專利名稱：超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及金屬材料微加工技術，尤其涉及一種超聲振動輔助半固態 金屬微觸變成形裝置。
背景技術：
20世紀70年代初，美國麻省理工學院的科學家在實驗中首次發現了半固態 金屬的流變性能，并發展了金屬半固態成形技術，該工藝介于固態金屬成形和 液態金屬成形之間，融合了鑄造和塑性成形工藝優點，具有高效、節能等顯著 優點，許多學者稱其為是21世紀最有發展前途的近凈成形技術之一。如今國內 外學者已經對半固態金屬成形開展了大量的研究工作，鋁合金及鎂合金的半固 態加工技術日益成熟，其研究成果在汽車工業中零件加工中已經取得了較大程 度的應用。
半固態金屬成形是針對固、液態共存的半熔化或半凝固金屬進行成形加工 的工藝方法的總稱，主要包括觸變成形和流變成形兩種工藝，其中流變成形 (Rheoforming)是指將經攪拌獲得的半固態金屬漿料在保持其半固態溫度的條 件下直接進行半固態加工，而觸變成形(Thixoforming)是指將半固態漿料冷卻凝 固成坯料后，根據產品尺寸下料，再重新加熱到半固態溫度，然后進行成形加 工。觸變成形工藝流程長，但它便于組織專業化生產，質量便于控制，因而成 為半固態成形技術研究的重點，在現有的研究及工業應用中也絕大多數采用觸 變成形的工藝。
金屬坯料處于半固態時具有一定的固液比，和液態壓鑄相比，它具有一定 的粘度，所以，成形時可以避免噴濺、紊流以及巻氣等缺點；它和固體鍛造相 比，易于形成微細特征，且變形力小，可以節省能源。因此，和傳統成形工藝 相比，半固態金屬成形具有一系列突出的優點成形溫度低，成形件力學性能 好，較好地綜合了固態金屬模鍛與液態壓鑄成形的優點，可以批量生產形狀復 雜、高性能和高精度的微型零部件。半固態成形的固有優點決定了半固態成形 技術有應用于微小零件制備的潛力，并且有望解決目前微細結構加工技術普遍 存在的成本高、效率低的問題，為微細結構的大批量低成本生產提供一種新方 法，然而至今半固態微成形技術在世界范圍內報道仍很少。2004年荷蘭的 Steinhoff等人在《Steel Research International雜志第75巻第611-619頁首次提出了有關微半固態成形(又稱微觸變成形，Micro-Thixoforming)的概念和方 法，但至今還沒有出現該技術研究和應用的進一步報道。美國密歇根大學的 Gap-YongKim等人在博士論文的研究中對于微/介觀尺度下的半固態鋁合金微 觸變成形技術進行了研究，主要研究成果在2007年的《Transactions of the ASME， Journal of Manufacturing Science and Engineering》雜志第129巻第246-251頁進 行了報道。
從當前半固態金屬微成形技術的研究報道中可以發現，目前半固態金屬微 成形技術發展尚處于起步階段，技術上還不成熟，微成形填充效果不甚理想。 主要存在的問題有
(1) 在半固態金屬微觸變成形過程中，成形效果不夠穩定，同一加工過程中
的一些相同結構特征的成形一致性還不夠好；
(2) 半固態金屬微觸變成形結構中還存在縮孔、晶粒結構不致密等問題，制 造出的工件的微結構形貌也有待改進；
(3) 半固態金屬微觸變成形的加工效率和能耗尚有待改進。
為了將半固態金屬微成形方法推向產業化應用，從而提供一種適合大批量、 低成本和高效的金屬微細結構特征加工方法，對于現有的半固態金屬微觸變成 形技術進行改進是十分必要的。 發明內容
為了克服上述半固態金屬微觸變成形方法的不足，本實用新型的目的在于 提供一種超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形裝置。利用超聲波的導引作用、 排除氣體、增強半固態金屬材料材料流動性、減小微成形阻力、增加材料致密 度等作用，達到對半固態金屬微觸變成形過程的輔助作用，從而獲得良好的半 固態金屬工件微成形效果，提高微觸變成形效率。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是
本實用新型在下模的下端設有下模電加熱器，下模與超聲變幅桿連接，在 下模中安裝下模熱電偶，下表面帶有微細特征結構的沖頭的上端與上模連接， 上模上端設有上模電加熱器，上模與壓桿連接，上模中安裝上模熱電偶。
所述帶有微細特征結構的沖頭下表面開有為孔徑和深度均為0.8mm lmm 的圓孔陣列。
本實用新型成形方法，該方法包括以下各步驟
(1)將內部組織結構為球狀晶的半固態金屬坯料置于下模上，通過內嵌電加 熱器預熱并保持沖頭和下模溫度升至250 350°C;(2)感應線圈加熱半固態金屬坯料溫度，控制坯料的固相分數或液相分數至 固液共存區；
P)將下表面帶有微細特征結構的沖頭壓下并施加鍛壓載荷，開始壓力加 工，鍛壓力為50kN 70kN，與此同時開啟功率超聲發生裝置，通過超聲變幅桿 與下模的直接連接，對半固態金屬微觸變成形加工過程施加功率為300 500W， 頻率為15 20kHz的超聲振動，在超聲波的輔助作用下，完成對半固態金屬坯 料的微觸變成形過程；
(4) 完成半固態金屬的超聲振動輔助微觸變成形過程，停止超聲振動和模具 加熱；
(5) 升起沖頭后，取出半固態金屬微觸變成形零件。 本實用新型具有的有益效果是
本實用新型首次將超聲振動應用于半固態金屬微觸變成形過程，利用超聲 振動多方面的輔助作用改善了微觸變成形效果，縮短了工藝時間，提高了工藝 質量，降低了制造成本。它對于促進半固態金屬微觸變成形方法的發展及其應 用，從而獲得一種高效率、低成本、高品質的金屬微細結構特征加工方法具有 重要意義。
