2A14铝合金连杆锻造成形工艺研究文献综述
2020-04-15 21:05:23
| 1.1研究背景 |
连杆用于连接活塞和曲轴，并将活塞所受作用力传给曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，连杆在生活中有着广泛的应用，小到我们日常用到的折叠伞，大到航天发动机，都可以发现连杆机构。连杆最广泛的用处还在汽车的发动机中，在汽车结构当中, 连杆零件主要负责发动机的传动, 汽车运行过程中, 连杆需要利用活塞顶形成膨胀压力, 再将压力传导到曲轴当中, 此时曲轴受力后便会带动活塞对气缸当中的气体进行压缩, 从而带动发动机运动。连杆是发动机的重要运动件之一，由于运动惯性力的存在，发动机的上述各项性能指标均受到连杆品质的严重影响。随着连杆质量增加，运动惯性力增加，导致发动机的摩擦损失功率增加，零部件的机械负荷增大，磨损加快，平衡和振动问题加剧。因此，连杆轻量化对发动机具有十分重大的意义。
一般而言，轻量化应从产品设计、制造工艺和材料选用等方面入手。对于车用发动机连杆而言，要实现大幅度减轻质量，必须彻底改变目前仅限于选用钢铁材料制造车用发动机连杆的现状，采用比强度和比模量等性能指标更优于钢铁材料的轻质材料。工程上用于结构件的比钢铁材料轻的金属材料有铝、镁和钛的合金及以其为基体的各种复合材料。仅从比强度和比模量等性能参数看，适用于制做发动机连杆的材料依次是钛、镁、铝和铁。对于汽车工业而言，价格是制约轻质合金应用的最主要因素。在上述几种轻质合金中，铝的比价格最低廉，因此也最具有应用前景。
研究表明，1 kg铝应用在汽车上可减少376～2501.5MJ的能耗和18.4～147.7 kg CO2eq的排放量。 以铝代钢减轻整车质量，降低油耗及排放，是一种重要的节能减排方式。近年来，汽车铝合金化的比例正在逐年上升，每年汽车的用铝量大幅增长，大力开发汽车铝合金锻件制造关键技术势在必行。 起火爆炸等问题，因此对阀门的强度和密封性能有了更高的要求。
| 1.2国内外连杆制造技术发展概况及趋势 传统的连杆生产均采用中低碳结构钢模锻成坯后，再经过拉铣镗磨等传统工序加工成型。由于引入了现代的连杆盖裂解新工艺，这种传统锻钢连杆的用材已从中低碳结构钢扩展至高碳钢，且制造成本有所降低，但总的说来，锻钢连杆的质量较大，质量偏差较小，制造成本也较高。尽管如此，由于这种连杆的生产工艺比较成熟，可靠性高，在现今世界汽车行业每年约 2亿多根的连杆产量中约占87%，仍处于绝对主导地位。20 世纪 60年代中期，为降低连杆生产成本，珠光体可锻铸铁连杆首先由美国通用汽车公司应用于 汽 车 发 动 机 ，此后又采用球墨铸铁以取代可锻铸铁，并近一步降低了生产成本。可锻铸铁和球墨铸铁连杆的抗拉强度分别为610~620MPa和690~780MPa，断后伸长率均为2.0~2.5%。可锻铸铁连杆强度较低，二者断后伸长率相当。与锻钢连杆相比，铸铁连杆的设计灵活性较大，成品更加接近设计尺寸。由于铸铁具有优良的机加工性能，且价格低廉，因而极具竞争力。 铸铁连杆成功地取代部分锻钢连杆，极大地激发了人们用粉末冶金锻造法制造发动机连杆的兴趣。粉末冶金锻造是将常规的粉末冶金工艺与精密锻造工艺相结合而发展起来的一项颇具竞争力的少、无切削工艺。粉末锻造连杆的质量偏差一般低于 0.5%，远小于锻钢连杆的3%~5%和铸铁连杆的 3%~4%，质量为锻钢连杆的 80%~90%，生产成本仅为锻钢连杆的 70% 左右。随着车用发动机向高速化、轻量化方向发展，人们对连杆等运动件提出了更高的轻量化要求。 如今，人们已突破连杆用材仅限于钢铁材料的现状，开始研究采用轻质工程材料制造车用发动机连杆的新技术。德国一所大学几年前曾采用碳纤维增强工程塑料制造发动机连杆，其质量仅为锻钢连杆的48%，但价格是锻钢连杆的 6.7 倍。因生产成本居高不下，这种连杆在汽车行业大批量应用的前景还十分遥远。由于铝具有密度小、强度高的特性，故采用铝基材料制造车用发动机连杆能得到显著的轻量化效果。