本發(fā)明涉及一種采用復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮消除金屬制件裂紋的工藝。
背景技術(shù)：
：：凝固成形過程中存在著不均勻性導(dǎo)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(chǎn)生影響。負(fù)重輪簡單加載液態(tài)模鍛過程研究結(jié)果可知，由于制件形狀和和液態(tài)金屬的受力不均勻，導(dǎo)致成形過程中液態(tài)金屬凝固不均勻，最后凝固區(qū)(直壁與底部的轉(zhuǎn)角處)由于得不到補(bǔ)縮，性能最差，甚至產(chǎn)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(jìn)入塑性變形，限制和減緩了沖頭的繼續(xù)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(shè)計(jì)人積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種采用復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮消除金屬制件裂紋的工藝，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種制備綜合性能良好的制件的采用復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮消除金屬制件裂紋的工藝。本發(fā)明采用復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮消除金屬制件裂紋的工藝，所述的負(fù)重輪利用成型模鍛系統(tǒng)加工而成，所述的成型模鍛系統(tǒng)包括：鋁基復(fù)合材料的制備裝置，負(fù)重輪成型模具，用于提供負(fù)重輪成型模具沖頭壓力的液壓機(jī)；所述負(fù)重輪成型模具至少包括：下模，外沖頭、內(nèi)沖頭組成的上模，內(nèi)沖頭與上模板之間設(shè)有碟簧，所述碟簧用于控制內(nèi)沖頭與上模板之間的距離；所述的負(fù)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(yù)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(diào)整碟簧的預(yù)緊量使內(nèi)沖頭離開上模墊板一定的距離s，s稱為補(bǔ)縮量；在這種狀態(tài)下進(jìn)行加載成形，上模下行，內(nèi)沖頭碟簧力的作用下使金屬充滿型腔，在負(fù)重輪直壁處充滿金屬的高度較零件設(shè)計(jì)尺寸高出s，繼續(xù)加壓，底部開始凝固，內(nèi)沖頭趨于靜止，碟簧產(chǎn)生壓縮變形，這時(shí)外沖頭相對內(nèi)沖頭向下移動，壓力機(jī)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(shí)將壓力傳遞到最后凝固區(qū)熱節(jié)處，加壓的同時(shí)，將充填時(shí)直壁多出s高度的金屬補(bǔ)縮給直壁和熱節(jié)處,通過對直壁和熱節(jié)處的局部加載和補(bǔ)縮，并產(chǎn)生塑性變形；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓工藝參數(shù)選擇如下：金屬液澆注溫度選擇澆注溫度為720℃；模具預(yù)熱溫度:下模300℃，上模200℃。比壓:40～60mpa；加壓速度:15mm/s；開始加壓時(shí)間:澆注完畢后立即開始加壓；保壓時(shí)間:25-30s。進(jìn)一步地，還包括將觸變模鍛負(fù)重輪制件進(jìn)行t6熱處理，其熱處理工藝為：在500℃固溶處理3小時(shí)，放入水中淬火20min，然后在160℃時(shí)效處理10小時(shí)，取出負(fù)重輪空冷至室溫。進(jìn)一步地，所述的模具工作零件材料均選用5crnimo熱模具鋼。進(jìn)一步地，模具單邊間隙為0.15mm；脫模斜度為2°～3°。進(jìn)一步地，在沖頭中心處開帶有斜度的排氣孔。進(jìn)一步地，補(bǔ)縮量為8-10mm。借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過采用復(fù)合加載方式對負(fù)重輪制件直壁進(jìn)行局部加載補(bǔ)縮，得到了質(zhì)量良好的制件。隨補(bǔ)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(dāng)補(bǔ)縮量達(dá)到6mm時(shí)，制件整體的密度接近均勻，補(bǔ)縮量再增大，其密度變化不明顯。隨補(bǔ)縮量的增大，制件直壁的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，底部的抗拉強(qiáng)度隨補(bǔ)縮量的增大變化不大。