【铝合金精密锻造技术发展研究9300字】

–PAGE28–铝合金精密锻造技术发展研究目录TOC\o"1-3"\h\u11155第1章介绍 211707第2章闭式模锻 316844第3章等温模锻 627374第4章局部加载锻造 924756第5章流动控制锻造 1121265.1用泄压腔控制金属流动 1185585.2辅助力控制金属流动 12261605.3振动增强金属流动 1326548第6章

复合成形技术 16131176.1铸锻复合成形 16251076.2冲压-锻造复合成形 1723596第7章结论和未来工作 19中文摘要铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等优良的物理性能，是航空航天、汽车、兵器等轻量化零件制造的首选金属材料。然而，由于铝合金的变形特点，在锻造过程中容易产生折叠、流线断裂、裂纹、粗晶等宏、微观缺陷，包括可锻温度区窄、对模具散热快、附着力强、应变率敏感性高、变形量大等特性。这就严重制约了锻件获得精确形状及提高性能。本文综述了铝合金零件精锻技术的研究进展。目前已开发出几种先进的精密锻造技术，包括闭式模锻、等温模锻、局部加载锻造、带卸压腔的辅助力或振动加载的金属流动锻造、铸锻复合成形和冲压锻造复合成形。高精度铝合金零件可以通过控制锻造工艺和参数，或将精密锻造技术与其它成形技术相结合来实现。这些技术的发展有利于促进铝合金在轻量化零件制造中的应用。关键词：密锻造；铝合金；闭式模锻；流量控制锻造；复合成形技术介绍近年来，能源消耗和环境污染加剧，节约能源已成为国际共识[1]。轻量化是节能减排的重要途径。据相关研究报告，汽车能耗的60%左右是由汽车自身重量消耗的。当每辆车的总重量减少1%时，油耗可减少约0.6%[2]。能源消耗的减少也可以相应地减少废气排放。在航空航天和舰载武器系统领域，飞机每减轻1公斤重量，所需燃料可减少数十公斤至数百公斤，这也大大增加了续航距离和速度[3]。铝合金具有密度低、比强度高、比刚度大、耐腐蚀性好、储量大、易回收等优点，已成为航空、航天、汽车、兵器、机械制造、船舶等领域应用最广泛的轻质结构材料[4]。高压锻造铝合金零件具有优良的力学性能，是常用的关键轴承结构。然而，铝合金在锻造过程中，由于其变形特点，容易产生欠充、折叠、流线断裂、裂纹、粗晶等宏微观缺陷，这些缺陷包括可锻温度区窄、对模具散热快、附着力强等，应变率敏感性高，流动阻力大[5]。为了获得合格的锻件，传统的锻件往往采用结构简单、飞边率高、切削余量大的设计方法。常用的锻造工艺有自由锻造和开式锻造。从而降低了材料利用率，切断了后续切削过程中的流线，严重损害了零件的力学性能。然而，随着应用条件恶化，性能要求越来越高。此外，功能集成度很高的复杂锻造件正在出现。因此，铝合金锻件正朝着集成化、复杂化、精密化、高性能化方向发展。铝合金精锻是一种先进的金属成形技术，其零件形状和尺寸精度接近或等于最终产品的形状和尺寸精度。机械性能也满足最终产品的要求[6]。精密锻造具有余量小、精度高、材料利用率高、力学性能好等优点，已引起研究人员和企业的高度重视。在过去的四十年里，这项技术经历了实质性的革新。一些新技术，如闭式模锻、等温模锻、局部加载锻造、带减压腔的金属流动锻造、背压或振动加载、铸锻复合成形和冲压锻造复合成形等也已开发出来。综述了铝合金精密锻造技术的发展。此外，还讨论了该技术的发展趋势。闭式模锻闭式模锻的发展始于20世纪70年代，对放置在预闭式模具中的坯料施加单向或多向压力，以填充无飞边零件的型腔。通过控制冲头的运动，可以获得有利于实现锻件精确形状的改进金属流动条件[7,8]。多个冲头的运动可以是同步的，也可以是非同步的。