CN106975736A - 一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术 - Google Patents

一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，采用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级结构进行力学性能分析，再运用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级进行压铸工艺性能分析，并反复重复上述两个步骤，交互迭代，双重优化。本发明采用力学性能分析和压铸工艺性能分析交互迭代优化方法，实现了复杂薄壁铝合金梯级结构轻量化和铸造成型性能的双重优化，通过该技术获得的铝合金梯级的踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm，梯级整体重量≤10.5kg，500‑3000N静载后无永久变形、500‑3000N动载下最大倾斜角度(35°)支撑时永久变形≤2.1mm并且无损坏，压铸产品的技术水平处于国内领先。

Description

一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术
技术领域
本发明涉及压铸成型技术领域，尤其涉及一种复杂薄壁铝合金梯级的压铸成型技术。
背景技术
压铸业与扶梯的发展密切相关，是扶梯工业的重要支撑之一。当今，人们对自动扶梯的要求越来越趋向于高可靠、低耗能等方面，而梯级是自动扶梯最主要最关键的零部件，其中，铝合金压铸梯级轻量化是自动扶梯减排降耗的关键技术。传统的铝合金压铸梯级存在着韧性低、延伸率较低、允许变形的能力较差、制造工艺复杂、制造成本高等缺点，容易引起质量缺陷。因此提高压铸铝合金梯级的韧性、强度、延伸率、耐腐蚀性等关键技术指标，降低压铸铝合金梯级的重量，是铝合金压铸梯级发展的必然趋势。
如中国专利CN104028725A公开了一种三维堆积成型梯度结构的压铸模制造技术，采用如下步骤进行：(1)利用专业软件对零件进行建模；(2)根据制件的形状、材料，利用专业软件优化形成工艺参数和模具结构；(3)利用专业软件对模具压铸过程进行数值模拟分析，确定模具内部温度和热应力分布规律；(4)根据上一步骤得到的模具内部温度和热应力分布规律确定模具的功能梯度结构和涂层材料；(5)对模具涂层试样进行测试，若能通过测试，即可使用；(6)制造模具并覆上涂层，投入使用。该发明利用专利软件进行模具建模并对压铸过程进行模拟分析，确定模具的三维梯度结构和涂层材料之后，对涂层试样进行严格的测试，最后进行模具制造并覆上涂层。但是，该发明使用的模拟技术仅针对压铸模的改进，而本发明使用的模拟技术要解决的是整体梯级的结构力学性能和压铸工艺性能的双重优化，较该发明而言，本发明的压铸技术解决的问题更广，效果更为显著。
又如中国专利CN105293267A公开了一种自动扶梯的梯级及其压铸方法，一种自动扶梯的梯级包括支撑构件、踏板组件和转动机构，所述支撑构件和踏板组件一体压铸成型。这种自动扶梯的梯级的压铸方法是经过熔融、压铸步骤和冷却步骤完成自动扶梯的梯级的制作，所述冷却步骤为：将压铸过的毛坯的厚壁部分和薄壁部分用隔热板分隔开，采用梯度降温的方式对厚壁部分和薄壁部分分别进行冷却。该发明的自动扶梯的梯级通过结构的优化达到结构牢固、重量轻，并且压铸的一致性高的效果，但是，仍然存在以下缺陷：应用于扶梯梯级的材料强韧性不够，压铸方法未经过预先设计优化，导致压铸成品缺陷较多，不可控因素较大。
发明内容
为克服现有技术中存在的铝合金压铸梯级整体重量高、能耗大、压铸成型技术不完善的问题，本发明提供了一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术。
一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：采用如下步骤进行：
步骤一：基于铝合金的力学性能参数，构建复杂薄壁铝合金梯级模型，设定技术指标；
步骤二：采用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级结构进行力学性能分析，进行结构优化；
步骤三：运用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级进行压铸工艺性能分析，提前预知确认产生缺陷的点面位置，做出设计调整；
