超塑成型模具型腔技術(shù)的研究進(jìn)展

超塑成型模具型腔技術(shù)的研究進(jìn)展

1超塑制模技術(shù)目前，黑金屬陶瓷復(fù)雜腔的主要制造方法仍然是電加工和機(jī)械工程，復(fù)雜的高精度模擬腔主要采用葉脈熟加工方法。盡管電加工和機(jī)械加工技術(shù)與裝備比較成熟,但是,對于型腔復(fù)雜度高、型腔過渡圓角極小、壽命要求長以及處于研發(fā)試制階段的產(chǎn)品模具,在技術(shù)方面或在經(jīng)濟(jì)方面難以滿足要求,超塑成型模具型腔(簡稱超塑制模)技術(shù)可以作為重要的補充手段較好地滿足上述要求。利用模具鋼在超塑狀態(tài)下材料變形抗力較低、塑性和流動性較好并且基本不產(chǎn)生加工硬化的特性,采用超塑等溫成型的方法,可一次擠壓成型出復(fù)雜模具型腔。超塑制模技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)的特點,是一種少無切削的高效率模具型腔制造技術(shù),其對設(shè)備、工裝要求相對較低,可以用來制造精鍛、熱鍛、擠壓等鍛模,也可制造壓鑄模、膠木模、塑料模、橡膠模等各類型腔。伴隨黑色金屬超塑性研究不斷取得進(jìn)展的過程,經(jīng)過近二十幾年發(fā)展,我國超塑制模技術(shù)已趨于成熟,已在模鍛、擠壓等金屬塑性加工和非金屬材料產(chǎn)品制造領(lǐng)域得到生產(chǎn)應(yīng)用。超塑制模可用于制造工模具鋼、銅合金、鋁合金和鋅鋁合金等型腔,其中在制造工模具鋼型腔時技術(shù)難度大、技術(shù)含量高,現(xiàn)以典型熱作模具鋼的復(fù)雜型腔為研究對象,介紹超塑制模原理,系統(tǒng)歸納、總結(jié)模具鋼超塑制模特點,探討超塑制模工模具設(shè)計及工藝,成型出連桿等精密模鍛模具型腔。2標(biāo)準(zhǔn)熱作模法中的鋼超塑料制造模型的研究2.1超塑制造模型的工藝研究2.1.1材料物理性能金屬超塑性主要分為2類:組織超塑性(微細(xì)晶粒超塑性、結(jié)構(gòu)超塑性、靜態(tài)超塑性)和相變超塑性(動態(tài)超塑性),目前研究較多并己達(dá)到應(yīng)用階段的是組織超塑性。組織超塑性就是材料具有等軸細(xì)晶組織時,在一定的溫度和應(yīng)變速率條件下,呈現(xiàn)出超常的塑性,表征為塑性延伸率指標(biāo)超常,并具有較高的應(yīng)變速率敏感性;超塑變形后材料得到等軸細(xì)晶組織,經(jīng)過熱處理強化,可以獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。超塑制模技術(shù)就是應(yīng)用金屬材料組織超塑性的特點,在超塑狀態(tài)下采用等溫擠壓成型的方法一次成型出復(fù)雜模具型腔的技術(shù)。以典型熱作模具鋼5CrMnMo為對象,重點研究其組織超塑性。超塑性單向拉伸試驗在改裝德國產(chǎn)WPM-5T型機(jī)械拉伸機(jī)上進(jìn)行,用自制的三段控溫直整筒式加熱爐加熱,恒溫區(qū)長度300mm(溫差1.5℃);由國產(chǎn)JWK-703精密溫度控制裝置控溫;載荷由BLR-1型(1.96kN)拉壓力傳感器、YJD-1型電阻應(yīng)變儀、LZ3-304函數(shù)記錄儀測定記錄。5CrMnMo超塑性單向拉伸試樣采用JB4408-87標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)長棒狀拉伸試樣,如圖1所示,其標(biāo)距L0=25mm,材料為供應(yīng)態(tài)?20mm熱軋棒料,主要化學(xué)成分(wt%)為:0.54C,0.97Cr,1.38Mn,0.17Mo。組織超塑性要求材料具有超細(xì)的晶粒尺寸(一般應(yīng)小于10μm)。經(jīng)試驗研究,淬火和高溫回火是細(xì)化熱作模具鋼和工具鋼有效、經(jīng)濟(jì)的方法。已有的研究結(jié)果表明,絕大多數(shù)材料的超塑溫度-延伸率關(guān)系曲線多為單峰函數(shù),在拉伸試樣經(jīng)同樣預(yù)處理狀態(tài)的情況下,首先試驗測試出最佳超塑溫度、機(jī)械拉伸試驗機(jī)的卡頭速度V(拉伸速度V)區(qū)間,然后再補充其他參數(shù)的拉伸試驗。