铝合金叶片挤压工艺及模具设计.pdf

上半月出版C a s t i n g F o r g i n g W e l d i n g|金属铸锻焊技术铝合金叶片挤压工艺及模具设计刘健1 张治民2。张宝红2(1 中北大学材料科学与Y-程学院，山西太原0 3 0 0 5 l；2 山西省集成精密成形工程中心。山西太原0 3 0 0 5 1)摘要：分析了铝合金叶片的等温挤压成形T 艺及其在塑性成形过程中的难点，同时介绍了相关模具的设计方法。通过实验验证了原始坯料形状等因素对叶片挤压成形的影响，得出了该零件的最佳毛坯形状成功的验证了该零件挤压成形的可行性，对类似零件的成形具有一定的参考价值。关键词：铝合金；叶片；等温挤压；模具设计中图分类号：T G 3 7 6 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 3 8 1 4(2 0 0 9)1 9-0 1 0 5 0 3I s o t h e r m a lE x t r u s i o nP r o c e s sa n dD e s i g no fD i ef o rA lA H o yV a n eL 1 UJ i a n l。Z H A N GZ h i m i n 2。Z H A N GB a o h o n 9 2(1 I n s t i t u t eo f M a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，N o r t hU n i v e r s i t yo fC h n a，T a y u a n0 3 0 0 5 1，C h i n a；2 E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r f o rI n t e g r a t e dP r e c i s i o nF o r m i n go fS h a n x iP r o v i n c e，T a i y u a n0 3 0 0 51，铂i，曲A b s t r a c t：T h ei s o t h e r m a le x t r u s i o nf o r m i n gt e c h n o l o g ya n df o r m i n gd i f f i c u l to fa l u m i n i u ma l l o yv a n ew e r ea n a l y z e d T h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e so fd e s i g n i n ge x t r u s i o nd i eW a si n 仃o d u c e da l s o E x p e r i m e n t si n d i c a t et h ei n f l u e n c eo fp r i m i t i v em a t e r i a l sa n do t h e rf a c t o r so ne x t r u s i o nf o r m i n go fa l u m i n i u ma l l o yv a n e，a n dt h eb e s ts h a p eo ft h i sc o m p o n e n t si so b t a i n e d,t h ef e a s i b i l i t yo ft h i si s o t h e r m a le x t r u s i o nf o r m i n gp r o c e s si sv e r i f i e da n dt h ep r o c e s sh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h ee x t r u s i o nf o r m i n go fs i m i l a rc o m p o n e n t s K e yw o r d s：a l u m i n i u ma l l o y；v a n e；i s o t h e r m a le x t r u s i o n；d i ed e s i g n叶片在风机、汽轮机以及军r T 弹体等产品中有着广泛的应用。