CN104438536B - 一种镁合金筒形件的超声旋压成型工艺 - Google Patents
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Abstract
一种镁合金筒形件的超声旋压成型工艺是针对镁合金在旋压成型塑性变形时，因其塑性变形差，在大变形旋压过程中易出现鼓包、失稳、成型工艺不易控制的问题，提供的在传统旋压成型设备的基础上引入超声发生加工装置，使得在超声旋压装置下获得薄壁、高强度的镁合金筒形件，本发明加工工艺先进，加工制备的镁合金旋压筒形件组织为尺寸细小的孪生组织和再结晶组织，如原始筒坯壁厚20mm的镁合金铸态筒坯，在超声旋压加工后获得的壁厚为1mm的薄壁筒形件，其最终筒形件的平均维氏硬度为124.7HV，抗拉强度为285Mpa，伸长率为3.2%，是十分理想的用于镁合金的塑性成型工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金筒形件的热加工工艺，特别是一种镁合金的超声旋压塑性成型工艺。
背景技术
基于较高的比强度、比刚度以及良好的铸造、切削加工、尺寸稳定性等性能和资源丰富的优势，镁合金材料被认为是21世纪最具发展潜能的环保节能型结构材料。
镁合金根据其成型方法可分为铸造镁合金和变形镁合金。目前压铸镁合金产品的用量大于变形镁合金产品，但是经过铸造、挤压或轧制等工艺生产出的镁合金具有更高的强度，更好的延展性，具有铸造镁合金产品所无法取代的优良性能。
镁合金材料的晶体结构均为密排六方结构，c/a值接近理想值1.633，滑移系少。在室温下只有一个滑移面（0001）面，该滑移面上有三个密排方向[ 20]，[20]和[110]，室温下只有基面上的三个滑移系。因此，镁合金室温塑形较差，延伸率只有4%~10%，表现出差的塑形变形能力。这就是镁合金材料塑形加工困难的本质。但是，当温度提高到225℃时，镁合金基面滑移系开动所需的切应力大大降低，很容易激活其位于棱面和锥面的滑移，其塑性变形能力显著提高。因此，对镁合金塑性加工变形需加热到一定温度下进行。
在镁合金筒形件的塑性变形过程中，如果对被加工镁合金筒形件材料施加一定方向、一定频率和振幅的振动，不仅可以降低镁合金筒形件材料和模具之间的摩擦力以及整体成形力，还能在一定程度上提高镁合金筒形件的变形能力以及变形的均匀性，得到更好的加工质量。例如，旋压成型加工技术是指材料经一定的塑性变形和流动变形的复合作用获得具有一定形状的构件，根据旋压金属的变形特征可以分为普通旋压成型加工和强力旋压成型加工。如公开号为CN101367103A公开了“一种镁合金板材旋压成型工艺”的发明专利，该工艺即是旋压成型工艺。因此，利用该方法来提高镁合金筒形件材料的塑性成形性能，将是一条可能的新途径。
发明内容
本发明针对现有镁合金在旋压成型加工塑性变形时，易出现鼓包、失稳、成型工艺不易控制的问题，尤其是针对镁合金筒形件加工，提出在传统旋压成型设备的基础上引入超声发生装置，以进一步提高镁合金筒形件的表面质量及综合力学性能，实现超声波作用下的一种镁合金筒形件的超声旋压成型工艺。
本发明的上述问题是通过以下技术方案实现的。
一种镁合金筒形件的超声旋压成型工艺，其所述镁合金筒形件的超声旋压成型工艺是在超声旋压成型设备上进行的；所述超声旋压成型设备设置有旋压设备底座及其旋压设备控制柜和超声波发生器，其中，旋压设备控制柜通过旋压设备底座由连接导线Ⅰ连接，超声波发生器与超声旋压成型设备底座由连接导线Ⅱ连接；
所述超声旋压成型工艺如下：
(一)选取所需被加工的铸态镁合金棒料，并将镁合金棒料加工成壁厚为20mm，长度为100mm的镁合金筒坯；
(二)将镁合金筒坯置放于超声旋压设备主轴上，一端由三爪卡盘固定，利用电阻加热恒温箱对超声旋压设备主轴、镁合金筒坯、旋轮和对称旋轮加热至380℃±5℃，保温；
