2A14履帶板的液態(tài)模鍛成形試驗(yàn)研究

牛海俠，朱松波，張 瓊，李 蕾

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230601；2.天津津航計(jì)算技術(shù)研究所，天津300000）

傳統(tǒng)鋼制履帶板重量過(guò)大，是工程機(jī)械的底盤件之一，在工程上起著關(guān)鍵作用。由于履帶板工作中承載較大的負(fù)重，因此，對(duì)履帶板的制件質(zhì)量要求非常高，尤其是在力學(xué)性能和承載能力方面。為減輕工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件重量，履帶板開(kāi)始采用鋁合金材料。通過(guò)已有的經(jīng)驗(yàn)知道，鍛件的綜合力學(xué)性能較好，優(yōu)于同種材料的鑄件。因此，履帶板制件的材料可采用鋁合金通過(guò)鍛造工藝研制。履帶板具有局部凸臺(tái)和筋等結(jié)構(gòu)，屬于較復(fù)雜鍛件,因此準(zhǔn)確合理地進(jìn)行成形工藝參數(shù)的設(shè)定是確保鍛件成形質(zhì)量的關(guān)鍵。經(jīng)自由鍛得到的坯料形狀尺寸不精確、質(zhì)量不穩(wěn)定，所得鍛件易出現(xiàn)裂紋、折疊等缺陷,鍛件質(zhì)量難以保證。本文根據(jù)履帶板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及鋁合金鍛造特性，研究并設(shè)計(jì)出液態(tài)模鍛工藝，通過(guò)合理的模具設(shè)計(jì)和液態(tài)模鍛技術(shù)各項(xiàng)工藝參數(shù)的制定，得到合理的鋁合金2A14履帶板液態(tài)模鍛工藝[1]。

液態(tài)模鍛技術(shù)能夠成形復(fù)雜，薄壁等形狀的零件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，零件的力學(xué)性能較高，同時(shí)，它又是一種近凈成形技術(shù)，大大減少了材料的浪費(fèi)，為綠色生產(chǎn)開(kāi)辟了新的道路。

本文以2A14鋁合金材料為研究對(duì)象，采用液壓模鍛技術(shù)成形負(fù)重履帶板,制定了合理的履帶板成形工藝參數(shù)，并測(cè)試其力學(xué)性能[2]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

2A14屬于Al-Mg-Si-Cu系合金，是鍛造鋁合金。屬于硬鋁合金的一種材料，具有良好的切削性能，電阻率、點(diǎn)焊和縫焊性能優(yōu)良，同時(shí)，又可以承受較大的載荷，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。通過(guò)相關(guān)資料可知：2A14的固相線溫度為510℃，液相線溫度為638℃，因此其固液共存區(qū)間為128℃。該合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 鋁合金2A14的化學(xué)成分

1.2 液態(tài)模鍛的模具設(shè)計(jì)

在液態(tài)模鍛工藝中，模具的結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。它關(guān)系到零件能否完整成形，同時(shí)又決定了零件的質(zhì)量，因此液態(tài)模鍛對(duì)模具結(jié)構(gòu)提出很高的要求。必須根據(jù)履帶板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的分模形式和模具結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)成形設(shè)備為Y32—300型萬(wàn)能液壓機(jī)，綜合考慮履帶板零件和液壓機(jī)要求，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液態(tài)模鍛成形履帶板模具圖

由于履帶板上有一個(gè)70mm的凸出部分，尺寸較大且薄，實(shí)際工作中，對(duì)該部位的力學(xué)性能要求較高。在液態(tài)模鍛成形中，受金屬流動(dòng)性的影響，容易出現(xiàn)型腔充不滿的情況。因此，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，將凸模設(shè)計(jì)成分體式，同時(shí)，在模具中開(kāi)設(shè)相應(yīng)的排氣槽和增加碟形彈簧，確保此部位的輪廓清晰完整且力學(xué)性能滿足要求。