随着科学技术的发展，机械、兵器、航空及航天等领域对叶片类零件的质量、性能及精度提出了更高的要求。例如，某厂大量生产的具有复杂外形的尾翼叶片，材料为2 A 1 2(L Y 一1 2)。其结构由厚度为8=5 m m 不规则形状的叶片薄板，及两个宽度为4 5 m m、拔模斜度为7 0带有光滑过渡曲线的凸起轴孔座组成。属于形状复杂的非轴对称零件(如图l 所示)。若铸造生产此叶片易产生气孔、夹杂及裂纹等缺陷，难以满足使用性能的要求。若分别加-E此零件的叶片及两个凸起的轴孔座再用焊接方式把两部分连接在一起，其铝合金焊接工艺复杂易产生多种焊接缺陷而且焊缝处强度不够，亦难以满足使用性能的要求，一般不采用此方法。目前此零件主要采用热锻工艺成形出余量较大的毛坯，然后铣削加工成形，但此生产方式生产效率收稿日期：2 0 0 9-0 5 1 5作者简介：刘健(1 9 8 2 一)，男，山西榆次人。在读硕士，研究方向：主要从事精密塑性成型与数值模拟的研究；电话：1 3 9 3 5 1 7 1 9 5 5；E-m a i l：x y l j q 1 6 3 c o m图1零件图F i g 1T h ed r a w i n go f v a n e低、材料利用率极低而且切断了金属内部流线，影响了产品的强度和刚度等性能，不利于大批量生产。金属等温挤压成形是一种少无切削达到近净成形的加工技术【n。等温挤压是将模具加热至变形温度，毛坯在变形过程中不易冷却，使毛坯几乎在恒温下利用模具的压力使模腔内的金属毛坯产生塑性流动(变形)，获得所需形状尺寸的挤压件。在等温挤压过程中。金属毛坯变形的均一性增加，变形抗力和变形功得到大幅减少，变形放出的热量相应减少，同时，析出的热量在毛坯内分布也更均匀。改善金属在模腔中的流动 2 1。采用此种成形热加工工艺2 0 0 9 年第3 8 卷第1 9 期1 0 5万方数据金属铸锻焊技术C a s t i n g-F o r g i n g W e l d i n g2 0 0 9 年l O 月工艺。可以达到成形与改性的目的，而且提高材料利用率和生产效率，成形出来的制品一致性好、尺寸精度高、组织和性能均匀【引。l 工艺方案的制定1 1 零件成形工艺性分析铝合金2 A 1 2(L Y 一1 2)材料的强度可与钢抗衡，其在常温下塑性较低，成形性能差1 4 。随着温度的升高，其塑性得到极大地改善。2 A 1 2 材料的过烧温度为5 0 2，挤压温度范嗣为4 0 0-4 5 0，在此温度区间内塑性最好，但温度越高，该材料粘性越大。很容易粘模阎。考虑加热炉的温差为5。因此采用在4 2 0 的坯料温度，4 3 0 的模具温度下等温挤压成形叶片零件。挤压速度为5 6 m m m i n：成形过程中采用基本配比为1 5 2 5 的石墨，其余为抗磨液压油的油基石墨润滑剂；压力成形实验设备选用1 2 5 0 0 K N 的三向工位快速成形油。压机。该零件属于带凸台的不规则薄板类零件，成形的关键是：两个宽度为4 5 m m 的凸起轴孔座，该处很容易出现金属充填不满，折叠等缺陷；叶片薄板的不规则外形，该处可能因金属在模腔内流动不一致而产生叶片外形尺寸不符合要求的现象；因该零件较薄，易产生因毛坯散热较快而挤不动的现象，故模具的持续等温是成形的关键。复杂外形叶片零件的金属流动情况复杂，成形时易产生模具周边充不满、金属流动不同步等缺陷给成形工艺的制定带来很大的困难。根据该叶片零件的特点挤压成形可以采用先挤压成形两个凸起的轴孔座再成形叶片薄板的T 艺。虽然这种工艺可以保证凸台成形完全，但此种工艺对下料毛坯形状尺寸要求高，而且中间要加入对毛坯坯料两个伸出端的折弯工艺。其毛坯需加热两次生产工序多影响生产成本。故对该零件采用一次挤压成形工艺。1 2 工艺路线根据前面的T 艺分析，制定相应的工艺路线如下：下料一毛坯加热一温挤压成形一机加一热处理。1 3 下料尺寸的确定通过三维造型得挤压件体积为V=2 0 6 6 7 61 1 1 1 1 1 3 按体积不变规律，考虑加热后氧化等影响，采用锯切下料厚度为8=2 0 m m 的铝合金板材。