专利名称：：一种镁合金板料数控渐进热成形方法及其加热装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及金属材料塑性加工领域，即属于镁合金壳形件热塑性成形，该工艺可以应用在镁合金和铝合金等难以加工材料的各种复杂形状壳形件的小批量生产。
背景技术：
：镁合金具有比强度高、刚性好和综合机械性能，极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好，优良的热传导性，非磁性金属抗电磁波干扰能力强，电磁屏蔽性好、加工成形性能好、成品外观美丽质感佳、无可燃性，相对于塑料材料回收率髙，符合环保法，尺寸稳定、收縮率小、不易因环境温度变化。可以广泛应用在航空航天、电子通讯等领域，具有广阔的应用前景。应用最多的变形镁合金板牌号是AZ31，广泛应用于室温和稍高的温度条件下。由于镁的密排六方晶格结构，镁合金室温塑性差，难以塑性加工。目前，国内外对AZ31变形镁合金成形技术进行了大量的研究，主要集中在AZ31板材非等温热冲压成形技术、液胀成形、气胀成形等方面的研究。在温拉深成形取得突破，如厚为0.61.0mm的AZ31镁合金薄板，在拉深温度为15030CTC，拉深速度515mm/s时，极限拉深比达到2.5以上，其缺点是必须借助于昂贵的模具成形，大大地增加了产品的开发成本，另一方面对复杂形状件难于成形。对于液胀成形和气胀成形来说，可生产一些形状简单(如半球状)的成形件，仍难于形状复杂件成形，其缺点是模具成本或产品种类少。无模单点数控渐进成形方法，由于不是针对特定板壳零件采用模具一次拉深成形，可加工任意形状复杂的工件，省去了产品设计过程中因模具设计、制造、实验修改等复杂过程所耗费的时间和资金，极大地降低了新产品开发的周期和成本，特别是对飞机、卫星等多品种小批量的产品以及用于汽车新型样车试制、家用电器等新产品的开发，都具有巨大的经济价值。目前，国内外已成功地在室温条件下利用渐进成形技术研制与加工出铝板的各种形状壳体，而对于强度和硬度比较大以及塑性较差的镁合金、硬铝合金和钛合金等难于加工的材料，还难以实现无模渐进成形。要实现和解决这一问题，必须使合金成形板料在成形过程中得到加热，其成形性能得到改善，并适合于塑性加工。因此，基于数控渐进成形技术和专用加热装置的无模渐进热成形是解决这一问题的有效途径之一。借助于模具来完成的传统金属塑性加工，不能完全适应制造业多品种小批量的生产方式。板料激光成形是一种新兴的塑性加工方法，这是一种无模具、无外力的非接触式热态积累成形技术，具有生产周期短，柔性大，精度高等特点。并且，借助红外测温仪及形状测量仪，可在数控激光加工机上实现全过程闭环控制，从而保证工件质量，改善工作条件。板材激光弯曲作为一种新型无模具成形技术正日益受到板材成形加工界的密切关注，其基本原理是利用高能激光束扫描金属板材表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。由于在成形过程中成形件产生残余应力，需要成形后整体热处理，将导致成形件的变形。此种方法也不能完全满足板料近等温渐进成形的要求。专利CN02144943.0是一种镁合金板材加工方法及专用装置。它釆用板材冲压技术成型镁合金壳形件，将模具预热至20050(TC，镁合金板料加热至20035(TC，将板料涂润滑剂后放入模具中，控制拉延比在1.53范围内，拉延速度为5080mm/min。这种方法的缺点是针对一定壳体件形状，需要设计和加工专用模具，由于昂贵模具费用将增加开发和产品的成本，特别是对单件或小批量生产；对形状复杂的冲压件，增加模具设计和冲压工艺的难度，甚至难以实现。