熱處理對(duì)強(qiáng)力旋壓筒形件力學(xué)性能的影響

王蓮花， 柏朝輝

(1. 包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系， 內(nèi)蒙古 包頭 014030； 2. 內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014033)

0 引 言

連桿襯套是大功率柴油機(jī)的一個(gè)重要部件， 它在工作過程中要承受氣缸爆發(fā)壓力、 連桿的慣性力和高溫?zé)嶝?fù)荷的作用， 工作環(huán)境十分惡劣， 所以連桿襯套要具有良好的力學(xué)性能以保證其工作效率和使用壽命. 強(qiáng)力旋壓是一種少切削、 高精度的薄壁筒形件加工工藝， 多用于連桿襯套的制備. 強(qiáng)力旋壓參數(shù)的選擇對(duì)于連桿襯套筒形件的力學(xué)性能具有很大的影響， 所以合理地選擇參數(shù)可以使筒形件具有更好的力學(xué)性能. 王志偉等[1-2]通過正交試驗(yàn)研究了芯模與旋輪間距和進(jìn)給比等參數(shù)對(duì)強(qiáng)力旋壓筒形件力學(xué)性能的影響； 丁俊峰等[3]研究了熱處理工藝對(duì)2219鋁合金旋壓件力學(xué)性能的影響. 由于強(qiáng)力旋壓是一種塑性加工工藝， 制備出的工件不可避免地具有殘余應(yīng)力， 所以要對(duì)工件進(jìn)行熱處理以消除殘余應(yīng)力. 由于熱處理會(huì)在一定程度上對(duì)工件的力學(xué)性能產(chǎn)生影響， 所以研究熱處理對(duì)強(qiáng)力旋壓成形件力學(xué)性能的影響具有一定的工程實(shí)際意義.

本文設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)， 以強(qiáng)力旋壓的連桿襯套筒形件為研究對(duì)象， 首先對(duì)比熱處理前后試件的力學(xué)性能變化情況， 然后研究熱處理溫度和保溫時(shí)間對(duì)試件力學(xué)性能的影響， 為提高連桿襯套的質(zhì)量提供了一定的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 參數(shù)選取

1.1.1 強(qiáng)力旋壓參數(shù)

減薄率是強(qiáng)力旋壓的一個(gè)重要參數(shù)， 減薄率過小會(huì)導(dǎo)致工件在成形過程中變形不均勻從而影響尺寸精度， 減薄率過大則會(huì)導(dǎo)致工件變形失穩(wěn)甚至開裂等情況. 根據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)， 本文選取減薄率為25%， 35%和45%. 進(jìn)給比是指旋輪進(jìn)給速度與芯模轉(zhuǎn)速的比值. 進(jìn)給比選取不當(dāng)會(huì)造成金屬流動(dòng)失穩(wěn)， 使成形件產(chǎn)生缺陷. 本文選取進(jìn)給比為0.2， 0.6和1.0 mm/r. 試驗(yàn)采用SXD100/3-CNC數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)進(jìn)行， 旋壓方式為三輪錯(cuò)距正旋， 如圖 1 所示.

圖 1 旋壓方式圖Fig.1 Spinning mode

3個(gè)旋輪在徑向和軸向上分別錯(cuò)開一定的距離， 且每個(gè)旋輪均要承擔(dān)一道減薄量. 此旋壓機(jī)設(shè)定旋輪1減薄一定量后， 剩余的減薄量由旋輪2和旋輪3平均承擔(dān)[4]. 如果首輪減薄量過小會(huì)影響工件的直線度， 過大則會(huì)使旋輪1的使用壽命受到一定的影響. 本文選取首輪減薄量為0.4t， 0.5t和0.6t(t為總減薄量， 單位mm).

1.1.2 熱處理參數(shù)

熱處理溫度是熱處理中影響殘余應(yīng)力消除效果的一個(gè)重要參數(shù). 試驗(yàn)采用的試件材料為錫青銅合金QSn7-0.2， 針對(duì)此銅合金一般作彈性元件的特點(diǎn)， 通常不進(jìn)行再結(jié)晶退火， 只進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火. 一般QSn7-0.2的去應(yīng)力退火溫度在200～300 ℃之間， 本文選取熱處理溫度為200, 240和280 ℃. 當(dāng)試件達(dá)到熱處理溫度時(shí)， 為了使材料的晶體更均勻受熱以充分地釋放殘余應(yīng)力， 要進(jìn)行一定時(shí)間的保溫處理. 保溫時(shí)間不宜過短或過長， 時(shí)間過短則消除殘余應(yīng)力的效果不佳， 時(shí)間過長則會(huì)浪費(fèi)能源、 降低設(shè)備的利用率. 本文選取的保溫時(shí)間為1 h和2 h.

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及其獲取方法

抗拉強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)， 是金屬材料在靜拉伸條件下的最大承載能力. 其測(cè)量方法為： 將所測(cè)試件制成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件(如圖2所示)， 根據(jù)GB/T228.1-2010， 在彈簧試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜載荷拉伸試驗(yàn)， 由應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的抗拉強(qiáng)度， 再取平均值即為所測(cè)試件的平均抗拉強(qiáng)度[5].

