CN105705271A - 生产高性能轴对称部件的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造部件的材料和方法。所述方法包括将所述材料挤压铸造成具有期望形状的部件并且旋压已挤压铸造的部件以改善所述部件的形状。所述方法还包括热处理所述部件以增强所述部件的微观结构，以及机加工所述部件以进一步改善形状。

Description

生产高性能轴对称部件的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及用于生产诸如轴对称部件的部件的***、材料和方法，并且更具体地，涉及包括挤压铸造和旋压的用于生产高性能部件的***和方法。
背景技术
当生产诸如车辆部件的部件时，期望的是以既经济又有效的方式从轻质合金生产例如车轮的一件式部件。也期望的是使用在低应力区域中的材料最小化并且增加用在高应力区域中的材料，以在使重量最小化（这改进了燃料效率）的同时提供更强的部件。
诸如车轮和其它轴对称部件的许多高性能车辆部件由铸造原材（castlog）或铸锭形成，从所述铸造原材或铸锭切下坯料，并且随后使所述坯料经受形成例如锻制毛坯的一系列热锻操作。然后将车轮进行机加工，使其经受旋压、热处理，以及最终第二次机加工以形成最终形状。这种过程是耗时的并且能够是昂贵的。
挤压铸造是一种已知工艺，其包括将液体材料倾倒入模具内并且在压力下使液体凝固以形成部件。然而，存在妨碍挤压铸造形成满足高性能部件的规格要求的部件的尺寸和材料厚度限制。
在本领域中存在对于生产带有期望的规格要求的部件，尤其是用于车辆的轴对称部件和高性能部件的更加成本有效并且有效的方式的需要。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于制造部件的材料和方法。所述方法包括将材料挤压铸造成具有期望形状的部件，并且旋压已挤压铸造的部件以改善部件的形状。所述方法也包括热处理所述部件以增强所述部件的微观结构和机加工所述部件以进一步改善形状。
本发明的额外的特征将结合附图从以下描述和所附权利要求中变得显而易见。
附图说明
图1是用于制造部件的已知工艺的流程图；
图2是将成为车辆车轮的锻制毛坯的等距视图；
图3是从锻制毛坯形成的车辆车轮的等距视图；
图4是包括挤压铸造和旋压的用于制造部件的工艺的流程图；
图5是将成为车辆车轮的挤压铸造毛坯的剖视横截面侧视图；
图6是从挤压铸造毛坯形成的车辆车轮的剖视侧视图；
图7是示例性挤压铸造压力机的正视横截面型视图；
图8示出从锻制毛坯和挤压铸造毛坯制成的车辆车轮的正视图；
图9是示出半固态锻造的示例性工艺；以及
图10是车辆车轮的轮辋部分和轮辐部分的微观结构的分解图。
具体实施方式
涉及用于采用挤压铸造工艺生产部件的方法的本发明的实施例的以下讨论在本质上是仅示例性的，并且不以任何方式试图限制本发明或其应用或使用。
图1是用于生产高性能部件的一种已知方法10的流程图。首先，在框12处提供铸锭，其在框14处转变为坯料。在框16-20处执行多个锻造步骤，如本领域技术人员已知的那样，这些锻造步骤是热成型步骤。在锻造步骤结束时，形成诸如将成为车辆车轮的毛坯的锻制毛坯30。例如，图2是将成为车辆车轮的锻制毛坯30的等距视图。在框22处第一次对锻制毛坯30进行机加工，以去除材料从而形成期望的形状或设计。在形成车辆车轮的示例中，执行机加工以形成车轮轮辐。接着，在框24处执行旋压，包括施加作用力以拉长形成中的部件的部分并且也减少其厚度。在车辆车轮的示例中，框24处的旋压在正被成型为车轮的锻制毛坯30的轮辋部分上执行。取决于所使用的材料，可以在高温下执行旋压。在框26处执行热处理以实现部件的平衡的机械性能。此后，在框28处执行第二轮机加工以实现带有部件的最终尺寸并且带有平衡的机械性能的最终产品。图3是由上文所讨论的工艺生产的车辆车轮32的等距视图。
使用多个锻造步骤来形成部件是耗时的并且具有与其相关联的可观成本。需要多个锻造模并且被机加工除去以制成最终产品的原始材料的量能够多达三分之二。例如，锻制毛坯30可以是22.5kg，但是机加工之后成品车轮32可能仅是7.5kg。