专利CN200610117578.0是镁合金板材差温拉延模具。本发明通过同时加热镁合金板材的法兰部分，冷却凸模和冲压件侧壁部分，实现差温拉延工艺，提高镁合金板材温热拉延性能。该拉延工艺特点是靠差温而成形。该方法的缺点是需要昂贵模具而增加成本。专利CN91102339.9是双层球形容器的整体胀形制造方法。该工艺方法属于液胀成形，不需要模具和大型压力机，工序简单，成本低和残余应力小。该方法的缺点是只能制造一些形状简单的胀形件。专利CN02115301.9是一种胀形方法及其实现该胀形方法的装置。该发明特点是在模具中实现胀形，胀形后的产品不会留有难以清洗的液压油和取出时不会被模具所损伤。与无模液胀相比，该发明的缺点是增加了模具费用。镁合金板坯料在室温条件下无法实现各种形状壳体件的无模渐进成形。由于变形镁合金在10040(TC区间发生动态再结晶、软化和良好的塑性，大大地改善了镁合金的成形性能，为实现镁合金各种形状壳体件的无模渐进成形提供必要条件，并可解决形状复杂难成形的镁合金薄板加工问题，同时降低研制、开发和制造成本。该方法可推广应用到强度和硬度大以及塑性差的室温难于成形的硬铝合金等材料的壳体件制造。
发明内容根据以上情况，本发明的目的在于提供一种适合于镁合金板料数控渐进热成形方法及其加热装置，这种方法可以保证成形工具头在运动过程中始终处于设定温度条件下，可避免利用电阻加热通过热辐射方式使整个板坯料带来的较大温差，以影响合金的组织结构以及性能的变化，它可以保证获得性能良好的各种形状镁合金壳体件。为了实现该目的，本发明者进行了反复研究，发现镁合金板料通过特定的成形条件可避免由于室温脆性难于成形的缺点，并可通过数控渐进成形技术实施点积累成形(无模积累成形)。我们发现，这种加热系统可解决由于使用电阻加热压边圈而出现的板料温度不均匀问题，又解决了由于使用电炉通过热辐射加热合金板料而导致的成形开始温度和结束温度偏差较大，特别是高温将导致合金晶粒组织严重粗大，进而影响成形件的应用性能。本发明所采用的技术方案是一种镁合金板料数控渐进热成形方法，包括加热板坯料、数控渐进成形、后续处理的步骤，其特征在于还包括加热前在板坯料上涂刷润滑剂；加热过程采用电阻加热和热辐射结合，即先通过热辐射对合金板料进行预加热，并使板料处于成形近等温条件；再利用电阻棒通过快速加热而实施调整合金板料的温度。在上述方法中，数控渐进成形步骤的工艺条件优选以下成形工具压头的压下量为0.1mm0.2mm，进给速度为1200mm/min.2000mm/min.，一次成形极限角度不大于69°;成形温度不大于25(TC。在上述方法中，所选用的板坯料的厚度最好为0.6mm-1.5mm，成形极限角度最好为42°~69°;成形温度最好为100°C250°C。在上述板料数控渐进热成形方法中所说的润滑剂，是本发明的一个重要内容，可使镁合金板料在不大于25(TC温度下完成各种形状无模成形，并具有良好的润滑性能，大大提高成形件表面质量。该润滑剂有以下组分组成二硫化钼(MoS2)0%~10%，石墨粉末0%~60%，余量为耐高温润滑酯(简称为BACC)。润滑剂中各组分的重量百分含量选择取决于成形温度。原因是BACC由高精炼基础油复合锂皂基，加上优异的极压，抗锈，抗腐蚀，抗氧化性等添加剂精制而成。具备下列性能抗氧化性强、防锈性强、抗剪力强、抗水性强。BACC润滑脂受热时粘度降低。在低温小于150'C时表现出良好的润滑效果；随温度的提高，BACC润滑脂的粘度降低，附着在金属表面的吸附能力下降，导致其润滑效果相应下降。