本發(fā)明涉及壓鑄成型技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種復雜薄壁鋁合金梯級的壓鑄成型技術(shù)。
背景技術(shù)：
壓鑄業(yè)與扶梯的發(fā)展密切相關(guān)，是扶梯工業(yè)的重要支撐之一。當今，人們對自動扶梯的要求越來越趨向于高可靠、低耗能等方面，而梯級是自動扶梯最主要最關(guān)鍵的零部件，其中，鋁合金壓鑄梯級輕量化是自動扶梯減排降耗的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的鋁合金壓鑄梯級存在著韌性低、延伸率較低、允許變形的能力較差、制造工藝復雜、制造成本高等缺點，容易引起質(zhì)量缺陷。因此提高壓鑄鋁合金梯級的韌性、強度、延伸率、耐腐蝕性等關(guān)鍵技術(shù)指標，降低壓鑄鋁合金梯級的重量，是鋁合金壓鑄梯級發(fā)展的必然趨勢。
如中國專利cn104028725a公開了一種三維堆積成型梯度結(jié)構(gòu)的壓鑄模制造技術(shù)，采用如下步驟進行：(1)利用專業(yè)軟件對零件進行建模；(2)根據(jù)制件的形狀、材料，利用專業(yè)軟件優(yōu)化形成工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)；(3)利用專業(yè)軟件對模具壓鑄過程進行數(shù)值模擬分析，確定模具內(nèi)部溫度和熱應力分布規(guī)律；(4)根據(jù)上一步驟得到的模具內(nèi)部溫度和熱應力分布規(guī)律確定模具的功能梯度結(jié)構(gòu)和涂層材料；(5)對模具涂層試樣進行測試，若能通過測試，即可使用；(6)制造模具并覆上涂層，投入使用。該發(fā)明利用專利軟件進行模具建模并對壓鑄過程進行模擬分析，確定模具的三維梯度結(jié)構(gòu)和涂層材料之后，對涂層試樣進行嚴格的測試，最后進行模具制造并覆上涂層。但是，該發(fā)明使用的模擬技術(shù)僅針對壓鑄模的改進，而本發(fā)明使用的模擬技術(shù)要解決的是整體梯級的結(jié)構(gòu)力學性能和壓鑄工藝性能的雙重優(yōu)化，較該發(fā)明而言，本發(fā)明的壓鑄技術(shù)解決的問題更廣，效果更為顯著。
又如中國專利cn105293267a公開了一種自動扶梯的梯級及其壓鑄方法，一種自動扶梯的梯級包括支撐構(gòu)件、踏板組件和轉(zhuǎn)動機構(gòu)，所述支撐構(gòu)件和踏板組件一體壓鑄成型。這種自動扶梯的梯級的壓鑄方法是經(jīng)過熔融、壓鑄步驟和冷卻步驟完成自動扶梯的梯級的制作，所述冷卻步驟為：將壓鑄過的毛坯的厚壁部分和薄壁部分用隔熱板分隔開，采用梯度降溫的方式對厚壁部分和薄壁部分分別進行冷卻。該發(fā)明的自動扶梯的梯級通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化達到結(jié)構(gòu)牢固、重量輕，并且壓鑄的一致性高的效果，但是，仍然存在以下缺陷：應用于扶梯梯級的材料強韌性不夠，壓鑄方法未經(jīng)過預先設(shè)計優(yōu)化，導致壓鑄成品缺陷較多，不可控因素較大。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的鋁合金壓鑄梯級整體重量高、能耗大、壓鑄成型技術(shù)不完善的問題，本發(fā)明提供了一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)。
一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)，其特征在于：采用如下步驟進行：
步驟一：基于鋁合金的力學性能參數(shù)，構(gòu)建復雜薄壁鋁合金梯級模型，設(shè)定技術(shù)指標；
步驟二：采用專業(yè)軟件對復雜薄壁鋁合金梯級結(jié)構(gòu)進行力學性能分析，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；
步驟三：運用專業(yè)軟件對復雜薄壁鋁合金梯級進行壓鑄工藝性能分析，提前預知確認產(chǎn)生缺陷的點面位置，做出設(shè)計調(diào)整；
步驟四：反復重復上述步驟二和步驟三，交互迭代，雙重優(yōu)化，實現(xiàn)梯級結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；
