专利名称：镁合金固态冲压成型工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金固态冲压成形方法及其用该方法冲压而成的镁合金制品。更具体地说，是一种镁合金圆筒状或多棱柱筒状薄壳制品的加工制造方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为开发一种冲压工艺方法，使镁合金在固态状况下，只需一次冲压加工，即可成型为整体的实心或空心的棒形、阶梯形、杯形罩壳及多种形式的复杂结构组件。冲压成形生产工艺过程包括原材料准备、半成品冲切、模压成形等三大工序。所述的原材料准备系指根据产品要求选取镁合金的材质牌号，以及相应的尺寸规格，针对本发明所述的冲压镁合金制品，它的化学成分为镁＞90％、铝0～8％、锌0～6％、锰0～0.5％、锆0～0.8％、钇0～6％、稀土0～0.4％等，其它还有铁、铜、硅、镍以及熔练加工中带入的杂质成分为＜0.1％。其中铝能改善合金强度和硬度；锌与铝一起加入可提高合金在室温下强度，还有助于克服铁、镍对合金的有害腐蚀；锰能提高合金的屈服强度及对盐水的耐腐蚀性；锆有助于对合金的晶粒细化作用；钇与稀土一同添加，能使合金具有良好的高温性能；铁、镍是有害物质，它们为降低合金的耐腐蚀性；铜的含量超出0.05％就为影响合金的抗腐蚀性，但可改善高温强度。
所述的半成品冲切工序系指根据产品的后续工序要求提供半成品的材料制品，包括其几何形状与尺寸要求。半成品材料制备可以是铸造态或以园棒切割而成的饼或粒，但是选用镁合金板冲切成的镁合金饼状半成品材料，其外形尺寸、表面质量、金相组织和生产效率均优于铸造态或以园棒切割而成的饼或粒状半成品材料；半成品材料的表面质量、外形尺寸精度及金相组织与最后冲制出来的产品质量密切相关。为得到半成品材料光洁的切口，应将镁合金的原材料预热在50°～450℃的温度范围进行冲切，最好是预热至200～450℃进行饼料的冲切，，并且冲切的模具要采用耐热的油类润滑。所述的第三个工序模压成形，它包含有对镁合金的饼或粒状半成品材料的净化处理、添加润滑剂、冲压成形、产品相关的机加工及表面处理等几个工步；其中净化处理又可分为机械抛光和化学抛光的二种方法。对镁合金饼状半成品材料进行净化处理的目的是除去其表面油污、氧化物、有机物等，以获得光洁的表面。
本发明的镁合金固态冲压成形方法基本使用以下三种生产工艺方法生产工艺方法之1原材料准备，转入半成品冲切，转入机械抛光，转入添加润滑剂，转入冲压成形，转入机加工。生产工艺方法之2原材料准备，转入半成品冲切，转入机械抛光，转入化学抛光，转入添加润滑剂，转入冲压成形，转入机加工。生产工艺方法之3原材料准备，转入半成品冲切，转入机械抛光，转入化学抛光，转入添加润滑剂，转入冲压成形，转入机加工，转入表面处理。
机械抛光是用六角滚桶的设备来完成的，将镁合金饼置于六角滚桶中，并放置干燥的谷壳、木材锯末等不含有害物质的软质材料，在以每分钟20～50转速度下滚抛，在滚抛中与镁合金饼表面摩擦，带走表面油污及有机物；而镁合金饼相互碰撞以及与滚筒碰撞，即可除去半成品冲切时的毛剌。滚抛的时间与冲切后毛剌及表面污秽度有关，一般滚抛时间为每桶20～60分钟，装载量为桶体的1/4～2/3。如果机械抛光后表面的光洁度仍旧不理想，再可辅以化学抛光或脱污处理，以达到表面的理想净化程度。
添加润滑剂是本发明的一个重要内容，其目的是为了克服在冲压成形过程中金属位错滑移变形时产生的模具与半成品镁合金饼的相对摩擦力。本发明是采用温热态冲压成形方法，因此对润滑剂选择和添加方法不能用锌合金和铝合金的冷冲压成形中广泛使用的硬脂酸锌，因为它在温热态下润滑作用变差；而应具备半成品镁合金饼在温热态下与被挤压金属结合力好、有较少的摩擦系数、化学热稳定好，且有足够的粘度以复盖新生表面。润滑剂的主要成分为胶体石墨，它可以与硼酸、滑石粉、二硫化钼、硼酸铝、羊毛脂等混合使用。选取其中一种或几种组合，能满足镁合金饼在温热态下冲压成形的润滑要求。润滑剂的添加量和添加方法，也影响镁合金饼在温热态下冲压成形的质量，足够而均匀的润滑剂能始终保持模具壁与半成品镁合金饼润滑隔离，还起到防氧化的与空气隔离的作用。而镁合金饼润滑剂附着量的过多1或过少，又为造成冲成形的产品尺寸不稳定，并使起模和脱模困难，冲压模具磨损加剧；而镁合金饼润滑剂附着量不均匀，又为造成冲压成形的产品尺寸(如筒体、壳体壁厚)不均匀，又称谓跑偏。添加方法可采用将被冲切获得的镁合金饼料浸没有配制好的润滑剂液体里完成，对模具壁面润滑剂的添置方法可以采用喷涂或刷涂。