圖 2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件Fig.2 Standard tensile specimen

延伸率也是金屬材料力學(xué)性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)， 它主要反應(yīng)了試件的塑性性能， 如果試件的延伸率過低， 則說明試件比較脆， 容易發(fā)生斷裂等失效形式. 延伸率的測(cè)量方法為： 將所測(cè)試件制成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件， 在標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件上截取一定長度L0進(jìn)行標(biāo)記， 將經(jīng)過靜載荷拉伸試驗(yàn)后拉斷的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件重新對(duì)接在一起， 測(cè)量此前拉伸試件上標(biāo)記的那一段此時(shí)的長度， 記為Lk， 則該標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件的延伸率為(Lk-L0)/L0， 再取平均值即為所測(cè)試件的平均延伸率[6].

1.3 強(qiáng)力旋壓成形試驗(yàn)及熱處理

試驗(yàn)采用內(nèi)徑為Φ50.5 mm、 外徑Φ64.0 mm， 高為80.5 mm的毛坯件， 在SXD100/3-CNC數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)上進(jìn)行旋壓成形試驗(yàn)， 成形方式為一道次成形. 去應(yīng)力退火處理在BPG-9200BH高溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行， 其溫度范圍為RT+20～500 ℃， 溫度分辨率/波動(dòng)度為0.1 ℃/±0.5 ℃. 將旋壓成形的筒形件按照相應(yīng)的熱處理溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行熱處理后冷卻， 再進(jìn)行抗拉強(qiáng)度及延伸率的測(cè)量[7].

1.4 試驗(yàn)安排及結(jié)果

設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)， 考察熱處理前后試件力學(xué)性能的變化情況和熱處理溫度及保溫時(shí)間對(duì)試件力學(xué)性能的影響. 試驗(yàn)安排及結(jié)果如表 1 所示.

表 1 試驗(yàn)安排及結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱處理前后對(duì)比分析

圖 3(a) 所示為熱處理前后試件抗拉強(qiáng)度的變化情況. 從圖中可以看出， 在相同的旋壓參數(shù)下制備的試件， 熱處理前的抗拉強(qiáng)度要明顯高于熱處理后的抗拉強(qiáng)度[8]. 因?yàn)樵囼?yàn)中進(jìn)行的是低溫去應(yīng)力退火， 并不會(huì)對(duì)銅合金的晶粒結(jié)構(gòu)造成影響和改變， 但會(huì)引起銅合金晶體位錯(cuò)密度的降低， 從而抵消了部分加工的強(qiáng)化效果， 因此抗拉強(qiáng)度會(huì)降低. 圖 3(b)所示為熱處理前后延伸率的變化情況. 從圖中可以看出， 在相同旋壓參數(shù)下制備的試件， 熱處理后的延伸率相比熱處理前有明顯的升高[9]， 說明熱處理可以提高強(qiáng)力旋壓筒形件的塑性性能.

圖 3 熱處理前后試件力學(xué)性能的變化Fig.3 Changes of mechanical properties of specimens before and after heat treatment

2.2 熱處理參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

如圖 4 所示為熱處理溫度對(duì)強(qiáng)力旋壓筒形件力學(xué)性能的影響. 從圖中可以看出， 無論在哪個(gè)保溫時(shí)間下， 當(dāng)熱處理溫度為200 ℃時(shí)， 筒形件的抗拉強(qiáng)度均在600 MPa以上， 但隨著熱處理溫度的升高， 筒形件的抗拉強(qiáng)度逐漸下降至560～580 MPa， 說明隨著熱處理溫度的升高， 強(qiáng)力旋壓筒形件的抗拉強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)[10]. 對(duì)于延伸率， 當(dāng)以200 ℃的熱處理溫度進(jìn)行處理時(shí)， 筒形件的延伸率在20%以下， 當(dāng)熱處理溫度上升時(shí)， 其延伸率也分別達(dá)到了20%以上， 說明隨著熱處理溫度的升高， 強(qiáng)力旋壓筒形件的延伸率呈上升趨勢(shì)， 其塑性性能得到了提高.

如圖 5 所示為保溫時(shí)間對(duì)強(qiáng)力旋壓筒形件力學(xué)性能的影響.

從圖 5 中可以看出， 保溫2 h的條件下， 在任何熱處理溫度時(shí)， 筒形件的抗拉強(qiáng)度均小于保溫1 h時(shí)， 而延伸率則與抗拉強(qiáng)度呈相反的趨勢(shì)， 即保溫2 h的條件下筒形件的延伸率要大于保溫1 h時(shí). 說明隨著保溫時(shí)間的增加， 強(qiáng)力旋壓筒形件的抗拉強(qiáng)度降低， 而延伸率升高.

圖 4 熱處理溫度對(duì)筒形件力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of heat treatment temperature on mechanical properties of cylindrical parts

圖 5 保溫時(shí)間對(duì)筒形件力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of holding time on mechanical properties of cylindrical parts

3 結(jié) 論

1) 熱處理對(duì)于強(qiáng)力旋壓筒形件的力學(xué)性能具有一定的影響， 通過去應(yīng)力退火， 可以降低筒形件的硬度， 而提高其延伸率.

2) 隨著熱處理溫度的升高， 強(qiáng)力旋壓筒形件的抗拉強(qiáng)度降低， 延伸率升高； 隨著保溫時(shí)間的增加， 筒形件的抗拉強(qiáng)度和延伸率具有與熱處理溫度相同的變化趨勢(shì).

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