模具的工作原理：成形前，先將模具型腔內(nèi)噴涂石墨涂料，便于脫模。將鋁合金熔煉到預(yù)設(shè)溫度使之成為液態(tài)，將金屬液澆注到模腔。待合金液體溫度下降到一定溫度，分體式凸模下壓施加壓力，在碟形彈簧13的作用下，內(nèi)凸模4先作用，施加壓力使金屬液在壓力作用下充填模具型腔并開(kāi)始結(jié)晶。隨著壓力機(jī)行程的增加，外凸模3也開(kāi)始作用，保壓一定的時(shí)間，金屬在壓力作用下產(chǎn)生了塑性變形，最終形成組織致密的履帶板制件。成形過(guò)程結(jié)束后，凸模在壓力機(jī)的作用下上移，通過(guò)頂桿8將零件頂出。

1.3 模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

綜合零件的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能要求，合理的模具結(jié)構(gòu)是確保零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

1.3.1 分模面

分模面位置的選取，應(yīng)能保證順利將零件頂出，同時(shí)還要兼顧盡量減少加工量的要求，根據(jù)履帶板的結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)計(jì)一個(gè)水平的分模面。

1.3.2 凸、凹模間隙

在設(shè)計(jì)模具間隙時(shí)，主要考慮兩個(gè)方面的因素：一是型腔內(nèi)氣體的順利排出，二是防止充填過(guò)程中金屬飛濺造成安全事故。

如果模具間隙太大，金屬液體在充填型腔的過(guò)程中，產(chǎn)生飛濺、溢出等，而且在間隙處會(huì)形成縱向毛刺，從而阻礙沖頭的下移，金屬液體受到充填壓力不足，影響零件的尺寸輪廓的完整。而且，毛刺還會(huì)增加模具磨損，使間隙越來(lái)越大。

如果模具間隙過(guò)小，造成型腔底端排氣困難，一是氣體阻礙金屬液的流動(dòng)，難以順利充填型腔，二是造成零件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔，外部可能產(chǎn)生氣體凹陷，造成零件缺陷。過(guò)小的模具間隙還會(huì)使凸模和凹模在運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)產(chǎn)生碰撞，損傷模具。

因此，合理的模具間隙非常關(guān)鍵，它與加壓速度、壓力大小以及工件尺寸都有關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)履帶板的尺寸和成形中的壓力，選擇模具間隙為0.3mm。

1.3.3 脫模斜度

液態(tài)模鍛成形履帶板的過(guò)程中，金屬液在壓力下凝固后收縮，零件緊緊包裹在凸模和型芯上，造成脫模困難。對(duì)于鋁合金件，設(shè)置脫模斜度為3°。

1.3.4 收縮率

在液態(tài)模鍛件的設(shè)計(jì)中，要充分考慮到鋁合金材料的收縮率。其值與諸多因素相關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)取0.005。

模具的型腔內(nèi)充滿氣體，在液態(tài)模鍛過(guò)程中，液態(tài)金屬順利充填型腔，氣體會(huì)從模具內(nèi)部的排氣孔和分型面之間的間隙順利排出，否則，將影響液態(tài)金屬的充填過(guò)程，使零件內(nèi)部卷入氣體產(chǎn)生氣孔、縮洞等缺陷，嚴(yán)重的情況會(huì)阻礙液體流動(dòng)，不能獲得輪廓清晰的模鍛件。根據(jù)履帶板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證充填過(guò)程順利進(jìn)行，再增加一個(gè)排氣塞。

1.4 液態(tài)模鍛工藝參數(shù)的選擇

在液態(tài)模鍛工藝成形履帶板時(shí)，除了合理的模具結(jié)構(gòu)，影響零件質(zhì)量的一個(gè)重要因素是工藝參數(shù)的設(shè)定。合理的工藝參數(shù)，是得到高質(zhì)量鍛件的保證。