(三)对镁合金筒坯进行七道次超声旋压成型加工：首先开启超声波发生器开关，再开启旋压设备控制柜，使整个超声旋压装置在设定程序控制下，在电阻加热恒温箱中，对镁合金筒坯进行多道次超声旋压成型加工，旋压成型为镁合金筒形件半成品；
(四)对镁合金筒坯进行多道次超声旋压成型工序中，超声波发生器输出信号，将超声发生器产生的超声波经超声波换能器和超声波变幅杆转换成高频率的、一定周期作用的机械能，实现超声振动频率为20~30kHz，振幅为30~40μm的振动波，并将其直接作用于旋轮和对称旋轮，开启旋压设备开关后，超声旋压设备主轴带动镁合金坯料作回转运动；旋轮和对称旋轮(在各自控制驱动下按所设下压比及其压力作用下，使镁合金坯料以塑性变形方向发生塑性变形延伸；
(五)对镁合金筒形件半成品进行多道次超声旋压成型工序后，对镁合金筒形件毛边进行修整，使其边缘光整；
(六)对修整后的镁合金筒形件进行去应力热处理、机械加工和表面处理，即获得超声旋压成型的镁合金筒形件。
基于上述技术方案，本发明的附加技术方案如下。
所述超声旋压设备主轴的转速是500r/min，旋轮的进给速度是150mm/min。
所述多道次超声旋压成型工序的道次是七道次。
所述七道次的减薄量分别是：3.0mm、3.0mm、3.0mm、3.0mm、1.5mm、1.0mm和0.5mm。
所述旋轮和对称旋轮的进给方向与镁合金筒坯发生塑性变形延伸方向一致。
所述超声旋压成型工艺的加工工序中，镁合金筒坯的内表面和超声旋压设备主轴上是涂抹有二硫化钼润滑剂。
所述超声旋压成型工艺的加工工序中，对其旋压成型加工设备进行循环冷却。
所述将镁合金棒料加工成壁厚为20mm，长度为100mm的镁合金筒坯，后在七道次超声旋压成型工序中获得壁厚为1mm的薄壁筒形件，其筒形件的平均维氏硬度为124.7HV，抗拉强度为285Mpa，伸长率为3.2%。
实现上述本发明所提供的一种镁合金筒形件的超声旋压成型工艺，主要是针对镁合金旋压加工时因塑性差、在普通旋压大变形作用下易出现鼓包、失稳、成型工艺不易控制问题，将超声旋压加工技术引入镁合金筒形件的旋压成型加工工艺中，以利用高频率的超声振动作用激活镁合金的滑移系，从而加大了镁合金的塑性变形程度，进一步得到了大塑性变形的镁合金制品。
与现有技术相比，本发明所提供的镁合金筒形件的超声旋压成型工艺所具有得突出的实质性特点主要表现如下。
镁合金筒形件的成型能力强：本发明利用强力旋压工艺，将镁合金坯料加热到其塑性变形能力较好的温度区间300~400℃内。同时，为了保证产品好的表面质量、尺寸精度及良品率，在超声旋压成型工艺加工中，将与镁合金筒坯直接接触的旋压机主轴、旋轮在电阻加热保温箱中一起加热、保温。
本发明超声旋压成型工艺加工的镁合金筒形件，力学性能优、具有强度和韧性高的特点；而且加工快速稳定、生产效率高。
本发明超声旋压成型工艺简单、便于操作、先进合理，可用于高性能和高质量镁合金筒形件的加工制备。
附图说明
图1是本发明镁合金筒形件超声旋压成型加工的结构示意图。
图2是本发明镁合金筒形件的成品图。
图3是本发明镁合金筒形件轴向和径向的显微组织图。
图4是本发明镁合金筒形件旋压成型加工后的显微组织图。
图中：1：旋压设备控制柜；2：旋压设备总开关；3：旋压设备控制柜指示灯；4：旋压设备控制柜的显示屏；5：旋压设备控制柜编程旋钮；6：电机；7：联轴器；8：超声旋压设备主轴；9：三爪卡盘；10：筒坯已成形区；11：超声波换能器；12：超声波变幅杆；13：支架；14：旋轮；15：镁合金筒坯；16：电阻加热恒温箱；17：对称旋轮；18：旋压设备底座；19：超声波发生器；20：超声波发生器开关；21：超声波输出信号接口Ⅰ；22：超声波输出信号接口Ⅱ；23：连接导线Ⅰ；24：连接导线Ⅱ。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
