锻造工艺对机械轴承用铝合金性能的影响

锻造工艺对机械轴承用铝合金性能的影响
发表时间：2020-12-01T07:56:57.170Z 来源：《防护工程》2020年23期作者：张济鹏孟凡坤[导读] 验证提出方法在实际应用中，降低了测量误差，提高了监测工作效率，有力支持了质量检验工作。

哈尔滨哈飞工业有限责任公司黑龙江省哈尔滨市 150060
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，机械行业在近些年发展态势良好，而轴承在机械领域则发挥着巨大的作用。

它承载着机械旋转体，能够减少旋转时的摩擦和负荷。

轴承的精度、质量、寿命等关系到机械产品的质量和综合性能，甚至关系到人身安全，因而轴承的质量、性能不容忽视。

目前，轴承常用到的原材料有不锈钢、高碳铬钢等。

而近些年来，在轻量化、绿色环保、可持续发展等理念的推广下，并基于机械行业对轴承性能越来越高的需求，铝合金受到越来越多的关注和青睐。

铝合金具有密度小、强度高、易加工、耐腐蚀性高等优点，适用于机械轴承的加工。

除了原材料的优化外，加工工艺也是影响轴承性能的关键因素。

虽然我国的锻造工艺水平取得了较大的提升，但是轴承在锻造时存在易偏析、开裂等问题。

因此，本文对铝合金机械轴承的锻造工艺进行研究，以期优化铝合金机械轴承的性能。

关键词：机械轴承；始锻温度；终锻温度；锻造变形；磨损性能
引言
现代化工业生产对于车内零部件产品的要求逐步提高的大形势下，针对质量管控中传统尺寸测量标准分析方法存在精度低的缺陷，提出了一种车用铜铝合金发动机轴承尺寸测量标准分析方法的设计。

通过提取滤波处理后轴承尺寸标准数据集，采用三点均匀测量的方式，计算轴承边缘标准尺寸允许误差，选择轴承中心检测方法，修正轴承尺寸测量标定范围，修正轴承尺寸测量标定范围。

设计对比实验，验证提出方法在实际应用中，降低了测量误差，提高了监测工作效率，有力支持了质量检验工作。

1实验
1.1有限元模型的建立
采用Deform-3D有限元软件对包套多向锻造过程进行数值模拟，利用UG三维造型软件对坯料、包套和模具进行三维实体造型。

将三维造型保存成stl格式，导入到Deform-3D有限元软件中，模拟过程中将坯料和包套视为塑性体，上模和下模视为刚性体。

实验所用坯料材料为喷射成形高强铝合金，由于在Deform-3D软件材料库无喷射成形高强铝合金的材料属性数据，需要根据等温热压缩实验得到的应力-应变方程数据输入到Deform-3D软件中得到，坯料的尺寸为15mm×15mm×22.5mm，摩擦因数设为0.25，将坯料划分为40000个网格，包套划分为50000个网格。

锻造温度设置为200℃，上模的运行速度为1mm/s，单个方向压下量为40%。

通过分析不同包套材料、厚度对坯料成形性能的影响，确定最终实验采用的包套参数。

1.2方法
在试块上使用线切割法切取大小为20mm×20mm×10mm的磨损试块。

试验仪器选用THT型高温摩擦磨损试验机，工作负荷100N，磨轮转速350r/min，以100mm/min速度滑行，分别在试验温度25℃室温以及300℃高温下进行室温和高温磨损试验，磨损时间30min，试验结束后记录磨损体积，并采用3400型扫描电镜观察试样的磨损形貌。

2结果及分析
2.1包套材料的选取
包套材料的选取需要考虑坯料和包套材料的变形抗力大小，模拟中选取变形抗力稍小于铝合金的CnZn37和变形抗力稍大于铝合金的45#钢作为包套材料，并和不加包套时的模拟进行对比。

包套多向锻造一道次后，坯料的等效应力分布图。

直接对坯料进行一道次多向锻造的模拟结果，由于坯料和上下模具直接接触，坯料和模具之间的摩擦力导致坯料内部各处的变形不均匀，坯料外壁尖角部位的应力最大，在此处易产生应力集中，形成开裂等缺陷。