为了避免成形T 艺性分析中所提到的叶片薄板边缘金属充不满等缺陷，因此采用与叶片零件外形形状大体一致的毛坯(图2)代替长方形形状的毛坯改善毛坯边缘金属的流动情况。图2 毛坯形状图F i g 2T h ed r a w i n go f b l a n ks h a p e2 模具设计1 6 1 与实验研究2 1 模具的总体结构由于挤压时的变形抗力较高，模具要经受高压及变形热的作用。因此，要求模具有合理的结构、足够的硬度、强度与韧性。叶片挤压成形模具如图3 所示。模具工作时，上模下行与凹模形成封闭的型腔正挤压铝合金毛坯成形出该零件上两个凸起的轴孔座，同时毛坯金属渐渐充满凸凹模内封闭的空间当上模到达下死点时。零件成形完成。上模回程后在顶杆的作用下顶出成形的T 件。在温挤压成形时因凹凸模边缘的间隙有可能出现通过间隙向上反料的现象导致叶片出现充不123l 一上模板；2 内六角螺钉；3 内螺纹圆柱销；4-凸模5 模具加热棒；6 一【I l 模；7 下模板；8 一内六角螺钉；9-顶杆头部1 0 顶杆；l l-内螺纹圆柱销；1 2 热电偶；1 3 一叶片挤压件1 4 凸模垫板图3模具总装图F i g 3D r a w i n go f d i ea s s e m b l y1 0 6H o tW o r k i n gT e c h n o l o g y2 0 0 9，V 0 1 3 8，N o 1 9万方数据上半月出版C a s t i n g F o r g i n g W e l d i n g|金属铸锻焊技术满等成形缺陷因此应该合理的控制凸凹模间隙并相应的增加下料尺寸。工作过程中由于凸、凹模向周边散热，模具温度下降，影响挤压成形，因此，在凸模、凹模上开有模具加热孔以便安装加热棒，同时在凸、凹模上开有热电偶测温孔，随时监测凸、凹模的温度变化。2 2 关键零件的设计凸模、凹模材料为5 C r M n M o。热处理硬度为4 8-一5 2 H R C。其中凸模底面外形形状，应设计为符合叶片薄板外形的形状。底面表面光洁度为1 6，周边有尺1 的倒角，使得挤压时凸模顺利滑入凹模内。采用正挤压成形该零件上两个凸起的轴孔座，在挤压凹模上设计两个符合凸起轴孔座的凹槽其中凹槽拔模斜度为7 0，并在凹槽内开设两个导气孔，保证金属充满型腔。凹模底面光洁度为3 2 周边有R 2 的倒角。同时在凹模内设置飞边槽。使挤压过程中多余的金属流入飞边槽内，保证零件的成形顺利。该零件厚度很薄。在顶杆顶出工件的过程中，为了防止不顶弯叶片薄板，因此设计时应该适当的加大顶杆头部与叶片零件的接触面积。2 3 实验研究通过实验验证。可以看出该零件能否成功地挤压成形。不仅与模具及坯料的温度、毛坯的外形和油压机的压力大小等因素有关而且与毛坯在模具中的摆放位置有关。如图4 所示。毛坯放在凹模中间位置，当受到凸模的挤压时，金属向凹模内的凹槽方向流动，充满凹槽型腔成形出叶片零件的凸起轴孑L 座及叶片薄板的不规则外形。多余的金属向相反方向的飞边槽流动，流入飞边槽内。图4 毛坯位置图F i g 4D r a w i n go f b l a n kl o c a t i o n如果在凹模中毛坯放置在靠近飞边槽方向时，则金属过多的向飞边槽内流动，从而导致叶片零件上凸起的轴孔座充不满，不能完全成形，如图5(a)所示。当毛坯合理的在凹模内放置，适当靠近凹槽方向时，金属首先充满凹槽，多余的金属则流入到飞边槽内，凸起的轴孔座则成功的挤压成形，如图5(b)所示。图5 叶片挤压件对比图F i g 5C o n t r a s td r a w i n go ff o r m e dv a n e3结束语通过对铝合金叶片等温挤压丁艺的研究，成功地解决了铝合金叶片的整体成形制造技术。实际应用表明，用铝合金整体挤压成形方法代替传统的钢板焊接加工和铸造工艺。减少材料消耗6 0，抗拉强度、屈服强度和力学性能得到明显的改善。提高了机械系统的稳定性能，减少了能源及原材料的消耗。提高了生产效率，为以后成形此类零件提供了一定的参考价值。