精密塑性成形模具

2024-08-10

精密塑性成形模具（共4篇）

精密塑性成形模具篇1

引言

微塑性成形技术主要是采用塑性变形的方式进行形成微型零件的工艺方法, 在多种复杂形状微小零件作用下能够达到微米量级, 所以在微型零件的制造上较为适用。微塑性成形技术并非是传统塑性成形工艺的简单等比例缩小, 其作为新的研究领域对实际的发展有着重要促进作用, 故此加强这一领域的理论研究就有着实质性意义。

1 精密微塑性成形原理特征及方法分析

1.1 精密微塑性成形原理特征分析

科技的发展带来了生产的效率提升, 在微塑性成形技术的发展过程中经历了不同时期的进步, 传统的成形工艺按照比例微缩到微观领域在参数上的适应性就失去了。而微塑性成形技术在现阶段已经成了多种学科交叉的边缘技术, 实际成形中的润滑以及摩擦也与此同时发生了一些变化, 所以宏观摩擦学当中的摩擦理论就不能有效适应。但由于微小尺度下秒面积与体积的增大, 所以在摩擦力就对成形造成的影响逐渐扩大, 那么润滑就是比较关键的因素[1]。

从实际的成形原理来看, 在工件进行微缩化的过程中, 此时在摩擦力上就会随之加大, 压力的加大那么封闭润滑包中的润滑油压强也随之加大, 这样就支持以及对成形的载荷实现了传递, 进而对摩擦也减小了。在工件的尺寸不断的微小化过程中, 开口润滑包面积减少幅度不是很大, 但在封闭润滑包的面积减少幅度就相对比较大, 采用固体润滑剂的过程中由于不存在润滑剂溢出的状况所以就对摩擦系数的影响也较小[2]。

1.2 精密微塑性成形方法分析

微塑性成形工艺及方法的相关研究主要是在微冲压以及微体积成形方面, 其中的微体积成形主要是进行的微连接器以及顶杆和叶片等微型的期间精密形成。以螺钉为例, 其最小的尺寸只有0.8微米, 而微成形胚料的最小直径是0.3微米, 在模压成形的微结构构建沟槽的最小宽度能够达到二百纳米。另外在微冲压成形这一方法上最为重要的就是进行的薄板微深拉伸以及增量成形等方法。微型器件的微塑性成形技术属于新兴的研究领域, 在成形的方法上主要就是实现毫米级的微型器件精密微成形, 在微塑性成形技术的不断发展下, 这一技术会进一步的优化。

2 精密微塑性成形技术工艺发展现状及发展趋势

2.1 精密微塑成形技术工艺发展现状分析

精密微塑成形技术在实际的发展过程中也面临着一些问题, 在尺寸效应问题上体现的较为显著。微塑性成形的发展领域中, 试样尺寸当达到亚毫米或者四微米尺寸的时候, 试样的物理特征及内部的结果就会发生变化, 所以在性能参数与成形工艺参数就会存在不相协调的状况, 这也就是尺寸效应。而造成这一问题的原因主要是材料的不均匀以及流动应力和延展性等, 从微塑性成形的不均匀性来看, 在成形件迟迅接近晶粒的尺寸过程中, 那么在材料的微观组织性能不均匀就对对胚料塑性变形产生影响[3]。

从其技术工艺发展的情况来看, 主要有微冲载以及微拉深和微弯曲、微挤压。从微拉深这一层面来看, 针对薄板成形主要是采取这一技术, 这样就能够成形各种形状杯体以及腔体零件, 这一过程中会伴随着摩擦以及各向异性等现象影响, 故此从工艺的复杂上来说相对加大。而在微弯曲这一技术工艺的发展上来看, 这一技术工艺成形的产品在外形尺寸和板料厚度上就相对比较接近, 在微弯曲件传输中比较容易发生变形, 所以这一工艺技术的制件过程中, 检测就成了一个问题。再者就是微冲载, 这一技术工艺主要是生产微小零件工艺之一, 实际技术实施过程中的晶粒尺度和局部尺度比率增加, 就会造成局部的变形, 微冲载当中的凸凹模间隙控制和工模具间的磨损问题也是解决的一个重要内容。

在微成形工艺的研究上主要集中在体积成形和冲压成形, 其中的薄板材料成形主要是在拉深工艺基础上进行实施的, 能够制作成筒形和阶梯形以及盒形等不规则形状薄壁零件。和其它的冲压成形工艺得到有效的配合还能够制造出更为复杂的零件, 故此微拉深的工艺技术在实际的应用中是相对比较突出的。而在微体积成形过程中, 主要是对微齿轮以及螺钉的微型零件精密微塑性成形进行的实际研究, 通过挤压以及局部锻造等体积成形的方法能够对多种微型零件加以实现[4]。精密微塑性成形技术对产品的精度以及缩短产品交货期限等效率提升都有着较好的作用, 从近些年这一层面的发展来看, 已经有着突出成果。

2.2 精密微塑成形技术工艺发展趋势分析

精密微塑性成形技术工艺在不断额发展中, 随着科技的进步将会上升到新的发展阶段, 在精度上将越来越高, 并在应用热流道技术上将会进一步的扩大。采取这一技术能够将制件的生产率及质量得到有效提升, 同时也能大幅度节约部件原材料, 而在技术的标准化层面也将会进一步的提升, 这样就能有效的降低制造的成本, 对质量最大化的进行提升。从我国的塑性成形技术和国外的相比较而言, 还有着一定的差距, 需要在多方面进行优化改进[5]。微机电系统的提出以及技术上的实现, 这对塑性微成形技术的发展就打开了大门, 由于精密微塑性成形技术和传统的理论有着一定的差异性, 所以要能结合实际进行改进处理, 这也是精密微塑性成形技术在当前需要解决的问题。

