專利名稱：：一種鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法及其加熱裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及金屬材料塑性加工領域，即屬于鎂合金殼形件熱塑性成形，該工藝可以應用在鎂合金和鋁合金等難以加工材料的各種復雜形狀殼形件的小批量生產(chǎn)。
背景技術：
：鎂合金具有比強度高、剛性好和綜合機械性能，極佳的防震性，耐沖擊、耐磨性良好，優(yōu)良的熱傳導性，非磁性金屬抗電磁波干擾能力強，電磁屏蔽性好、加工成形性能好、成品外觀美麗質(zhì)感佳、無可燃性，相對于塑料材料回收率髙，符合環(huán)保法，尺寸穩(wěn)定、收縮率小、不易因環(huán)境溫度變化?？梢詮V泛應用在航空航天、電子通訊等領域，具有廣闊的應用前景。應用最多的變形鎂合金板牌號是AZ31，廣泛應用于室溫和稍高的溫度條件下。由于鎂的密排六方晶格結(jié)構(gòu)，鎂合金室溫塑性差，難以塑性加工。目前，國內(nèi)外對AZ31變形鎂合金成形技術進行了大量的研究，主要集中在AZ31板材非等溫熱沖壓成形技術、液脹成形、氣脹成形等方面的研究。在溫拉深成形取得突破，如厚為0.61.0mm的AZ31鎂合金薄板，在拉深溫度為15030CTC，拉深速度515mm/s時，極限拉深比達到2.5以上，其缺點是必須借助于昂貴的模具成形，大大地增加了產(chǎn)品的開發(fā)成本，另一方面對復雜形狀件難于成形。對于液脹成形和氣脹成形來說，可生產(chǎn)一些形狀簡單(如半球狀)的成形件，仍難于形狀復雜件成形，其缺點是模具成本或產(chǎn)品種類少。無模單點數(shù)控漸進成形方法，由于不是針對特定板殼零件采用模具一次拉深成形，可加工任意形狀復雜的工件，省去了產(chǎn)品設計過程中因模具設計、制造、實驗修改等復雜過程所耗費的時間和資金，極大地降低了新產(chǎn)品開發(fā)的周期和成本，特別是對飛機、衛(wèi)星等多品種小批量的產(chǎn)品以及用于汽車新型樣車試制、家用電器等新產(chǎn)品的開發(fā)，都具有巨大的經(jīng)濟價值。目前，國內(nèi)外已成功地在室溫條件下利用漸進成形技術研制與加工出鋁板的各種形狀殼體，而對于強度和硬度比較大以及塑性較差的鎂合金、硬鋁合金和鈦合金等難于加工的材料，還難以實現(xiàn)無模漸進成形。要實現(xiàn)和解決這一問題，必須使合金成形板料在成形過程中得到加熱，其成形性能得到改善，并適合于塑性加工。因此，基于數(shù)控漸進成形技術和專用加熱裝置的無模漸進熱成形是解決這一問題的有效途徑之一。借助于模具來完成的傳統(tǒng)金屬塑性加工，不能完全適應制造業(yè)多品種小批量的生產(chǎn)方式。板料激光成形是一種新興的塑性加工方法，這是一種無模具、無外力的非接觸式熱態(tài)積累成形技術，具有生產(chǎn)周期短，柔性大，精度高等特點。并且，借助紅外測溫儀及形狀測量儀，可在數(shù)控激光加工機上實現(xiàn)全過程閉環(huán)控制，從而保證工件質(zhì)量，改善工作條件。板材激光彎曲作為一種新型無模具成形技術正日益受到板材成形加工界的密切關注，其基本原理是利用高能激光束掃描金屬板材表面時形成的非均勻溫度場導致的熱應力來實現(xiàn)塑性變形的工藝方法。由于在成形過程中成形件產(chǎn)生殘余應力，需要成形后整體熱處理，將導致成形件的變形。此種方法也不能完全滿足板料近等溫漸進成形的要求。專利CN02144943.0是一種鎂合金板材加工方法及專用裝置。它釆用板材沖壓技術成型鎂合金殼形件，將模具預熱至20050(TC，鎂合金板料加熱至20035(TC，將板料涂潤滑劑后放入模具中，控制拉延比在1.53范圍內(nèi)，拉延速度為5080mm/min。這種方法的缺點是針對一定殼體件形狀，需要設計和加工專用模具，由于昂貴模具費用將增加開發(fā)和產(chǎn)品的成本，特別是對單件或小批量生產(chǎn)；對形狀復雜的沖壓件，增加模具設計和沖壓工藝的難度，甚至難以實現(xiàn)。專利CN200610117578.0是鎂合金板材差溫拉延模具。