在闭式模锻工艺设计中，应考虑几个方面。钢坯尺寸必须严格按照体积当量原则计算，否则会增加零件的公差，降低零件精度。对铸坯表面缺陷和粗晶环（如有）进行清理，保证组织质量。此外，锻模的良好润滑和冷却是降低变形抗力、模具磨损以及模具热膨胀对零件精度影响的必要条件。此外，零件精度主要取决于锻模型腔的加工精度。因此，锻模型腔的精度一般高于锻件。为了排出封闭型腔中的气体，增加金属流动阻力，特别是在最后填充的小间隙中，应设计排气孔。研究人员特别关注锻造参数对铝合金特殊热性能和力学性能的影响。Kim等人[9]利用有限元方法对6061铝合金轮毂的锻造过程进行了分析，研究了锻造速度对金属填充的影响。他们发现，缓慢的锻造速度大大降低了表面温度，并导致严重的流动能力下降。Liu[10]发现，随着锻造速度（10、30、60和100mm/s）的增加，铝合金的变形抗力也随之增加。在相同的压下率下，锻造速度越高，所需的锻造载荷就越大。锻造速度的影响与材料的合金化程度有关。当锻造合金化程度较低的铝合金时，锻造速度的提高引起的变形抗力的增加并不超过动态再结晶引起的变形抗力的降低。因此，锻造速度对变形抗力影响不大。车轮、轴承盖等形状复杂的铝合金锻件，一次锻造成形困难。它们通常也需要下料、预锻和最终锻造。工艺方案的设计和工艺参数的选择是保证锻件质量的关键。Ma[11]对6082铝合金轮毂锻造工艺进行了研究，指出坯料在封闭型腔中定位不准确会导致充型不足缺陷。通过改善坯料形状，保证坯料与锻模的自适应定位，避免了欠充缺陷。合理的预锻件体积分布可以降低变形抗力，避免欠充和折叠，减少模具磨损，提高终锻模具寿命。Li等人[12]研究了轴承盖锻造工艺；他们发现，如果没有预锻，轴承盖肋和槽很难完全填满。通过增加预锻工艺，调整金属体积分布，零件一次合格率提高到95%。Park和Hwang[13]通过研究在航空航天零部件中广泛应用的肋腹板的金属流动，提出了一些预锻设计原则。例如，预锻件的形状应与终锻件的形状相似，以避免材料的横向流动；预锻件的截面变化应平滑，以便于终锻时的金属流动。夏氏[14,15]设计了一种多槽多凸台复杂长轴7A04型铝合金壳体的两步多向精锻工艺，如图A.1所示。研究了预锻件形状和尺寸对终锻金属流动和充型的影响。根据局部流动填充的假设，提出了预成形零件设计模型，实现了预成形零件的合理设计，保证了最终零件的质量。在闭式模锻中，冲头可以从多个方向按压坯料。因此，需要特殊的多运动滑块压力机或复杂的模具结构，如双、三运动压力机、多向锻压机、半模、分体式组合模等。周和曹[16]开发了一种分体式组合模具（水平分体式）。图A.17A04铝合金外壳结构:用于大型双鼓形6061铝合金车轮的闭式模锻下模设计为分插结构。闭式模锻后，顶出器将左右镶模和锻件一起顶出，镶模沿导槽移动，水平方向自动分离，将锻件从模具上取出。夏等设计了一台YK34J-1600/1250多向闭式模锻液压机（图A.2），主液压缸压力16000kN，两侧液压缸压力12500kN。锻造时，主缸推动上模与下模闭合，提供夹紧力。随后，侧缸推动冲头挤压钢坯填充腔。图A.2YK34J-1600/1250多向闭式模锻液压机等温模锻铝合金热锻的坯料温度一般在350℃～480℃，模具一般加热到150℃～250℃，坯料与模具之间的温差使表面材料迅速降温，从而提高变形抗力。等温模锻是一种先进的精密锻造技术，其模具温度与坯料温度一致，应变速率相当低（一般为0.001～0.01s）。上述锻造条件使材料具有良好的塑性成形能力，适用于可锻温度范围窄、结构复杂的铝合金零件。所需的锻造载荷比常规锻造低，组织得到改善。陈[17]对7085铝合金轮毂等温模锻过程进行了热力耦合有限元分析，发现等温模锻可以提高组织均匀性和力学性能。