BACC的使用温度一般不超过260°C。为了解决和提高BACC润滑脂在高温时的润滑下降问题，应加入一定比例的MoS2和石墨粉末。一是提高在高温时BACC的粘度；二是MoS2和石墨粉末增加高温润滑效果。如果单独使用石墨粉或二硫化钼粉或二者混合使用，成形工具头不能始终和粉状润滑剂接触，势必引起成形工具头与板坯料干摩擦，导致成形件表面出现划痕等缺陷，影响表面质量。石墨粉加到润滑脂(油)中作为润滑剂使用，即使油膜破裂时，因具有良好的自润滑效果，石墨仍能起润滑作用。石墨在325'C与氧接触会生产C02,最高使用温度不超过400。C。由于热作用或机械作用而使油或脂的润滑能力降低时，MoS2就起着保护摩擦表面的作用。特别是在接近润滑脂工作温度时，MoS2的浓度以6%-8%为最佳。MoS2在420°C~430°C内很快氧化，因此MoS2最高使用温度也应不超过400°C。本发明还提供了一种专用于上述板料数控渐进热成形方法的加热装置，能实现电阻加热和热辐射两种作用，可使镁合金板料在小于25(TC条件下进行各种形状无模渐进成形。该加热装置，是由加热压边圈、加热下模板、隔热垫板、热电偶和电炉组成，其中电炉由耐火砖、耐火泥、电阻丝构成，电炉上方依次有隔热垫板、加热下模板和加热压边圈，电炉、加热压边圈及加热下模板上装有热电偶。隔热垫板、加热下模板和加热压边圈的中部为一定形状的空间区域，电炉上方的隔热垫板是为了避免电炉中产生的热量散失，而通过热辐射加热成形板坯料；加热下模板安装在隔热垫板上方；加热压边圈固定在加热下模板上方，在其中间放置成形板坯料，所述可加热下模板和加热压边圈的结构根据所加工成形件的形状不同而不同，如圆环形结构。在圆环上径向分布有容置孔，与电源连接的电阻加热棒插装于容置孔内；容置孔数量取决于升温快慢。为了稳固地夹装成形板坯料，在加热压边圈和加热下模板上分别设置有相匹配的定位孔和固定孔。本实验装置具有如下有益效果结构简单、操作方便，保温效果好。本装置采用电炉通过热辐射使成形板料预热和保温，快速电阻加热成形板料到实验温度。由于成形板料是在与大气接触条件下本加工成形的，因此，板料边缘和中心部位具有很大的温度梯度，即板料边缘接近成形温度，而板料中心低于成形温度，随成形工具头逐渐远离板料边缘，而趋近板料中心，板料中心的温度就越低。为了保证成形板料在成形过程中的温度均匀，故通过电炉产生热辐射使成形板料预热和保温。本发明的镁合金板料数控渐进热成形方法中，所述的合金材料包括镁合金、铝合金等难加工金属材料。本发明的优点在于该成形方法以及加热装置可使难以加工的镁合金和铝合金板料加工成复杂形状壳体件，无需模具就可一次完成成形，大大地节省了昂贵的模具费用和新产品的开发成本，有利于单件或批量少的、尺寸小的壳体件开发和生产。图1是本发明实施例的工艺流程图。图2是本发明实施例的渐进成形加热装置结构示意图。图3是本发明实施例的加热压边圈示意图。图4是本发明实施例的加热压边圈剖面示意图。图5是本发明实施例的加热下模板示意图。图6是本发明实施例的加热下模板剖面示意图。图7是本发明实施例的隔热垫板示意图。图8是本发明实施例的隔热垫板剖面示意图。l一耐火砖；2—耐火泥；3—电阻丝；4—热电偶；5—隔热垫板；6—加热下模板；7一板坯料；8—加热压边圈；9—定位孔；10—固定孔；11—加热电阻棒。具体实施例方式在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体的制备实施例和比较实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。