專利名稱：具有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的金屬薄殼件兩道次沖鍛成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬塑性加工生產(chǎn)技術(shù)，特別涉及一種具有復(fù)雜幾何外形(帶有具有 內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)如螺柱、卡扣以及鉸接凸緣)的金屬薄殼件兩道次沖鍛成形方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)電子器件用結(jié)構(gòu)材料及部件的性能提出了越來(lái)越高的要 求。為了適應(yīng)電子器件輕、薄、小型化的發(fā)展方向，要求電子器件外殼材料具有密度小、強(qiáng)度 和剛度高、散熱性能好、易于回收和符合環(huán)保要求等特點(diǎn)。目前，電子器件的外殼一般使用 的是塑料。塑料在結(jié)構(gòu)剛性、散熱性以及回收利用等方面無(wú)法滿足需求，而鎂合金和鋁合金 在此諸特性及環(huán)保回收性總體衡量下，較工程塑料具有較大的優(yōu)勢(shì)。目前，鎂合金和鋁合金外殼件的生產(chǎn)主要采用壓鑄和沖壓成形工藝。壓鑄工藝有 許多無(wú)法克服的缺點(diǎn)比如生產(chǎn)速度慢、優(yōu)良率低、鑄件表面孔洞及力學(xué)性能差等。此外，壓 鑄件在厚度上都有限制，一般的壓鑄件只能達(dá)到1. 0mm 5. 0mm。沖壓成形工藝雖然可以成 形出力學(xué)性能較好、厚度較薄的外殼件，但是無(wú)法成形外殼件底部?jī)?nèi)壁上的內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)，如 螺柱、卡扣以及鉸接凸緣等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種具有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的金屬薄殼件兩道次沖鍛成形方法，解決 現(xiàn)有技術(shù)中存在的生產(chǎn)速度慢、優(yōu)良率低、鑄件表面孔洞及力學(xué)性能差等問(wèn)題，適用材料為 鎂合金和鋁合金。它采用兩道次沖鍛成形工藝，用來(lái)成形具有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)、壁厚較薄的外殼 件。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種具有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的金屬薄殼件兩道次沖鍛成形方法，包括如下步驟(1)將坯料放入凹模腔內(nèi)，第一道次凸模向下運(yùn)動(dòng)成形出帶有部分側(cè)壁的外殼件， 第一道次凸模壓下量為原始坯料厚度的10% 30% ；(2)第二道次凸模向下運(yùn)動(dòng)成形出完整的側(cè)壁和帶有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的外殼件，第二 道次凸模壓下至殼底厚度滿足產(chǎn)品要求為止。對(duì)于鎂合金來(lái)說(shuō)，具體成形工藝步驟如下(1)將模具加熱至200°C 400°C ； (2)將厚度為1. 5mm 4. 0mm的鎂合金坯料拋光后涂上潤(rùn)滑劑；(3)將坯料加熱至250°C 450°C ；(4)將坯料放入凹模腔內(nèi)，第一道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為原始板坯厚度的 10% 30% ；(5)將坯料溫度降為200°C 400°C ；(6)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，直至殼底厚度滿足產(chǎn)品要求為止。
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將沖鍛成形件冷卻后進(jìn)行切邊處理，然后進(jìn)行機(jī)加工，包括鉆孔、切削等。最后進(jìn) 行表面處理和噴涂，完成成品制造。鎂的晶格是密排六方晶格排列，當(dāng)溫度低于225°C時(shí)，鎂合金的塑性變形僅限于通 過(guò)基面{0001} Gno〉滑移和錐面{10丨2}〈10丨1〉孿生來(lái)實(shí)現(xiàn)3個(gè)幾何滑移系和2個(gè)獨(dú)立 滑移系，在該溫度范圍內(nèi)鎂合金的塑性較差。當(dāng)溫度高于225°C時(shí)，鎂合金附加角錐滑移面 {1011 丨111丨啟動(dòng)，鎂呈現(xiàn)明顯的廷性轉(zhuǎn)變，塑性大大提高，同時(shí)由于發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶而 造成的軟化，也會(huì)使鎂及鎂合金具有較高的塑性。若材料溫度高于450°C時(shí)，會(huì)造成晶粒長(zhǎng) 大，降低機(jī)械性能。隨著溫度的升高，沖鍛成形載荷下降，第一道次成形溫度控制在250°C 450°C。