導(dǎo)語(yǔ)：工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：對(duì)一種鎂鋰合金筒體件進(jìn)行了等溫?cái)D壓工藝的分析與模具設(shè)計(jì)，比較了原工藝和等溫?cái)D壓兩種工藝的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性。該工藝的實(shí)施降低了原材料成本，提高了原材料的利用率；提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，成品率大幅提高。該工藝便于生產(chǎn)實(shí)際操作，經(jīng)濟(jì)效益良好。

關(guān)鍵詞：鎂鋰合金；等溫?cái)D壓；模具設(shè)計(jì)

筒體材料為鎂鋰合金LA43M，其零件簡(jiǎn)圖見圖1。該合金是目前金屬結(jié)構(gòu)材料中密度較小者，比塑料密度略大，彈性模量較大，阻尼大，是鋁合金的十幾倍，能吸收沖擊能量，減震降噪效果好，在屏蔽電磁干擾方面有突出表現(xiàn)。為了適應(yīng)航天裝備輕量化、抗干擾的需求，需使用鎂鋰合金[1]。筒體傳統(tǒng)工藝采用真空鑄造+機(jī)械加工而成，由于鑄件內(nèi)部存在缺陷，或是鑄件本身性能達(dá)不到要求，零件廢品率高達(dá)80%。如果采用鍛造成形，由于鎂鋰合金的鍛造溫度區(qū)間較小，在330～380℃，加熱溫度高，低熔點(diǎn)物質(zhì)容易熔化，產(chǎn)生過(guò)燒；加熱溫度低，鍛造過(guò)程中鍛件容易開裂。根據(jù)以上分析，決定采用等溫?cái)D壓成形工藝，該工藝的主要特點(diǎn)是把模具的溫度和材料的溫度控制在一致的范圍內(nèi)，在溫度基本恒定的環(huán)境下，完成整個(gè)擠壓成形過(guò)程，能夠徹底消除鍛造缺陷。

1兩種加工方式比較

鎂鋰合金是在鎂金屬中添加Li元素，一般Li含量14%～16%，其密度為1.4～1.7g/cm3，較一般鎂合金的密度1.8g/cm3更低，LA43M化學(xué)成分見表1。由于Li為低熔點(diǎn)金屬，密度小，在空氣中很容易氧化，因此，合金熔煉工藝復(fù)雜，必須在真空爐中熔煉，鑄錠尺寸較小，直徑為準(zhǔn)140mm，鑄錠長(zhǎng)度不等，為220～240mm，鑄錠費(fèi)用為120元/kg，鑄錠在機(jī)械加工過(guò)程中，必須去掉8%~10%錠底、15%～18%的冒口，外圓單邊車掉3～5mm，鑄錠的實(shí)際利用率為62.8%，整根鑄錠材料費(fèi)為730.8元/件。傳統(tǒng)的工藝是采用鑄錠直接進(jìn)行機(jī)械加工，鑄錠去掉錠底、冒口，車掉外殼，每個(gè)鑄錠只能加工一個(gè)零件，鑄件的成品率為20%，平均5根鑄錠才能加工一件成品。因此成品件的加工成本很高，材料利用率很低。采用等溫?cái)D壓成形，可大大降低原材料成本，提高原材料利用率，降低后續(xù)加工成本。

2確定工藝參數(shù)