1.4.1 成形壓力

成形過(guò)程中，施加的壓力大小影響鍛件的質(zhì)量。單位面積上需要的壓力大小與加壓的方式、半成品件的形狀、零件的結(jié)構(gòu)和尺寸以及材料的性能都有很大關(guān)系。

成形中如果單位壓力過(guò)小，在充填過(guò)程中就沒(méi)有足夠的壓力推動(dòng)液態(tài)合金流動(dòng)充滿型腔。另外，合金在凝固過(guò)程中受到的壓力過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，零件的致密度不夠，因此其力學(xué)性能就不能滿足使用要求。

但是，如果單位壓力過(guò)大，成形過(guò)程中就要求采用大噸位的設(shè)備，增加了成本。并且，過(guò)高的單位成形壓力并不能顯著提高零件的性能，相反還容易損壞模具。

其中：表示通脹，R、Y、пp為的穩(wěn)態(tài)值，ρr、ry、rp分別為名義利率平滑系數(shù)、名義利率對(duì)產(chǎn)出缺口的反應(yīng)系數(shù)以及名義利率對(duì)通脹的反應(yīng)系數(shù)；為貨幣政策沖擊。

液態(tài)模鍛成形中壓力值的確定主要是通過(guò)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)履帶板零件的尺寸和材料，選成形壓力為80～100MPa。

1.4.2 開(kāi)始加壓時(shí)間

開(kāi)始加壓時(shí)間是指液態(tài)合金注入模具型腔自然冷卻和凝固到開(kāi)始加壓這段時(shí)間間隔。通常情況下，在合金的熔融狀態(tài)下加壓成形效果較好。因此開(kāi)始加壓時(shí)間應(yīng)在液態(tài)合金的溫度不低于固相線溫度為準(zhǔn)，開(kāi)始加壓時(shí)間與合金的液態(tài)溫度有關(guān)，同時(shí)，模具的預(yù)熱溫度和型腔的復(fù)雜程度影響也開(kāi)始加壓時(shí)間。

如果過(guò)早加壓，液態(tài)合金溫度高，加壓時(shí)會(huì)造成金屬液體的飛濺。如果過(guò)遲加壓，液態(tài)合金在模具型腔內(nèi)結(jié)晶，在液態(tài)金屬中出現(xiàn)固、液相共存，合金的流動(dòng)比較困難，增加了成形壓力和變形抗力，使零件容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，同時(shí)，零件的強(qiáng)度和延伸率也會(huì)降低。

在實(shí)際的成形過(guò)程中，由于液壓機(jī)有一定的行程，且運(yùn)動(dòng)速度較慢，此段時(shí)間作為開(kāi)始加壓的時(shí)間比較合適。也就是說(shuō)，在澆注完成后，就可以啟動(dòng)液壓機(jī)的凸模運(yùn)動(dòng)。

1.4.3 加壓速度

加壓的速度是指凸模開(kāi)始接觸到液態(tài)合金以后的運(yùn)動(dòng)速度。液態(tài)模鍛成形中，凸模在液壓機(jī)的帶動(dòng)下，以一定的速度將壓力施加于合金上，以讓合金在壓力下結(jié)晶和產(chǎn)生塑性變形。

零件的形狀尺寸、合金的種類、澆注的溫度和模具的預(yù)熱溫度都對(duì)加壓速度產(chǎn)生影響。在實(shí)際生產(chǎn)中加壓速度取較大的值。凸模較快地給合金施加壓力，有利于液態(tài)合金的結(jié)晶和塑性變形在較短的時(shí)間內(nèi)完成。

但是，加壓速度過(guò)高會(huì)引起金屬液態(tài)的飛濺，在成形過(guò)程中會(huì)卷入過(guò)多的氣體形成漩渦，影響零件的質(zhì)量，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的材料浪費(fèi)。另一方面，如果加壓速度太低，液態(tài)合金較快凝固，使其在壁薄處的充填比較困難，在金屬液流前端的交匯處，還會(huì)出現(xiàn)冷隔紋等缺陷。

