高強(qiáng)度鋁合金履帶板體的研究

耿江波， 龔雪蓮， 李 珂， 高 劍， 梅素媛

(北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 10072)

履帶板是履帶的主要承拉零件，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度往往決定了履帶的壽命和整車行駛的可靠性.傳統(tǒng)履帶板主要采用高強(qiáng)度鋼材進(jìn)行鍛造或鑄造而成，強(qiáng)度很高但往往重量很大.隨著高強(qiáng)度鋁合金材料的研發(fā)應(yīng)用，已經(jīng)有700 MPa級(jí)的高性能鋁合金投入使用.研究高強(qiáng)度鋁合金在履帶板輕量化設(shè)計(jì)中應(yīng)用，突破少無(wú)余量精密成形及組織控制技術(shù)、精密熱處理技術(shù)，探索高強(qiáng)度鋁合金材料在履帶板應(yīng)用的可行性就很有必要.

1 鋁合金履帶板的強(qiáng)度分析

1.1 模型建立

依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在保證接口尺寸一致的前提下，初步設(shè)計(jì)了鋁合金履帶板體，并根據(jù)材料特性進(jìn)行了局部加強(qiáng)和改進(jìn)，外形簡(jiǎn)潔，適宜整體鍛造，減重達(dá)30%以上，改進(jìn)后其最小受力截面和鋼制履帶相比見(jiàn)表1.通過(guò)三維軟件，建立了立體模型，如圖1所示.

表1 兩種材料履帶最小截面比較

圖1 鋁合金履帶板板體

1.2 強(qiáng)度分析

采用危險(xiǎn)截面法進(jìn)行計(jì)算，其截面抗拉安全系數(shù)和鋼制履帶基本保持一致.

履帶板受到的最大拉力F按照式(1)計(jì)算[1].

F=0.65mgφ，

(1)

式中：m為車全重；φ為履帶對(duì)地面的附著系數(shù)，0.8～1.0，取φ=0.9.

危險(xiǎn)截面應(yīng)力σ按照式(2)計(jì)算.

σ=F/W.

(2)

式中：W為履帶板危險(xiǎn)截面的面積.

計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 兩種材料履帶板的危險(xiǎn)截面應(yīng)力

考慮到鋁合金材料的抗疲勞性較差，安全系數(shù)略有增加.按照危險(xiǎn)截面法計(jì)算，鋁合金板體達(dá)到使用的要求.

為了對(duì)比板體拉斷試驗(yàn)，在仿真分析環(huán)節(jié)按照臺(tái)架試驗(yàn)工況對(duì)單個(gè)履帶板進(jìn)行強(qiáng)度分析.一側(cè)銷軸固定，另一側(cè)銷軸加載，拉力分別為10 t，20 t，30 t，40 t，50 t.得出連續(xù)拉力-變形曲線. 材料參數(shù)如表3所示.仿真分析結(jié)果如圖2～圖5所示.

表3 材料參數(shù)[2]

圖2 仿真試驗(yàn)臺(tái)加載工況

本研究計(jì)算了5種載荷的情況，因方法相同且受限于篇幅，本文只給出10 t、50 t兩種工況的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果.

圖3為10 t拉力時(shí)板體應(yīng)力云圖.由圖3可知：仿真計(jì)算在拉力10 t的工況下，最大應(yīng)力為25.86 MPa.用同樣的方法進(jìn)行了20 t、30 t、40 t，50 t拉力的計(jì)算.

圖3 10 t載荷時(shí)應(yīng)力云圖

圖4為50 t拉力時(shí)板體應(yīng)力云圖.由圖4可知：仿真計(jì)算在拉力50 t的工況下，最大應(yīng)力為669.3 MPa，而所采用的鋁合金材料屈服強(qiáng)度為660 MPa，此時(shí)板體所受拉應(yīng)力超過(guò)了材料的極限屈服應(yīng)力，可以判斷達(dá)到了板體能夠承受的極限拉力.

圖4 50 t載荷時(shí)應(yīng)力云圖

圖5為加載點(diǎn)處位移載荷變化曲線. 通過(guò)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和仿真計(jì)算，預(yù)判鋁合金履帶可以達(dá)到50 t拉力的水平. 在該型車上應(yīng)用的鋼制履帶板的承受拉力極限是54 t，兩者基本相當(dāng).因此，該鋁合金履帶板體方案能夠滿足車輛的使用要求，可以開(kāi)展樣品的試制和試驗(yàn)工作.