另外就是在新型的模具加工技术以及测量、分析方法等会使塑性微成形技术在未来发展的重要方向, 而成形件在尺寸上上更小化以及精度高等将会在新型的成形设备作用下进行实现, 这在自动控制设备以及高精度测量方法层面将会得到有效实现。微成形作为是新兴的多学科交叉工艺技术, 在当前人们对其的全面认识还相对比较缺乏, 这一问题在不断的发展过程中将会得到逐步的解决[6]。随着可持续发展观理念的深化, 无色热锻润滑剂以及拉深润滑剂等相关的环保技术在精密微塑性成形技术的结合上也会呈现新的发展局面。

3 结束语

总而言之, 微塑性成形技术的发展和研究的持续推进, 将会在技术上得到进一步的提升, 但要想将精密微塑性成形技术得到更好的应用, 就需要对技术应用中的一些实际性问题认真分析并解决。在材料的开发上进一步的加强, 通过实验进行对微成形技术的发展的一保障, 只有全面考虑才能促进微塑性成形技术的顺利发展。

参考文献

[1]马智慧, 董湘怀, 梅琼风, 等.微细塑性成形工艺实现及最新研究进展[J].模具技术, 2013 (3) .

[2]洪慎章.热作模具钢的影响因素及应用[J].模具制造, 2014 (5) .

[3]曹红锦, 陈毅挺.国外军工生产精密成形技术的现状及发展趋势[J].四川兵工学报, 2014 (3) .

[4]单德彬, 袁林, 郭斌.精密微塑性成形技术的现状和发展趋势[J].塑性工程学报, 2013 (2) .

[5]崔冰艳, 陈丽文, 白叶飞.材料加工中塑性成形领域研究新进展[J].中国水运 (学术版) , 2013 (2) .

[6]谢谈, 贾德伟, 蒋鹏, 等.精密塑性成形技术在中国的应用与进展[J].机械工程学报, 2014 (7) .

精密塑性成形模具篇2

伸长类变形:当作用于毛坯变形区的拉应力的绝对值最大时,在这个方向上的变形是伸长变形,这种冲压变形为伸长类变形。(胀形、圆孔翻边、扩口、拉形等)压缩类变形:当作用于毛坯变形区内的压应力的绝对值最大时,在这个方向上的变形是压缩变形,这种冲压变形为压缩类变形。(筒形件拉深、缩口等。)拉深系数及拉深比:拉深系数(反映切向变形程度的大小)是拉深后零件的直径与拉深前毛坯的直径之比。它反映了毛坯外边缘在拉伸后切向压缩变形的大小。拉深系数的倒数称为拉深比,也可作为拉深变形程度的参数。冲裁变形过程:弹性变形阶段;塑性变形阶段;断裂分离阶段。锻造温度范围:从始锻温度到终锻温度之间的温度区间。加热规范:指金属毛坯从装炉开始到出炉结束的整个过程中，炉温和料温随时间变化的规定。厚向异性指数:是评定板料压缩类成形性能的一个重要参数，r值是板料试件单向拉伸试验中宽度应变εb与厚度应变εt之比,即r=εb/εt平面方向性系数的定义、意义:板料由于冶炼、轧制的原因,在板平面不同方向上的板料性能有差别,板料的这种特性被称为板平面方向性。在圆筒形零件拉深中,由于板料的板平面方向性导致拉深件口部形成凸起的耳朵现象,因而,板平面方向性也称为凸耳参数。△r越小,板料的各向性能越均匀;△r越大,则板料的各向异性越严重。所以,在冲压生产中应尽量用低△r值的板料,以保证冲压成形的顺利实施,提高冲压产品质量。

计算毛坯的定义及做法:计算毛坯是指根据平面应变假设进行计算并修正所得的具有圆形截面的中间坯料。做法:一般根据冷锻件图作计算毛坯图,首先从锻件图上选取若干具有代表性的截面,计算出轴向各横截面积,然后在坐标纸上绘制计算毛坯截面图。详细见P33 排样、搭边的定义:冲裁件在条料,带料或板料上的布置方法叫排样;排样时冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间留下的工艺废料叫搭边。搭边的作用：补偿了定位误差和剪板误差，确保冲出合格件；增加条料刚度，方便调料送进，提高劳动效率；避免冲裁时调料边缘的毛刺被拉入模具，从而提高模具的寿命。

锻模中心:锻模燕尾中心线与键槽中心线的交点,它位于锤杆的轴心线上。模膛中心:锻造时模膛承受锻件反作用力的合力作用点。模块中心:对角线的交点

压力中心:冲压力合力的作用点,应该通过压力机滑块的中心线。

飞边槽的作用:

1、造成足够大的横向金属流动阻力,促使模膛充满。

2、容纳坯料上的多余金属,起补偿与调节作用。

3、对锤类设备有缓冲作用。

锻造工步根据作用的分类及具体内容(第一类制坯工步,第二类制坯工步的内容):1.制坯工步与制坯模膛、其主要作用是重新分配坯料体积或改变坯料轴线形状,使坯料沿轴线的截面面积与锻件大致相适应。它包括镦粗、压扁、拔长、卡压、成形、弯曲等工步或模膛。2模锻工步与模锻模膛、其主要作用是使坯料按照所用模膛的形状形成锻件或基本形成锻件,这种工步称为模锻工步,所用模膛称为模锻模膛,有终锻、预锻两种。3切断工步与切断模膛、其作用是将锻件从棒料上切开分。

模锻斜度的定义及具体内容:为了便于从模膛中取出锻件,模锻上平行于锤击方向的表面必须具有斜度,称为模锻斜度;模锻斜度与模膛深度与宽度有关。模锻斜度分为外壁斜度和内壁斜度,外壁斜度用a表示,内壁斜度用β表示,一般外壁斜度比内壁斜度大2~5度。

