超塑成型模具型腔技术的研究进展

超塑成型模具型腔技术的研究进展

1超塑制模技术目前，黑金属陶瓷复杂腔的主要制造方法仍然是电加工和机械工程，复杂的高精度模拟腔主要采用叶脉熟加工方法。尽管电加工和机械加工技术与装备比较成熟,但是,对于型腔复杂度高、型腔过渡圆角极小、寿命要求长以及处于研发试制阶段的产品模具,在技术方面或在经济方面难以满足要求,超塑成型模具型腔(简称超塑制模)技术可以作为重要的补充手段较好地满足上述要求。利用模具钢在超塑状态下材料变形抗力较低、塑性和流动性较好并且基本不产生加工硬化的特性,采用超塑等温成型的方法,可一次挤压成型出复杂模具型腔。超塑制模技术具有优质、快速、经济的特点,是一种少无切削的高效率模具型腔制造技术,其对设备、工装要求相对较低,可以用来制造精锻、热锻、挤压等锻模,也可制造压铸模、胶木模、塑料模、橡胶模等各类型腔。伴随黑色金属超塑性研究不断取得进展的过程,经过近二十几年发展,我国超塑制模技术已趋于成熟,已在模锻、挤压等金属塑性加工和非金属材料产品制造领域得到生产应用。超塑制模可用于制造工模具钢、铜合金、铝合金和锌铝合金等型腔,其中在制造工模具钢型腔时技术难度大、技术含量高,现以典型热作模具钢的复杂型腔为研究对象,介绍超塑制模原理,系统归纳、总结模具钢超塑制模特点,探讨超塑制模工模具设计及工艺,成型出连杆等精密模锻模具型腔。2标准热作模法中的钢超塑料制造模型的研究2.1超塑制造模型的工艺研究2.1.1材料物理性能金属超塑性主要分为2类:组织超塑性(微细晶粒超塑性、结构超塑性、静态超塑性)和相变超塑性(动态超塑性),目前研究较多并己达到应用阶段的是组织超塑性。组织超塑性就是材料具有等轴细晶组织时,在一定的温度和应变速率条件下,呈现出超常的塑性,表征为塑性延伸率指标超常,并具有较高的应变速率敏感性;超塑变形后材料得到等轴细晶组织,经过热处理强化,可以获得优良的综合机械性能。超塑制模技术就是应用金属材料组织超塑性的特点,在超塑状态下采用等温挤压成型的方法一次成型出复杂模具型腔的技术。以典型热作模具钢5CrMnMo为对象,重点研究其组织超塑性。超塑性单向拉伸试验在改装德国产WPM-5T型机械拉伸机上进行,用自制的三段控温直整筒式加热炉加热,恒温区长度300mm(温差1.5℃);由国产JWK-703精密温度控制装置控温;载荷由BLR-1型(1.96kN)拉压力传感器、YJD-1型电阻应变仪、LZ3-304函数记录仪测定记录。5CrMnMo超塑性单向拉伸试样采用JB4408-87标准中标准长棒状拉伸试样,如图1所示,其标距L0=25mm,材料为供应态ϕ20mm热轧棒料,主要化学成分(wt%)为:0.54C,0.97Cr,1.38Mn,0.17Mo。组织超塑性要求材料具有超细的晶粒尺寸(一般应小于10μm)。经试验研究,淬火和高温回火是细化热作模具钢和工具钢有效、经济的方法。已有的研究结果表明,绝大多数材料的超塑温度-延伸率关系曲线多为单峰函数,在拉伸试样经同样预处理状态的情况下,首先试验测试出最佳超塑温度、机械拉伸试验机的卡头速度V(拉伸速度V)区间,然后再补充其他参数的拉伸试验。图2~图5是经850℃淬火和450℃回火一次细化处理后5CrMnMo的超塑性单向拉伸主要参数变化曲线,即在应变速率为2.0×10-41/s条件下的温度T-延伸率δ曲线、温度T-流动应力σ曲线和在705℃条件下的拉伸速度V-延伸率δ曲线、拉伸速度V-流动应力σ曲线,其中拉伸初始应变速率ε0(简称应变速率ε)是根据JB4408-87标准由拉伸速度V(mm/min)和拉伸试样标距L0尺寸换算得出,试验采用的拉伸速度V范围为0.2~0.8mm/min(相对应的应变速率1.3×10-4~5.2×10-41/s),试验的温度区间为670~750℃。从图2T-δ曲线可以看出:在705℃时获得最高延伸率的平均值为432%,测得的流动应力敏感性指数m值为0.45(一般认为m值≥0.3时,材料具有超塑性),说明经预处理后5CrMnMo呈现出良好的组织超塑性,此时的流动应力仅为58MPa。在705℃、2.0×10-41/s应变速率(相应的V值为0.3mm/min)条件下,对供应态5CrMnMo拉伸试样进行高温拉伸试验,测得的最高延伸率为122%、m值为0.12、流动应力为110MPa,说明供应态5CrMnMo的延伸率约是超塑性状态的1/4,流动应力比超塑性状态的高约1倍。