本發(fā)明通過同時加熱鎂合金板材的法蘭部分，冷卻凸模和沖壓件側(cè)壁部分，實現(xiàn)差溫拉延工藝，提高鎂合金板材溫熱拉延性能。該拉延工藝特點是靠差溫而成形。該方法的缺點是需要昂貴模具而增加成本。專利CN91102339.9是雙層球形容器的整體脹形制造方法。該工藝方法屬于液脹成形，不需要模具和大型壓力機，工序簡單，成本低和殘余應力小。該方法的缺點是只能制造一些形狀簡單的脹形件。專利CN02115301.9是一種脹形方法及其實現(xiàn)該脹形方法的裝置。該發(fā)明特點是在模具中實現(xiàn)脹形，脹形后的產(chǎn)品不會留有難以清洗的液壓油和取出時不會被模具所損傷。與無模液脹相比，該發(fā)明的缺點是增加了模具費用。鎂合金板坯料在室溫條件下無法實現(xiàn)各種形狀殼體件的無模漸進成形。由于變形鎂合金在10040(TC區(qū)間發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶、軟化和良好的塑性，大大地改善了鎂合金的成形性能，為實現(xiàn)鎂合金各種形狀殼體件的無模漸進成形提供必要條件，并可解決形狀復雜難成形的鎂合金薄板加工問題，同時降低研制、開發(fā)和制造成本。該方法可推廣應用到強度和硬度大以及塑性差的室溫難于成形的硬鋁合金等材料的殼體件制造。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)以上情況，本發(fā)明的目的在于提供一種適合于鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法及其加熱裝置，這種方法可以保證成形工具頭在運動過程中始終處于設定溫度條件下，可避免利用電阻加熱通過熱輻射方式使整個板坯料帶來的較大溫差，以影響合金的組織結(jié)構(gòu)以及性能的變化，它可以保證獲得性能良好的各種形狀鎂合金殼體件。為了實現(xiàn)該目的，本發(fā)明者進行了反復研究，發(fā)現(xiàn)鎂合金板料通過特定的成形條件可避免由于室溫脆性難于成形的缺點，并可通過數(shù)控漸進成形技術實施點積累成形(無模積累成形)。我們發(fā)現(xiàn)，這種加熱系統(tǒng)可解決由于使用電阻加熱壓邊圈而出現(xiàn)的板料溫度不均勻問題，又解決了由于使用電爐通過熱輻射加熱合金板料而導致的成形開始溫度和結(jié)束溫度偏差較大，特別是高溫將導致合金晶粒組織嚴重粗大，進而影響成形件的應用性能。本發(fā)明所采用的技術方案是一種鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法，包括加熱板坯料、數(shù)控漸進成形、后續(xù)處理的步驟，其特征在于還包括加熱前在板坯料上涂刷潤滑劑；加熱過程采用電阻加熱和熱輻射結(jié)合，即先通過熱輻射對合金板料進行預加熱，并使板料處于成形近等溫條件；再利用電阻棒通過快速加熱而實施調(diào)整合金板料的溫度。在上述方法中，數(shù)控漸進成形步驟的工藝條件優(yōu)選以下成形工具壓頭的壓下量為0.1mm0.2mm，進給速度為1200mm/min.2000mm/min.，一次成形極限角度不大于69°;成形溫度不大于25(TC。在上述方法中，所選用的板坯料的厚度最好為0.6mm-1.5mm，成形極限角度最好為42°~69°;成形溫度最好為100°C250°C。在上述板料數(shù)控漸進熱成形方法中所說的潤滑劑，是本發(fā)明的一個重要內(nèi)容，可使鎂合金板料在不大于25(TC溫度下完成各種形狀無模成形，并具有良好的潤滑性能，大大提高成形件表面質(zhì)量。該潤滑劑有以下組分組成二硫化鉬(MoS2)0%~10%，石墨粉末0%~60%，余量為耐高溫潤滑酯(簡稱為BACC)。潤滑劑中各組分的重量百分含量選擇取決于成形溫度。原因是BACC由高精煉基礎油復合鋰皂基，加上優(yōu)異的極壓，抗銹，抗腐蝕，抗氧化性等添加劑精制而成。具備下列性能抗氧化性強、防銹性強、抗剪力強、抗水性強。BACC潤滑脂受熱時粘度降低。在低溫小于150'C時表現(xiàn)出良好的潤滑效果；隨溫度的提高，BACC潤滑脂的粘度降低，附著在金屬表面的吸附能力下降，導致其潤滑效果相應下降。