冲孔连皮的定义及形式:由于锤上模锻不能靠上下模的突起部分把金属完全排挤掉,因此不能锻出通孔。终锻后留有的金属薄层,称为冲孔连皮。冲孔连皮通常有五种形式,分别是平底连皮、斜底连皮、带仓连皮、拱底、压凹。作用：造成必要的横向阻力，迫使金属填充模膛；补偿下料误差；具有缓冲作用。钳口的组成及作用:钳口是由夹钳口和钳口颈组成;作用:1锻件起模2在锻模制造时,钳口浇注模膛检验件的浇口。

二、简答题

简述冲裁件的断面特征及形成原因

冲裁件断面形成明显的区域性特征,即塌角、光亮带、剪裂带和毛刺,塌角是当凸模压入材料时,刃口附近的材料被牵拉变形的结果,在大间隙和软材料冲裁时,塌角尤为明显,光亮带是塑性变形阶段刃口切入板料后,材料被模具侧面挤压形成的,光亮带光滑、垂直、断面质量好。剪裂带是在断裂分离阶段造成的撕裂面剪裂带表面粗糙,不与板平面垂直,往往是后续变形时的裂纹源,毛刺是在出现微纹时形成的,冲头继续下行,使已形成的毛刺拉长,并残留在冲裁件上。

拉深变形的特点

1、变形区为毛坯的凸缘部分,与凸模端面接触的部分基本上不变形。

2、毛坯变形区在切向压应力和径向拉应力的作用下,产生切向压缩和径向拉伸的“一拉一压”的变形。

3、极限变形参数主要受到毛坯传力区的承载能力的限制。

4、拉深件的口部有增厚、底部圆角处有减薄的现象称为“危险断面”(底部的厚度基本保持不变)

5、拉深工件的硬度也有所不同,愈靠近口部,硬度愈高(这是因为口部的塑性变形量最大,加工硬化现象最严重）

6、有起皱、拉裂两个主要缺陷。简述弯曲变形的特点

1、外层受拉应力发生拉应变,内层受压应力发生压应变。

2、外层拉裂与内层起皱是限制弯曲的主要因素

3、弯曲精度的主要影响因素为弹性恢复

4、窄板弯曲是平面应力,立体应变状态;宽板弯曲是立体应力,平面应变状态。影响板料弯曲回弹的主要因素是什么

1.材料的力学性能σs/E越大,回弹越大。2.相对弯曲半径r/t越大,回弹越。

3.弯曲中心角α,α越大,变形区的长度越长,回弹积累值也越大,故回弹角△α越大。4.弯曲方式及弯曲模。

5.工件的形状,一般而言,弯曲件越复杂次弯曲成形角的数量越多,回弹量就越小。简述螺旋压力机模锻工艺特点

1.工艺用途广,因为螺旋压力机具有锤和压力机的双重工作特性,因而能满足各种主要锻压工序的力能要求。能在螺旋压力机上实现的锻压工序有:普通模锻精密模锻、镦粗、挤压、精整、压印、弯曲、切边、冲孔和校正等。

2.锻件精度高。因螺旋压力机的行程不固定,锻件精度不受自身弹性变形的影响;同时,螺旋压力机上一般装有下顶出器,又可采用特殊结构的组合模,可减小或消除锻件上的模锻斜度和余块,尤其配上少无氧化加热设备,可得到净化毛坯甚至成品零件

其缺点是:1.螺旋压力机的螺杆和滑块间是非刚性联接,滑块承受偏心载荷的能力差,不适宜于多模膛模锻。2.螺旋压力机每分钟行程次数少、打击速度低,所以生产率不高,且不宜用拔长类制坯工序。

三段式加热规范,试用文字说明加热规范的内容

[V]金属允许的加热速度;[Vm]最大可能的加热速度。

第一段保温的目的:

1、减小温差,使内外温度相差不大,近似相等

2、缩短下阶段的保温时间使。

第二阶保温的目的:

1、消除前段温差,是内外温度近似相等

2、缩短下一阶段的保温时间。第三段保温的目的:消除前段温差,借助扩散作用使成分组织均匀。

试述减少闭式模锻模膛工作压力的设想,分流腔的设计原则及分流腔的基本形式

减小模腔工作压力的设想:通常,模锻时的工作压力主要包括材料的理想变形抗力和变形抗力和阻力。理想变形抗力可用下式表示;piymln(R),式中,ym为锻件材料的名义流动应力；1-RR为相对面积缩减率。工作压力随相对面积缩减率R的增加而增加，当R=1时,增至无限大。相对面积缩减率R也称为变形强度,它是工件与模膛接触面积与其总的表面积之比，挤压相对面积缩减率:R=(AO-A1)/AO,A0为试样截面积,A1为产品截面积。模锻相对面积缩减率:R=(A-F)/A,F为自由表面积,(A-F)为产品与模具接触面积,A为产品总的表面积。挤压时R值为常数。开式模锻时,由于工件自由表面的减小而使R值增大。因此,如果能控制R值的增加就可减小工作压力。

分流降压腔的设置原则:分流降压腔的位置应选择在模膛最后充满的部位,确保模膛完全充满后多余金属才分流多余金属分流时在模膛内所产生的压力应比模膛刚充满时所产生的压力略有增加,以免増加总的模锻力和加快模膛的磨损。

分流腔的结构形式:

1、孔式分流腔

2、在毛坯上预留分流孔或形成减压轴

3、端部轴向分流孔热模锻压力机模锻工艺和模具设计有哪些特点

1、行程速度慢,一次行程打击中金属变形量大,且坯料中部变形大,金属沿水平方向流动剧烈。向高度方向流动较缓慢,充填模膛较困难,通常需要采用预锻。

2、热模锻压力机行程固定,不便于进行拔长、滚压等制坯工步。对于截面积变化较大的锻件,需配备其他设备进行制坯。

3、具有顶出装置,某些长轴类锻件可以竖立起来进行模锻或挤压,可以采用较小的模锻斜度进行模锻,可以提高锻件精度。

4、行程固定且变形力由机架本身承受,为了防止设备闷车,上模与下模不能压靠,期间必须留有间隙。

5、载荷是静压力,不便于制坯,坯料表面的氧化皮不易去除,因此,需配备氧化皮清除装置。

6、模具内金属变形剧烈,因此,模具寿命一般较低,所以需要采用较好的模具钢和模具润滑剂,为了提高终锻模膛的使用寿命,锻压机上模锻采用预锻是有必。

7、由于是静压力,模具可以采用镶块组合结构,它可以由上、下模板、各种垫板,上、下模块、导向装置、顶料装置等部件组成。它比整体结构的锤锻模要复杂和强大,初次投资费用较大。因此,锻压机的模具设计不仅仅是设计模膛和镶需要较为全面的考虑,设计结构合理的模架,做到适应性强,经济合理，可靠耐用。锤上模锻工艺特点是什么

（1）在模膛中是在一定速度下,经过多次连续锤击而逐步成形的。(2)锤头的行程、打击速度均可调节,能实现轻重缓急不同的打击,因而可进行制坯工作（3）由于惯性作用,金属在上模模膛中具有更好的充填效果。(4)锤上模锻适应性广,可生产多种类型的锻件,可以单膛模锻,也可以多膛模锻。锻前加热的目的

1提高金属的塑性2降低变形抗力,使金属易于流动成型并获得良好的锻后组织。制坯公工步：

1圆饼锻件制坯工步的选择:圆饼类锻件一般采用镦粗制坯,形状较为复杂的，易用成形镦粗制坯,其目的是避免终锻时产生折叠,兼有除去氧化皮,从而提高锻件表面质量和提高锻模寿命的作用。2长轴类锻件制坯工步的选择:长轴类锻件有直长轴线、弯曲轴线、带枝芽的和叉形件等四种。由于形状的需要,长轴类锻件的模锻工序由拔长、滚挤、弯曲、卡压、成形等制坯工步和预锻工步所组成

另外两个简答题

1给一个制坯工步的图形，填出各制坯的工步名称（如连杆）。一共8步。（毛坯、镦粗、拔长、滚挤、卡压、成型、弯曲、预断、终锻）2给一个凹模图，画出排样图和冲裁后的零件图。

三.问答题

简述冷锻件图和热锻件图的含义及其用途,锻件图有那些设计内容,锤锻模设计步骤是什么冷锻件图:以零件图为基础,加上机械加工余量和锻造公差后绘制而成的。用途用于最终锻件检验是机械加工部门制订加工工艺、设计加工夹具的依据,简称为锻件图。

热锻件图:把冷锻件图上所有的尺寸加1~1.5%,为热锻件图。用途:用于锻模的设计和制造。设计内容:(1)选择分模面的位置和形状(2确定机械加工余量、余块和锻件公差3)确定模锻斜度:(4)确定圆角半径;(5)确定冲孔连皮的形式和尺寸;(6)制定锻件技术条件:(7)绘制锻件图。

锤模锻设计步骤:1.根据零件图制定锻件图2.计算锻件的主要参数,锻件在水平的投影面积、锻件的周边长度,体积和重量。3.决定设备吨位,为了能分析比较，需用两个以上不同的公式进行计算4.做热锻件图,确定终锻模膛5.决定飞边槽的形式和尺寸6.画计算毛坯图7.选择制坯工步8.决定坯料尺寸,计算下料长度9.设计预锻模膛10.设计制坯模膛11.模具结构设计,考虑是否采用锁扣模膛布置和模块尺寸,模具的安装和调整,模具的起重运输,模具材料,加工及热处理12.绘制锻模图,切边模图等。什么是冲裁间隙,为什么说冲裁间隙是重要的凸模与凹模工作部分的尺寸之差称为间隙。冲裁模间隙都是指的双面间隙。间隙之所以重要,体现在以下几个方面

1）裁间隙对冲裁件质量的影响

（1）间隙对断面质量的影响,模具间隙合理时,凸模与凹模处的裂纹(上下裂纹)在冲压过程中相遇并重合,此时断面塌角较小,光面所占比例较宽,毛刺较,容易去除。断面质量较好;如果间隙过大,凸模刃口处的裂纹较合理间隙时向内错开一段距离,上下裂纹未重合部分的材料将受很大的拉伸作用而产生撕裂,使塌角增大,毛面增宽,光面减少,毛刺肥而长,难以去除,断面质量较差。

间隙过小时,凸模与凹模刃口处的裂纹较合理间隙时向外错开一段距离上下裂纹中间的一部分材料,随着冲裁的进行将进行二次剪切,从而使断面上产生二个光面,并且,由于间隙的减小而使材料受挤压的成分增大,毛面及塌角都减少,毛刺变少,断面质量最好。因此,对于普通冲裁来说,确定正确的冲裁间隙是控制断面质量的一个关键。

(2)冲裁间隙对尺寸精度的影响材料在冲裁过程中会产生各种变形,从而在冲裁结束后,会产生回弹,使制件的尺寸不同于凹模和凸模刃口尺寸。其结果,有的使制件尺寸变大,有的则减小。其一般规律是间隙小时,落料件尺寸大于凹模尺寸,冲出的孔径小于凸模尺寸;间隙大时,落料}件尺寸小于凹模尺寸,冲出的孔径大于凸模尺寸。2)冲裁间隙对冲压力的影响

