鍛壓工藝對高精度機床用鎂合金阻尼性能的影響
2018-7-4 來源：濰坊科技學院 機械工程學 作者：劉 鵬
摘 要：采用不同的鍛壓工藝制備了高精度機床用 Mg-Al-Zn-Ti 鎂合金試樣，并進行了試樣的顯微組織和阻尼性能測試和分析。 結果表明：隨始鍛溫度或終鍛溫度或鍛壓比的提高，合金的阻尼性能均先提高后下降。 合金的始鍛溫度優選為 480 ℃、終鍛溫度優選為 370 ℃、鍛壓比優選為 11。 在 0.8 Hz 測試頻率下，始鍛溫度為 480 ℃時合金阻尼性能較始鍛溫度為 420 ℃時提高了 124%。
關鍵詞：鍛壓工藝；始鍛溫度；終鍛溫度；鍛壓比；阻尼性能
密度低、可回收性佳和阻尼性能好的鎂合金，在高精度機床上具有極大的應用前景。采用鎂合金生產高精度機床零部件，有利于改善機床的減震性能，提高機床的精度和可靠性。但是在實際的生產過程中，鍛壓是高精度機床用鎂合金零部件的常用制備工藝，鍛壓工藝對鎂合金的顯微組織和綜合性能產生明顯影響.但是，關于鍛壓工藝對高精度機床用鎂合金的阻尼性能影響鮮有報道。為此，木文采用不同的鍛壓工藝制備高精度機床用鎂合金，并重點探討鍛壓工藝對高精度機床用鎂合金阻尼性能的影響，為鎂合金在高精度機床上的應用提供試驗數據。
1、試驗材料與方法
1.1 試驗材料
以鎂錠、鋁錠、鋅粉、欽粉和Mg-5 Mn中間合金為原料.采用中頻感應熔煉后鐵模澆注的方法.制得高精度機床用鎂合金鑄錠。添加錳主要是用于除雜。鑄錠經400℃均勻化處理6h后，采用SPECTRO IQII型能量色散X射線熒光光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。將均勻化的鎂合金錠加工成小100 mmx 150 mm毛坯，在J23-100型鍛壓機床上對均勻化后的鑄錠進行鍛壓成形，獲得高精度機床用鍛壓鎂合金試樣(以卜簡稱試樣)。其鍛壓工藝參數如表2所示。采用自制模具，模具由圓形模腔、壓頭、底座和模塊組成。
表1試樣的化學成分(質量分數，%)
表2試樣的鍛壓工藝參數
1.2 試驗方法
試樣經線切割、金相制樣和腐蝕后，用PG18型金相顯微鏡觀察顯微組織，并結合Image Pro Plus軟件計算試樣的平均晶粒尺寸。試樣的阻尼性能采用葛式低頻扭擺儀進行測試，試樣尺寸為150mmxlmmxlmm.加熱爐升溫速率為1.5 0C /min ,測試溫度為25 ~ 275 0C、測試頻率為0.2 ~ 1.2 Hz，在升溫過程中測試試樣的阻尼性能，每次測量時間小于30s.
