专利名称：镁合金薄壳件热冲锻成形方法及其专用模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及镁合金塑性加工生产技术，特别涉及一种具有较复杂几何外形(如可带有螺丝柱、加强筋等)的镁合金薄壳件热冲锻成形方法及其专用模具。
背景技术：
近几年来电脑、通讯产品、消费性电子等3C产品大行其道，而此类物品常须有便携性。目前大部分便携式产品的结构材料仍以工程塑胶为主，虽然其性能通常可以满足便携式产品结构的需求(如强度够、轻量、低成本、制造容易、周边厂商配合容易等)，但随着社会需求的不断发展，各种塑胶材料在结构刚性、散热性等已开始逐渐不能满足要求。特别是对产品材料特性要求更高，如电磁波干扰屏蔽、可回收性等，传统塑胶材料无法满足这些需求。镁是工业中最轻的结构金属材料，其密度仅为1.74g/cm。镁及镁合金具有一些吸引人的性质优良的导热性、导电性及电磁屏蔽性能；高的比强度、比刚度和减震性能；优良的加工工艺性能，如良好的铸造性能、机械加工性能，以及在保护气氛下有良好的焊接性能。镁的资源丰富，在当前日益严峻的能源与环境的压力下，镁合金易于回收和有利于环保等特点使其受到世人瞩目。因此对于追求轻、薄、短、小及环境保护的高科技产品而言，镁合金将是本世纪最热门的金属材料之一，有望得到长足的发展。
目前，镁合金产品主要采用压铸技术加工，但压铸仍有许多无法克服的缺点比如生产速度慢、优良率低、表面孔洞等。与铸造镁合金相比，变形镁合金在组织上更细、成分上更均匀、内部更致密，因此变形镁合金比铸造镁合金有高强度和高延伸率，而且塑性加工具有表面质量好、生产速度快、优良率高等优点，因此开发镁合金塑性加工技术是目前亟待进行的工作。
常见的镁合金塑性加工方法，如冲压，无法成形较复杂的几何外形。3C产品薄壳件内通常都带有突起的螺丝孔和加强筋等较复杂的部件，螺丝孔可用来连接上下外壳，还可安装LCD和其它电子元件；加强筋可提高薄壳件的刚度。这些部位则无法以冲压等方式成形。而采用热冲锻工艺进行此类薄壳件加工是一种形之有效的方法。
发明内容
本发明目的是提供一种镁合金薄壳件热冲锻成形方法及其专用模具，解决复杂的几何外形的成形问题，可获得材料利用率高、表面质量好的镁合金薄壳件。
本发明的技术方案是镁合金薄壳件热冲锻成形方法，具体工艺步骤为(1)将模具加热至200～400℃；(2)将厚为1.5mm～6mm坯料，加热至250～450℃；(3)将坯料涂上润滑剂；(4)将坯料放入凹模内，凸模向下运动，速度为10～500毫米/秒。
当冲锻结束后，从模具中取出成形件，冷却后，进行切边，切去多余边部。然后进行机加工，包括钻孔、切削等。最后进行表面处理和喷涂，完成成品的制造。
所采用的专用模具主要包括上模板、凹模垫板、退块、凹模、芯杆、凸模、凸模固定板、下模板。其中凹模放于凹模垫板上，退块和芯杆放入凹模内，用螺钉与定位销钉将凹模和凹模垫板固定于下模板上，凸模安装于凸模固定板，用螺钉和定位销钉固定于上模板。模具的主要特征是凸模具有与薄壳件的螺丝柱、加强筋相对应的螺丝柱孔和加强筋槽，凸模侧面具有凸模约束壁，分别对应薄壳件的侧壁，凸模约束壁壁厚与薄壳件侧壁厚度相同，凸模约束壁底面长度小于对应的薄壳件侧壁长度，形成可容纳多余金属的流出槽。
所述凸模约束壁底面长度约占所对应的薄壳件侧壁长度的4/5～9/10。
所述模具安装有加热、保温装置；凹模内径向分布有加热棒孔，加热棒置于加热棒孔内。
本发明原理如下镁的晶格是密排六方晶格排列，室温下只有基面{0001}产生滑移，因此镁合金常温下容易脆裂；200℃以上时第一类角锥面{1011}产生滑移，塑性大为提高；225℃以上时第二类角锥面{1012}也可能产生滑移，塑性提高更大。因此必须升高温度，以产生新的变形机制，才足以使材料变形容易。而且在较高温度下的塑性变形，可以发生动态再结晶，能细化晶粒、提高机械性能。较高温度下，冲锻所需的吨位比较低温下所需的吨位低得多；但若材料温度高于450℃，会造成晶粒长大，降低机械性能。故此镁合金坯料温度需控制好，一般在250～450℃。
良好的润滑条件，能利于镁合金材料的流动，有效降低模具磨损，降低设备所需吨位，提高产品的表面质量。凹模内壁、芯杆工作表面和凸模工作部位需进行抛光处理。对镁合金坯料表面进行抛光处理。在冲锻前，坯料表面要均匀涂抹上润滑剂，润滑剂可采用液体聚四氟乙烯(PTFE)或二硫化钼或石墨。
