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中北大学学位论文 h a l6 0 1 1 铝黄铜止推轴承座精密成形研究 摘要 铝黄铜止推轴承座是发动机涡轮增压器的重要组成部件，其质量优劣直接影响涡轮 增压器的性能和寿命。目前，国内多采用粉末冶金制造和机加铸态锡青铜工生产，产品 质量低劣，而国外已经开始采用高耐磨铝黄铜挤压成形该零件，使其性能得到了大大提 高。该课题最终实现了用挤压技术成形铝黄铜止推轴承座的目的，大大提高了该产品质 量、节约了原材料，降低了生产成本。本文具体解决了如下问题： 1 、确定合理的变形温度与应变速率。依据本实验室所作的h a l6 0 一卜l 高耐磨铝黄 铜压缩试验，对不同应变速率和不同温度下该合金的压缩力学性能和试样微观组织进行 了分析，得出了7 5 0 为该金属比较合理的塑性变形温度，0 1 s 以应变速率下变形时金 属微观组织比较理想。 2 、折叠缺陷的产生原因和解决方案。止推轴承座挤压成形过程中，对应底面两个 凸起在内壁上产生了折叠凹陷，本文通过数值模拟方法和物理试验方法证明：折叠缺陷 的产生原因是折缝周围的金属呈“握紧手的趋势流动；解决的方法是在凸模的对应位 置上增加凸起，从而破坏金属呈“握紧手”流动的趋势。凸起的合理尺寸为宽度与凸模 的台阶吻合，弧度最大为5 8 5 。，厚度最小为5 m m 。 3 、确定与凸模顶面接触的金属是否产生径向流动。挤压成形过程中，如果与凸模 顶面接触的金属不产生径向流动，成形出的轴承座上的花瓣沟槽和凸模顶端的花瓣凸起 才一致；如果产生径向流动，花瓣沟槽就会被拉长，因此确定与凸模顶面接触的金属是 否产生径向流动决定我们能否一步成形出轴承座，本文通过数值模拟和物理试验方法证 明：与凸模顶面接触的金属不产生径向流动，可以采用一步成形，花瓣沟槽不会被拉长。 4 、挤压速度的确定。我们用不同的挤压速度对挤压过程进行数值模拟，分析凸模 的受力，分析工件成形后的不同等效应力和等效应变的分布，最终发现挤压速度为 0 1 m s 凸模做功最小，残余应力最小，组织比较均匀。 最终，总结了一套完整的铝黄铜止推轴承座挤压生产工艺。 关键词：铝黄铜止推轴承座挤压工艺研究 中北大学学位论文 s t u d y o nt h ep r e c i s i o nf o r m i n go fh a l6 0 - i - 1a l u m i n u m b r a s st h r u s tb e a r i n gb l o c a b s t r a c t a l u m i n u mb r a s st h r u s tb e a r i n gb l o c k sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n tp a r t si nt u r b o c h a r g e r i t s q u a l i t yi m p a c t so nt h e l i f eo ft u r b o c h a r g e r d i r e c t l y ，a tp r e s e n t ，m u c hd o m e s t i c m a n u f a c t u r e r su s et h ep o w d e rm e t a l l u r g yw a yo rm a c h i n i n gt h ec a s tb r o n z ep r o d u c i n gt h e p a r t s ，i t sq u a l i t yi sp o o r f o r e i g nm a n u f a c t u r e r sh a v eb e g u nt ou s eh i g hw e a r - r e s i s t a n t a l u m i n u mb r a s sp r o d u c i n gt h ep a r t sb ye x t r u s i o nw a y i t sp e r f o r m a n c eh a sb e e ng r e a t l y e n h a n c e d t h i sp a p e ra c h i e v e dt h ep u r p o s et of o r mt h ea l u m i n u mb r a s st h r u s tb e a r i n g b l o c k sb yt h ee x t r u s i o np r o c e s s t h i sp r o c e s sc a ng r e a t l yi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t ya n d s a v i n gr a wm a t e r i a l sa n dr e d u c ec o s t s t h i sp a p e rs o l v e st h ef o l l o w i n gs p e c i f i ci s s u