Shan等人[18]研究了带有23个径向扭转叶片的2618铝合金转子的等温模锻（图A.3（a））。锥形冲头有可能将金属压入模腔，从而提高质量。锻件接近叶片产品的最终外形，具有良好的流线型。Chen等[19]采用等温模锻工艺成形2A14铝合金车轮，结果表明，等温锻造车轮的抗拉强度和延伸率均优于常规锻造件。在2A14铝合金飞机轮毂的等温模锻中，Ye[20]采用了预镦粗和后续锻造。在镦粗阶段产生一定的应变可以提高锻件的应变均匀性。锻件流线连续，性能均匀。挤压后的显微组织保留下来并沿几何轮廓分布。等温时间过长可能导致再结晶，降低零件性能。原料状态对锻件的最终性能影响显著，而且退火状态比挤压状态好，因为锻造过程中再结晶减少，有利于避免后续固溶处理中晶粒长大。Shan等人[21]研究了预锻方案对7075铝合金外壳金属流动的影响（图A.3（b））。他们设计了一种新工艺，先进行初始镦粗，形成一个耳朵，然后进行反向挤压，形成深槽和凸缘，以避免耳朵填充不足[21]。Zhang等人[22]用该方法分析了最终等温锻造件的金属流动形态和缺陷。图A.3等温锻造件：（a）转子[18]和（b）壳体[21]。转载自参考文献[18,21]，经材料加工技术杂志许可结果表明，五角形预成形零件与最终零件外形相似，能保证零件的精密成形。根据等温模锻的特点，温度和应变速率是关键工艺参数。Petrov等人[23]采用有限元模拟方法研究了等温锻造A92618铝合金不规则深凹件的金属流动。A92618铝合金的适宜温度范围为430°C–470°C，因为过高或过低的温度会降低材料的塑性。常用热加工图优化铝合金等温模锻工艺参数范围。该图是Prasad基于不可逆热力学和动态材料模型提出的过程参数分析方法[24]。根据简单的等温压缩或拉伸实验得到的应力数据，计算了功率耗散率和非定常系数。然后，以温度为横坐标，应变速率为纵坐标，在一幅热加工图上绘制了材料的功耗等值线和失稳范围。高功率耗散率和非失稳范围对应的工艺参数被认为是等温模锻的良好参数。Hu等[25]通过热加工图优化了6061铝合金肋腹板的工艺和尺寸参数。张等[22]建立了7A09铝合金热加工图，确定了有利于复杂形状转盘稳态流动的工艺条件的有利范围。在等温模锻过程中，保持坯料和模具的温度一致要求很高，这需要特殊的加热和保温措施。中国西南铝业（集团）有限公司在100MN多向模锻压力机上开发了多向等温模锻工艺，为日本轻金属公司生产6061铝合金轮毂，达到等温条件，他们设计了两个方案：一个方案是用天然气将模具加热到与钢坯相同的温度；第二个方案是增加锻造频率，以便利用变形热保持等温。例如，每3分钟生产一个轮毂可以保持等温状态[26]。但是，模具温度应大于400°C。钢坯温度预热至500°C–540°C，这在等温模锻的意义上不是刚性的，为了保证锻造温度在450℃以上，张等[22]设计了一种采用比例积分微分控制器控制的电加热棒模具加热系统，用于转盘等温模锻。模具如图4[22]所示。许多圆孔被设计用来放置加热棒[22]。美国Ladish公司制造了两台（5000吨和10000吨）等温模锻压力机；在这些压力机中，工作空间完全被一个特殊加热装置[27]。图4转盘等温锻模。（a）上模；（b）下模。经材料科学与工程A许可，转载自参考文献[22]锻模与加热装置加热的坯料一起安装在压力机的工作空间内。该方法可以实现对模具和钢坯温度的精确控制。当模具长期处于高温时，等温锻模材料应具有较高的热稳定性[28]。此外，等温模锻的生产效率非常低。因此，等温模锻的应用并不广泛，只有少数复杂零件难以用传统的闭式模锻成形。