工艺及模具结构设计研究

摘要：对一种镁锂合金筒体件进行了等温挤压工艺的分析与模具设计，比较了原工艺和等温挤压两种工艺的特点和经济性。该工艺的实施降低了原材料成本，提高了原材料的利用率；提高了产品的力学性能，产品质量稳定，成品率大幅提高。该工艺便于生产实际操作，经济效益良好。

关键词：镁锂合金；等温挤压；模具设计

筒体材料为镁锂合金LA43M，其零件简图见图1。该合金是目前金属结构材料中密度较小者，比塑料密度略大，弹性模量较大，阻尼大，是铝合金的十几倍，能吸收冲击能量，减震降噪效果好，在屏蔽电磁干扰方面有突出表现。为了适应航天装备轻量化、抗干扰的需求，需使用镁锂合金[1]。筒体传统工艺采用真空铸造+机械加工而成，由于铸件内部存在缺陷，或是铸件本身性能达不到要求，零件废品率高达80%。如果采用锻造成形，由于镁锂合金的锻造温度区间较小，在330～380℃，加热温度高，低熔点物质容易熔化，产生过烧；加热温度低，锻造过程中锻件容易开裂。根据以上分析，决定采用等温挤压成形工艺，该工艺的主要特点是把模具的温度和材料的温度控制在一致的范围内，在温度基本恒定的环境下，完成整个挤压成形过程，能够彻底消除锻造缺陷。

1两种加工方式比较

镁锂合金是在镁金属中添加Li元素，一般Li含量14%～16%，其密度为1.4～1.7g/cm3，较一般镁合金的密度1.8g/cm3更低，LA43M化学成分见表1。由于Li为低熔点金属，密度小，在空气中很容易氧化，因此，合金熔炼工艺复杂，必须在真空炉中熔炼，铸锭尺寸较小，直径为准140mm，铸锭长度不等，为220～240mm，铸锭费用为120元/kg，铸锭在机械加工过程中，必须去掉8%~10%锭底、15%～18%的冒口，外圆单边车掉3～5mm，铸锭的实际利用率为62.8%，整根铸锭材料费为730.8元/件。传统的工艺是采用铸锭直接进行机械加工，铸锭去掉锭底、冒口，车掉外壳，每个铸锭只能加工一个零件，铸件的成品率为20%，平均5根铸锭才能加工一件成品。因此成品件的加工成本很高，材料利用率很低。采用等温挤压成形，可大大降低原材料成本，提高原材料利用率，降低后续加工成本。

2确定工艺参数

镁锂合金LA43M的材料密度为1.65g/cm3，强度220～340MPa，弹性模量40GPa，阻尼大，减震降噪效果好，在屏蔽电磁干扰方面有突出表现[2]。其性能要求为：Rm≥280MPa，R0.2≥140MPa，A≥10%。由于产品性能要求高，铸件一般很难达到要求，这是造成铸件废品率高的主要原因，其次由于铸件内部的铸造缺陷，也是造成性能不能满足要求的原因之一。这样高的性能要求，只能采用等温挤压成形来提高产品强度和伸长率。由于我单位以前没有生产过镁锂合金LA43M，对该产品的锻造特性还不了解，只知道该产品锻造变形温度区间较窄，锻造温度区间在330～380℃[3]，温度高于380℃，低熔点锂元素容易在晶界熔化，导致过烧；温度低于330℃，锻造容易产生开裂，毛坯锻造性能较差。正是由于这些原因，传统工艺一直采用铸件直接机械加工而成。经过多次工艺试验，编制了筒体等温挤压成形工艺方案，确定了生产工艺流程：原材料铸锭→车锭底、车冒口→车外圆→下料→材料加热→模具预热、润滑→挤压成形→毛坯尺寸检测→去毛刺→热处理→性能检测→合格→发货。（1）下料。根据挤压件图（图2），计算并确定坯料下料尺寸为准130mm×88+2mm。（2）加热。由于镁锂合金LA43M材料的成分及工艺特性，其原材料的挤压成形温度范围较窄，为了确保镁锂合金在挤压成形过程既不产生过烧，也不产生开裂，给定了几种不同的工艺加热温度（控制精度±5℃），分别为360、365、370、375、380℃。为了确保炉内温度均匀，采用带循环风扇加热的铝合金箱式电阻炉进行等温挤压试验，筒体力学性能及金相检测结果见表2。由于工艺加热温度为（375±5）℃时等温挤压件性能较低，（380±5）℃时等温挤压件性能最低，接近锻件的临界值，因此，将380℃作为加热温度临界点。在工艺加热温度为360、365、370℃时，锻件性能都能满足要求，并且性能有一定的富余量，是比较理想的状态。在实际加热过程中，炉温不可能是很稳定的，总是存在一定的波动性，性能也不是一个恒定的值，也会存在波动。从产品质量稳定考虑，将加热温度确定为（365±5）℃比较合适。（3）模具预热。因为镁锂合金的挤压成形温度在380～330℃，变形温度区间窄，高温易过烧，低温易开裂，筒体锻件孔深，变形量大，为了达到良好的成形效果，综合以上因素，确定模具加热温度与毛坯挤压温度一致，选择（365±5）℃较为适宜。（4）模具润滑。为了减小等温挤压成形过程的摩擦阻力，降低变形力，便于模具冲头及锻件脱模，采用了炮油（75%）+石墨（25%）的混合体作为成形过程中的润滑剂（5）等温挤压件成形。为了确保成形温度在坯料的始锻温度和终锻温度之间，铝合金加热电炉距离模具要近，从电炉内夹料转移到等温挤压模腔内的时间不能超过15s，等温挤压时间不能超过30s，油压机成形压力为3.6MN。压力小，成形不饱满。压力大，筒体内孔将凸模包得很紧，凸模不易脱模；其次筒体与下模腔粘结紧密，工件顶出困难，不利于生产。因此，实际生产操作时应严格控制电炉加热时间、工件转移时间、等温挤压力和操作成形时间。

