[发明专利]钢模具的超塑成型技术

说明书

本发明是一种模具制造技术，主要用于制造生产钢模具。

钢模具尤其是冷作模具，在使用中大都承受巨大的冲击力和单位压力、工作频率高、磨损严重，因而要求模具本身具有足够的强度、硬度、耐磨性、韧性和高的疲劳寿命，并要求有高的尺寸精度和表面光洁度。目前，用于钢模具制造的方法主要是采用切削加工或采用电火花、线切割等电加工技术，模具材料利用率低，模具制造工序多、周期长、成本高，使用寿命较低。采用温挤压成形可以明显节约模具材料，简化制造工序，成形速度也较快。但是，温挤压成形时，金属变形抗力较大、流动性差，对于要求精度高、变形量大、形状复杂的钢模具不易成形，且所成形的模具寿命提高不多。利用金属材料在超塑状态下一次挤压成形模具的方法，是一种最新的少无切削模具制造技术。金属材料在超塑状态下，变形抗力非常小（最大流变应力仅有几十MPa），塑性和流动性极好（延伸率可由通常的百分之几十提高到百分之几百，甚至上千），且不产生加工硬化。英国Cranfield    Institute    of    Technology的E·W·J·Miller和R·Pearce曾采用超塑压印法制造出一种硬币和一个小型“O”型密封圈的浅型腔模具（《Metallurgia》1981，5，206～210），初步将超塑成形技术应用到钢模具的制造上，但他们仅实现了浅型腔凹模的压印成形，模具毛坯仅在局部产生少量塑性变形，而且模具材料也仅限于几种中碳低合金热作模具钢。对于基体钢类高强韧性冷作模具钢，因其组织超细化困难，超塑变形抗力较大，变形温度较高，其超塑成形技术尚未开发。对于型腔较深、形状复杂、表层压印无法成形而需毛坯整体大量变形才能成形的模具，例如用量很大的标准件冷镦模和切边模，因变形量较大，成形后要保证足够的尺寸精度、光洁度和脱模顺利等，严重影响了超塑挤压成形钢模具的技术开发和应用。

本发明的任务是实现基体钢类钢的超塑变形，研制超塑成形工艺用母模及钢模具超塑挤压成形工艺。

实现本发明的原理是利用钢在一定的组织条件和变形条件下具有组织（恒温）超塑性这一特点，将显微组织满足一定要求的基体钢类钢毛坯置于母模内，放在具有加热控温装置和速度可调的压机上，在一定的温度和速度下对毛坯进行一次挤压成形。钢的超塑性要求稳定的等轴细晶粒组织，碳化物尺寸≤0.5μm，基体晶粒尺寸≤5μm。供应状态的基体钢类钢基本满足了超塑性所要求的组织条件，不经超塑予处理直接在AC₁-（10～50）℃温度和0.5～5mm/分的变形速度下进行超塑变形，钢的延伸率可以达到200%以上，最大流变应力小于80MPa，并在变形过程中不产生加工硬化现象。解决钢模具超塑挤压成形及脱模困难的途径是通过母模结构的合理设计来实现。本发，标准件模具的成形母模由冲头和凹模二部分组成。其中凹模上下模结构，由上模、下模和顶杆组成，并用外套固定和定位。成形后脱模分段进行。

本发明的优点是，超塑挤压成形时钢的变形抗力小，成形温度低，塑性和流动性好，母模结构合理，成形及脱模顺利，可在较低吨位压机上在中温一次成形出形状复杂、精度高、变形量大的模具;成形后的模具尺寸精度可达4～2级，表面光洁度为7～9，沟槽棱角清晰，清角半径＜0.1mm;具有少无切削的优点;模具毛坯可不经予处理;成形后模具的组织超细化，寿命可以提高3-10倍，并可对因磨损或变形而失效的模具通过重新挤压成形修旧如新;本发明可批量生产精度一致的模具;模具加工周期短、工序少、设备少、节材料、节能源、生产成本低。

本发明的实施例为螺母六方冷镦凸模（图1）和螺栓六方切边凹模（图3）的超塑挤压成形。模具材料为高强韧性的基体钢类钢7Cr₇Mo₂V₂Si（代号LD）和65Cr₄W₃Mo₂VNb（代号65Nb），也可以用其它冷作模具钢。超塑成形工艺流程为：毛坯下料→涂保护润滑剂→装入挤压模→加热并挤压成形→脱模。毛坯下料后若进行予处理，则可在950～1050℃循环淬火1～3次。图2为六方冷镦凸模超塑成形装置，图4为六方切边凹模超塑成形装置。成形装置由加热炉（1）、冲头（3）、上模（2）、下模（6）、顶杆（5）和外套（7）组成，冲头（3）、上模（2）和下模（6）均用耐热钢或耐热合金做成，在超塑成形温度下有足够的热强性。成形装置置于压力机工作台上，上模（2）和下模（6）装在外套（7）内，放入加热炉（1）中。将涂有保护润滑剂的标准件模具毛坯（4）放在温度为AC₁-（10～50）℃的下模（6）和上模（2）内，保温3～15分钟，启动压力机，使冲头（3）以0.5～5mm/分的速度等温挤压毛坯（4），直至成形出标准件模具，然后将成形的模具顶出脱模。标准件模具一次挤压成形并可连续进行批量生产。总成形压力＜24吨，成形时间＜20分钟。与切削加工相比，模具材料可节约50%以上，工时减少80%以上，成本降低60%以上，模具使用寿命可提高3～10倍。