一般来说,在正常冲裁情况下,间隙对冲裁力的影响并不大,但间隙对卸料力推件力的影响却较大。间隙较大时,卸料及推料时所需要克服的摩擦阻力小,从凸模上卸料或从凹模内推料都较为容易,当单边间隙大到15%~20%料厚时,卸料力几乎等于零。3)冲裁间隙对冲模寿命的影响

精密塑性成形模具篇3

模具是成形加工的重要工艺装备,特别是锻造模具,其工作环境十分恶劣,寿命很短,仅为数百次到数千次。锻模钢一般是高合金钢,不仅价格昂贵,而且合金元素含量高,容易形成成分偏析和粗大的网状碳化物组织,传统的制模方法难以消除。精密喷射成形工艺可以有效地解决高合金钢的偏析问题,它提供了一种新的快速制模技术,为缩短锻模制造周期,降低模具成本,提高锻模性能提供了一种有效的新途径[1,2,3]。

喷射成形技术是由英国Singer教授于1968年首先提出的,并迅速得到了发展[4]。经过几十年的发展,喷射成形技术在材料制备领域已日趋成熟并已实现产业化,目前已成功用于铝合金、镁合金、高合金钢、复合材料等锭坯、板坯、管坯的制备中。它具有传统粉末冶金工艺的所有优点,且同时克服了粉末冶金工艺界面易氧化、工艺链长的缺陷。在其基础上所开发的精密喷射成形工艺,是喷射成形技术的最新发展,它与快速制模技术结合,在轧辊制备、冲模和锻模制造等方面得到了初步应用[5,6,7,8]。同时,在喷射成形制造的模具中[9],使用双雾化器可以制造出直径达到400mm的产品,也可喷射出ϕ200mm的小镶嵌件及复杂的镶嵌件,表明精密喷射成形工艺综合利用喷射成形技术在材料制备方面的优势,并且使用双雾化器系统比使用单个雾化器系统得到的嵌入件或模具的质量更稳定、可靠。目前,国外已有芬兰国家研究中心、美国爱达荷国家工程和环境实验室采用精密喷射成形工艺,对热锻模具、挤压模具、压铸模具快速制造进行了初步研究,表明高合金钢热作模具可以通过喷射成形实现模具的近净成形,且喷射成形技术与常规制模技术相比,使模具寿命提高了50%～180%[10,11]。福特公司使用喷射成形快速制模工艺进行了车身冷冲模实验[12],生产了75万件车身冷冲模,所用的生产准备时间从4～18周降低到了1～2周,模具几何形状公差控制在0～0.076mm范围内,并且生产成本也降低了25%～30%。这一结果显示出了精密喷射成形在快速制模方面巨大的技术优势和潜力,但国内尚未见相关研究和应用报道。笔者根据喷射成形的原理,自行开发研制了20kg级热锻模具精密喷射成形装置,并进行了发动机气门锻模成形的初步研究。初步试验证明,本装置具有结构简单、造价低廉、加热快、通用性强等一系列优点,适于小型热作模具精密喷射成形的试验研究。

1 精密喷射成形快速制模装置

根据精密喷射成形快速制模的特点和要求,为满足试验研究的需要,自行设计了20kg级热锻模具精密喷射成形装置,如图1所示。为简化结构,减少耗电,该装置无喷射中间包,金属在气体保护下,熔融后经过导液管直接雾化,沉积在采用陶瓷母模作为沉积基底的接收器上冷却凝固,获得成形模具,在充分利用喷射成形快速凝固制备新材料、新技术优势的同时,实现了模具的快速凝固与(近)净成形的结合。在沉积过程中,为了保证沉积体质量,满足大尺寸模具制备的需要并提供金属收得率,沉积基底由数控系统控制旋转运动和升降运动,同时雾化部分也可进行水平运动。

与传统喷射成形工艺相比,该装置及其工艺更加注重金属液的雾化过程、沉积过程、沉积坯冷却及凝固过程。在精密喷射成形工艺中,模具成形面的粗糙度、致密度及热硬度是研究的重要内容。惰性气体或氮气保护在熔炼模具钢中是至关重要的,它可以有效防止钢液氧化,提高钢液纯净度,进而提高了沉积模具的致密度。熔融金属液的过热度、雾化压力的大小、沉积高度、沉积盘的冷却效果等都影响模具成形面的洁净度。

1.1传动系统

为满足各种成形工件的需要,笔者设计了具有3个自由度的工作台和沉积装置的运动系统,主要参数如表1所示。

根据试验要求设计了传动装置,因为蜗轮蜗杆传动啮合的齿数多,传动平稳,噪声低,所以选用了蜗轮蜗杆传动,其传动原理如图2所示。本传动系统由步进电机1、螺杆13、蜗轮蜗杆14,步进电机3、螺杆11、蜗轮蜗杆12和小齿轮4,步进电机5、螺母6、螺杆9三个传动环节组成。螺杆13通过步进电机1提供动力驱动蜗轮蜗杆14做上下运动,与蜗轮蜗杆14连接的沉积盘可上下运动;步进电机3通过联轴器与蜗轮蜗杆12相连,蜗轮内孔配有螺纹使螺杆11做旋转运动,同时带动沉积盘做旋转运动;小齿轮4由步进电机5提供动力并与螺母6相啮合,固定螺母6带动与工作台相连的螺杆9在X方向上移动。

1.步进电机 2.固定板 3.步进电机 4.小齿轮 5.步进电机 6.螺母 7.坩埚 8.工作台 9.螺杆 10.沉积盘 11.螺杆 12.蜗轮蜗杆 13.螺杆 14.蜗轮蜗杆

