工藝及模具結構設計研究

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摘要：對一種鎂鋰合金筒體件進行了等溫擠壓工藝的分析與模具設計，比較了原工藝和等溫擠壓兩種工藝的特點和經濟性。該工藝的實施降低了原材料成本，提高了原材料的利用率；提高了產品的力學性能，產品質量穩定，成品率大幅提高。該工藝便于生產實際操作，經濟效益良好。

關鍵詞：鎂鋰合金；等溫擠壓；模具設計

筒體材料為鎂鋰合金LA43M，其零件簡圖見圖1。該合金是目前金屬結構材料中密度較小者，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。為了適應航天裝備輕量化、抗干擾的需求，需使用鎂鋰合金[1]。筒體傳統工藝采用真空鑄造+機械加工而成，由于鑄件內部存在缺陷，或是鑄件本身性能達不到要求，零件廢品率高達80%。如果采用鍛造成形，由于鎂鋰合金的鍛造溫度區間較小，在330～380℃，加熱溫度高，低熔點物質容易熔化，產生過燒；加熱溫度低，鍛造過程中鍛件容易開裂。根據以上分析，決定采用等溫擠壓成形工藝，該工藝的主要特點是把模具的溫度和材料的溫度控制在一致的范圍內，在溫度基本恒定的環境下，完成整個擠壓成形過程，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化學成分見表1。由于Li為低熔點金屬，密度小，在空氣中很容易氧化，因此，合金熔煉工藝復雜，必須在真空爐中熔煉，鑄錠尺寸較小，直徑為準140mm，鑄錠長度不等，為220～240mm，鑄錠費用為120元/kg，鑄錠在機械加工過程中，必須去掉8%~10%錠底、15%～18%的冒口，外圓單邊車掉3～5mm，鑄錠的實際利用率為62.8%，整根鑄錠材料費為730.8元/件。傳統的工藝是采用鑄錠直接進行機械加工，鑄錠去掉錠底、冒口，車掉外殼，每個鑄錠只能加工一個零件，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。采用等溫擠壓成形，可大大降低原材料成本，提高原材料利用率，降低后續加工成本。

2確定工藝參數

鎂鋰合金LA43M的材料密度為1.65g/cm3，強度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[2]。其性能要求為：Rm≥280MPa，R0.2≥140MPa，A≥10%。由于產品性能要求高，鑄件一般很難達到要求，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，只能采用等溫擠壓成形來提高產品強度和伸長率。由于我單位以前沒有生產過鎂鋰合金LA43M，對該產品的鍛造特性還不了解，只知道該產品鍛造變形溫度區間較窄，鍛造溫度區間在330～380℃[3]，溫度高于380℃，低熔點鋰元素容易在晶界熔化，導致過燒；溫度低于330℃，鍛造容易產生開裂，毛坯鍛造性能較差。正是由于這些原因，傳統工藝一直采用鑄件直接機械加工而成。經過多次工藝試驗，編制了筒體等溫擠壓成形工藝方案，確定了生產工藝流程：原材料鑄錠→車錠底、車冒口→車外圓→下料→材料加熱→模具預熱、潤滑→擠壓成形→毛坯尺寸檢測→去毛刺→熱處理→性能檢測→合格→發貨。（1）下料。根據擠壓件圖（圖2），計算并確定坯料下料尺寸為準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程既不產生過燒，也不產生開裂，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℃。為了確保爐內溫度均勻，采用帶循環風扇加熱的鋁合金箱式電阻爐進行等溫擠壓試驗，筒體力學性能及金相檢測結果見表2。由于工藝加熱溫度為（375±5）℃時等溫擠壓件性能較低，（380±5）℃時等溫擠壓件性能最低，接近鍛件的臨界值，因此，將380℃作為加熱溫度臨界點。在工藝加熱溫度為360、365、370℃時，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。在實際加熱過程中，爐溫不可能是很穩定的，總是存在一定的波動性，性能也不是一個恒定的值，也會存在波動。從產品質量穩定考慮，將加熱溫度確定為（365±5）℃比較合適。（3）模具預熱。因為鎂鋰合金的擠壓成形溫度在380～330℃，變形溫度區間窄，高溫易過燒，低溫易開裂，筒體鍛件孔深，變形量大，為了達到良好的成形效果，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）模具潤滑。為了減小等溫擠壓成形過程的摩擦阻力，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程中的潤滑劑（5）等溫擠壓件成形。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，從電爐內夾料轉移到等溫擠壓模腔內的時間不能超過15s，等溫擠壓時間不能超過30s，油壓機成形壓力為3.6MN。壓力小，成形不飽滿。壓力大，筒體內孔將凸模包得很緊，凸模不易脫模；其次筒體與下模腔粘結緊密，工件頂出困難，不利于生產。因此，實際生產操作時應嚴格控制電爐加熱時間、工件轉移時間、等溫擠壓力和操作成形時間。

