2A14履帶板的液態模鍛成形試驗研究

牛海俠，朱松波，張 瓊，李 蕾

（1.安徽三聯學院機械工程學院，合肥 230601；2.天津津航計算技術研究所，天津300000）

傳統鋼制履帶板重量過大，是工程機械的底盤件之一，在工程上起著關鍵作用。由于履帶板工作中承載較大的負重，因此，對履帶板的制件質量要求非常高，尤其是在力學性能和承載能力方面。為減輕工程機械結構件重量，履帶板開始采用鋁合金材料。通過已有的經驗知道，鍛件的綜合力學性能較好，優于同種材料的鑄件。因此，履帶板制件的材料可采用鋁合金通過鍛造工藝研制。履帶板具有局部凸臺和筋等結構，屬于較復雜鍛件,因此準確合理地進行成形工藝參數的設定是確保鍛件成形質量的關鍵。經自由鍛得到的坯料形狀尺寸不精確、質量不穩定，所得鍛件易出現裂紋、折疊等缺陷,鍛件質量難以保證。本文根據履帶板的結構特點以及鋁合金鍛造特性，研究并設計出液態模鍛工藝，通過合理的模具設計和液態模鍛技術各項工藝參數的制定，得到合理的鋁合金2A14履帶板液態模鍛工藝[1]。

液態模鍛技術能夠成形復雜，薄壁等形狀的零件，通過實驗測定，零件的力學性能較高，同時，它又是一種近凈成形技術，大大減少了材料的浪費，為綠色生產開辟了新的道路。

本文以2A14鋁合金材料為研究對象，采用液壓模鍛技術成形負重履帶板,制定了合理的履帶板成形工藝參數，并測試其力學性能[2]。

1 實驗

1.1 實驗材料

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、點焊和縫焊性能優良，同時，又可以承受較大的載荷，在工業生產中應用廣泛。通過相關資料可知：2A14的固相線溫度為510℃，液相線溫度為638℃，因此其固液共存區間為128℃。該合金的化學成分見表1。

表1 鋁合金2A14的化學成分

1.2 液態模鍛的模具設計

在液態模鍛工藝中，模具的結構非常關鍵。它關系到零件能否完整成形，同時又決定了零件的質量，因此液態模鍛對模具結構提出很高的要求。必須根據履帶板的結構設計合理的分模形式和模具結構。本實驗成形設備為Y32—300型萬能液壓機，綜合考慮履帶板零件和液壓機要求，設計的模具結構如圖1所示。

圖1 液態模鍛成形履帶板模具圖

由于履帶板上有一個70mm的凸出部分，尺寸較大且薄，實際工作中，對該部位的力學性能要求較高。在液態模鍛成形中，受金屬流動性的影響，容易出現型腔充不滿的情況。因此，在模具設計時，將凸模設計成分體式，同時，在模具中開設相應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性能滿足要求。

模具的工作原理：成形前，先將模具型腔內噴涂石墨涂料，便于脫模。將鋁合金熔煉到預設溫度使之成為液態，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始結晶。隨著壓力機行程的增加，外凸模3也開始作用，保壓一定的時間，金屬在壓力作用下產生了塑性變形，最終形成組織致密的履帶板制件。成形過程結束后，凸模在壓力機的作用下上移，通過頂桿8將零件頂出。

1.3 模具設計結構參數的選擇

綜合零件的結構和力學性能要求，合理的模具結構是確保零件質量的關鍵因素。

1.3.1 分模面

分模面位置的選取，應能保證順利將零件頂出，同時還要兼顧盡量減少加工量的要求，根據履帶板的結構形狀，設計一個水平的分模面。

1.3.2 凸、凹模間隙

在設計模具間隙時，主要考慮兩個方面的因素：一是型腔內氣體的順利排出，二是防止充填過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程中，產生飛濺、溢出等，而且在間隙處會形成縱向毛刺，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，毛刺還會增加模具磨損，使間隙越來越大。

如果模具間隙過小，造成型腔底端排氣困難，一是氣體阻礙金屬液的流動，難以順利充填型腔，二是造成零件內部產生縮孔，外部可能產生氣體凹陷，造成零件缺陷。過小的模具間隙還會使凸模和凹模在運動中可能會產生碰撞，損傷模具。

因此，合理的模具間隙非常關鍵，它與加壓速度、壓力大小以及工件尺寸都有關系，本實驗中，根據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

