本發明涉及一種采用復合加載-局部補縮消除金屬制件裂紋的工藝。
背景技術：
：：凝固成形過程中存在著不均勻性導致。由此推斷，這種凝固的不均勻性也會對制件的組織和性能產生影響。負重輪簡單加載液態模鍛過程研究結果可知，由于制件形狀和和液態金屬的受力不均勻，導致成形過程中液態金屬凝固不均勻，最后凝固區(直壁與底部的轉角處)由于得不到補縮，性能最差，甚至產生裂紋等缺陷。底部先凝固的金屬承載了沖頭幾乎全部的載荷而進入塑性變形，限制和減緩了沖頭的繼續下行，沖頭不能充分對直壁部分施壓，直壁部分的密度及性能也低于底部。這種簡單加載方式造成了制件各部組織和性能的不均勻性。有鑒于上述的缺陷，本設計人積極加以研究創新，以期創設一種采用復合加載-局部補縮消除金屬制件裂紋的工藝，使其更具有產業上的利用價值。技術實現要素：為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種制備綜合性能良好的制件的采用復合加載-局部補縮消除金屬制件裂紋的工藝。本發明采用復合加載-局部補縮消除金屬制件裂紋的工藝，所述的負重輪利用成型模鍛系統加工而成，所述的成型模鍛系統包括：鋁基復合材料的制備裝置，負重輪成型模具，用于提供負重輪成型模具沖頭壓力的液壓機；所述負重輪成型模具至少包括：下模，外沖頭、內沖頭組成的上模，內沖頭與上模板之間設有碟簧，所述碟簧用于控制內沖頭與上模板之間的距離；所述的負重輪成型工藝包括：來料檢查、清洗；電阻爐中450左右烘干；模具預熱溫度200至300℃，150℃左右噴石墨潤滑劑；鋁合金熔煉至720℃保溫30分鐘精煉；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓；開模，頂出制件；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓，具體包括:加載前，調整碟簧的預緊量使內沖頭離開上模墊板一定的距離s，s稱為補縮量；在這種狀態下進行加載成形，上模下行，內沖頭碟簧力的作用下使金屬充滿型腔，在負重輪直壁處充滿金屬的高度較零件設計尺寸高出s，繼續加壓，底部開始凝固，內沖頭趨于靜止，碟簧產生壓縮變形，這時外沖頭相對內沖頭向下移動，壓力機的總壓力除克服碟簧力，剩余壓力全部作用在制件正在凝固的直壁處，使其在壓力下凝固，同時將壓力傳遞到最后凝固區熱節處，加壓的同時，將充填時直壁多出s高度的金屬補縮給直壁和熱節處,通過對直壁和熱節處的局部加載和補縮，并產生塑性變形；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓工藝參數選擇如下：金屬液澆注溫度選擇澆注溫度為720℃；模具預熱溫度:下模300℃，上模200℃。比壓:40～60mpa；加壓速度:15mm/s；開始加壓時間:澆注完畢后立即開始加壓；保壓時間:25-30s。進一步地，還包括將觸變模鍛負重輪制件進行t6熱處理，其熱處理工藝為：在500℃固溶處理3小時，放入水中淬火20min，然后在160℃時效處理10小時，取出負重輪空冷至室溫。進一步地，所述的模具工作零件材料均選用5crnimo熱模具鋼。進一步地，模具單邊間隙為0.15mm；脫模斜度為2°～3°。進一步地，在沖頭中心處開帶有斜度的排氣孔。進一步地，補縮量為8-10mm。借由上述方案，本發明至少具有以下優點：通過采用復合加載方式對負重輪制件直壁進行局部加載補縮，得到了質量良好的制件。隨補縮量的增大，制件直壁的密度值逐漸增大，底部的密度值變化不明顯。當補縮量達到6mm時，制件整體的密度接近均勻，補縮量再增大，其密度變化不明顯。隨補縮量的增大，制件直壁的抗拉強度逐漸增大，底部的抗拉強度隨補縮量的增大變化不大。當補縮量達到8-10mm時，制件的力學性能基本一致抗拉強度平均為352mpa，延伸率平均為8％。