具有内凸微结构的金属薄壳件两道次冲锻成形方法

摘要

本发明涉及金属塑性加工生产技术，特别涉及一种具有复杂几何外形(带有内凸微结构如螺柱、卡扣以及铰接凸缘)的金属薄壳件两道次冲锻成形方法，适用的金属材料有镁合金和铝合金。以金属板材为毛坯，对于镁合金需要将模具加热至200℃～400℃(铝合金不需加热)，镁合金坯料加热至250℃～450℃(铝合金不需加热)，坯料均匀涂上润滑剂后放入凹模腔内，第一道次凸模成形出带有部分侧壁的外壳件，第二道次凸模成形出完整的侧壁和螺柱、卡扣以及铰接凸缘等内凸微结构。本发明可以解决现有技术中存在的生产速度慢、优良率低、铸件表面孔洞及力学性能差等问题，成形出尺寸精度高的金属薄壳件的侧壁和形状复杂的内凸微结构，内凸微结构成形质量好。

说明书

技术领域

本发明涉及金属塑性加工生产技术，特别涉及一种具有复杂几何外形(带有具有内凸微结构如螺柱、卡扣以及铰接凸缘)的金属薄壳件两道次冲锻成形方法。

背景技术

现代电子技术的发展对电子器件用结构材料及部件的性能提出了越来越高的要求。为了适应电子器件轻、薄、小型化的发展方向，要求电子器件外壳材料具有密度小、强度和刚度高、散热性能好、易于回收和符合环保要求等特点。目前，电子器件的外壳一般使用的是塑料。塑料在结构刚性、散热性以及回收利用等方面无法满足需求，而镁合金和铝合金在此诸特性及环保回收性总体衡量下，较工程塑料具有较大的优势。

目前，镁合金和铝合金外壳件的生产主要采用压铸和冲压成形工艺。压铸工艺有许多无法克服的缺点比如生产速度慢、优良率低、铸件表面孔洞及力学性能差等。此外，压铸件在厚度上都有限制，一般的压铸件只能达到1.0mm～5.0mm。冲压成形工艺虽然可以成形出力学性能较好、厚度较薄的外壳件，但是无法成形外壳件底部内壁上的内凸微结构，如螺柱、卡扣以及铰接凸缘等。

发明内容

本发明目的是提供一种具有内凸微结构的金属薄壳件两道次冲锻成形方法，解决现有技术中存在的生产速度慢、优良率低、铸件表面孔洞及力学性能差等问题，适用材料为镁合金和铝合金。它采用两道次冲锻成形工艺，用来成形具有内凸微结构、壁厚较薄的外壳件。

本发明的技术方案是：

一种具有内凸微结构的金属薄壳件两道次冲锻成形方法，包括如下步骤：

(1)将坯料放入凹模腔内，第一道次凸模向下运动成形出带有部分侧壁的外壳件，第一道次凸模压下量为原始坯料厚度的10％～30％；

(2)第二道次凸模向下运动成形出完整的侧壁和带有内凸微结构的外壳件，第二道次凸模压下至壳底厚度满足产品要求为止。

对于镁合金来说，具体成形工艺步骤如下：

(1)将模具加热至200℃～400℃；

(2)将厚度为1.5mm～4.0mm的镁合金坯料抛光后涂上润滑剂；

(3)将坯料加热至250℃～450℃；

(4)将坯料放入凹模腔内，第一道次凸模向下运动，压下量为原始板坯厚度的10％～30％；

(5)将坯料温度降为200℃～400℃；

(6)换用第二道次凸模，第二道次凸模向下运动，直至壳底厚度满足产品要求为止。

将冲锻成形件冷却后进行切边处理，然后进行机加工，包括钻孔、切削等。最后进行表面处理和喷涂，完成成品制造。

镁的晶格是密排六方晶格排列，当温度低于225℃时，镁合金的塑性变形仅限于通过基面{0001}滑移和锥面孪生来实现3个几何滑移系和2个独立滑移系，在该温度范围内镁合金的塑性较差。当温度高于225℃时，镁合金附加角锥滑移面启动，镁呈现明显的廷性转变，塑性大大提高，同时由于发生回复、再结晶而造成的软化，也会使镁及镁合金具有较高的塑性。若材料温度高于450℃时，会造成晶粒长大，降低机械性能。随着温度的升高，冲锻成形载荷下降，第一道次成形温度控制在250℃～450℃。由于再热会引起晶粒长大，从而导致机械性能下降，故应该降低第二道次成形坯料的温度，将其控制在200℃～400℃。