步骤四：反复重复上述步骤二和步骤三，交互迭代，双重优化，实现梯级结构的优化；
步骤五：满足目标产品要求，投入使用。
在一些实施方式中，所述铝合金为高强韧耐腐蚀铝合金，包含7.93～8.92wt％硅、1.98～2.11wt％铜、0.001～0.02wt％锰、0.001～0.02wt％镁、0.005～0.23wt％锌、0.182～0.62wt％锆、0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％锶以及≤0.05wt％的不可避免的杂质，余量为铝。
在一些实施方式中，所述高强韧耐腐蚀铝合金的力学性能参数为：冲击韧性≥34.3J/cm2，抗拉强度≥208MPa，断后延伸率≥6.5％。
在一些实施方式中，所述步骤二中的专业软件为有限元软件ANSYS。
在一些实施方式中，所述步骤三中的专业软件为有限元软件ProCAST。
在一些实施方式中，所述步骤二中的力学性能分析包括铝合金处于实际载荷工况下的最大应力、最大弹性变形、最大永久变形以及疲劳曲线。
在一些实施方式中，所述步骤三中的压铸工艺性能分析包括对压铸件充型的流场进行数值模拟，对压铸模或压铸件的温度场、应力场进行数值模拟，并进行充型与凝固分析。
在一些实施方式中，所述步骤三中的压铸工艺性能分析还包括预测压铸件气孔、缩孔、裂纹、缩松等铸造缺陷，预测残余应力、变形情况以及模具寿命。
在一些实施方式中，所述步骤一中设定的技术指标为：踏面、踢面壁厚≤1.7mm，梯级重量≤10.0kg，500-3000N动载下最大倾斜角度支撑时永久变形≤2.0mm，其中，所述最大倾斜角度为35°。
在一些实施方式中，所述步骤一中的复杂薄壁铝合金梯级模型为一次性压铸成型的宽1002.5mm、深403.5mm的1000型整体梯级。
与现有技术相比，本发明提供的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术产生的有益效果是：
一、本发明提供的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，攻克了复杂铝合金压铸件产品的成型制造与强韧性、耐腐蚀性难以兼顾的技术瓶颈，通过力学性能分析和压铸工艺性能分析交互迭代方法，实现了复杂薄壁铝合金梯级结构轻量化和铸造成型性能的双重优化设计，达到了铝合金压铸轻量化新水准。
二、本发明提供的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，通过该技术获得的铝合金梯级的踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm，梯级整体重量≤10.5kg，500-3000N静载后无永久变形、500-3000N动载下最大倾斜角度(35°)支撑时永久变形≤2.1mm并且无损坏，压铸产品的技术水平处于国内领先。
三、本发明提供的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，在常规Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上，通过调整硅含量至7.93～8.92wt％，铜含量至1.98～2.11wt％，同时添加0.182～0.62wt％的锆，0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％的锶进行复合微合金化，在不降低铝合金铸造性能(流动性)的同时，高效细化了铝合金中的硅相，使硅相尺寸集中在亚微米级，并且长径比集中在≤2，大幅提高了铝合金的韧性、塑性和耐腐蚀性，同时，合金的强度也得到提高，具有非常显著的性能效果。
四、本发明提供的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，使用的铸造铝合金为高强韧耐腐蚀铝合金，其性能突破了国际标准规范，经机械工业材料质量检测中心检测：其冲击韧性≥34.3J/cm2，抗拉强度≥208MPa，断后延伸率≥6.5％，在3.5％NaCl水溶液中浸泡93h的腐蚀速率≤0.049mm/y。由此铝合金制备得到的复杂薄壁铝合金梯级更具轻量化，减轻了自动扶梯的重量，从而降低了其能耗，使其更具可靠性。