所用试剂的来源、商品名以及有必要列出其组成成分者，均在首次出现时标明，其后所用相同试剂如无特殊说明，均以首次标明的内容相同。耐高温润滑酯于市场购买。用于本发明镁合金板坯料热数控渐进成形方法的专用加热装置如图2所示，电炉由耐火砖l、耐火泥2和电阻丝3构成，电炉上方依次有隔热垫板5、加热下模板6和加热压边圈8，电炉、加热压边圈8及加热下模板6上装有热电偶4;如图3-图8所示，隔热垫板5、加热下模板6和加热压边圈8为圆环形，在加热下模板6和加热压边圈8有相匹配的定位孔9和固定孔10，加热下模板6和加热压边圈8上还分布有容置孔，电阻加热棒ll插装于容置孔内。实施例1:为了实现镁合金板坯料热数控渐进成形，必须研究润滑剂对润滑效果和成形件表面质量进行评估，以确定润滑剂，表1中是不同温度下润滑剂的组成实验结果，如图1的流程，具体操作如下1)成形件设计利用CAD/CAM软件绘出方形斜截锥体加工轨迹，根据方形斜截锥体破裂时计算板料成形面与水平方向的夹角a，称为成形极限角。根据极限角数值可以设计和加工成形角不大于成形极限角的任意形状壳形件。2)取一合金板坯料7:该板坯料7为AZ31镁合金薄板，其名义成分为3%铝，1%锌，0.2%锰，其余为镁。板料厚度为0.6mm。合金板坯料7放置在加热压边圈8和加热下模板6之间。3)将100%耐高温润滑酯(BACC)涂刷在板坯料7上。4)加热板坯料7:将加热电炉到100°C±5°C，保温一定时间后再通过电阻棒快速加热板坯料达到实验温度100°C±5°C，BACC润滑剂具有一定的粘度，起到很好的效果。5)累积渐进成形模具温度和成形温度均为iocrc±5°c，成形工具压头的压下量为0.1mm，进给速度为1800mm/min.，一次成形极限角度38。。实施例2:本实施例2的润滑剂组成为石墨粉50%+BACC50%，成形温度为150°C±5°C，一次成形极限角度45。。其他与实施例l方法相同。实施例3:本实施例3的润滑剂组成为石墨粉50%+MoS28%+BACC50%，成形温度为250°C±5°C，一次成形极限角度60。。其他与实施例l方法相同。比较例l:本对比例1的润滑剂为二硫化钼MoS2100。/。，成形温度为200。C土5。C，一次成形极限角度50。。其他与实施例l方法相同。比较例2:本对比例2的润滑剂为石墨100%，成形温度为200°C±5°C，一次成形极限角度50°。其他与实施例l方法相同。比较例3:本对比例3的润滑剂组成为二硫化钼MoS250。/。+石墨50%，成形温度为200°C±5°C，一次成形极限角度50。。其他与实施例l方法相同。表l不同温度下润滑剂的组成<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>实施例4~实施例22:为了测定镁合金板坏料在不同条件下的成形极限角，采用板料数控渐进热成形对镁合金(AZ3I)板料成形镁合金方形斜截锥体件，表2是镁合金板料各种条件下成形极限角测试结果，具体操作如下1)成形件设计利用CAD/CAM软件绘出方形斜截锥体加工轨迹，根据方形斜截锥体破裂时计算板料成形面与水平方向的夹角a，称为成形极限角。根据极限角数值可以设计和加工成形角不大于成形极限角的任意形状壳形件。2)取一合金板坯料9:该板坯料9为AZ31镁合金薄板，其名义成分为3%铝，1%锌，0.2%锰，其余为镁。板料厚度为0.6mm1.5mm。合金板坯料9放置在加热压边圈11和加热下模板7之间。3)根据表1实验结果选择润滑剂，将其涂刷在板坯料9上。4)加热板坯料9:将加热电炉到实验温度(不大于25(TC士5。