CN110142321A - 一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非晶合金加工领域，具体涉及一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置和方法。原料卷上的非晶板带材经过预热控温段、成型段、收料段，薄壁件随后进行精抛光处理后进行使用。其中，预热控温段主要功能为将非晶板带材预热(≤成型温度10℃控制)，并将非晶板带材精确补温控温确保材料处于可成型温度区间，成型段主要是经过预热的模具冲压成型，收料段主要是将成品料与余料快速冷却至室温段并收集相应材料。其中，整个过程处于无氧化环境。本发明中非晶薄壁件形成过程可精确实现、流程短且制备过程连续化，利用本发明的方法可高效、连续地利用非晶板带材制备薄壁件，促进结构晶合金的应用。

Description

一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置和方法

技术领域

本发明属于非晶合金加工领域，具体涉及一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置和方法。

背景技术

非晶合金，也称金属玻璃(Metallic Glass)或玻璃合金(Glassy Alloy)，是应用现代快速凝固冶金技术制备获得的一种新型的、特殊的、物质状态明显区别于晶态的合金材料。由于非晶合金独特的原子结构排列及金属键组成，使非晶合金具有相比于传统晶态金属材料更为优异的力学性能、物理性能及化学性能。这使非晶合金在航空航天、兵器工业、精密仪器、生物医疗和电力输送等方面具有广泛的应用前景。

早期非晶合金的制备需要很大的冷却速度(＞10⁶K/s)，当时非晶合金只能以粉、丝、薄带等形式存在，极大地削弱非晶合金性能潜力的发挥，限制非晶合金在工业中的应用。因此，自上世纪八十年代末开始，如何提高非晶合金的形成能力，制备大尺寸的非晶合金成为新材料研究领域中重点研究方向之一。从20世纪80年代至今的几十年里，经过大量学者的努力，已经开发出Zr基、Ti基、Fe基、Co基、Ni基、Cu基、Pt基等大量具有大的玻璃形成能力的合金体系；发展水淬法、铜模铸造法、定向凝固法、非晶粉末挤压法等多种块体非晶合金的制备技术。其中，使用单辊法生产的具有优良的软磁性能的非晶薄带在国内已经有大规模、广泛的应用，为我国电力系统的节能减排做出突出贡献。而且，块体非晶合金的制备与应用同样取得长足的发展，因其优异的力学性能，已被作为结构材料生产并应用于电子产品、体育器材、汽车零件等。目前，市场上应用的块体非晶合金产品最主要的生产方式是压铸法，由于其自身条件限制，只能生产小规格产品。作为结构材料中应用广泛的板带材，非晶板带的主要生产方法包括单辊熔体急冷法、双辊熔体急冷法和铸型拉铸法。目前，应用最广的、已用于工业化生产的是单辊熔体急冷法，简称单辊法。单辊法生产的铁基非晶板带材具有优良的软磁性能，能代替硅钢、坡莫合金以制作变压器铁芯，进而大大提高变压器效率，降低配电变压器的铁损，同时减小体积和重量。然而单辊法生产工艺限制非晶板带材的厚度(约20～50μm)和宽度(小于220mm)。双辊熔体急冷法简称双辊法。基于双辊法开发多种块体非晶合金的连铸方法。美国专利US2006/0260782A1公开一种块体非晶合金板材的连续住在装置和方法，专利中装置采用多组小直径冷却辊冷却合金带材，由于其排辊只能施加较小接触压力，其系统冷速只能达到小于10℃/s，制备的板材厚度为0.1～10mm，且仅限于形成能力强的含Be的Zr基非晶合金的成型，也会降低非晶寿命和稳定性。与之技术思想较为接近的是中国专利公开号CN 107755652 A，其利用履带式冷却，连续铸造非晶，其接触力较小，冷速有限，同样会降低非晶寿命和制备非晶的成分设计冗余度。中国专利公开号CN1486800A，公开一种块体非晶合金连续铸轧技术，将坩埚中熔化的金属熔体注入两个相对旋转的水冷轧辊中，采用双轧辊铸轧制备块体非晶板材、棒材等。铸型拉铸法，是一种熔炼后的母合金在坩埚中熔化、保温后经流嘴浇铸到水冷的孔型中，并通过以一定速度给成型的非晶合金以拉力，实现非晶合金连续铸造的方法。中国专利公开号CN101543885A，公开一种块体非晶合金水平连续铸造的装置和方法，合金的冷却主要依靠水冷铜模，凝固的铸坯由电动机驱动的牵引杆拉动不断输出。

