胶木手轮超塑成形及模具设计

        齿形离合器的拨叉和手轮是摩」旧挺尾机上的二个主要零件。它们原是压铸件, 因在凝固时极易形成柱状晶粒, 在性能上不能满足使用要求. 若用塑性成形, 可改善其性能,提高使用寿命, 但由于零件形状比较复杂(拨叉有6 个半径为l.85 m m 的小半球, 除8 尺寸有公差外, 其它尺寸均为自由公差), 且QA I 10一3 一1.5 和QA1 9 一4 铝青铜的屈服强度又较高, 若用一般锻造方法(如热模锻、冷及温挤压等)成形会有一定困难, 对模具材料《热加工工艺》S / 19 即及设计要求都较高, 成形力也较大.
        因此, 我们对胶木手轮的超塑性及超塑成形工艺进行了研究. 实践表明, 用超塑成形方法加工成形铝青铜拨叉和手轮是较为理想的塑性加工方法. 机械性能见表2), 经超塑预处理, 进行超塑拉伸试验, 获得武延伸率卜武流动应力卜m (应变速率敏感性指如与温度T 及卜。与应变速率。
二、模拟件超塑成形实验为了较准确地估计超塑成形拨叉、手轮的变形抗力、材料的流动性和充填性, 确定成形用润滑剂, 胶木手轮为模具设计提供可靠的依据, 设计了一模拟件， 其投影面积S 与拨叉、手轮的大致相等‘模拟件的超塑成形的工况条件与超塑成形拨叉、手轮的相同.
        1 . 超塑成形工艺今数超塑成形工艺参数主要有: 成形温度、成形速度和润滑剂. 超塑成形温度可通过仪器控制在土10 ℃ 范围内, 应变速率。一般是通过控制压机动梁速度v 间接控制(因。正比于v ).围, 占、, 都比较适宜.(2 )动梁速度v: 一般超塑材料对变形速率比较敏感必= k: m).
这两种合金在单向超塑拉伸(单向应力状勘试验时, 初始应变速率在10 一, 一0.7 5 x 10 一, m in 一‘ 变化时,流动应力变化不大(在一个数量级内),而模拟作拨叉、手轮的超塑成形是在强烈的三向压应力下进行, 必然导致变形抗力的增加.模拟件的成形力P 用P = 。· 、式估算,取。= 10 k g / m m Z , s = 49 1 m m 2 , 则成形力约为5t 左右. 选用10 0t 塑料制品液压机, 足以满足成形要求, 且有较大的吨位储备. 初定V值在l一l.sm m / m in 范围内。(3) 润滑剂: 在超塑成形中, 润滑剂对成形、成形件质量、脱模、防氧化有着重要影响. 胶木手轮试验过多种润滑剂, 效果均不理想. 如石墨润滑剂在高温下烧损严重, 影响润滑效果;玻璃加石墨在成形后出模阻力大; 单纯玻璃粉润滑剂阻力更大, 不易清洗, 常造成不能出模. 经高温圆环徽粗试验和模拟件成形实验,2 # 润滑剂(市场购买的)效果良好. 成形出的模拟件, 棱角清晰, 成形力大约为6 一8t ,·成形速度V 在1.4 一1.sm m / m in . 保温10m in .2 . 模拟件模具材料模拟件成形模具工作部分选用了高温强度较好的高温合金G H 36, 模座等非工作部分的零件选用了Ic r 13 .三、拨叉、手轮超塑成形模具设计1 .
锻件图制定通孔在体积成形不易实现, 不予成形, 留待后续机械加工. 为了避免凸模、凹模直接接触, 降低下料精度, 在锻件上部留余块、连皮, 用来调节坯料的大小不一, 成形后车削掉.2.凸凹模结构设计及锻件坯料选择对模具来说, 凸凹模结构是否合理关系到模具费用的高低、加工工艺的难易、成形的成败及模具寿命长短等问题. 以拨叉为例, 对其模具的结构设计加以讨论.(l )拨叉半球R 1.8 5 在凹模中闭式成形:A.采用。13 坯料先墩粗, 后正反挤压成形(图6所示). 此法坯料定位准确, 但料细长, 增加了模具导向长度.
        成形完成, 金属回流时易产生折叠, 对R 1.85 半球成形极为不利. B.采用。27 圆柱体坯料成形(图7 所示), 不仅可以避免A 中。13 细长坯料的缺点, 同时也可准确定位, 且铸件可具有合理的流线, 对提高零件的冲击性能十分有益.俘)R 1.85 半球在凸模中的闭式成形, 见图8 所示. 这种结构不可取. 原因是凸模有“锋刃’ 胶木手轮存在, 模具寿命低.由上述分析, 采用R l.85 半球在凹模里成形的结构, 坯料为。27 圆柱较为理想.‘3.其它结撕受计(l )模具的导向: 采用模口导向, 可以简化模具结构, 省去导柱导套. 凸、凹模用同种材料制造, 可以有效地防止模具由于材料膨胀系数不同引起的“ 卡死’ 现象. 模口处加R 3 圆角. 模具结构见图9 所示.(2 )限位: 由于采用闭式成形方式, 当材料充满模腔时, 变形阻力会急速上升. 以此便可通过控制成形力来控制下压量, 达到限位目的.
4 . 棋具材料及加工方法拨叉、手轮是在较高的温度下成形, 工作部分的零件应采用耐热合金. 由于这两种合金在超塑状态下具有极低的流动应力(成形模拟件的平均主应力: QAl lo 一3 一1.5 和QA1 9 一4分别为12 k g r / m m Z 和1 6 kg r/ m m Z 左右),故对模具材料的强度要求低. 根据现有情况选用了Cr2 0 N i24 si 4T i 的材料. 这种合金有良好的抗氧化性能, 但常温和高温的强度都不理想, 经10 50 土20 ℃ x 4 h , 空冷处理, 其硬度仍栩良低旧V 14 1).
