膠木手輪超塑成形及模具設計

        齒形離合器的撥叉和手輪是摩」舊挺尾機上的二個主要零件。它們原是壓鑄件, 因在凝固時極易形成柱狀晶粒, 在性能上不能滿足使用要求. 若用塑性成形, 可改善其性能,提高使用壽命, 但由于零件形狀比較復雜(撥叉有6 個半徑為l.85 m m 的小半球, 除8 尺寸有公差外, 其它尺寸均為自由公差), 且QA I 10一3 一1.5 和QA1 9 一4 鋁青銅的屈服強度又較高, 若用一般鍛造方法(如熱模鍛、冷及溫擠壓等)成形會有一定困難, 對模具材料《熱加工工藝》S / 19 即及設計要求都較高, 成形力也較大.
        因此, 我們對膠木手輪的超塑性及超塑成形工藝進行了研究. 實踐表明, 用超塑成形方法加工成形鋁青銅撥叉和手輪是較為理想的塑性加工方法. 機械性能見表2), 經超塑預處理, 進行超塑拉伸試驗, 獲得武延伸率卜武流動應力卜m (應變速率敏感性指如與溫度T 及卜。與應變速率。
二、模擬件超塑成形實驗為了較準確地估計超塑成形撥叉、手輪的變形抗力、材料的流動性和充填性, 確定成形用潤滑劑, 膠木手輪為模具設計提供可靠的依據, 設計了一模擬件， 其投影面積S 與撥叉、手輪的大致相等‘模擬件的超塑成形的工況條件與超塑成形撥叉、手輪的相同.
        1 . 超塑成形工藝今數超塑成形工藝參數主要有: 成形溫度、成形速度和潤滑劑. 超塑成形溫度可通過儀器控制在土10 ℃ 范圍內, 應變速率。一般是通過控制壓機動梁速度v 間接控制(因。正比于v ).圍, 占、, 都比較適宜.(2 )動梁速度v: 一般超塑材料對變形速率比較敏感必= k: m).
這兩種合金在單向超塑拉伸(單向應力狀勘試驗時, 初始應變速率在10 一, 一0.7 5 x 10 一, m in 一‘ 變化時,流動應力變化不大(在一個數量級內),而模擬作撥叉、手輪的超塑成形是在強烈的三向壓應力下進行, 必然導致變形抗力的增加.模擬件的成形力P 用P = 。· 、式估算,取。= 10 k g / m m Z , s = 49 1 m m 2 , 則成形力約為5t 左右. 選用10 0t 塑料制品液壓機, 足以滿足成形要求, 且有較大的噸位儲備. 初定V值在l一l.sm m / m in 范圍內。(3) 潤滑劑: 在超塑成形中, 潤滑劑對成形、成形件質量、脫模、防氧化有著重要影響. 膠木手輪試驗過多種潤滑劑, 效果均不理想. 如石墨潤滑劑在高溫下燒損嚴重, 影響潤滑效果;玻璃加石墨在成形后出模阻力大; 單純玻璃粉潤滑劑阻力更大, 不易清洗, 常造成不能出模. 經高溫圓環徽粗試驗和模擬件成形實驗,2 # 潤滑劑(市場購買的)效果良好. 成形出的模擬件, 棱角清晰, 成形力大約為6 一8t ,·成形速度V 在1.4 一1.sm m / m in . 保溫10m in .2 . 模擬件模具材料模擬件成形模具工作部分選用了高溫強度較好的高溫合金G H 36, 模座等非工作部分的零件選用了Ic r 13 .三、撥叉、手輪超塑成形模具設計1 .
