专利名称：轻合金半固态流变精密铸锻成形的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于铝镁等轻合金的精密成型技术领域，具体涉及一种轻合金半固态流变 精密铸造与锻造成形的方法和装置，尤其适合于铝镁等轻合金的精密成型。
背景技术：
传统的液态铸造虽然能生产形状复杂、难以变形加工的金属零件，但往往存在加 工温度高、气孔及缩孔缩松多、铸件存在偏析以及力学性能低等一系列缺点。传统的固态锻 造虽然能得到性能较高的制件，但其变形抗力较大，对设备的要求较高，且金属的流动充填 性能不如铸造。压铸、挤压铸造、液态模锻等方法多是在金属处于高温的液态下进行成形，它们能 在一定程度上克服液态铸造存在的诸如气孔、缩孔缩松等缺点，但高温下工作对模具的寿 命是不利的。新近出现的半固态铸造、半固态压铸、半固态锻造等具有金属流动充型性好、加工 温度低、制件偏析小等优点，但最终制件的性能往往达不到预期要求。原因是很多半固态锻 造，其实质是半固态挤压铸造，对制件的锻造力是不够的；而且半固态浆料充型之后立即进 行锻造，铸态坯料没有经历凝固降温的过程，不能达到很好的锻造强化的效果。
发明内容
针对上述现有成形工艺的缺点，本发明提供了一种轻合金半固态流变精密铸锻成 形的方法，与传统的铸造和锻造工艺相比，该方法能兼顾制件的控形和控性问题，且具有流 程短、能耗小、设备简单、成本低等优点，特别适合于制造难以变形加工的轻合金以及形状 复杂、强度要求高的零件；本发明还提供了实现该方法的装置，可以在同一个生产周期和同 一副模具中实现对轻合金的半固态精密铸造和锻造加工。本发明提供的一种轻合金半固态流变精密铸锻成形的方法，其特征在于该方法包 括下述步骤第1步浇注半固态浆料在轻合金半固态浆料的温度处于合金固相线以上10°C至 液相线范围内时，将其浇注到模具装置的射料套筒中；第2步半固态压铸浆料浇注完毕后，将半固态浆料压射入模腔进行半固态压 铸成形，压射压力为5MPa lOOMPa，压射速度为0. 5 10m/S，模腔的预热温度为150 250°C，压铸后得到半固态铸造毛坯；第3步压力机锻造对半固态铸造毛坯进行锻造，锻造开始时间是在半固态浆料 充满整个模腔成形凝固后的0. 05 10s，锻造速度为30 150mm/s，锻造压力为200 IOOOkN,锻造保压时间为1 5s ；第4步取出制件。本发明提供的实现上述方法的装置的结构为凹模组件位于下模座上，锁模油缸 和压射油缸均固定在下模座上，并分别位于凹模组件的两侧；下模固定支架位于凹模组件的上方，凹模组件包括凹模镶块和凹模，凹模镶块分成移动凹模镶块和固定凹模镶块两部 分，凹模也分成移动凹模和固定凹模两部分；移动凹模镶块固定在移动凹模内并能随移动 凹模一起沿着下模座移动，固定凹模镶块固定在固定凹模内，固定凹模固定在下模座上；移 动凹模连接锁模油缸，射料套筒通过套筒支座固定在下模座上，并与凹模型腔的入口对齐， 活塞杆位于射料套筒内并和压射油缸连接，压射油缸、活塞杆和射料套筒构成射料系统；凸 模限位块和复位弹簧均固定在下模固定支架上，且复位弹簧位于凸模限位块和凸模组件之 间，凸模组件由凸模和凸模镶块构成，复位弹簧顶起凸模使之与凸模限位块接触，凸模带动 凸模镶块，使凸模镶块与移动凹模镶块和固定凹模镶块组成闭合的铸造型腔。采用本发明，可以在同一个生产周期和同一副模具中实现轻合金半固态浆料的挤 压铸造和终锻成形，很好地集成了半固态铸造和锻造成形的优点，半固态铸造过程中，金属 浆料流变充型性好，成形温度低，模具寿命长；余热下的锻造成形能减少半固态铸造毛坯的 缩孔缩松，进一步破碎和细化铸态毛坯的晶粒组织，从而大大提高半固态铸造毛坯的力学 性能。该法特别适合生产一些难以变形加工的轻合金以及形状复杂、强度要求高的零件， 与传统的铸造和锻造工艺相比，该方法能兼顾制件的控形和控性问题，且具有流程短、能耗 小、设备简单、成本低等优点。