e s ： 1 f i n d i n gt h ep r o p e rt e m p e r a t u r ea n dt h ep r o p e rs t r a i nr a t eo fm e t a ld e f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t st oh a l6 0 - 1 - - 1h i g hw e a r r e s i s t a n ta l u m i n u m b r a s sd o n eb yp r e d e c e s s o r ，w ea n a l y z e dt h em e t a l sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e b yu n d e rt h ed i f f e r e n ts t r a i nr a t e sa n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，w ef o n dt h e7 5 0 。ci st h ep r o p e r e x t r u s i o nt e m p e r a t u r e ，t h em i c r o s t r u c t u r eu n d e r0 1 s s t r a i nr a t ei sb e t t e r 2 t h er e a s o no ft h ef o l d i n gd e f e c t sa n dt h ew a y st oa v o i d i nt h ep r o c e s s e so ff o r m i n gt h ep a r t ，t h e r ea r et w of o l d i n gd e f e c t si nt h ei n n e rw a l lo ft h e b l o c k w eu s e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d p h y s i c a lt e s tm e t h o d st op r o v et h a tt h er e a s o ni s t h em e t a la r o u n dt h ef o l d sf l o w i n gb yt h e ”c l e n c h e dh a n d ”t r e n d t h ew a y st oa v o i di ti s a d d i n gc o n v e xo nc o r r e s p o n d i n gp o s i t i o no ft h ep u n c hi no r d e rt ob r e a kt h e ”c l e n c h e dh a n d ” t r e n do fm e t a l sf l o w t h ep r o p e rs i z eo ft h ec o n v e xi s ：o u t l i n ei ss a m et ot h es t e po fp u n c h ， m a x i m u mc u r v a t u r ei s5 8 5o a n dm i n i m u mt h i c k n e s si s5 m m 3 p r o v e dt h em e t a lc o n t a c t i n gw i t ht h ep u n c h st o ph a v ear a d i a lf l o wo rn o t i nt h ep r o c e s s e so ft h ep a r t sf o r m i n g ，i ft h em e t a lc o n t a c t i n gw i t ht h ep u n c h st o ph a s n t r a d i a lf l o w ，t h eo u t l i n eo ft h ee i g h tp e t a l sg r o o v e so nt h eb l o c ks h o u l db es a m ew i t ht h eo u t 2 中北大学学位论文 l i n eo fe i g h tc o n v e x e so nt h et o po fp u n c h ，o nt h eo t h e rh a n d ，i ft h em e t a lc o n t a c t i n gw i t ht h e p u n c h st o ph a sr a d i a lf l o w ，t h eo u t l i n eo ft h ee i g h tp e t a l sg r o o v e ss h o u l db ee l o n g a t e d s o ， t h em e t a lc o n t a c t i n gw i t ht h ep u n c h