一种金属层状复合材料零部件近终成形方法与装置

摘要

一种金属层状复合材料零部件近终成形方法与装置，属于金属层状复合材料零部件成形技术领域。本发明采用两种或多种金属为待复合的金属，借助待复合的金属在室温下受到压力产生大的塑性变形，界面纯净金属通过压接产生原子之间的结合，在模具的约束下完成冷压成形，直接获得结合强度高、无飞边和毛刺、产品形状尺寸精确控制的金属层状复合材料零部件。成形过程结束后，金属零部件近终成形装置上的活动垫块退出，通过组合压头和上凸模的继续下行，即可实现稳定顶件。特别适用于微型窄长精密异形金属层状复合材料零部件的制造。本发明方法无需对金属进行机加工，流程和周期短，材料利用率高。冷压成形装置结构简单、加工方便、造价低，成形时对压力设备的要求低，适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及金属层状复合材料零部件成形技术领域，特别是提供了一种金属层状复合材料零部件近终成形方法与装置。可用于金属层状复合材料零部件成形，特别适用于微型窄长精密异形金属层状复合材料零部件的制造，也可推广应用于纯金属、合金、金属基复合材料零部件的成形。

背景技术

金属层状复合材料零部件(如滑环、换向片、触头等)由于充分结合了两种或多种金属各自的优点，具有优良的物理性能、化学性能以及综合力学性能，在高端微型精密仪器、微型电控仪表、无线电元件以及半导体器件等方面应用广泛。目前已经公开报道的金属层状复合材料零部件的制备方法一般是采用轧制+扩散退火、电镀+退火+轧制、爆炸复合+热处理+轧制、滚焊复合+轧制+退火等工艺成形金属层状复合板材[陈燕俊.贵金属层叠复合材料的制备工艺与界面研究.浙江大学硕士学位论文，2001；余前春，等.微异型接点带制备方法的研究现状.贵金属，2005，26(2)：72-74]，然后机加工制备金属层状复合材料零部件。但是，这些制备方法都明显地存在着一些不足：(1)工艺较为复杂，周期长；(2)复合材料界面的结合强度低；(3)需要采用机加工将复合材料加工成零部件，材料浪费严重，生产成本高。

打破传统的材料成形加工模式，实现先进材料与零部件的高效、近终形、短流程、精密成形，是金属材料加工技术的主要发展方向之一。而作为先进制造技术重要组成之一的冷压成形技术，在国内外获得了广泛的发展和应用。冷压成形技术具有零部件尺寸精度高、表面质量好，节约原材料，生产率高，可加工形状复杂零部件及难加工材料等优越性，在代替切削加工、锻造、铸造和拉深工艺等用于制造精密零部件方面具有广泛用途。

成形装置是冷压加工的关键因素。一般冷压成形装置中都设计了将工件从凹模中顶出的顶出机构：①在压力机上设置顶出机构，然后在装置的相应位置设计有顶杆；②若压力机上没有专用顶出机构，则通过设计机械拉杆式联动顶出机构，靠上模回移时带动拉板、顶料杆和顶杆来完成顶件任务；③采用气动顶出机构、凸轮式顶出机构等进行顶件。上述顶件方法存在着一些明显的不足：①对压力机的配置有一定的限制；②需要设计复杂的顶件系统；③需要设置顶杆；④自动化程度低，生产效率不高。特别是在冷压成形金属零部件以及在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域具有广阔用途的微型窄长精密异型零部件时，采用上述顶件方法，顶杆不仅又窄又高，设计复杂，稳定性差，而且模具也极容易失效，严重影响了产品的质量和精度，提高了生产成本。

另一方面，在采用模具约束下的冷压成形技术制备金属层状复合材料零部件方面尚未见到相关的研究报道。

因此，以金属层状复合材料为成形对象，开发一种金属层状复合材料零部件近终成形方法与装置，制备具有优异使用性能、高尺寸精度和表面精度的精密零部件，将进一步加速金属层状复合材料和冷压成形技术的推广与应用，并扩大冷压成形制造包括难加工合金和金属基复合材料精密零部件等在内的国民经济高新技术领域和国防军工领域急需的高质量产品的范围，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属层状复合材料零部件近终成形方法与装置，解决目前金属层状复合材料零部件生产中工艺复杂、周期长、材料浪费严重、产品的界面结合强度低、生产成本高等问题，