针对不同的金属合金材质，板带的热冲压成型方法多种多样。中国专利公开号CN108380722 A，提出一种轻量化铝合金车身构件的热冲压成型方法，将原始T6态铝合金板材坯料置于加热设备中，升温至固溶温度以下50～300℃的温度范围，加热保温1～5分钟，然后快速转移到冲压模具进行热冲压成型并进行模具内保压淬火，获得成型零件，缩短热成型的生产周期，大大提高生产效率，同时能够保证产品的使用性能。中国专利公开号CN105792980 A，提出一种可合适在通过热冲压成型的热冲压制品上进行涂装处理的热冲压制品的制造方法。中国专利公开号CN 108145000 A，公开一种适合于运载火箭用TA7低温钛合金气瓶产品的研制和生产钛合金厚壁球壳等温冲压的壁厚均匀化方法。中国专利公开号CN 108580627 A，公开一种自动出料的恒温冲压设备，该发明可使凹模保持合适的温度范围，从而提升冲压质量且延长设备使用寿命；采用气动模式，噪音小，出料方便，保障设备运行平稳。中国专利公开号CN 108526273 A，提出一种板材热冲压工艺，该发明主要用于热冲压工艺过程中，对板材进行热冲压成孔，本工艺对板材进行热冲压成孔，可以对冲头进行降温保护，提高冲头的使用寿命，另外在对板材传输的过程中，减少对板材产生划痕。

非晶板带材的制备技术的开发，促进非晶的应用，但应用非晶板带制备非晶件的成型工艺，依然没有可靠的方法。

发明内容

本发明提供一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置和方法，非晶薄壁件形成过程可精确实现、流程短且制备过程连续化，利用本发明的方法可高效、连续地利用非晶板带材制备薄壁件，促进结构晶合金的应用，对促进非晶板带的广泛应用具有重要意义。

本发明的技术方案是：

一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，该装置包括：气氛控制腔体、原料卷、非晶板带材、张力控制活套二、余料收集卷、张力控制活套一，具体结构如下：

气氛控制腔体的一侧设置原料卷和张力控制活套一，气氛控制腔体的另一侧设置张力控制活套二和余料收集卷，非晶板带材由原料卷输出，依次经过张力控制活套一、气氛控制腔体、张力控制活套二至余料收集卷，非晶板带材在气氛控制腔体内形成非晶薄壁结构件，非晶薄壁结构件由气氛控制腔体内的冲压件收集槽收取，非晶板带材在气氛控制腔体内产生的余料由余料收集卷收取；

气氛控制腔体内设置具有加热功能的加热单元、具有成型功能的成型单元和成品收集单元，气氛控制腔体内横向设置具有加热功能的加热单元，气氛控制腔体内竖向设置具有成型功能的成型单元，成型单元位于加热单元的一侧，成品收集单元位于成型单元的下方。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，具有加热功能的加热单元包括隔热毡、加热单元外套、电加热管、均热铜块，加热单元外套和均热铜块水平设置，均热铜块位于加热单元外套中心的水平内腔处，加热单元外套和均热铜块的两端分别设置隔热毡，均热铜块和隔热毡的水平中心开设供非晶板带材穿过的孔，加热单元外套的侧壁分布电加热管于均热铜块的外侧，加热单元外套上排布两个以上热电偶。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，具有成型功能的成型单元包括由高温氩气喷管、成型腔、压杆、凸模、横梁、凹模、热/冷腔闸板阀、冷却喷嘴、冲压件收集槽，成型腔中部水平开设通孔，所述通孔与均热铜块和隔热毡的水平中心开孔相通，非晶板带材依次穿过所述中心开孔和所述通孔，成型腔内的中部竖向设置模套，凸模和凹模上下相对设置于模套内，非晶板带材位于凸模和凹模之间，成型腔的顶部设置横梁，压杆的上部穿设于横梁，压杆的下端与凸模的上端为一体连接，在压杆的带动下，凸模与模套呈滑动配合，成型腔位于凹模下部的空腔内设置热/冷腔闸板阀，热/冷腔闸板阀之上为热腔，热/冷腔闸板阀之下为冷腔，成型腔的底部内侧设置冷却喷嘴，高温氩气喷管8安装在成型腔外侧。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，成型腔的下方与冲压件收集槽相通，冲压件收集槽作为成品收集单元。