液態模鍛成形履帶板的過程中，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。對于鋁合金件，設置脫模斜度為3°。

1.3.4 收縮率

在液態模鍛件的設計中，要充分考慮到鋁合金材料的收縮率。其值與諸多因素相關。根據經驗，本實驗取0.005。

模具的型腔內充滿氣體，在液態模鍛過程中，液態金屬順利充填型腔，氣體會從模具內部的排氣孔和分型面之間的間隙順利排出，否則，將影響液態金屬的充填過程，使零件內部卷入氣體產生氣孔、縮洞等缺陷，嚴重的情況會阻礙液體流動，不能獲得輪廓清晰的模鍛件。根據履帶板的結構特點，為了保證充填過程順利進行，再增加一個排氣塞。

1.4 液態模鍛工藝參數的選擇

在液態模鍛工藝成形履帶板時，除了合理的模具結構，影響零件質量的一個重要因素是工藝參數的設定。合理的工藝參數，是得到高質量鍛件的保證。

1.4.1 成形壓力

成形過程中，施加的壓力大小影響鍛件的質量。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、零件的結構和尺寸以及材料的性能都有很大關系。

成形中如果單位壓力過小，在充填過程中就沒有足夠的壓力推動液態合金流動充滿型腔。另外，合金在凝固過程中受到的壓力過小，會產生縮孔、縮松等缺陷，零件的致密度不夠，因此其力學性能就不能滿足使用要求。

但是，如果單位壓力過大，成形過程中就要求采用大噸位的設備，增加了成本。并且，過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為的穩態值，ρr、ry、rp分別為名義利率平滑系數、名義利率對產出缺口的反應系數以及名義利率對通脹的反應系數；為貨幣政策沖擊。

液態模鍛成形中壓力值的確定主要是通過試驗和經驗數據。本實驗中，依據履帶板零件的尺寸和材料，選成形壓力為80～100MPa。

1.4.2 開始加壓時間

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

如果過早加壓，液態合金溫度高，加壓時會造成金屬液體的飛濺。如果過遲加壓，液態合金在模具型腔內結晶，在液態金屬中出現固、液相共存，合金的流動比較困難，增加了成形壓力和變形抗力，使零件容易出現裂紋等缺陷，同時，零件的強度和延伸率也會降低。

在實際的成形過程中，由于液壓機有一定的行程，且運動速度較慢，此段時間作為開始加壓的時間比較合適。也就是說，在澆注完成后，就可以啟動液壓機的凸模運動。

1.4.3 加壓速度

加壓的速度是指凸模開始接觸到液態合金以后的運動速度。液態模鍛成形中，凸模在液壓機的帶動下，以一定的速度將壓力施加于合金上，以讓合金在壓力下結晶和產生塑性變形。

零件的形狀尺寸、合金的種類、澆注的溫度和模具的預熱溫度都對加壓速度產生影響。在實際生產中加壓速度取較大的值。凸模較快地給合金施加壓力，有利于液態合金的結晶和塑性變形在較短的時間內完成。

但是，加壓速度過高會引起金屬液態的飛濺，在成形過程中會卷入過多的氣體形成漩渦，影響零件的質量，同時會產生較多的材料浪費。另一方面，如果加壓速度太低，液態合金較快凝固，使其在壁薄處的充填比較困難，在金屬液流前端的交匯處，還會出現冷隔紋等缺陷。

一般來說，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，對于尺寸較大、形狀復雜的薄壁零件還應采取更大的加壓速度。對于本液壓機，只有兩個速度30mm/s和5mm/s。

1.4.4 保壓時間

保壓的時間取決于零件的最大壁厚、所用材料。同時，零件的形狀復雜程度、澆注時的模具溫度也會影響保壓時間。通過保壓，使合金在壓力下充分充填型腔和完成結晶，得到尺寸完整、整體質量較高的零件。

如果保壓時間短，零件內部的合金還沒有完全結晶，鍛件內部沒有足夠的時間進行補縮，在內部就容易產生孔、洞等缺陷，零件的致密度降低，力學性能低。而如果過長延長保壓時間，會造成材料內部的凝固收縮和脫模困難，同時零件的工藝周期延長，降低模具壽命。