根据所设计的工作台及沉积装置,可以在本喷射成形装置上完成回转体小型模具的喷射成形。在精密喷射成形过程中,利用喷嘴垂直偏置一定角度、X方向移动及沉积盘Z方向运动、旋转运动,亦可实现模具的矩形型腔的成形,如图3所示。

1.2熔炼系统

根据小型热锻模具精密喷射成形的特点,虽然高频电源的频率高,集肤效应严重,温度不易均匀,但考虑到熔炼炉子小,电磁搅拌作用下温差会很快均匀化,为降低成本,采用高频炉进行熔炼。炉料在感应加热时会产生由表面向中心依次减弱的感应电流的集肤效应,其分布规律如下[13]:

式中,Ix为距离导体表面x处的电流强度;IA为导体表面的电流强度;x为表面到测量处的距离;Δ为电流透入深度。

当x=Δ时,由式(1)可得Ix=0.3681A,从电流强度降低到表面电流强度的36.8%的那一点到导体表面的距离就是电流透入深度,可用它来表示金属炉料的热量吸收率。

电流透入深度Δ可由下式计算:

式中,ρ为导体的电阻率;μ为导体的磁导率;f为电流的频率。

圆柱形炉料直径的最佳尺寸范围可由下式计算:

式中,n为实验常数,取3～6;Δt为炉料温度在居里点以上时的透入深度。

由式(1)～式(3)可以计算出高频感应炉的电源频率、电流强度、圆柱形炉料尺寸之间的最佳关系,控制熔炼过程中不同坯料直径对应的熔炼电流大小,可最终得到高质量的钢液。

本高频感应电源的振荡频率f=30～80kHz,计算时取μ=1H/m,ρ=10-10Ω·m,n=3～6,计算得出Δt=1.78～2.91mm,d=5.34～17.46mm,所以,试验中为了尽快熔化坯料,坯料直径应选在5.34～17.46mm之间。

1.3雾化系统

在精密喷射成形制模过程中,雾化喷嘴是喷射成形设备中最重要的部件之一。喷嘴设计一般要满足以下几个要求:①雾化介质应获得尽可能大的出口速度和能量;②保证雾化介质和金属液流之间有尽可能合理的喷射角度;③使喷射出的金属固液相产生最大紊流;④喷嘴不易堵塞。

在本装置的雾化系统中,高压气体是雾化能量的来源,氮气纯度大于99.6%。气体通过控制阀,精确控制雾化金属液流的压力和流量。

在参考现有喷嘴的基础上,结合流体动力学理论和精密喷射成形工艺的特点,设计出了限制式、单环缝、垂直式喷嘴(图4)。本喷嘴一个重要特征就是增加了辅助气环和辅助气孔,它可以有效地防止液流反喷而堵塞导液管。它由进气孔、辅助风孔、气室、环缝四部分组成,高压气体通过进气孔进入气室,气体通过环缝喷出并与液流相遇,起到雾化金属液的效果。进气孔由两个主进气孔和两个辅助进气孔组成,主进气孔与气室垂直,气体垂直进入;辅助进气孔与气室相切,气体侧向进入,使气室中的气压均匀稳定。

1.4沉积接收系统

热锻模精密喷射成形工艺的重要特点是:可以直接制得模具,并保证了喷射模具成形面的粗糙度、模具外形尺寸及热硬度。接收器采用循环水冷结构,通过接收器的适当运动,可以获得均匀的沉积坯组织和精确的模具外形。

接收器采用了陶瓷母模作为雾化液滴的沉积接收盘(图5)。为了获得表面质量高、外形精确的热锻模具,接收器通过升降控制机构控制陶瓷母模的升降方向和升降速率,步进电机驱动蜗轮蜗杆传动机构控制沉积基底的旋转速率。本装置采用中心循环水冷结构,可以迅速、有效地降低模具热量,满足精密喷射成形技术快速凝固的特点。

2 初步试验及效果

气门是燃油发动机的关键部件之一,通常采用高温强度较高的合金作为气门材料。在气门模锻成形过程中,先采用电镦制坯,获得蒜头形状的坯料,再在精密热锻模具上镦成气门形状的锻件(图6)。模具由上模和下模组成,下模由下模芯、下模套和下模座组成。气门精密热锻模具的工艺路线为:下料→锻造→退火→机械加工→淬火→两次回火→磨孔→型腔抛光→氮化。气门热锻模具制造工艺非常复杂,使用过程中易出现以下三种失效形式:①锻模圆弧R部位和分模面上模腔边缘易塌陷变形;②锻模圆弧R部位和R下颈部台阶部分易出现磨损或擦伤沟槽;③锻模型腔所受应力较复杂,一般都同时受到压应力、拉应力和弯曲应力的作用,且工作频率高,模腔易出现热疲劳或模体断裂。这些失效形式大大缩短了模具的使用寿命。根据部分气门制造厂家统计,其使用寿命通常在数百件到数千件之间[14,15,16,17]。

为开展喷射成形制作气门锻模的研究,制作了气门喷射成形快速制模装置,图7为所研制的精密喷射成形装置外观图。图8a所示为制作陶瓷母模(气门)的一个开模过程,陶瓷母模(气门)由陶瓷气门和一个模具组成,经过灌浆、凝固、烘干后得到了陶瓷母模实物(图8b)。陶瓷母模(气门)要求直径D=80mm,凸台直径d1=35mm,中心圆柱直径d2=9mm,凸台和中心圆柱采用圆弧过渡。

对发动机气门热锻模具精密喷射成形快速制模技术进行了初步的试验,图9是喷射沉积模具过程示意图,制得的陶瓷母模固定在沉积盘上,锻模外形圈限制模具外形,喷嘴雾化的金属沉积在锻模外形圈和陶瓷模具之间。最后喷射出图10所示的气门热锻模具,且热锻模的型腔表面粗糙度较低,尺寸精度较高。