采用铝的发动机连杆整体的重量相对于采用传统材料连杆重量降低了约30%,总体的抗疲劳及抗拉强度也有一定的提升,能够全面的满足发动机连杆相关工作性能的要求。 1.3研究目的及意义 本课题针对连杆的制造，为实现汽车轻量化，达到节能减排的目的，拟采用2A14铝合金来制造汽车发动机连杆，2A14铝合金属于Al-Cu-Mg-Si系合金, 具有较高的锻造性能, 强度高、耐热性和塑性良好, 其工作温度在150℃～180℃, 适用于制造室温下工作的高载荷复杂的模锻件, 如压缩机的叶轮、框架、配件, 火箭的焊接件和在低温下工作的零件。现如今2A14铝合金已成功用于发动机连杆的生产。针对2A14铝合金连杆零件，提出采用模锻成形工艺，利用DEFORMR软件对成形过程进行仿真模拟，分析成形过程组织性能演变规律机制，研究成形参数对组织性能的作用规律，探明对制备零件尺寸精度的影响因素，进而提出合理可行的优化方案，达到节省成本的目的，进一步提高我国发动机连杆生产制造水平。 |
2. 研究的基本内容与方案
{title}采用轻量化材料是汽车轻量化的趋势，其中连杆型号多、精度要求高、产量大，越来越多地采用铝合金锻造工艺进行生产。为了更好地认识和开发这种轻量化新工艺，需要对连杆锻造成形工艺成形过程进行仔细研究和优化，以便用于模拟计算和工程开发。
熟练掌握DEFORM有限元软件的应用，熟练掌握三维造型软件和数据处理软件的应用，熟练掌握数据分析和归纳总结方法。
1）分析铝合金连杆锻造成形工艺的特点
2）制坯工艺选择与优化
3）不同工步变形量分配对成形力的影响分析
4）最终零件尺寸精度的影响因素及优化
连杆锻造工艺主要内容：
下料
下料是连杆锻造过程的第一个环节，坯料拟选用2A14铝合金棒料，尺寸为Φ60*230mm，价格约为60元/件，下料的方式一般有剪切和锯切，为了保证端面整体光滑度，选用锯切方式。
固溶
在这一工序中，加热温度的选择极其重要，对于锻件来说，加热温度的高低将直接影响其整体质量（包括内在和外观）。一般来说，温度低对于锻造连杆的刚度、强度有力，同时有利于后续工艺进程的进行。为了提高 2A14 合金锻件力学性能及性能的均匀性，选用固溶温度为502℃，固溶保温时间2h。
热锻
模锻成形设备选用热模锻压力机，在膛炉进行锻造时，应及时对坯件进行修正，打磨，抛光等，使得坯件与模具匹配。在模具制造时，注意控制生产节拍使其保持稳定，同时锻打的温度应控制在一定值。在锻打时，注意润滑剂的喷涂，从而使得模具具有高的光洁度和制造精度。
切边
切边是指在已经成形的坯料上利用模具进行加工，一般来说，切边最好在坯料仍有温度时进行，因为在锻造过程完成后，坯料本身会存有一定的余热，这些余热有助于减小坯料的强度，使得在切边时所受应力较小。切边时应注意避免模具不匹配，因为这样极易造成切割后的坯料产生毛边不均的现象。同时切边变形也是常常遇到的问题，因此在切边时，应做好相应的防护措施。避免坯料因为应力变形造成的损失。
3. 参考文献| [1] 张昌明．锅合金连杆模锻工艺研究［J］．机械设计与制造，2008. [2] 张会．铅合金连巧锻造工芝设汁及模拟研充［J］．铸造技术，2011. [3]彭晓东，刘江．轻合金在汽车工业中的应用［J］．汽车工艺与椅料，1999. [4]袁序第．轻金属材料在汽车上的应用[J]．汽车工艺与材料，2002. [5] 钱东升，华林，张志强.一种复合轧制成形新技术[C].第十二届全国塑性工程学术年会暨第四届全球华人塑性加工技术研讨会论文集,2011. [6]华林．汽车新材輯与先进制造技术[J]．