实施本发明所提供的一种镁合金筒形件的超声旋压成型工艺，是在普通旋压设备基础上添加有超声振动装置，对镁合金筒形件进行超声旋压成型加工；该超声振动装置包括超声波发生器、超声波换能器和超声波变幅杆，对镁合金筒形件坯料进行强力旋压塑性成型加工。
所述镁合金筒形件坯料是首先通过三爪卡盘固定在超声旋压设备的主轴上，再在加载超声振动的对称旋轮作用下发生塑性变形，即出现已成形区的一种强力旋压工艺。
所述超声旋压成型加工，是为了充分利用镁合金发生大塑性变形温度区间300℃~400℃，将旋压设备主轴、镁合金筒形件坯料、旋轮及对称旋轮在电阻加热保温箱中加热至380℃±5℃，恒温控制下实施超声旋压加工。
所述超声旋压成型是在传统旋压过程中，利用旋轮旋转工件随着主轴旋转、连接超声传感器的旋轮旋转振动及其在轴向和径向进给的合成运动来实现对工件的旋压成型。
其中，超声振动的实现是通过超声波换能器将交流电转换成机械振动，再通过变幅杆放大后传递给旋轮。
所述超声旋压成型工艺是在连接超声振动传感器的旋压机上对镁合金坯料进行超声旋压加工；超声发生器经传感器将超声振动加载到旋压机上，再将镁合金坯料安装、固定在旋压机上，最后利用旋压轮对镁合金坯料进行旋压塑性加工。
具体的超声旋压塑性成型工艺包括以下几个步骤：
(一)坯料的截取：选取的镁合金坯料为铸态镁合金棒材。
(二)坯料的加工：将坯料加工成内径为所需尺寸的筒坯。
(三)坯料、主轴及旋轮的加热：将截取的镁合金坯料、旋压设备主轴、旋轮及其对称旋轮在电阻保温箱中加热保温，加热温度：380±50℃，随后保温处理。
(四)筒坯的装夹、固定：对所述的镁合金筒坯内壁和旋压主轴上涂抹二硫化钼润滑剂，并将筒坯置放于旋压主轴上，利用三爪卡盘将筒坯固定于旋压设备主轴上。
(五)超声旋压成型：先开启超声波发生器开关，再开启旋压设备总开关，在设定程序控制下使镁合金筒坯经七道次旋压成型为镁合金筒形件半成品。
(六修整边缘：对镁合金筒形件半成品的毛边等进行修整，以使其边缘光整。
(七)后续热处理：对镁合金筒形件半成品进行去应力热处理、机械加工和表面处理；制得成品。
（八）成品检测、分析表征。
对加工的镁合金筒形件进行显微组织、显微硬度、拉伸性能测试、表征如下。
将原始筒坯壁厚为20mm的镁合金铸态筒坯，在超声旋压加工后获得薄壁筒形件，在试件表面无旋压裂纹和鼓包等宏观缺陷，对其旋压后的显微组织在金相显微镜下观察，发现为尺寸细小的孪生结构和再结晶晶粒，筒形件的平均维氏硬度为124.7HV，抗拉强度为285Mpa，伸长率为3.2%，是十分理想的用于镁合金的塑性成型工艺。
下面结合附图对本发明的具体实施方式由实施例作进一步的说明。
实施例1
本实施例以AZ31B镁合金为例。进一步说明超声旋压实施工艺，表1为所选用AZ31B镁合金的合金成分表，表2为AZ31B镁合金棒坯和制品的尺寸及机械性能表，表3为本发明实施的超声旋压实验参数表。
镁合金筒形件的具体超声旋压成型工艺步骤如下。
(一)原始镁合金坯料的截取：本发明选取长度l=100mm的铸态AZ31B镁合金棒坯料。
(二)镁合金棒坯的加工：将截取的AZ31B镁合金棒材机加工成所需壁厚（δ=10mm）筒坯。
(三)将镁合金筒坯置放于超声旋压设备主轴上，一端用三爪卡盘固定，利用电阻加热恒温箱对主轴、镁合金筒坯、对称旋轮加热至380℃±5℃，恒温下对镁合金筒坯、进行六道次超声旋压加工。
(四)对镁合金筒坯进行六道次超声旋压加工成型：首先开启超声发生器开关，再开启旋压设备总开关，使整个超声旋压装置在设定程序控制下，在电阻加热恒温箱中，镁合金筒坯经六道次旋压工序，旋压成型为镁合金筒形件半成品。
(五)对镁合金筒坯进行六道次超声旋压过程中超声波发生器输出信号：将超声发生器产生的超声波经超声波换能器和超声波变幅杆转换成高频率的、一定周期作用的机械能，实现超声振动频率为20~30kHz，振幅为30~40μm的振动波，并将其直接作用于旋轮和对称旋轮，开启旋压设备开关后，旋压设备的主轴带动镁合金坯料作回转运动；旋轮和对称旋轮在各自控制驱动下按一定的下压比和压力作用下，使镁合金坯料以一定方向发生塑性变形延伸。