五、本发明提供的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，彻底打破发达国家对我国高强韧、耐腐蚀铝合金材料及其大型复杂薄壁压铸件产品的垄断，大幅度提高传统铝合金铸造产品的强韧性、耐腐蚀性和轻量化水平，以满足市场的需求；同时对推动我国扶梯电梯、汽车、航空航天等领域走向高端，实现我国由制造大国成为制造强国都具有重要的战略意义。
附图说明
图1是本发明披露的复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，参照图1，其创新点在于：采用如下步骤进行：
步骤一：基于铝合金的力学性能参数，构建复杂薄壁铝合金梯级模型，设定技术指标；
步骤二：采用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级结构进行力学性能分析，进行结构优化；
步骤三：运用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级进行压铸工艺性能分析，提前预知确认产生缺陷的点面位置，做出设计调整；
步骤四：反复重复上述步骤二和步骤三，交互迭代，双重优化，实现梯级结构的优化；
步骤五：满足目标产品要求，投入使用。
具体的，本发明步骤一中所述复杂薄壁铝合金梯级模型为一次性压铸成型的宽1002.5mm、深403.5mm的1000型整体梯级。使用一次性压铸成型，不仅成型速度快，而且结构可靠，这在之前的技术中已有所提及，这里不做具体阐述。
进一步优化的，在本发明的此实施方式中，其中一个创新点在于复杂薄壁铝合金梯级的力学性能分析和压铸工艺性能分析的交互迭代优化方法。具体的，所述步骤二中的专业软件为有限元软件ANSYS，所述步骤三中的专业软件为有限元软件ProCAST。采用ANSYS软件力学分析和ProCAST软件压铸分析的双重优化，可方便研究梯级的结构参数与梯级的力学性能、压铸工艺性能之间的内在联系，从而实现梯级的轻量化。具体的，在分析之前所需设定的技术指标为：踏面、踢面壁厚≤1.7mm，梯级重量≤10.0kg，500-3000N动载下最大倾斜角度(35°)支撑时永久变形≤2.0mm，其中，各项技术指标超过国家标准。
在此基础之上，具体的，所述步骤二中的力学性能分析，是基于铝合金的力学性能参数，使用有限元软件ANSYS计算出轻量化后的产品在减重设计后处于实际载荷工况下的最大应力、最大弹性变形、最大永久变形(塑性形变)以及疲劳曲线，确认其结构减重后的正负指标影响及轻量化产品的安全性，从而为获得轻量化的梯级结构提供了有力的数据支持，为最终产品的整体形态结构提供了直观效果。进一步的，所述步骤三中的压铸工艺性能分析，是运用有限元软件ProCAST对复杂薄壁铝合金梯级的压铸工艺进行模拟分析。具体的，包括对压铸件充型的流场进行数值模拟，对压铸模或压铸件的温度场、应力场进行数值模拟，并进行充型与凝固分析，实现理想的型腔充填状态和模具热平衡状态；具体的，还包括预测压铸件气孔、缩孔、裂纹、缩松等铸造缺陷，预测残余应力、变形情况以及模具寿命，为实验研究提供参考，从而提前预知确认产生缺陷的点面位置，做出设计调整，使产品质量得到可靠保证。在常规的压铸过程中，会使用到压铸模，压铸模的工作条件是极其恶劣的。压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热温度比热锻模高，同时承受很高的压力，此外还受到反复加热和冷却对的作用以及金属液流的高速冲刷，在周期性交变应力的作用下，模具材料尤其是表层的组织性能逐步发生转变，最终导致失效。此外，在压铸过程中，由于压铸结构设计不合理或充型的流场结构设计不合理或压铸件流速和凝固时间控制不合理，导致在压铸成型件表面产生各种铸造缺陷，降低了最终产品的合格率。在本发明中，通过有限元软件ProCAST预先对压铸工艺中的压铸件充型流场、压铸模或压铸件的温度场和应力场进行模拟，对压铸件气孔、缩孔、裂纹、缩松等铸造缺陷、压铸件残余应力、变形情况以及模具寿命进行预测，改善了压铸模的工作条件，并提前预知可能产生压铸缺陷，从而进行优化，有效改善了实际压铸工艺中存在的诸多问题。
进一步具体而言，本发明的另一个创新点在于所述铝合金基材的制备，所述铝合金为高强韧耐腐蚀铝合金，该高强韧耐腐蚀铝合金力学性能可达到：冲击韧性≥34.3J/cm2，抗拉强度≥208MPa，断后延伸率≥6.5％，其中断后延伸率是其他材料不可比拟的，能显著提高铝合金材料的强韧性和可塑性；此外，该高强韧耐腐蚀铝合金在3.5％NaCl水溶液中浸泡93h的腐蚀速率≤0.049mm/y，具有较好的耐腐蚀性能。