局部加载锻造航空航天领域使用的大型锻件，其锻造负荷相当大，可能超过世界最大锻压机的能力。俄罗斯学者首次提出局部加载锻造，形成大型锻件。在这种锻造中，将大型锻件分成若干区域进行锻造，以解决冲压能力不足的问题。他们最初研究了使用局部加载锻造来生产零件的可能性。Wyman-Gordon公司进行了局部加载锻造的里程碑式工作，在45000t液压机上采用局部加载多级等温锻造，生产出投影面积5kg、重量1590kg的框架件。采用常规锻造工艺时，需要公称吨位10万吨以上的压力机。如图A.5[29]所示，通过分多个步骤改变加载区域，将载荷施加到钢坯的不同局部区域。该方法减少了一次成形的变形量，缩短了材料流动距离，显著降低了锻造载荷。整个零件的精确形状可以通过累积局部变形来实现[29–31]。局部加载锻造的关键问题是零件的分区、单次成形步骤的减少和过渡区的变形。邓等[33]设计了长度为5m的铝合金框架梁的两区局部加载锻造方案，锻造时两个上模依次压下。考虑到压力大，分为一个区域的多级局部加载。图A.5局部加载锻造示意图。经《材料加工技术杂志》许可，转载自参考文献[29]采用数值模拟方法研究了单级减径对锻造载荷和应变分布的影响。结果表明，通过合理控制各阶段的变形，可以获得均匀的应变分布。Shan等人[34]利用局部加载锻造形成2014铝合金舱口（图A.6），将金属流从长距离变为短距离，并防止多余的金属流从腹板流出到闪蒸线。他们设计了过渡模板和支撑板，以实现局部加载。首先，利用过渡模板挤压外筋区的材料，将材料聚集在该区域。此步骤重复两次。随后，上模向下移动以形成内肋。最后，外肋由垫板形成。优化后的工艺消除了流线断裂、流线紊乱、外肋折叠等缺陷[34]。局部加载锻造是一种通过累积局部变形来实现整体成形的金属成形技术。应精确控制局部变形应变和周围边界条件，避免褶皱、流线断裂等缺陷。这项技术有许多步骤。不同区域的变形条件不完全相同，导致工艺实施和质量控制困难。采用有限元软件进行重复模拟和优化，得到实际的工艺方案。图A.6局部加载锻造舱口。经《材料加工技术杂志》许可，转载自参考文献[34]流动控制锻造流动控制锻造是在闭式模锻基础上发展起来的一种新型精密锻造技术。成形原理是放置在闭模腔中的材料在冲头的作用下流动，同时通过合理的控制方法调整其流动方向和流量，以减小变形阻力。该工艺能有效避免折叠、欠充等缺陷，保证零件流线的连续性，从而提高零件的力学性能。此外，由于变形抗力的降低，锻造载荷显著降低，这将降低压力机的吨位要求和模具磨损。流量控制锻造特别适用于高强度铝合金等复杂零件。目前实现流量控制的方法主要有设置泄压腔、施加辅助力和利用振动加载等。用泄压腔控制金属流动对于具有中间孔的零件，Kondo和Ohga[35]提出了一种径向浮雕方法，使用空心结构坯料和孔作为浮雕腔。当空心坯料用于锻造时，存在一个金属流动的分裂面；在这个平面上，两侧的金属反向流动。外部金属向外流动，内部金属向内流动，如图A.7所示[36]。图A.7中间型腔金属控制锻造示意图。经《塑性工程杂志》许可，转载自参考文献[36]金属流动距离显著缩短。因此，成功地填充了型腔，并且显著降低了最终锻造载荷。Kondo的结果表明，锻造载荷从屈服应力的3.4倍降至2.6倍[18,36,37]。Cheng等人[38]采用5052铝合金环锭精锻齿轮，研究了金属流动速度场的变化。他们发现了切向速度主要决定材料是否能填满型腔。金属的中间部分作为工艺废料处理，降低了材料利用率。因此，Choi等人[39]提出了一种坯料，将坯料的上下端加工成具有高外部和低内部的表面。在终锻过程中，芯轴放置在坯料的中间，金属在内部和外部流动，这促进了直齿轮齿的形成。