BACC的使用溫度一般不超過260°C。為了解決和提高BACC潤滑脂在高溫時的潤滑下降問題，應加入一定比例的MoS2和石墨粉末。一是提高在高溫時BACC的粘度；二是MoS2和石墨粉末增加高溫潤滑效果。如果單獨使用石墨粉或二硫化鉬粉或二者混合使用，成形工具頭不能始終和粉狀潤滑劑接觸，勢必引起成形工具頭與板坯料干摩擦，導致成形件表面出現(xiàn)劃痕等缺陷，影響表面質(zhì)量。石墨粉加到潤滑脂(油)中作為潤滑劑使用，即使油膜破裂時，因具有良好的自潤滑效果，石墨仍能起潤滑作用。石墨在325'C與氧接觸會生產(chǎn)C02,最高使用溫度不超過400。C。由于熱作用或機械作用而使油或脂的潤滑能力降低時，MoS2就起著保護摩擦表面的作用。特別是在接近潤滑脂工作溫度時，MoS2的濃度以6%-8%為最佳。MoS2在420°C~430°C內(nèi)很快氧化，因此MoS2最高使用溫度也應不超過400°C。本發(fā)明還提供了一種專用于上述板料數(shù)控漸進熱成形方法的加熱裝置，能實現(xiàn)電阻加熱和熱輻射兩種作用，可使鎂合金板料在小于25(TC條件下進行各種形狀無模漸進成形。該加熱裝置，是由加熱壓邊圈、加熱下模板、隔熱墊板、熱電偶和電爐組成，其中電爐由耐火磚、耐火泥、電阻絲構(gòu)成，電爐上方依次有隔熱墊板、加熱下模板和加熱壓邊圈，電爐、加熱壓邊圈及加熱下模板上裝有熱電偶。隔熱墊板、加熱下模板和加熱壓邊圈的中部為一定形狀的空間區(qū)域，電爐上方的隔熱墊板是為了避免電爐中產(chǎn)生的熱量散失，而通過熱輻射加熱成形板坯料；加熱下模板安裝在隔熱墊板上方；加熱壓邊圈固定在加熱下模板上方，在其中間放置成形板坯料，所述可加熱下模板和加熱壓邊圈的結(jié)構(gòu)根據(jù)所加工成形件的形狀不同而不同，如圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。在圓環(huán)上徑向分布有容置孔，與電源連接的電阻加熱棒插裝于容置孔內(nèi)；容置孔數(shù)量取決于升溫快慢。為了穩(wěn)固地夾裝成形板坯料，在加熱壓邊圈和加熱下模板上分別設置有相匹配的定位孔和固定孔。本實驗裝置具有如下有益效果結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，保溫效果好。本裝置采用電爐通過熱輻射使成形板料預熱和保溫，快速電阻加熱成形板料到實驗溫度。由于成形板料是在與大氣接觸條件下本加工成形的，因此，板料邊緣和中心部位具有很大的溫度梯度，即板料邊緣接近成形溫度，而板料中心低于成形溫度，隨成形工具頭逐漸遠離板料邊緣，而趨近板料中心，板料中心的溫度就越低。為了保證成形板料在成形過程中的溫度均勻，故通過電爐產(chǎn)生熱輻射使成形板料預熱和保溫。本發(fā)明的鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法中，所述的合金材料包括鎂合金、鋁合金等難加工金屬材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于該成形方法以及加熱裝置可使難以加工的鎂合金和鋁合金板料加工成復雜形狀殼體件，無需模具就可一次完成成形，大大地節(jié)省了昂貴的模具費用和新產(chǎn)品的開發(fā)成本，有利于單件或批量少的、尺寸小的殼體件開發(fā)和生產(chǎn)。圖1是本發(fā)明實施例的工藝流程圖。圖2是本發(fā)明實施例的漸進成形加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例的加熱壓邊圈示意圖。圖4是本發(fā)明實施例的加熱壓邊圈剖面示意圖。圖5是本發(fā)明實施例的加熱下模板示意圖。圖6是本發(fā)明實施例的加熱下模板剖面示意圖。圖7是本發(fā)明實施例的隔熱墊板示意圖。圖8是本發(fā)明實施例的隔熱墊板剖面示意圖。l一耐火磚；2—耐火泥；3—電阻絲；4—熱電偶；5—隔熱墊板；6—加熱下模板；7一板坯料；8—加熱壓邊圈；9—定位孔；10—固定孔；11—加熱電阻棒。