针对上述高强韧耐腐蚀铝合金，我们进行进一步的具体阐述。该高强韧耐腐蚀铝合金包含主合金化元素铝、硅和铜，微合金化元素锰、镁和锌，同时添加微量锆和锶元素进行复合微合金化。其中：所述主合金化元素中硅含量为7.93～8.92wt％，铜含量为1.98～2.11wt％；所述微合金化元素中锰含量为0.001～0.02wt％，镁含量为0.001～0.02wt％，锌含量为0.005～0.23wt％，锆含量为0.182～0.62wt％，锶含量为0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％，余量为铝。该高强韧耐腐蚀铝合金材料的制备方法为：将铝放入高温炉内进行高温融化，高温融化温度为750～800℃；待融化成铝液后，依次加入合金化元素Si、Cu、Zr、Sr、Mn、Mg和Zn，使其各元素最终含量满足配比要求；待充分搅拌融化后，去除废渣，然后降温排气直至没有气体溢出，降温排气温度为700～750℃，时间为20～30min；最后进行浇铸成型，具体包括浇铸凝固和后处理加工，浇铸温度为680～740℃，凝固时间控制为1～3min；后处理加工为铝合金表面瑕疵的处理，依次包括退火和回火处理。
进一步优化的，上述制备方法中，所述合金化元素的加入方法以铝基中间合金的方式加入，其中，Al-Si中间合金含量15.86-17.84wt％，Si的质量百分比为50％；Al-Cu中间合金含量5.66～6.03wt％，Cu的质量百分比为35％；Al-Zr中间合金含量1.86～6.33wt％，Zr的质量百分比为9.8％；Al-Sr中间合金含量0.23～0.257wt％或0.257～0.263wt％，Sr的质量百分比为15.2％；Al-Mg中间合金含量0.019～0.39wt％，Mg的质量百分比为5.1％；Al-Mn中间合金含量0.016～0.33wt％，Mn的质量百分比为6％；Al-Zn中间合金0.065～3.067wt％，Zn的质量百分比为7.6％。此外，也可选用复合铝基中间合金，如以Al-Si-Mg中间合金、Al-Cu-Mn中间合金等中间合金的方式添加进入铝液中，在保证最终铝合金材料中各元素配比含量满足本发明要求的前提下可以以任意多种铝基组合中间合金的方式加入。不选用金属单质而使用铝基中间合金是为了减少烧损，所述中间合金可采用常规方法：如铝热法或溶化合成法，进行自行配置，也可根据配比在市场进行购买；中间合金的加入方式可以一次性加入也可待前一种中间合金融化后再加入另一种中间合金，优选后一种加入方式。
该高强韧耐腐蚀铝合金在常规Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上，通过调整硅含量至7.93～8.92wt％，铜含量至1.98～2.11wt％，同时添加0.182～0.62wt％的锆，0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％的锶进行复合微合金化，在不降低铝合金铸造性能(流动性)的同时，高效细化了铝合金中的硅相，使硅尺寸集中在亚微米级，并且长径比集中在≤2，大幅提高了铝合金的韧性、塑性和耐腐蚀性，同时，合金的强度也得到提高，具有非常显著的性能效果。
将上述性能优质的高强韧耐腐蚀铝合金作为本发明的梯级压铸件基材，进行梯级建模，在基于该高强韧耐腐蚀铝合金的力学性能的基础之上，利用有限元软件ANSYS预先对梯级模型的零部件结构进行优化，所述零部件结构为梯级的踢面、踏面以及连接结构，所述优化方式为：比如，为了加强梯级的坚固耐用性，在踏面背部设计紧密的加强筋；再比如，为了提高踏面的平面度，提高产品的合格率，在踏板上设置平面度调整装置，该平面度调整装置为固定螺丝和螺母组成的调节板等等。有限元软件ANSYS可基于力学性能参数模拟设计出满足目标产品轻量化前提下的最优化结构，并且获得复杂薄壁铝合金梯级处于实际载荷工况下的最大应力、最大弹性变形、最大永久变形(塑性形变)以及疲劳曲线的数据，从而为获得轻量化的梯级结构提供了有力的数据支持，为最终产品的整体形态结构提供了直观效果。在此基础之上，再利用有限元软件ProCAST对该复杂薄壁铝合金梯级在压铸工艺中的压铸件充型流场、压铸模或压铸件的温度场和应力场进行模拟，对压铸件气孔、缩孔、裂纹、缩松等铸造缺陷、压铸件残余应力、变形情况以及模具寿命进行预测分析，通过模拟整个压铸过程，改善了压铸模的工作条件，并提前预知可能产生压铸缺陷，从而进行优化，有效改善了实际压铸工艺中存在的诸多问题。该发明采用复杂薄壁梯级的力学性能和压铸工艺性能的双重优化技术，攻克了复杂铝合金压铸件产品的成型制造与强韧性、耐腐蚀性难以兼顾的技术瓶颈，实现了技术性的突破。在上述实施方式的基础之上，将通过压铸工艺模拟调整后的梯级结构再次进行有限元力学性能分析，进一步优化其结构性能，然后再进行压铸工艺模拟分析，重复上述步骤，如此反复优化，通过结构力学分析和压铸成型分析交互迭代优化，实现结构力学性能与压铸工艺性能的同步提升，在满足行业标准的前提下，降低梯级的整体质量，达到轻量化的标准。