圖1是超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形裝置示意圖(感應加熱時)。 圖2是超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形裝置示意圖(觸變成形時)。 圖中1.超聲變幅桿，2.下模電加熱器，3.螺釘，4.沖頭，5.螺栓，
6.上模電加熱器，7.壓桿，8.上模，9.上模熱電偶，10.下模，11.半固
態金屬坯料，12.下模熱電偶，13.感應線圈。
具體實施方式
如圖1及圖2所示，本實用新型是在下模10的下端設有下模電加熱器2， 下模10與超聲變幅桿1連接，在下模10中安裝下模熱電偶12，下表面帶有微 細特征結構的沖頭4的上端與上模8連接，上模8上端設有上模電加熱器6，上 模8與壓桿7連接，上模8中安裝上模熱電偶9。
所述帶有微細特征結構的沖頭下表面開有為孔徑和深度均為0.8mm lmm 的圓孔陣列。
如圖1及圖2所示，本實用新型提出的超聲振動輔助半固態金屬微觸變成 形方法的具體實施過程如下-
(1)如圖l所示，在加工裝置中設置上模電加熱器6與下模電加熱器2分別
5對沖頭4和下模10進行加熱，同時在裝置中也設置上模熱電偶9及下模熱電偶 12，并分別實時測量上模8及下模10的溫度。將上模電加熱器6與上模熱電偶 9，以及下模電加熱器2與下模熱電偶12連接至多通道高精度溫度控制儀從而 形成兩個閉環溫度控制系統，通過設定多通道溫度控制儀的控制溫度及控制策 略等有關參數，可以達到對于沖頭4及下模10溫度的實時反饋控制。沖頭4及 下模10采用的材料為熱作模具鋼H13。在超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形 加工之前需要對沖頭4及下模10進行預熱，溫度保持在300'C左右，這是因為 在半固態金屬微觸變成形過程中，如果沖頭4和下模IO的溫度與半固態金屬坯 料11 二次加熱溫度相比過低，則會引起半固態金屬坯料11在加工過程中的溫 度下降過快，使半固態漿料迅速結殼，或增加冷隔，從而影響半固態金屬微結 構的成形效果，但模具溫度如果過高，容易粘焊，加速模具磨損，因此控制沖 頭4及下模10溫度在30(TC左右。
(2) 如圖1所示，在下模10及沖頭4預熱完成后，使用感應線圈13對于置 于下模10上的半固態金屬坯料11進行加熱，控制坯料的固相分數或液相分數 至固液共存區，半固態金屬坯料11可以采用A356、 A357等常用半固態鋁合金 或鎂合金進行加工。在完成感應加熱后，移出感應線圈13。
(3) 如圖2所示，待半固態金屬坯料加熱至固液共存區后，將沖頭4壓下并 施加鍛壓載荷，開始壓力加工，鍛壓力為50kN 70kN。超聲振動輔助半固態金 屬微觸變成形裝置可以在普通壓機的基礎上進行改裝，其中上模8及壓桿7通 過螺栓5連接，沖頭4下端的微細特征結構可根據工件需要采用微細電火花加 工方式完成加工。在壓力加工開始的同時開啟超聲發生裝置，超聲波的功率為 300 500W，頻率為15 20kHz。由于超聲變幅桿1與下模10通過螺釘3直接 連接，從而保證了超聲波振動能量的有效傳遞。在微觸變成形加工過程中一直 施加超聲振動，使得半固態金屬坯料在超聲波的輔助作用下完成快速微成形過 程。在壓力加工的同時依然需要通過兩個閉環溫度控制系統對于沖頭4和下模 IO進行持續加熱，維持沖頭4和下模10處于高溫狀態，從而保證半固態金屬微 觸變成形過程中的溫度處于固液共存區。
(4) 微觸變成形過程完成后，停止超聲振動和模具加熱。
(5) 升起沖頭后，取出半固態金屬微成形工件，重復以上過程即可開始下一 工件的加工。
權利要求1、一種超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形裝置，其特征在于在下模(10)的下端設有下模電加熱器(2)，下模(10)與超聲變幅桿(1)連接，在下模(10)中安裝下模熱電偶(12)，下表面帶有微細特征結構的沖頭(4)的上端與上模(8)連接，上模(8)上端設有上模電加熱器(6)，上模(8)與壓桿(7)連接，上模(8)中安裝上模熱電偶(9)。
2、 根據權利要求1所述的一種超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形裝置， 其特征在于所述帶有微細特征結構的沖頭下表面開有為孔徑和深度均為 0.8mm lmm的圓孔陣列。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲振動輔助半固態金屬微觸變成形裝置。在下模的下端設有下模電加熱器，下模與超聲變幅桿連接，在下模中安裝下模熱電偶，沖頭的上端與上模連接，上模上端設有上模電加熱器，上模與壓桿連接，上模中安裝上模熱電偶。本實用新型將半固態金屬坯料重熔加熱至固液共存區后開始壓力加工，同時施加超聲振動，減少半固態金屬坯料與微模具之間的摩擦和微成形阻力，增強半固態金屬材料的流動性，改善半固態金屬材料在微模具中的填充性能，獲得良好的微成形效果。本實用新型促進了半固態金屬微觸變成形，提高了微成形效率，降低了設備成本，避免了微加工過程中縮孔等缺陷，改善了半固態金屬微觸變成形效果。
文檔編號B22D27/04GK201295751SQ20082016823
公開日2009年8月26日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年11月18日
發明者周紅華, 姚喆赫, 梅德慶, 淼 錢, 陳子辰 申請人:浙江大學