专利名称：变型腔轴对称件半固态成形模具及成形方法
技术领域：
本发明涉及一种变型腔零件半固态成形模具及成形方法。
背景技术：
半固态金属加工技术是21世纪前沿性近净成形技术，其工艺特征是对正在凝固的金属进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，制备具有等轴、均勻、细小的初生相均勻分布于液相中的悬浮半固态浆料。此种浆料在外力的作用下，即使固相率达到60%仍具有较好的触变流动性，可以利用压铸、挤压、模锻、铸轧等工艺进行加工成形。半固态模锻是一种将半固态坯料加热到有50%左右体积液相的半固态状态，然后置放在具有略高预热温度的模具型槽内进行一次模锻成形，获得与所需成品零件接近尺寸产品的工艺。国内对半固态加工技术的研究起步较晚，虽然在半固态坯料制备、二次重熔、半固态成形等方面取得了一些研究成果，但实际应用得很少。半固态模锻技术在国内目前还没有生产应用的报导。国外，半固态模锻技术已在汽车工业得到应用。以美国为例，1994年和1996年， 美国Alumax公司分别建成了两座半固态铝合金成形汽车零件的生产工厂，为奔迪克斯 (Bemdix)牌轿车生产了 250万个铝合金汽缸头，为福特汽车公司锻造了 1500万个汽车空调器压缩机铝合金活塞。这些半固态模锻产品性能超过了铸件水平，但是还达不到锻件的水平，从而限制了半固态模锻成形技术在结构件上的应用。轴对称件(法兰等)由于其较高的力学性能要求，目前的生产过程不是通过锻造和机械加工相结合的方法就是用固定型腔成形，前者成形方法将大大降低工作效率和浪费坯料，后者是近净成形，但是由于是固定型腔，产生的塑性变形量小，性能达不到结构件的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种变型腔轴对称件半固态成形模具及成形方法，以解决目前固定型腔制造的轴对称件塑性变形量小、性能达不到要求的问题。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是成形模具所述成形模具包括上模板、凸模垫板、凸模、凸模固定板、凹模外套、挤压套筒、下模板、加热板、挤压筒、压板、顶块、顶杆、液压油缸的推杆、四个滑块和四个挡块，上模板位于凸模垫板的上端面上，凸模垫板位于凸模固定板的上端面上，上模板、凸模垫板和凸模固定板固装在一起，凸模固定板的下端面与压板的上端面之间的距离为80-100mm，凸模由头部和杆体制成一体，所述凸模的头部装在凸模固定板内，所述凸模的杆体的下端穿过压板设在挤压筒内且与坯料的上端面接触，挤压筒装在挤压套筒内，挤压套筒装在凹模外套内且压板与凹模外套固接，凹模外套的侧壁上开有四个相通的内孔，四个内孔沿凹模外套的圆周方向均布设置，凹模外套开有环槽，挡块设有凸起，每个挡块的凸起设置在环槽内，四个挡块沿环槽的圆周方向均布设置，每两个内孔之间设有一个挡块，凸模的杆体的底部、挤压筒的内壁、四个挡块及顶块之间构成型腔，坯料装在型腔内且坯料的底端面位于顶块的上端面上，每个滑块装在相对应的内孔内，且滑块的一端与坯料的侧壁接触，滑块的另一端与液压油缸的推杆固接，加热板上开有多个加热孔，顶块的下端面固装在顶杆的上端面上且顶块设在凹模外套中，凹模外套的底端面位于加热板的上端面上且二者固接，加热板位于下模板的上端面上且二者固接，顶杆设置在下模板、加热板和凹模外套沿轴向开有的中心孔中。成形方法所述成形方法包括以下步骤一、在半固态模锻成形前，将液压油缸推动推杆，推杆推动相对应的每个滑块在内孔中运动，直到四个滑块与四个挡块在平面内构成圆形，电阻丝通过加热孔开始对模具进行加热；二、对模具加热到2-3个小时后，用温度控制仪器测量型腔内温度，当温度达到 120°C时，关闭电阻丝电源；开模，快速的对型腔内进行喷涂石墨乳液，合模，打开电阻丝电源继续加热2-3个小时；三、将制备好的坯料放入箱式加热炉中加热，加热时间为45-50分钟，该箱式加热炉内的温度为坯料固相率50%，坯料进入半固态成形状态；四、测量型腔内的温度，温度在250-300°C之间时，关闭电阻丝电源；开启液压辅助保压装置，液压油缸处于保压状态，开模，将坯料放入挤压筒内，凸模的杆体下行，压力为 