试验测得经850℃淬火和450℃回火2次细化处理后5CrMnMo的最佳超塑温度仍是705℃,延伸率为530%,m值为0.58,而超塑应变速率为2.7×10-41/s,说明经2次细化处理后5CrMnMo的流动应力可降低约25%,延伸率和m值分别提高了60%和29%。表1是供应态和一次细化处理、两次细化处理后,5CrMnMo高温拉伸试验测得的各项参数值对比表。从图2T-δ曲线可以看出:在试验的温度区间670~750℃,从670~705℃,延伸率逐渐提高,在705℃达到最高值;从705~750℃,延伸率下降得较快;在670、750℃时,相应的延伸率值分别是300%、162%。从图3T-σ曲线可以看出:在705℃时流动应力不是最低值,最低的流动应力值(10MPa)发生在720℃,相对应的延伸率为310%。在670~750℃试验区间,从670~720℃,流动应力直线下降,在720℃达到最低值;从720~750℃,流动应力又直线上升;在670、750℃时,相应的流动应力值为96、80MPa。在试验应变速率为1.3×10-4~5.2×10-41/s,即拉伸速度V为0.2~0.8mm/min,一次细化处理后5CrMnMo的延伸率在280%~432%;在应变速率为2.0×10-41/s条件下,获得最高延伸率的平均值为432%(如图4所示)。在705℃试验条件下,在试验的应变速率为1.3×10-4~5.2×10-41/s,流动应力随应变速率提高而呈直线上升。在1.3×10-41/s、5.2×10-41/s应变速率时的流动应力分别为55、87MPa(如图5所示)。2.1.2主要影响因素超塑制模的主要工艺参数包括:超塑成型温度、成型速度、成型力以及润滑保护剂、保温时间、保压时间等。(1)超塑成型温度的选择。超塑成型温度是最主要的工艺参数,直接影响到锻件成型的质量、成型力的高低、复制母模材料和润滑保护剂的选择。从5CrMnMo的温度与延伸率、流动应力超塑性拉伸曲线(见图2、图3)可以看到变形温度对延伸率、流动应力的影响较大,在705℃时延伸率最高(432%),在720℃时流动应力最低(10MPa)。应综合考虑温度对延伸率、流动应力的影响,在680~720℃超塑成型温度区间,即超塑成型温度区间长度40℃,成型温度范围较宽,在实际生产中容易实现,可以节约工装成本,680~720℃作为超塑成型温度区间是比较合适的;在应变速率为2.0×10-41/s条件下,相对应的延伸率和流动应力分别为310%~432%与10~80MPa。(2)成型速度的确定。超塑成型速度也是直接影响锻件成型的质量、成型力高低的重要工艺参数,是实现超塑成型的关键因素。从5CrMnMo的应变速率与延伸率、流动应力超塑性拉伸曲线(见图4、图5)可以看到,在试验区间内应变速率对流动应力的影响较大,对延伸率的影响相对较小,在最佳的2.0×10-41/s应变速率下获得432%最高延伸率,在1.3×10-4~5.2×10-41/s应变速率范围内,相对应的延伸率和流动应力分别为280%~432%与10~87MPa,此应变速率区间作为超塑成型应变速率区间是比较适宜。(3)成型力的估算。成型力值是选择成型设备的吨位、设计模具的重要依据。因超塑制模是在等温、匀速条件下进行的,超塑制模的成型力P=被锻压材料的流动应力σ×锻件的投影面积S,σ是直接影响P的最关键的参数。一维超塑力学本构方程可以表达为:σ=K·εm,其中:K是材料常数,ε是应变速率。超塑成型温度、超塑成型速度、流动应力敏感性指数是影响σ的直接因素。流动应力敏感性指数m对σ影响是指数关系,在超塑状态下(m值≥0.3)流动应力要比非超塑状态下的流动应力小很多,m值增大,σ值迅速降低。一般来说m值越大,需要的材料预处理次数越多,也就越不经济。因此,要根据现有设备情况、待成型的锻件质量和效率要求,先确定其他工艺参数,然后计算出P值。(4)润滑剂的选择。在典型热作模具钢超塑制模时,润滑剂要对复制母模和型腔坯料起到防氧化和润滑的双重作用,其选择将直接影响型腔的精细结构和表面质量。(5)保温和保压时间的选择。保温主要是为了使模具、坯料温度均匀,保压对型腔的精细结构和表面质量有重要影响,具体时间由实验确定。2.2模型的设计2.2.1成型精度对加工的影响超塑制模的成型方式主要有开式、半开半闭式和闭式3种,其示意图如图6所示。