步驟五：滿足目標產(chǎn)品要求，投入使用。
在一些實施方式中，所述鋁合金為高強韌耐腐蝕鋁合金，包含7.93～8.92wt％硅、1.98～2.11wt％銅、0.001～0.02wt％錳、0.001～0.02wt％鎂、0.005～0.23wt％鋅、0.182～0.62wt％鋯、0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％鍶以及≤0.05wt％的不可避免的雜質(zhì)，余量為鋁。
在一些實施方式中，所述高強韌耐腐蝕鋁合金的力學性能參數(shù)為：沖擊韌性≥34.3j/cm2，抗拉強度≥208mpa，斷后延伸率≥6.5％。
在一些實施方式中，所述步驟二中的專業(yè)軟件為有限元軟件ansys。
在一些實施方式中，所述步驟三中的專業(yè)軟件為有限元軟件procast。
在一些實施方式中，所述步驟二中的力學性能分析包括鋁合金處于實際載荷工況下的最大應力、最大彈性變形、最大永久變形以及疲勞曲線。
在一些實施方式中，所述步驟三中的壓鑄工藝性能分析包括對壓鑄件充型的流場進行數(shù)值模擬，對壓鑄模或壓鑄件的溫度場、應力場進行數(shù)值模擬，并進行充型與凝固分析。
在一些實施方式中，所述步驟三中的壓鑄工藝性能分析還包括預測壓鑄件氣孔、縮孔、裂紋、縮松等鑄造缺陷，預測殘余應力、變形情況以及模具壽命。
在一些實施方式中，所述步驟一中設(shè)定的技術(shù)指標為：踏面、踢面壁厚≤1.7mm，梯級重量≤10.0kg，500-3000n動載下最大傾斜角度支撐時永久變形≤2.0mm，其中，所述最大傾斜角度為35°。
在一些實施方式中，所述步驟一中的復雜薄壁鋁合金梯級模型為一次性壓鑄成型的寬1002.5mm、深403.5mm的1000型整體梯級。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)產(chǎn)生的有益效果是：
一、本發(fā)明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)，攻克了復雜鋁合金壓鑄件產(chǎn)品的成型制造與強韌性、耐腐蝕性難以兼顧的技術(shù)瓶頸，通過力學性能分析和壓鑄工藝性能分析交互迭代方法，實現(xiàn)了復雜薄壁鋁合金梯級結(jié)構(gòu)輕量化和鑄造成型性能的雙重優(yōu)化設(shè)計，達到了鋁合金壓鑄輕量化新水準。
二、本發(fā)明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)，通過該技術(shù)獲得的鋁合金梯級的踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm，梯級整體重量≤10.5kg，500-3000n靜載后無永久變形、500-3000n動載下最大傾斜角度(35°)支撐時永久變形≤2.1mm并且無損壞，壓鑄產(chǎn)品的技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先。
三、本發(fā)明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)，在常規(guī)al-si-cu系鑄造鋁合金成分設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整硅含量至7.93～8.92wt％，銅含量至1.98～2.11wt％，同時添加0.182～0.62wt％的鋯，0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％的鍶進行復合微合金化，在不降低鋁合金鑄造性能(流動性)的同時，高效細化了鋁合金中的硅相，使硅相尺寸集中在亞微米級，并且長徑比集中在≤2，大幅提高了鋁合金的韌性、塑性和耐腐蝕性，同時，合金的強度也得到提高，具有非常顯著的性能效果。
四、本發(fā)明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)，使用的鑄造鋁合金為高強韌耐腐蝕鋁合金，其性能突破了國際標準規(guī)范，經(jīng)機械工業(yè)材料質(zhì)量檢測中心檢測：其沖擊韌性≥34.3j/cm2，抗拉強度≥208mpa，斷后延伸率≥6.5％，在3.5％nacl水溶液中浸泡93h的腐蝕速率≤0.049mm/y。由此鋁合金制備得到的復雜薄壁鋁合金梯級更具輕量化，減輕了自動扶梯的重量，從而降低了其能耗，使其更具可靠性。
