结构体的型面为弧面，如采用常规机械加工手段，首先，其表面由于切削加工所形成的残余应力层会严重影响到零件的静力强度、疲劳强度以及抗腐蚀等诸多与残余应力相关的性能，进而影响到零件的使用寿命。此外，由于零件为柔性导致无法对弯管进行夹持和固定，且加工时会导致弯管发生塌陷、扭转、弯折等变形，无法保证外形精度。

采用组分表中序号为1的填充材料，成分为：In:80％、Ga:20％、Sn:0％，相应使用工艺为：62-65℃、保温18-20min。将以上元素按照配比称料和混合、并采用坩埚对混料进行5次熔化，在室温下混料凝固，形成填料合金。利用模具对零件毛坯进行装夹和基准点定位。将填料合金进行熔化，加热温度高于填料熔点15℃、保温时间12min。通过模具上数个填料通道将熔化的填料合金缓慢、一次性灌入模具，添置过程不应产生气孔和引入其他夹杂物。待填料冷却、凝固，将模具拆除，将固化零件进行加工至符合图纸要求。将高温合金S型弯管放回模具，并将模具置于温度为62-65℃的水中，保温18-20min后，打开排料孔、将填料排出至回收装置中。填料待重复使用。从模具中取出高温合金S型弯管、对其进行超声清洗，清洗液为常规清洗剂；对零件进行静置或烘干，检测高温合金S型弯管尺寸精度。

加工后，高温合金S型弯管无变形、弯管壁厚的检测结果为0.15±0.01mm，弯角的检测结果为120±2°，以上公差尺寸和整体外形均满足零件要求。

实施例3

对一种钽钨合金薄壁回转体进行精密加工。

薄壁回转体工件的加工一直是机械加工业的一个难点，因为此类零件的刚度很差，加工过程中力变形、热变形比较严重，零件的尺寸精度和形位精度难以达到加工要求，废品率高，生产效率很低。钽钨合金板材在轧制过程中出现强烈的塑性各向异性现象，严重降低了板材的塑性成形能力，给后续的罩壳冲压成形工艺造成困难。

采用组分表中序号为7的填充材料，成分为：In:86％、Ga:10％、Sn:4％，熔点为57.5℃、使用工艺为：70-72℃、保温13-15min。将以上元素按照配比称料和混合、并采用坩埚对混料进行4次熔化，在室温下混料凝固，形成填料合金。利用模具对以上钽钨合金回转体毛坯进行装夹和基准点定位。将填料合金进行熔化，加热温度为70-72℃、保温时间13-15min。通过模具上数个填料通道将熔化的填料合金缓慢、一次性灌入模具，添置过程不应产生气孔和引入其他夹杂物。待填料冷却、凝固，将模具拆除，将固化钽钨合金回转体毛坯进行加工至符合图纸要求。将壁厚仅为1.0mm的薄壁回转体放回模具，并将模具置于温度高于填料熔点20℃的水中，保温20min后，打开排料孔、将填料排出至回收装置中。填料待重复使用。从模具中取出高温合金S型弯管、对其进行超声清洗，清洗液为常规清洗剂；对薄壁回转体进行静置或烘干，检测薄壁回转体尺寸精度。

加工后，钽钨合金回转体型面精度满足零件要求、贴膜精度可达0.1mm，且加工效率提高了35％、成品率提高了60％。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种柔性体精密成形用材料，其特征在于：所述材料的成分及质量百分比为：Ga：10.5～20％、In+Sn：90～80％且Sn：4～6％，元素总和为100％；

所述柔性体厚度≤1.0mm；

所述柔性体精密成形用的模具为：所述模具分体式，可拆卸、可组装；模具整体上由三部分组成，分别是壁体、填料通道和排料孔；填料通道位于壁体的上部，填料通道对称、均匀分布；通道上端口水平；通道下端口位置应高于待加工毛坯的上端；通道具有弯管形状；排料孔位于壁体下部，位置与柔性体底部同水平面或低于该底部；壁体由两个半模连接组成；

所述通道的垂直部位长度为10-15cm，弯管处角度为30-40°。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：通道直径为壁体厚度的三分之一。

3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：模具材质或者组成模具中部件的材质为变形钛铝合金。

4.根据权利要求1所述的柔性体精密成形用材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：

步骤一、备料，将各组分按以下重量份进行配料；

步骤一、熔炼填料合金：将原料放于坩埚内加热熔化同时充分搅拌，在熔融态下将其倒入陶瓷容器；室温下冷却结晶得到填料合金；填料合金熔点为40-60℃；

步骤三、毛坯定位：所述毛坯为待加工的坯料；将毛坯放置在模具中，并采用定位工装将毛坯的基准点固定；模具含有填料通道和排料孔；对毛坯内外壁涂覆陶瓷粉、静置5min后使用；

步骤四、毛坯固化：将步骤二中的填料合金加热至65-75℃、保温7-20min，再将熔态的填料合金自模具底部的填料通道缓慢推进所述模具中；添置过程中填料合金熔体应充满模具和毛坯，过程中不可出现气泡、不可引入杂质；

步骤五、毛坯加工：采用机械加工或者电加工方法，将步骤四所得固化体加工为满足外形尺寸要求的零件；

步骤六、填料去除：加热步骤五中含有填充体的零件，即加热含有填料及零件的分体式模具；加热至65-75℃、保温7-20min；由于模具含有高效排料孔，熔化态填料通过排料孔排出至指定容器内，进行回收；

步骤七、拆除模具，超声清洗零件以去除表面残余填料合金；静置或烘干零件至表面无液体残留；检测零件外形尺寸和表面缺陷。