图1是轻合金半固态流变精密铸锻成形模具装置示意图；图2-5是模具装置的工作流程示意图，其中，图2为半固态浇注状态，图3为半固 态压铸状态，图4为半固态锻造状态，图5为取件状态；图1中1-锁模油缸，2-压力机，3-下模座，4-移动凹模，5-移动凹模镶块，6-制 件，7-固定凹模，8-固定凹模镶块，9-压射油缸，10-活塞杆，11-射料套筒，12-套筒支座， 13-复位弹簧，14-凸模，15-压力机滑块，16-锻压垫板，17-凸模限位块，18-下模固定支 架，19-凸模镶块。
具体实施例方式下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发 明的保护范围并不受这些实施例的限制。本发明方法的工艺步骤和工艺条件(1)浇注半固态浆料在轻合金半固态浆料的温度处于合金固相线以上10°C至液 相线范围内时，将其浇注到模具装置的射料套筒中。(2)半固态压铸浆料浇注完毕后，将半固态浆料压射入模腔进行半固态压铸成 形，压射压力为5MPa lOOMPa，压射速度为0. 5 10m/s，模腔的预热温度为150 250°C， 浆料在模腔中凝固得到半固态铸造毛坯。以上半固态压铸工艺参数的控制将直接影响浆料 的充填性能、毛坯的凝固组织以及制件的最终组织和性能。(3)压力机锻造对半固态铸造毛坯进行锻造，锻造的工艺参数如下①锻造开始的时间控制锻造开始的时间是在半固态浆料充满整个模腔成形凝固后的0. 05 10s，不 同的锻造开始时间将对应不同的铸态毛坯的温度和变形抗力大小，影响毛坯晶粒破碎及细化的难以程度，影响锻造强化的效果，并最终影响制件的显微组织和力学性能。②锻造的速度控制锻造的速度为30 150mm/s，锻造的速度与锻造开始的时间类似，同样对锻 造的效果有很大的影响；③锻造的压力控制锻造的压力为200kN IOOOkN (千牛)，锻造压力的大小直接决定铸态毛坯的 变形程度和缩孔缩松的弥合程度，从而决定制件的最终组织和力学性能；④锻造的保压时间控制锻造的保压时间为1 5s，保压时间同样对锻件的最终组织和力学性能有重 要影响；(4)取出制件锻造及保压完成后，取出制件。如图1所示，本发明装置的结构为模具装置通过下模座3固定在压力机2的台面 上，锻压垫板16固定在压力机2的滑块15上。凹模组件位于下模座3上，锁模油缸1和压 射油缸9均固定在下模座3上，并分别位于凹模组件的两侧。下模固定支架18位于凹模组 件的上方，凹模组件包括凹模镶块和凹模，凹模镶块分成移动凹模镶块5和固定凹模镶块8 两部分，相应的凹模也分成移动凹模4和固定凹模7两部分；移动凹模镶块5固定在移动凹 模4内并能随4 一起沿着下模座3移动，固定凹模镶块8固定在固定凹模7内，固定凹模7 固定在下模座3上。移动凹模4连接锁模油缸1，锁模油缸1的功能是锁紧模具和拉出移动凹模4，即实现模具的闭合与开启动作， 可将移动凹模4、移动凹模镶块5和制件6抽出下模固定支架18之外。射料套筒11通过套 筒支座12固定在下模座3上，并与凹模型腔的入口对齐；活塞杆10位于射料套筒11内并 和压射油缸9连接，压射油缸9、活塞杆10和射料套筒11构成射料系统，射料系统的功能是 将半固态浆料压射入模具型腔。凸模限位块17和复位弹簧13均固定在下模固定支架18 上，且复位弹簧13位于凸模限位块17和凸模组件之间。凸模组件由凸模14和凸模镶块19 构成，在没有锻造的情况下，凸模14在复位弹簧13的作用下被顶起与凸模限位块17接触， 凸模14带动凸模镶块19与凹模镶块5和8组成闭合的铸造型腔，进行半固态压铸，其中， 凸模镶块19下表面的形状和制件6上表面的形状吻合，凹模镶块5和8上表面的形状和制 件6下表面的形状吻合；在压力机滑块15带动锻压垫板16对凸模14进行锻造的情况下， 凸模14和凸模镶块19在压力的作用下又有一定的压下量，以进行后续的锻造。