鎂鋰合金LA43M的材料密度為1.65g/cm3，強(qiáng)度220～340MPa，彈性模量40GPa，阻尼大，減震降噪效果好，在屏蔽電磁干擾方面有突出表現(xiàn)[2]。其性能要求為：Rm≥280MPa，R0.2≥140MPa，A≥10%。由于產(chǎn)品性能要求高，鑄件一般很難達(dá)到要求，這是造成鑄件廢品率高的主要原因，其次由于鑄件內(nèi)部的鑄造缺陷，也是造成性能不能滿足要求的原因之一。這樣高的性能要求，只能采用等溫?cái)D壓成形來(lái)提高產(chǎn)品強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。由于我單位以前沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)鎂鋰合金LA43M，對(duì)該產(chǎn)品的鍛造特性還不了解，只知道該產(chǎn)品鍛造變形溫度區(qū)間較窄，鍛造溫度區(qū)間在330～380℃[3]，溫度高于380℃，低熔點(diǎn)鋰元素容易在晶界熔化，導(dǎo)致過(guò)燒；溫度低于330℃，鍛造容易產(chǎn)生開裂，毛坯鍛造性能較差。正是由于這些原因，傳統(tǒng)工藝一直采用鑄件直接機(jī)械加工而成。經(jīng)過(guò)多次工藝試驗(yàn)，編制了筒體等溫?cái)D壓成形工藝方案，確定了生產(chǎn)工藝流程：原材料鑄錠→車錠底、車冒口→車外圓→下料→材料加熱→模具預(yù)熱、潤(rùn)滑→擠壓成形→毛坯尺寸檢測(cè)→去毛刺→熱處理→性能檢測(cè)→合格→發(fā)貨。（1）下料。根據(jù)擠壓件圖（圖2），計(jì)算并確定坯料下料尺寸為準(zhǔn)130mm×88+2mm。（2）加熱。由于鎂鋰合金LA43M材料的成分及工藝特性，其原材料的擠壓成形溫度范圍較窄，為了確保鎂鋰合金在擠壓成形過(guò)程既不產(chǎn)生過(guò)燒，也不產(chǎn)生開裂，給定了幾種不同的工藝加熱溫度（控制精度±5℃），分別為360、365、370、375、380℃。為了確保爐內(nèi)溫度均勻，采用帶循環(huán)風(fēng)扇加熱的鋁合金箱式電阻爐進(jìn)行等溫?cái)D壓試驗(yàn)，筒體力學(xué)性能及金相檢測(cè)結(jié)果見表2。由于工藝加熱溫度為（375±5）℃時(shí)等溫?cái)D壓件性能較低，（380±5）℃時(shí)等溫?cái)D壓件性能最低，接近鍛件的臨界值，因此，將380℃作為加熱溫度臨界點(diǎn)。在工藝加熱溫度為360、365、370℃時(shí)，鍛件性能都能滿足要求，并且性能有一定的富余量，是比較理想的狀態(tài)。在實(shí)際加熱過(guò)程中，爐溫不可能是很穩(wěn)定的，總是存在一定的波動(dòng)性，性能也不是一個(gè)恒定的值，也會(huì)存在波動(dòng)。從產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定考慮，將加熱溫度確定為（365±5）℃比較合適。（3）模具預(yù)熱。因?yàn)殒V鋰合金的擠壓成形溫度在380～330℃，變形溫度區(qū)間窄，高溫易過(guò)燒，低溫易開裂，筒體鍛件孔深，變形量大，為了達(dá)到良好的成形效果，綜合以上因素，確定模具加熱溫度與毛坯擠壓溫度一致，選擇（365±5）℃較為適宜。（4）模具潤(rùn)滑。為了減小等溫?cái)D壓成形過(guò)程的摩擦阻力，降低變形力，便于模具沖頭及鍛件脫模，采用了炮油（75%）+石墨（25%）的混合體作為成形過(guò)程中的潤(rùn)滑劑（5）等溫?cái)D壓件成形。為了確保成形溫度在坯料的始鍛溫度和終鍛溫度之間，鋁合金加熱電爐距離模具要近，從電爐內(nèi)夾料轉(zhuǎn)移到等溫?cái)D壓模腔內(nèi)的時(shí)間不能超過(guò)15s，等溫?cái)D壓時(shí)間不能超過(guò)30s，油壓機(jī)成形壓力為3.6MN。壓力小，成形不飽滿。壓力大，筒體內(nèi)孔將凸模包得很緊，凸模不易脫模；其次筒體與下模腔粘結(jié)緊密，工件頂出困難，不利于生產(chǎn)。因此，實(shí)際生產(chǎn)操作時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制電爐加熱時(shí)間、工件轉(zhuǎn)移時(shí)間、等溫?cái)D壓力和操作成形時(shí)間。