圖2~圖5是經(jīng)850℃淬火和450℃回火一次細(xì)化處理后5CrMnMo的超塑性單向拉伸主要參數(shù)變化曲線,即在應(yīng)變速率為2.0×10-41/s條件下的溫度T-延伸率δ曲線、溫度T-流動應(yīng)力σ曲線和在705℃條件下的拉伸速度V-延伸率δ曲線、拉伸速度V-流動應(yīng)力σ曲線,其中拉伸初始應(yīng)變速率ε0(簡稱應(yīng)變速率ε)是根據(jù)JB4408-87標(biāo)準(zhǔn)由拉伸速度V(mm/min)和拉伸試樣標(biāo)距L0尺寸換算得出,試驗采用的拉伸速度V范圍為0.2~0.8mm/min(相對應(yīng)的應(yīng)變速率1.3×10-4~5.2×10-41/s),試驗的溫度區(qū)間為670~750℃。從圖2T-δ曲線可以看出:在705℃時獲得最高延伸率的平均值為432%,測得的流動應(yīng)力敏感性指數(shù)m值為0.45(一般認(rèn)為m值≥0.3時,材料具有超塑性),說明經(jīng)預(yù)處理后5CrMnMo呈現(xiàn)出良好的組織超塑性,此時的流動應(yīng)力僅為58MPa。在705℃、2.0×10-41/s應(yīng)變速率(相應(yīng)的V值為0.3mm/min)條件下,對供應(yīng)態(tài)5CrMnMo拉伸試樣進(jìn)行高溫拉伸試驗,測得的最高延伸率為122%、m值為0.12、流動應(yīng)力為110MPa,說明供應(yīng)態(tài)5CrMnMo的延伸率約是超塑性狀態(tài)的1/4,流動應(yīng)力比超塑性狀態(tài)的高約1倍。試驗測得經(jīng)850℃淬火和450℃回火2次細(xì)化處理后5CrMnMo的最佳超塑溫度仍是705℃,延伸率為530%,m值為0.58,而超塑應(yīng)變速率為2.7×10-41/s,說明經(jīng)2次細(xì)化處理后5CrMnMo的流動應(yīng)力可降低約25%,延伸率和m值分別提高了60%和29%。表1是供應(yīng)態(tài)和一次細(xì)化處理、兩次細(xì)化處理后,5CrMnMo高溫拉伸試驗測得的各項參數(shù)值對比表。從圖2T-δ曲線可以看出:在試驗的溫度區(qū)間670~750℃,從670~705℃,延伸率逐漸提高,在705℃達(dá)到最高值;從705~750℃,延伸率下降得較快;在670、750℃時,相應(yīng)的延伸率值分別是300%、162%。從圖3T-σ曲線可以看出:在705℃時流動應(yīng)力不是最低值,最低的流動應(yīng)力值(10MPa)發(fā)生在720℃,相對應(yīng)的延伸率為310%。在670~750℃試驗區(qū)間,從670~720℃,流動應(yīng)力直線下降,在720℃達(dá)到最低值;從720~750℃,流動應(yīng)力又直線上升;在670、750℃時,相應(yīng)的流動應(yīng)力值為96、80MPa。在試驗應(yīng)變速率為1.3×10-4~5.2×10-41/s,即拉伸速度V為0.2~0.8mm/min,一次細(xì)化處理后5CrMnMo的延伸率在280%~432%;在應(yīng)變速率為2.0×10-41/s條件下,獲得最高延伸率的平均值為432%(如圖4所示)。在705℃試驗條件下,在試驗的應(yīng)變速率為1.3×10-4~5.2×10-41/s,流動應(yīng)力隨應(yīng)變速率提高而呈直線上升。在1.3×10-41/s、5.2×10-41/s應(yīng)變速率時的流動應(yīng)力分別為55、87MPa(如圖5所示)。2.1.2主要影響因素超塑制模的主要工藝參數(shù)包括:超塑成型溫度、成型速度、成型力以及潤滑保護(hù)劑、保溫時間、保壓時間等。(1)超塑成型溫度的選擇。超塑成型溫度是最主要的工藝參數(shù),直接影響到鍛件成型的質(zhì)量、成型力的高低、復(fù)制母模材料和潤滑保護(hù)劑的選擇。從5CrMnMo的溫度與延伸率、流動應(yīng)力超塑性拉伸曲線(見圖2、圖3)可以看到變形溫度對延伸率、流動應(yīng)力的影響較大,在705℃時延伸率最高(432%),在720℃時流動應(yīng)力最低(10MPa)。