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。附圖說明圖1是本發明工藝流程圖；圖2是負重輪成形模具；1—上模板2—螺栓3—上模墊板4—外沖頭5—內沖頭6—下模外套17—下模8—螺栓9—頂桿10—拉桿螺栓11—碟簧12—導向套13—托盤14—螺栓15—下模外套216—定位銷17—下模墊板具體實施方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。鋁合金負重輪液態模鍛成形過程的數值模擬有限元模型建立負重輪結構制件直徑較大，外徑為φ440mm，內徑為φ418mm，各處壁厚不均勻，在制件直壁與底部的轉角處壁厚最大。負重輪為軸對稱制件，可以模擬負重輪的二分之一。用pro/e軟件對零件及其模具進行三維實體造型，并裝配。在pro/emechanic中進行面網格劃分，存為.ans文件；將.ans文件導入procast，在meshcast中將模型面網格剖分為體網格，生成.mesh文件。負重輪及其模具的裝配模型和劃分體網格后的有限元模型。劃分網格尺寸最大為5mm，網格總數為1286232。負重輪及其模具數值模擬模型材料性質負重輪材料為2a50鋁合金，模具材料為5crnim。化學成分如表4-1和4-2所示。根據材料成分在procast中自動生成材料的液相線溫度、固相線溫度、潛熱、比熱和固相率的變化等熱力學參數。表4-12a50的成分(wt％)表4-25crnimo的成分(wt％)table4-2composition(wt.％)of5crnimoalloy由差熱分析(dta)可知：2a50鋁合金的固相線溫度為521℃，液相線溫度為615℃。根據差熱分析結果對自動生成的2a50鋁合金的液固相線進行了修正。負重輪凝固過程的溫度場模擬凝固過程溫度場的模擬對制件縮孔、縮松、熱裂等缺陷的預測與消除，以及工藝方案和模具設計的優化均具有重要的指導意義。溫度場模擬的主要工藝參數液態模鍛主要工藝參數：(1)金屬液澆注溫度澆注溫度直接影響著加壓開始時自由凝固層的厚度和凝固過程中液態金屬總熱量的散失，進而影響凝固時間和凝固速度。溫度過高，容易產生縮孔；溫度過低，會因合金凝固過快產生冷隔等缺陷。2a50鋁合金選擇720℃。(2)模具預熱溫度模具溫度過高，容易發生粘模，脫模困難，降低模具壽命；模具溫度過低，則鑄件質量難以得到保證，產生冷隔和表面裂紋等缺陷。鋁合金液態模鍛模具預熱溫度在200℃-300℃。(3)開始加壓時間開始加壓時間是指合金澆入凹模至開始加壓的時間間隔。開始加壓時間過晚，金屬自由結殼厚度大，增加變形抗力，降低加壓效果，影響制件質量。一般情形，金屬液澆入型腔后立即加壓。(4)比壓單位面積上的壓力。壓力作用是使金屬液在等靜壓的作用下，及時消除制件的氣孔、縮孔和疏松等缺陷，并產生壓力下結晶的凝固機理，從而獲得較好的內部組織和較高的力學性能。鋁合金液態模鍛比壓為40～60mpa(5)保壓時間指從金屬液在壓力作用下充滿型腔后開始，到液壓機撤消壓力為止的時間段，這段時間實際上是金屬液在壓力下凝固、結晶和補縮的時間。保壓時間取決于制件斷面的最大壁厚，一般取0.5-1sec/mm。負重輪凝固過程的數值模擬工藝參數選擇如表4-3所示。表4-3模擬的主要工藝參數溫度場模擬結果制件首先在與模具接觸處開始凝固，制件的直壁與底部的轉角處和底部中心處最后凝固，金屬液充滿型腔后，制件完全凝固需要的時間大概為23s。在制件的直壁與底部的轉角處存在金屬液的最后凝固區，這些區域的金屬液凝固收縮時，受兩側已經凝固得金屬層的阻礙，很可能產生應力集中，形成裂紋和縮孔縮松。在制件的直壁與底部的轉角處產生缺陷的可能性。制件直壁邊緣凝固最快，在充型完畢瞬間就迅速凝固，其固相分數近50％。