[發明專利]一種徑向鍛造應變誘發法制備半固態鋼鐵凸輪軸的工藝

有效

• 申請號: 201410830660.2
• 申請日: 2014-12-26
• 公開（公告）號: CN104550838A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 趙升噸;張晨陽;王永飛;韓曉蘭;董朋
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22D18/02
• 分類號: B22D18/02;B21J5/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明屬于半固態加工與成形技術領域，特別涉及一種徑向鍛造應變誘發法制備半固態鋼鐵凸輪軸的工藝。

背景技術

凸輪軸是發動機配氣機構中重要的零件，專門負責驅動氣門按時開啟和關閉，保證發動機在工作中定時為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣并及時將燃燒后的廢氣排出汽缸。而傳統式凸輪軸大多是鑄造或鍛造生產，組合式凸輪軸也有部分應用。鑄造式凸輪軸主要有冷硬鑄鐵、淬火鑄鐵等。鑄造工藝成形的凸輪軸的加工余量較大，尺寸粗糙，后續機加工量加大，成本較高。近年開發了重融冷硬鑄鐵、淬火球墨鑄鐵等多種形式的凸輪軸，但因成本等原因其應用范圍有限。為了減輕凸輪軸的重量，鑄造凸輪軸采用型芯鑄造工藝將凸輪軸芯鑄成中空圓柱或者中空異型狀。而鍛造式凸輪軸以碳鋼為主進行熱鍛，凸輪部分采用高頻淬火處理，主要應用于大中型發動機上。但是鍛造式凸輪軸的生產效率低、材料利用率低，設備負荷大，模具損耗嚴重。組合式凸輪軸由精密鋼管和裝配于其上的凸輪節組成，但是在裝配過程中存在問題較多。焊接連接式凸輪軸由于焊接時容易產生熱變形，使凸輪軸的尺寸精度降低，激烈的熱變化也容易使焊接部位產生裂紋，質量難以保證；燒結連接式凸輪軸在進行粉末燒結成型凸輪的同時，凸輪又要在1000℃以上大型燒結爐內與鋼管擴散連接，在高溫下凸輪軸容易產生彎曲，造成尺寸精度誤差，熱效率不高；擴管法需要凸輪與鋼管配合，然后從管內側加液壓或機械擴管，由于高壓作業的特殊要求，也使其設備大型化；凸輪與軸熱套連接時，凸輪?被加熱，產生軟化現象，難以保證摩擦時的耐磨性，在工作時凸輪摩擦發熱使得凸輪節與軸的過盈量發生變化，各個凸輪節不能保持一致；

半固態加工成形技術即采用微觀組織為球狀晶粒懸浮在共晶液相的半固態坯料進行成形的工藝。利用在半固態溫度下制備的漿料直接進行成形加工稱之為流變成形；將漿料凝固成坯錠，根據需要對其切分并重新加熱至半固態溫度區在進行成形加工，稱之為觸變成形。具體成形技術涉及到半固態壓鑄、半固態擠壓鑄造、半固態模鍛等方法。球形或者近球形的半固態漿料具有明顯的觸變特性：即隨著剪切速率的增加，表觀粘度呈指數下降，使得成形過程中漿料具有流動性好、成形力低的特征。并且在充型過程中，半固態漿料以層流運動的方式順序充填模具型腔，減少了縮松縮孔等微觀組織缺陷。半固態成形技術的關鍵在于制備具有球狀晶懸浮在共晶液相的半固態坯料。但是對于黑色金屬而言，常規的機械攪拌法以及電磁攪拌法制備鋁合金半固態漿料的工藝具有以下缺點：高溫對機械攪拌器存在嚴重的腐蝕作用，腐蝕的殘渣與半固態漿料混合從而導致獲得的漿料不純。半固態或者液態的漿料在電磁攪拌過程中對電磁攪拌器有強烈的熱輻射作用，導致電磁攪拌器需要增加額外的隔熱冷卻裝置，設備復雜。此外不論電磁攪拌還是機械攪拌制備的半固態坯料均存在成分偏析現象，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、無缺陷的半固態坯料。

雖然也有采用重熔大塑性變形坯料的工藝獲得具有球狀晶粒，即應變誘發激活法的工藝，但是所采用的塑性變形方法多采用等徑角擠壓、軋制、壓縮、多向鍛造等方法，涉及的材料主要集中在鋁合金、鎂合金等低熔點合金上。上述方法都存在變形材料的體積的限制，若變形材料的體積過大，則變形力過大，難以在現有設備上成批大量制備出所需的半固態坯料。而且目前為止并沒有涉及到鋼鐵等高熔點黑色金屬。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種徑向鍛造應變誘發法制備半固態鋼鐵凸輪軸的工藝，通過該工藝可以批量制備均勻的、無微觀缺陷的鋼鐵半固態坯料并成形出微觀組織缺陷少、機械性能好、耐磨性能好的鋼鐵凸輪軸。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種徑向鍛造應變誘發法制備半固態鋼鐵凸輪軸的工藝，包括以下步驟：

1)預熱鋼鐵棒料并保溫，將鋼鐵棒料隨電爐加熱至950～970℃并保溫，對于不同直徑的棒料具體的保溫時間為0.5D～0.7D分鐘，D為棒材的直徑；

2)對鋼鐵棒料進行徑向鍛造，即通過機械手夾持預熱鋼鐵棒料并旋轉軸向送進，徑向鍛機在坯料周圍對稱分布四個錘頭，沿坯料徑向進行高頻率往復鍛打，同時機械手帶動坯料邊做旋轉運動邊做軸向進給運動，使坯料在多頭螺旋式延伸變形情況下拔長變細，在每一次鍛造過程中，坯料均承受三向壓應力，保證材料具有最好的塑性變形能力，并且能夠避免棒料的心部產生縱向裂紋，坯料斷面收縮率達到60％以上，對于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直徑，鍛打至所需的直徑；