锻压工艺对高精度机床用镁合金阻尼性能的影响
2018-7-4 来源：潍坊科技学院 机械工程学 作者：刘 鹏
摘 要：采用不同的锻压工艺制备了高精度机床用 Mg-Al-Zn-Ti 镁合金试样，并进行了试样的显微组织和阻尼性能测试和分析。 结果表明：随始锻温度或终锻温度或锻压比的提高，合金的阻尼性能均先提高后下降。 合金的始锻温度优选为 480 ℃、终锻温度优选为 370 ℃、锻压比优选为 11。 在 0.8 Hz 测试频率下，始锻温度为 480 ℃时合金阻尼性能较始锻温度为 420 ℃时提高了 124%。
关键词：锻压工艺；始锻温度；终锻温度；锻压比；阻尼性能
密度低、可回收性佳和阻尼性能好的镁合金，在高精度机床上具有极大的应用前景。采用镁合金生产高精度机床零部件，有利于改善机床的减震性能，提高机床的精度和可靠性。但是在实际的生产过程中，锻压是高精度机床用镁合金零部件的常用制备工艺，锻压工艺对镁合金的显微组织和综合性能产生明显影响.但是，关于锻压工艺对高精度机床用镁合金的阻尼性能影响鲜有报道。为此，木文采用不同的锻压工艺制备高精度机床用镁合金，并重点探讨锻压工艺对高精度机床用镁合金阻尼性能的影响，为镁合金在高精度机床上的应用提供试验数据。
1、试验材料与方法
1.1 试验材料
以镁锭、铝锭、锌粉、钦粉和Mg-5 Mn中间合金为原料.采用中频感应熔炼后铁模浇注的方法.制得高精度机床用镁合金铸锭。添加锰主要是用于除杂。铸锭经400℃均匀化处理6h后，采用SPECTRO IQII型能量色散X射线荧光光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。将均匀化的镁合金锭加工成小100 mmx 150 mm毛坯，在J23-100型锻压机床上对均匀化后的铸锭进行锻压成形，获得高精度机床用锻压镁合金试样(以卜简称试样)。其锻压工艺参数如表2所示。采用自制模具，模具由圆形模腔、压头、底座和模块组成。
表1试样的化学成分(质量分数，%)
表2试样的锻压工艺参数
1.2 试验方法
试样经线切割、金相制样和腐蚀后，用PG18型金相显微镜观察显微组织，并结合Image Pro Plus软件计算试样的平均晶粒尺寸。试样的阻尼性能采用葛式低频扭摆仪进行测试，试样尺寸为150mmxlmmxlmm.加热炉升温速率为1.5 0C /min ,测试温度为25 ~ 275 0C、测试频率为0.2 ~ 1.2 Hz，在升温过程中测试试样的阻尼性能，每次测量时间小于30s.
2、试验结果及讨论
2.1 始锻温度的影响
在终锻温度370 0C，锻比11和模具温度355 0C时(试样1 ~ 4 )，不同始锻温度对试样晶粒尺寸的影响如图1所示。从图可以看出，始锻温度对高精度机床用镁合金的平均晶粒尺寸产生明显影响。随始锻温度从420℃提高至500 0C，高精度机床用镁合金的平均晶粒尺寸先减小后增大，合金晶粒先细化后粗化。其中当始锻温度为480℃时，高精度机床用镁合金晶粒最细小，平均晶粒尺寸低至6.7 μm。
图1 始锻温度对试样晶粒尺寸的影响
在终锻温度 370℃，锻比 11 和模具温度 355 ℃时不同始锻温度制备出的试样（试样 1～4）在相同频率（0.6Hz）下阻尼性能随温度变化情况如图 2 所示。 从图可以看出，随测试温度增加，不同始锻温度制备的高精度机床用镁合金阻尼系数逐渐增大，合金的阻尼性能均逐渐提高。但在相同测试温度下，随始锻温度提高， 高精度机床用镁合金的阻尼系数先增大后减小，合金的阻尼性能先提高后下降。 在 25℃测试环境下， 始锻温度为 480℃时高精度机床用镁合金的阻尼性能最佳，阻尼系数最大（67×10-3），较始锻温度为 420 ℃时提高了 63%， 较始锻温度为460 ℃时提高了 29%， 较始锻温度为 500 ℃时提高了 12%。 不同始锻温度制备出的试样在相同测试温度（225℃）下阻尼性能随频率的变化情况如图 3 所示。 从图可以看出，随频率增加，不同始锻温度制备的高精度机床用镁合金阻尼系数逐渐减小， 合金阻尼性能均逐渐下降。 但在相同频率下， 随始锻温度提高，高精度机床用镁合金的阻尼系数也表现出先增大后减小，合金的阻尼性能先提高后下降。 在 0.8Hz 测试频率环境下， 始锻温度为 480℃时高精度机床用镁合金的阻尼性能最佳，阻尼系数最大（130×10-3），较始锻 温 度 为 420 ℃时 提 高 了 124%， 较 始 锻 温 度 为460℃时提高了 67%，较始锻温度为 500 ℃时提高了23%。由此可以看出，从提高阻尼性能出发，高精度机床用 Mg-Al-Zn-Ti 镁合金的始锻温度优选为 480℃。
图2 0.6 Hz 下不同始锻温度试样的阻尼性能
图3 在225℃测试温度下不同始锻温度试样的阻尼性能
2.2 终锻温度的影响
在始锻温度 480℃，锻比 11 和模具温度 355 ℃时（试样 5、6、3、7）， 终锻温度对试样晶粒尺寸的影响如图4所示。从图4可以看出，终锻温度对高精度机床用镁合金的平均晶粒尺寸产生明显影响。随终锻温度从320℃提高至380 0C，高精度机床用镁合金的平均晶粒尺寸先减小后增大，合金晶粒先细化后粗化。其中当终锻温度为370℃时，高精度机床用镁合金晶粒最细小，平均晶粒尺寸低至6.7 μm。