制件的直壁與底面的轉角處心部區域凝固最慢，在前4s基本沒有發生凝固。在13s左右，各特征點的固相分數趨于一致，達到90％左右，在23s左右固相分數接近100％，凝固結束。負重輪制件凝固過程的溫度分布。在金屬液充型結束瞬間，沖頭和金屬液上表面接觸并給金屬液加壓，這時熱量以熱傳導的方式迅速從接觸表面傳出，使制件表面溫度迅速下降，在0.368s時表面溫度已經在610℃左右，下降約110℃，迅速在表面凝固成一層金屬硬殼；制件直壁與底部的轉角處的溫度要高于其它部位的溫度，這也說明了此處是金屬液最后凝固的區域。制件在沖頭壓力下產生塑性變形，從而消除了因制件凝固收縮而在制件和模具之間產生的氣隙，減小了制件和模具之間的熱阻。由于壓力的損失，制件表面和模具之間的接觸情況好于制件的心部，所以制件和模具之間的熱阻總體從表面到心部是逐漸增大的，所以制件在凝固過程中的總體溫度分布從制件表面到心部也呈升高趨勢。綜合以上分析，制件在壓力下凝固過程呈由表及里的趨勢，最后凝固的部位在制件中心以及直壁與底部的轉角處，在加壓約23s時制件凝固已經結束，溫度在510℃左右。制件直壁邊緣處和底部斜面部分溫度降低最快，制件直壁與底面的拐角處中心部位和底部中心部位溫度降低較慢。制件直壁與底面的拐角處是同一時刻溫度最高的區域，即最后完成凝固區域。負重輪凝固過程的應力場模擬制件凝固過程中最大應力發生在制件的直壁與底面的轉角處，且圓角處的應力為拉應力，在此部位很容易出現裂紋。主要原因是金屬液充型剛結束時，制件表層首先凝固成金屬硬殼時發生收縮，未凝固的液態金屬在壓力下不斷地在硬殼內表面上結晶，直壁與底部相對截面積較小，首先完成凝固；轉角處截面積大，其表層與直壁和底部同樣厚度部分與壁與底部同步完成凝固，而其中心處是整個制件的最后凝固區，稱為熱節，隨著凝固的進行，熱節處的金屬液逐步凝固收縮，周邊已經凝固的金屬不能提供補縮，且受模具的限制不能向其做剛性移動，從而造成熱節處最后凝固區域的外表面與先期已凝固金屬內表面之間產生拉應力。當拉應力達到一定值時，該處產生內部裂紋，隨著拉應力的增大，會使裂紋擴展至制件表面，形成宏觀裂紋。因此制件直壁與底部的轉角處是發生裂紋的危險區域，制件轉角處熱裂指數最高。制件表面上的各特征點均受到拉應力，這是由于制件內部金屬的凝固收縮而使得先凝固的外部金屬產生拉應力。在制件的直壁與底部的轉角處產生的拉應力最大，所以在此處是產生裂紋缺陷的危險區域。制件的直壁與底部的轉角處是產生裂紋缺陷的危險區域。本發明采用復合加載-局部補縮消除金屬制件裂紋的工藝的最佳實施例：本發明采用復合加載-局部補縮消除金屬制件裂紋的工藝，所述的負重輪利用成型模鍛系統加工而成，所述的成型模鍛系統包括：鋁基復合材料的制備裝置，負重輪成型模具，用于提供負重輪成型模具沖頭壓力的液壓機；所述負重輪成型模具至少包括：下模，外沖頭、內沖頭組成的上模，內沖頭與上模板之間設有碟簧，所述碟簧用于控制內沖頭與上模板之間的距離；所述的負重輪成型工藝包括：來料檢查、清洗；電阻爐中450左右烘干；模具預熱溫度200至300℃，150℃左右噴石墨潤滑劑；鋁合金熔煉至720℃保溫30分鐘精煉；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓；開模，頂出制件；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓，具體包括:加載前，調整碟簧的預緊量使內沖頭離開上模墊板一定的距離s，s稱為補縮量；在這種狀態下進行加載成形，上模下行，內沖頭碟簧力的作用下使金屬充滿型腔，在負重輪直壁處充滿金屬的高度較零件設計尺寸高出s，繼續加壓，底部開始凝固，內沖頭趨于靜止，碟簧產生壓縮變形，這時外沖頭相對內沖頭向下移動，壓力機的總壓力除克服碟簧力，剩余壓力全部作用在制件正在凝固的直壁處，使其在壓力下凝固，同時將壓力傳遞到最后凝固區熱節處，加壓的同時，將充填時直壁多出s高度的金屬補縮給直壁和熱節處,通過對直壁和熱節處的局部加載和補縮，并產生塑性變形；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓工藝參數選擇如下：金屬液澆注溫度選擇澆注溫度為720℃；模具預熱溫度:下模300℃，上模200℃。