参考文献：【1】吕炎精街塑性体积成形技术 M】北京：国防工业出版社2 0 0 3 3 1 3 4【2】贾宪安，胡九锡热挤压工艺及模具设计【M】北京：机械工业出版社1 9 8 6 3】李国俊，张治民叶片温整形相关工艺因素对变形量的影响 J】热加工工艺，2 0 0 9，3 8，(1)：8 5-8 7【4】潘复生铝合金及应用 M】北京：化学工业出版社，2 0 0 6【5】王祝堂，田荣璋铝合金及其加工手册 M】长沙：中南工业大学出版社2 0 0 0 1 8 6 1 8 9【6】洪深泽挤压工艺及模具设计 M】北京：机械工业出版社。1 9 9 6 田热加工工艺2 0 0 9 年第3 8 卷第1 9 期1 0 7万方数据铝合金叶片挤压工艺及模具设计铝合金叶片挤压工艺及模具设计作者：刘健，张治民，张宝红作者单位：刘健(中北大学材料科学与工程学院,山西,太原,030051)，张治民,张宝红(山西省集成精密成形工程中心,山西,太原,030051)刊名：热加工工艺英文刊名：HOT WORKING TECHNOLOGY年，卷(期)：2009，38(19)被引用次数：0次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.吕炎.精密塑性体积成形技术M.北京:国防工业出版社,2003.31-34.2.贾宪安,胡九锡.热挤压工艺及模具设计M.北京:机械工业出版社,1986.3.李国俊,张治民.叶片温整形相关工艺因素对变形量的影响J.热加工工艺,2009,38,(1):85-87.4.潘复生.铝合金及应用M.北京:化学工业出版社,2006.5.王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册M.长沙:中南工业大学出版社,2000.186-189.6.洪深泽.挤压工艺及模具设计M.北京:机械工业出版社,1996.相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 张树森.刘世成.布光斌.冯明军 高速铣削铝合金叶片表面质量的试验研究-工具技术2007,41(12)使用硬质合金球头铣刀对铝合金叶轮叶片进行了高速铣削试验.研究了切削速度和进给量对加工表面粗糙度的影响.试验结果表明:在高速加工中,每齿进给量比铣削行距对加工表面质量的影响更大;提高切削速度和减少每齿进给量有利于降低加工表面粗糙度.但当切削速度超过某一范围后,进一步提高速度对降低表面粗糙度的作用并不明显;每齿进给量减小到一定范围后,表面粗糙度反而会有所增加;对于铝合金叶片曲面的加工,合理选择切削速度、进给量和行距可获得较低的表面粗糙度值和较高的加工效率.2.期刊论文 张树森.刘世成.布光斌.冯明军.ZHANG Shu-sen.LIU Shi-cheng.BU Guang-bin.FENG Ming-jun 高速铣削铝合金叶片表面粗糙度实验研究-机械设计与制造2008,(1)使用硬质合金刀具对铝合金(2A70)叶轮进行了高速铣削试验.研究分析了不同的切削速度及进给量对叶轮叶片加工的表面粗糙度的影响.高速切削试验表明:切削速度的提高和每齿进给量的减少有利于改善加工表面粗糙度.但当切削速度超过某一定范围后,进一步提高速度,加工表面粗糙度的降低并不明显.3.期刊论文 钱福江 大型铝合金叶片金属型铸造工艺分析-特种铸造及有色合金2005,25(1)针对铝合金叶片的铸造缺陷,分析指出浇注位置、浇注系统设计、型腔排气和充型温度场是造成铸造缺陷的主要因素,据此,有针对性地提出了铸型倾斜、平浇竖冷、沿分型面开设排气槽、改变涂料层厚度以及调整凝固顺序等改进措施,其效果在生产中得到验证.4.会议论文 钱福江 大型铝合金叶片金属型铸造工艺 2004 本文针对铝合金叶片的铸造缺陷,分析指出浇注位置、浇注系统设计、型腔排气和充型温度场是造成铸造缺陷的主要因素,据此,有针对性地提出了铸型倾斜、平浇竖冷、沿分型面开设排气槽、改变涂料层厚度以及调整凝固顺序等改进措施.5.会议论文 陈济轮 铝合金叶片电解加工的完整性研究 1993 我6.学位论文 吴兴宇 TiAl合金增压器涡轮铸造组织的研究 2007 -TiAl系金属间化合物具有密度小、比强度高、高温力学性能和抗氧化性能优异等特点，是一种很有前景的高温结构材料。