图4 终锻温度对试样晶粒尺寸的影响
不同终锻温度制备出的试样在相同频率(0.6Hz) 下阻尼性能随温度变化情况如图5所示。从图可以看出，随温度增加，不同终锻温度制备的高精度机床用镁合金阻尼系数逐渐增大，合金的阻尼性能均逐渐提高。但在相同温度下，随终锻温度提高，高精度机床用镁合金的阻尼系数先增大后减小。在25℃测试环境下，终锻温度为370℃时高精度机床用镁合金的阻尼性能最佳，阻尼系数最大(67x10-3);比终锻温度为320℃时提高了49%，比终锻温度为350℃时提高了31%，比终锻温度为380℃时提高了16%。不同终锻温度制备出的试样在相同温度(225 0C )卜阻尼性能随频率的变化情况如图6所示。从图可以看出，随频率增加，不同终锻温度制备的高精度机床用镁合金阻尼系数逐渐减小.合金阻尼性能均逐渐下降。但在相同频率下，随终锻温度提高，高精度机床用镁合金的阻尼系数也表现出先增大后减小，合金的阻尼性能先提高后下降。在0.8Hz测试频率环境卜，终锻温度为370℃时高精度机床用镁合金的阻尼性能最佳，阻尼系数最大(130x10-3 );较终锻温度为320℃时提高了210%，较终锻温度为350℃时提高了67%，较终锻温度为380℃时提高了38%。由此可以看出，从提高阻尼性能出发，高精度机床用Mg-AI-Zn-Ti镁合金的终锻温度优选为370℃。
2.3锻比的影响
在始锻温度480 0C，终锻温度370 0C(试样8,3,9)时，不同锻比制备出的试样平均晶粒尺寸统计结果如图7所示。从图可以看出，锻比对高精机床用镁合金的平均晶粒尺寸产生明显影响。随锻造比从7增大至15，高精度机床用镁合金的平均晶粒尺寸先减小后基木不变。
图5 在0.6 Hz相同频率下不同终锻温度试样的阻尼系数
图6 在225℃相同温度下不同终锻温度试样的阻尼系数
图7锻造比对试样晶粒尺寸的影响
不同锻比制备出的试样在相同频率(0.6 Hz ) 下阻尼性能随温度变化情况如图8所示。从图8可以看出，随温度增加，不同锻比制备的高精度机床用镁合金阻尼系数均逐渐增大，合金的阻尼性能均逐渐提高。但在相同测试温度下，随锻比提高，高精度机床用镁合金的阻尼系数先增大后减小，合金的阻尼性能先提高后下降。在275℃测试环境下，锻比为11时高精度机床用镁合金的阻尼性能最佳，阻尼系数最(165x10-3);较锻比为7时提高了54%，较锻比为15时提高了29%。不同锻比制备出的试样在相同测试温度(225 0C )卜阻尼性能随频率的变化情况如图9所示。从图可以看出，随频率增加，不同锻比制备的高精度机床用镁合金阻尼系数逐渐减小，合金阻尼性能均逐渐卜降。但在相同频率下，随锻比提高，高精度机床用镁合金的阻尼系数也表现出先增大后减小，合金的阻尼性能先提高后下降。在0.8Hz测试频率环境下，锻比为11时高精度机床用镁合金的阻尼性能最佳，阻尼系数最大(130x10-3)，较锻造比为7时提高了282%，较锻比为15时提高了136%。由此可以看出，从提高阻尼性能出发，高精度机床用Mg-AI-Zn-Ti镁合金的锻比优选为11。
图8在0.6 HZ下不同锻比试样的阻尼系数
图9 在225℃测试温度下不同锻造比试样的阻尼系数
3、 结论
(1)随始锻温度从420℃提高至500 0C，高精度机床用Mg-A1-Zn-Ti镁合金的平均晶粒尺寸先减小后增大;在相同测试温度或者相同频率下，合金的阻尼性能均随始锻温度增加而先提高后下降。在25 0C测试环境下，始锻温度为480℃时合金阻尼性能分别较始锻温度为420,460,500℃时提高了63% ,29% ,12%。在0.8Hz测试频率环境下，始锻温度为480℃时合金阻尼性能分别较始锻温度为420,460,500时提高了124% , 67% ,23%。
(2)随终锻温度从320℃提高至380 0C，高精度机床用Mg-A1-Zn-Ti镁合金的平均晶粒尺寸先减小后增大;在相同温度或者相同频率下，合金的阻尼性能均随终锻温度增加表现出先提高后下降。在25℃测试环境下，终锻温度为370℃时阻尼性能分别较终锻温度为320 ,350 ,380℃时提高了49%,31%,16%。在0.8 HZ测试频率环境下，终锻温度为3700C时阻尼性能分别较终锻温度为320,350,380℃时提高了210%,67%,38%。
(3)随锻比从7增大至15，高精度机床用Mg-A1-Zn-Ti镁合金的平均晶粒尺寸先减小后基木不变;在相同测试温度或相同频率下，合金的阻尼性能均随锻比增加而先提高后下降。在275℃测试环境下，锻比为11时合金的阻尼性能分别较锻比为7,15时提高了54% ,29%。在0.8Hz测试频率环境下，锻比为11时合金的阻尼性能分别较锻比为7,15时提高了282%,136%。
(4)从提高高精度机床用Mg-AI-Zn-Ti镁合金的阻尼性能出发，合金的始锻温度优选为480 0C，终锻温度优选为370 ℃，锻比优选为11。
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