镁合金的流动性不好，比如对于形状如方盒的薄壳件，侧壁的四个角落成形高度相对侧壁中部低得多。针对镁合金的流动特性，合理的设计凸模形状可有效提高四个角落的成形高度，使侧壁高度均匀，减少切边余量、节省坯料。
本发明的主要优点1、本发明改进凸模几何外形，增加约束壁和流出槽，使薄壳件侧壁平整、高度均匀、切边量少、节省坯料。
2、本发明成形的薄壁件几何外形较复杂，可带有螺丝柱、加强筋等，方便上、下外壳连接，易于安装电子产品内部的线路板和LCD等部件，提高了产品刚度，生产的薄壳件适用于3C产品。
3、本发明外壳壁厚薄，厚度可达到0.5～0.8mm，符合3C产品要求的轻、薄、短、小的特点。
4、本发明通过本方式成形的镁合金薄壳件，表面质量好，简化后续表面处理过程。
5、本发明在合理的工艺参数下进行加工，可得到细小的晶粒，产品的机械性能高于其它方式成形的产品。
图1为本发明具体实施时采用的镁合金热冲锻专用模具结构剖面图。
图2a-b为本发明的凹模剖面图。其中，图2a为主视图；图2b为图2a的C-C剖视图。
图3为采用本发明制造的一个典型产品图。
图4为制造图3所示产品的凸模图。
图中，1下模板；2凹模垫板；3退块；4凹模；5芯杆；6凸模；7凸模固定板；8上模板；9薄壳件；10螺丝柱；11加强筋；12角落；13侧壁；14加热棒孔；15螺丝柱孔；16加强筋槽；17流出槽；18约束壁底面；19凸模约束壁。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施对本发明进行进一步的说明。
如图1和图2a-b所示，所采用的专用模具主要包括下模板1、凹模垫板2、退块3、凹模4、芯杆5、凸模6、凸模固定板7、上模板8。其中凹模4放于凹模垫板2上，退块3和芯杆5放入凹模4内，用螺钉与定位销钉将凹模4和凹模垫板2固定于下模板1上。凸模6安装于凸模固定板7，用螺钉和定位销钉固定于上模板8。
如图3所示，热冲锻薄壳件9内部带有4个螺丝柱10，1个加强筋11。预成形薄壳件为四方形，难点在于壳内部不但要成形出螺丝柱和加强筋，而且薄壳件四个角12难以成形。
取镁合金AZ31轧制或挤压板材(厚度为1.5mm～6mm)一块，其面积与预成形薄壳件底部面积相等，可刚好平放入凹模内。根据预成形薄壳件成品的形状和体积，按体积相等原则，适当留出余量，精确计算出所需坯料的厚度。
将坯料进行表面抛光处理，然后放入加热炉中加热至250～450℃。在此温度下，镁合金的塑性好，能有效降低设备吨位，同时不会发生晶粒长大现象。
将模具预热至200～400℃，最好保持温度在300℃以上。将坯料均匀涂抹润滑剂液体聚四氟乙烯(PTFE)或二硫化钼或石墨，然后放入凹模4内，置于芯杆5上。凹模内径向分布有12个加热棒孔14，将加热棒置于加热棒孔14内。加热模具，可保证坯料温度在所需变形温度范围内，如图2a-b所示。
凸模6开始向下运动，速度为10mm/s～500mm/s，施加力的大小与凸模截面积、凸模速度和成品薄壳件的厚度相关，大约在5～15吨/厘米2。
对应预成形薄壳件9的螺丝柱10和加强筋11，凸模6具有螺丝柱孔15和加强筋槽16。在凸模6作用下，能成形4个螺丝柱10和加强筋11。根据镁合金的塑性变形特性，预成形薄壳件侧壁13中间的成形高度通常远高于四个角落12的成形高度。为此，如图4所示，本发明的凸模具有4个凸模约束壁19，分别对应预成形薄壳件的4个侧壁。如凸模约束壁19对应预成形薄壳件的侧壁13。凸模约束壁19可限制薄壳件侧壁13中间的成形高度，有效提高四个角落12的成形高度。如当镁合金材料变形流动到凸模约束壁底面18处时，凸模约束壁19将限制材料继续向上流动，而向两侧流动，流向角落，从而提高了四个角落12的成形高度。凸模约束壁底面长度小于薄壳件侧壁长度，所述凸模约束壁底面长度约占所对应的薄壳件侧壁长度的4/5～9/10。这样可形成流出槽17，多余的金属可从流出槽17中流出。
实施例1镁合金薄壳件热冲锻成形方法，具体工艺步骤如下(1)将模具加热至200℃；(2)将厚度为1.5mm板材加热至250℃；(3)将坯料均匀涂抹上润滑剂液体聚四氟乙烯；(4)将坯料放入凹模内，凸模向下运动速度为500mm/s冲锻出壳形件。根据成形件的尺寸和形状不同，对凸模施加力的大小控制在为5ton/cm2～15ton/cm2。
实施例2镁合金薄壳件热冲锻成形方法，具体工艺步骤如下(1)将模具加热至300℃；(2)将厚度为3mm板材加热至350℃；(3)将坯料均匀涂抹上润滑剂二硫化钼；(4)将坯料放入凹模内，凸模向下运动速度为100mm/s冲锻出壳形件。根据成形件的尺寸和形状不同，对凸模施加力的大小控制在为5ton/cm2～15ton/cm2。
