超声振动辅助半固态金属微触变成形方法及装置

摘要

本发明公开了一种超声振动辅助半固态金属微触变成形方法及装置。在下模的下端设有下模电加热器，下模与超声变幅杆连接，在下模中安装下模热电偶，冲头的上端与上模连接，上模上端设有上模电加热器，上模与压杆连接，上模中安装上模热电偶。本发明将半固态金属坯料重熔加热至固液共存区后开始压力加工，同时施加超声振动，减少半固态金属坯料与微模具之间的摩擦和微成形阻力，增强半固态金属材料的流动性，改善半固态金属材料在微模具中的填充性能，获得良好的微成形效果。本发明促进了半固态金属微触变成形，提高了微成形效率，降低了设备成本，避免了微加工过程中缩孔等缺陷，改善了半固态金属微触变成形效果。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料微加工技术，尤其涉及一种超声振动辅助半固态金属微触变成形方法及装置。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院的科学家在实验中首次发现了半固态金属的流变性能，并发展了金属半固态成形技术，该工艺介于固态金属成形和液态金属成形之间，融合了铸造和塑性成形工艺优点，具有高效、节能等显著优点，许多学者称其为是21世纪最有发展前途的近净成形技术之一。如今国内外学者已经对半固态金属成形开展了大量的研究工作，铝合金及镁合金的半固态加工技术日益成熟，其研究成果在汽车工业中零件加工中已经取得了较大程度的应用。

半固态金属成形是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成形加工的工艺方法的总称，主要包括触变成形和流变成形两种工艺，其中流变成形(Rheoforming)是指将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，而触变成形(Thixoforming)是指将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工。触变成形工艺流程长，但它便于组织专业化生产，质量便于控制，因而成为半固态成形技术研究的重点，在现有的研究及工业应用中也绝大多数采用触变成形的工艺。

金属坯料处于半固态时具有一定的固液比，和液态压铸相比，它具有一定的粘度，所以，成形时可以避免喷溅、紊流以及卷气等缺点；它和固体锻造相比，易于形成微细特征，且变形力小，可以节省能源。因此，和传统成形工艺相比，半固态金属成形具有一系列突出的优点：成形温度低，成形件力学性能好，较好地综合了固态金属模锻与液态压铸成形的优点，可以批量生产形状复杂、高性能和高精度的微型零部件。半固态成形的固有优点决定了半固态成形技术有应用于微小零件制备的潜力，并且有望解决目前微细结构加工技术普遍存在的成本高、效率低的问题，为微细结构的大批量低成本生产提供一种新方法，然而至今半固态微成形技术在世界范围内报道仍很少。2004年荷兰的Steinhoff等人在《Steel Research International》杂志第75卷第611-619页首次提出了有关微半固态成形(又称：微触变成形，Micro-Thixoforming)的概念和方法，但至今还没有出现该技术研究和应用的进一步报道。美国密歇根大学的Gap-Yong Kim等人在博士论文的研究中对于微/介观尺度下的半固态铝合金微触变成形技术进行了研究，主要研究成果在2007年的《Transactions of the ASME，Journal of Manufacturing Science and Engineering》杂志第129卷第246-251页进行了报道。

从当前半固态金属微成形技术的研究报道中可以发现，目前半固态金属微成形技术发展尚处于起步阶段，技术上还不成熟，微成形填充效果不甚理想。

主要存在的问题有：

(1)在半固态金属微触变成形过程中，成形效果不够稳定，同一加工过程中的一些相同结构特征的成形一致性还不够好；

(2)半固态金属微触变成形结构中还存在缩孔、晶粒结构不致密等问题，制造出的工件的微结构形貌也有待改进；

(3)半固态金属微触变成形的加工效率和能耗尚有待改进。

为了将半固态金属微成形方法推向产业化应用，从而提供一种适合大批量、低成本和高效的金属微细结构特征加工方法，对于现有的半固态金属微触变成形技术进行改进是十分必要的。

发明内容

为了克服上述半固态金属微触变成形方法的不足，本发明的目的在于提供一种超声振动辅助半固态金属微触变成形方法及装置。利用超声波的导引作用、排除气体、增强半固态金属材料材料流动性、减小微成形阻力、增加材料致密度等作用，达到对半固态金属微触变成形过程的辅助作用，从而获得良好的半固态金属工件微成形效果，提高微触变成形效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种超声振动辅助半固态金属微触变成形方法，该方法包括以下各步骤：

(1)将内部组织结构为球状晶的半固态金属坯料置于下模上，通过内嵌电加热器预热并保持冲头和下模温度升至250～350℃；

(2)感应线圈加热半固态金属坯料温度，控制坯料的固相分数或液相分数至固液共存区；

(3)将下表面带有微细特征结构的冲头压下并施加锻压载荷，开始压力加工，锻压力为50kN～70kN，与此同时开启功率超声发生装置，通过超声变幅杆与下模的直接连接，对半固态金属微触变成形加工过程施加功率为300～500W，频率为15～20kHz的超声振动，在超声波的辅助作用下，完成对半固态金属坯料的微触变成形过程；