综上所述，本发明采用力学性能分析和压铸工艺性能分析交互迭代优化方法，实现了复杂薄壁铝合金梯级结构轻量化和铸造成型性能的双重优化，通过该技术获得的铝合金梯级的踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm，梯级整体重量≤10.5kg，500-3000N静载后无永久变形、500-3000N动载下最大倾斜角度(35°)支撑时永久变形≤2.1mm并且无损坏，压铸产品的技术水平处于国内领先。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：采用如下步骤进行：
步骤一：基于铝合金的力学性能参数，构建复杂薄壁铝合金梯级模型，并设定技术指标；
步骤二：采用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级结构进行力学性能分析，进行结构优化；
步骤三：运用专业软件对复杂薄壁铝合金梯级进行压铸工艺性能分析，提前预知确认产生缺陷的点面位置，做出设计调整；
步骤四：反复重复上述步骤二和步骤三，交互迭代，双重优化，实现梯级结构的优化；
步骤五：满足目标产品要求，投入使用。
2.根据权利要求1中所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述铝合金为高强韧耐腐蚀铝合金，包含7.93～8.92wt％硅、1.98～2.11wt％铜、0.001～0.02wt％锰、0.001～0.02wt％镁、0.005～0.23wt％锌、0.182～0.62wt％锆、0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％锶以及≤0.05wt％的不可避免的杂质，余量为铝。
3.根据权利要求2所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述高强韧耐腐蚀铝合金的力学性能参数为：冲击韧性≥34.3J/cm2，抗拉强度≥208MPa，断后延伸率≥6.5％。
4.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述步骤二中的专业软件为有限元软件ANSYS。
5.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述步骤三中的专业软件为有限元软件ProCAST。
6.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述步骤二中的力学性能分析包括铝合金处于实际载荷工况下的最大应力、最大弹性变形、最大永久变形以及疲劳曲线。
7.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述步骤三中的压铸工艺性能分析包括对压铸件充型的流场进行数值模拟，对压铸模或压铸件的温度场、应力场进行数值模拟，并进行充型与凝固分析。
8.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述步骤三中的压铸工艺性能分析还包括预测压铸件气孔、缩孔、裂纹、缩松等铸造缺陷，预测残余应力、变形情况以及模具寿命。
9.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述步骤一中设定的技术指标为：踏面、踢面壁厚≤1.7mm，梯级重量≤10.0kg，500-3000N动载下最大倾斜角度支撑时永久变形≤2.0mm，其中，所述最大倾斜角度为35°。
10.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁铝合金梯级压铸成型技术，其特征在于：所述步骤一中的复杂薄壁铝合金梯级模型为一次性压铸成型的宽1002.5mm、深403.5mm的1000型整体梯级。
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