实施例3镁合金薄壳件热冲锻成形方法，具体工艺步骤如下(1)将模具加热至400℃；(2)将厚度为6mm板材加热至450℃；(3)将坯料均匀涂抹上润滑剂石墨；(4)将坯料放入凹模内，凸模向下运动速度为10mm/s冲锻出壳形件。根据成形件的尺寸和形状不同，对凸模施加力的大小控制在为5ton/cm2～15ton/cm2。
当冲锻结束后，从模具中取出成形件，冷却后，进行切边，切去多余边部。然后进行机加工，包括钻孔、切削等。最后进行表面处理和喷涂，完成成品的制造。
权利要求
1.镁合金薄壳件热冲锻成形方法，产品的形状为盒形外壳，壳底部内壁局部有厚度变化，带有螺丝柱、加强筋等，其特征在于具体工艺步骤如下(1)将模具加热至200～400℃；(2)将坯料加热至250～450℃；(3)将坯料均匀涂抹上润滑剂；(4)将坯料放入凹模内，凸模向下运动冲锻出壳形件。
2.根据权利要求1所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法，其特征在于所述坯料为铸板、挤压板或轧制板，厚度为1.5mm～6mm。
3.根据权利要求1所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法，其特征在于所述润滑剂为液体聚四氟乙烯或二硫化钼或石墨。
4.根据权利要求1所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法，其特征在于所述凸模向下运动速度为10～500mm/s。
5.根据权利要求1所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法，其特征在于所述凸模上的工作部分进行抛光处理；凹模内壁进行抛光处理。
6.根据权利要求1所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法所用的专用模具，包括下模板(1)、凹模垫板(2)、退块(3)、凹模(4)、芯杆(5)、凸模(6)、凸模固定板(7)、上模板(8)，其中凹模(4)放于凹模垫板(2)上，退块(3)和芯杆(5)放入凹模(4)内，凹模(4)和凹模垫板(2)固定于下模板(1)上，凸模(6)安装于凸模固定板(7)，凸模(6)和凸模固定板(7)固定于上模板(8)，其特征在于凸模(6)具有与薄壳件的螺丝柱、加强筋相对应的螺丝柱孔(15)和加强筋槽(16)，凸模(6)侧面具有凸模约束壁(19)，分别对应薄壳件的侧壁(13)，凸模约束壁(19)壁厚与薄壳件侧壁(13)厚度相同，凸模约束壁底面长度小于对应的薄壳件侧壁(13)长度，形成可容纳多余金属的流出槽(17)。
7.根据权利要求6所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法所用的专用模具，其特征在于所述凸模约束壁底面长度占所对应的薄壳件侧壁长度的4/5～9/10。
8.根据权利要求6所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法所用的专用模具，其特征在于模具安装有加热、保温装置。
9.根据权利要求6所述的镁合金薄壳件热冲锻成形方法所用的专用模具，其特征在于所述凹模(4)内径向分布有加热棒孔(14)，加热棒置于加热棒孔内。
全文摘要
本发明涉及一种镁合金薄壳件热冲锻成形方法及其专用模具，主要用于电子消费类产品的外壳生产，如MP3播放机、手机、PDA、数码相机等。其步骤将厚度为1.5mm～6mm的镁合金坯料作为毛坯，将模具加热至200～ 400℃，坯料加热至250～450℃，坯料均匀涂抹上润滑剂后，放入凹模内，凸模向下运动冲锻出壳形件。该模具的凸模侧面具有凸模约束壁，分别对应薄壳件的侧壁，凸模约束壁壁厚与薄壳件侧壁厚度相同，凸模约束壁底面长度小于对应的薄壳件侧壁长度，形成可容纳多余金属的流出槽。本发明生产出的外壳具有较复杂的几何外形，可带有螺丝柱、加强筋等；壁厚薄、尺寸精度高；表面质量好、机械性能高；生产效率高、材料利用率高。
文档编号B21J3/00GK1903477SQ200510046938
公开日2007年1月31日 申请日期2005年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者李章刚, 张士宏, 徐永超, 王忠堂, 郑文涛, 任丽梅 申请人:中国科学院金属研究所