本发明属于金属锻件加工技术领域，更具体地，涉及一种面向铝合金铸坯的增量模锻成形方法。
背景技术：
在材料加工成形工艺中，往往会运用到各类零件毛坯。其中采用铸坯作为铝合金零件模锻的毛坯，即通过铸造获得接近于模锻件形状的预制坯，相比于常规的采用棒料并经历多工步锻造制造毛坯的方式，能够显著缩短工艺流程，提高生产效率和材料利用率，并降低模锻件制造成本。一般来说，模锻有助于压实铸坯内存在的疏松、缩孔等缺陷。
现有技术中基于铸坯的模锻成形方式主要采用了一次加载成形的方案。例如，cn200580012476.6公开了一种铝车轮的铸锻工艺，其中提出的成形步骤为“低压铸造或重力铸造制坯→加热→模锻”，即通过铸造工艺制造一个轮辐铸件，将该轮辐铸件加热到塑性变形温度，然后放在锻模中进行一次高压锻造获得铝车轮锻件。cn200910024715.x公开了一种铝合金连杆铸/锻联合工艺，其成形步骤为“压力铸造或金属型重力铸造制坯→锻造”，其中将尚有铸造余热的铸坯直接进行模锻获得铝合金连杆锻件，同样为一次加载锻造。又如，cn201510121047.8中公开了一种铝质汽车部件制造用连续铸锻造装置及其的制造方法，其步骤为“铸造→冲切冒口→保温→锻造”，在尚有铸造余热的情况下直接切冒口、保温，然后再进行一次加载锻造成形获得所需产品。上述现有工艺方法的主要缺陷在于，由于锻造过程为一次加载完成，必然会存在变形量分布不均匀、锻透性不佳等问题。
为此，本申请的发明人早期递交了名称为“一种铝合金锻件振动铸锻复合成形方法”、申请号为cn201610903093.8的专利，其中提出基于挤压铸造获得的毛坯，采用振动模式多次加载模锻成形所需产品，相应可在一定程度上解决上述方案中由于一次加载所造成的问题。然而，进一步的研究表明，以上振动模式多次加载方案仍存在以下不足：一方面，更为深入的建模分析发现，在模锻时所施加的变形能量会沿着铸坯表面向内部逐渐衰减，变形容易集中在表层，相应即便采用了振动多次加载，心部仍可能存在变形量较小、锻透性差，内部压实效果不佳等缺陷；另一方面，若采用较大的变形量来压实焊合上述缺陷，模锻设备所需提供的变形能量也越大，相应不仅对模锻设备的要求很高，而且模锻设备滑块连续的高频变换方向并往复运动，容易降低设备运动稳定性和使用寿命，此外表面和心部的较大变形量差异也会导致锻件性能不均匀。相应地，本领域亟需做出进一步的改进，以便更好地符合现代化制造生产中对铝合金锻件的更高质量和效率需求。
技术实现要素：
针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本发明提供了一种面向铝合金铸坯的增量模锻成形方法，其中通过将整个模锻成形过程中的振动模式多次加载调整为增量式多次间隔加载，并充分利用多次加载间隔的强制表层冷却硬化来促进铸坯心部的塑性变形，相应可更好地解决现有技术中铝合金铸坯表层与心部变形差异大、微观缺陷压实效果差等问题；同时还能够有效避免对设备的高要求，并具有工艺流程短、操控方便、适用面广、材料利用率高等特点。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种面向铝合金铸坯的增量模锻成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)铸造制坯及清理步骤
将铝合金原料加热获得熔体，随后待熔体的温度下降至其液相线以上60℃～100℃时，利用金属型铸造的方式浇铸获得带冒口的铸坯；接着，对铸坯的冒口进行锯切，并清理修整冒口所处部位及表面缺陷，获得铝合金铸坯；
(b)增量模锻步骤，其具体包括以下子步骤：
(b1)首先将所获得的铝合金铸坯加热至铸坯材料的始锻温度，然后将其放入到模锻模具的下模具型腔内，并且该模锻模具被安装在快速直驱电动螺旋压力机上；
(b2)通过滑块带动所述模锻模具的上模具快速锻击铸坯，待锻击能量耗尽后，所述滑块带动该上模具回程；接着通过冷却装置在铸坯的被锻击表面喷射水基润滑剂，并使得此铸坯表层在锻造硬化的基础上获得进一步的硬化；
(b3)通过所述滑块带动所述上模具再次下行，并以子步骤(b2)所述的方式重复执行多次，以此方式，使得铸坯自外到内逐步变形，直至所述上模具与所述下模具相互闭合，得到所需的铝合金锻件为止。
作为进一步优选地，在子步骤(b1)中，所述始锻温度优选采用差示扫描量热法来测量确定，并且进一步设定如下：试样冷却凝固时差热曲线上第一个放热峰的外推起始点所对应的温度减去30℃即为始锻温度。
作为进一步优选地，在子步骤(b1)中，所述模锻模具的上模具和下模具被执行预热，并且其预热温度优选被设定为200℃～250℃