st o ph a v ear a d i a lf l o wo rn o tw i l ld e t e r m i n e di fw ec a n f o r mi tb yo n es t e p ，t h e nw eu s e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a lt e s t t op r o v et h a t t h e r ea r en or a d i a lf l o we x i s t ，f o r m i n gi tb yo n e s t e pi sa v a i l a b l e 4 f i n d i n gt h ep r o p e re x t r u s i o ns p e e d w eu s en u m e r i c a ls i m u l m i o nt os i m u l a t et h ee x t r u s i o np r o c e s si nd i f f e r e n te x t r u s i o ns p e e d ， a n a l y z e dt h ef o r c eo fp u n c h ，a n a l y z e dt h ed i f f e r e n te q u i v a l e n ts t r e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i n ，w e f o u n dt h a tw h e nt h ee x t r u s i o ns p e e di s0 1 m s ，t h ew o r ko ft h ep u n c hi ss m a l l e s ta n dt h e r e s i d u a ls t r e s si ss m a l l e s t ，o r g a n i z a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ei sm o r e e v e n l y f i n a l l y ，w es u m m e du pas e to fa l u m i n u mb r a s st h r u s tb e a r i n gb l o c k s e x t r u s i o np r o c e s s k e yw o r d s ：a l u m i n u mb r a s s ，t h r u s tb e a r i n gb l o c k s ，e x t r u s i o np r o c e s s ，s t u d y 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 隰珥丑二一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 复1 - - 1 ：皿 i 日期： 导师签名：邀选艮 日期： 兰翌：坌：兰 中北大学学位论文 1 1 铝黄铜的应用 第一章综述 铜及其合金被广泛地应用于电器、机械、车辆、船舶工业民用器具等方面，是现代 工业、农业、国防和科学技术不可缺少的有色金属。近年来，一些使用环境比较恶劣的 场合对工程材料提出越来越高的要求。简单黄铜、简单铝黄铜及简单锰黄铜已不能满足 实际的使用要求，迫使材料设计人员根据不同的特殊需求来设计出更多的合格新合金。 尤其是航空、航海及汽车等工业对耐磨、耐冲蚀、高强度的复杂黄铜的迫切要求，使得 各国对这一领域投入了大量的人力、物力，相继开发、研制出了一批新牌号的合金。随 着军用及民用等近代科学技术的飞速发展，对各种特殊用途的材料的需求越来越强烈。 复杂黄铜做增压器的止推轴承是近年来国际上发展起来的，因此，高强度耐磨黄铜的研 究与发展是材料工业为适应使用者的要求而开发的一个新领域。 黄铜具有良好的工艺性能、机械性能、耐蚀性能、导电和导热性，黄铜还具有价格 便宜、色泽美丽的优点，是有色金属中应用最广的合金材料之一。属于多元黄铜，为了 提高黄铜的耐蚀性能、机械性能或切削加工性能，在二元黄铜中加入少量锡、铅、锰、 铁、镍、铅等元素。h a l6 0 1 - 1 属于c u - z n - a 1 一f e 系铜合金，在黄铜中加入少量的铝能 在合金表面形成坚固的氧化膜，提高合金对气体、溶液，特别是对高速海水的耐蚀性， 并能提高合金的强度和硬度t i l l 。 1 2 止推轴承座的作用和要求 近年来，随着汽车工业的发展，对车用发动机提出了更高的要求，涡轮增压发动机 的出现显著的提高了发动机的性能。它具有低排放，低能耗，燃油经济性好，在相同配 置可以保证更长的行驶早程；对高海拔适应能力强，能够在低温环境下冷起动，并能高 寒和高热环境下稳定运行等优点。然而，涡轮增压器的可靠性和耐久性直接影响着发动 机的可靠性和耐久性；由于涡轮增压器工作转速高，工作环境恶劣，其可靠性的问题也 中北大学学位论文 越来越突出。经调查，增压器故障中有相当一部分是由于止推轴承组件失效引起嘲。