由于再熱會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致機(jī)械性能下降，故應(yīng)該降低第二道次成形坯料 的溫度，將其控制在200°C 400°C。對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，具體成形工藝步驟如下(1)將厚度為1. 5mm 4. Omm的鋁合金坯料拋光后涂上潤(rùn)滑劑；(2)將坯料放入凹模腔內(nèi)，第一道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為原始板坯厚度的 10% 30% ；(3)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，直至殼底厚度滿足產(chǎn)品要求為止。與鎂合金不同之處在于，鋁合金用的模具和坯料均不需要加熱，常溫下操作即可。第二道次凸模的特點(diǎn)第二道次凸模側(cè)面具有約束壁，分別對(duì)應(yīng)外殼件的側(cè)壁。約 束壁的厚度與外殼件的側(cè)壁厚度相同，導(dǎo)流槽用于多余的金屬?gòu)闹幸绯?。本發(fā)明中，潤(rùn)滑劑為石墨和硅油的混合物，石墨的重量百分比為5% 20% ；或 者，潤(rùn)滑劑為二硫化鉬和石墨的混合物，二硫化鉬的重量百分比為50% 90% ；或者，潤(rùn)滑 劑為滑石粉和動(dòng)物油的混合物，滑石粉的重量百分比為5% 20%。在第二道次成形過(guò)程中，第二道次凸模具有導(dǎo)流槽、約束壁以及成形內(nèi)凸微結(jié)構(gòu) 的凹腔(如螺柱孔、鉸接凸緣槽以及卡扣槽)。導(dǎo)流槽設(shè)于第二道次凸模的四個(gè)角部，約束 壁設(shè)于第二道次凸模的四個(gè)側(cè)壁，成形凸微結(jié)構(gòu)的凹腔設(shè)于第二道次凸模的底面。本發(fā)明的原理如下板材單道次沖鍛成形雖然成形效率較高，但是其成形載荷較大、內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)容易 產(chǎn)生根部充不滿，根部流線紊亂和成形精度低等缺陷。凸模與金屬板材接觸面積較大，金屬 板材單位面積受力較小，為了使金屬發(fā)生屈服，需要的成形載荷大大增加。由于內(nèi)凸微結(jié)構(gòu) 成形時(shí)發(fā)生局部劇烈塑性變形，金屬流入凸模凹腔的阻力較大。當(dāng)外殼件側(cè)壁和內(nèi)凸微結(jié) 構(gòu)同時(shí)成形時(shí)，大量金屬向側(cè)壁流動(dòng)，金屬無(wú)法完全填滿凸模的凹腔，導(dǎo)致內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)成形 精度低。兩道次沖鍛成形工藝能有效改善內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的成形性能和成形精度。第一道次成 形部分側(cè)壁后，在第二道次成形過(guò)程中，金屬流向側(cè)壁的阻力增加，這樣金屬更加容易流入 第二道次凸模的凹腔成形出形狀復(fù)雜的內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)；金屬完全充滿第二道次凸模的凹腔所 需的最大成形載荷也隨之降低。此外，增加金屬流向側(cè)壁的阻力能有效避免金屬過(guò)快地向 一個(gè)方向流動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)根部金屬流線發(fā)生紊亂，降低內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)和薄殼件底部的結(jié) 合強(qiáng)度。本發(fā)明的有益效果如下
1、本發(fā)明采用兩道次沖鍛成形工藝，第一道次凸模成形出帶有部分側(cè)壁的外殼 件，第二道次凸模成形出完整的側(cè)壁和位于外殼件底部?jī)?nèi)壁上的螺柱、卡扣以及鉸接凸緣 等內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)。從而，不僅成形出滿足高度要求的外殼件側(cè)壁，而且成形出形狀復(fù)雜、尺寸 精度高、流線分布合理的內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)。2、本發(fā)明采用兩道次沖鍛成形可以大大降低成形載荷、提高內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的成形性 能和成形精度。為了防止晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致機(jī)械性能下降，第二道次成形時(shí)，鎂合金板料的溫度 有所下降。3、良好的潤(rùn)滑條件有利于金屬材料的流動(dòng)，有效降低模具磨損和降低成形載荷， 提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量。在金屬板材沖鍛成形前，坯料表面需拋光處理，并均勻涂上潤(rùn)滑劑。 潤(rùn)滑劑可以為石墨和硅油的混合物，或者二硫化鉬和石墨的混合物，或者動(dòng)物油和滑石粉 的混合物。4、本發(fā)明可以成形出尺寸精度高的金屬薄殼件的側(cè)壁和形狀復(fù)雜的內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)， 內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量好，所制成的外殼件機(jī)械性能好，所需成形載荷較低。5、作為一種局部體積成形工藝，沖鍛成形工藝既能成形出力學(xué)性能良好的外殼 件，壁厚最薄可達(dá)0. 5mm 0. 8mm，而且能同時(shí)成形出內(nèi)壁上的內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)。