作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述快速锻击的次数优选为2次，并且首次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的40％，第二次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的70％。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述快速锻击的次数优选为3次，并且首次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的40％，第二次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％，第三次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的40％。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述快速锻击的次数优选为4次，并且首次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％，第二次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的20％、第三次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％，第四次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％。
作为进一步优选地，所述水基润滑剂优选包括水基石墨润滑剂或者水基合成润滑剂，并且其每次操作的工艺参数优选设定为：喷射速度为10ml/s～30ml/s、喷射时间为0.2秒～0.6秒。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明针对现有铝合金铸坯成形工艺方案所面临的多个技术问题，针对性将其作用机理调整为增量式多次间隔加载，同时对多个关键工艺参数进行了设计，较多的实际测试表明，能够充分利用多次加载间隔的强制表层快速冷却硬化来促进铸坯心部的塑性变形，相应很好地解决现有技术中铝合金铸坯表层与心部变形差异大、微观缺陷压实效果差等问题；
2、本发明还围绕整个增量模锻成形工艺过程中的所需设备以及工艺条件进行了设计，整个工艺过程流程缩短、操控更为灵活方便，降低了对设施场地的要求；
3、本发明还对多个关键工艺条件如快速锻击次数及锻击能量、冷却介质的施加控制、始锻温度等专门进行了研究和设计，较多的实际测试表明，优选的这些关键工艺参数能够更为充分地发挥增量模锻成形的作用机理，更好地促进铸坯心部的塑性变形，提高锻透性和变形均匀性，并进一步压实焊合铸坯微观缺陷；
4、按照本发明的工艺方法效率高、便于操控、材料利用率高，所需设备简单易用，因而尤其适用于各类对铝合金铸件提出更高质量要求及场地设施等受限的应用场合。
附图说明
图1是按照本发明所构建的增量模锻成形方法的工艺流程示意图；
图2是用于示范性说明整个增量模锻成形过程中一些工艺参数之间的影响示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明所构建的增量模锻成形方法的工艺流程示意图。如图1所示，该工艺方法通过对模锻成形机理重新进行了研究和设计，并对其重要步骤和关键工艺参数等方面做出了进一步的优化改进，相应可充分利用多次加载间隔的强制表层冷却硬化来促进铸坯心部的塑性变形，更好地解决现有技术中铝合金铸坯表层与心部变形差异大、微观缺陷压实效果差等问题。下面将对其具体操作过程和作用机理等方面给出具体解释说明。
首先是铸造制坯及清理步骤。
具体而言，将铝合金原料加热至譬如其液相线以上100～120℃，由此获得熔体，随后待熔体的温度下降至其液相线以上60℃～100℃时，利用金属型铸造的方式浇铸获得带冒口的铸坯；
接着，譬如利用无齿锯对铸坯的冒口进行锯切，并清理修整冒口所处部位及表面缺陷，获得铝合金铸坯。
随后是增量模锻步骤，作为本发明的关键改进之一，该步骤更为具体地可划分为以下子步骤：
首先可通过电阻炉将所获得的铝合金铸坯加热至铸坯材料的始锻温度，然后将其放入到安装在快速直驱电动螺旋压力机上模锻模具的下模具型腔内；也就是说，该模锻模具包括上下对置的上模具和下模具，其中上模具在本发明中直接通过滑块来带动，并面向下模具执行对铸坯的快速锻击操作，而下模具根据所加工的铝合金铸坯来设计预制；
接着，通过滑块带动模锻模具的上模具快速锻击铸坯，待锻击能量耗尽后，所述滑块带动该上模具回程；接着通过冷却装置在铸坯的被锻击表面喷射水基润滑剂，并使得此铸坯表层在锻造硬化的基础上获得进一步的硬化；更具体地，在此加载间隔期间，通过强制表层快速冷却的操作，能够更为充分来促进铸坯心部的塑性变形，相应解决现有技术中铝合金铸坯表层与心部变形差异大、微观缺陷压实效果差等问题；
接着，通过所述滑块带动所述上模具再次下行，并以以上方式重复执行多次，使得铸坯自外到内逐步变形，直至所述上模具与所述下模具相互闭合，得到所需的铝合金锻件为止。
需要指出的是，除了以上基本作用机理之外，测试表明如锻击次数及锻击能量、冷却介质喷射控制等关键工艺条件同样会影响到最终所获得铝合金锻件的质量。相应地，本发明通过有限元数值模拟确定计算得出优选设计后的一些关键工艺条件参数。