止 推轴承组件失效的原因是在发动机启动和停车的一瞬阃，发动机高速运转的工况下，产 生供油滞后造成金属问的干摩擦而出现烧结或粘卡现象，致使止推轴承报废吲。它的良 好的物理一力学性能和优异的摩擦磨损特性是决定整台发动机工作高可靠性，耐久性的 关键部件。 1 3 国外止推轴承座生产的现状 目前，国外通过改善止推轴承和轴承座加工工艺，极大地提高了它的性能和寿命， 从而改善整机的性能。例如，英国阿尔斯通涡轮增压器公司设计的n a p i e r 2 9 7 、3 5 7 、4 5 8 、 5 5 8 系列，第四代r 系列径式和m 系列轴式涡轮增压器，就采用了挤压工艺制造的止推 轴承组件，使用普通发动机润滑油润滑，就使得轴承寿命高达2 0 0 0 0 小时p 1 ；瑞士a b b 涡轮系统公司生产的t p s 、t p l 系列涡轮增压器采用挤压止推轴承座，其高的耐磨性和 抗变形性使其抗轴压能力增大，可满足增压器要求的高压比和高比容流率，从而可使发 动机的效率达到8 8 ，总效率达到7 5 ，连续压比达到5 1 。美国的m a n b & w 公司研制的 系统适用于1 6 5 0 - 2 4 5 0 0 千瓦发动机的n a s t 9 系列轴式涡轮增压器也采用了挤压成形 的止推轴承座p 1 。德国k k k 公司研制的p t r 系列增压器由于采用挤压铝黄铜轴承座，比 以前拥有更高的效率和压缩比；法国生产的n g t 系列涡轮增压器( h s 5 8 0 0 、4 8 0 0 、6 8 0 0 等型号) 专门用于功率范围在1 0 0 0 - 9 0 0 0 千瓦高中速发动机，其轴承座的生产也是采用 的塑变工艺p 1 。为了满足大容量化要求，混流涡轮技术是涡轮增压器的发展方向之一， 应用也逐渐增多，例如日本i h i 公司在r h - 3 发动机上就采用了混流涡轮增压器，其中 的轴承座也是用铝黄铜和铅青铜经过塑性变形而成的，它的优点是压缩机比压高，发动 机的输出功率大。 图卜1 是增压器上采用的止推轴承座。从图中可以看出，止推轴承座是属于形状复 杂、多台阶，多沟槽的零部件，它对几何尺寸尤其是形位公差尺寸要求严格。由于承力 斜楔的位置、角度以及进油孔的大小是油楔形成的关键要素，因此在加工中必须确保凸 2 中北大学学位论文 台斜坡的角度，斜油孔位黄以及两个止推面的平行度和平面度。 否吣 ， 、。：二 饕 幽1 - 1j t 推轴承座 f i 9 1 - 1 t h r u s t b e a r i n g b l o c k 1 4 国内止推轴承座生产面i 晦的主要问题 帮 在我国，随着汽车行业的快速发展，对涡轮增压器的数量和质量需求也呈快速增长 趋势”。为适应高稳定性、长寿命的需求，涡轮增压器的轴承类零件采用挤压精密成形 技术是有效途径之一。目前，国产发动机增压器生产工艺相对落后其中止推轴承座组 件一直采用粉末冶金和熔炼锡青铜棒材机加工产品，堆大缺点是自润滑性能差，在发动 机启动和停车的一瞬自j ，在高速运转t 况下供油滞后极易造成金属问的干摩擦，出现烧 结或粘卡现象，致使整台装_ 苒：报废。同时，山于该产品形状复杂，精度要求高，机加工 生产将造成大量原材料、能源、工时、机床等浪费。生产效率低、成本较高。如果依赖 进口，其成本和供应周期比较大。 塑性变形技术生产铝黄铜止推轴承座是近年来固际上发展起柬的。对国内柬讲， 此项工作则处于刚刚起动的阶段，现在仪仪是做了埘类似h a l6 0 1 一l 高耐膊锅黄铜台盒 的本身组织和性能驶热加工性能的初步研究，但是对具体的加【：i 艺研究尚未起步冈 此目前我田还不能完成用挤压技术生产铝黄铜【l 推轴承座。 15 本课题的研究目的和意义 本项同研制的用h j6 0 一卜】铸棒精密挤压成形止推轴承脏技术采用模具化批吊生 r ”o f , f l ：t - 均成奉较低，空删曲而次成形h 有材料利用# “、生产效率高、纤维卦l 织 连续，埘群竹奸、强度高等特 0 c j ! 增爪器技术混流涡轮技术进步，涡轮效率比径 中北大学学位论文 流涡轮平均高出5 0 ，轴承系统效率的提高，使轴系机械效率达9 5 ，大大改善发动机 低速工况性能，改善增压器加速性，增压器轴方向可任意布置，促使了发动机和增压器 整机向小型化、静音化、燃油高效、模块化、高适应性能、高可靠性、稳定性发展，最 终替代进口，完全国产化，提高我国增压器发展水平，满足车辆对发动机更新换代要求。 经过数值模拟和物理试验总结h a l6 0 - 1 - 1 铝黄铜止推轴承座挤压成形过程中的变形 规律和金属流动规律，改善加工工艺，优化模具结构，最终，开发出一套具有自主知识 产权的挤压轴承板成形技术，通过该技术生产的产品可以满足车用发动机的要求，达到 替代进口的目的。 1 6 该课题所作的内容 该课题研究的主要内容是铝黄铜止推轴承座挤压成形工艺，具体内容如下： 1 、铝黄铜的变形行为研究。经过查阅和整理相关资料，总结前人对铝黄铜变形行 为的研究成果，最终确定挤压成形铝黄铜止推轴承座合理的挤压温度、挤压速度、变形 程度等参数。 2 、设计成形方案。 3 、成形过程中金属流动规律研究。通过数值模拟，进行有限元分析，分析金属的 流动规律和缺陷的形成原因，形成结论指导模具的优化和工艺的改善。 