此外，在预锻和终锻中使用不同的芯轴（终锻芯轴直径小于预锻芯轴直径）也可以促进材料填充和载荷降低[40]。对于没有中间孔的铝合金零件，如车轮，Kim等人[41]在冲头和下模的底部中心建立了卸压腔使金属同时流向外缘和轮辐中心。上述流动控制锻造的情况要么需要具有特定结构特征的零件，要么需要改变零件结构。夏等[42,43]指出，金属流动过程的本质是在低到高的压应力梯度场作用下，模腔内金属从难充型部位向模口流动。在难以填充的位置，模口处的载荷随着变形阻力的增加而增加；因此，他们在最后一个填充位置建立了一个卸压槽，而不影响锻件的尺寸。这种方法还可以促进金属流动，降低锻造负荷。在分析7A04铝合金多层薄壁筒体及塑性差的基础上，提出了卸压槽的定位准则、设计方法和锻造载荷的计算方法。此外，该方法还用于气囊气体发生器压盖和壳体的精密锻造[44,45]。辅助力控制金属流动施加辅助力也可以改善金属的流动。日太公司对涡旋转子的金属流动采用了一种辅助力，称为背压作用；涡旋壁厚从中心到边缘逐渐变薄的结构特点（图A.8（a））[46]。背压迫使金属从中心向边缘流动，从而补偿由于涡旋壁纵向变形阻力的差异而产生的高度差异。提高了充型效果，降低了锻造负荷。Zhang[47]和Tian等人[48]研究了背压和前挤压力的合理配置，认为合理背压约为涡旋形肋变形抗力的40%。Chan等人[49]在精密锻造过程中，使用滑动模镶块将背压带到轴对称法兰部件的分隔区域，如图A.8（b）所示。结果表明，该方法成功地避免了折叠缺陷。Jin等人[50]提出了一种通过控制背压制造非均匀厚度圆盘零件的单步热锻工艺。研究了模具温度、背压凸模初始位置、背压对零件厚度的影响。通过调整背压冲头的初始位置和背压的大小，可以控制金属流在侧壁中部的分面位置。他们成功地制造了一块4毫米厚的6061铝合金板，生产出底部厚度为4.3毫米、侧壁厚度为2.5-2.7毫米的圆盘零件。图A.8背压控流锻造示意图。（a）涡旋转子；（b）轴对称法兰组件。经《材料加工技术杂志》许可，转载自参考文献[49]使用往复式移动容器在正齿轮锻件的外侧施加推力也有助于填充材料。容器的往复运动将负摩擦力转化为正摩擦力；因此，齿填充均匀，锻造载荷从屈服应力的7.7倍降低到3.3倍[51]。辅助力除了降低锻造载荷外，还可以减少成形步数。Lee等人[52]利用背压和往复移动容器来形成双杯零件，而不是传统的两步锻造工艺。振动增强金属流动振动加载可以显著改善金属的流动均匀性，降低锻造载荷[53]。然而，由于传统超声激振装置性能的限制，振动强化锻造技术尚未实现。近年来，机械伺服驱动压力机研制成功。其脉动加载方式使振动强化锻造成为可能[54]。振动强化锻造技术在制造高质量铝合金锻件方面具有优势。Ishikawa等人[55]使用伺服压力机进行6061铝合金精密锻造。利用压力机滑块振动加载方式的优点，研究了锻造过程中的温度场分布。振动加载方式可以获得非常均匀的温度场分布，零件不同区域的热膨胀量是一致的。振动强化锻造可获得良好的锻造精度。Matsumoto等人[56]设计了一个带有润滑剂填充孔的冲头（图A.9），以在振动加载模式下形成6061铝合金深杯零件。图A.9补充润滑剂的振动强化锻模组。经《材料加工技术杂志》许可，转载自参考文献[56]在锻造过程中，润滑剂定期补充到变形区。剪切摩擦系数小于0.2。深杯形精度高，表面粗糙度小于0.5mm。冲头寿命达到传统锻造冲头的1.1-1.6倍[57]。Maeno等人[58]研究了5052铝合金伺服压力机振动强化锻造的成形载荷。振动载荷显著降低了成形载荷约50%。他们认为，卸载循环期间润滑剂的自动回流和重新润滑降低了负载，如图A.10所示[58]。图A.10振动强化锻造过程中润滑剂的分布。转载自参考文献[58]，并获得国际机床与制造杂志许可混杂成形是塑性成形技术的一项重要创新。在产品的制造过程中，采用不同的成形方法，节约材料和能源，降低成形难度，提高产品精度。在锻造领域，铸造-锻造复合技术和冲压-锻造复合技术得到了发展。混杂成形是塑性成形技术的一项重要创新。在产品的制造过程中，采用不同的成形方法，节约材料和能源，降低成形难度，提高产品精度。在锻造领域，铸造-锻造复合技术和冲压-锻造复合技术得到了发展。