汽车工艺与材料，1999. [7] A.Forcellese. Warm forging of aluminum alloys:a new approach for time compression of the forging sequence[J].International Journal of machine toolamp;manufacture,2000. [8] JianLan,XuejunShen ,JuanLiu ,LinHua ． Strengthening mechanisms of 2A14 aluminum alloy with cold deformation Prior to artificial aging [9] 何约洁.国外发动机连杆生产现状.机械部第三设计院研究.1994. [10]罗晴岚.连杆锻造工艺技术的进步[J].锻压机械，2000. [11]王祖德.中国汽车零部件工业现状及展望[J]. 现代零部件，2005. [12]刘全坤．材料成形基本原理[M]．北京：机械工业出版社，2006． [13]张先国 汪维新.浅谈铝质材料在发动机连杆上的应用.东风汽车公司工艺研究所.2001. [14]罗晴岚.连杆锻造工艺技术的进步.机械部第四设计研究院.2000. |
[15]蔡郭生,陆华峰,刘韬 ,陈荣发,黄光华.铝合金连杆的铸造工艺模拟与优化. 热加工工艺.2014.
| [16]张昌明.铝合金连杆模锻工艺研究.机械设计与制造.2008 [17] Yuxun Zhang,Youping Yi,Shiquan Huang,Fei Dong，Huimin Wang. Investigation of the quenching sensitivity of forged 2A14 aluminum alloy by time-temperature-tensile properties diagrams. Journal of Alloys and Compounds.2017. [18]权国政,终莹,艾百胜,廖旭.大型铝合金壳体锻造成形过程的数值模拟和实验研究 中国机械工程.2008. |
[19] 张鹏，李辉，陈元芳．兰维.ＣＡＤ／ＮＣ技术在铅合金连杆挤压铸造模具中的应用．铸造.2003.
[20] 傅沛福，王忠金，等．连杆类锻件成型分析的云维网格生成方法［Ｊ］．农业机械学报，1995.
[21] 苏丹，周飞．有限体积法模拟金属锻造过程及其关键技术．系统模拟学报，2003.
[22] 刘红卫，陈康华，刘允中，等． 强化固溶对 2014 铝合金组织与性能的影响［J］． 湖南有色金属，2000.
[23] 项 东，刘科高，许 斌.固溶处理对 2014 铝合金组织和性能的影响［J］．轻合金加工技术，2005.
[24] 刘春燕，周丹晨，李昌安，江学强. 2A14 铝合金锻件的热处理工艺.金属热处理.2011.
[25] 张宏伟，牛占先，王秀华等.提高 2A14 铝合金轮毂锻件力学性能的锻造工艺[J]．轻合金加工技术,2006.
[26] 周文凤，李昌安，汤光平.热处理工艺参数对 LD10 合金力学性能的影响[J].金属热处理,2006.
[27] 李海，王芝秀，郑子樵.固溶处理对 Al-9.8Zn-2.37Mg-2.22Cu-0.12Zr 铝合金拉伸性能、微观组织及断口形貌的影响[J].稀有金属材料与工程,2006.
[28] 王祖唐，金属塑性成形理论，机械工业出版社，1989.
[29] R.K. Singh，A.K. Singh, N. Eswara Prasad.Texture and mechanical property anisotropy in an Al–Mg–Si–Cu alloy.Materials Science and Engineering.2000.
[30] L. Chun-yan, Z. Dan-chen, L. Chang-an, J. Xue-qiang, Heat treatment of 2A14
the fund of Jiangsu Province for the transformation of scientific and aluminium alloy forgings,HEAT Treat.Metals 36.2011.