在保證零件完全充填和結晶的條件下，采取較短的保壓時間。根據經驗，液態模鍛成形時，保壓時間一般取金屬模重力澆注的1/3左右。最大保壓時間不超過1s/mm。在履帶板的液態模鍛成形中，將保壓時間定為40s。

1.4.5 模具預熱溫度

在液態模鍛生產中，應對模具進行預熱。如果模具沒有預熱而直接進行液態金屬的澆注，那么液態金屬和模具之間的溫差較大，液態合金的溫度會急劇降低而凝固，無法充填型腔。但是，如果將模具預熱到過高的溫度，則會降低模具的壽命，也不利于噴涂石墨潤滑劑，同時會延長保壓時間，降低生產效率。

模具的預熱溫度影響成形零件的質量和模具的壽命。在液態模段中，模具的預熱溫度應更加嚴格的控制。

液態模鍛的成形工藝中，一般將模具的預熱溫度設為250℃～300℃。本實驗中將模具的預熱溫度設定為280℃。采用電阻圈加熱，因為電阻線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

合金的澆注溫度對履帶板的性能有很大的影響。澆注溫度過高，易產生縮孔，澆注溫度過低，由于鋁合金非常容易凝固，成形時需要較大的壓力。必須指出：液態模鍛生產鋁合金制件的澆注溫度比砂型鑄造要低。一般從節約成本和提高零件內部質量考慮，希望澆注溫度越低越好。因為在較低的澆注溫度下，氣體比較容易從合金液體內部排出，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，繼續加熱至550℃，裝入鋁合金料，全部熔化之后再加精煉劑。同時，為了更好地除渣、排氣，不斷上下抖動勺子然后靜止5～10分鐘，拔去液面上的浮渣。

1.4.7 潤滑劑

在模具表面噴涂潤滑劑是對模具的保護，減少金屬液體的溫度向模具傳導，同時能提高零件的表面質量和利于脫模。根據實驗的要求，對潤滑劑的選擇有一定的要求：①良好的隔熱和潤滑性能；②耐高溫高壓；③較好的化學穩定性；④附著強度高和較好的涂覆性；⑤來源豐富，價格低廉，配制簡便。因此在本實驗中采用水基石墨潤滑劑。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。使用時用噴槍將潤滑劑均勻噴涂在模具型腔表面。厚度為0.1mm左右。

2 結果與討論

在液壓機上，通過液態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

對液態模段成形的履帶板件進行拉伸實驗測定其抗拉強度。在履帶板的基體上取樣，加工成標準的拉伸試樣（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

本實驗將同時測試熱處理對履帶板性能的影響。為了方便對比數據，制備了兩組拉伸試樣，第1組不進行熱處理，第2組進行熱處理，采用的處理制度為：510℃×2h（固溶）+160℃×10h（時效）。固溶之后水淬，隨后放入160℃的電阻爐內時效10h，再室溫空冷。

將兩組試樣在CSS-88000萬能拉伸實驗機上進行拉伸實驗。該設備的精度為5‰，傳感器的壓力單位為5t。實驗測得的數據如表2所示。試樣在拉伸過程中的變形如圖4所示。

表2 履帶板的力學性能

圖4 履帶板拉伸性能測試曲線

可以看出，鋁合金材料在拉伸過程中經歷了彈性變形，塑性變形。很快就進入斷裂分離階段。

對比圖4的兩條曲線明顯發現：經過熱處理之后的試樣，其抗拉強度和屈服強度都有很大的提高?？估瓘姸葹?54.370MPa，提高了76.8%。屈服強度為290MPa，提高了131%，這充分說明對液態模鍛件進行熱處理，可以大大提高鋁合金材料的抗拉強度和屈服強度。但是在延伸率方面有所下降，降低了3%。根據履帶板零件的設計指標，其塑性指標要大于4%，抗拉強度大于320Mpa。從測試結果看，能滿足使用要求。

由以上測試結果可以看出，液態模段成形履帶板零件，拓寬了鋁合金2A14履帶板的生產方式，為液態模鍛成形形狀復雜、薄壁的大型零件，提供了技術支持。

3 結論

①通過合理的模具結構設計和工藝參數設置，成功采用液態模鍛工藝制得2A14鋁合金履帶板。

②對履帶板進行熱處理工藝并進行力學性能測試，在經歷了固溶加時效的熱處理制度后，零件的抗拉強度和屈服強度都有了很大的提高，分別提高了76.8%和131%。