具體實施例方式在本發(fā)明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義。下面結(jié)合具體的制備實施例和比較實施例，并參照數(shù)據(jù)進一步詳細地描述本發(fā)明。應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規(guī)方法。所用試劑的來源、商品名以及有必要列出其組成成分者，均在首次出現(xiàn)時標明，其后所用相同試劑如無特殊說明，均以首次標明的內(nèi)容相同。耐高溫潤滑酯于市場購買。用于本發(fā)明鎂合金板坯料熱數(shù)控漸進成形方法的專用加熱裝置如圖2所示，電爐由耐火磚l、耐火泥2和電阻絲3構(gòu)成，電爐上方依次有隔熱墊板5、加熱下模板6和加熱壓邊圈8，電爐、加熱壓邊圈8及加熱下模板6上裝有熱電偶4;如圖3-圖8所示，隔熱墊板5、加熱下模板6和加熱壓邊圈8為圓環(huán)形，在加熱下模板6和加熱壓邊圈8有相匹配的定位孔9和固定孔10，加熱下模板6和加熱壓邊圈8上還分布有容置孔，電阻加熱棒ll插裝于容置孔內(nèi)。實施例1:為了實現(xiàn)鎂合金板坯料熱數(shù)控漸進成形，必須研究潤滑劑對潤滑效果和成形件表面質(zhì)量進行評估，以確定潤滑劑，表1中是不同溫度下潤滑劑的組成實驗結(jié)果，如圖1的流程，具體操作如下1)成形件設計利用CAD/CAM軟件繪出方形斜截錐體加工軌跡，根據(jù)方形斜截錐體破裂時計算板料成形面與水平方向的夾角a，稱為成形極限角。根據(jù)極限角數(shù)值可以設計和加工成形角不大于成形極限角的任意形狀殼形件。2)取一合金板坯料7:該板坯料7為AZ31鎂合金薄板，其名義成分為3%鋁，1%鋅，0.2%錳，其余為鎂。板料厚度為0.6mm。合金板坯料7放置在加熱壓邊圈8和加熱下模板6之間。3)將100%耐高溫潤滑酯(BACC)涂刷在板坯料7上。4)加熱板坯料7:將加熱電爐到100°C±5°C，保溫一定時間后再通過電阻棒快速加熱板坯料達到實驗溫度100°C±5°C，BACC潤滑劑具有一定的粘度，起到很好的效果。5)累積漸進成形模具溫度和成形溫度均為iocrc±5°c，成形工具壓頭的壓下量為0.1mm，進給速度為1800mm/min.，一次成形極限角度38。。實施例2:本實施例2的潤滑劑組成為石墨粉50%+BACC50%，成形溫度為150°C±5°C，一次成形極限角度45。。其他與實施例l方法相同。實施例3:本實施例3的潤滑劑組成為石墨粉50%+MoS28%+BACC50%，成形溫度為250°C±5°C，一次成形極限角度60。。其他與實施例l方法相同。比較例l:本對比例1的潤滑劑為二硫化鉬MoS2100。/。，成形溫度為200。C土5。C，一次成形極限角度50。。其他與實施例l方法相同。比較例2:本對比例2的潤滑劑為石墨100%，成形溫度為200°C±5°C，一次成形極限角度50°。其他與實施例l方法相同。比較例3:本對比例3的潤滑劑組成為二硫化鉬MoS250。/。+石墨50%，成形溫度為200°C±5°C，一次成形極限角度50。。其他與實施例l方法相同。表l不同溫度下潤滑劑的組成<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例4~實施例22:為了測定鎂合金板壞料在不同條件下的成形極限角，采用板料數(shù)控漸進熱成形對鎂合金(AZ3I)板料成形鎂合金方形斜截錐體件，表2是鎂合金板料各種條件下成形極限角測試結(jié)果，具體操作如下1)成形件設計利用CAD/CAM軟件繪出方形斜截錐體加工軌跡，根據(jù)方形斜截錐體破裂時計算板料成形面與水平方向的夾角a，稱為成形極限角。根據(jù)極限角數(shù)值可以設計和加工成形角不大于成形極限角的任意形狀殼形件。2)取一合金板坯料9:該板坯料9為AZ31鎂合金薄板，其名義成分為3%鋁，1%鋅，0.2%錳，其余為鎂。板料厚度為0.6mm1.5mm。合金板坯料9放置在加熱壓邊圈11和加熱下模板7之間。3)根據(jù)表1實驗結(jié)果選擇潤滑劑，將其涂刷在板坯料9上。4)加熱板坯料9:將加熱電爐到實驗溫度(不大于25(TC士5。