圖1為第一道次成形示意圖。圖2為第一道次凸模示意圖。圖3為第二道次成形示意圖。圖4為第二道次凸模示意圖。圖中，1第一道次凸模；2第二道次凸模；3凹模腔；4第一道次坯料；5第二道次坯 料；6導(dǎo)流槽；7約束壁；8螺柱孔；9鉸接凸緣槽；10卡扣槽。
具體實(shí)施例方式如圖1-2所示，模具主要包括第一道次凸模1、凹模腔3，在第一道次凸模1與凹模 腔3之間放置第一道次坯料4。如圖3-4所示，模具主要包括第二道次凸模2、凹模腔3，在第二道次凸模2與凹模 腔3之間放置第二道次坯料5。實(shí)施例1本實(shí)施例鎂合金牌號(hào)為AZ31B，鎂合金薄殼件兩道次熱沖鍛成形方法，其具體的工 序及步驟如下(1)將模具加熱至400°C ；(2)在厚度為4. 0mm的第一道次坯料4 (擠壓板或軋制板)拋光處理后涂上石墨和 硅油的混合物，本實(shí)施例中，石墨的重量百分比為15% ；(3)將第一道次坯料4加熱至450°C ；(4)將第一道次坯料4放入凹模腔3內(nèi)，第一道次凸模1向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為 1.2mm，成形出帶有部分側(cè)壁的外殼件(即第二道次坯料5)；(5)將第二道次坯料5溫度降至400°C ；
(6)換用第二道次凸模2，第二道次凸模2向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為1.8mm，成形出完整 的側(cè)壁和帶有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的外殼件。如圖4所示，在第二道次成形過(guò)程中，第二道次凸模2具有導(dǎo)流槽6、約束壁7以及 成形內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的凹腔(如螺柱孔8、鉸接凸緣槽9以及卡扣槽10等)。其中，導(dǎo)流槽6設(shè)于第二道次凸模2的四個(gè)角部，用于成形結(jié)束后多余金屬溢出。約束壁7設(shè)于第二道次凸模2的四個(gè)側(cè)壁，用于限制側(cè)壁中間部位過(guò)快成形。螺柱孔8設(shè)于第二道次凸模2的底面中心，用于成形螺絲柱。鉸接凸緣槽9設(shè)于第二道次凸模2的底面長(zhǎng)邊上，用于成形鉸接凸緣，鉸接凸緣用 來(lái)安裝外殼件的活動(dòng)轉(zhuǎn)軸?？鄄?0設(shè)于第二道次凸模2的底面短邊上，用于成形卡扣，卡扣用來(lái)固定外殼 件。將沖鍛成形件進(jìn)行切邊處理，然后進(jìn)行機(jī)加工，包括鉆孔、切削等。最后進(jìn)行表面 處理和噴涂，完成成品制造。實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例鎂合金牌號(hào)為ZK60A，鎂合金薄殼件兩道次熱沖鍛成形方法，其具體的工 序及步驟如下(1)將模具加熱至200°C ；(2)在厚度為1. 5mm的第一道次坯料(擠壓板或軋制板)拋光處理后涂上二硫化 鉬和石墨的混合物，本實(shí)施例中，二硫化鉬的重量百分比為80% ；(3)將第一道次坯料加熱至250°C ；(4)將第一道次坯料放入凹模腔內(nèi)，第一道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為0.4mm，成 形出帶有部分側(cè)壁的外殼件(即第二道次坯料)；(5)將第二道次坯料溫度降至200°C ；(6)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為0.5mm，成形出完整的 側(cè)壁和帶有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的外殼件。將沖鍛成形件進(jìn)行切邊處理，然后進(jìn)行機(jī)加工，包括鉆孔、切削等。最后進(jìn)行表面 處理和噴涂，完成成品制造。實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于本實(shí)施例鋁合金牌號(hào)為1050，鋁合金薄殼件兩道次沖鍛成形方法，其具體的工序 及步驟如下(1)將厚度為3mm的第一道次坯料(擠壓板或軋制板)拋光處理后涂上滑石粉和 動(dòng)物油的混合物；本實(shí)施例中，滑石粉的重量百分比為10% ；(2)將第一道次坯料放入凹模腔內(nèi)，第一道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為0.8mm，成 形出帶有部分側(cè)壁的外殼件(即第二道次坯料)；(3)換用第二道次凸模，第二道次凸模向下運(yùn)動(dòng)，壓下量為1.5mm，成形出完整的 側(cè)壁和帶有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的外殼件。將沖鍛成形件進(jìn)行切邊處理，然后進(jìn)行機(jī)加工，包括鉆孔、切削等。最后進(jìn)行表面處理和噴涂，完成成品制造。 實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明可以成形出尺寸精度高的金屬薄殼件的側(cè)壁和形狀復(fù)雜 的內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)；內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量好；所制成的外殼件機(jī)械性能好，所需成形載荷較低。