冲压成形方法是把半成品镁合金饼在温热态下进入入凹模，在高冲压力及高速作用下，使塑性成形过程的金属流动容易，塑性增加，变形抗力减少；温热态的加热方法是通过电热或燃气加热至150-450℃，最好加热至200-400℃，因为在200-400℃温度下镁合金具有较好的延伸性，镁合金晶粒位错、滑移变形容易，金相组织细密。并且在镁合金饼加热前涂上固态润滑剂，使其表面形成一层薄膜，防止表面氧化。镁合金的成型速率比铝合金快，冲压速度可控制在160～400mm/s之间，冲压力控制在100～150kgf/mm2之间。如果合理选取凸凹模间隙，镁合金产品最小壁厚可达0.1mm，最大变形量可达96％。
机加工的内容是根据产品要求如切边、滚槽、钻孔等工序，可采用常规的加工方法。
表面处理也是根据产品要求，可分别进行诸如化学处理、电化学处理、微弧阳极化处理等，也可辅以喷涂漆装饰或电镀铜、铬、镍。
相对于压铸加工方法进行比较，本发明的优点是用该方法冲压而成的镁合金制品其加工效率高、能耗少、材料利用率和正品率高、生产成本低；而且冲压成形的镁合金薄壁件具有尺寸精度高、表面质量好、机械性能优异的显著特点。
实施例1 冲制R6电池壳冲压工艺方法原材料准备，转入半成品冲切，转入机械抛光，转入化学抛光，转添加润滑剂，转入冲压成形，转入机加工。
以下说明冲压工艺方法所包含的每项工序内容原材料准备选用市售AZ31镁合金，它的化学成分为镁＞90％、铝约为3WT％、锌约为1WT％、锰约为0.2～0.3WT％、其它为不可避免的杂质。AZ31镁合金其冲压成形性能好。
半成品冲切 即冲切镁合金饼(或镁合金粒)，半成品冲切工序系指根据产品的后续工序要求提供半成品的材料制品，包括其几何形状与尺寸要求；根据图4的R6电池壳结构图尺寸，上口留出10％的机加工余量。镁合金板厚度选用为5.8毫米，镁合金板宽度选用为100毫米，镁合金板长度为1000毫米，冲切模具(参见
图1)平面排列为前三个、后四个，即每冲切一次得7个镁合金饼(或镁合金粒)；镁合金饼的形状如图2所示，其外径尺寸为12.7毫米，厚度为5.8毫米；冲切模具(参见图1)中1为落料凹模，2为凹模固定板，3为落料工件，4为板材，5为卸料板，6为凸模固定板，7为落料凸模，8为垫板。凹模切口内径为12.72毫米，凹模切口外径为12.50毫米，凹模材料硬度为HRC58～62，生产设备为100吨冲床，冲切速度为每分钟65次；送料方式为机械手步进装置，出料方式为自落式；镁合金板在烘箱中加热至400℃，冲切完成的镁合金饼如图2所示。
机械抛光 冲切完成的镁合金饼，切口带有毛剌，表面附有油污、氧化物或有机物，机械抛光能去除上述缺陷；这个工序是用六角形滚桶滚抛法设备来完成的，将镁合金饼置于六角滚桶中，滚动中放置干燥的谷壳的软质材料，在以每分钟25转速度下滚抛，在滚抛中与镁合金饼表面摩擦拭，带走表面油污及有机物；而镁合金饼相互碰撞以及与滚筒碰撞，即可除去半成品冲切时的毛剌。滚抛的时间为每桶40分钟，装载量为桶体的1/3。
化学抛光 被处理的镁合金饼表面由受到脱模剂污染，要进一步化学抛光；由酸性水溶液，以化学方式去除残存于镁合金饼表面的污染物，将表面完全洁净化。化学抛光是被处理的镁合金饼表面接触酸性溶液而进行的，本实施例1使用的酸性水溶液为HNO30.75～12％+CrO35～60％+HF 0～2％处理时间为20秒左右，酸性水溶液的浓度、温度、接触条件，视镁合金饼表面受到的污染程度而定；化学抛光前如有油脂，可插入脱脂处理，脱脂方式为常用的纯碱或去油王。