按照本发明的一个优选实施方式，所述快速锻击的次数优选被设定为2次，并且首次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的40％，第二次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的70％。当快速锻击的次数被设定为3次时，其中首次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的40％，第二次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％，第三次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的40％。此外，当快速锻击的次数被设定为4次时，其中首次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％，第二次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的20％、第三次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％，第四次锻击的能量优选设定为一次加载完全成形时所需能量的30％。
按照本发明的另一优选实施方式，所述水基润滑剂优选包括水基石墨润滑剂或者水基合成润滑剂，并且其每次操作的工艺参数优选设定为：喷射速度为10ml/s～30ml/s、喷射时间为0.2秒～0.6秒。
下面结合一些具体实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
采用铝合金熔炼炉将6061铝合金原料加热至其液相线温度650℃以上100℃，即750℃，熔化冶炼形成铝合金熔体；随后待熔体温度降至其液相线以上60℃时，即710℃，浇铸到金属型铸模中，凝固冷却获得带冒口的铸坯。利用无齿锯切除冒口，并清理修整冒口部位及表面缺陷，获得铸坯。
将铝合金铸坯用电阻炉加热至始锻温度480℃，再放入安装在快速直驱电动螺旋压力机上模锻模具的下模具型腔内，随后通过压力机滑块带动上模具锻击铸坯，锻击能量为一次加载完全成形时能量的40％，待锻击能量耗尽后，滑块带动上模回程，然后快速喷射水基石墨润滑剂0.6s，喷射速度为10ml/s，使铸坯表层硬化，随后上模具再次下行锻击铸坯，锻击能量为一次加载完全成形时能量的70％，上模和下模闭合得到所需铝合金模锻件。
所述增量模锻模具的上模具和下模具预热温度为200℃。
实施例2
采用铝合金熔炼炉将a390铝合金原料加热至其液相线温度650℃以上120℃，即770℃，熔化冶炼形成铝合金熔体；随后待熔体温度降至其液相线以上100℃时，即750℃，浇铸到金属型铸模中，凝固冷却获得带冒口的铸坯。利用无齿锯切除冒口，并清理修整冒口部位及表面缺陷，获得铸坯。
将铝合金铸坯用电阻炉加热至始锻温度500℃，再放入安装在快速直驱电动螺旋压力机上模锻模具的下模具型腔内，随后通过压力机滑块带动上模具锻击铸坯，锻击能量为一次加载完全成形时能量的30％，待锻击能量耗尽后，滑块带动上模回程，然后快速喷射水基石墨润滑剂0.2s，喷射速度为20ml/s，使铸坯表层硬化，然后上模具再次下行锻击铸坯，锻击能量为一次加载完全成形时能量的20％，待锻击能量耗尽后，如此再进行2次，锻击能量均为一次加载完全成形时能量的30％，使铝合金铸坯逐渐变形，直至上模和下模闭合得到所需铝合金模锻件。
所述增量模锻模具的上模具和下模具预热温度为250℃。
实施例3
采用铝合金熔炼炉将a390铝合金原料加热至其液相线温度650℃以上120℃，即770℃，熔化冶炼形成铝合金熔体；随后待熔体温度降至其液相线以上100℃时，即750℃，浇铸到金属型铸模中，凝固冷却获得带冒口的铸坯。利用无齿锯切除冒口，并清理修整冒口部位及表面缺陷，获得铸坯。
将铝合金铸坯用电阻炉加热至始锻温度500℃，再放入安装在快速直驱电动螺旋压力机上模锻模具的下模具型腔内，随后通过压力机滑块带动上模具锻击铸坯，锻击能量为一次加载完全成形时能量的40％，待锻击能量耗尽后，滑块带动上模回程，然后快速喷射水基合成润滑剂0.3s，喷射速度为30ml/s，使铸坯表层硬化，然后上模具再次下行锻击铸坯，锻击能量为一次加载完全成形时能量的30％，待锻击能量耗尽后，如此再进行1次，锻击能量为一次加载完全成形时能量的40％，使铝合金铸坯逐渐变形，直至上模和下模闭合得到所需铝合金模锻件。
所述增量模锻模具的上模具和下模具预热温度为250℃。
综上，本发明与现有方案相比，通过对变形机理及其工艺过程及关键条件等多个方面的研究设计，能够充分利用多次加载间隔的强制表层快速冷却硬化来促进铸坯心部的塑性变形，相应很好地解决现有技术中铝合金铸坯表层与心部变形差异大、微观缺陷压实效果差等问题；此外，整个工艺过程流程缩短、操控更为灵活方便，降低了对设施场地的要求，因而尤其适用于于各类对铝合金铸件提出更高质量要求的应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。