本發明涉及壓鑄成型技術領域，尤其涉及一種復雜薄壁鋁合金梯級的壓鑄成型技術。
背景技術：
壓鑄業與扶梯的發展密切相關，是扶梯工業的重要支撐之一。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鍵技術。傳統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、耐腐蝕性等關鍵技術指標，降低壓鑄鋁合金梯級的重量，是鋁合金壓鑄梯級發展的必然趨勢。
如中國專利cn104028725a公開了一種三維堆積成型梯度結構的壓鑄模制造技術，采用如下步驟進行：(1)利用專業軟件對零件進行建模；(2)根據制件的形狀、材料，利用專業軟件優化形成工藝參數和模具結構；(3)利用專業軟件對模具壓鑄過程進行數值模擬分析，確定模具內部溫度和熱應力分布規律；(4)根據上一步驟得到的模具內部溫度和熱應力分布規律確定模具的功能梯度結構和涂層材料；(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構和涂層材料之后，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，該發明使用的模擬技術僅針對壓鑄模的改進，而本發明使用的模擬技術要解決的是整體梯級的結構力學性能和壓鑄工藝性能的雙重優化，較該發明而言，本發明的壓鑄技術解決的問題更廣，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件、踏板組件和轉動機構，所述支撐構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。該發明的自動扶梯的梯級通過結構的優化達到結構牢固、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，壓鑄方法未經過預先設計優化，導致壓鑄成品缺陷較多，不可控因素較大。
技術實現要素：
為克服現有技術中存在的鋁合金壓鑄梯級整體重量高、能耗大、壓鑄成型技術不完善的問題，本發明提供了一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術。
一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術，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，構建復雜薄壁鋁合金梯級模型，設定技術指標；
步驟二：采用專業軟件對復雜薄壁鋁合金梯級結構進行力學性能分析，進行結構優化；
步驟三：運用專業軟件對復雜薄壁鋁合金梯級進行壓鑄工藝性能分析，提前預知確認產生缺陷的點面位置，做出設計調整；
步驟四：反復重復上述步驟二和步驟三，交互迭代，雙重優化，實現梯級結構的優化；
步驟五：滿足目標產品要求，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，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值模擬，對壓鑄?；驂鸿T件的溫度場、應力場進行數值模擬，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，所述步驟一中設定的技術指標為：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。
與現有技術相比，本發明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術產生的有益效果是：
一、本發明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術，攻克了復雜鋁合金壓鑄件產品的成型制造與強韌性、耐腐蝕性難以兼顧的技術瓶頸，通過力學性能分析和壓鑄工藝性能分析交互迭代方法，實現了復雜薄壁鋁合金梯級結構輕量化和鑄造成型性能的雙重優化設計，達到了鋁合金壓鑄輕量化新水準。
二、本發明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術，通過該技術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，壓鑄產品的技術水平處于國內領先。
三、本發明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術，在常規al-si-cu系鑄造鋁合金成分設計的基礎上，通過調整硅含量至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、本發明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術，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范，經機械工業材料質量檢測中心檢測：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、本發明提供的一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術，徹底打破發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品的壟斷，大幅度提高傳統鋁合金鑄造產品的強韌性、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、航空航天等領域走向高端，實現我國由制造大國成為制造強國都具有重要的戰略意義。
附圖說明
圖1是本發明披露的復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術的流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本發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明，并不用于限定本發明。
本發明提供了一種復雜薄壁鋁合金梯級壓鑄成型技術，參照圖1，其創新點在于：采用如下步驟進行：
步驟一：基于鋁合金的力學性能參數，構建復雜薄壁鋁合金梯級模型，設定技術指標；
步驟二：采用專業軟件對復雜薄壁鋁合金梯級結構進行力學性能分析，進行結構優化；
步驟三：運用專業軟件對復雜薄壁鋁合金梯級進行壓鑄工藝性能分析，提前預知確認產生缺陷的點面位置，做出設計調整；