五、本發(fā)明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)，徹底打破發(fā)達國家對我國高強韌、耐腐蝕鋁合金材料及其大型復雜薄壁壓鑄件產(chǎn)品的壟斷，大幅度提高傳統(tǒng)鋁合金鑄造產(chǎn)品的強韌性、耐腐蝕性和輕量化水平，以滿足市場的需求；同時對推動我國扶梯電梯、汽車、航空航天等領(lǐng)域走向高端，實現(xiàn)我國由制造大國成為制造強國都具有重要的戰(zhàn)略意義。
附圖說明
圖1是本發(fā)明披露的復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)的流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明提供了一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術(shù)，參照圖1，其創(chuàng)新點在于：采用如下步驟進行：
步驟一：基于鋁合金的力學性能參數(shù)，構(gòu)建復雜薄壁鋁合金梯級模型，設(shè)定技術(shù)指標；
步驟二：采用專業(yè)軟件對復雜薄壁鋁合金梯級結(jié)構(gòu)進行力學性能分析，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；
步驟三：運用專業(yè)軟件對復雜薄壁鋁合金梯級進行壓鑄工藝性能分析，提前預知確認產(chǎn)生缺陷的點面位置，做出設(shè)計調(diào)整；
步驟四：反復重復上述步驟二和步驟三，交互迭代，雙重優(yōu)化，實現(xiàn)梯級結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；
步驟五：滿足目標產(chǎn)品要求，投入使用。
具體的，本發(fā)明步驟一中所述復雜薄壁鋁合金梯級模型為一次性壓鑄成型的寬1002.5mm、深403.5mm的1000型整體梯級。使用一次性壓鑄成型，不僅成型速度快，而且結(jié)構(gòu)可靠，這在之前的技術(shù)中已有所提及，這里不做具體闡述。
進一步優(yōu)化的，在本發(fā)明的此實施方式中，其中一個創(chuàng)新點在于復雜薄壁鋁合金梯級的力學性能分析和壓鑄工藝性能分析的交互迭代優(yōu)化方法。具體的，所述步驟二中的專業(yè)軟件為有限元軟件ansys，所述步驟三中的專業(yè)軟件為有限元軟件procast。采用ansys軟件力學分析和procast軟件壓鑄分析的雙重優(yōu)化，可方便研究梯級的結(jié)構(gòu)參數(shù)與梯級的力學性能、壓鑄工藝性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而實現(xiàn)梯級的輕量化。具體的，在分析之前所需設(shè)定的技術(shù)指標為：踏面、踢面壁厚≤1.7mm，梯級重量≤10.0kg，500-3000n動載下最大傾斜角度(35°)支撐時永久變形≤2.0mm，其中，各項技術(shù)指標超過國家標準。
在此基礎(chǔ)之上，具體的，所述步驟二中的力學性能分析，是基于鋁合金的力學性能參數(shù)，使用有限元軟件ansys計算出輕量化后的產(chǎn)品在減重設(shè)計后處于實際載荷工況下的最大應力、最大彈性變形、最大永久變形(塑性形變)以及疲勞曲線，確認其結(jié)構(gòu)減重后的正負指標影響及輕量化產(chǎn)品的安全性，從而為獲得輕量化的梯級結(jié)構(gòu)提供了有力的數(shù)據(jù)支持，為最終產(chǎn)品的整體形態(tài)結(jié)構(gòu)提供了直觀效果。進一步的，所述步驟三中的壓鑄工藝性能分析，是運用有限元軟件procast對復雜薄壁鋁合金梯級的壓鑄工藝進行模擬分析。具體的，包括對壓鑄件充型的流場進行數(shù)值模擬，對壓鑄模或壓鑄件的溫度場、應力場進行數(shù)值模擬，并進行充型與凝固分析，實現(xiàn)理想的型腔充填狀態(tài)和模具熱平衡狀態(tài)；具體的，還包括預測壓鑄件氣孔、縮孔、裂紋、縮松等鑄造缺陷，預測殘余應力、變形情況以及模具壽命，為實驗研究提供參考，從而提前預知確認產(chǎn)生缺陷的點面位置，做出設(shè)計調(diào)整，使產(chǎn)品質(zhì)量得到可靠保證。在常規(guī)的壓鑄過程中，會使用到壓鑄模，壓鑄模的工作條件是極其惡劣的。