一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，包括如下步骤：

(1)非晶合金预热；将气氛控制腔体内充氩气进行气氛保护，将装置的加热单元内腔加热至非晶玻璃转化温度与晶化温度的之间的温度区域(T_g～T_x)，将非晶板带材经具有夹送功能的张力控制活套送入加热单元进行加热；

(2)非晶件冲压成型；将经过加热单元加热后的非晶板带材送入成型腔，非晶板带材经模具冲压成型并冲离非晶板带材，冲压后的冲压件经过热/冷腔闸板阀进入冷腔通过氩气冷却后送入冲压件收集槽；

(3)余料收取；非晶板带材余料经过张力控制活套送入余料收集卷取机进行打卷。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，该方法适用于锆基、铜基或镁基具有较大过冷液相区宽度ΔT_x≥30℃，厚度范围为0.1～2mm的非晶板材或带材。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，非晶板带材预热时间小于5min，其内部温度波动＜5℃，加热单元内预热温度设为T＝(T_g+T_x)/2。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，冲压成型过程中，在成型腔内进行，成型腔内温度为(T_g+T_x)/2，冲压成型的压下速度为1～100mm/min，单个冲压件冲压过程不大于1min；冲压后的冲压件，经取件装置取下，或将非晶板带材竖立加热进入，横向冲压成型，重力掉落。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，成型后的冲压件经热/冷腔闸板阀进入冷腔后，通过气体冷却至小于100℃，并存放于冲压件收集槽。

所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，非晶板带的余料经过张力控制活套送入余料收集卷取机，进行打卷便于回收。

本发明优点及有益效果是：

1、本发明适用于锆基、铜基、镁基等具有较大过冷液相区宽度(ΔTx≥30℃)，厚度范围为0.1～2mm的非晶板带材。

2、本发明整个预热及成型及冷却过程都在氩气保护下进行，设备板带材入口使用隔热毡阻止热量散失，使用均热铜块使腔内温度稳定，其内部温度波动＜5℃。

3、本发明加热单元内预热温度需在Tg与Tx之间(非晶玻璃转化温度与晶化温度的之间的温度区域)，一般可设为T＝(Tg+Tx)/2。

4、本发明冲压过程在成型腔内进行，成型腔内设有高温气氩气喷管，用于喷射高温氩气，加热成型腔及模具，其成型腔内温度为(Tg+Tx)/2。冲压过程中，压下速度为1～100mm/min，单个冲压件冲压过程不大于1min。

5、本发明冲压后的冲压件，经取件装置取下(或将非晶板带材竖立加热进入，横向冲压成型，重力掉落)。成型腔下有一隔温闸板阀，成型后的冲压件经闸板阀进入冷腔后气体冷却至小于100℃，并存放于冲压件收集槽。