步驟四：反復重復上述步驟二和步驟三，交互迭代，雙重優化，實現梯級結構的優化；
步驟五：滿足目標產品要求，投入使用。
具體的，本發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，而且結構可靠，這在之前的技術中已有所提及，這里不做具體闡述。
進一步優化的，在本發明的此實施方式中，其中一個創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化方法。具體的，所述步驟二中的專業軟件為有限元軟件ansys，所述步驟三中的專業軟件為有限元軟件procast。采用ansys軟件力學分析和procast軟件壓鑄分析的雙重優化，可方便研究梯級的結構參數與梯級的力學性能、壓鑄工藝性能之間的內在聯系，從而實現梯級的輕量化。具體的，在分析之前所需設定的技術指標為：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，各項技術指標超過國家標準。
在此基礎之上，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，使用有限元軟件ansys計算出輕量化后的產品在減重設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，確認其結構減重后的正負指標影響及輕量化產品的安全性，從而為獲得輕量化的梯級結構提供了有力的數據支持，為最終產品的整體形態結構提供了直觀效果。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值模擬，對壓鑄?；驂鸿T件的溫度場、應力場進行數值模擬，并進行充型與凝固分析，實現理想的型腔充填狀態和模具熱平衡狀態；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生缺陷的點面位置，做出設計調整，使產品質量得到可靠保證。在常規的壓鑄過程中，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生轉變，最終導致失效。此外，在壓鑄過程中，由于壓鑄結構設計不合理或充型的流場結構設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生各種鑄造缺陷，降低了最終產品的合格率。在本發明中，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?；驂鸿T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，并提前預知可能產生壓鑄缺陷，從而進行優化，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，本發明的另一個創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的質量百分比為50％；al-cu中間合金含量5.66～6.03wt％，cu的質量百分比為35％；al-zr中間合金含量1.86～6.33wt％，zr的質量百分比為9.8％；al-sr中間合金含量0.23～0.257wt％或0.257～0.263wt％，sr的質量百分比為15.2％；al-mg中間合金含量0.019～0.39wt％，mg的質量百分比為5.1％；al-mn中間合金含量0.016～0.33wt％，mn的質量百分比為6％；al-zn中間合金0.065～3.067wt％，zn的質量百分比為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方法：如鋁熱法或溶化合成法，進行自行配置，也可根據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，優選后一種加入方式。
該高強韌耐腐蝕鋁合金在常規al-si-cu系鑄造鋁合金成分設計的基礎上，通過調整硅含量至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。
將上述性能優質的高強韌耐腐蝕鋁合金作為本發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之上，利用有限元軟件ansys預先對梯級模型的零部件結構進行優化，所述零部件結構為梯級的踢面、踏面以及連接結構，所述優化方式為：比如，為了加強梯級的堅固耐用性，在踏面背部設計緊密的加強筋；再比如，為了提高踏面的平面度，提高產品的合格率，在踏板上設置平面度調整裝置，該平面度調整裝置為固定螺絲和螺母組成的調節板等等。有限元軟件ansys可基于力學性能參數模擬設計出滿足目標產品輕量化前提下的最優化結構，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)以及疲勞曲線的數據，從而為獲得輕量化的梯級結構提供了有力的數據支持，為最終產品的整體形態結構提供了直觀效果。在此基礎之上，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，并提前預知可能產生壓鑄缺陷，從而進行優化，有效改善了實際壓鑄工藝中存在的諸多問題。該發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化技術，攻克了復雜鋁合金壓鑄件產品的成型制造與強韌性、耐腐蝕性難以兼顧的技術瓶頸，實現了技術性的突破。在上述實施方式的基礎之上，將通過壓鑄工藝模擬調整后的梯級結構再次進行有限元力學性能分析，進一步優化其結構性能，然后再進行壓鑄工藝模擬分析，重復上述步驟，如此反復優化，通過結構力學分析和壓鑄成型分析交互迭代優化，實現結構力學性能與壓鑄工藝性能的同步提升，在滿足行業標準的前提下，降低梯級的整體質量，達到輕量化的標準。
綜上所述，本發明采用力學性能分析和壓鑄工藝性能分析交互迭代優化方法，實現了復雜薄壁鋁合金梯級結構輕量化和鑄造成型性能的雙重優化，通過該技術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，壓鑄產品的技術水平處于國內領先。
上述說明示出并描述了本發明的優選實施例，如前所述，應當理解本發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、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和范圍，則都應在本發明所附權利要求的保護范圍內。