3模具设计

模具总体设计遵循等温挤压模锻件锻模设计要求[4]，具体设计步骤为：①根据零件图和镁锂合金在塑性成形加热过程中的热膨胀系数，进行零件尺寸放量，确定筒体的等温热挤压件图；②根据等温热挤压件图，确定模具成形方式及模具装配图（图3）；③应用等温电炉进行等温挤压成形；④设计凸、凹模零件图及其它模具零件图。根据以上步骤，设计的模具结构示意图如图3所示。在镁锂合金等温挤压成形过程中，凸模的挤压角会影响到金属的流动，挤压角过小金属流动不畅，甚至会造成锻造缺陷，模具设计时应加大挤压角，凸模挤压角大小通过等温挤压试验，将凸模挤压角从3°增加到7°比较合适；凸模、凹模都需要留有适当的脱模斜度，既不能大，也不能小，脱模斜度大，锻件余量大，达不到节约材料的目的，脱模斜度小，脱模困难，不能顺利生产。通过试验，采取先小后大的思路，凸模脱模斜度为1°，长度88mm，凹模脱模斜度为0.5°，长度94mm，脱模比较顺利；并在模具结构中增加卸料环，它的作用有三点：①控制锻件高度，确保锻件充填饱满；②对凸模进行定位，确保凸模在锻件中心，防止凸模偏移，造成筒体挤压件壁厚差过大；③可有效地将筒体从凸模上脱落，凸模脱模斜度可减小。通过采取以上措施，从而使模具设计合理，金属能够在模腔内很好地流动，达到理想的充填效果。

4工艺效果应用

上述模具进行生产，模具运行自如，脱模、顶出操作方便，产品成形良好。应用上述工艺参数批量生产了镁锂合金筒体件，并进行了经济性分析。铸锭直接机加和等温挤压+机加两种加工方式的原材料使用、废品率、材料费、班产量、材料利用率、原材料费等对比见表3。采用铸锭直接机械加工，班产量较少，原材料利用率很低；而采用等温挤压成形后+机械加工，零件成品率和原材料的利用率大幅提高，机加工效率得到大幅提高。等温挤压成形工艺便于生产实际操作，经济效益良好。

5结论

（1）采用等温挤压成形工艺，降低了原材料成本，提高了原材料的利用率。（2）采用等温挤压成形工艺，消除了铸件的铸造缺陷，提高了产品的力学性能，产品质量稳定，成品率大幅提高，加工效率大幅提高。（3）设计了合理的模具结构，消除了等温挤压可能产生的锻造缺陷，镁锂合金产品成形良好。等温挤压成形工艺便于生产实际操作，经济效益良好。

参考文献：

[1]《锻压技术手册》编委会．锻压技术手册[M]．北京：国防工业出版社，1989．

[2]杨振恒．锻造工艺学[M]．西安：西北工业大学出版社，1986．

[3]李志刚．中国模具设计大典(第1卷)[M]．南昌：江西科学技术出版社，2003．

[4]夏巨谌，韩凤麟，赵一平．中国模具设计大典（第4卷）[M].南昌：江西科学技术出版社，2003．

作者:熊小龙 王 超 贺冠雄 王 勇 单位:1.海军驻兴平地区军事代表室 2.中国船舶重工集团公司第十二研究所