一种金属层状复合材料零部件近终成形方法，具体步骤如下：

(1)根据1∶1～1∶100的层厚比要求，机加工分别制备所需尺寸的待复合的金属板坯；

(2)对上述板坯进行退火处理，退火温度为260～550℃、保温时间为30～60min；

(3)用钢刷对退火后的板坯待复合表面进行处理；

(4)将待复合的金属板坯上下重叠装入模具内，以压下速率为0.1～2mm/min进行冷压成形，直至金属充满模具型腔，即成形获得尺寸精度高、界面结合好的金属层状复合材料零部件。

本发明所述的待复合的金属为纯金、纯银、纯铜、纯铝、金合金、银合金、铜合金、铝合金。

一种不需要顶杆的金属层状复合材料零部件近终成形装置(见附图1)包括：组合压头、成形模具、活动垫块11、导向与支撑组件四部分。组合压头主要包括上垫块2、上模板4、上凸模垫板16；成形模具主要包括上凸模固定板5、上凸模6、下凸模12、型腔7、预应力圈8；导向与支撑组件包括导柱14、下模座10。

所述的上垫块2通过三个A螺钉1固定在上模板4上，保证导柱14伸出时有足够的空间；所述的上凸模固定板5和上凸模垫板16通过三个B螺钉3与上模板4连接，并通过两个定位销15定位；所述的上凸模6通过凸肩的方式安装在上凸模固定板5上；所述的下凸模12每次成形前从上方装入型腔7，顶件过程中与金属层状复合材料零部件一同被顶出；所述的型腔7用热镶的方法固定在预应力圈8上，形成预应力结构，提高型腔7的承载能力；所述的活动垫块11在冷压成形过程中垫在型腔7下面，起支撑作用，顶件开始前退出，保证型腔7下方留出所需空间；所述的四个导柱14固定在预应力圈8上，与上模板4上的四个导柱孔进行配合导向，保证组合压头向下运动整个过程的平稳；所述的下模座10分左右两块，分别通过两个C螺钉9与预应力圈8连接，起支撑作用。

金属层状复合材料零部件近终成形装置的工作过程为：

冷压成形过程：将活动垫块11垫在型腔7的下面，将下凸模12从上方装入型腔7，将上下重叠的待复合的坯料13放在型腔中，将组合压头通过上模板4上的导柱孔与导柱14配合，开动压机，使组合压头下行，由均匀分布的四根导柱14进行导向，随着组合压头的下行，上凸模6进入型腔7并对坯料13进行冷压成形，获得尺寸精度高、界面结合好的金属层状复合材料零部件。

顶件过程：成形过程完成后，将压力机卸载，完全退出模具下部的活动垫块11，使得型腔7的下方留出所需的空间。控制压力机，使组合压头继续下行，上凸模6推着坯料13以及下凸模12离开型腔7，当坯料13完全脱离型腔7时，控制压力机停机，一个循环结束，为下一次冷压成形做准备。

本发明采用两种或多种金属为待复合的金属，借助待复合的金属在室温下受到压力产生大的塑性变形，界面纯净金属通过压接产生原子之间的结合，在模具的约束下完成冷压成形，直接获得结合强度高、无飞边和毛刺、产品形状尺寸精确控制的金属层状复合材料零部件，开发一种金属层状复合材料零部件近终成形方法。成形过程结束后，退出成形装置上的活动垫块，通过组合压头和上凸模的继续下行，即可实现稳定顶件，开发一种不需要顶杆的金属零部件近终成形简易装置。可用于金属层状复合材料零部件成形，特别适用于微型窄长精密异形金属层状复合材料零部件的制造，也可推广应用于纯金属、合金、金属基复合材料零部件的成形。

本发明的主要优点：

1)可以近终成形复杂形状的金属层状复合材料零部件，无需对金属进行机加工，流程和周期短，材料利用率高；

2)冷压成形装置结构简单、加工方便、造价低，成形时对压力设备的要求低，适用范围广；

3)在压力设备和成形装置上均不需要设置专门的顶出机构即可实现稳定冷压成形和顶件，自动化程度和生产效率高；

4)可用于包括界面易生成金属间化合物在内的金属层状复合材料零部件的高效成形，且金属层状复合材料的界面结合强度高；

5)尤其适用于不宜采用传统顶杆系统顶件的微型窄长精密异形金属层状复合材料零部件的成形；

6)也可推广应用于纯金属、合金、金属基复合材料零部件的成形。

附图说明

图1为本发明的不需要顶杆的金属零部件近终成形简易装置示意图。

其中：

1.A螺钉；     2.上垫块；        3.B螺钉；

4.上模板；    5.上凸模固定板；  6.上凸模；

7.型腔；      8.预应力圈；      9.C螺钉；

10.下模座；   11.活动垫块；     12.下凸模；

13.坯料；     14.导柱；         15.定位销；

16.上凸模垫板。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

由尺寸为18×2×1.4mm、10×4×1.4mm的两段构成的AuAg10合金/铜层状复合材料零部件的成形。

(1)机加工分别制备由尺寸为4.5×2×2mm、2.5×4×2mm的两段构成的AuAg10合金板坯和由尺寸为4.5×2×3.6mm、2.5×4×3.6mm的两段构成的纯铜板坯；