4 、设计合理模具，进行生产试验。根据试验结果和模拟结果，不断优化模具结构， 改善工艺。 最终，总结一套铝黄铜止推轴承座的生产工艺，达到提高成品性能，降低能源消耗、 节约原材料、提高生产效率的目的。 4 中北大学学位论文 第二章h a l6 0 - 1 - 1 铜合金的变形行为研究 2 1h a l6 0 - 卜1 铝黄铜合金的成分组织性能 2 1 1h a l6 0 - 1 - 1 铝黄铜合金的成分 单纯的铜锌二元合金称普通黄铜( c u - z n 二元相图如图1 - 2 1 3 1 ) ，在铜锌二元合金基 础上加入少量锰、铝、铁、硅、铅、锡、镍等元素，称为复杂黄铜 i s l 。h a l6 0 一i - i 铝黄 铜属于复杂黄铜，其成分如表2 - i 所示【1 8 】。 表2 - 1h a l6 0 - 1 - 1 铝黄铜化学成分 t a b l e2 - 1h a l6 0 i - 1a l u m i n u mb r a s sc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 成分 c ua 1f em ns ip bs nb iz n 含量 6 0llo 1 一o 6o 50 40 0 10 0 0 2余量 n 图2 - 1c u z n 二元相图 f i 9 2 1c u z nb i n a r yp h a s ed i a g r a m 2 1 2h a l 6 0 一卜1 铝黄铜各主要成分元素对黄铜合金组织和性能的影响 1 、c u 和z n 这两个是基本元素；固态下因为z n 的含量在5 0 以下，因此只涉及到 q 、b 两个相。q 相足锌溶于铜中的固溶体，晶格与铜相同，呈面心立方品格，塑性很 好，容易承受各种冷热压力加工。b 相是以电子化合物c uz n 为基的固溶体，具有体心 5 中北大学学位论文 立方晶格。b 相在4 5 4 4 6 8 。c 以下转变为有序相卢7 ( 铜原子占据晶胞顶角，锌原子占据 晶胞中心) 。此有序化转变进行很快，自1 3 相区淬火亦不能抑制其进行，有序化后，合 金塑性降低，冷加工较困难。高温的无序固溶体1 3 相，塑性较好，故对含卢相的黄铜进 行压力加工时，应加热至1 3 相区进行【1 7 1 。 2 、a 1 是固溶强化元素，加a 1 的主要目的是提高合金的强度和调整q 1 3 两相的体积 百分数，a 1 是高强耐磨黄铜中的重要合金元素。图2 2 ( f i 9 2 2 ) 是铜一锌一铝系在8 0 0 ，6 0 0 ，4 0 0 ，2 0 的等温截面。由这些相图可知：铝显著缩小q 相区，铝和锌当 量系数高形成1 3 相的趋势大，可提高合金的机械强度。但若添加量超过5 o ，就容易产 生硬而脆的y 相，对合金的性能有害。相反，若添加量不足0 1 ，也不会出现强韧效果 【1 7 1 。 2 终 ( a ) 2 0 等温截面 匕筠 ( c ) 6 0 0 。c 的等温截面 2 ； ( b ) 4 0 0 。c 的等温截面 ( d ) 8 0 0 。c 的等温截面 幽2 2 铜一锌一铝系在8 0 0 6 0 0 。c4 0 0 。c2 0 。c 的等温截面 f i 9 2 2i s o t h e r m a ls e c t i o no fc u z n a ia t8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 6 中北大学学位论文 3 、f e 和m n 为过渡元素。其作用是形成硅化物或其它高显微硬度的颗粒相，可以提 高合金的耐腐蚀性能。f e 在q 相中的最大溶解度为1 0 ，且溶解度随含锌量的增加而 减小。由于铁的溶解度随温度而变化，因而能造成黄铜具有析出硬化效果。含铁化合物 促使晶粒细化，提高黄铜的机械性能和改善黄铜的减磨性能。但含铁化合物f e z n 。的析 出对黄铜的抗蚀性不利，为消除铁的这种有害作用，铁经常与锰配合使用，以改善抗蚀 性。对晶粒微细化与析出物的均匀分散化有益，但添加量若超过i 0 ，析出物就呈粗大 化凝聚；若添加量低于0 0 5 贝u 得不到上述的效果 1 7 1 。 4 、p b 维持铜合金的优良耐磨性能，同时能使机械加工性特别是切削性提高，添加 量o 1 2 0 时为最佳范围，过量会使韧性降低，低于o 1 时没有起到提高切削性的效 果 1 9 , 2 0 】。黄铜中加入少量的p b 能在合金表面形成坚固的氧化膜，提高合金对气体、溶 液，特别是对高速海水的耐蚀性，并能提高合金的强度和硬度【1 6 l 。 5 、s n 能促使黄铜析出y 相，所以特殊黄铜的锡含量一般控制在1 5 以下。黄铜中 加入1 锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气的腐蚀，并能改善黄铜的被切削加工性 p t ! 。 综上所述，h a l6 0 - 1 - 1 铝黄铜是在二元黄铜中加入少量铝、铁、锰、铅、硅、锡等 元素以提高黄铜的耐蚀性能、机械性能或切削加工性能，从而形成了高强度耐磨铜。 