圖5 加載點(diǎn)處位移隨載荷變化曲線

1.3 工藝技術(shù)

傳統(tǒng)的鋁合金履帶板體的制造采用鑄造工藝，其中以第二代鋁合金2A12為代表.該工藝制作的鋁合金履帶板體綜合性能較差，材料抗拉強(qiáng)度一般不超過(guò)450 MPa.鑄造工藝制成的產(chǎn)品性能一致性較差，相同批次制作的履帶板體的承受拉力極限相差也比較大.為保證試驗(yàn)樣品的質(zhì)量，同時(shí)探索工藝改進(jìn)方法，在本研究中制定了新的工藝路線,如圖6所示.

圖6 本項(xiàng)目的工藝技術(shù)路線

首先按照新型高強(qiáng)鋁合金的成分進(jìn)行配料、熔煉，采用半連續(xù)鑄造的方法制備高質(zhì)量的合金圓錠，經(jīng)過(guò)均勻化處理，車掉外皮，根據(jù)履帶板的尺寸外形和考慮誘導(dǎo)齒的特點(diǎn)，將鑄錠擠壓成T型帶板，計(jì)算坯料所需尺寸下好鍛坯并進(jìn)行粗加工.采用等溫模鍛的方式鍛壓出履帶板產(chǎn)品的基本形狀，再進(jìn)行T7x制度的熱處理，最終根據(jù)圖紙精加工出產(chǎn)品.

本材料的耐磨性能不滿足履帶板的要求，因此選擇在履帶板要求的耐磨部位表面附加耐磨層，有兩種方案可供選擇：一是在履帶板產(chǎn)品有耐磨要求的部位采用化學(xué)沉積的方法進(jìn)行表面高磷鍍鎳處理，耐磨層的厚度依據(jù)產(chǎn)品耐磨要求可控制在20 μm至200 μm之間.高磷鍍鎳層表面處理技術(shù)在很多有耐磨需求的民品上有應(yīng)用的實(shí)例，技術(shù)比較成熟；二是在有耐磨需求的部分鑲嵌耐磨鋼材料，形成這種內(nèi)鋁外鋼的雙金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)達(dá)到減重和耐磨的需求.

2 樣品試驗(yàn)

樣品試制成功后，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行了樣品的臺(tái)架試驗(yàn).在100 t拉力機(jī)上按照位移加載，記錄加載過(guò)程中的力值，找到履帶板體的最大極限破壞拉力.試驗(yàn)情況如圖7～圖9所示.

圖7 拉力機(jī)拉斷試驗(yàn)

圖9 最大極限拉力值

對(duì)比圖4和圖9可知，仿真計(jì)算的應(yīng)力最大區(qū)域(顏色最深區(qū)域)正是樣品的斷裂區(qū)域.對(duì)比圖5和圖9可知，計(jì)算拉力50 t時(shí)，履帶板體受到的最大應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，這和試驗(yàn)拉力55.37 t(542.67 kN)時(shí)板體出現(xiàn)斷裂的試驗(yàn)現(xiàn)象高度吻合.

通過(guò)樣品試驗(yàn)可知：履帶板試驗(yàn)拉斷力和仿真計(jì)算力值基本一致，履帶板體的承拉極限在55 t左右.達(dá)到了減重30%、承受拉力基本和鋼制履帶相同的設(shè)計(jì)目標(biāo).

3 結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)度鋁合金履帶板通過(guò)增加危險(xiǎn)截面尺寸，采用降低履帶板體應(yīng)力的措施進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)開(kāi)展等溫模鍛工藝成型方法研究和連續(xù)多向精密鍛造工藝方法實(shí)現(xiàn)了樣品制造，并進(jìn)行了樣品的拉力極限臺(tái)架試驗(yàn).最終實(shí)現(xiàn)了保證在最大拉力不變的前提下，采用高強(qiáng)度鋁合金材料減重30%的目標(biāo)，驗(yàn)證了高強(qiáng)度鋁合金材料及其相應(yīng)工藝技術(shù)在履帶板上應(yīng)用的可行性.

[1] 閆清東,等.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)(下冊(cè))[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.

[2] 工程材料實(shí)用手冊(cè)第3卷(鋁合金 鎂合金)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.