6、本发明可利用非晶板带在一定温度下连续冲压制备非晶薄壁件，非晶件加温冲压制备过程流程短，效率高，且不发生合金晶化。

附图说明

图1是本发明非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置的结构示意图。

图中：1-气氛控制腔体；2-原料卷；3-非晶板带材；4-隔热毡；5-加热单元外套；6-电加热管；7-均热铜块；8-高温氩气喷管；9-成型腔；10-压杆；11-凸模；12-横梁；13-凹模；14-热/冷腔闸板阀；15-冷却喷嘴；16-冲压件收集槽；17-热电偶；18-张力控制活套二；19-余料收集卷；20-张力控制活套一；21-模套。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明基于非晶薄带在玻璃区具有的超塑性的特点，提出一种利用0.08～1.0mm非晶薄带卷连续化温冲压成型制备锆基非晶合金薄壁零件的装置和方法。所述成型方法主要过程为原料卷上的非晶板带材经过预热控温段(加热单元)、成型段(成型单元)、收料段(成品料与余料收集单元)，薄壁件随后进行精抛光处理后进行使用。其中，预热控温段主要功能为将非晶板带材预热(≤成型温度10℃控制)，并将非晶板带材精确补温控温确保材料处于可成型温度区间，成型段主要是经过预热的模具冲压成型，收料段主要是将成品料与余料快速冷却至室温段并收集相应材料。其中，整个过程处于无氧化环境。

如图1所示，本发明非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，主要包括：气氛控制腔体1、原料卷2、非晶板带材3、隔热毡4、加热单元外套5、电加热管6、均热铜块7、高温氩气喷管8、成型腔9、压杆10、凸模11、横梁12、凹模13、热/冷腔闸板阀14、冷却喷嘴15、冲压件收集槽16、热电偶17、张力控制活套二18、余料收集卷19、张力控制活套一20、模套21等，具体结构如下：

气氛控制腔体1的一侧设置原料卷2和张力控制活套一20，气氛控制腔体1的另一侧设置张力控制活套二18和余料收集卷19，非晶板带材3由原料卷2输出，依次经过张力控制活套一20、辊轮、气氛控制腔体1、张力控制活套二18、辊轮至余料收集卷19，非晶板带材3在气氛控制腔体1内形成非晶薄壁结构件，非晶薄壁结构件由气氛控制腔体1内的冲压件收集槽16收取，非晶板带材3在气氛控制腔体1内产生的余料由余料收集卷19收取。

气氛控制腔体1内设置具有加热功能的加热单元、具有成型功能的成型单元和成品收集单元，气氛控制腔体1内横向设置具有加热功能的加热单元，气氛控制腔体1内竖向设置具有成型功能的成型单元，成型单元位于加热单元的一侧，成品收集单元位于成型单元的下方。其中：

具有加热功能的加热单元主要由隔热毡4、加热单元外套5、电加热管6、均热铜块7组成，加热单元外套5和均热铜块7水平设置，均热铜块7位于加热单元外套5中心的水平内腔处，加热单元外套5和均热铜块7的两端分别设置隔热毡4，均热铜块7和隔热毡4的水平中心开设供非晶板带材3穿过的孔，加热单元外套5的侧壁分布电加热管6于均热铜块7的外侧，加热单元外套5上排布两个以上热电偶17。

具有成型功能的成型单元主要由高温氩气喷管8、成型腔9、压杆10、凸模11、横梁12、凹模13、热/冷腔闸板阀14、冷却喷嘴15、冲压件收集槽16组成，成型腔9中部水平开设通孔，所述通孔与均热铜块7和隔热毡4的水平中心开孔相通，非晶板带材3依次穿过所述中心开孔和所述通孔，成型腔9内的中部竖向设置模套21，凸模11和凹模13上下相对设置于模套21内，非晶板带材3位于凸模11和凹模13之间，成型腔9的顶部设置横梁12，压杆10的上部穿设于横梁12，压杆10的下端与凸模11的上端为一体连接，在压杆10的带动下，凸模11与模套21呈滑动配合，成型腔9位于凹模13下部的空腔内设置热/冷腔闸板阀14，热/冷腔闸板阀14之上为热腔，热/冷腔闸板阀14之下为冷腔，成型腔9的底部内侧设置冷却喷嘴15，高温氩气喷管8安装在成型腔9外侧。