當(dāng)補(bǔ)縮量達(dá)到8-10mm時(shí)，制件的力學(xué)性能基本一致抗拉強(qiáng)度平均為352mpa，延伸率平均為8％。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。附圖說明圖1是本發(fā)明工藝流程圖；圖2是負(fù)重輪成形模具；1—上模板2—螺栓3—上模墊板4—外沖頭5—內(nèi)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(dǎo)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(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。鋁合金負(fù)重輪液態(tài)模鍛成形過程的數(shù)值模擬有限元模型建立負(fù)重輪結(jié)構(gòu)制件直徑較大，外徑為φ440mm，內(nèi)徑為φ418mm，各處壁厚不均勻，在制件直壁與底部的轉(zhuǎn)角處壁厚最大。負(fù)重輪為軸對稱制件，可以模擬負(fù)重輪的二分之一。用pro/e軟件對零件及其模具進(jìn)行三維實(shí)體造型，并裝配。在pro/emechanic中進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，存為.ans文件；將.ans文件導(dǎo)入procast，在meshcast中將模型面網(wǎng)格剖分為體網(wǎng)格，生成.mesh文件。負(fù)重輪及其模具的裝配模型和劃分體網(wǎng)格后的有限元模型。劃分網(wǎng)格尺寸最大為5mm，網(wǎng)格總數(shù)為1286232。負(fù)重輪及其模具數(shù)值模擬模型材料性質(zhì)負(fù)重輪材料為2a50鋁合金，模具材料為5crnim?；瘜W(xué)成分如表4-1和4-2所示。根據(jù)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(xué)參數(shù)。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(jù)差熱分析結(jié)果對自動生成的2a50鋁合金的液固相線進(jìn)行了修正。負(fù)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(yù)測與消除，以及工藝方案和模具設(shè)計(jì)的優(yōu)化均具有重要的指導(dǎo)意義。溫度場模擬的主要工藝參數(shù)液態(tài)模鍛主要工藝參數(shù)：(1)金屬液澆注溫度澆注溫度直接影響著加壓開始時(shí)自由凝固層的厚度和凝固過程中液態(tài)金屬總熱量的散失，進(jìn)而影響凝固時(shí)間和凝固速度。溫度過高，容易產(chǎn)生縮孔；溫度過低，會因合金凝固過快產(chǎn)生冷隔等缺陷。2a50鋁合金選擇720℃。(2)模具預(yù)熱溫度模具溫度過高，容易發(fā)生粘模，脫模困難，降低模具壽命；模具溫度過低，則鑄件質(zhì)量難以得到保證，產(chǎn)生冷隔和表面裂紋等缺陷。鋁合金液態(tài)模鍛模具預(yù)熱溫度在200℃-300℃。(3)開始加壓時(shí)間開始加壓時(shí)間是指合金澆入凹模至開始加壓的時(shí)間間隔。開始加壓時(shí)間過晚，金屬自由結(jié)殼厚度大，增加變形抗力，降低加壓效果，影響制件質(zhì)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(shí)消除制件的氣孔、縮孔和疏松等缺陷，并產(chǎn)生壓力下結(jié)晶的凝固機(jī)理，從而獲得較好的內(nèi)部組織和較高的力學(xué)性能。鋁合金液態(tài)模鍛比壓為40～60mpa(5)保壓時(shí)間指從金屬液在壓力作用下充滿型腔后開始，到液壓機(jī)撤消壓力為止的時(shí)間段，這段時(shí)間實(shí)際上是金屬液在壓力下凝固、結(jié)晶和補(bǔ)縮的時(shí)間。保壓時(shí)間取決于制件斷面的最大壁厚，一般取0.5-1sec/mm。負(fù)重輪凝固過程的數(shù)值模擬工藝參數(shù)選擇如表4-3所示。表4-3模擬的主要工藝參數(shù)溫度場模擬結(jié)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(zhuǎn)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(shí)間大概為23s。在制件的直壁與底部的轉(zhuǎn)角處存在金屬液的最后凝固區(qū)，這些區(qū)域的金屬液凝固收縮時(shí)，受兩側(cè)已經(jīng)凝固得金屬層的阻礙，很可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋和縮孔縮松。在制件的直壁與底部的轉(zhuǎn)角處產(chǎn)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?jǐn)?shù)近50％。