一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种镁合金薄腹支叉锻件成形模具及方法，具体涉及一种稀土镁合金薄腹支叉锻件等温模锻成形模具及方法。
【背景技术】
[0002]镁合金是目前工程应用材料中最轻的金属材料，具有较高的比强度和比刚度。随着航空航天、汽车、电子等领域的发展，其对材料轻量化、高性能的要求越来越高。对于要求减重的航空航天类构件，大多设计为具有腹板和支叉的结构，这种构件如果采用传统方法如铸造、机械加工等方法制造，难以满足高性能、环保、节能、高效等要求。而采用等温成形工艺这种精密塑性成形的方法是一种有效的生产此类构件的方法。
[0003]镁合金薄腹支叉类锻件一般很难一次成形，极易出现折叠缺陷，而多道次成形工艺反复加热又容易导致镁合金晶粒急剧长大，导致力学性能下降，难以满足使用要求。
【发明内容】
[0004]本发明为解决常规锻造制备稀土镁合金薄腹支叉类锻件，存在制坯和成形困难，容易出现成形缺陷，镁合金锻件的组织性能很难控制以及性能偏低的问题，进而提供一种稀土镁合金薄腹支叉类等温模锻成形模具及方法。
[0005]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0006]本发明的一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具包括上模、顶杆和下模，下模的上表面的中部由上至下依次加工有模腔和顶出孔，模腔和顶出孔贯通；
[0007]模腔内布置有凹模镶块，凹模镶块为阶梯式凹模镶块，凹模镶块的小端置于顶出孔内，上模的下表面的中部加工有与模腔相配合的冲头，冲头和凹模镶块的大端的形状与待成形的薄腹支叉配合设置，冲头伸入模腔内，顶杆伸入顶出孔内，且顶杆的上表面顶靠在凹模镶块的小端的下表面上，上模和下模上分别安装有电加热圈，上模和下模上设置有贯通的导柱孔，上模盖合在下模上。
[0008]本发明的一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形方法是按照以下步骤实现:
[0009]—、制还:将稀土镁合金原材料为直径是155mm，长度是160mm的挤压棒材进行镦粗拔长工艺复合成形，得到自由锻造成带弧形的镁合金钣坯件；
[0010]二、锻造成形:将步骤一制得的稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到160-180°C时取出，并在坯件的表面均匀地喷涂石墨乳水溶液；将喷好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加热电阻炉中，加热到400-440°C并保温2-2.5小时，最后将模具加热到380-410°C，将加热好的坯件放在下模的模腔内，在压力机的作用下向上模施加1300吨?1600吨的压力，上模下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为415_425°C，当坯件充满模腔后，压力机停止运行，成形完毕制得锻件半成品，其中，石墨乳水溶液的质量百分浓度为15%?20% ；
[0011]三、冷却:将步骤二制得的稀土镁合金锻件半成品用顶出杆取出，空冷；
[0012]四、一次酸洗:将经步骤三得到的锻件半成品进行酸洗，清理完表面；
[0013]五、修伤:将经步骤四得到的锻件半成品进行修伤，清理掉折叠部分；
[0014]六、终锻:将经步骤五得到的锻件半成品稀土镁合金坯件放入箱式加热电阻炉中加热，加热到160-180°C时取出，并在坯件的表面均匀地喷涂石墨乳水溶液；将喷好石墨乳水溶液的坯件放入箱式加热电阻炉中，加热到370-400°C并保温2-2.5小时，最后将模具加热到350-370 °C，将加热好的坯件放在下模的模腔内，在压力机的作用下向上模施加1300吨?1600吨的压力，上模下行速度为0.8-1.2mm/s，锻造温度为385_395°C，当坯件充满模腔后，压力机停止运行，成形完毕制得锻件半成品，其中，石墨乳水溶液的质量百分浓度为15%?20% ；