对于铝合金来说，具体成形工艺步骤如下：

(1)将厚度为1.5mm～4.0mm的铝合金坯料抛光后涂上润滑剂；

(2)将坯料放入凹模腔内，第一道次凸模向下运动，压下量为原始板坯厚度的10％～30％；

(3)换用第二道次凸模，第二道次凸模向下运动，直至壳底厚度满足产品要求为止。

与镁合金不同之处在于，铝合金用的模具和坯料均不需要加热，常温下操作即可。

第二道次凸模的特点：第二道次凸模侧面具有约束壁，分别对应外壳件的侧壁。约束壁的厚度与外壳件的侧壁厚度相同，导流槽用于多余的金属从中溢出。

本发明中，润滑剂为石墨和硅油的混合物，石墨的重量百分比为：5％～20％；或者，润滑剂为二硫化钼和石墨的混合物，二硫化钼的重量百分比为50％～90％；或者，润滑剂为滑石粉和动物油的混合物，滑石粉的重量百分比为5％～20％。

在第二道次成形过程中，第二道次凸模具有导流槽、约束壁以及成形内凸微结构的凹腔(如螺柱孔、铰接凸缘槽以及卡扣槽)。导流槽设于第二道次凸模的四个角部，约束壁设于第二道次凸模的四个侧壁，成形凸微结构的凹腔设于第二道次凸模的底面。

本发明的原理如下：

板材单道次冲锻成形虽然成形效率较高，但是其成形载荷较大、内凸微结构容易产生根部充不满，根部流线紊乱和成形精度低等缺陷。凸模与金属板材接触面积较大，金属板材单位面积受力较小，为了使金属发生屈服，需要的成形载荷大大增加。由于内凸微结构成形时发生局部剧烈塑性变形，金属流入凸模凹腔的阻力较大。当外壳件侧壁和内凸微结构同时成形时，大量金属向侧壁流动，金属无法完全填满凸模的凹腔，导致内凸微结构成形精度低。

两道次冲锻成形工艺能有效改善内凸微结构的成形性能和成形精度。第一道次成形部分侧壁后，在第二道次成形过程中，金属流向侧壁的阻力增加，这样金属更加容易流入第二道次凸模的凹腔成形出形状复杂的内凸微结构；金属完全充满第二道次凸模的凹腔所需的最大成形载荷也随之降低。此外，增加金属流向侧壁的阻力能有效避免金属过快地向一个方向流动导致内凸微结构根部金属流线发生紊乱，降低内凸微结构和薄壳件底部的结合强度。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用两道次冲锻成形工艺，第一道次凸模成形出带有部分侧壁的外壳件，第二道次凸模成形出完整的侧壁和位于外壳件底部内壁上的螺柱、卡扣以及铰接凸缘等内凸微结构。从而，不仅成形出满足高度要求的外壳件侧壁，而且成形出形状复杂、尺寸精度高、流线分布合理的内凸微结构。

2、本发明采用两道次冲锻成形可以大大降低成形载荷、提高内凸微结构的成形性能和成形精度。为了防止晶粒长大导致机械性能下降，第二道次成形时，镁合金板料的温度有所下降。

3、良好的润滑条件有利于金属材料的流动，有效降低模具磨损和降低成形载荷，提高产品的表面质量。在金属板材冲锻成形前，坯料表面需抛光处理，并均匀涂上润滑剂。润滑剂可以为石墨和硅油的混合物，或者二硫化钼和石墨的混合物，或者动物油和滑石粉的混合物。