复合成形技术铸锻复合成形虽然锻件的力学性能较高，但复杂零件的锻造工序多，材料利用率低。铸件容易获得复杂形状，但力学性能低于锻件。在综合上述两种成形技术优点的基础上，开发了铸锻复合成形技术。首先通过铸造获得形状和尺寸与锻件近似的坯料。随后，通过锻造产生一定的变形应变，以形成最终零件形状并压实微孔[59]。铸锻复合成形技术结合了两种工艺的优点，克服了单一成形工艺的局限性，可以获得高性能的精密锻件，缩短工艺流程，节约能源消耗，降低制造成本[60–62]。采用铸锻复合成形技术制造的悬架系统零件成本比锻件低30%，性能满足要求[63]。铸锻复合成形的一般过程工艺如下：合金熔化、铸造、铸件清理、锻造、锻造清理、热处理。铸造工艺可包括砂型铸造、金属铸造、离心铸造或其他铸造方法[64]。这项技术的难点在于获得高机械性能的精密零件，因为铸造过程中不可避免地会产生缩松等缺陷，从而降低零件的机械性能。因此，该工艺的关键是铸件的形状设计和锻造工艺参数优化时，应考虑铸件成形和锻件成形的要求。最重要的工艺参数是最小的锻造变形应变，它保证了致密的组织和高的力学性能。Chang等人[65]报告说，在5、10和15mm厚的压铸7075铝合金中，分别需要0.30、0.41和0.52的最小锻造镦粗比来消除气孔。Wang等人[66]发现，锻造工艺对5083铝合金法兰铸造过程中的小孔产生压实作用。当应变增加到0.7时，拉伸强度增加55%，延伸率增加150%。当应变进一步增大时，性能没有明显改善。Kang等人[67]为A356铝合金控制臂开发了一种铸锻混合成形工艺，在球头区域具有高性能要求。铸件大部分区域达到零件尺寸要求。只有球头区出现锻造变形应变，部分锻造后达到尺寸要求。性能测试结果表明，与铸态相比，部分锻造后的延伸率提高了58.4%左右。Kim等人[68]利用铸锻混合成形技术生产汽车转向系统用ADC10铝合金横拉杆端头。经T6热处理（520℃固溶4h，180℃时效6h）后，横拉杆端部硬度为82hrb，性能明显高于铸件。熊等[69]研究了ADC12铝合金零件的间接挤压铸造和锻造。铝硅共晶组织破碎，平均晶粒尺寸为26.54mm，比重力铸造低28.75%。该组织的抗拉强度和延伸率分别为287.75mpa和4.4%，比挤压铸造分别提高了19.8%和340%。虽然铸锻复合成形技术已成功应用于制造许多零件，但需要指出的是，零件的力学性能一般达不到直接锻造零件的水平[60]。这项技术要求材料具有良好的铸造和锻造性能，这限制了铝合金类型的应用。冲压-锻造复合成形对于厚度不均匀或局部有小转角的铝合金壳体零件，冲压-锻造复合成形技术是一种有效的制造方法。这项技术是冲压和锻造的结合，即利用冲压获得空间形状，然后利用局部精密锻造获得精确的壁厚或小转角。作为一种复合成形技术，该技术同时具有冲压成形和精锻成形的特点：材料利用率高、精度高、局部塑性流动明显、零件厚度不同。该技术的难点在于控制冲压过程中薄板厚度的减薄。一般来说，冲压工艺会减小板材厚度，这会增加锻造的难度。例如，当法兰侧壁沿轴向镦粗时，减薄的侧壁很可能导致不稳定、折叠和其他缺陷。因此，在该工艺中，应控制冲压过程中板厚的变化和锻造过程中的流动。Wang