2、試驗結果及討論
2.1 始鍛溫度的影響
在終鍛溫度370 0C，鍛比11和模具溫度355 0C時(試樣1 ~ 4 )，不同始鍛溫度對試樣晶粒尺寸的影響如圖1所示。從圖可以看出，始鍛溫度對高精度機床用鎂合金的平均晶粒尺寸產生明顯影響。隨始鍛溫度從420℃提高至500 0C，高精度機床用鎂合金的平均晶粒尺寸先減小后增大，合金晶粒先細化后粗化。其中當始鍛溫度為480℃時，高精度機床用鎂合金晶粒最細小，平均晶粒尺寸低至6.7 μm。
圖1 始鍛溫度對試樣晶粒尺寸的影響
在終鍛溫度 370℃，鍛比 11 和模具溫度 355 ℃時不同始鍛溫度制備出的試樣（試樣 1～4）在相同頻率（0.6Hz）下阻尼性能隨溫度變化情況如圖 2 所示。 從圖可以看出，隨測試溫度增加，不同始鍛溫度制備的高精度機床用鎂合金阻尼系數逐漸增大，合金的阻尼性能均逐漸提高。但在相同測試溫度下，隨始鍛溫度提高， 高精度機床用鎂合金的阻尼系數先增大后減小，合金的阻尼性能先提高后下降。 在 25℃測試環境下， 始鍛溫度為 480℃時高精度機床用鎂合金的阻尼性能最佳，阻尼系數最大（67×10-3），較始鍛溫度為 420 ℃時提高了 63%， 較始鍛溫度為460 ℃時提高了 29%， 較始鍛溫度為 500 ℃時提高了 12%。 不同始鍛溫度制備出的試樣在相同測試溫度（225℃）下阻尼性能隨頻率的變化情況如圖 3 所示。 從圖可以看出，隨頻率增加，不同始鍛溫度制備的高精度機床用鎂合金阻尼系數逐漸減小， 合金阻尼性能均逐漸下降。 但在相同頻率下， 隨始鍛溫度提高，高精度機床用鎂合金的阻尼系數也表現出先增大后減小，合金的阻尼性能先提高后下降。 在 0.8Hz 測試頻率環境下， 始鍛溫度為 480℃時高精度機床用鎂合金的阻尼性能最佳，阻尼系數最大（130×10-3），較始鍛 溫 度 為 420 ℃時 提 高 了 124%， 較 始 鍛 溫 度 為460℃時提高了 67%，較始鍛溫度為 500 ℃時提高了23%。由此可以看出，從提高阻尼性能出發，高精度機床用 Mg-Al-Zn-Ti 鎂合金的始鍛溫度優選為 480℃。
圖2 0.6 Hz 下不同始鍛溫度試樣的阻尼性能
圖3 在225℃測試溫度下不同始鍛溫度試樣的阻尼性能
2.2 終鍛溫度的影響
在始鍛溫度 480℃，鍛比 11 和模具溫度 355 ℃時（試樣 5、6、3、7）， 終鍛溫度對試樣晶粒尺寸的影響如圖4所示。從圖4可以看出，終鍛溫度對高精度機床用鎂合金的平均晶粒尺寸產生明顯影響。隨終鍛溫度從320℃提高至380 0C，高精度機床用鎂合金的平均晶粒尺寸先減小后增大，合金晶粒先細化后粗化。其中當終鍛溫度為370℃時，高精度機床用鎂合金晶粒最細小，平均晶粒尺寸低至6.7 μm。
圖4 終鍛溫度對試樣晶粒尺寸的影響
不同終鍛溫度制備出的試樣在相同頻率(0.6Hz) 下阻尼性能隨溫度變化情況如圖5所示。從圖可以看出，隨溫度增加，不同終鍛溫度制備的高精度機床用鎂合金阻尼系數逐漸增大，合金的阻尼性能均逐漸提高。但在相同溫度下，隨終鍛溫度提高，高精度機床用鎂合金的阻尼系數先增大后減小。在25℃測試環境下，終鍛溫度為370℃時高精度機床用鎂合金的阻尼性能最佳，阻尼系數最大(67x10-3);比終鍛溫度為320℃時提高了49%，比終鍛溫度為350℃時提高了31%，比終鍛溫度為380℃時提高了16%。不同終鍛溫度制備出的試樣在相同溫度(225 0C )卜阻尼性能隨頻率的變化情況如圖6所示。從圖可以看出，隨頻率增加，不同終鍛溫度制備的高精度機床用鎂合金阻尼系數逐漸減小.合金阻尼性能均逐漸下降。但在相同頻率下，隨終鍛溫度提高，高精度機床用鎂合金的阻尼系數也表現出先增大后減小，合金的阻尼性能先提高后下降。在0.8Hz測試頻率環境卜，終鍛溫度為370℃時高精度機床用鎂合金的阻尼性能最佳，阻尼系數最大(130x10-3 );較終鍛溫度為320℃時提高了210%，較終鍛溫度為350℃時提高了67%，較終鍛溫度為380℃時提高了38%。由此可以看出，從提高阻尼性能出發，高精度機床用Mg-AI-Zn-Ti鎂合金的終鍛溫度優選為370℃。