Ti-47.5Al-2.5V-1Cr(at.)合金研制的增压器涡轮已进入试车考核阶段。但在试车考核中发现，增压器涡轮通常在叶片尖端到叶片根部1/3处和心部发生失效。TiAl合金性能对组织依赖性较强，而铸造工艺则是影响TiAl合金增压器涡轮组织的重要因素。基于此，本研究针对不同铸造工艺下浇注的TiAl合金增压器涡轮，通过对其叶片和心部进行解剖，增压器涡轮不同部位的组织特征进行研究，分析铸造工艺参数对TiAl合金增压器涡轮组织，缺陷和力学性能的影响，为寻找合理的熔模铸造工艺参数，进一步改进和优化铸造工艺提供必要的基础。研究所获主要结果如下：叶片截面宏观组织呈现三种组织类型：即叶片尖端由细晶区组成，包括细小的柱状晶和等轴晶；叶片中间部位由整齐对长的柱状晶和中心等轴晶组成；叶片根部由粗大的柱状晶和等轴晶组成。无论叶片径向截面和轴向截面组织，均随着叶片截面厚度的增加，柱状晶尺寸增大。叶片轴向截面柱状晶尺寸大于叶片径向截面柱状晶尺寸。当轴颈直径固定时，型壳预热温度由200升高到300，叶片等轴晶区所占体积分数变化幅度不大，当型壳预热温度达到400时，叶片截面等轴晶区所占体积分数大幅增加。在同一型壳预热温度下，当轴颈直径变化范围为40mm50mm时，随着轴颈直径的增加，叶片截面等轴晶区所占体积分数增大。当型壳预热温度为300，轴颈直径为45mm时，叶片截面柱状晶尺寸和等轴晶区所占体积分数最小，缺陷密度最小。增压器涡轮纵截面宏观组织由柱状晶区和最后凝固区组成。柱状晶由叶片根部一端向增压器涡轮中心对称生长，最后在增压器涡轮中心部位相遇，形成明显的最后凝固区。增压器涡轮纵截面微观组织为全层片组织，柱状晶内的层片垂直于柱状晶的生长方向，而最后凝固区主要由等轴晶层片团组成。从增压器涡轮底端到靠近轴颈一端，柱状晶尺寸逐渐增大，柱状晶的生长方向与增压器涡轮轴线方向的夹角变化趋势是先增大后减小。对比五种不同工艺制度下浇注的增压器涡轮，当型壳预热温度为400，轴颈直径为45mm时，其纵截面柱状晶尺寸最小，为577.2m；当型壳预热温度为300时，轴颈直径为45mm时，其纵截面最后凝固区等轴晶尺寸最小，为428.8m。、当型壳预热温度为400，轴颈为45mm时，增压器涡轮纵截面柱状晶区铸造缺陷密度最小；当型壳预热温度为200时，轴颈直径为45mm时，增压器涡轮纵截面最后凝固区铸造缺陷密度最小。经过1260/140MPa/2.5h热等静压处理后，增压器涡轮纵截面的缺陷密度和缺陷面积均明显减小，缺陷密度小于3.3个/mm，最大缺陷面积小于30m。对热等静压处理后的增压器涡轮心部拉伸试样进行室温拉伸试验发现，增压器涡轮心部柱状晶区抗拉强度高于最后凝固区抗拉强度。当型壳预热温度为300，轴颈直径为45mm时，增压器涡轮心部具有优良的力学性能。7.期刊论文 卓荣明.黄一民 铝合金涡轮清砂与T6淬火结合进行-宜春学院学报2003,25(2)铝合金涡轮类铸件叶片砂芯的清理比较困难,一般不能采用铸铁件的清理方法.多年来我们采用叶片砂芯清理与T6淬火结合进行,既清理了铸件的叶片砂芯又进行了淬火处理.节约了能源与工时费用,经济效益显著.8.期刊论文 王敬春.冯明军.Wang Jingchun.Feng Mingjun 球头铣刀精铣铝合金叶片的磨损试验研究-工具技术2008,42(10)对精铣加工叶轮叶片的刀具磨(破)损形态进行了观测,统计分析了球头铣刀后刀面磨损量VB及对应的加工表面粗糙度Ra随加工时间的变化情况,根据加工过程中的刀具磨损曲线,设定了在该加工条件下刀具的相对磨钝标准.试验结论对用超细晶粒硬质合金球头铣刀高速薄切削铝合金叶片时确保加工质量具有指导意义.9.期刊论文 徐淑丽 矿井轴流通风机的技术改造-商情2010,(14)介绍了对矿井轴流通风机进行改造的技术应用,采用机械式停车动叶可调机构,轴承箱为整体式全封闭,安装有防喘振报警装置.10.期刊论文 方立平.黄元庆.FANG Liping.HUANG Yuanqing 铝合金遮阳技术的应用与发展趋势-新型建筑材料2006,(11)论述了铝合金遮阳的一般构造形式、荷载取值及结构计算方法、叶片制造工艺及表面处理技术.给出了一种智能控制遮阳系统方框图.同时对铝合金遮阳的发展趋势进行讨论.本文链接：http:/