鍛件圖制定通孔在體積成形不易實現, 不予成形, 留待后續機械加工. 為了避免凸模、凹模直接接觸, 降低下料精度, 在鍛件上部留余塊、連皮, 用來調節坯料的大小不一, 成形后車削掉.2.凸凹模結構設計及鍛件坯料選擇對模具來說, 凸凹模結構是否合理關系到模具費用的高低、加工工藝的難易、成形的成敗及模具壽命長短等問題. 以撥叉為例, 對其模具的結構設計加以討論.(l )撥叉半球R 1.8 5 在凹模中閉式成形:A.采用。13 坯料先墩粗, 后正反擠壓成形(圖6所示). 此法坯料定位準確, 但料細長, 增加了模具導向長度.
        成形完成, 金屬回流時易產生折疊, 對R 1.85 半球成形極為不利. B.采用。27 圓柱體坯料成形(圖7 所示), 不僅可以避免A 中。13 細長坯料的缺點, 同時也可準確定位, 且鑄件可具有合理的流線, 對提高零件的沖擊性能十分有益.俘)R 1.85 半球在凸模中的閉式成形, 見圖8 所示. 這種結構不可取. 原因是凸模有“鋒刃’ 膠木手輪存在, 模具壽命低.由上述分析, 采用R l.85 半球在凹模里成形的結構, 坯料為。27 圓柱較為理想.‘3.其它結撕受計(l )模具的導向: 采用?？趯? 可以簡化模具結構, 省去導柱導套. 凸、凹模用同種材料制造, 可以有效地防止模具由于材料膨脹系數不同引起的“ 卡死’ 現象. ?？谔幖覴 3 圓角. 模具結構見圖9 所示.(2 )限位: 由于采用閉式成形方式, 當材料充滿模腔時, 變形阻力會急速上升. 以此便可通過控制成形力來控制下壓量, 達到限位目的.
4 . 棋具材料及加工方法撥叉、手輪是在較高的溫度下成形, 工作部分的零件應采用耐熱合金. 由于這兩種合金在超塑狀態下具有極低的流動應力(成形模擬件的平均主應力: QAl lo 一3 一1.5 和QA1 9 一4分別為12 k g r / m m Z 和1 6 kg r/ m m Z 左右),故對模具材料的強度要求低. 根據現有情況選用了Cr2 0 N i24 si 4T i 的材料. 這種合金有良好的抗氧化性能, 但常溫和高溫的強度都不理想, 經10 50 土20 ℃ x 4 h , 空冷處理, 其硬度仍栩良低舊V 14 1).
        其它零件均選用A 3 鋼.凸模加工簡單, 凹模用電火花加工后, 經液體噴沙, 光潔度可達6。5 . 尺寸計算Q A l 卜3 一1.5 和QA 19 一4 實測其線膨脹系數均在70 ℃ 為最大, 高于7 0 ℃ 反而下降, 實測數據見表4. 由于鍛件在出模前稍加‘·冷卻, 設計時可以取70 ℃ 時的線膨脹系數做為設計計算的依據.r2 0Ni 24 si 4T i 是新研制的材料, 沒有現成數據可用. 用類似牌號高溫合金的數據類比設計. 查ZCr 2 0Mn gN 設S 設N,70 0 ℃ 時, 線膨脹系數為18.7 x lo 誘/ ℃ . 計算公式如下(略去彈性變形):娜l十a tT )= L二(1 十氣勸其中L 廠鍛件的設計尺寸; L‘ 相應模具尺寸; af- 鍛件材料線膨脹系數; 、一模具材料線膨脹系數; T 一溫度.單位尺寸收縮率之= Lm / L , = (l+ a tT )/ (1+ a o T )a , 膠木手輪取兩種鋁青銅線膨脹系數的平均值, 為19 .0x 10 一/ ℃ ; a 二取1 8,7 火1 0 , / ℃ , T 取70 0 ℃ , 經計算又= 1.0 002 1 .