2 2 h a l6 0 - i - i 铝黄铜的塑性变形过程的力学行为研究 针对h a l6 0 - i - 1 铝黄铜铸棒材料的锻造力学性能，我精密成形中心在2 0 0 6 年曾经 做过试验2 。 2 2 1 试验方案 通过采用高温圆柱体压缩实验法进行材料塑性变形过程力学行为的研究，测定不同 条件下压缩变形的流变应力。其方法和结果如下： l 、试验方法：采用轴射称试样进行等温压缩来进行试验，压缩变形后直接用水冷 却； 7 中北大学学位论文 2 、试验仪器：由g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟实验机附自动采集数据系统； 3 、主要变形参数：变形温度分别为6 5 0 * ( 2 ，7 0 0 。c ，7 5 0 * ( 2 ，8 0 0 。c ；应变速率分别为： 0 0 1s 一1 ，0 1s 一1 ，1 0s 一1 ，l os 一1 ： 4 、变形程度为：8 0 。 2 2 。2 试验结果 热模拟曲线如图2 3 ( f i 9 2 3 ) ，真实应力应变曲线如图2 - 4 ( f i 9 2 4 ) 。 皇 氆 ) - 0 00 20 40 6o 81 o1 2 应变 o o 0 20 40 6o 81 0 x 应变 0 00 2n n 6o e1 d x 应变e o 0 o 1o 2o 3o40 50 6o 70 8 o 91o 1 x 心变e 图2 3 热模拟曲线 f i g2 - 3c u r v e sa b o u tt h e r m a ls i m u l a t i o n 8 弱 艏 萄 笛 伯 5 o 。r 通 墨 侣 恤 5 o r 型卜 中北大学学位论文 由图2 - 3 可以看出，真应力随真应变的上升趋势比较大，这说明合金在不同状态下 基本没有发生动态再结晶；只是随着变形温度的升高，应变速率下曲线变得比较平缓， 这说明合金加工硬化对流动应力的增加作用基本被动态回复作用所抵消，动态再结晶基 本没有进行。 r 翻 林 蜮 n oo卫006n 81 o 真实应变 n o似0 40 6a 81 0 x 真实应变 r 翅 林 埘： 0 00 20 40 ，60 8 0 2 真实应变 n o0 20 40 60 卫1 01 2 真实应变 图2 - 4 h a l6 0 - 1 - 1 合金在不同应变条件下的真实应力应变曲线 f i 9 2 4t h et r u es t r e s s - s t r a i nc u r v e so fh a l6 0 1 - - 1 a l l o ya td i f f e r e n tc o n d i t i o n s 由实验曲线图2 - 4 可以看出，在热压缩时流变应力的总体变化规律表现为：在相同 的变形温度下，对不同的应变速率，应变较小时，流动应力随心变的增加而增加，几乎 9 酶 靳 蜡 弘 为 幅 伯 5 o r 通冰球卜 柏 柚 竹 o r 制毯林球 中北大学学位论文 成线性关系，这说明此时加工硬化非常严重。当应变达到1 左右时，曲线出现拐点，流 动应力随着应变的增大而缓慢增高，这说明材料开始发生动态软化，即发生动态回复或 再结晶。当应变达到7 左右时，流动应力基木上保持稳定而与应变无关，这说明材料的 硬化和软化达到了平衡。此外，在变形温度保持不变时，稳态流动应力随应变速率的提 高而增大。综上可以得出如下结论： ( 1 ) h a l6 0 - 1 - 1 铝黄铜热变形时，流变应力曲线存在近稳态流变现象，且随变形温度 的升高流变应力降低，随应变速率的提高流变应力增大。温度对流变应力的影响比应变 速率对流变应力的影响更为显著。 ( 2 ) 在7 0 0 - - - 8 0 0 。c 之间，0 0 1s ，0 1s ，1 0s ，1 0s d 应变速率下曲线平缓，说 明此温度区间内，加工硬化对流变应力的增加作用基本被动态回复作用所抵消。 2 3h a l6 0 - 1 - 1 铝黄铜塑性变形过程微观组织的演变 2 3 1 试验方法 采用光学金相显微镜对合金在不同状态( 铸态和热模拟态) 下的显微组织进行了观察 与分析。金相分析在本学院金相室的n e o p h o t - 2 1 型卧式金相显微镜上进行。实验工序 为：取样一镶嵌一研磨( 水磨砂纸、l 号砂纸、3 号砂纸、5 号砂纸、7 号砂纸) 一抛光一 化学腐蚀一观察显微组织形貌及照相。所用浸蚀剂为：( 铸态) f e c i ，3 ( 1 9 ) + h c l ( 1 0 m 1 ) + 乙醇( 2 0 m 1 ) 。( 加工态) 浓硫酸( 8 m 1 ) + 重铬酸钾( k c r 0 4 ) 2 9 + 7 j ( ( 1 0 0 m 1 ) 2 1 1 。 2 3 2 试验结果 其铸态和挤压态的组织结构、晶粒大小、第二相分布都有所不同。图2 5 ( f i 9 2 5 ) 所示铸态h a l 6 0 - 1 - 1 铝黄铜，其晶粒粗大，硬度不高因而耐磨性较差，挤压念 h a l6 0 一卜1 铝黄铜，其晶粒细小，第二相分和均匀，硬度较高，耐磨性也较好【2 。 对在不同温度和速度下进行热模拟试验的微观组织进行了观测，结果如图2 6 ( f i 9 2 6 ) 所示。