图4是用于经由本领域技术人员已知的任何合适的挤压铸造设备使用挤压铸造生产高性能部件的工艺40的流程图，其中同样的附图标记指代与工艺10中的步骤相同的步骤。在框12处使用铸锭，或原始材料，但代替将铸锭转变成坯料，而是在框42处将铸锭熔化并且倾倒入铸型或模具内，以形成挤压铸造毛坯48，在图5中示出，这是诸如车辆车轮50（在图6中示出）的部件的形状的开始。在挤压铸造期间，熔化的铸锭材料在压力下凝固，以形成带有改善的微观结构的部件，其显示出优于通过诸如低压压铸的已知方法制成的部件的强度和延展性。以这种方式，在框42处挤压铸造来自框12的铸锭，使得生产中的部件被快速地制成接近最终期望的形状。例如，在车辆车轮的情形中，可以挤压铸造车轮，使得在不需要多个锻造步骤继之以切去可观的材料量以形成轮辐的机加工的情况下形成轮辐。在框24处，在旋压期间，挤压铸造毛坯48的厚轮辋部段由旋转的辊72根据所使用的材料在室温下或在提高的温度下旋压，以制成车辆车轮50的薄并且细长的轮辋，如图6所示。
图7是示例性挤压铸造压力机52的正视横截面型视图，该压力机52适合于用在框42处的挤压铸造工艺中。模具74定位在上压板76和下压板78之间。如上文所述，挤压铸造毛坯48在模具74内形成。为了形成挤压铸造毛坯48，熔化的铸锭材料通过熔体输送部80被输送至压射储筒（shotsleeve）82。冲头84随后在液体的凝固期间（其是取决于所使用的材料和期望的冷却速率的一些预定的时间）提供高挤压压力，以形成挤压铸造毛坯48。在形成挤压铸造毛坯48之后，上压板76和模具74的上部部分向上运动，使得能够将挤压铸造毛坯48从模具74移除。挤压铸造模具可以具有任何期望的设计，并且可以例如由高强度工具钢或其它材料制成。通常地，模具是两个或多个部分，它们能够附连在一起，并且然后当挤压铸造完成时能够被拆开以移除其中的部件。
虽然挤压铸造能够使部件被制造成接近其最终形式，但是仍需要诸如旋压的额外步骤以满足对于高性能部件而言所必须的规格要求。例如，框24处的旋压对于车轮而言是必须的，因为对轮辋部分所要求的厚度小于单独通过挤压铸造能够实现的厚度。以示例的方式，车辆车轮轮辋部分可以具有3mm的厚度要求，这不能够单独通过挤压铸造实现。因此，框24-28处的步骤被用于改善已在框42处挤压铸造的部件，使得可以满足规格要求。
一旦将冷却的部件，即挤压铸造毛坯48从挤压铸造模具移除，那么就在框24处执行旋压，以生产期望的环形或圈形形状。可以在旋压之前执行额外的步骤，如下文详细描述的那样。可以在室温下执行旋压。接着，在框26处执行热处理以实现带有平衡的机械性质的最终产品。此后，在框28处执行机加工以产生诸如车轮50的生产中的部件的最终期望的尺寸。可以改变框26处的热处理的温度和时间以适应部件所使用的材料。热处理通常引起粒子溶解，使得期望的粒子可以以受控方式沉淀析出，如本领域技术人员已知的那样。
图8示出车辆车轮60和66的前视图。车轮66由包括锻造的工艺10制成。必须机加工去除区域62以形成轮辐64。车轮66由包括挤压铸造的工艺40制成，其中中空空间68和轮辐70由来自工艺40的挤压铸造形成而不需要机加工。工艺40也允许更多的设计灵活性。例如，轮辐70可以是期望的任何形状。
在另一实施例中，工艺40中可以包括框46处的半固态锻造步骤。因此，在来自框12的铸锭已在框42处被挤压铸造之后，但是在模具中的材料已足够冷却至处于完全固态之前，可以使用半固态锻造步骤，使得当部件处于半固态状态时可以操纵该部件。图9示出示例性半固态锻造过程。挤压铸造部件在高温下处于液态状态90。随着温度开始随时间下降，部件转变至半固态状态92，其中存在固态部分94和液态部分96。所使用的半固态锻造温度取决于所使用的合金。例如，温度可以比100%液态部分96处的温度低50-100K，或者以40-100%的固态部分94的体积分数和60-0%的液态部分96的体积分数处的温度锻造。取决于轮辐的数量，在半固态状态92期间可以使用一个或多个锤98来锻造部件。因此，当实现部件的固态状态100时，将存在部件的锻造的部分。这对于在轮辐中形成凹部（pocket）和/或对于减薄部件的轮辐而言可以是期望的。因此，框46处的半固态锻造使得能够形成那些不可能单独由挤压铸造形成的额外的设计选项。