其工作过 程如下，锁模油缸1处于锁模状态，半固态浆料浇注入射料套筒11后，由压射油缸9驱动活 塞杆10将浆料压入模腔进行半固态铸造；停留一定的时间或在一定的毛坯温度下，压力机 滑块15带动锻压垫板16下行，通过凸模14和凸模镶块19对铸态毛坯进行锻造最终成形； 锻造及保压完成后，压力机滑块15带动锻压垫板16上行，凸模14和凸模镶块19在复位弹 簧13的作用下复位；锁模油缸1抽出移动凹模4，将移动凹模镶块5及制件6 —起抽出，从 而取出制件。实例1 将轻合金半固态流变精密铸锻成形模具安装在压力机2上，锁模油缸1处于锁模 状态。制备好的ZLlOl半固态浆料，在其温度为590°C时，定量地将其浇注到模具装置的射 料套筒11中。浆料浇注完毕后，启动模具上的射料油缸9，将半固态浆料压射入模腔进行半固态压铸成形，压射压力为50MPa，压射速度为5m/s，模腔的预热温度为200°C，浆料在模 腔中凝固得到半固态铸造毛坯6。在半固态压铸完成后，锁模油缸1、射料油缸9均处于锁 紧状态。压力机滑块15带动锻压垫板16下行，通过凸模14和凸模镶块19对铸态毛坯6 进行锻造，锻造开始的时间是在半固态浆料充满整个模腔成形凝固后的5s，锻造的速度为 90mm/s，锻造的压力为600kN，锻造的保压时间为3s。锻造及保压完成后，压力机滑块15带 动锻压垫板16上行，凸模14和凸模镶块19在复位弹簧13作用下复位，移动凹模4及其镶 块5在锁模油缸1作用下左移，抽出下模固定支架18之外，从而取出制件6。实例2 将轻合金半固态流变精密铸锻成形模具安装在压力机2上，锁模油缸1处于锁模 状态。制备好的ZLlOl半固态浆料，在其温度为610°C时，定量地将其浇注到模具装置的射 料套筒11中。浆料浇注完毕后，启动模具上的射料油缸9，将半固态浆料压射入模腔进行半 固态压铸成形，压射压力为lOOMPa，压射速度为lOm/s，模腔的预热温度为250°C，浆料在模 腔中凝固得到半固态铸造毛坯6。在半固态压铸完成后，锁模油缸1、射料油缸9均处于锁 紧状态。压力机滑块15带动锻压垫板16下行，通过凸模14和凸模镶块19对铸态毛坯6 进行锻造，锻造开始的时间是在半固态浆料充满整个模腔成形凝固后的10s，锻造的速度为 150mm/s，锻造的压力为IOOOkN,锻造的保压时间为5s。锻造及保压完成后，压力机滑块15 带动锻压垫板16上行，凸模14和凸模镶块19在复位弹簧13作用下复位，移动凹模4及其 镶块5在锁模油缸1作用下左移，抽出下模固定支架18之外，从而取出制件6。实例3 将轻合金半固态流变精密铸锻成形模具安装在压力机2上，锁模油缸1处于锁模 状态。制备好的ZL101半固态浆料，在其温度为570°C时，定量地将其浇注到模具装置的射 料套筒11中。浆料浇注完毕后，启动模具上的射料油缸9，将半固态浆料压射入模腔进行半 固态压铸成形，压射压力为5MPa，压射速度为0. 5m/s，模腔的预热温度为150°C，浆料在模 腔中凝固得到半固态铸造毛坯6。在半固态压铸完成后，锁模油缸1、射料油缸9均处于锁 紧状态。压力机滑块15带动锻压垫板16下行，通过凸模14和凸模镶块19对铸态毛坯6 进行锻造，锻造开始的时间是在半固态浆料充满整个模腔成形凝固后的0. 05s，锻造的速度 为30mm/s，锻造的压力为200kN，锻造的保压时间为Is。锻造及保压完成后，压力机滑块15 带动锻压垫板16上行，凸模14和凸模镶块19在复位弹簧13作用下复位，移动凹模4及其 镶块5在锁模油缸1作用下左移，抽出下模固定支架18之外，从而取出制件6。实例4 将轻合金半固态流变精密铸锻成形模具安装在压力机2上，锁模油缸1处于锁模 状态。制备好的ZL101半固态浆料，在其温度为590°C时，定量地将其浇注到模具装置的射 料套筒11中。