40-60MPa,下行时间为10-15秒，使坯料填充到模具型腔中，并且逐渐凝固，实现获得与成形零件相近的毛坯；五、滑块上的热电偶测量型腔中坯料的温度，当温度下降到该坯料的固相线 10-20°C以上时，凸模的杆体继续向下压，此时的压力为140-160Mpa并大于液压油缸提供的压力，坯料在压力作用下，推动滑块沿内孔向外运动，使型腔发生变化，释放空间，直到液压油缸泄压结束，坯料到达挡块的位置时为止，整个行程结束；六、液压油缸复位，滑块沿内孔退出到顶块的外沿的外部，顶杆推动顶块，将成形后的坯料20、挤压套筒8和挤压筒15 —起顶出，成形完毕。本发明具有以下有益效果1、与传统的轴对称类零件需要锻造和机械加工相结合的方法相比，本发明可以真正实现近净成形，并且可以有效的提高生产效率；2、与传统固定型腔成形工艺相比，本发明成形方法可以大大提高零件力学性能，使其应用范围越来越广； 3、本发明模具采用了变型腔结构，液压油缸对四个滑块的保压和卸压，从而使充满型腔后的半固态坯料发生真正的塑性变形，进而提高制件的力学性能。
图1是本发明模具坯料成形前的结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是本发明模具坯料成形后的结构示意图，图4是图3的B-B剖视图，图5是液压辅助保压装置的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式的成形模具包括上模板1、凸模垫板2、凸模3、凸模固定板4、凹模外套7、挤压套筒8、下模板11、加热板12、挤压筒 15、压板16、顶块17、顶杆18、液压油缸19-6的推杆21、四个滑块9和四个挡块14，上模板 1位于凸模垫板2的上端面上，凸模垫板2位于凸模固定板4的上端面上，上模板1、凸模垫板2和凸模固定板4固装在一起，凸模固定板4的下端面与压板16的上端面之间的距离为 SO-IOOmm,凸模3由头部3_1和杆体3_2制成一体，所述凸模3的头部3_1装在凸模固定板 4内，所述凸模3的杆体3-2的下端穿过压板16设在挤压筒15内且与坯料20的上端面接触，挤压筒15装在挤压套筒8内，挤压套筒8装在凹模外套7内且压板16与凹模外套7固接，凹模外套7的侧壁上开有四个相通的内孔7-1，四个内孔7-1沿凹模外套7的圆周方向均布设置，凹模外套7开有环槽7-2，挡块14设有凸起14-1，每个挡块14的凸起14_1设置在环槽7-2内，四个挡块14沿环槽7-2的圆周方向均布设置，每两个内孔7-1之间设有一个挡块14，凸模3的杆体3-2的底部、挤压筒15的内壁、四个挡块14及顶块17之间构成型腔，坯料20装在型腔内且坯料20的底端面位于顶块17的上端面上，每个滑块9装在相对应的内孔7-1内，且滑块9的一端与坯料20的侧壁接触，滑块9的另一端与液压油缸19-6 的推杆21固接，加热板12上开有多个加热孔12-1，顶块17的下端面固装在顶杆18的上端面上且顶块17设在凹模外套7中，凹模外套7的底端面位于加热板12的上端面上且二者固接，加热板12位于下模板11的上端面上且二者固接，顶杆18设置在下模板11、加热板 12和凹模外套7沿轴向开有的中心孔中。上模板1、凸模垫板2和凸模固定板4通过第一螺钉5固装在一起，压板16与凹模外套7通过第二螺钉6固接，凹模外套7的底端面位于加热板12的上端面上且二者通过第三螺钉13固接，加热板12位于下模板11的上端面上且二者通过第四螺钉13固接，具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的凸模固定板4的下端面与压板16的上端面之间的距离为90mm。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的成形模具还包括液压辅助保压装置19，液压辅助保压装置19包括油箱19-1、液压泵19-2、溢流阀19_3、节流阀 19-4、换向阀19-5和四个液压油缸19-6，油箱19-1通过液压泵19-2与换向阀19-5连通，换向阀19-5与分别与四个液压油缸19-6连通，换向阀19-5各与溢流阀19_3和节流阀19_4 连通。