3模具設(shè)計(jì)

模具總體設(shè)計(jì)遵循等溫?cái)D壓模鍛件鍛模設(shè)計(jì)要求[4]，具體設(shè)計(jì)步驟為：①根據(jù)零件圖和鎂鋰合金在塑性成形加熱過(guò)程中的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)行零件尺寸放量，確定筒體的等溫?zé)釘D壓件圖；②根據(jù)等溫?zé)釘D壓件圖，確定模具成形方式及模具裝配圖（圖3）；③應(yīng)用等溫電爐進(jìn)行等溫?cái)D壓成形；④設(shè)計(jì)凸、凹模零件圖及其它模具零件圖。根據(jù)以上步驟，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在鎂鋰合金等溫?cái)D壓成形過(guò)程中，凸模的擠壓角會(huì)影響到金屬的流動(dòng)，擠壓角過(guò)小金屬流動(dòng)不暢，甚至?xí)斐慑懺烊毕?，模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大擠壓角，凸模擠壓角大小通過(guò)等溫?cái)D壓試驗(yàn)，將凸模擠壓角從3°增加到7°比較合適；凸模、凹模都需要留有適當(dāng)?shù)拿撃Ｐ倍?，既不能大，也不能小，脫模斜度大，鍛件余量大，達(dá)不到節(jié)約材料的目的，脫模斜度小，脫模困難，不能順利生產(chǎn)。通過(guò)試驗(yàn)，采取先小后大的思路，凸模脫模斜度為1°，長(zhǎng)度88mm，凹模脫模斜度為0.5°，長(zhǎng)度94mm，脫模比較順利；并在模具結(jié)構(gòu)中增加卸料環(huán)，它的作用有三點(diǎn)：①控制鍛件高度，確保鍛件充填飽滿；②對(duì)凸模進(jìn)行定位，確保凸模在鍛件中心，防止凸模偏移，造成筒體擠壓件壁厚差過(guò)大；③可有效地將筒體從凸模上脫落，凸模脫模斜度可減小。通過(guò)采取以上措施，從而使模具設(shè)計(jì)合理，金屬能夠在模腔內(nèi)很好地流動(dòng)，達(dá)到理想的充填效果。

4工藝效果應(yīng)用

上述模具進(jìn)行生產(chǎn)，模具運(yùn)行自如，脫模、頂出操作方便，產(chǎn)品成形良好。應(yīng)用上述工藝參數(shù)批量生產(chǎn)了鎂鋰合金筒體件，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。鑄錠直接機(jī)加和等溫?cái)D壓+機(jī)加兩種加工方式的原材料使用、廢品率、材料費(fèi)、班產(chǎn)量、材料利用率、原材料費(fèi)等對(duì)比見表3。采用鑄錠直接機(jī)械加工，班產(chǎn)量較少，原材料利用率很低；而采用等溫?cái)D壓成形后+機(jī)械加工，零件成品率和原材料的利用率大幅提高，機(jī)加工效率得到大幅提高。等溫?cái)D壓成形工藝便于生產(chǎn)實(shí)際操作，經(jīng)濟(jì)效益良好。

5結(jié)論

（1）采用等溫?cái)D壓成形工藝，降低了原材料成本，提高了原材料的利用率。（2）采用等溫?cái)D壓成形工藝，消除了鑄件的鑄造缺陷，提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，成品率大幅提高，加工效率大幅提高。（3）設(shè)計(jì)了合理的模具結(jié)構(gòu)，消除了等溫?cái)D壓可能產(chǎn)生的鍛造缺陷，鎂鋰合金產(chǎn)品成形良好。等溫?cái)D壓成形工藝便于生產(chǎn)實(shí)際操作，經(jīng)濟(jì)效益良好。

參考文獻(xiàn)：

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作者:熊小龍 王 超 賀冠雄 王 勇 單位:1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所