浆料浇注完毕后，启动模具上的射料油缸9，将半固态浆料压射入模腔进行半 固态压铸成形，压射压力为50MPa，压射速度为5m/s，模腔的预热温度为200°C，浆料在模腔 中凝固得到半固态压铸毛坯6。移动凹模4及其镶块5在锁模油缸1作用下左移，抽出下模 固定支架18之外，从而取出制件6。本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据本发明公开的内 容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思 路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
一种轻合金半固态流变精密铸锻成形的方法，其特征在于该方法包括下述步骤第1步浇注半固态浆料在轻合金半固态浆料的温度处于合金固相线以上10℃至液相线范围内时，将其浇注到模具装置的射料套筒中；第2步半固态压铸浆料浇注完毕后，将半固态浆料压射入模腔进行半固态压铸成形，压射压力为5MPa～100MPa，压射速度为0.5～10m/s，模腔的预热温度为150～250℃，压铸后得到半固态铸造毛坯；第3步压力机锻造对半固态铸造毛坯进行锻造，锻造开始时间是在半固态浆料充满整个模腔成形凝固后的0.05～10s，锻造速度为30～150mm/s，锻造压力为200～1000kN，锻造保压时间为1～5s；第4步取出制件。
2.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，该装置的结构为凹模组件位于下模座(3)上，锁模油缸(1)和压射油缸(9)均固定在下模座(3)上，并 分别位于凹模组件的两侧；下模固定支架(18)位于凹模组件的上方，凹模组件包括凹模镶 块和凹模，凹模镶块分成移动凹模镶块(5)和固定凹模镶块(8)两部分，凹模也分成移动凹 模(4)和固定凹模(7)两部分；移动凹模镶块(5)固定在移动凹模(4)内并能随(4) 一起 沿着下模座(3)移动，固定凹模镶块(8)固定在固定凹模(7)内，固定凹模(7)固定在下模 座(3)上；移动凹模(4)连接锁模油缸(1)，射料套筒(11)通过套筒支座(12)固定在下模 座(3)上，并与凹模型腔的入口对齐；活塞杆(10)位于射料套筒(11)内并和压射油缸(9) 连接，压射油缸(9)、活塞杆(10)和射料套筒(11)构成射料系统；凸模限位块(17)和复位 弹簧(13)均固定在下模固定支架(18)上，且复位弹簧(13)位于凸模限位块(17)和凸模 组件之间，凸模组件由凸模(14)和凸模镶块(19)构成，复位弹簧(13)顶起凸模(14)使之 与凸模限位块(17)接触，凸模(14)带动凸模镶块(19)，使凸模镶块(19)与移动凹模镶块 (5)和固定凹模镶块(8)组成闭合的铸造型腔。
全文摘要
本发明公开了一种轻合金半固态流变精密铸锻成形的方法和装置。模具的成形型腔采用镶块式结构，凹模和凹模镶块都分为移动和固定两部分，移动凹模和移动凹模镶块连接锁模油缸，在锁模油缸的作用下能够水平移动，实现模具的开合；固定凹模和固定凹模镶块连接射料系统。半固态浆料浇注后，射料系统进行半固态压铸得到毛坯，随后压力机滑块带动锻压垫板对毛坯进行锻造，铸锻完成后锁模油缸拉出移动凹模，取出制件。本发明可在同一生产周期和同一模具中实现轻合金的半固态精密铸造和锻造成形，集成了两种工艺的优点，能兼顾制件的控形和控性，特别适合制造难以变形加工的轻合金及形状复杂、强度要求高的零件，具有流程短、能耗小、设备简单他成本低等优点。
文档编号B21J5/02GK101934336SQ20101028037
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者张磊, 李建军, 樊自田, 潘璋, 王文俊, 董选普, 陈东风, 魏必明 申请人:华中科技大学