变形温度对微观组织有着显著影响，是决定制件组织和性能的基本 参数之一。从图2 6 中可看到变形后的微观组织形貌基本相同。随着变形温度的升高， 组织中q 相发生了q p 的相转变，使得初生q 相的含量有所减少。但由于较高的变 1 0 中北大学学位论文 形温度提供了更多的能景，使得a 相的相界扩散能力增强，有机会吞并附近较小的a 晶粒从而使得a 相晶粒数量减少，但d 相的品粒大小变化不大。从整体上看，随着 变形温度的升高，初生u 相的含量逐步减少a 晶粒的大小先是变化较小而后呈减小 的趋势。在( n + b ) 两相区变形时，变形前加热温度的高低将直接影响变性后组织 中初生a 相的含量。变形温度低于a + 8 一b 转变温度越多，初生c j 相所占的比例就 越人。图2 - 6 ( b ) 为7 5 0 ( 3 下挤压的棒材显微组织，由于是在n + b b 转变温度以上 挤压，挤压终了后，才自b 相中析出d 相。图中白色a 相挤压方向分柿于灰黑色b 相 基体上，黑色颗粒为f e 相。 变形速率对组织有一定影响，过快或过慢均不好。如果变形速率较大一方面材 料的变形抗力增大，会增加能耗；另一方面在变形过程中会产生大量的变形热，会使 变形件内部的实际温度升高甚至局部温度超出合适的变形温度范围，从而使微观组织 恶化。如果变形速率过小，变形过程中的软化机制以动态回复为主，动态再结晶不完 全，会使变形工件的内部微观组织呈现出明显的方向性。如图2 - 6 所示，变形速率对 微观组织中a 相的含量影响不大，但对微观组织中初生a 相的形貌有一定影响。在以 0 1 一的应变速率下变形时，初生n 相晶粒为等轴状，并且比较均匀，这是由于在该 变形条件下发生了完全动态再结晶。而在以1 5 1 的应变速率下变形时，初生n 相晶粒 不会细化。只有往较低的应变速率下变形，控制好工艺规程才可以细化相晶粒。 戆 r i 、占 幽25 i h t6 0 一卜1 台金铸态组绒和挤压态组织 f i g2 - 5h a 6 0 一l 一1a l l o ya s c a ma n de x t r u d e do r g a n i z a t i o n s 中北大学学位论文 a ) ? 5 0 e ，l s 。1( b ) 7 5 0 - o1 s 。1( c ) 7 5 0 ，o 0 ：s 。 凹2 - 6 合金在不同温度和不同应变速率下的金相组织 f i g2 - 6 a l l o y s m i c r o s t m c t u r ea td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n ts t r a i nr a l e $ 2 4h a l6 0 _ 卜1 铝黄铜合金生产推轴承座的优势 h a 6 0 卜1 铝黄铜是耐磨、耐冲蚀、高强度的复杂黄铜台余，具有良好的工艺性能、 机械性能、耐蚀性能、导电和导热性，还具色泽美丽的优点。被广泛地应川于机械、车 辆、船舶 ：业民用器具等方面，是现代工业、粑峨国防和科学技术不可缺少的有色余 属。选择其作为止推轴承座的材料卡要考虑如下儿个方面：1 、具有足够的塑性和韧性 - - t 以保汪与轴配合良好，并能抵抗冲击和振动。2 、具有较低的摩擦系数，”r 以减少轴 颈处的廓损。： 、只有良好的磨合能力，使载荷均匀分m 。4 、具有良好的耐蚀性稿l 导热 一能抵抗荆滑n 1 的腐蚀。5 、辑易制造，价格低廉。 中北大学学位论文 2 5 本章小结 综上可以得出如下结论：h a l6 0 - 1 - 1 合金加工温度应选择在7 5 0 * ( 2 ，应变速率为 0 1s 一- 时最佳，这是由于在该变形条件下q 相晶粒为等轴状，并且比较均匀，合金动 态恢复较平缓，形变强化最低。 13 中北大学学位论文 第三章轴承座挤压成形工艺分析及金属流动规律研究 3 1 轴承座挤压成形方案的设计 3 11 挤压件的设计 如图3 一i 是零件的工程图，图32 为零件的三维造型图，零件中间的孔如果依靠挤 压穿透，会产生极大的流变应力过程考虑到模具的受力情况。将挤压件最终设计为如 图3 - 3 所示。 蟛前辔 图3 1 零什：程图 f i g s 一1p a r se n g i n e e r i n g d r a w i n g s 幽 幽3 - 2 零什维造删蚓幽3 - 3 挤j m , l - - - 维造型酗 h 鲒- 2 p a r t l s3 d m o d e l i n g g r a p hf i 9 3 - 3f o r g i n gp a r t s 3 d m o d e l i n g g r a p h 312 加工方案设计 加工方案一，即两步成形方案。将加工方案设训为两步成形方案即用两套模县， 分预成形和终成形两步进行挤压，第步为预成形，成彤卅除8 个花瓣淘槽以外的零件 豹 一 中北大学学位论文 ( 如图3 一j ) ，第二步为终成形，只成形8 个花瓣沟槽( 如图36 ) 。如此分两步成形而 不采用一步成形( 如图3 - 4 ) ，主要考虑，由于凸模顶端有加工花瓣沟槽的8 个花瓣刀体， 如果在挤压过程中坯料上表面的金属产生径向流动，压m 的花瓣沟槽( 油槽) 就会被拉 长而形成废品。 