(4)完成半固态金属的超声振动辅助微触变成形过程，停止超声振动和模具加热；

(5)升起冲头后，取出半固态金属微触变成形零件。

二、一种超声振动辅助半固态金属微触变成形装置：

在下模的下端设有下模电加热器，下模与超声变幅杆连接，在下模中安装下模热电偶，下表面带有微细特征结构的冲头的上端与上模连接，上模上端设有上模电加热器，上模与压杆连接，上模中安装上模热电偶。

在超声振动辅助半固态金属微触变成形方法和装置中，所述带有微细特征结构的冲头下表面开有为孔径和深度均为0.8mm～1mm的圆孔阵列。

本发明具有的有益效果是：

本发明首次将超声振动应用于半固态金属微触变成形过程，利用超声振动多方面的辅助作用改善了微触变成形效果，缩短了工艺时间，提高了工艺质量，降低了制造成本。它对于促进半固态金属微触变成形方法的发展及其应用，从而获得一种高效率、低成本、高品质的金属微细结构特征加工方法具有重要意义。

附图说明

图1是超声振动辅助半固态金属微触变成形装置示意图(感应加热时)。

图2是超声振动辅助半固态金属微触变成形装置示意图(触变成形时)。

图中：1.超声变幅杆，2.下模电加热器，3.螺钉，4.冲头，5.螺栓，6.上模电加热器，7.压杆，8.上模，9.上模热电偶，10.下模，11.半固态金属坯料，12.下模热电偶，13.感应线圈。

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明是在下模10的下端设有下模电加热器2，下模10与超声变幅杆1连接，在下模10中安装下模热电偶12，下表面带有微细特征结构的冲头4的上端与上模8连接，上模8上端设有上模电加热器6，上模8与压杆7连接，上模8中安装上模热电偶9。

所述带有微细特征结构的冲头下表面开有为孔径和深度均为0.8mm～1mm的圆孔阵列。

如图1及图2所示，本发明提出的超声振动辅助半固态金属微触变成形方法的具体实施过程如下：

(1)如图1所示，在加工装置中设置上模电加热器6与下模电加热器2分别对冲头4和下模10进行加热，同时在装置中也设置上模热电偶9及下模热电偶12，并分别实时测量上模8及下模10的温度。将上模电加热器6与上模热电偶9，以及下模电加热器2与下模热电偶12连接至多通道高精度温度控制仪从而形成两个闭环温度控制系统，通过设定多通道温度控制仪的控制温度及控制策略等有关参数，可以达到对于冲头4及下模10温度的实时反馈控制。冲头4及下模10采用的材料为热作模具钢H13。在超声振动辅助半固态金属微触变成形加工之前需要对冲头4及下模10进行预热，温度保持在300℃左右，这是因为在半固态金属微触变成形过程中，如果冲头4和下模10的温度与半固态金属坯料11二次加热温度相比过低，则会引起半固态金属坯料11在加工过程中的温度下降过快，使半固态浆料迅速结壳，或增加冷隔，从而影响半固态金属微结构的成形效果，但模具温度如果过高，容易粘焊，加速模具磨损，因此控制冲头4及下模10温度在300℃左右。

(2)如图1所示，在下模10及冲头4预热完成后，使用感应线圈13对于置于下模10上的半固态金属坯料11进行加热，控制坯料的固相分数或液相分数至固液共存区，半固态金属坯料11可以采用A356、A357等常用半固态铝合金或镁合金进行加工。在完成感应加热后，移出感应线圈13。

(3)如图2所示，待半固态金属坯料加热至固液共存区后，将冲头4压下并施加锻压载荷，开始压力加工，锻压力为50kN～70kN。超声振动辅助半固态金属微触变成形装置可以在普通压机的基础上进行改装，其中上模8及压杆7通过螺栓5连接，冲头4下端的微细特征结构可根据工件需要采用微细电火花加工方式完成加工。在压力加工开始的同时开启超声发生装置，超声波的功率为300～500W，频率为15～20kHz。由于超声变幅杆1与下模10通过螺钉3直接连接，从而保证了超声波振动能量的有效传递。在微触变成形加工过程中一直施加超声振动，使得半固态金属坯料在超声波的辅助作用下完成快速微成形过程。在压力加工的同时依然需要通过两个闭环温度控制系统对于冲头4和下模10进行持续加热，维持冲头4和下模10处于高温状态，从而保证半固态金属微触变成形过程中的温度处于固液共存区。

(4)微触变成形过程完成后，停止超声振动和模具加热。

(5)升起冲头后，取出半固态金属微成形工件，重复以上过程即可开始下一工件的加工。