[实用新型]超声振动辅助半固态金属微触变成形装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及金属材料微加工技术，尤其涉及一种超声振动辅助半固态金属微触变成形装置。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院的科学家在实验中首次发现了半固态金属的流变性能，并发展了金属半固态成形技术，该工艺介于固态金属成形和液态金属成形之间，融合了铸造和塑性成形工艺优点，具有高效、节能等显著优点，许多学者称其为是21世纪最有发展前途的近净成形技术之一。如今国内外学者已经对半固态金属成形开展了大量的研究工作，铝合金及镁合金的半固态加工技术日益成熟，其研究成果在汽车工业中零件加工中已经取得了较大程度的应用。

半固态金属成形是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成形加工的工艺方法的总称，主要包括触变成形和流变成形两种工艺，其中流变成形(Rheoforming)是指将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，而触变成形(Thixoforming)是指将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工。触变成形工艺流程长，但它便于组织专业化生产，质量便于控制，因而成为半固态成形技术研究的重点，在现有的研究及工业应用中也绝大多数采用触变成形的工艺。

金属坯料处于半固态时具有一定的固液比，和液态压铸相比，它具有一定的粘度，所以，成形时可以避免喷溅、紊流以及卷气等缺点；它和固体锻造相比，易于形成微细特征，且变形力小，可以节省能源。因此，和传统成形工艺相比，半固态金属成形具有一系列突出的优点：成形温度低，成形件力学性能好，较好地综合了固态金属模锻与液态压铸成形的优点，可以批量生产形状复杂、高性能和高精度的微型零部件。半固态成形的固有优点决定了半固态成形技术有应用于微小零件制备的潜力，并且有望解决目前微细结构加工技术普遍存在的成本高、效率低的问题，为微细结构的大批量低成本生产提供一种新方法，然而至今半固态微成形技术在世界范围内报道仍很少。2004年荷兰的Steinhoff等人在《Steel Research International》杂志第75卷第611-619页首次提出了有关微半固态成形(又称：微触变成形，Micro-Thixoforming)的概念和方法，但至今还没有出现该技术研究和应用的进一步报道。美国密歇根大学的Gap-Yong Kim等人在博士论文的研究中对于微/介观尺度下的半固态铝合金微触变成形技术进行了研究，主要研究成果在2007年的《Transactions of the ASME，Journal of Manufacturing Science and Engineering》杂志第129卷第246-251页进行了报道。

从当前半固态金属微成形技术的研究报道中可以发现，目前半固态金属微成形技术发展尚处于起步阶段，技术上还不成熟，微成形填充效果不甚理想。

主要存在的问题有：

(1)在半固态金属微触变成形过程中，成形效果不够稳定，同一加工过程中的一些相同结构特征的成形一致性还不够好；

(2)半固态金属微触变成形结构中还存在缩孔、晶粒结构不致密等问题，制造出的工件的微结构形貌也有待改进；

(3)半固态金属微触变成形的加工效率和能耗尚有待改进。

为了将半固态金属微成形方法推向产业化应用，从而提供一种适合大批量、低成本和高效的金属微细结构特征加工方法，对于现有的半固态金属微触变成形技术进行改进是十分必要的。

发明内容

为了克服上述半固态金属微触变成形方法的不足，本实用新型的目的在于提供一种超声振动辅助半固态金属微触变成形装置。利用超声波的导引作用、排除气体、增强半固态金属材料材料流动性、减小微成形阻力、增加材料致密度等作用，达到对半固态金属微触变成形过程的辅助作用，从而获得良好的半固态金属工件微成形效果，提高微触变成形效率。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型在下模的下端设有下模电加热器，下模与超声变幅杆连接，在下模中安装下模热电偶，下表面带有微细特征结构的冲头的上端与上模连接，上模上端设有上模电加热器，上模与压杆连接，上模中安装上模热电偶。

所述带有微细特征结构的冲头下表面开有为孔径和深度均为0.8mm～1mm的圆孔阵列。

本实用新型成形方法，该方法包括以下各步骤：

(1)将内部组织结构为球状晶的半固态金属坯料置于下模上，通过内嵌电加热器预热并保持冲头和下模温度升至250～350℃；