模具超塑性成形技术探析

有些金属材料在一定的条件下具有特别好的塑性，其伸长率可达100%～2000%，这种现象称为“超塑性”。伸长率超过100%的材料均称为超塑性材料。

用超塑性成形工艺制造型腔，是以超塑性金属材料作为模具型腔材料，在超塑性状态下将工艺凸模压入模坯内，以实现成形加工的一种工艺方法。采用这种方法制模，一是所用材料不会因较大的塑性变形而断裂，二是也不进行硬化。因此，对获得形状复杂的型腔非常有利。

超塑性材料有很多种，常用于模具制造的有ZnAl22、T8A、9SiCr等。

1.成形原理及应用

下面以超塑性材料ZnAl22为例，分析超塑性材料的成形原理。

ZnAl22材料的成分是以锌为基的锌铝合金，铝的质量分数为22%，其技术特性见表4-3。

表4-3 ZnAl22合金的技术特性

该合金在275℃以上时是单相的α固溶体，冷却时分解成两相，即α（Al）和β（Zn）片状共析组织，即珠光体。如在单相固溶体时，加热到350℃并保温1～2h后，用0℃的冰水激冷，可得到5μm以下的粒状两相组织。在获得该组织结构的条件下，当变形温度处于250℃时，其伸长率可达1000%以上，即进入超塑性状态，在这种状态下将工艺凸模压入合金（模坯）内，能使其产生任意的塑性变形，其成形压力远小于一般冷挤压时所需的压力。经超塑性成形后，再对其进行强化处理，获得两相片状共析组织，强度可达400～430MPa。

ZnAl22合金获得超塑性的工艺和强化处理工艺分别如图4-11和图4-12所示。

图4-11 ZnAl22超塑性处理工艺

图4-12 ZnAl22强化处理工艺

由于ZnAl22合金的耐热性和承压能力等比钢差，故多采用制造塑料注射模具，为增强其承载能力，常在超塑性合金外围用钢制模框加固。在注射模温度较高的浇口部位，采用钢制镶块结构来弥补合金熔点低的缺点。

2.超塑性成形工艺

用ZnAl22合金制造塑料模型腔的工艺过程如图4-13所示。

图4-13 用ZnAl22合金制造塑料模型腔的工艺过程

（1）模坯的准备 在一般情况下，材料出厂前已作过超塑性处理，所以只需选择板形或棒形的ZnAl22合金，经切削加工成为型腔坯料后即可进行挤压成形。如果材料规格不能满足要求，可采用等温锻造预成形。在特殊情况下，也可采用浇注的方法制作较大规格的模坯。但对于已失去超塑性的预成形的模坯或ZnAl22材料，必须按图4-13所示的工艺进行处理。

（2）工艺凸模 工艺凸模可采用中、高碳钢或铅黄铜（HPb-1）等材料制作，一般不需热处理，但凸模制造精度和表面粗糙度要比型腔高1～2级。在确定凸模尺寸时，应考虑材料和塑件的收缩率，其计算公式为

d=D[α₁t₁+α₂(t₁−t₂)+α₃t₂]

式中 d——工艺凸模尺寸（mm）；

D——塑料制件尺寸（mm）；

α₁——凸模的线胀系数（℃−1）；(www.xing528.com)

α₂——ZnAl22的线胀系数（℃−1）；

α₃——塑料的线胀系数（℃−1）；

t₁——挤压温度（℃）；

t₂——塑料注射温度（℃）。

α₂可在0.003～0.006℃−1的范围内选取；α₁、α₂可按照凸模和塑料类别从手册中查得。

（3）防护套 ZnAl22在超塑性状态，屈服极限低，伸长率高，工艺凸模压入模坯时，坯料因受力会发生自由流动而影响成形精度。因此，应按图4-14所示使型腔的成形过程在防护套内进行。

由于防护套的作用，变形金属的塑性流动方向与工艺凸模的压入方向相反，使变形金属与工艺凸模表面紧密贴合，从而提高了型腔的加工精度。防护套的内部尺寸由型腔外部尺寸决定，一般比模坯尺寸大0.1～0.2mm，内壁表面粗糙度不大于Ra0.63μm，并加工成1:50的锥度，以确保容易脱模。防护套壁厚不小于25mm，其高度应略高于模坯，可以普通结构钢制造，热处理后硬度达43HRC以上。

图4-14 防护套

1—防护套 2—坯料

（4）设备及挤压力的计算 ZnAl22在挤压时，坯料和工艺凸模均应保持250℃的恒温。因此，压制型腔的液压机必须设置加热装置（如果采用感应器或电热板加热，应配以控温仪表），并以一定的压力实现超塑性成形。

挤压力与挤压速度、型腔复杂程度等有关。挤压力可按下式计算：

F=pAη

式中 F——挤压力（N）；

p——单位挤压力，一般为20～100MPa；

A——型腔的投影面积（mm²）；

η——修正系数，η=η1η2η3。

η1根据型腔的复杂程度在1～1.2范围内选取，η2根据型腔的尺寸大小在1～1.3范围内选取，η3根据挤压速度在1～1.6范围内选取。

（5）润滑 合理的润滑不仅可以降低单位挤压力，还可得到理想的尺寸精度及表面粗糙度。常用的润滑剂有295硅脂、201甲基硅油和硬质酸锌等。使用时不宜过多，并应涂抹均匀。否则，在润滑剂堆积处不能被ZnAl22充满，影响型腔精度。

（6）超塑性成形 图4-15所示为用注射模制作尼龙齿轮的加工过程。当进入超塑性成形工序时，起动液压机对工艺凸模施压，并在250℃保压1～10min，使ZnAl22合金的流动性和填充性得到充分发挥，即可复制出与工艺凸模逼真的凹模。

图4-15 尼龙齿轮型腔的加工过程

a）尼龙齿轮 b）型腔加工过程 1—工艺凸模 2—模坯 3—护套 4—电阻式加热圈 5—固定板