半固态铸造是恒体积工艺，因此该工艺本身并不去除材料。在半固态锻造之后，部件的机械强度增加，因此需要更少的材料来使轮辐部分满足所要求的性能规格。此外，可以在一定温度下执行模中锻造（in-dieforging）工艺，使得模具中的材料已足够冷却至处于完全固态状态。执行模中锻造所处的温度取决于所使用的合金。例如，温度可以是比100%固态部分94处的温度低0-100K。将热变形引入材料，因此机械性质提高，这允许在轮辐中使用更少的材料，如上文所述。
在另一实施例中，可以在框44处执行挤压铸造部件的快速冷却，以形成相比于在没有快速冷却的情况下实现的部件的微观结构更好的部件的微观结构。通过在框44处冷却部件继之以在框46处半固态锻造，可以共同使用框44和46的工艺。如图10所示，部件的轮辋部分112的快速冷却示出比根据本示例未被快速冷却的轮辐部分110更精细的微观结构。成分（element）114和116是在框24之前的热处理期间被去除并且在框26处重新沉淀析出的颗粒，从而保留甚至更精细的微观结构。更好的或更精细的微观结构是有利的，因为其赋予部件更强的强度和延展性，这是框24处的旋压所需要的。快速冷却可以通过任何合适的手段实现，诸如通过使用嵌入模具内，并且使用例如水或加压的气体来快速地冷却部件或部件的部分的冷却通道118。
用于工艺40的铸锭的材料能够是任何合适的合金。具体地，可以使用具有用于框42处的挤压铸造的合理的可铸性的特种合金，其提供框24处的旋压步骤中所需要的强度和可成型性，并且提供期望的Si和Mg/Cu/Zn含量。例如，包括高Si含量（类似于普通铸造铝合金A319/A356）并且也包括高Mg含量（类似于普通锻铝合金6082/6061）的特种合金是期望的。示例性特种合金包括3-6wt.%（重量百分数）的硅以在框42处的挤压铸造工艺期间保持可铸性，并且也使可成型性最大化以便框24处的旋压。2-5wt.%的Cu+Mg+Zn含量也是期望的，以使材料能够热处理。此外，期望T4处理（固溶热处理）以溶解Cu、Mg和Zn，从而增加延展性以获得能够旋压的结构，并且期望T5处理（一种在从先前的热加工步骤冷却之后在提高的温度下进行人工时效的工艺）以平衡强度和延展性。此外，0.1-0.3wt.%的铁含量是期望的，以防止挤压铸造期间粘模，并且0.2-0.4wt.%的Cr+Mn含量是期望的，以防止有害的β-AlFeSi相并且为了更好的可成型性。
在框42处的旋压步骤之前执行上文所描述的T4处理，并且在框26处的热处理步骤期间执行T5处理。热处理温度和时间段取决于所使用的特种合金组分。例如，可以使用对于1至5小时的时间段内在673-823K的范围中的T4温度。T5处理可以是例如对于2至24小时的时间段内在393-523K的温度范围中。
前述讨论公开并且描述了本发明的仅示例性实施例。本领域技术人员将从这种讨论和从附图和权利要求中容易地认识到能够在此处做出各种改变、改型和变型而不偏离如在以下权利要求中所限定的本发明的精神和范围。

Claims (28)

1.一种用于制造部件的方法，所述方法包括：
将材料挤压铸造成带有期望形状的部件，其中所述材料是液体并且被倾倒入模具内并且在压力下冷却；
旋压已挤压铸造的所述部件，以改善所述部件的形状；
热处理所述部件；以及
机加工所述部件，以进一步改善所述部件的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料是包括3-6wt.%的Si含量和2-5wt.%的Cu+Mg+Zn含量的合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，挤压铸造所述材料形成带有改善的微观结构的部件，所述部件显示出优于根据低压压铸制成的部件的强度和延展性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，旋压所述部件拉长所述部件并且形成带有期望厚度的期望的环形或圈形形状。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在已挤压铸造所述部件之后并且在所述部件已冷却至完全固态状态之前执行半固态锻造工艺。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述部件已冷却至固态状态之后执行模中锻造工艺。