[發(fā)明專利]徑向鍛應(yīng)變誘發(fā)法制備發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金凸輪軸的半固態(tài)工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410828403.5
• 申請(qǐng)日: 2014-12-26
• 公開（公告）號(hào): CN104624914A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙升噸;張晨陽;王永飛;韓曉蘭;李靖祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B21K1/12
• 分類號(hào): B21K1/12;B21J5/00;B21J5/06;B22D18/02;B23P15/14
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬半固態(tài)加工與成形技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及徑向鍛應(yīng)變誘發(fā)法制備發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金凸輪軸的半固態(tài)工藝。

背景技術(shù)

近年來，隨著人們對(duì)生活環(huán)境的要求不斷提高，節(jié)能減排成為了新課題。而節(jié)能減排的重要手段即為實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化以減少汽車尾氣的排放。因此，在不影響零件性能的前提下，使零件盡可能簡(jiǎn)化加工、降低重量，材料使用更加合理。輕量化具體包括材料輕量化、工藝輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化。材料輕量化主要是指用輕質(zhì)的有色金屬取代鋼鐵銅等，如鋁合金和鎂合金。如鋁合金具有非常好的鑄造性能和加工性能。

凸輪軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中重要的零件，專門負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)氣門按時(shí)開啟和關(guān)閉，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中定時(shí)為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣并及時(shí)將燃燒后的廢氣排出汽缸。傳統(tǒng)的凸輪軸大多是鑄造或鍛造生產(chǎn)，部分場(chǎng)合也存在組合式裝配凸輪軸。鑄造式凸輪軸主要有冷硬鑄鐵、淬火鑄鐵等。近年開發(fā)了重融冷硬鑄鐵、淬火球墨鑄鐵等多種形式的凸輪軸，但因成本等原因其應(yīng)用范圍有限。此外，鑄造凸輪的尺寸精度粗糙，微觀組織缺陷較多，機(jī)加工余量大，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝復(fù)雜。而鍛造式凸輪軸以碳鋼為主進(jìn)行熱鍛，但是鍛造式凸輪軸的生產(chǎn)效率低、材料利用率低，設(shè)備負(fù)荷大，模具損耗嚴(yán)重。組合式凸輪軸由精密鋼管和裝配于其上的凸輪節(jié)組成，焊接連接式凸輪軸容易使焊接部位產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生的熱變形使凸輪軸的尺寸精度降低，質(zhì)量難以保證；燒結(jié)連接式凸輪軸需要在1000℃以上大型燒結(jié)爐內(nèi)與鋼管擴(kuò)散連接，軸容易產(chǎn)生彎曲，造成尺寸精度誤差，熱效率不高；擴(kuò)管法由于高壓作業(yè)的特殊要求，也使其設(shè)備大型化。

為了進(jìn)一步減輕凸輪軸的重量以及后續(xù)的機(jī)加工量，可以采用鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)鋁合金凸輪軸代替鑄鐵或者碳鋼凸輪軸。半固態(tài)加工技術(shù)即采用微觀組織為球狀晶粒懸浮在共晶液相的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形的工藝。半固態(tài)成形技術(shù)的關(guān)鍵在于制備具有球狀晶懸浮在共晶液相的半固態(tài)坯料。但是常規(guī)的制備方法均有各自的缺點(diǎn)：對(duì)于機(jī)械攪拌法，高溫對(duì)機(jī)械攪拌器存在嚴(yán)重的腐蝕作用，導(dǎo)致漿料不純。對(duì)于電磁攪拌法，半固態(tài)或者液態(tài)的漿料對(duì)電磁攪拌器有強(qiáng)烈的熱輻射作用，導(dǎo)致電磁攪拌器需要增加額外的隔熱冷卻裝置，設(shè)備復(fù)雜。此外機(jī)械攪拌和電磁攪拌制備的半固態(tài)坯料內(nèi)部存在成分偏析現(xiàn)象，坯料中心位置的微觀組織較差，并且不可避免的存在微觀孔洞，不能夠獲得均勻的、無缺陷的半固態(tài)坯料。而應(yīng)變誘發(fā)激活法涉及到的主要塑性變形方法是壓縮、軋制、等徑角擠壓、反復(fù)墩粗拔長等常規(guī)方法。但是這些方法制備大塊坯料時(shí)，大塑性變形所需要的成形力過大，現(xiàn)有設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)。因此不能夠大批量的生產(chǎn)大尺寸的半固態(tài)坯料。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供徑向鍛應(yīng)變誘發(fā)法制備發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金凸輪軸的半固態(tài)工藝，通過該工藝可以制備出均勻的、無微觀缺陷的鋁合金半固態(tài)坯料并成形出微觀組織缺陷少、機(jī)械性能好的鋁合金凸輪軸。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

徑向鍛應(yīng)變誘發(fā)法制備發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金凸輪軸的半固態(tài)工藝，包括以下步驟：

1)預(yù)熱鋁合金棒材，將鋁合金棒材隨爐加熱至250～350℃，并保溫，對(duì)于不同直徑的棒料具體的保溫時(shí)間為0.5D～0.7D分鐘，D為棒材的直徑；

2)對(duì)鋁合金棒材進(jìn)行徑向鍛造，即通過機(jī)械手夾持預(yù)熱鋁合金棒材旋轉(zhuǎn)軸向送進(jìn)，徑向鍛機(jī)在坯料周圍對(duì)稱分布四個(gè)錘頭，沿坯料徑向進(jìn)行高頻率往復(fù)鍛打，使坯料在多頭螺旋式延伸變形情況下拔長變細(xì)，斷面收縮率達(dá)到60％以上，對(duì)于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直徑，鍛打至所需的直徑；

3)徑向鍛造后坯料的二次重熔，將徑向鍛造后的坯料放回電爐或者中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行二次重熔，即加熱至585～595℃并保溫15～20min，獲得具有球狀晶懸浮在共晶液相的半固態(tài)坯料，此時(shí)鋁合金棒材對(duì)應(yīng)的固相率為35.5～52.5％；

4)鋁合金凸輪軸的擠壓鑄造，對(duì)模具型腔和芯棒進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為200～300℃，并將按照凸輪軸毛坯體積分段切割的二次重熔坯料放入模具型腔，合模后，芯棒以20mm/s-60mm/s的速度從兩側(cè)向內(nèi)擠壓，擠壓到位后上模具和芯軸持續(xù)加壓，保證凸輪軸零件所受比壓為80-100Mpa，直至零件完全凝固；

5)鋁合金凸輪軸的后續(xù)處理，將半固態(tài)擠壓鑄造獲得的凸輪軸進(jìn)行T6熱處理，并對(duì)凸輪節(jié)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積處理，保證沉積層厚度達(dá)到5mm，硬度達(dá)到50HRC，最后磨削凸輪節(jié)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明將徑向鍛造技術(shù)用于制備鋁合金半固態(tài)坯料并制造鋁合金凸輪軸零件具有以下優(yōu)點(diǎn)：