壓鑄模工作時與高溫的液態(tài)金屬接觸，不僅受熱時間長，而且受熱溫度比熱鍛模高，同時承受很高的壓力，此外還受到反復加熱和冷卻對的作用以及金屬液流的高速沖刷，在周期性交變應力的作用下，模具材料尤其是表層的組織性能逐步發(fā)生轉(zhuǎn)變，最終導致失效。此外，在壓鑄過程中，由于壓鑄結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或充型的流場結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或壓鑄件流速和凝固時間控制不合理，導致在壓鑄成型件表面產(chǎn)生各種鑄造缺陷，降低了最終產(chǎn)品的合格率。在本發(fā)明中，通過有限元軟件procast預先對壓鑄工藝中的壓鑄件充型流場、壓鑄模或壓鑄件的溫度場和應力場進行模擬，對壓鑄件氣孔、縮孔、裂紋、縮松等鑄造缺陷、壓鑄件殘余應力、變形情況以及模具壽命進行預測，改善了壓鑄模的工作條件，并提前預知可能產(chǎn)生壓鑄缺陷，從而進行優(yōu)化，有效改善了實際壓鑄工藝中存在的諸多問題。
進一步具體而言，本發(fā)明的另一個創(chuàng)新點在于所述鋁合金基材的制備，所述鋁合金為高強韌耐腐蝕鋁合金，該高強韌耐腐蝕鋁合金力學性能可達到：沖擊韌性≥34.3j/cm2，抗拉強度≥208mpa，斷后延伸率≥6.5％，其中斷后延伸率是其他材料不可比擬的，能顯著提高鋁合金材料的強韌性和可塑性；此外，該高強韌耐腐蝕鋁合金在3.5％nacl水溶液中浸泡93h的腐蝕速率≤0.049mm/y，具有較好的耐腐蝕性能。
針對上述高強韌耐腐蝕鋁合金，我們進行進一步的具體闡述。該高強韌耐腐蝕鋁合金包含主合金化元素鋁、硅和銅，微合金化元素錳、鎂和鋅，同時添加微量鋯和鍶元素進行復合微合金化。其中：所述主合金化元素中硅含量為7.93～8.92wt％，銅含量為1.98～2.11wt％；所述微合金化元素中錳含量為0.001～0.02wt％，鎂含量為0.001～0.02wt％，鋅含量為0.005～0.23wt％，鋯含量為0.182～0.62wt％，鍶含量為0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％，余量為鋁。該高強韌耐腐蝕鋁合金材料的制備方法為：將鋁放入高溫爐內(nèi)進行高溫融化，高溫融化溫度為750～800℃；待融化成鋁液后，依次加入合金化元素si、cu、zr、sr、mn、mg和zn，使其各元素最終含量滿足配比要求；待充分攪拌融化后，去除廢渣，然后降溫排氣直至沒有氣體溢出，降溫排氣溫度為700～750℃，時間為20～30min；最后進行澆鑄成型，具體包括澆鑄凝固和后處理加工，澆鑄溫度為680～740℃，凝固時間控制為1～3min；后處理加工為鋁合金表面瑕疵的處理，依次包括退火和回火處理。
進一步優(yōu)化的，上述制備方法中，所述合金化元素的加入方法以鋁基中間合金的方式加入，其中，al-si中間合金含量15.86-17.84wt％，si的質(zhì)量百分比為50％；al-cu中間合金含量5.66～6.03wt％，cu的質(zhì)量百分比為35％；al-zr中間合金含量1.86～6.33wt％，zr的質(zhì)量百分比為9.8％；al-sr中間合金含量0.23～0.257wt％或0.257～0.263wt％，sr的質(zhì)量百分比為15.2％；al-mg中間合金含量0.019～0.39wt％，mg的質(zhì)量百分比為5.1％；al-mn中間合金含量0.016～0.33wt％，mn的質(zhì)量百分比為6％；al-zn中間合金0.065～3.067wt％，zn的質(zhì)量百分比為7.6％。此外，也可選用復合鋁基中間合金，如以al-si-mg中間合金、al-cu-mn中間合金等中間合金的方式添加進入鋁液中，在保證最終鋁合金材料中各元素配比含量滿足本發(fā)明要求的前提下可以以任意多種鋁基組合中間合金的方式加入。不選用金屬單質(zhì)而使用鋁基中間合金是為了減少燒損，所述中間合金可采用常規(guī)方法：如鋁熱法或溶化合成法，進行自行配置，也可根據(jù)配比在市場進行購買；中間合金的加入方式可以一次性加入也可待前一種中間合金融化后再加入另一種中間合金，優(yōu)選后一種加入方式。