(2)对上述板坯进行退火处理，AuAg10合金板坯退火温度为260℃、保温时间为30min，纯铜板坯退火温度为450℃、保温时间为30min；

(3)用钢刷对退火后的板坯待复合表面进行处理；

(4)将待复合的AuAg10合金/纯铜板坯上下重叠装入模具内，以压下速率为0.1mm/min进行冷压成形，直至金属充满模具型腔，即成形获得尺寸精度高、界面结合好的由尺寸为18×2×1.4mm、10×4×1.4mm的两段构成的AuAg10合金/铜层状复合材料零部件。

本发明的不需要顶杆的AuAg10合金/铜层状复合材料零部件近终成形简易装置包括：组合压头、成形模具、活动垫块11、导向与支撑组件四部分。组合压头主要包括上垫块2、上模板4、上凸模垫板16；成形模具主要包括上凸模固定板5、上凸模6、下凸模12、型腔7、预应力圈8；导向与支撑组件包括导柱14、下模座10。

本发明不需要顶杆的AuAg10合金/铜层状复合材料零部件近终成形简易装置的工作过程为：

冷压成形过程：将活动垫块11垫在型腔7的下面，将下凸模12从上方装入型腔7，将上下重叠的待复合的AuAg10合金/纯铜坯料13放在型腔中，将组合压头通过上模板4上的导柱孔与导柱14配合，开动压机，使组合压头下行，由均匀分布的四根导柱14进行导向，随着组合压头的下行，上凸模6进入型腔7并对坯料13进行冷压成形，获得尺寸精度高、界面结合好的金属层状复合材料零部件。

顶件过程：成形过程完成后，将压力机卸载，完全退出模具下部的活动垫块11，使得型腔7的下方留出所需的空间。控制压力机，使组合压头继续下行，上凸模6推着坯料13以及下凸模12离开型腔7，当坯料13完全脱离型腔7时，控制压力机停机，一个循环结束，为下一次冷压成形做准备。

实施例2：

由尺寸为20×2.5×1.5mm、10×3.5×1.5mm的两段构成的铜/银层状复合材料零部件的成形。

(1)机加工分别制备由尺寸为5×2.5×2mm、2.5×3.5×2mm的两段构成的纯铜板坯和由尺寸为5×2.5×4mm、2.5×3.5×4mm的两段构成的纯银板坯；

(2)对上述板坯进行退火处理，纯铜板坯退火温度为550℃、保温时间为60min，纯银板坯退火温度为300℃、保温时间为60min；

(3)用钢刷对退火后的板坯待复合表面进行处理；

(4)将待复合的纯铜/纯银板坯上下重叠装入模具内，以压下速率为2mm/min进行冷压成形，直至金属充满模具型腔，即成形获得尺寸精度高、界面结合好的由尺寸为20×2.5×1.5mm、10×3.5×1.5mm的两段构成的铜/银层状复合材料零部件。

本发明的不需要顶杆的铜/银层状复合材料零部件近终成形简易装置包括：组合压头、成形模具、活动垫块11、导向与支撑组件四部分。组合压头主要包括上垫块2、上模板4、上凸模垫板16；成形模具主要包括上凸模固定板5、上凸模6、下凸模12、型腔7、预应力圈8；导向与支撑组件包括导柱14、下模座10。

本发明不需要顶杆的铜/银层状复合材料零部件近终成形简易装置的工作过程为：

冷压成形过程：将活动垫块11垫在型腔7的下面，将下凸模12从上方装入型腔7，将上下重叠的待复合的纯铜/纯银坯料13放在型腔中，将组合压头通过上模板4上的导柱孔与导柱14配合，开动压机，使组合压头下行，由均匀分布的四根导柱14进行导向，随着组合压头的下行，上凸模6进入型腔7并对坯料13进行冷压成形，获得尺寸精度高、界面结合好的金属层状复合材料零部件。

顶件过程：成形过程完成后，将压力机卸载，完全退出模具下部的活动垫块11，使得型腔7的下方留出所需的空间。控制压力机，使组合压头继续下行，上凸模6推着铜/银层状复合材料零部件以及下凸模12离开型腔7，当铜/银层状复合材料零部件完全脱离型腔7时，控制压力机停机，一个循环结束，为下一次冷压成形做准备。