        其它零件均选用A 3 钢.凸模加工简单, 凹模用电火花加工后, 经液体喷沙, 光洁度可达6。5 . 尺寸计算Q A l 卜3 一1.5 和QA 19 一4 实测其线膨胀系数均在70 ℃ 为最大, 高于7 0 ℃ 反而下降, 实测数据见表4. 由于锻件在出模前稍加‘·冷却, 设计时可以取70 ℃ 时的线膨胀系数做为设计计算的依据.r2 0Ni 24 si 4T i 是新研制的材料, 没有现成数据可用. 用类似牌号高温合金的数据类比设计. 查ZCr 2 0Mn gN 设S 设N,70 0 ℃ 时, 线膨胀系数为18.7 x lo 诱/ ℃ . 计算公式如下(略去弹性变形):娜l十a tT )= L二(1 十气劝其中L 厂锻件的设计尺寸; L‘ 相应模具尺寸; af- 锻件材料线膨胀系数; 、一模具材料线膨胀系数; T 一温度.单位尺寸收缩率之= Lm / L , = (l+ a tT )/ (1+ a o T )a , 胶木手轮取两种铝青铜线膨胀系数的平均值, 为19 .0x 10 一/ ℃ ; a 二取1 8,7 火1 0 , / ℃ , T 取70 0 ℃ , 经计算又= 1.0 002 1 .
        由于材料的热膨胀引起的锻件尺寸变化是很小的, 拨叉与胶木手轮的尺寸梢度又不高, 可略去其影响.四、拨叉、手轮超塑成形工艺参数考虑超塑拉伸试验及模拟件超塑成形实验结果, 拨叉、手轮的超塑成形工艺参数确定如表5。加热采用两块半圆形碳化硅炉瓦. 每块埋入一根Zk w 电阻丝, 同时上、下加热板也同时加热, 可有效地减少模具热量散失.使用镍铬一镍铝热电偶测温, 配用U J32a 型便携式直流电位差计, 用自偶变压器控温.图10 是用动梁自重(约0.90 使坯料完成手轮锻件初步成形的照梦· 图中, 至7( 逆时针方向)是毛坯料依次经2. 5 、3 、4、6、8 、12 m in 所得的成形件, 只有7 号件是加载所得.图1 是用动梁自重加载拨叉所得记录曲线. 曲线是用w EY lo 型应变式位移传感器、Y 6A 一3 型动态电阻应变仪, 通过x y 函数记录仪测得. 成形1o m in 以后, 位移基本稳定,但还不能最后精确成形, 还需加载, 大约5 到st. 成形的手轮、拨叉锻件见图10 所示.
        实侧俄件均满足技术要求。五、超塑成形实验数据处理及结果分析测量七个锻件(其中QAl lo一3 一1.5 锻件三个,Q A1 9 一4 锻件四个), 其相同部位处均为24 .9 2 m m , 而凹模模腔相应部位尺寸为24 .9 8m m , 以零件尺寸为基准, 求模具尺寸时其放大率又; = 24.98 / 24 .9 2 = 1.0 24, 同前面类比计算相比差一个数量级.图13 是图10 拨叉时间一行程曲线的拟合曲线. 其中R Z 值是表征拟合程度的参盆, R Z越接近l, 拟合程度越好. 它是利用最小二乘原理, 计算机编程(程序略), 计算机绘制而成. 其中拟合较好的是R Z = 。.9 46, 对应的方程Y = 2. 782 x 03 .
方程两边对时间t 求导,求得压机动梁速度(其中x = t), v 二d y / dx= 0.8 62 x 一的, 再对t 求导得其加速度a = d y / dT = 一o.5 9 5 x 一‘·的. 计算机绘制v 、a曲线如图14 所示.当x = 3 一4 时, 即自重成形三、四分钟后, 加速度a 值接近于零值, 即速度V 基本上稳定, 胶木手轮这时的v 值大约0 .4 m m / m in 左右、这说明, 以一定的载荷成形, 只要时间足够长,可以完成锻件的成形. 这具有重要的现实意义. 如可以用一定的载荷(即小吨位压机), 以某一小的成形速度, 就可以完成大锻件的超塑成形.拨叉零件形状较复杂, 具有一定的代表性. 此方法广泛应用于仪表、化工、航空、航海、石油的其它铝青铜(Q Al lo一3 一L S、QA 19 一4) 件, 均可以一次成形. 成形力要比其它塑性加工低的多. 本实验成形一件锻件为3一1 Zm in , 生产率较低.
        在实际生产中, 根据零件的复杂程度,材料塑性储备于一般的四透镜电镜, 选区衍射方式下, 透镜欠焦, 胶木手轮使物镜像平面位于衍射花样上方, 图像平面不会相对于衍射花样转动, 此时比较选区图像与选区衍射透射斑点中的图像, 可确定两者之间是否存在180“转动, 当两者一致时, 不存在180“转动, 否则180“转动存在‘3为以不锈钢孪晶为标记, 在7 30 倍及15 0 0 0 倍下的转动情况,7 30 倍时与S A D 欠焦图像一致, 不存在1 80。转动, 而1 5 00 倍时, 两者相反, 存在转动.的大小, 设备能量储备大小,采用大炉子预热坯料, 以较高的成形速度成形, 可以缩短成形时间. 经研究表明, 援叉零件成形时间可缩短到1m in , 这时的成形力大约为40 ~ 60 t.