C)，保溫一定時間后再通過電阻棒快速加熱板坯料達到實驗溫度(不大于25(TC土5'C)。5)累積漸進成形模具溫度和成形溫度均為100°C±5'C250°C±5'C，成形工具壓頭的壓下量為0.1mm~0.2mm，進給速度為1200mm/min.~2000mm/min.，一次成形極限角度不大于69°。6)后續(xù)加工對成形件半成品進行清除潤滑劑、修整或涂裝等。比較例4:本對比例4的只通過熱輻射加熱板坯料，成形溫度為205'C，成形結(jié)束溫度為416'C，一次成形極限角度58°。其他與實施例IO方法相同。結(jié)果表明較大的成形溫度差導致成形件的晶粒長大。比較例5:本對比例5的只通過熱輻射加熱板坯料，成形溫度為25rC，成形結(jié)束溫度為485t，一次成形極限角度58°。其他與實施例IO方法相同。結(jié)果表明較大的成形溫度差導致成形件的晶粒粗大，且分布不均勻。表2是鎂合金板料各種條刊:下成形極限角測試結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權利要求1、一種鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法，包括加熱板坯料、數(shù)控漸進成形、后續(xù)處理的步驟，其特征在于還包括加熱前在板坯料上涂刷潤滑劑；加熱過程采用電阻加熱和熱輻射結(jié)合，即先通過熱輻射對合金板料進行預加熱，并使板料處于成形近等溫條件；再利用電阻棒通過快速加熱而實施調(diào)整合金板料的溫度。2、如權利要求1所說的鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法，其特征在于，數(shù)控漸進成形步驟的工藝條件為成形工具壓頭的壓下量為0.1mm0.2mm，進給速度為1200mm/min.2000mm/min.，一次成形極限角度不大于69°;成形溫度不大于250°C。3、如權利要求2所說的鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法，其特征在于，所說的板坯料的厚度為0.6mm-1.5mm，成形極限角度為42°~69°;成形溫度為100°C250°C。4、如權利要求1所說的鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法，其特征在于，所說的潤滑劑有以下重量組分組成二硫化鉬0%~10%，石墨粉末0%~60%，余量為耐高溫潤滑酯。5、一種專用于如權利要求1所說的鎂合金板料數(shù)控漸進熱成形方法的加熱裝置，其特征在于，是由加熱壓邊圈、加熱下模板、隔熱墊板、熱電偶和電爐組成，其中電爐由耐火磚、耐火泥、電阻絲構(gòu)成，電爐上方依次有隔熱墊板、加熱下模板和加熱壓邊圈，電爐、加熱壓邊圈及加熱下模板上裝有熱電偶。6、如權利要求5所說的加執(zhí)裝置，其特征在于，加熱下模板和加熱壓邊圈上分布有容置孔，電阻加熱棒插裝于容置孔內(nèi)。7、如權利要求6所說的加執(zhí)裝置，其特征在于，加熱壓邊圈和加熱下模板上分別設置有相匹配的定位孔和固定孔。全文摘要本發(fā)明涉及合金板材數(shù)控漸進熱成形方法及其專用加熱裝置。該方法包括加熱板坯料、數(shù)控漸進成形、后續(xù)處理的步驟，還包括加熱前在板坯料上涂刷潤滑劑；加熱過程采用電阻加熱和熱輻射結(jié)合調(diào)整合金板料的溫度。所說的加熱裝置是由加熱壓邊圈、加熱下模板、隔熱墊板、熱電偶和電爐組成，其中電爐由耐火磚、耐火泥、電阻絲構(gòu)成，電爐上方依次有隔熱墊板、加熱下模板和加熱壓邊圈，電爐、加熱壓邊圈及加熱下模板上裝有熱電偶。這種加熱裝置中的熱輻射減少了成形過程中成形件的溫度梯度，改善了成形件的溫度分布狀態(tài)，使成形在近等溫條件下進行，保證成形件具有良好的組織和性能指標。該成形方法具有生產(chǎn)成本低，工藝和裝置簡單的顯著特點。文檔編號B21D37/16GK101347810SQ200810124518公開日2009年1月21日申請日期2008年8月22日優(yōu)先權日2008年8月22日發(fā)明者張青來,肖富貴申請人:江蘇大學