應(yīng)綜合考慮溫度對延伸率、流動應(yīng)力的影響,在680~720℃超塑成型溫度區(qū)間,即超塑成型溫度區(qū)間長度40℃,成型溫度范圍較寬,在實際生產(chǎn)中容易實現(xiàn),可以節(jié)約工裝成本,680~720℃作為超塑成型溫度區(qū)間是比較合適的;在應(yīng)變速率為2.0×10-41/s條件下,相對應(yīng)的延伸率和流動應(yīng)力分別為310%~432%與10~80MPa。(2)成型速度的確定。超塑成型速度也是直接影響鍛件成型的質(zhì)量、成型力高低的重要工藝參數(shù),是實現(xiàn)超塑成型的關(guān)鍵因素。從5CrMnMo的應(yīng)變速率與延伸率、流動應(yīng)力超塑性拉伸曲線(見圖4、圖5)可以看到,在試驗區(qū)間內(nèi)應(yīng)變速率對流動應(yīng)力的影響較大,對延伸率的影響相對較小,在最佳的2.0×10-41/s應(yīng)變速率下獲得432%最高延伸率,在1.3×10-4~5.2×10-41/s應(yīng)變速率范圍內(nèi),相對應(yīng)的延伸率和流動應(yīng)力分別為280%~432%與10~87MPa,此應(yīng)變速率區(qū)間作為超塑成型應(yīng)變速率區(qū)間是比較適宜。(3)成型力的估算。成型力值是選擇成型設(shè)備的噸位、設(shè)計模具的重要依據(jù)。因超塑制模是在等溫、勻速條件下進(jìn)行的,超塑制模的成型力P=被鍛壓材料的流動應(yīng)力σ×鍛件的投影面積S,σ是直接影響P的最關(guān)鍵的參數(shù)。一維超塑力學(xué)本構(gòu)方程可以表達(dá)為:σ=K·εm,其中:K是材料常數(shù),ε是應(yīng)變速率。超塑成型溫度、超塑成型速度、流動應(yīng)力敏感性指數(shù)是影響σ的直接因素。流動應(yīng)力敏感性指數(shù)m對σ影響是指數(shù)關(guān)系,在超塑狀態(tài)下(m值≥0.3)流動應(yīng)力要比非超塑狀態(tài)下的流動應(yīng)力小很多,m值增大,σ值迅速降低。一般來說m值越大,需要的材料預(yù)處理次數(shù)越多,也就越不經(jīng)濟(jì)。因此,要根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備情況、待成型的鍛件質(zhì)量和效率要求,先確定其他工藝參數(shù),然后計算出P值。(4)潤滑劑的選擇。在典型熱作模具鋼超塑制模時,潤滑劑要對復(fù)制母模和型腔坯料起到防氧化和潤滑的雙重作用,其選擇將直接影響型腔的精細(xì)結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量。(5)保溫和保壓時間的選擇。保溫主要是為了使模具、坯料溫度均勻,保壓對型腔的精細(xì)結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量有重要影響,具體時間由實驗確定。2.2模型的設(shè)計2.2.1成型精度對加工的影響超塑制模的成型方式主要有開式、半開半閉式和閉式3種,其示意圖如圖6所示。開式成型方式具有型腔坯料精度要求低、成型力小、經(jīng)濟(jì)的特點,但型腔成型精度較低,后續(xù)的機(jī)械加工量較大;閉式成型方式具有型腔坯料精度要求高、成型力大、成本高的特點,但型腔成型精度高,后續(xù)的機(jī)械加工量很小;半開半閉式成型方式具有型腔坯料精度要求、成型力、經(jīng)濟(jì)性等適中的特點,型腔成型精度較高,后續(xù)的機(jī)械加工量較小,是最常采用的成型方式。2.2.2?？趯?dǎo)向方式超塑制模的模具導(dǎo)向方式主要有:利用設(shè)備自身導(dǎo)向、?？趯?dǎo)向和導(dǎo)柱導(dǎo)向3種,其中,設(shè)備自身導(dǎo)向的經(jīng)濟(jì)性最好,模具結(jié)構(gòu)簡單;?？趯?dǎo)向經(jīng)濟(jì)性、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜性適中,是超塑成型小尺寸鍛件時最常采用的導(dǎo)向方式,模口導(dǎo)向的示意圖如圖6(c)所示;導(dǎo)柱導(dǎo)向結(jié)構(gòu)其成本高并導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般成型精度要求高,?？