添加润滑剂 本实施例1使用的润滑剂是胶体石墨。如图2所示的镁合金饼的规格，润滑剂添加量为每千克镁合金饼的润滑剂为0.5克，其添加方法是把经过上述机械抛光或化学抛光的镁合金饼与润滑剂一起置于六角形滚桶中进行滚动搅拌，搅拌速度为每分钟25次，搅拌时间为40分钟，使镁合金饼表面润滑剂的附着量为0.1mg/cm2。
冲(挤)压成形 本实施例1是根据图4的R6电池壳结构图尺寸，一次性整体冲压成形。冲(挤)压模具结构在图3中示出，其中1为凹模座、2为凹模垫块、3为垫头、4为凹模、5为凹模紧固帽、6为卸料圈、7为卸料板、8为卸料圈盖板、9为凸模紧固帽、10为凸模夹头、11为凸模、12为凸模垫块、13为凸模柄。冲(挤)压模具选用的凹模规格为内孔13.13毫米，深度为8毫米。凸模规格为外径12.52毫米。模具材料为硬质合金和通用模具钢，加热方式为料斗电热式，镁合金饼在250℃温热态下，通过流道和机械手进入凹模，63吨冲床以每分钟58次速度连续冲压成形，冲压速度为每秒232毫米，成型方法为反冲压或带有部分正冲压的复合冲压方法。
机加工 本实施例1是根据图4的R6电池壳结构尺寸的要求进行切边等工序，可采用常规的加工方法。
实施例2 本实施例2使用的润滑剂是胶体石墨84％+硼酸16％，其他与实施例1方法相同。
实施例3 本实施例2使用的润滑剂是胶体石墨66％+滑石粉34％，其他与实施例1方法相同。
实施例4 本实施例4的镁合金饼预热温度200℃。其他与实施例1方法相同。
实施例5 本实施例5的镁合金饼预热温度400℃。其他与实施例1方法相同。
实施例6 本实施例6冲切的镁合金饼改为方形，凹凸模改为方形。其他与实施例1方法相同。
实施例7 本实施例7冲切的镁合金饼原材料准备改为钝镁板。其他与实施例1方法相同。
以下是对比例，描述应用不同原材料、润滑剂、预热温度及成型方法，其产品质量效果与实施例之比较对比例1 使用的润滑剂是硬脂酸锌。其他与实施例1方法相同。
对比例2 镁合金饼预热温度为室温。其他与实施例1方法相同。
对比例3 使用原材料改为铝合金，使用的润滑剂是硬脂酸锌，镁合金饼预热温度为室温。其他与实施例1方法相同。
对比例4 使用原材料改为锌合金，使用的润滑剂是硬脂酸锌，镁合金饼预热温度为室温。其他与实施例1方法相同。
对比例5 使用原材料改为F08钢带，厚度为0.25毫米，制品外形与实施例1成型尺寸相同，采用多工位连续拉伸工艺成型。
对比例6 使用原材料改为AZ91镁合金，制品外形为园筒形，采用热室压铸工艺。
下面列出的表1中显示对本发明的镁合金固态冲压成形方法的7个实施例与现有的金属结构材料中广泛应用的钢带、铜合金、铝合金原材料及其传统成形工艺方法(对比例1-6)比较后得到的优异的产品质量特征和工艺特征
对表1中的说明●表示所有的以下特征指标均能满足要求；○表示所有的以下特征指标有一项不能满足要求；△表示所有的以下特征指标有二项不能满足要求；×表示所有的以下特征指标有三项不能满足要求；“外形尺寸”包括(1)薄壁件厚度达到0.5毫米以下；(2)尺寸精度达到0.02毫米以下；(3)表面粗糙度达到1.6以下；(4)制品外形可制成园筒形、盒形、盖形及其它复杂型壳体。
“综合性能”包括(1)抗拉机械强度200MPa；(2)电磁屏蔽性能强；(3)吸震性好；(4)耐腐蚀性好。
“工业化生产指标”包括(1)制品件成型速度达到每分钟40件以上；(2)材料利用率达到85％以上；合格率达到95％以上。
“综合消耗指标”包括(1)热量消耗485J/Cm3；(2)切削功耗每分钟15W/Cm；(3)工模具消耗凸模20万件，凹模具50万件；(4)资源消耗低。