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的成形方法包括以下步骤一、在半固态模锻成形前，将液压油缸19-6推动推杆21，推杆21推动相对应的每个滑块9在内孔7-1中运动，直到四个滑块9与四个挡块14在平面内构成圆形，电阻丝通过加热孔12-1开始对模具进行加热；二、对模具加热到2-3个小时后，用温度控制仪器测量型腔内温度，当温度达到 120°C时，关闭电阻丝电源；开模，快速的对型腔内进行喷涂石墨乳液，合模，打开电阻丝电源继续加热2-3个小时；三、将制备好的坯料20放入箱式加热炉中加热，加热时间为45-50分钟，该箱式加热炉内的温度为坯料固相率50%，坯料20进入半固态成形状态；四、测量型腔内的温度，温度在250-300°C之间时，关闭电阻丝电源；开启液压辅助保压装置19，液压油缸19-6处于保压状态，开模，将坯料20放入挤压筒15内，凸模3的杆体3-2下行，压力为40-60MPa，下行时间为10-15秒，使坯料20填充到模具型腔中，并且逐渐凝固，实现获得与成形零件相近的毛坯；五、滑块9上的热电偶测量型腔中坯料20的温度，当温度下降到该坯料20的固相线10-20°C以上时，凸模3的杆体3-2继续向下压，此时的压力为140-160Mpa并大于液压油缸提供的压力，坯料20在压力作用下，推动滑块9沿内孔7-1向外运动，使型腔发生变化， 释放空间，直到液压油缸19-6泄压结束，坯料20到达挡块14的位置时为止，整个行程结束；六、液压油缸19-6复位，滑块9沿内孔9-1退出到顶块17的外沿的外部，顶杆18 推动顶块17，将成形后的坯料20、挤压套筒8和挤压筒15 —起顶出，成形完毕。四个滑块的运动，使型腔发生变化，坯料20在推动滑块9的同时发生了真正的塑性变形过程，其变形量很大，这样将大大提高制件的力学性能。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式的液压油缸19-6的初始压力为40Mpa，开始凸模3的杆体3-2下行时，不足以推动滑块9。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
权利要求
1.一种变型腔轴对称件半固态成形模具，其特征在于所述成形模具包括上模板(1)、 凸模垫板⑵、凸模(3)、凸模固定板(4)、凹模外套(7)、挤压套筒(8)、下模板(11)、加热板 (12)、挤压筒(15)、压板(16)、顶块(17)、顶杆(18)、液压油缸(19-6)的推杆(21)、四个滑块(9)和四个挡块(14)，上模板(1)位于凸模垫板O)的上端面上，凸模垫板(2)位于凸模固定板的上端面上，上模板(1)、凸模垫板( 和凸模固定板固装在一起，凸模固定板⑷的下端面与压板(16)的上端面之间的距离为80-100mm，凸模(3)由头部(3_1) 和杆体(3-2)制成一体，所述凸模(3)的头部(3-1)装在凸模固定板⑷内，所述凸模(3) 的杆体(3- 的下端穿过压板(16)设在挤压筒(1 内且与坯料00)的上端面接触，挤压筒(15)装在挤压套筒⑶内，挤压套筒⑶装在凹模外套(7)内且压板(16)与凹模外套 (7)固接，凹模外套(7)的侧壁上开有四个相通的内孔(7-1)，四个内孔(7-1)沿凹模外套 (7)的圆周方向均布设置，凹模外套(7)开有环槽(7-2)，挡块(14)设有凸起(14-1)，每个挡块(14)的凸起(14-1)设置在环槽(7-2)内，四个挡块(14)沿环槽(7_2)的圆周方向均布设置，每两个内孔(7-1)之间设有一个挡块(14)，凸模(3)的杆体(3-2)的底部、挤压筒 (15)的内壁、四个挡块(14)及顶块(17)之间构成型腔，坯料OO)装在型腔内且坯料OO) 的底端面位于顶块(17)的上端面上，每个滑块(9)装在相对应的内孔(7-1)内，且滑块(9) 的一端与坯料OO)的侧壁接触，滑块(9)的另一端与液压油缸(19-6)的推杆固接， 加热板(1 上开有多个加热孔12-1，顶块(17)的下端面固装在顶杆(18)的上端面上且顶块(17)设在凹模外套(7)中，凹模外套(7)的底端面位于加热板(1 的上端面上且二者固接，加热板(1 位于下模板(11)的上端面上且二者固接，顶杆(18)设置在下模板(11)、 加热板(12)和凹模外套(7)沿轴向开有的中心孔中。