趯?dǎo)向不能滿足要求時采用。2.2.3型腔的鑄造和變形高溫復(fù)制母模是超塑制模的關(guān)鍵部件,其尺寸、形狀精度與表面粗糙度直接決定了成型的型腔質(zhì)量。超塑成型熱作模具鋼模具型腔的復(fù)制母模3和凹模套6一般選擇鑄造或變形高溫合金。由于復(fù)制母模與型腔坯料是異種材料,考慮材料熱膨脹系數(shù)差異較大引起的尺寸誤差,應(yīng)計算出復(fù)制母模的放縮率λ。如果模具型腔的深寬比較大,可參考模具型腔技術(shù)要求在復(fù)制母模上設(shè)計拔模斜度,超塑制模的最小拔模斜度可以接近零。復(fù)制母模的表面粗糙度一般比模具型腔要求的高1~2級。2.3表面粗糙度超塑制模的工裝主要包括模具型腔坯料、加熱裝置及控溫儀表等。模具型腔坯料的形狀依模具型腔的形狀、尺寸而定,一般為圓柱體或長方體,其高度尺寸一般比型腔深度尺寸高約10%~30%,留作后續(xù)加工之用,坯料上表面應(yīng)磨削加工,表面粗糙度要高于型腔技術(shù)要求的表面粗糙度。加熱裝置的加熱方式主要有電阻加熱和感應(yīng)加熱2種,由于感應(yīng)加熱易產(chǎn)生集膚效應(yīng),加熱的均勻性較差,大多數(shù)情況下采用電阻加熱方式。常采用自偶變壓器、直流電位差計與熱電偶手動控溫、測溫,也可根據(jù)實際情況,采用通用的自動控溫裝置控溫,如國產(chǎn)JWK系列精密溫度控制裝置控溫,或自行設(shè)計自動控溫裝置控溫。2.4滑塊的成型性圖7是采用超塑制模方法成型出的5CrMnMo連桿等精密模鍛模具型腔及用其鍛造出的合格鍛件實物照片。超塑制模在通用5000kN四柱液壓機(jī)上完成,此設(shè)備導(dǎo)向較好,可以滿足本模具型腔的技術(shù)要求,采用半開半閉式超塑制模的成型方式;加熱板(圖6中件7)與加熱爐圈聯(lián)合加熱,用自偶變壓器手動控溫;凹模套外壁設(shè)置三點測溫孔,用UJ32型便攜式直流電位差計與鎳鉻-鎳鋁熱電偶手動測溫;采用液壓機(jī)的控速裝置控制滑塊速度,用百分表監(jiān)控滑塊的位移量與速度的均勻性。5CrMnMo型腔坯料經(jīng)850℃淬火和450℃回火一次細(xì)化處理,超塑成型溫度為(705±5)℃,液壓機(jī)下行速度為0.3~0.8mm/min,開始成型時采用0.8mm/min,10min后采用0.3mm/min勻速壓下,壓下時間為7min,保壓時間為5min,估算的成型力為1220~1600kN;實際成型時間為22min,加上輔助工序時間總需時間約為40min(含型腔坯料預(yù)熱到705℃放入凹模套后保溫15~18min),壓下量為10mm,實際測得的成型力:1500~2100kN,其中1500kN是開始變形的成型力平均值,2100kN是最終保壓時的成型力平均值,實際成型力比估算成型力高的主要原因是在估算時忽略了摩擦、實際成型時溫度是下降的等因素,這些因素會引起變形抗力提高。3模具型腔加工技術(shù)的應(yīng)用超塑制模技術(shù)是一項模具型腔制造的新技術(shù),屬于少無切削的等量加工技術(shù)范疇,在加工模具鋼材料的型腔,特別是對于型腔復(fù)雜度高、型腔過渡圓角極小、壽命要求長以及處于研發(fā)試制階段的產(chǎn)品模具型腔,與機(jī)械加工、電火花加工和冷擠壓加工等方法相比有如下優(yōu)勢:(1)可一次成型出型腔復(fù)雜度高、型腔過渡圓角極小、壽命要求長的工模具鋼型腔,并具有良好的重復(fù)制造性(復(fù)制母?？梢灾貜?fù)使用,重復(fù)制造的型腔精度一致性好),生產(chǎn)效率較高,特別適用于大批量生產(chǎn)零件的模具型腔制造,如汽車連桿等關(guān)鍵零部件、高質(zhì)量的黑色金屬和不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)件的模具型腔,綜合經(jīng)濟(jì)效果更明顯。(2)超塑制模技術(shù)使模具型腔的材料原始流線完好,表面不存在硬化層、熱影響層與顯微裂紋;材料在超塑狀態(tài)下加工硬化程度輕微、變形抗力小,塑性、流動性與充填性極好,型腔精度較高;超塑成型后材料得到等軸細(xì)晶組織,無各項異性,經(jīng)過熱