3模具設計

模具總體設計遵循等溫擠壓模鍛件鍛模設計要求[4]，具體設計步驟為：①根據零件圖和鎂鋰合金在塑性成形加熱過程中的熱膨脹系數，進行零件尺寸放量，確定筒體的等溫熱擠壓件圖；②根據等溫熱擠壓件圖，確定模具成形方式及模具裝配圖（圖3）；③應用等溫電爐進行等溫擠壓成形；④設計凸、凹模零件圖及其它模具零件圖。根據以上步驟，設計的模具結構示意圖如圖3所示。在鎂鋰合金等溫擠壓成形過程中，凸模的擠壓角會影響到金屬的流動，擠壓角過小金屬流動不暢，甚至會造成鍛造缺陷，模具設計時應加大擠壓角，凸模擠壓角大小通過等溫擠壓試驗，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的脫模斜度，既不能大，也不能小，脫模斜度大，鍛件余量大，達不到節約材料的目的，脫模斜度小，脫模困難，不能順利生產。通過試驗，采取先小后大的思路，凸模脫模斜度為1°，長度88mm，凹模脫模斜度為0.5°，長度94mm，脫模比較順利；并在模具結構中增加卸料環，它的作用有三點：①控制鍛件高度，確保鍛件充填飽滿；②對凸模進行定位，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。通過采取以上措施，從而使模具設計合理，金屬能夠在模腔內很好地流動，達到理想的充填效果。

4工藝效果應用

上述模具進行生產，模具運行自如，脫模、頂出操作方便，產品成形良好。應用上述工藝參數批量生產了鎂鋰合金筒體件，并進行了經濟性分析。鑄錠直接機加和等溫擠壓+機加兩種加工方式的原材料使用、廢品率、材料費、班產量、材料利用率、原材料費等對比見表3。采用鑄錠直接機械加工，班產量較少，原材料利用率很低；而采用等溫擠壓成形后+機械加工，零件成品率和原材料的利用率大幅提高，機加工效率得到大幅提高。等溫擠壓成形工藝便于生產實際操作，經濟效益良好。

5結論

（1）采用等溫擠壓成形工藝，降低了原材料成本，提高了原材料的利用率。（2）采用等溫擠壓成形工藝，消除了鑄件的鑄造缺陷，提高了產品的力學性能，產品質量穩定，成品率大幅提高，加工效率大幅提高。（3）設計了合理的模具結構，消除了等溫擠壓可能產生的鍛造缺陷，鎂鋰合金產品成形良好。等溫擠壓成形工藝便于生產實際操作，經濟效益良好。

參考文獻：

[1]《鍛壓技術手冊》編委會．鍛壓技術手冊[M]．北京：國防工業出版社，1989．

[2]楊振恒．鍛造工藝學[M]．西安：西北工業大學出版社，1986．

[3]李志剛．中國模具設計大典(第1卷)[M]．南昌：江西科學技術出版社，2003．

[4]夏巨諶，韓鳳麟，趙一平．中國模具設計大典（第4卷）[M].南昌：江西科學技術出版社，2003．

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