2.根据权利要求1所述变型腔轴对称件半固态成形模具，其特征在于凸模固定板(4) 的下端面与压板(16)的上端面之间的距离为90mm。
3.根据权利要求1或2所述变型腔轴对称件半固态成形模具，其特征在于所述成形模具还包括液压辅助保压装置(19)，液压辅助保压装置(19)包括油箱(19-1)、液压泵19-2、 溢流阀(19-3)、节流阀(19-4)、换向阀(19- 和四个液压油缸(19-6)，油箱(19_1)通过液压泵(19-2)与换向阀(19-5)连通，换向阀(19-5)分别与四个液压油缸(19_6)连通，换向阀(19-5)各与溢流阀(19-3)和节流阀(19-4)连通。
4.一种采用权利要求1所述装置的变型腔轴对称件半固态成形方法，其特征在于所述成形方法包括以下步骤一、在半固态模锻成形前，将液压油缸(19-6)推动推杆21，推杆21推动相对应的每个滑块(9)在内孔(7-1)中运动，直到四个滑块(9)与四个挡块(14)在平面内构成圆形，电阻丝通过加热孔12-1开始对模具进行加热；二、对模具加热到2-3个小时后，用温度控制仪器测量型腔内温度，当温度达到120°C 时，关闭电阻丝电源；开模，快速的对型腔内进行喷涂石墨乳液，合模，打开电阻丝电源继续加热2-3个小时；三、将制备好的坯料OO)放入箱式加热炉中加热，加热时间为45-50分钟，该箱式加热炉内的温度为坯料固相率50%，坯料OO)进入半固态成形状态；四、测量型腔内的温度，温度在250-300°C之间时，关闭电阻丝电源；开启液压辅助保压装置(19)，液压油缸(19-6)处于保压状态，开模，将坯料OO)放入挤压筒(1 内，凸模⑶的杆体(3-2)下行，压力为40-60MPa，下行时间为10-15秒，使坯料Q0)填充到模具型腔中，并且逐渐凝固，实现获得与成形零件相近的毛坯；五、滑块(9)上的热电偶测量型腔中坯料00)的温度，当温度下降到该坯料00)的固相线10-20°C以上时，凸模(3)的杆体(3-2)继续向下压，此时的压力为140-160Mpa并大于液压油缸提供的压力，坯料OO)在压力作用下，推动滑块(9)沿内孔(7-1)向外运动，使型腔发生变化，释放空间，直到液压油缸(19-6)泄压结束，坯料OO)到达挡块(14)的位置时为止，整个行程结束；六、液压油缸(19-6)复位，滑块(9)沿内孔9-1退出到顶块(17)的外沿的外部，顶杆 (18)推动顶块(17)，将成形后的坯料(20)、挤压套筒(8)和挤压筒(1 一起顶出，成形完毕。
5.根据权利要求4所述变型腔轴对称件半固态成形方法，其特征在于所述液压油缸 (19-6)的初始压力为40Mpa。
全文摘要
变型腔轴对称件半固态成形模具及成形方法，它涉及一种成形模具及成形方法。针对目前固定型腔制造的轴对称件塑性变形量小、性能达不到要求的问题。成形模具凸模的杆体的底部、挤压筒的内壁、四个挡块及顶块之间构成型腔，坯料装在型腔内且坯料的底端面位于顶块的上端面上，每个滑块装在相对应的内孔内，且滑块的一端与坯料的侧壁接触，滑块的另一端与液压缸的推杆固接；成形方法先将制备好的半固态坯料加热到半固态温度区间后，放入型腔中，然后冲头压下，压力施加到坯料上，使其充满型腔，接着凸模以较大压力下继续向下压，从而使坯料推动4个闭合的滑块，使型腔发生变化，从而完成最后形状的成形。本发明用于轴对称零件成形。
文档编号B21J5/02GK102284664SQ20111018658
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者丛森, 杜之明, 柳君, 陈刚 申请人:哈尔滨工业大学