4、本发明可以成形出尺寸精度高的金属薄壳件的侧壁和形状复杂的内凸微结构，内凸微结构成形质量好，所制成的外壳件机械性能好，所需成形载荷较低。

5、作为一种局部体积成形工艺，冲锻成形工艺既能成形出力学性能良好的外壳件，壁厚最薄可达0.5mm～0.8mm，而且能同时成形出内壁上的内凸微结构。

附图说明

图1为第一道次成形示意图。

图2为第一道次凸模示意图。

图3为第二道次成形示意图。

图4为第二道次凸模示意图。

图中，1第一道次凸模；2第二道次凸模；3凹模腔；4第一道次坯料；5第二道次坯料；6导流槽；7约束壁；8螺柱孔；9铰接凸缘槽；10卡扣槽。

具体实施方式

如图1-2所示，模具主要包括第一道次凸模1、凹模腔3，在第一道次凸模1与凹模腔3之间放置第一道次坯料4。

如图3-4所示，模具主要包括第二道次凸模2、凹模腔3，在第二道次凸模2与凹模腔3之间放置第二道次坯料5。

实施例1

本实施例镁合金牌号为AZ31B，镁合金薄壳件两道次热冲锻成形方法，其具体的工序及步骤如下：

(1)将模具加热至400℃；

(2)在厚度为4.0mm的第一道次坯料4(挤压板或轧制板)抛光处理后涂上石墨和硅油的混合物，本实施例中，石墨的重量百分比为15％；

(3)将第一道次坯料4加热至450℃；

(4)将第一道次坯料4放入凹模腔3内，第一道次凸模1向下运动，压下量为1.2mm，成形出带有部分侧壁的外壳件(即第二道次坯料5)；

(5)将第二道次坯料5温度降至400℃；

(6)换用第二道次凸模2，第二道次凸模2向下运动，压下量为1.8mm，成形出完整的侧壁和带有内凸微结构的外壳件。

如图4所示，在第二道次成形过程中，第二道次凸模2具有导流槽6、约束壁7以及成形内凸微结构的凹腔(如螺柱孔8、铰接凸缘槽9以及卡扣槽10等)。其中，

导流槽6设于第二道次凸模2的四个角部，用于成形结束后多余金属溢出。

约束壁7设于第二道次凸模2的四个侧壁，用于限制侧壁中间部位过快成形。

螺柱孔8设于第二道次凸模2的底面中心，用于成形螺丝柱。

铰接凸缘槽9设于第二道次凸模2的底面长边上，用于成形铰接凸缘，铰接凸缘用来安装外壳件的活动转轴。

卡扣槽10设于第二道次凸模2的底面短边上，用于成形卡扣，卡扣用来固定外壳件。

将冲锻成形件进行切边处理，然后进行机加工，包括钻孔、切削等。最后进行表面处理和喷涂，完成成品制造。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

本实施例镁合金牌号为ZK60A，镁合金薄壳件两道次热冲锻成形方法，其具体的工序及步骤如下：

(1)将模具加热至200℃；

(2)在厚度为1.5mm的第一道次坯料(挤压板或轧制板)抛光处理后涂上二硫化钼和石墨的混合物，本实施例中，二硫化钼的重量百分比为80％；

(3)将第一道次坯料加热至250℃；

(4)将第一道次坯料放入凹模腔内，第一道次凸模向下运动，压下量为0.4mm，成形出带有部分侧壁的外壳件(即第二道次坯料)；

(5)将第二道次坯料温度降至200℃；

(6)换用第二道次凸模，第二道次凸模向下运动，压下量为0.5mm，成形出完整的侧壁和带有内凸微结构的外壳件。

将冲锻成形件进行切边处理，然后进行机加工，包括钻孔、切削等。最后进行表面处理和喷涂，完成成品制造。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

本实施例铝合金牌号为1050，铝合金薄壳件两道次冲锻成形方法，其具体的工序及步骤如下：

(1)将厚度为3mm的第一道次坯料(挤压板或轧制板)抛光处理后涂上滑石粉和动物油的混合物；本实施例中，滑石粉的重量百分比为10％；

(2)将第一道次坯料放入凹模腔内，第一道次凸模向下运动，压下量为0.8mm，成形出带有部分侧壁的外壳件(即第二道次坯料)；

(3)换用第二道次凸模，第二道次凸模向下运动，压下量为1.5mm，成形出完整的侧壁和带有内凸微结构的外壳件。

将冲锻成形件进行切边处理，然后进行机加工，包括钻孔、切削等。最后进行表面处理和喷涂，完成成品制造。

实施例结果表明，本发明可以成形出尺寸精度高的金属薄壳件的侧壁和形状复杂的内凸微结构；内凸微结构成形质量好；所制成的外壳件机械性能好，所需成形载荷较低。