該高強韌耐腐蝕鋁合金在常規(guī)al-si-cu系鑄造鋁合金成分設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整硅含量至7.93～8.92wt％，銅含量至1.98～2.11wt％，同時添加0.182～0.62wt％的鋯，0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％的鍶進行復合微合金化，在不降低鋁合金鑄造性能(流動性)的同時，高效細化了鋁合金中的硅相，使硅尺寸集中在亞微米級，并且長徑比集中在≤2，大幅提高了鋁合金的韌性、塑性和耐腐蝕性，同時，合金的強度也得到提高，具有非常顯著的性能效果。
將上述性能優(yōu)質(zhì)的高強韌耐腐蝕鋁合金作為本發(fā)明的梯級壓鑄件基材，進行梯級建模，在基于該高強韌耐腐蝕鋁合金的力學性能的基礎(chǔ)之上，利用有限元軟件ansys預先對梯級模型的零部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，所述零部件結(jié)構(gòu)為梯級的踢面、踏面以及連接結(jié)構(gòu)，所述優(yōu)化方式為：比如，為了加強梯級的堅固耐用性，在踏面背部設(shè)計緊密的加強筋；再比如，為了提高踏面的平面度，提高產(chǎn)品的合格率，在踏板上設(shè)置平面度調(diào)整裝置，該平面度調(diào)整裝置為固定螺絲和螺母組成的調(diào)節(jié)板等等。有限元軟件ansys可基于力學性能參數(shù)模擬設(shè)計出滿足目標產(chǎn)品輕量化前提下的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并且獲得復雜薄壁鋁合金梯級處于實際載荷工況下的最大應力、最大彈性變形、最大永久變形(塑性形變)以及疲勞曲線的數(shù)據(jù)，從而為獲得輕量化的梯級結(jié)構(gòu)提供了有力的數(shù)據(jù)支持，為最終產(chǎn)品的整體形態(tài)結(jié)構(gòu)提供了直觀效果。在此基礎(chǔ)之上，再利用有限元軟件procast對該復雜薄壁鋁合金梯級在壓鑄工藝中的壓鑄件充型流場、壓鑄模或壓鑄件的溫度場和應力場進行模擬，對壓鑄件氣孔、縮孔、裂紋、縮松等鑄造缺陷、壓鑄件殘余應力、變形情況以及模具壽命進行預測分析，通過模擬整個壓鑄過程，改善了壓鑄模的工作條件，并提前預知可能產(chǎn)生壓鑄缺陷，從而進行優(yōu)化，有效改善了實際壓鑄工藝中存在的諸多問題。該發(fā)明采用復雜薄壁梯級的力學性能和壓鑄工藝性能的雙重優(yōu)化技術(shù)，攻克了復雜鋁合金壓鑄件產(chǎn)品的成型制造與強韌性、耐腐蝕性難以兼顧的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了技術(shù)性的突破。在上述實施方式的基礎(chǔ)之上，將通過壓鑄工藝模擬調(diào)整后的梯級結(jié)構(gòu)再次進行有限元力學性能分析，進一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能，然后再進行壓鑄工藝模擬分析，重復上述步驟，如此反復優(yōu)化，通過結(jié)構(gòu)力學分析和壓鑄成型分析交互迭代優(yōu)化，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學性能與壓鑄工藝性能的同步提升，在滿足行業(yè)標準的前提下，降低梯級的整體質(zhì)量，達到輕量化的標準。
綜上所述，本發(fā)明采用力學性能分析和壓鑄工藝性能分析交互迭代優(yōu)化方法，實現(xiàn)了復雜薄壁鋁合金梯級結(jié)構(gòu)輕量化和鑄造成型性能的雙重優(yōu)化，通過該技術(shù)獲得的鋁合金梯級的踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm，梯級整體重量≤10.5kg，500-3000n靜載后無永久變形、500-3000n動載下最大傾斜角度(35°)支撐時永久變形≤2.1mm并且無損壞，壓鑄產(chǎn)品的技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先。
上述說明示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，如前所述，應當理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識進行改動。而本領(lǐng)域人員所進行的改動和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。