制件的直壁與底面的轉(zhuǎn)角處心部區(qū)域凝固最慢，在前4s基本沒有發(fā)生凝固。在13s左右，各特征點(diǎn)的固相分?jǐn)?shù)趨于一致，達(dá)到90％左右，在23s左右固相分?jǐn)?shù)接近100％，凝固結(jié)束。負(fù)重輪制件凝固過程的溫度分布。在金屬液充型結(jié)束瞬間，沖頭和金屬液上表面接觸并給金屬液加壓，這時(shí)熱量以熱傳導(dǎo)的方式迅速從接觸表面?zhèn)鞒?，使制件表面溫度迅速下降，?.368s時(shí)表面溫度已經(jīng)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(zhuǎn)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(qū)域。制件在沖頭壓力下產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)角處，在加壓約23s時(shí)制件凝固已經(jīng)結(jié)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(shí)刻溫度最高的區(qū)域，即最后完成凝固區(qū)域。負(fù)重輪凝固過程的應(yīng)力場模擬制件凝固過程中最大應(yīng)力發(fā)生在制件的直壁與底面的轉(zhuǎn)角處，且圓角處的應(yīng)力為拉應(yīng)力，在此部位很容易出現(xiàn)裂紋。主要原因是金屬液充型剛結(jié)束時(shí)，制件表層首先凝固成金屬硬殼時(shí)發(fā)生收縮，未凝固的液態(tài)金屬在壓力下不斷地在硬殼內(nèi)表面上結(jié)晶，直壁與底部相對截面積較小，首先完成凝固；轉(zhuǎn)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(qū)，稱為熱節(jié)，隨著凝固的進(jìn)行，熱節(jié)處的金屬液逐步凝固收縮，周邊已經(jīng)凝固的金屬不能提供補(bǔ)縮，且受模具的限制不能向其做剛性移動，從而造成熱節(jié)處最后凝固區(qū)域的外表面與先期已凝固金屬內(nèi)表面之間產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，該處產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，隨著拉應(yīng)力的增大，會使裂紋擴(kuò)展至制件表面，形成宏觀裂紋。因此制件直壁與底部的轉(zhuǎn)角處是發(fā)生裂紋的危險(xiǎn)區(qū)域，制件轉(zhuǎn)角處熱裂指數(shù)最高。制件表面上的各特征點(diǎn)均受到拉應(yīng)力，這是由于制件內(nèi)部金屬的凝固收縮而使得先凝固的外部金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力。在制件的直壁與底部的轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，所以在此處是產(chǎn)生裂紋缺陷的危險(xiǎn)區(qū)域。制件的直壁與底部的轉(zhuǎn)角處是產(chǎn)生裂紋缺陷的危險(xiǎn)區(qū)域。本發(fā)明采用復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮消除金屬制件裂紋的工藝的最佳實(shí)施例：本發(fā)明采用復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮消除金屬制件裂紋的工藝，所述的負(fù)重輪利用成型模鍛系統(tǒng)加工而成，所述的成型模鍛系統(tǒng)包括：鋁基復(fù)合材料的制備裝置，負(fù)重輪成型模具，用于提供負(fù)重輪成型模具沖頭壓力的液壓機(jī)；所述負(fù)重輪成型模具至少包括：下模，外沖頭、內(nèi)沖頭組成的上模，內(nèi)沖頭與上模板之間設(shè)有碟簧，所述碟簧用于控制內(nèi)沖頭與上模板之間的距離；所述的負(fù)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(yù)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(diào)整碟簧的預(yù)緊量使內(nèi)沖頭離開上模墊板一定的距離s，s稱為補(bǔ)縮量；在這種狀態(tài)下進(jìn)行加載成形，上模下行，內(nèi)沖頭碟簧力的作用下使金屬充滿型腔，在負(fù)重輪直壁處充滿金屬的高度較零件設(shè)計(jì)尺寸高出s，繼續(xù)加壓，底部開始凝固，內(nèi)沖頭趨于靜止，碟簧產(chǎn)生壓縮變形，這時(shí)外沖頭相對內(nèi)沖頭向下移動，壓力機(jī)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(shí)將壓力傳遞到最后凝固區(qū)熱節(jié)處，加壓的同時(shí)，將充填時(shí)直壁多出s高度的金屬補(bǔ)縮給直壁和熱節(jié)處,通過對直壁和熱節(jié)處的局部加載和補(bǔ)縮，并產(chǎn)生塑性變形；將鋁液倒入模具，合模，加壓、保壓工藝參數(shù)選擇如下：金屬液澆注溫度選擇澆注溫度為720℃；模具預(yù)熱溫度:下模300℃，上模200℃。