一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺 |
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| 申请号 | CN201710346802.1 | 申请日 | 2017-05-16 | 公开(公告)号 | CN107055295A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
| 申请人 | 南通江中光电有限公司; | 发明人 | 许应龙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种轻量化 自动扶梯 铝 合金 梯级 及其制造工艺，该 铝合金 梯级包括踢踏组件以及连接踢踏组件的 支撑 构件，所述踢踏组件包括踢面、踏面以及踏面背侧的加强筋，所述铝合金梯级的踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm整体重量≤10.5kg；该铝合金梯级制造工艺包括原材料制备、模拟分析、实验研究和 压铸 成型四步，通过对原材料的制备技术改进，获得了高强韧的铝合金材料；通过对梯级模型的交互 迭代 模拟分析，获得了轻量化铝合金梯级的制备方案；通过对实际压铸模具和压铸工艺参数的改善，获得了制备该轻量化铝合金梯级的压铸成型工艺。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种轻量化自动扶梯铝合金梯级，包括踢踏组件(1)以及连接踢踏组件的支撑构件(2)，所述踢踏组件(1)包括踏面(11)、踢面(12)以及踏面背侧的加强筋(13)，所述踏面(11)位于所述支撑构件(2)的上方，所述踢面(12)位于所述支撑构件(2)的侧面，所述踢踏组件(1)和支撑构件(2)一体压铸成型，其特征在于：所述踏面(11)和踢面(12)的壁厚小于常规值。 |
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| 说明书全文 | 一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺技术领域背景技术[0002] 近几年来，我国扶梯业发展迅猛，人们对扶梯的要求越来越趋向于高可靠、低耗能等方面，减轻扶梯的重量是扶梯降低能耗的主要途径，为了提高扶梯的安全性，对扶梯的研究也越来越倾向于轻量化的研究方向。作为自动扶梯减排降耗的关键技术，铝合金压铸梯级轻量化在自动扶梯创新工程中处于核心地位，它涉及到企业产品的材料应用、结构设计、技术标准、装备系统、工艺水平、检测能力、安全保障、财务收入、市场竞争和环境影响等综合性保证能力的复杂系统工程。纵观我国整个自动扶梯行业的现状，缺乏成熟的可匹配原材料，缺乏现成的应用材料试验标准与完整的材料应用评价体系制约了我国自动扶梯行业的发展脚步。 [0003] 如中国专利CN105642863A公开了一种在真空状态下制备铝合金梯级踏板的压铸工艺，包括(1)模具改进：在型腔内每条踏板梳齿槽的部位并向型腔顶壁方向加工若干圆形凹槽；(2)模具清理：通过压缩空气高压气流将模具内所有通道的杂质进行彻底清理；(3)浇注系统的设置：在压铸模具外设置三角形分流凸台，三角形分流凸台的前端连通设置横向浇道，横向浇道前端并列设置若干直浇道；(4)抽真空系统：通过真空泵保证压铸过程中始终处于真空状态；(5)铝镁合金材料的选择：按质量分数选取硅10.5％～13.5％，铁和铜小于1％，锰小于0.55％，锌小于0.15％，铝含量在80％～88％；(6)合金熔液：将铝合金高温烧制成温度为630-680℃的熔融态；(7)模具预热：将压铸机的模具预热到150-180℃，保温10-15分钟；(8)浇注、压射：浇注温度为180-210℃，压射比压为950～1000bar，压射冲头的速度 3.8～4.8m/s；(9)开模、抽取芯件；(10)表面处理。