开式成型方式具有型腔坯料精度要求低、成型力小、经济的特点,但型腔成型精度较低,后续的机械加工量较大;闭式成型方式具有型腔坯料精度要求高、成型力大、成本高的特点,但型腔成型精度高,后续的机械加工量很小;半开半闭式成型方式具有型腔坯料精度要求、成型力、经济性等适中的特点,型腔成型精度较高,后续的机械加工量较小,是最常采用的成型方式。2.2.2模口导向方式超塑制模的模具导向方式主要有:利用设备自身导向、模口导向和导柱导向3种,其中,设备自身导向的经济性最好,模具结构简单;模口导向经济性、模具结构复杂性适中,是超塑成型小尺寸锻件时最常采用的导向方式,模口导向的示意图如图6(c)所示;导柱导向结构其成本高并导致模具结构复杂,一般成型精度要求高,模口导向不能满足要求时采用。2.2.3型腔的铸造和变形高温复制母模是超塑制模的关键部件,其尺寸、形状精度与表面粗糙度直接决定了成型的型腔质量。超塑成型热作模具钢模具型腔的复制母模3和凹模套6一般选择铸造或变形高温合金。由于复制母模与型腔坯料是异种材料,考虑材料热膨胀系数差异较大引起的尺寸误差,应计算出复制母模的放缩率λ。如果模具型腔的深宽比较大,可参考模具型腔技术要求在复制母模上设计拔模斜度,超塑制模的最小拔模斜度可以接近零。复制母模的表面粗糙度一般比模具型腔要求的高1~2级。2.3表面粗糙度超塑制模的工装主要包括模具型腔坯料、加热装置及控温仪表等。模具型腔坯料的形状依模具型腔的形状、尺寸而定,一般为圆柱体或长方体,其高度尺寸一般比型腔深度尺寸高约10%~30%,留作后续加工之用,坯料上表面应磨削加工,表面粗糙度要高于型腔技术要求的表面粗糙度。加热装置的加热方式主要有电阻加热和感应加热2种,由于感应加热易产生集肤效应,加热的均匀性较差,大多数情况下采用电阻加热方式。常采用自偶变压器、直流电位差计与热电偶手动控温、测温,也可根据实际情况,采用通用的自动控温装置控温,如国产JWK系列精密温度控制装置控温,或自行设计自动控温装置控温。2.4滑块的成型性图7是采用超塑制模方法成型出的5CrMnMo连杆等精密模锻模具型腔及用其锻造出的合格锻件实物照片。超塑制模在通用5000kN四柱液压机上完成,此设备导向较好,可以满足本模具型腔的技术要求,采用半开半闭式超塑制模的成型方式;加热板(图6中件7)与加热炉圈联合加热,用自偶变压器手动控温;凹模套外壁设置三点测温孔,用UJ32型便携式直流电位差计与镍铬-镍铝热电偶手动测温;采用液压机的控速装置控制滑块速度,用百分表监控滑块的位移量与速度的均匀性。5CrMnMo型腔坯料经850℃淬火和450℃回火一次细化处理,超塑成型温度为(705±5)℃,液压机下行速度为0.3~0.8mm/min,开始成型时采用0.8mm/min,10min后采用0.3mm/min匀速压下,压下时间为7min,保压时间为5min,估算的成型力为1220~1600kN;实际成型时间为22min,加上辅助工序时间总需时间约为40min(含型腔坯料预热到705℃放入凹模套后保温15~18min),压下量为10mm,实际测得的成型力:1500~2100kN,其中1500kN是开始变形的成型力平均值,2100kN是最终保压时的成型力平均值,实际成型力比估算成型力高的主要原因是在估算时忽略了摩擦、实际成型时温度是下降的等因素,这些因素会引起变形抗力提高。3模具型腔加工技术的应用超塑制模技术是一项模具型腔制造的新技术,属于少无切削的等量加工技术范畴,在加工模具钢材料的型腔,特别是对于型腔复杂度高、型腔过渡圆角极小、寿命要求长以及处于研发试制阶段的产品模具型腔,与机械加工、电火花加工和冷挤压加工等方法相比有如下优势:(1)可一次成型出型腔复杂度高、型腔过渡圆角极小、寿命要求长的工模具钢型腔,并具有良好的重复制造性(复制母模可以重复使用,重复制造的型腔精度一致性好),生产效率较高,特别适用于大批量生产零件的模具型腔制造,如汽车连杆等关键零部件、高质量的黑色金属和不锈钢标准件的模具型腔,综合经济效果更明显。(2)超塑制模技术使模具型腔的材料原始流线完好,表面不存在硬化层、热影响层与显微裂纹;材料在超塑状态下加工硬化程度轻微、变形抗力小,塑性、流动性与充填性极好,型腔精度较高;超塑成型后材料得到等轴细晶组织,无各项异性,经过热