        由于材料的熱膨脹引起的鍛件尺寸變化是很小的, 撥叉與膠木手輪的尺寸梢度又不高, 可略去其影響.四、撥叉、手輪超塑成形工藝參數考慮超塑拉伸試驗及模擬件超塑成形實驗結果, 撥叉、手輪的超塑成形工藝參數確定如表5。加熱采用兩塊半圓形碳化硅爐瓦. 每塊埋入一根Zk w 電阻絲, 同時上、下加熱板也同時加熱, 可有效地減少模具熱量散失.使用鎳鉻一鎳鋁熱電偶測溫, 配用U J32a 型便攜式直流電位差計, 用自偶變壓器控溫.圖10 是用動梁自重(約0.90 使坯料完成手輪鍛件初步成形的照夢· 圖中, 至7( 逆時針方向)是毛坯料依次經2. 5 、3 、4、6、8 、12 m in 所得的成形件, 只有7 號件是加載所得.圖1 是用動梁自重加載撥叉所得記錄曲線. 曲線是用w EY lo 型應變式位移傳感器、Y 6A 一3 型動態電阻應變儀, 通過x y 函數記錄儀測得. 成形1o m in 以后, 位移基本穩定,但還不能最后精確成形, 還需加載, 大約5 到st. 成形的手輪、撥叉鍛件見圖10 所示.
        實側俄件均滿足技術要求。五、超塑成形實驗數據處理及結果分析測量七個鍛件(其中QAl lo一3 一1.5 鍛件三個,Q A1 9 一4 鍛件四個), 其相同部位處均為24 .9 2 m m , 而凹模模腔相應部位尺寸為24 .9 8m m , 以零件尺寸為基準, 求模具尺寸時其放大率又; = 24.98 / 24 .9 2 = 1.0 24, 同前面類比計算相比差一個數量級.圖13 是圖10 撥叉時間一行程曲線的擬合曲線. 其中R Z 值是表征擬合程度的參盆, R Z越接近l, 擬合程度越好. 它是利用最小二乘原理, 計算機編程(程序略), 計算機繪制而成. 其中擬合較好的是R Z = 。.9 46, 對應的方程Y = 2. 782 x 03 .
方程兩邊對時間t 求導,求得壓機動梁速度(其中x = t), v 二d y / dx= 0.8 62 x 一的, 再對t 求導得其加速度a = d y / dT = 一o.5 9 5 x 一‘·的. 計算機繪制v 、a曲線如圖14 所示.當x = 3 一4 時, 即自重成形三、四分鐘后, 加速度a 值接近于零值, 即速度V 基本上穩定, 膠木手輪這時的v 值大約0 .4 m m / m in 左右、這說明, 以一定的載荷成形, 只要時間足夠長,可以完成鍛件的成形. 這具有重要的現實意義. 如可以用一定的載荷(即小噸位壓機), 以某一小的成形速度, 就可以完成大鍛件的超塑成形.撥叉零件形狀較復雜, 具有一定的代表性. 此方法廣泛應用于儀表、化工、航空、航海、石油的其它鋁青銅(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. 本實驗成形一件鍛件為3一1 Zm in , 生產率較低.
        在實際生產中, 根據零件的復雜程度,材料塑性儲備于一般的四透鏡電鏡, 選區衍射方式下, 透鏡欠焦, 膠木手輪使物鏡像平面位于衍射花樣上方, 圖像平面不會相對于衍射花樣轉動, 此時比較選區圖像與選區衍射透射斑點中的圖像, 可確定兩者之間是否存在180“轉動, 當兩者一致時, 不存在180“轉動, 否則180“轉動存在‘3為以不銹鋼孿晶為標記, 在7 30 倍及15 0 0 0 倍下的轉動情況,7 30 倍時與S A D 欠焦圖像一致, 不存在1 80。轉動, 而1 5 00 倍時, 兩者相反, 存在轉動.的大小, 設備能量儲備大小,采用大爐子預熱坯料, 以較高的成形速度成形, 可以縮短成形時間. 經研究表明, 援叉零件成形時間可縮短到1m in , 這時的成形力大約為40 ~ 60 t.