该发明通过对浇注口的改进进一步提高浇注金属液的均匀度，防止金属液的堆积，阻碍金属液顺利进入型腔进行压铸，使得压铸的效率因此也得到提高，而本发明涉及了对原材料的改进、对压铸工艺的优化以及对压铸模具和压铸工艺参数的改善，对压铸模具的改进仅仅是发明的一小部分，较该发明而言，本发明更具创造性和新颖性。 [0004] 又如中国专利CN105293267A公开了一种自动扶梯的梯级及其压铸方法，一种自动扶梯的梯级包括支撑构件、踏板组件和转动机构，所述支撑构件包括1对支撑架、支撑板，所述踏板组件包括踏面和踢板，所述转动机构包括梯级主轮和梯级主轴，所述支撑构件和踏板组件一体压铸成型，所述踏面下端设置有压力感应计数调控器，所述压力感应计数调控器与踏面固定连接。这种自动扶梯的梯级的压铸方法是经过熔融、压铸步骤和冷却步骤完成自动扶梯的梯级的制作，所述冷却步骤为：将压铸过的毛坯的厚壁部分和薄壁部分用隔热板分隔开，采用梯度降温的方式对厚壁部分和薄壁部分分别进行冷却。该发明制备而得的铝合金梯级结构牢固但轻薄度不够，踏面和踢面壁厚在3mm左右，且应用的原材料强韧性不足，压铸方法未经系统化，导致压铸成品缺陷较多。 发明内容[0005] 为克服现有技术中存在的自动扶梯梯级轻量化水平不足的问题，本发明提供了一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺。 [0006] 一种轻量化自动扶梯铝合金梯级，包括踢踏组件以及连接踢踏组件的支撑构件，所述踢踏组件包括踏面、踢面以及踏面背侧的加强筋，所述踏面位于所述支撑构件的上方，所述踢面位于所述支撑构件的侧面，所述踢踏组件和支撑构件一体压铸成型，其特征在于：所述踏面和踢面的壁厚小于常规值。 [0007] 在一些实施方式中，所述常规值为2～3mm。 [0008] 在一些实施方式中，所述一体压铸成型的铝合金梯级整体重量≤10.5kg。 [0009] 在一些实施方式中，所述加强筋包括多条加强筋，纵横交错成三角形布局；所述加强筋包括中间部分和两端部分，所述中间部分高于两端部分，所述中间部分加粗加高。 [0010] 在一些实施方式中，包括原材料制备、模拟分析、实验研究和压铸成型四步。 [0011] 在一些实施方式中，所述原材料制备步骤为：将纯铝在750～800℃下高温熔化，加入Si：7.93～8.92wt％、Cu：1.98～2.11wt％、Mn：0.001～0.02wt％、Mg：0.001～0.02wt％、Zn：0.005～0.23wt％、Zr：0.182～0.62wt％和Sr：0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％，充分搅拌，然后降温至700～750℃进行排气，最后浇铸成型。 [0013] 在一些实施方式中，所述实验研究步骤包括压铸模具的研究，所述压铸模具的研究包括对型腔、直浇道、横浇道、内浇口、溢流槽和排气道结构的布型研究。 [0014] 在一些实施方式中，所述实验研究步骤还包括压铸工艺参数的研究，所述工艺参数的研究包括对压射力、压射比压、压射速度、压射铝液温度和模具温度的参数研究。 [0015] 在一些实施方式中，所述压铸成型步骤为一体压铸成型，包括充型和冷却两步，所述充型速度为45～55米/秒。 [0016] 与现有技术相比，本发明提供的一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺产生的有益效果是： [0017] 一、本发明提供的一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺，打破了传统自动扶梯铝合金梯级重量和结构难以同时满足的技术障碍，通过对原材料的制备技术改进，获得了高强韧的铝合金材料；通过对梯级模型的交互迭代模拟分析，获得了轻量化铝合金梯级的制备方案；通过对实际压铸模具和压铸工艺参数的改善，获得了制备该轻量化铝合金梯级的压铸成型工艺，层层递进，为确保获得目标产品提供强有力的技术支撑。 [0018] 二、本发明提供的一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺，通过该技术获得的铝合金梯级的踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm，梯级整体重量≤10.5kg，500-3000N静载后无永久变形、500-3000N动载下最大倾斜角度(35°)支撑时永久变形≤2.1mm并且无损坏，梯级实现轻量化，压铸产品的技术水平处于国内领先。 [0019] 三、本发明提供的一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺，原材料的制备方法在不降低铝合金铸造性能(流动性)的同时，高效细化了铝合金中的硅相，使硅相尺寸集中在亚微米级，并且长径比集中在≤2，大幅提高了铝合金的韧性、塑性和耐腐蚀性，制备而得的铝合金原材料的性能突破了国际标准规范，经机械工业材料质量检测中心检测：其冲击韧性≥34.3J/cm2，抗拉强度≥208MPa，断后延伸率≥6.5％，在3.5％NaCl水溶液中浸泡93h的腐蚀速率≤0.049mm/y。 [0020] 四、本发明提供的一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺，攻克了复杂铝合金压铸件产品的成型制造与强韧性、耐腐蚀性难以兼顾的技术瓶颈，通过力学性能分析和压铸工艺性能分析交互迭代方法，实现了复杂薄壁铝合金梯级结构轻量化和铸造成型性能的双重优化设计，达到了铝合金压铸轻量化新水准。 [0021] 五、本发明提供的一种轻量化自动扶梯铝合金梯级及其制造工艺，通过对压铸模具的直浇道、横浇道、内浇口、溢流槽和排气道的结构进行更好的布型，使得压铸过程中铝液的充填更迅速，减少因充填不足造成的产品缺陷；通过对工艺参数中压射力、比压、压射速度、压射铝液温度和模具温度的参数改进，有效改善了压铸环境，使得生产效率大大提高。 [0023] 图1是本发明披露的轻量化自动扶梯铝合金梯级的结构示意图； [0024] 图2是本发明披露的踏面横向剖视图； [0025] 图3是本发明披露的踢面横向剖视图。 具体实施方式[0026] 以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0027] 本发明提供了一种轻量化自动扶梯铝合金梯级，参照图1，包括踢踏组件1以及连接踢踏组件的支撑构件2，所述踢踏组件1包括踏面11、踢面12以及踏面背侧的加强筋13，所述踏面11位于所述支撑构件2的上方，所述踢面12位于所述支撑构件2的侧面，所述踢踏组件1和支撑构件2一体压铸成型，其创新点在于：所述踏面11和踢面12的壁厚小于常规值。在现有技术中，为了保证梯级的强度和性能，自动扶梯梯级的壁厚最多也只能做到2mm左右，致使难以降低自动扶梯整体的质量，达到轻量化的标准，目前，可达到的梯级整体重量在12kg左右。而本发明提供的自动扶梯铝合金梯级踏面壁厚≤1.88mm，踢面壁厚≤1.81mm，而最终成型的自动扶梯铝合金梯级整体重量≤10.5kg。例如，在一些实施方式中，参照图3，踢面壁厚可达到1.79mm，真正实现了轻量化的目的。 [0028] 为了实现上述目标产品，在本发明的实施方式中，我们通过开创新的制造工艺体系，并在现有技术的梯级结构上作相应的改进来实现。 [0029] 具体的，一种如上所述轻量化自动扶梯铝合金梯级的制造工艺，包括原材料制备、模拟分析、实验研究和压铸成型四步。 [0030] 所述原材料制备步骤具体包括：将铝放入高温炉内进行高温融化，高温融化温度为750～800℃；待融化成铝液后，依次加入合金化元素Si、Cu、Zr、Sr、Mn、Mg和Zn，最终铝合金中各元素含量百分比满足：Si：7.93～8.92wt％、Cu：1.98～2.11wt％、Mn：0.001～0.02wt％、Mg：0.001～0.02wt％、Zn：0.005～0.23wt％、Zr：0.182～0.62wt％以及Si： 0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％；待充分搅拌融化后，去除废渣，然后降温排气直至没有气体溢出，降温排气温度为700～750℃，时间为20～30min；最后进行浇铸成型，具体包括浇铸凝固和后处理加工，浇铸温度为680～740℃，凝固时间控制为1～3min；后处理加工为铝合金表面瑕疵的处理，依次包括退火和回火处理。优化的，为了减少金属原料的烧损，所述合金化元素的加入方法以铝基中间合金的方式加入。 [0031] 该实施步骤是在常规Al-Si-Cu系铸造铝合金成分设计的基础上，通过调整Si含量至7.93～8.92wt％，Cu含量至1.98～2.11wt％，同时添加0.182～0.62wt％的Zr，0.0346～0.0391wt％或0.0391～0.04wt％的Sr进行复合微合金化，在不降低铝合金铸造性能(流动性)的同时，高效细化了铝合金中的硅相。从而，本发明制备所得的铝合金原材料冲击韧性≥34.3J/cm2，抗拉强度≥208MPa，断后延伸率≥6.5％，在3.5％NaCl水溶液中浸泡93h的腐蚀速率≤0.049mm/y，不仅大幅提高了铝合金的韧性、塑性和耐腐蚀性，而且，其强度也得到了提高，其中，断后延伸率是其他材料不可比拟的，能显著提高铝合金材料的强韧性和可塑性，该铝合金性能突破了国际标准规范，从而为本发明自动扶梯梯级的制备提供了优质的基材。 [0032] 所述模拟分析步骤具体包括力学性能分析和压铸工艺性能分析，通过力学性能分析和压铸工艺性能分析的交互迭代优化方法，实现铝合金梯级结构轻量化和铸造成型性能的双重优化设计。具体的操作步骤为：基于铝合金的力学性能参数，构建复杂薄壁铝合金梯级模型，设定技术指标；采用有限元软件ANSYS对复杂薄壁铝合金梯级结构进行力学性能分析，进行结构优化；运用有限元软件ProCAST对复杂薄壁铝合金梯级进行压铸工艺性能分析，提前预知确认产生缺陷的点面位置，做出设计调整；在上述第二步和第三步步骤的基础上，反复重复，交互迭代，双重优化，实现梯级结构的优化；当满足目标产品要求时，即进行下一步实施方案。优化的，所述力学性能分析，是基于上述制备而得的铝合金材料的力学性能参数，使用有限元软件ANSYS计算出轻量化后的产品在减重设计后处于实际载荷工况下的最大应力、最大弹性变形、最大永久变形(塑性形变)以及疲劳曲线，确认其结构减重后的正负指标影响及轻量化产品的安全性，从而为获得轻量化的梯级结构提供了有力的数据支持，为最终产品的整体形态结构提供了直观效果。进一步优化的，所述压铸工艺性能分析包括对压铸件充型的流场进行数值模拟，对压铸模或压铸件的温度场、应力场进行数值模拟，并进行充型与凝固分析，实现理想的型腔充填状态和模具热平衡状态；具体的，还包括预测压铸件气孔、缩孔、裂纹、缩松等铸造缺陷，预测残余应力、变形情况以及模具寿命，为下一步实验研究提供参考，从而提前预知确认产生缺陷的点面位置，做出设计调整。 [0033] 该实施步骤攻克了复杂铝合金压铸件产品的成型制造与强韧性、耐腐蚀性难以兼顾的技术瓶颈，通过力学性能分析和压铸工艺性能分析交互迭代方法，有效改善了实际压铸工艺中存在的诸多问题，实现了复杂薄壁铝合金梯级结构轻量化和铸造成型性能的双重优化设计，达到了铝合金压铸轻量化新水准 [0034] 所述实验研究步骤具体包括压铸模具的研究，具体的，所述压铸模具的研究包括对型腔、直浇道、横浇道、内浇口、溢流槽和排气道结构的布型研究。进一步优化的，所述型腔均匀环绕在直浇道四周，所述横浇道设置在直浇道和内浇口之间，并为至少两个型腔共同使用；所述溢流槽设置在横浇道的延伸段以及内浇口的终端，所述排气道设置在溢流槽的外侧。从压铸条件考虑，这种排布形式比单独设置横浇道要好得多。首先，共用横浇道有伸展延长的条件，在延长段起溢流槽的作用，有利于溢流和排气；同时，加工省力，用料也比较节省。此外，所述实验研究步骤还包括压铸工艺参数的研究，所述工艺参数的研究包括对压射力、压射比压、压射速度、压射铝液温度和模具温度的参数研究。在压铸系统中，压射力、压射比压、压射速度、压射铝液温度和模具温度的参数设定对压铸成型产品的有效性具有直接的影响，在本发明的此实施方式中，经过技术人员的实验研究，主要通过对压铸件是否存在缩孔、缩松、裂纹等宏观缺陷的研究，根据实验结果对工艺参数进行调整。优化的，调整后具体的工艺参数为：压射力：350～550kN；压射比压：50～80MPa；压射速度：7.8～9米/秒；压射铝液温度：150～200℃；模具温度:250～280℃。对于本发明来说，该工艺参数具备较优化的实施效果，但不限于此，本领域技术人员可根据实际情况进行相应调整。 [0035] 该实施步骤通过对压铸模具的直浇道、横浇道、内浇口、溢流槽和排气道的结构进行更好的布型，使得压铸过程中铝液的充填更迅速，减少因充填不足造成的产品缺陷；通过对工艺参数中压射力、比压、压射速度、压射铝液温度和模具温度的参数改进，有效改善了压铸环境，使得生产效率大大提高 [0036] 所述压铸成型步骤为一体压铸成型，包括充型和冷却两步。具体的，结合上述步骤中所确定的结构参数、压铸工艺参数等数据以及利用改进布局后的压铸模具，在基于本发明制备的铝合金基材的基础之上对其进行一体压铸成型操作，一体成型压铸方法，操作简单，结构牢固。优化的，所述充型速度为45～55米/秒，充型为高速操作，其速度需控制在较高的范围内；所述冷却方法是将压铸过的毛坯的厚壁部分和薄壁部分用隔热板分隔开，采用梯度降温的方式对厚壁部分和薄壁部分分别进行冷却。 [0037] 综上所述，本发明打破了传统自动扶梯铝合金梯级重量和结构难以同时满足的技术障碍，通过对原材料的制备技术改进，获得了高强韧的铝合金材料；通过对梯级模型的交互迭代模拟分析，获得了轻量化铝合金梯级的制备方案；通过对实际压铸模具和压铸工艺参数的改善，获得了制备该轻量化铝合金梯级的压铸成型工艺，层层递进，为确保获得目标产品提供强有力的技术支撑 [0038] 进一步的，为了确保在轻量化的前提下仍然保持原有梯级的破断力水平，在本发明的实施方式中，通过改善原有加强筋的结构来达到此目的。具体而言，参照图2，在踏面11的背侧有加强筋13，所述加强筋13包括纵横交错的多条加强筋，形成三角形布局形式。在几何学上，三角形结构是最具稳定性的一种结构，将加强筋布局为三角形结构，加强了梯级踏面的稳定性；此外，所述加强筋为中间部分高于两端部分的结构，主要因为踏面的承受力主要在中间位置，本发明将全部加强筋中间部分进一步加粗加高，增加中间部分的高度和粗度可以进一步增加踏面的强度从而提高其承载力。虽然加强筋的加粗加高在一定程度上增加了梯级的重量，但是，在本发明中，通过上述实施方案一体压铸成型的梯级整体重量远低于现有技术，致使即使加上加强筋部分所增加的重量，整体梯级的重量仍然可达到≤10.5kg的高标准。 |
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