比壓:40～60mpa；加壓速度:15mm/s；開始加壓時(shí)間:澆注完畢后立即開始加壓；保壓時(shí)間:25-30s。進(jìn)一步地，還包括將觸變模鍛負(fù)重輪制件進(jìn)行t6熱處理，其熱處理工藝為：在500℃固溶處理3小時(shí)，放入水中淬火20min，然后在160℃時(shí)效處理10小時(shí)，取出負(fù)重輪空冷至室溫。進(jìn)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(jìn)一步地，補(bǔ)縮量為8-10mm。負(fù)重輪復(fù)合加載試驗(yàn)過程及結(jié)果負(fù)重輪復(fù)合加載液態(tài)模鍛的工藝參數(shù)與簡單加載液鍛相同，主要區(qū)別是通過調(diào)節(jié)碟簧控制補(bǔ)縮量s，在試驗(yàn)中補(bǔ)縮量s選擇為：2，4，6，8，10mm。通過補(bǔ)縮，制件的裂紋等缺陷逐漸消失，在補(bǔ)縮量為2mm和4mm時(shí)，在制件的直壁與底部的轉(zhuǎn)角處仍然有裂紋產(chǎn)生；當(dāng)補(bǔ)縮量達(dá)到6mm時(shí)宏觀缺陷消失，制件表面質(zhì)量良好。補(bǔ)縮量對負(fù)重輪制件的組織性能均勻化的影響為研究補(bǔ)縮量對制件性能的影響規(guī)律，并找出參數(shù)，下面通過對復(fù)合加載負(fù)重輪液鍛件取樣進(jìn)行金相觀察、密度和力學(xué)性能的測試來分析和評定制件組織和性能的均勻性。補(bǔ)縮量對負(fù)重輪制件的組織的影響不同補(bǔ)縮量的制件金相組織。有補(bǔ)縮時(shí)制件直壁的組織與簡單加載時(shí)(無補(bǔ)縮)相比有明顯的改善，晶粒得到細(xì)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(bǔ)縮量s的增加變得細(xì)小，當(dāng)補(bǔ)縮量s為10mm時(shí)，其組織形貌與底部幾無差別。由此可見，通過復(fù)合加載和局部補(bǔ)縮量可以使制件的整體組織變得均勻。補(bǔ)縮量對負(fù)重輪制件的密度的影響負(fù)重輪的直壁部分的密度隨著碟簧補(bǔ)縮量的增加而增加。在沒有補(bǔ)縮即簡單加載時(shí)，負(fù)重輪的直壁部分密度值較低，明顯低于負(fù)重輪底部位置的密度。在局部加載補(bǔ)縮的情況下，負(fù)重輪直壁部分的密度隨補(bǔ)縮量增大，在補(bǔ)縮量為6mm時(shí)，直壁部分的密度值已經(jīng)和底部的密度值接近，再進(jìn)一步增加補(bǔ)縮量，直壁部分的密度變化不明顯。負(fù)重輪制件底部兩部位的密度值接近，說明負(fù)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(fù)重輪直壁和熱節(jié)處的密度增大，且隨補(bǔ)縮量的增加其密度逐漸接近底部，在補(bǔ)縮量為6mm時(shí)，負(fù)重輪整體的密度區(qū)域一致，進(jìn)一步增加補(bǔ)縮量，密度值變化不明顯。補(bǔ)縮量對負(fù)重輪制件的力學(xué)性能的影響對復(fù)合加載成形負(fù)重輪制件取樣，進(jìn)行t6處理，制成拉伸試樣。將復(fù)合加載與簡單加載成形制件(補(bǔ)縮量為0)力學(xué)性能進(jìn)行比較，研究補(bǔ)縮量對負(fù)重輪制件的力學(xué)性能的影響規(guī)律。負(fù)重輪制件的直壁的抗拉強(qiáng)度低于底部。在簡單加載時(shí)，直壁部分抗拉強(qiáng)度較低，與底部相差較大。直壁部分的抗拉強(qiáng)度在復(fù)合加載方式下增加較為明顯，增加幅度隨補(bǔ)縮量的增大而逐漸減小。在補(bǔ)縮量為8mm時(shí)，制件直壁部分的抗拉強(qiáng)度已經(jīng)接近底部的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)一步增加補(bǔ)縮量，直壁部分的抗拉強(qiáng)度的變化不明顯。負(fù)重輪制件底部兩部位取樣的抗拉強(qiáng)度值接近，隨補(bǔ)縮量的變化不明顯。采用復(fù)合加載液鍛可以明顯提高負(fù)重輪制件直壁部分的力學(xué)性能，隨補(bǔ)縮量的增加制件直壁部分的力學(xué)性能逐漸接近制件底部的力學(xué)性能，在補(bǔ)縮量為8-10mm時(shí)，制件各部位的力學(xué)性能基本一致?？估瓘?qiáng)度平均為352mpa，延伸率平均為8％。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
：的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12