成型腔9的下方与冲压件收集槽16相通，冲压件收集槽16作为成品收集单元。

下面，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例一

合金带成分：Zr_53.5Hf_1.5Cu₃₀Al₁₀Ni₅(原子百分比at.％，下同)；

合金带尺寸：宽50mm，厚0.5mm；

制备流程：

(1)非晶合金预热。将气氛控制腔体内充入温度为465℃的氩气进行气氛保护，将装置的加热单元内腔加热至450℃。然后将非晶板带材经具有夹送功能的张力控制活套送入加热单元进行加热2min，使合金温度均匀化。

(2)非晶件冲压成型。将经过加热单元加热后的非晶板带材送入成型腔，成型腔温度为450℃。非晶板带材经模具(凸模、凹模)冲压成型，冲压后的冲压件，经取件装置取下(或将非晶板带材竖立加热进入，横向冲压成型，重力掉落)，凸模的压头冲下速度设为100mm/min(冲压件的生产速度为15件/min)，冲压后的冲压件经过热/冷腔闸板阀进入冷腔通过氩气冷却至约100℃后送入冲压件收集槽。

(3)余料收取。非晶板带材余料经过张力控制活套送入余料收集卷取机进行打卷。

实施例二

合金带成分：Zr_52.5Hf_1.5Cu₃₀Al₁₀Ni₅Y₁(原子百分比at.％，下同)

合金带尺寸：宽40mm，厚0.5mm。

制备流程：

(1)非晶合金预热。将气氛控制腔体内充入温度为460℃的氩气进行气氛保护，将装置的加热单元内腔加热至450℃。然后将非晶板带材经具有夹送功能的张力控制活套送入加热单元进行加热2min，使合金温度均匀化。

(2)非晶件冲压成型。将经过加热单元加热后的非晶板带材送入成型腔，成型腔温度为450℃。非晶板带材经模具(凸模、凹模)冲压成型，冲压后的冲压件，经取件装置取下(或将非晶板带材竖立加热进入，横向冲压成型，重力掉落)，凸模的压头冲下速度设为10mm/min(冲压件的生产速度为5件/min)，冲压后的冲压件经过热/冷腔闸板阀进入冷腔通过氩气冷却至约100℃后送入冲压件收集槽。

(3)余料收取。非晶板带材余料经过张力控制活套送入余料收集卷取机进行打卷。

实施例三

合金带成分：Cu₄₇Zr₄₄Hf₁Al₈(原子百分比at.％，下同)

合金带尺寸：宽40mm，厚0.5mm。

制备流程：

(1)非晶合金预热。将气氛控制腔体内充入温度为490℃的氩气进行气氛保护，将装置的加热单元内腔加热至490℃。然后将非晶板带材经具有夹送功能的张力控制活套送入加热单元进行加热2min，使合金温度均匀化。

(2)非晶件冲压成型。将经过加热单元加热后的非晶板带材送入成型腔，成型腔温度为490℃。非晶板带材经模具(凸模、凹模)冲压成型，冲压后的冲压件，经取件装置取下(或将非晶板带材竖立加热进入，横向冲压成型，重力掉落)，凸模的压头冲下速度设为50mm/min(冲压件的生产速度为10件/min)，冲压后的冲压件经过热/冷腔闸板阀进入冷腔通过氩气冷却至约100℃后送入冲压件收集槽。

上述实施例仅用于说明本发明的技术特点，而非是对本发明保护范围的限制，其目的是对本发明作详细说明。但凡是据此发明精神实质所做的等效替代，而不脱离本发明技术实质的方案都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，其特征在于，该装置包括：气氛控制腔体、原料卷、非晶板带材、张力控制活套二、余料收集卷、张力控制活套一，具体结构如下：

气氛控制腔体的一侧设置原料卷和张力控制活套一，气氛控制腔体的另一侧设置张力控制活套二和余料收集卷，非晶板带材由原料卷输出，依次经过张力控制活套一、气氛控制腔体、张力控制活套二至余料收集卷，非晶板带材在气氛控制腔体内形成非晶薄壁结构件，非晶薄壁结构件由气氛控制腔体内的冲压件收集槽收取，非晶板带材在气氛控制腔体内产生的余料由余料收集卷收取；