选择的包套材料是CuZn37，可以看到一道次变形结束后，坯料和包套接触部分形成很大的间隙，坯料在变形过程中容易与包套产生摩擦力，包套无法对坯料的变形起到限制作用，在变形结束后，坯料的应力分布仍然不均匀。

当包套材料选用45#钢时，变形结束后坯料和包套之间紧密接触，发生协调变形，整个坯料处于三向压应力状态，等效应力分布非常均匀，所以选用45#钢作为包套的实验材料。

2.2响应面试验方案设计
响应曲面设计方法（responsesurfacemethodology，RSM）是利用合理的试验设计方法并通过试验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法。

为得到的29组参数组合。

采用Deform-3D软件对每组参数进行模拟分析，得到锻件最大的损伤值。

2.3不同始锻温度对试样耐磨损性能的影响
经不同始锻温度锻造的Al-10Si-3Cu-0.5In-0.4Ce随始锻温度从410℃提升至490℃，试样的室温磨损和高温磨损体积均先减小后增大，分别在（32～21）×10-3、（68～43）×10-3mm3之间变化波动，室温耐磨损性能和高温耐磨损性能先提升后下降。

在410℃始锻温度下，试样的室温、高温磨损体积均最大，分别为32×10-3、68×10-3mm3，此时不管是室温磨损还是高温磨损，磨损的程度均最为严重，耐磨损性能最差。

当始锻温度继续上升，试样的室温磨损体积和高温磨损体积逐渐减小；当始锻温度达到450℃，试样的室温、高温磨损体积达到最小值，分别为21×10-3、43×10-3mm3，各较410℃始锻温度锻造时减小了34.4%、36.8%，此时室温耐磨损性能和高温耐磨损性能均最佳。

但始锻温度并非越高越好，当始锻温度为470℃和490℃时，试样的室温、高温磨损体积均较450℃时有所增大，耐磨损性能呈下降趋势。

由此可知，和410℃始锻温度相比，采用450℃始锻温度锻造制备的Al-10Si-3Cu-0.5In-0.4Ce铝合金试样的室温耐磨损性能和高温耐磨损性能均最佳。

410℃始锻温度锻造时，试样高温磨损试验后，其表面出现了较多的磨痕、起皮和大小不一的凹坑，磨痕粗大、且深，磨损程度较严重；而经450℃始锻温度锻造的试样在高温磨损试验后，其表面的磨损现象得到极大的改善，磨痕细而浅，基本上未产生起皮与凹坑，呈现出更佳的高温耐磨损性能。

这和上述的机械轴承铝合金Al-10Si-3Cu-0.5In-0.4Ce试样的高温磨损体积测试结果是一致的。

2.4显微硬度分析
对初始态试样和一道次包套多向锻造后试样进行显微硬度测试，对锻后的试样主要选取心部、侧边缘和上边缘3个位置测量硬度，每个位置测量10个点求其平均值，得到初始态试样的平均硬度值为HV72.2，经过一道次包套多向锻造后试样心部、侧边缘和上边缘的硬度值分别为HV98.7，HV96.5，HV94.2。

可以看到，经过一道次包套多向锻造后，试样的硬度得到了提升，各个部位的硬度值变化相差不大，说明45#钢包套材料对坯料起到了有效的限制作用，各个部位的变形比较均匀，与模拟结果相符合。

结语
1）通过Deform-3D模拟喷射成形高强铝合金包套多向锻造的成形过程，当包套材料的变形抗力稍大于坯料时，坯料和包套之间发生协调变形，可以显著改善坯料的等效应力分布。

2）包套多向锻造后试样的宏观形貌与模拟结果一致，验证了模拟结果的准确性，一道次包套多向锻造实验后，试样的硬度、抗拉强度和伸长率都得到了提升，经过T6热处理后，试样的抗拉强度进一步提升，伸长率下降。

参考文献
[1]郑晖，赵曦雅.汽车轻量化及铝合金在现代汽车生产中的应用[J].锻压技术，2016(2)：1-6.
[2]林钢，林慧国，赵玉涛.铝合金应用手册[M].北京：机械工业出版社，2006.。