(六)对镁合金筒形件半成品进行六道次超声旋压成型后，对镁合金筒形件毛边进行修整，使其边缘光整。
(七)对修整后的镁合金筒形件进行去应力热处理、机械加工和表面处理。
(八)成品。
(九)检测、分析表征。
对加工的镁合金筒形件进行显微组织、显微硬度、拉伸性能测试、表征；
结论：超声旋压加工的镁合金筒形件为壁厚1.5mm的筒形件，表面无旋压裂纹和鼓包等宏观缺陷，对其旋压后的显微组织在金相显微镜下观察，发现为尺寸细小的孪生结构和再结晶晶粒，筒形件的维氏硬度为121.4HV，抗拉强度达290Mpa，伸长率为3.0%。
Claims (4)
1.一种镁合金筒形件的超声旋压成型工艺，其所述镁合金筒形件的超声旋压成型工艺是在超声旋压成型设备上进行的；所述超声旋压成型设备设置有旋压设备底座(18)及其旋压设备控制柜(1)和超声波发生器(19)，其中，旋压设备控制柜(1)通过旋压设备底座(18)由连接导线Ⅰ(23)连接，超声波发生器(19)与超声旋压成型设备底座(18)由连接导线Ⅱ(24)连接；
所述超声旋压成型工艺如下：
(一)选取所需被加工的铸态镁合金棒料，并将镁合金棒料加工成壁厚为20mm，长度为100mm的镁合金筒坯(15)；
(二)将镁合金筒坯(15)置放于超声旋压设备主轴(8)上，一端由三爪卡盘(9)固定，利用电阻加热恒温箱(16)对超声旋压设备主轴(8)、镁合金筒坯(15)、旋轮(14)和对称旋轮(17)加热至380℃±5℃，保温；
(三)对镁合金筒坯(15)进行七道次超声旋压成型加工：首先开启超声波发生器开关(20)，再开启旋压设备控制柜(1)，使整个超声旋压装置在设定程序控制下，在电阻加热恒温箱(16)中，对镁合金筒坯(15)进行多道次超声旋压成型加工，旋压成型为镁合金筒形件半成品；
(四)对镁合金筒坯(15)进行多道次超声旋压成型工序中，超声波发生器(19)输出信号，将超声发生器产生的超声波经超声波换能器(11)和超声波变幅杆(12)转换成高频率的、一定周期作用的机械能，实现超声振动频率为20~30kHz，振幅为30~40μm的振动波，并将其直接作用于旋轮(14)和对称旋轮(17)，开启旋压设备开关后，超声旋压设备主轴(8)带动镁合金坯料作回转运动；旋轮(14)和对称旋轮(17)在各自控制驱动下按所设下压比及其压力作用下，使镁合金坯料以塑性变形方向发生塑性变形延伸；
(五)对镁合金筒形件半成品进行多道次超声旋压成型工序后，对镁合金筒形件毛边进行修整，使其边缘光整；
(六)对修整后的镁合金筒形件进行去应力热处理、机械加工和表面处理，即获得超声旋压成型的镁合金筒形件；
所述超声旋压设备主轴(8)的转速是500r/min，旋轮(14)的进给速度是150mm/min；
所述旋轮(14)和对称旋轮(17)的进给方向与镁合金筒坯(15)发生塑性变形延伸方向一致；
所述镁合金棒料加工成壁厚为20mm，长度为100mm的镁合金筒坯(15)，后在七道次超声旋压成型工序中获得薄壁筒形件，其筒形件的平均维氏硬度为124.7HV，抗拉强度为285Mpa，伸长率为3.2%。
2.如权利要求1所述的超声旋压成型工艺，其所述七道次的减薄量分别是：3.0mm、3.0mm、3.0mm、3.0mm、1.5mm、1.0mm和0.5mm。
3.如权利要求1所述的超声旋压成型工艺，其所述超声旋压成型工艺的加工工序中，镁合金筒坯(15)的内表面和超声旋压设备主轴(8)上是涂抹有二硫化钼润滑剂。
4.如权利要求1所述的超声旋压成型工艺，其所述超声旋压成型工艺的加工工序中，对其旋压成型加工设备进行循环冷却。
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