气氛控制腔体内设置具有加热功能的加热单元、具有成型功能的成型单元和成品收集单元，气氛控制腔体内横向设置具有加热功能的加热单元，气氛控制腔体内竖向设置具有成型功能的成型单元，成型单元位于加热单元的一侧，成品收集单元位于成型单元的下方。

2.按照权利要求1所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，其特征在于，具有加热功能的加热单元包括隔热毡、加热单元外套、电加热管、均热铜块，加热单元外套和均热铜块水平设置，均热铜块位于加热单元外套中心的水平内腔处，加热单元外套和均热铜块的两端分别设置隔热毡，均热铜块和隔热毡的水平中心开设供非晶板带材穿过的孔，加热单元外套的侧壁分布电加热管于均热铜块的外侧，加热单元外套上排布两个以上热电偶。

3.按照权利要求2所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，其特征在于，具有成型功能的成型单元包括由高温氩气喷管、成型腔、压杆、凸模、横梁、凹模、热/冷腔闸板阀、冷却喷嘴、冲压件收集槽，成型腔中部水平开设通孔，所述通孔与均热铜块和隔热毡的水平中心开孔相通，非晶板带材依次穿过所述中心开孔和所述通孔，成型腔内的中部竖向设置模套，凸模和凹模上下相对设置于模套内，非晶板带材位于凸模和凹模之间，成型腔的顶部设置横梁，压杆的上部穿设于横梁，压杆的下端与凸模的上端为一体连接，在压杆的带动下，凸模与模套呈滑动配合，成型腔位于凹模下部的空腔内设置热/冷腔闸板阀，热/冷腔闸板阀之上为热腔，热/冷腔闸板阀之下为冷腔，成型腔的底部内侧设置冷却喷嘴，高温氩气喷管8安装在成型腔外侧。

4.按照权利要求3所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的装置，其特征在于，成型腔的下方与冲压件收集槽相通，冲压件收集槽作为成品收集单元。

5.一种使用权利要求1至4之一所述装置的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)非晶合金预热；将气氛控制腔体内充氩气进行气氛保护，将装置的加热单元内腔加热至非晶玻璃转化温度与晶化温度的之间的温度区域(T_g～T_x)，将非晶板带材经具有夹送功能的张力控制活套送入加热单元进行加热；

(2)非晶件冲压成型；将经过加热单元加热后的非晶板带材送入成型腔，非晶板带材经模具冲压成型并冲离非晶板带材，冲压后的冲压件经过热/冷腔闸板阀进入冷腔通过氩气冷却后送入冲压件收集槽；

(3)余料收取；非晶板带材余料经过张力控制活套送入余料收集卷取机进行打卷。

6.按照权利要求5所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，其特征在于，该方法适用于锆基、铜基或镁基具有较大过冷液相区宽度ΔT_x≥30℃，厚度范围为0.1～2mm的非晶板材或带材。

7.按照权利要求5所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，其特征在于，非晶板带材预热时间小于5min，其内部温度波动＜5℃，加热单元内预热温度设为T＝(T_g+T_x)/2。

8.按照权利要求5所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，其特征在于，冲压成型过程中，在成型腔内进行，成型腔内温度为(T_g+T_x)/2，冲压成型的压下速度为1～100mm/min，单个冲压件冲压过程不大于1min；冲压后的冲压件，经取件装置取下，或将非晶板带材竖立加热进入，横向冲压成型，重力掉落。

9.按照权利要求5所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，其特征在于，成型后的冲压件经热/冷腔闸板阀进入冷腔后，通过气体冷却至小于100℃，并存放于冲压件收集槽。

10.按照权利要求5所述的非晶薄壁结构件的连续冲压成型的方法，其特征在于，非晶板带的余料经过张力控制活套送入余料收集卷取机，进行打卷便于回收。