C)，保温一定时间后再通过电阻棒快速加热板坯料达到实验温度(不大于25(TC土5'C)。5)累积渐进成形模具温度和成形温度均为100°C±5'C250°C±5'C，成形工具压头的压下量为0.1mm~0.2mm，进给速度为1200mm/min.~2000mm/min.，一次成形极限角度不大于69°。6)后续加工对成形件半成品进行清除润滑剂、修整或涂装等。比较例4:本对比例4的只通过热辐射加热板坯料，成形温度为205'C，成形结束温度为416'C，一次成形极限角度58°。其他与实施例IO方法相同。结果表明较大的成形温度差导致成形件的晶粒长大。比较例5:本对比例5的只通过热辐射加热板坯料，成形温度为25rC，成形结束温度为485t，一次成形极限角度58°。其他与实施例IO方法相同。结果表明较大的成形温度差导致成形件的晶粒粗大，且分布不均匀。表2是镁合金板料各种条刊:下成形极限角测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1、一种镁合金板料数控渐进热成形方法，包括加热板坯料、数控渐进成形、后续处理的步骤，其特征在于还包括加热前在板坯料上涂刷润滑剂；加热过程采用电阻加热和热辐射结合，即先通过热辐射对合金板料进行预加热，并使板料处于成形近等温条件；再利用电阻棒通过快速加热而实施调整合金板料的温度。2、如权利要求1所说的镁合金板料数控渐进热成形方法，其特征在于，数控渐进成形步骤的工艺条件为成形工具压头的压下量为0.1mm0.2mm，进给速度为1200mm/min.2000mm/min.，一次成形极限角度不大于69°;成形温度不大于250°C。3、如权利要求2所说的镁合金板料数控渐进热成形方法，其特征在于，所说的板坯料的厚度为0.6mm-1.5mm，成形极限角度为42°~69°;成形温度为100°C250°C。4、如权利要求1所说的镁合金板料数控渐进热成形方法，其特征在于，所说的润滑剂有以下重量组分组成二硫化钼0%~10%，石墨粉末0%~60%，余量为耐高温润滑酯。5、一种专用于如权利要求1所说的镁合金板料数控渐进热成形方法的加热装置，其特征在于，是由加热压边圈、加热下模板、隔热垫板、热电偶和电炉组成，其中电炉由耐火砖、耐火泥、电阻丝构成，电炉上方依次有隔热垫板、加热下模板和加热压边圈，电炉、加热压边圈及加热下模板上装有热电偶。6、如权利要求5所说的加执装置，其特征在于，加热下模板和加热压边圈上分布有容置孔，电阻加热棒插装于容置孔内。7、如权利要求6所说的加执装置，其特征在于，加热压边圈和加热下模板上分别设置有相匹配的定位孔和固定孔。全文摘要本发明涉及合金板材数控渐进热成形方法及其专用加热装置。该方法包括加热板坯料、数控渐进成形、后续处理的步骤，还包括加热前在板坯料上涂刷润滑剂；加热过程采用电阻加热和热辐射结合调整合金板料的温度。所说的加热装置是由加热压边圈、加热下模板、隔热垫板、热电偶和电炉组成，其中电炉由耐火砖、耐火泥、电阻丝构成，电炉上方依次有隔热垫板、加热下模板和加热压边圈，电炉、加热压边圈及加热下模板上装有热电偶。这种加热装置中的热辐射减少了成形过程中成形件的温度梯度，改善了成形件的温度分布状态，使成形在近等温条件下进行，保证成形件具有良好的组织和性能指标。该成形方法具有生产成本低，工艺和装置简单的显著特点。文档编号B21D37/16GK101347810SQ200810124518公开日2009年1月21日申请日期2008年8月22日优先权日2008年8月22日发明者张青来,肖富贵申请人:江苏大学