[0015]七、二次酸洗:将经步骤六得到的镁合金锻件进行酸洗，清洗掉表面的石墨，得到表面处理的成形锻件；
[0016]八、将步骤七得到的表面处理的成形锻件放入时效炉中进行时效处理，时间为60小时，温度为200°C，制得稀土镁合金薄腹支叉成品。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]—、本发明以等温模锻成形为技术手段成形稀土镁合金薄腹支叉类锻件，仅使用一套本发明成形装置就可以实现低成本、小型批量化、质量高，使用寿命高的模锻零件生产，为锻件的内部组织和优良性能提供重要保障。
[0019]二、本发明采用模锻成形工艺方法，使得所成形的锻件尺寸精度高、内部组织性能好，凹模采用镶块式结构，避免了薄腹支叉类锻件难以脱模的困难。
[0020]三、本发明通过计算机有限元数值模拟进行工艺、方案和预制坯料的精确设计等，避免了薄腹支叉类锻件成形过程中较易出现的充不满和折叠缺陷等。在进行等温模锻成形的同时，借助了数值模拟和实验对该锻件成形规律以及缺陷形成机理和控制方法，同时，采用数字化设计和制造技术有效地提高了该类锻件模具设计、成形方案优化以及成形工艺的质量。
[0021]四、本发明通过自由锻制坯获得一种薄腹支叉类稀土镁合金锻件的坯料，解决了当前薄腹支叉类稀土镁合金坯料不易获得的难题。
[0022]五、本发明通过每道次锻造间降低30°C左右的温度控制，避免了镁合金薄腹支叉类锻件晶粒急剧长大，机械性能下降等。本发明通过镁合金锻造时针对道次数增加的情况下，阶梯降低锻造温度，实现保证镁合金组织和性能的目的。
[0023]六、本发明通过研究人工时效工艺，使最终成形的锻件断裂强度达到465_475MPa，屈服强度达到375-385MPa。本发明等温模锻方法能有效地提高稀土镁合金支叉类锻件强度、塑性和韧性，模锻后的试件经人工时效处理后，制得的镁合金薄腹支叉锻件的抗拉强度最高值达到475Mpa，屈服强度为385Mpa，机械性能明显增加。锻件表面晶粒细小均匀，无粗晶混晶，内部组织致密，流线分布合理。经超声波检测，锻件内部内未见夹杂、气泡、缩孔等缺陷，达到了相关要求。
[0024]七、本发明生产效率高，模锻时，金属的变形在模腔内进行，能获得所需形状，节省金属材料，减少切削加工工作量，在批量足够的条件下，降低成本；本发明操作简单，劳动强度较低。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的成形模具的主视结构示意图，图2是图1的侧视图，图3是上模的主视结构示意图，图4是上模的仰视结构示意图，图5是图4的侧视图，图6是下模的主视结构示意图，图7是图6的侧视图，图8是图6的A-A向视图，图9是顶杆的结构示意图，图10是步骤一得到的坯件的结构示意图，图11是步骤四制得的半成品锻件的结构示意图，图12是步骤七得到的表面处理的稀土镁合金薄腹支叉锻件示意图，图13是步骤八处理得到的稀土镁合金薄腹支叉成品示意，图14是采用有限元数值模拟得到的用于制备本发明薄腹支叉锻件的预制坯示意图。
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:结合图1-图2说明，本实施方式的一种稀土镁合金薄腹支叉等温模锻成形模具包括上模1、顶杆3和下模2，下模2的上表面的中部由上至下依次加工有模腔2-1和顶出孔2-2，模腔2-1和顶出孔2-2贯通；
[0027]模腔2-1内布置有凹模镶块5，凹模镶块5为阶梯式凹模镶块，凹模镶块5的小端置于顶出孔2-2内，上模1的下表面的中部加工有与模腔2-1相配合的冲头1-1，冲头1-1和凹模镶块5的大端的形状与待成形的薄腹支叉配合设置，冲头1-1伸入模腔2-1内，顶杆3伸入顶出孔2-2内，且顶杆3的上表面顶靠在凹模镶块5的小端的下表面上，上模1和下模2上分别安装有电加热圈4，上模1和下模2上设置有贯通的导柱孔1-3，上模1盖合在下模2上。
[0028]本实施方式根据零件形状图设计得到锻件图，根据锻件图设计了模具图，模具为了脱模方便，将凹模型腔底部设计镶块式凹模镶块5，用于锻件脱模，采用有限元进行工艺过程的数值模拟，设计了两种预制坯形状，进行了有限元数值模拟，表明采用图14预制坯不易产生折叠形状。根据该预制还料，采用了 Φ