一般來(lái)說(shuō)，較大的零件采用的加壓速度大于10mm/s，較小的零件采用的加壓速度大于30mm/s，對(duì)于尺寸較大、形狀復(fù)雜的薄壁零件還應(yīng)采取更大的加壓速度。對(duì)于本液壓機(jī)，只有兩個(gè)速度30mm/s和5mm/s。

1.4.4 保壓時(shí)間

保壓的時(shí)間取決于零件的最大壁厚、所用材料。同時(shí)，零件的形狀復(fù)雜程度、澆注時(shí)的模具溫度也會(huì)影響保壓時(shí)間。通過(guò)保壓，使合金在壓力下充分充填型腔和完成結(jié)晶，得到尺寸完整、整體質(zhì)量較高的零件。

如果保壓時(shí)間短，零件內(nèi)部的合金還沒(méi)有完全結(jié)晶，鍛件內(nèi)部沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)縮，在內(nèi)部就容易產(chǎn)生孔、洞等缺陷，零件的致密度降低，力學(xué)性能低。而如果過(guò)長(zhǎng)延長(zhǎng)保壓時(shí)間，會(huì)造成材料內(nèi)部的凝固收縮和脫模困難，同時(shí)零件的工藝周期延長(zhǎng)，降低模具壽命。

在保證零件完全充填和結(jié)晶的條件下，采取較短的保壓時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，液態(tài)模鍛成形時(shí)，保壓時(shí)間一般取金屬模重力澆注的1/3左右。最大保壓時(shí)間不超過(guò)1s/mm。在履帶板的液態(tài)模鍛成形中，將保壓時(shí)間定為40s。

1.4.5 模具預(yù)熱溫度

在液態(tài)模鍛生產(chǎn)中，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱。如果模具沒(méi)有預(yù)熱而直接進(jìn)行液態(tài)金屬的澆注，那么液態(tài)金屬和模具之間的溫差較大，液態(tài)合金的溫度會(huì)急劇降低而凝固，無(wú)法充填型腔。但是，如果將模具預(yù)熱到過(guò)高的溫度，則會(huì)降低模具的壽命，也不利于噴涂石墨潤(rùn)滑劑，同時(shí)會(huì)延長(zhǎng)保壓時(shí)間，降低生產(chǎn)效率。

模具的預(yù)熱溫度影響成形零件的質(zhì)量和模具的壽命。在液態(tài)模段中，模具的預(yù)熱溫度應(yīng)更加嚴(yán)格的控制。

液態(tài)模鍛的成形工藝中，一般將模具的預(yù)熱溫度設(shè)為250℃～300℃。本實(shí)驗(yàn)中將模具的預(yù)熱溫度設(shè)定為280℃。采用電阻圈加熱，因?yàn)殡娮杈€圈加熱速度可以控制，保證模具溫度均勻。

1.4.6 合金的澆注溫度

合金的澆注溫度對(duì)履帶板的性能有很大的影響。澆注溫度過(guò)高，易產(chǎn)生縮孔，澆注溫度過(guò)低，由于鋁合金非常容易凝固，成形時(shí)需要較大的壓力。必須指出：液態(tài)模鍛生產(chǎn)鋁合金制件的澆注溫度比砂型鑄造要低。一般從節(jié)約成本和提高零件內(nèi)部質(zhì)量考慮，希望澆注溫度越低越好。因?yàn)樵谳^低的澆注溫度下，氣體比較容易從合金液體內(nèi)部排出，就消除了氣孔缺陷，澆注溫度較低，還可以減少金屬的溢出，從而減少毛刺。根據(jù)2A14合金相圖，選擇澆注溫度為740℃。

在成形之前，先用電阻加熱的方式將坩堝加熱到200℃，噴涂ZnO涂料，繼續(xù)加熱至550℃，裝入鋁合金料，全部熔化之后再加精煉劑。同時(shí)，為了更好地除渣、排氣，不斷上下抖動(dòng)勺子然后靜止5～10分鐘，拔去液面上的浮渣。