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，挤压铸造所述材料包括快速冷却所述部件以形成所述部件的改善的微观结构，所述部件具有优于被挤压铸造但不进行快速冷却的部件的强度和延展性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，快速冷却所述部件通过在挤压铸造模具中提供冷却通道实现。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，热处理所述部件包括以根据所使用的材料变化的时间和温度热处理所述部件。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料包括0.1-0.3wt.%的铁含量和0.2-0.4wt.%的Cr+Mn含量。
11.一种用于利用合金材料制造部件的方法，所述方法包括：
提供包括3-6wt.%的Si和2-5wt.%的Cu+Mg+Zn的合金材料；
将所述材料挤压铸造成带有期望形状的部件，其中所述材料是液体并且被倾倒入模具内并且在压力下冷却；
用T4处理处理所述部件；
旋压已挤压铸造的所述部件，以改善所述部件的形状；
用T5处理热处理所述部件；以及
机加工所述部件以进一步改善所述形状并且形成呈最终形式的部件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，挤压铸造所述材料形成带有改善的微观结构的部件，所述部件显示出优于根据低压压铸制成的部件的强度和延展性。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，旋压所述部件拉长所述部件并且形成带有期望厚度的期望的环形或圈形形状。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括在已挤压铸造所述部件之后并且在所述部件已冷却至完全固态状态之前的半固态锻造工艺。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括在所述部件已冷却至固态状态之后执行模中锻造工艺。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，挤压铸造所述材料包括快速冷却所述部件以形成具有优于被挤压铸造但不快速冷却的部件的强度和延展性的所述部件的微观结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，快速冷却所述部件通过在挤压铸造模具中提供冷却通道实现。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，热处理所述部件包括以根据所使用的材料变化的时间和温度热处理所述部件。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述材料包括0.1-0.3wt.%的铁含量和0.2-0.4wt.%的Cr+Mn含量。
20.一种用于利用挤压铸造工艺继之以旋压工艺制造部件的材料，所述材料包括：
近似3-6wt.%的Si含量；
近似2-5wt.%的Cu+Mg含量；
近似0.1-0.3wt.%的铁含量；和
近似0.2-0.4wt.%的Cr+Mn含量。
21.根据权利要求20所述的材料，其中，用T4处理处理所述材料以溶解Cu、Mg和Zn从而增加延展性和获得可旋压的结构。
22.根据权利要求20所述的材料，其中，用T5处理处理所述材料以平衡强度和延展性。
23.根据权利要求20所述的材料，其中，所述材料被液化并且倾倒入用于挤压铸造的模具内以形成部件。
24.根据权利要求23所述的材料，其中，在挤压铸造之后旋压所述部件以改善所述部件的形状。
25.根据权利要求24所述的材料，其中，在旋压之后热处理和机加工所述部件以进一步改善所述部件的形状和微观结构。
26.根据权利要求23所述的材料，其中，在已挤压铸造所述部件之后并且在所述部件已冷却至完全固态状态之前利用半固态锻造工艺锻造所述部件。
27.根据权利要求23所述的材料，其中，在所述部件已冷却至固态状态之后利用模中锻造工艺锻造所述部件。
28.根据权利要求23所述的材料，其中，快速冷却所述挤压铸造部件以形成具有优于被挤压铸造但不快速冷却的部件的强度和延展性的所述部件的微观结构。
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