2.3鍛比的影響
在始鍛溫度480 0C，終鍛溫度370 0C(試樣8,3,9)時，不同鍛比制備出的試樣平均晶粒尺寸統計結果如圖7所示。從圖可以看出，鍛比對高精機床用鎂合金的平均晶粒尺寸產生明顯影響。隨鍛造比從7增大至15，高精度機床用鎂合金的平均晶粒尺寸先減小后基木不變。
圖5 在0.6 Hz相同頻率下不同終鍛溫度試樣的阻尼系數
圖6 在225℃相同溫度下不同終鍛溫度試樣的阻尼系數
圖7鍛造比對試樣晶粒尺寸的影響
不同鍛比制備出的試樣在相同頻率(0.6 Hz ) 下阻尼性能隨溫度變化情況如圖8所示。從圖8可以看出，隨溫度增加，不同鍛比制備的高精度機床用鎂合金阻尼系數均逐漸增大，合金的阻尼性能均逐漸提高。但在相同測試溫度下，隨鍛比提高，高精度機床用鎂合金的阻尼系數先增大后減小，合金的阻尼性能先提高后下降。在275℃測試環境下，鍛比為11時高精度機床用鎂合金的阻尼性能最佳，阻尼系數最(165x10-3);較鍛比為7時提高了54%，較鍛比為15時提高了29%。不同鍛比制備出的試樣在相同測試溫度(225 0C )卜阻尼性能隨頻率的變化情況如圖9所示。從圖可以看出，隨頻率增加，不同鍛比制備的高精度機床用鎂合金阻尼系數逐漸減小，合金阻尼性能均逐漸卜降。但在相同頻率下，隨鍛比提高，高精度機床用鎂合金的阻尼系數也表現出先增大后減小，合金的阻尼性能先提高后下降。在0.8Hz測試頻率環境下，鍛比為11時高精度機床用鎂合金的阻尼性能最佳，阻尼系數最大(130x10-3)，較鍛造比為7時提高了282%，較鍛比為15時提高了136%。由此可以看出，從提高阻尼性能出發，高精度機床用Mg-AI-Zn-Ti鎂合金的鍛比優選為11。
圖8在0.6 HZ下不同鍛比試樣的阻尼系數
圖9 在225℃測試溫度下不同鍛造比試樣的阻尼系數
3、 結論
(1)隨始鍛溫度從420℃提高至500 0C，高精度機床用Mg-A1-Zn-Ti鎂合金的平均晶粒尺寸先減小后增大;在相同測試溫度或者相同頻率下，合金的阻尼性能均隨始鍛溫度增加而先提高后下降。在25 0C測試環境下，始鍛溫度為480℃時合金阻尼性能分別較始鍛溫度為420,460,500℃時提高了63% ,29% ,12%。在0.8Hz測試頻率環境下，始鍛溫度為480℃時合金阻尼性能分別較始鍛溫度為420,460,500時提高了124% , 67% ,23%。
(2)隨終鍛溫度從320℃提高至380 0C，高精度機床用Mg-A1-Zn-Ti鎂合金的平均晶粒尺寸先減小后增大;在相同溫度或者相同頻率下，合金的阻尼性能均隨終鍛溫度增加表現出先提高后下降。在25℃測試環境下，終鍛溫度為370℃時阻尼性能分別較終鍛溫度為320 ,350 ,380℃時提高了49%,31%,16%。在0.8 HZ測試頻率環境下，終鍛溫度為3700C時阻尼性能分別較終鍛溫度為320,350,380℃時提高了210%,67%,38%。
(3)隨鍛比從7增大至15，高精度機床用Mg-A1-Zn-Ti鎂合金的平均晶粒尺寸先減小后基木不變;在相同測試溫度或相同頻率下，合金的阻尼性能均隨鍛比增加而先提高后下降。在275℃測試環境下，鍛比為11時合金的阻尼性能分別較鍛比為7,15時提高了54% ,29%。在0.8Hz測試頻率環境下，鍛比為11時合金的阻尼性能分別較鍛比為7,15時提高了282%,136%。
(4)從提高高精度機床用Mg-AI-Zn-Ti鎂合金的阻尼性能出發，合金的始鍛溫度優選為480 0C，終鍛溫度優選為370 ℃，鍛比優選為11。
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