1.4.7 潤(rùn)滑劑

在模具表面噴涂潤(rùn)滑劑是對(duì)模具的保護(hù)，減少金屬液體的溫度向模具傳導(dǎo)，同時(shí)能提高零件的表面質(zhì)量和利于脫模。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，對(duì)潤(rùn)滑劑的選擇有一定的要求：①良好的隔熱和潤(rùn)滑性能；②耐高溫高壓；③較好的化學(xué)穩(wěn)定性；④附著強(qiáng)度高和較好的涂覆性；⑤來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，配制簡(jiǎn)便。因此在本實(shí)驗(yàn)中采用水基石墨潤(rùn)滑劑。其配置方法如下：取200～300目的石墨粉10份，加入85份水中，再加入5份水玻璃攪拌均勻。使用時(shí)用噴槍將潤(rùn)滑劑均勻噴涂在模具型腔表面。厚度為0.1mm左右。

2 結(jié)果與討論

在液壓機(jī)上，通過(guò)液態(tài)模鍛的工藝制得履帶板，如圖2所示。零件的輪廓完整清晰，表面較為光滑，尺寸精度較高。尤其是履帶板零件上70mm的凸起部位，形狀完整，表面光滑。

圖2 成形的履帶板零件

對(duì)液態(tài)模段成形的履帶板件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定其抗拉強(qiáng)度。在履帶板的基體上取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣（厚度為2mm）。試樣的外觀尺寸如圖3所示。

圖3 拉伸試樣尺寸示意圖

本實(shí)驗(yàn)將同時(shí)測(cè)試熱處理對(duì)履帶板性能的影響。為了方便對(duì)比數(shù)據(jù)，制備了兩組拉伸試樣，第1組不進(jìn)行熱處理，第2組進(jìn)行熱處理，采用的處理制度為：510℃×2h（固溶）+160℃×10h（時(shí)效）。固溶之后水淬，隨后放入160℃的電阻爐內(nèi)時(shí)效10h，再室溫空冷。

將兩組試樣在CSS-88000萬(wàn)能拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。該設(shè)備的精度為5‰，傳感器的壓力單位為5t。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示。試樣在拉伸過(guò)程中的變形如圖4所示。

表2 履帶板的力學(xué)性能

圖4 履帶板拉伸性能測(cè)試曲線

可以看出，鋁合金材料在拉伸過(guò)程中經(jīng)歷了彈性變形，塑性變形。很快就進(jìn)入斷裂分離階段。

對(duì)比圖4的兩條曲線明顯發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)熱處理之后的試樣，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有很大的提高?？估瓘?qiáng)度為354.370MPa，提高了76.8%。屈服強(qiáng)度為290MPa，提高了131%，這充分說(shuō)明對(duì)液態(tài)模鍛件進(jìn)行熱處理，可以大大提高鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。但是在延伸率方面有所下降，降低了3%。根據(jù)履帶板零件的設(shè)計(jì)指標(biāo)，其塑性指標(biāo)要大于4%，抗拉強(qiáng)度大于320Mpa。從測(cè)試結(jié)果看，能滿足使用要求。

由以上測(cè)試結(jié)果可以看出，液態(tài)模段成形履帶板零件，拓寬了鋁合金2A14履帶板的生產(chǎn)方式，為液態(tài)模鍛成形形狀復(fù)雜、薄壁的大型零件，提供了技術(shù)支持。

3 結(jié)論

①通過(guò)合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)設(shè)置，成功采用液態(tài)模鍛工藝制得2A14鋁合金履帶板。

②對(duì)履帶板進(jìn)行熱處理工藝并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，在經(jīng)歷了固溶加時(shí)效的熱處理制度后，零件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有了很大的提高，分別提高了76.8%和131%。