比壓:40～60mpa；加壓速度:15mm/s；開始加壓時間:澆注完畢后立即開始加壓；保壓時間:25-30s。進一步地，還包括將觸變模鍛負重輪制件進行t6熱處理，其熱處理工藝為：在500℃固溶處理3小時，放入水中淬火20min，然后在160℃時效處理10小時，取出負重輪空冷至室溫。進一步地，所述的模具工作零件材料均選用5crnimo熱模具鋼。模具單邊間隙為0.15mm；脫模斜度為2°～3°。在沖頭中心處開帶有斜度的排氣孔。進一步地，補縮量為8-10mm。負重輪復合加載試驗過程及結果負重輪復合加載液態模鍛的工藝參數與簡單加載液鍛相同，主要區別是通過調節碟簧控制補縮量s，在試驗中補縮量s選擇為：2，4，6，8，10mm。通過補縮，制件的裂紋等缺陷逐漸消失，在補縮量為2mm和4mm時，在制件的直壁與底部的轉角處仍然有裂紋產生；當補縮量達到6mm時宏觀缺陷消失，制件表面質量良好。補縮量對負重輪制件的組織性能均勻化的影響為研究補縮量對制件性能的影響規律，并找出參數，下面通過對復合加載負重輪液鍛件取樣進行金相觀察、密度和力學性能的測試來分析和評定制件組織和性能的均勻性。補縮量對負重輪制件的組織的影響不同補縮量的制件金相組織。有補縮時制件直壁的組織與簡單加載時(無補縮)相比有明顯的改善，晶粒得到細化，且組織均勻，而制件底部的組織變化不明顯。制件直壁的晶粒度隨補縮量s的增加變得細小，當補縮量s為10mm時，其組織形貌與底部幾無差別。由此可見，通過復合加載和局部補縮量可以使制件的整體組織變得均勻。補縮量對負重輪制件的密度的影響負重輪的直壁部分的密度隨著碟簧補縮量的增加而增加。在沒有補縮即簡單加載時，負重輪的直壁部分密度值較低，明顯低于負重輪底部位置的密度。在局部加載補縮的情況下，負重輪直壁部分的密度隨補縮量增大，在補縮量為6mm時，直壁部分的密度值已經和底部的密度值接近，再進一步增加補縮量，直壁部分的密度變化不明顯。負重輪制件底部兩部位的密度值接近，說明負重輪的底部密度主要受上模壓力的影響，底部的密度基本沒有變化。采用局部加載可以使負重輪直壁和熱節處的密度增大，且隨補縮量的增加其密度逐漸接近底部，在補縮量為6mm時，負重輪整體的密度區域一致，進一步增加補縮量，密度值變化不明顯。補縮量對負重輪制件的力學性能的影響對復合加載成形負重輪制件取樣，進行t6處理，制成拉伸試樣。將復合加載與簡單加載成形制件(補縮量為0)力學性能進行比較，研究補縮量對負重輪制件的力學性能的影響規律。負重輪制件的直壁的抗拉強度低于底部。在簡單加載時，直壁部分抗拉強度較低，與底部相差較大。直壁部分的抗拉強度在復合加載方式下增加較為明顯，增加幅度隨補縮量的增大而逐漸減小。在補縮量為8mm時，制件直壁部分的抗拉強度已經接近底部的抗拉強度，進一步增加補縮量，直壁部分的抗拉強度的變化不明顯。負重輪制件底部兩部位取樣的抗拉強度值接近，隨補縮量的變化不明顯。采用復合加載液鍛可以明顯提高負重輪制件直壁部分的力學性能，隨補縮量的增加制件直壁部分的力學性能逐漸接近制件底部的力學性能，在補縮量為8-10mm時，制件各部位的力學性能基本一致。抗拉強度平均為352mpa，延伸率平均為8％。以上所述僅是本發明的優選實施方式，并不用于限制本發明，應當指出，對于本
技術領域：
：的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁12當前第1頁12