3 结论

(1)所研制的通用、小型精密喷射成形装置具有结构简单,造价低、通用性强的特点,适合小型热作模具喷射成形的研究工作。

(2)本装置采用高频加热,并取消了中间包,加热速度快,热量损失少,能量消耗低。

(3)喷嘴采用了辅助气孔,强化了雾化效果。冷却水强制冷却,保证了快速凝固条件,以获得良好的组织。

(4)喷射成形装置具有沉积盘Z方向运动、旋转运动及喷嘴X方向移动3个自由度,且通过喷嘴偏置和3个自由度耦合,能够喷射成形各种小型矩形型腔模具及回转体型腔模具。

精密塑性成形模具篇4

1 镁合金精密压铸成形工艺与实例分析

1.1 成形工艺

对于镁合金而言, 其压铸成形主要通过两种方式:铸造以及塑造变形。经研究分析后得知, 未来会更多偏向于挤压、半固态、真空以及充氧压铸等成形工艺。

(1) 压铸。对于镁合金铸造成形工艺而言, 压铸是最基础的一步。使用镁合金生产壁厚度在1至2毫米的压铸件是很简单的, 其最小壁厚度能够达到0.6毫米, 而对于铝合金铸件而言, 其最小壁厚在2.3至2.5毫米。镁合金相比铝合金而言, 其尺寸精度高出后者一半。铝合金的铸造斜度在2至3度, 而镁合金的则在1.5度。镁合金模具寿命长于铝合金2至4倍。

(2) 真空压铸。真空压铸, 即在压铸成形过程中, 将型腔内的气体抽出以达到降低或者消除压铸件内所含有的溶解气量或者气孔的目的, 从而提升压铸件的质量与性能。对于镁合金而言, 其凝固区较广, 因此在凝固收缩时很容易生出枝晶, 而局部区由于被枝晶封闭, 其液体在补缩过程中被阻碍, 从而产生负压, 这便是在卷入气体时易于析出的位置。镁合金中存在疏松现象, 易于形成气孔, 而气孔又使疏松得以扩大。因此, 要通过压铸来对镁合金中所卷入的气体量进行控制, 有利于减少缩松量以及缩孔倾向, 在很大程度上使镁合金铸件的性能得到改善。

(3) 充氧压铸。也可称为无气孔压铸, 即在利用金属液进行充型之前, 将氧气等活性气体充于型腔内, 来对型腔内部原本的空气进行置换。当应用金属液来充型时, 氧气等活性气体会与金属液充分反应, 形成金属氧化物状颗粒, 分布于压铸件内部, 从而对其内部气体进行有效消除, 这样也便于通过热处理对压铸件进行强化。据相关学者的研究成果表明, 对镁合金进行充氧压铸类似于重力铸造, 都可应用热处理来予以强化, 并且其力学性能都远超过普遍或者重力压铸件。而对于普通镁合金压铸件而言, 其在予以热处理时会产生变形, 致使无法测试其力学性能。

(4) 挤压铸造。即应用较慢的速度与最小的扰动来进行充型, 使金属液能够在高压下充分凝固, 从而获取能够进行热处理的高密度铸件。此种铸造工艺最大的优点在于具备较高的充型压力, 远远高于重力金属铸件。挤压铸造根据其挤压方式可分为直接和间接挤压铸造。经过研究后得知, 若对镁合金采用挤压铸造, 则其铸型温度需控制在200至300摄氏度, 充力在50至150MPA, 其涂料一般为石膏基。

(5) 半固态铸造。虽然应用前面四种方法能够使铸造出的镁合金件具备质量好、形状复杂的特点, 但是由于在铸造过程中必须经过经过热处理来保证合金液的流动, 这一过程会产生较多问题。例如镁合金经过氧化后燃烧。而半固态铸造则能够有效解决这一难题。主要原因在于半固态铸造具备金属液损失量低、金属喷溅现象少、充型平稳、具备精度较高的尺寸精度、能够被热处理、寿命长等优点。具体而言, 有流变以及触变铸造两种方式。

1.2 实例分析

在此以某镁合金压铸件为例, 主要以型号为AM60B的来进行生产。其上护罩壁厚2.6毫米, 重量约为0.45千克。

1.2.1 确定其各个工艺参数

(1) 压实压力。这是重要参数之一, 由于本文所选的镁合金压铸件为一般性的, 因此压实压力在30至50MPa之间, 再结合压力机的实际情况, 将压实压力定为32MPa。

(2) 胀型力。其计算公式为:

其中F主为主胀型力, A则为铸件投影于分型面的面积, p则为压实压力。而由于抽芯距离最少为162毫米, 综合考虑成本及可靠性, 抽芯机构则应用液压油缸。抽芯力计算公式为:

其中, F分则为法向分力之和, A芯则表示侧向端面面积, a为锲紧角度, F插为插芯力。再计算其锁模力, 公式为:

其中F锁为锁模力, K为安全系数1.25。

由于上护罩投影于分型面的面积为272cm2, 40%的浇注系统和溢流槽所形成的面积为108.8cm2, 则算出A=380.8cm2, 则F主=1218.56KN。由于侧向投影面积为87.84cm2, 所选液压油缸为100毫米, 则F分=108.97kn, F锁=1725.789KN。由于该锁模力<400T压力机的锁模力, 因此可选择400T的压力, 则确定压室直径为60毫米。这样一来便可证明, 压力为32MPa满足工艺要求。

1.2.2 计算速度

速度主要包括冲头速度以及内浇口速度, 而前者由后者确定。结合本产品的要求与特点, 选定其速度为70m/s, 充型t为25ms, 其内浇口面积公式为:

其中Ag为内浇口截面积, V为压铸件与溢流槽两者体积的60%, v内为速度。由于冲头面积为2 826mm2, Ag=167.77, 冲头速度约为4.15m/s。

另外再选择模具温度为200℃, 传热系数为1 200W/m2/K, 浇注温度为680℃, 保压t为5秒, 留模时间为10秒。

1.2.3 模拟压铸过程及结果分析

本次试验采取美国UES开发的Procast软件, 其模拟能力极为强大, 可以将铸件过程中所产生的任何问题都模拟出来。遵照一定的模拟流程后, 对结果进行分析, 发现金属液在充填时较为平稳, 未出现对流以及回流, 内浇口V也在70m/s上下。但是铸件出现少许裹气状况, 气体难以溢出, 导致气孔缺陷, 对铸件质量造成影响。为此, 可以将顶杆替换为推管, 既能有效推出, 又能有效排气。

2 模具设计制造

2.1 模具设计

2.1.1 模具设计应遵照的原则

(1) 模具构件的强度和刚性要足够高, 尤其是成型零件, 一定要具备较好的耐热及抗冲击性能。这样能够保证其在使用金属液予以填充以及金属流产生了较强的冲击作用时不会产生变形。 (2) 在对内浇口进行设计时, 防止其直对型芯, 这样可以避免由于金属液产生正面冲击而被冲蚀或出现变形。 (3) 已成型零件不要出现尖劈或者钝角现象, 保证局部具备较好的刚性与强度。 (4) 若成型零件具备易损性, 则需采取单独镶拼法, 一旦出现损坏方便更换, 从而提高整体铸件的使用寿命。 (5) 在对压铸模进行设计时, 要保持模具处于热平衡状态, 特别是对于一些较大且较复杂的模具而言, 选择合理的温控系统, 会极大提高其使用寿命。

2.1.2 设计要点

(1) 成型零件的设计:1) 镶块设计。镶块材料成本较高, 因此在设计镶块时要对其尺寸进行严格控制, 以节省成本。一般而言没有小台阶的镶块是通过在底板上铣型腔, 而后在背部采用螺钉将镶块锁住的安装法。2) 型芯设计。主要采用台阶式安装法。台阶只有固定及止转作用, 因此其尺寸要严格控制, 厚度一般在5毫米左右。

(2) 侧抽芯设计。主要考虑侧抽芯设计要点、抽芯力、抽芯距离等。

(3) 模架及其他附件设计。模架设计包括以下内容:定模模板 (A板) 、动模模板 (B板) 、支承板 (C板) 、顶针板及底板。1) A、B板设计。对于A、B板而言, 其主要功能在于固定动、动模镶块等内容。因此在设计时, 首先要考虑的是如何固定镶块, 而后再使抽芯机构固定, 最后再安装导柱导套。2) 顶针板及底板设计。其主要作用是将铸件推出并预回位顶针。3) C板设计。C板即模脚, 主要作用在于为模具提供能够顶出的空间。4) 其他附件设计。主要包括导轨导滑槽、反拉杆以及液压油缸支承块等。

2.2 模具制造

模具制造指通过一定的工艺条件与加工形式, 对模具材料的尺寸、形状以及物理性能进行改变, 使其达到设计标准, 成为合格的模具零件。而后再通过组装———部装———总装———试模等工艺流程, 制造出合格模具。包括以下要点:

(1) 加工组配零件。模具由众多零部件组成, 由于在使用时存在要求, 因此导柱、套孔、推杆固定板、复位杆孔、合模等零部件需要组织加工。

(2) 制造方法。主要包括锻造、热处理、切削加工、处理表面以及装配等。切削加工是最重要的一环, 主要是指采用多种形式, 例如车床、插床、铣床以及磨床等予以加工后, 剔除加工余量, 而后加工半成品, 使其尺寸、形状等符合蓝图需要, 最后通过组织形成整体模具。

(3) 高速铣。它是模具制造中最重要和最先进的制造技术, 具有高效、低耗以及优质的特点。关键技术有刀具、机床、模具软件、CNC等系统。在采用该技术时, 要注重其铣刀的铣削速度及进给速度的参数值。

(4) 电火花。另称为放电或者电蚀加工。其原理在于充分利用两个电极所产生的火花放电, 以蚀除电极材料。具体如下图所示, 图中1为工件, 2为脉冲电源, 3为自动进给装置, 4为电极, 5为工作液, 6为过滤器, 7为泵。

(5) 电火花线切割。原理在于将连续移动的电极丝作为电极, 脉冲火花放电于工件, 再对金属进行蚀除, 而后切割成型。适用于规模较小、精密度高及形状复杂的工件。此种制造方法优点较多, 精度高、周期短、成本低等, 因而得到普遍应用。

(6) 磨削加工。据统计, 在整个模具总制造时间中, 应用磨削加工占了25%至45%。其加工流程为:工件的金属表层被磨削掉, 受到磨粒产生的挤压和摩擦作用后发生变形, 再变为磨屑, 表面变得光洁。其全过程主要表现为力以及热的作用。

(7) 模具装配。即遵照模具合同要求, 将已经加工好且达标的零件按照一定的工艺流程装配成模具。装配方法主要包括互换、分组互换、修配与调整等装配法。

(8) 试模。这是模具制造的最终环节, 即将模具应用于压铸机上, 现场检验其成形效果, 分为装模、试模以及调整三个环节。

3 结语

综上所述, 镁合金精密压铸成形工艺较多, 其模具设计与制造流程也较为繁复, 但是由于需求量大, 仍然需要对其进行探索研究, 以促使我国经济在快速发展的同时能够保护环境, 实现可持续发展。