權(quán)利要求
一種具有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的金屬薄殼件兩道次沖鍛成形方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將坯料放入凹模腔內(nèi)，第一道次凸模向下運(yùn)動(dòng)成形出帶有部分側(cè)壁的外殼件，第一道次凸模壓下量為原始坯料厚度的10％～30％；(2)第二道次凸模向下運(yùn)動(dòng)成形出完整的側(cè)壁和帶有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的外殼件，第二道次凸模壓下至殼底厚度滿足產(chǎn)品要求為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成形方法，其特征在于所述金屬材料為鎂合金或鋁合金，坯 料為擠壓板或軋制板，厚度為1. 5mm 4. 0mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成形方法，其特征在于，對(duì)于鎂合金，需將模具加熱至 200°C 400°C，坯料均勻涂上潤(rùn)滑劑后加熱至250°C 450°C，將坯料放入凹模腔內(nèi)，第一 道次凸模向下運(yùn)動(dòng)成形出帶有部分側(cè)壁的外殼件，坯料溫度降為200°C 400°C后，第二道 次凸模向下運(yùn)動(dòng)成形出完整的側(cè)壁和帶有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的外殼件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成形方法，其特征在于，對(duì)于鋁合金，模具和坯料均不需加 熱，常溫下成形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成形方法，其特征在于所述潤(rùn)滑劑為石墨和硅油的混合物， 石墨的重量百分比為5% 20%;或者，潤(rùn)滑劑為二硫化鉬和石墨的混合物，二硫化鉬的重 量百分比為50% 90%;或者，潤(rùn)滑劑為滑石粉和動(dòng)物油的混合物，滑石粉的重量百分比為 5% 20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成形方法，其特征在于在第二道次成形過(guò)程中，第二道次凸 模具有導(dǎo)流槽、約束壁以及成形內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)的凹腔，導(dǎo)流槽設(shè)于第二道次凸模的四個(gè)角部， 約束壁設(shè)于第二道次凸模的四個(gè)側(cè)壁，成形凸微結(jié)構(gòu)的凹腔設(shè)于第二道次凸模的底面。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬塑性加工生產(chǎn)技術(shù)，特別涉及一種具有復(fù)雜幾何外形(帶有內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)如螺柱、卡扣以及鉸接凸緣)的金屬薄殼件兩道次沖鍛成形方法，適用的金屬材料有鎂合金和鋁合金。以金屬板材為毛坯，對(duì)于鎂合金需要將模具加熱至200℃～400℃(鋁合金不需加熱)，鎂合金坯料加熱至250℃～450℃(鋁合金不需加熱)，坯料均勻涂上潤(rùn)滑劑后放入凹模腔內(nèi)，第一道次凸模成形出帶有部分側(cè)壁的外殼件，第二道次凸模成形出完整的側(cè)壁和螺柱、卡扣以及鉸接凸緣等內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的生產(chǎn)速度慢、優(yōu)良率低、鑄件表面孔洞及力學(xué)性能差等問(wèn)題，成形出尺寸精度高的金屬薄殼件的側(cè)壁和形狀復(fù)雜的內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)，內(nèi)凸微結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量好。
文檔編號(hào)B21J5/02GK101850396SQ20091001098
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者唐偉東, 孫成, 張士宏, 王忠堂 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所