加工方案二即步成形方案。按照挤压件的外形设计模具，凸模、坯料、凹模的 的位置关系如图3 - 4 所示，经过一次挤压成形。此方案的设计是基于如果与坯料的上表 面金属，即与凸模顶端接触的金属不产生径向流动，就可以采用一步成形方案。 圈磊燕l 皿 啊 餐挚 _ 3 - 4 一步成形方案 f 4o n es t e p f o r m i n g p r o g r a m 3 - 5 一步成形方案一预成形零什幽 3 - 6 二步成形方案终成形零什幽 h 9 3 - 5 t w os t e p sp r o g r a m - - p e r - f o r m i n g p a r t sf i 醪一6 t w os t e p s p r o g r a m e n d f o r m i n g p a r t s 如f ：两套方案是否i 叮行，关键要经过余属流动规律的研究才能确定，金属流动规律 的研究方法有训算机模拟和物理试验模拟两种方法，而堆于有限几分析的计算机模拟方 法u ，以克服物理模拟资金消牦人、实验周期长等缺点。为此，本文拟采用有限几模拟余 中北大学学位论文 属的流动规律。 3 2 金属流动规律研究 3 2 1 有限元分析法简介 采用有限元分析方法来做金属成形过程的计算机数值模拟，能够定量地描述工件 和模具各阶段的受力情况，为模具设计提供依据，并且能够实时预测金属的流动情况， 预测变形过程中可能出现的缺陷，从而在保证工件质量、减少材料消耗、提高生产率 和降低生产成本等方面显示了巨大的优越性【2 4 1 。 1 、有限元法的发展 有限元法是随着高速数字计算机的发展而发展起来的一种求解微分方程的数值方 法。它最先广泛应用于结构力学领域。1 9 4 3 年，c o u r a n t 首次尝试将定义在三角形区域 上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。现代有限元法 的第一个成功尝试是在1 9 5 6 年，t u r n e r 和c l o u g h 等在分析飞机结构时，将刚架位移 法推广应用于弹性力学的平面问题 2 4 1 。1 9 6 0 年，c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题， 并第一次提出了“有限单元法 2 5 1 。1 9 7 4 年，m c m e e k i n g 和r i c e 提出了修正的 l a g r a n g e 有限元法( u l 法) ，加上完全的l a g r a n g e 有限元法( t l 法) 的发展，促进了 弹一塑性有限元法的进一步完善，并解决了塑性加工领域中的一大批实际问题 2 6 1 。1 9 7 3 年，l e e 和k o b a y a s h i 首次提出刚塑性有限元的l a g r a n g e 算法，极大地推进了有限元 法在塑性加工领域的应用 2 7 1 。k o b a y a s h i 及其合作者先后采用刚塑性和刚粘塑性有限 元法分析了镦粗、挤压、轧制等体积成形问题以及板料的拉延、弯曲、缩口等成形工艺 1 2 8 - 3 1 1 。z i e n k i e w i e z 提出了刚塑性有限元的罚函数法，并对稳态挤压、车l n t h 拉拔过程 进行了耦合计算 3 2 1 。r e b e l o 与a l b e r t i 等人则进行了非稳态成形过程的有限元热力耦 合分析计算 3 3 1 。同时有人尝试了晶粒度的预测模拟。w u 和0 h 等人开发了通用化程序 a i 。p i d ( a n a l y s i so fl a r g ep l a s t i ci n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 3 4 1 ，在此基础t 又丌 1 6 中北大学学位论文 发了d e f o r m 系统【3 5 1 。o h 和a l t a n 等应用l p i d 程序对各类成形问题进行了大量的模 拟分析工作。1 9 8 2 年，m o r i 和o s a k a d a 提出刚粘塑性有限元的体积可压缩法，并用于 对挤压、轧制及孔隙材料成形过程的数值模拟【3 6 】。上述工作解决了有限元法在塑性加 工中应用的基本问题。近年来，一些学者对三维金属成形问题进行了深入的研究，进一 步拓宽了有限元法在塑性力n - r _ 领域内的应用范围。在有限元网格自动生成和网格重分算 法方面，1 9 9 0 年，k o p p 和b e c k e r 提出了基于边界投影和迭代过程的二维网格动态划 分算法【3 7 l 。y a n g 和y o o n 建立了适用于复杂型腔的三维网格“模式 重分算法( m o d u l a r r e m e s h i n g ) 3 8 1 。1 9 9 1 年，b l a c k e r 和s t e p h e n s o n 提出了适用于任意边界轮廓的网格 堆砌算法【3 9 1 。1 9 9 3 年，n o b u k i 等提出了适用于有限元热力耦合分析的自适应网格重分