本发明的镁合金固态冲压成形方法适宜于大规模、高效率的工业化生产，并用该方法生产开发的的制品可广泛应用于电子电器、日用轻工、纺织医疗等领域。再者，本发明的镁合金固态冲压成形方法能制作的薄壁件厚度可达0.5毫米以下，这是现有的金属结构材料中广泛应用的钢带、铜合金、铝合金原材料及其传统成形工艺方法所难以达到的，也是现有传统的镁合金加工成形工艺方法中都难以达到的，因而在工业上极具推广利用价值。
权利要求
1.一种镁合金固态冲压成形工艺方法，它包含有原材料准备、半成品冲切、半成品抛光、添加润滑剂、温热态冲压成形、机加工、表面处理等工序，其特征在于a.镁合金半成品为圆饼状或块状；b.镁总领事金半成品是在150-450℃的温热状态下被一次冲压加工成薄壳状的圆筒体或棱柱型筒体或方形盒体。
2.如权利要求1所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是所述的镁合金其化学成份为镁＞90％、铝0-8％、锌0-6％、锰0-0.5％、锆0-0.8％、钇0-6％、稀土0-4％，其它为不可避免的杂质铁、铜、硅、镍等，杂质成分＜0.01％。
3.如权利要求1所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是所述的润滑剂成分是胶体石墨或以胶体石墨为主体另加选自硼酸、滑石粉、二硫化钼、硼酸铝、羊毛脂中的一种或几种混合而成的混合物。
4.如权利要求1所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是镁合金饼料在放入模具进行温热冲压前需拌上固态润滑剂、润滑剂的附着量为0.05-0.5mg/cm2。
5.如权利要求1所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是镁合金饼料放入模具进行温热冲压时的温度为200-400℃，冲压速度为160-400mm/s。
6.如权利要求1所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是所述的镁合金饼料放入模具进行温热冲压时所采用的是“反冲压”加工方法。
7.如权利要求1所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是所述的半成品抛光是将半成品镁合金饼置于六角滚桶内并放置干燥的谷壳、木材锯末等软质材料，在每分钟20-50转的转速下滚抛，滚抛时间为每桶20-60分钟，装载量为桶体的1/4-2/3。
8.如权利要求1所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是所述的抛光是化学抛光，先采用纯碱或去油王进行脱脂处理，其后其用硝酸、铬酸、氢氟酸溶液滚动酸洗，酸洗液成份为；硝酸0.75-12％，铬各5-6％，氢氟酸0-2％。
9.如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是所述的半成品镁合金饼料为圆饼状，其直径为10-14mm，厚度为4-7毫米。
10.如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的镁合金固态冲压成形工艺方法，其特征是所述的反冲法其凹模切口内径为12.72毫米，其凹模切口外径为12.50毫米。
全文摘要
本发明涉及一种镁合金固态冲压成型工艺方法；它包含有原材料准备、半成品冲切、机械抛光、化学抛光、添加润滑剂、温热态冲压成型、机加工、表面处理等工序。其特征在于镁合金在固态状况下，只需一次冲压加工成型，其特征在于冲切镁合金饼(或镁合金粒)时，原材料预热至200－450℃，先冲切成镁合金饼(或镁合金粒)，然后拌和润滑剂，所述的润滑剂为胶体石墨、硼酸、滑石粉、二硫化钼、硼酸铝、羊毛脂等；润滑剂的附着量为0.05－0.5mm/cm
文档编号B21D22/20GK1403225SQ0211167
公开日2003年3月19日 申请日期2002年5月14日 优先权日2002年5月14日
发明者史定武, 王国庆 申请人:宁波光华电池有限公司