一种钢铝混合锻压成形的加热方法

摘要

本发明公开了一种钢铝混合锻压成形的加热方法，包括以下步骤：制备混合材料坯料，将钢材料加工为钢套外壳，将铝材料加工为铝内芯，在冷态下,将所述钢套外壳套在所述铝内芯的外面进行装配，并且使所述钢套外壳与所述铝内芯之间保持一定空气间隙；将组装后的混合材料坯料置于压力机下模的中心位置，然后将感应加热线圈套在所述钢套外壳上，采用等膨胀量平衡加热方法控制感应加热线圈对钢套外壳加热，受钢套外壳电磁屏蔽限制，以钢套外壳的辐射传导方式对铝内芯辐射加热。由于空气间隙的存在，避免了接触传导加热，铝内芯几乎完全通过钢套外壳的表面辐射进行加热。实现在钢达到始锻温度时，铝不会融化，使钢铝材料均获得各自的最佳始锻温度。

权利要求

1.一种钢铝混合锻压成形的加热方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1，制备混合材料坯料，将钢材料加工为钢套外壳，将铝材料加工为铝内芯，在冷态下,将所述钢套外壳套在所述铝内芯的外面进行装配，并且使所述钢套外壳与所述铝内芯之间保持一定空气间隙；

步骤S2，将组装后的混合材料坯料置于压力机下模的中心位置，然后将感应加热线圈套在所述钢套外壳上，采用等膨胀量平衡加热方法控制感应加热线圈对钢套外壳加热，受钢套外壳电磁屏蔽限制，以钢套外壳的辐射传导方式对铝内芯辐射加热；

步骤S3，所述等膨胀量平衡加热方法包括以下步骤：

步骤S31，通过实验数据，计算推导出钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度的温度函数关系计算公式，得到在所述铝内芯不发生融化的条件下，所述钢套外壳的锻压成型的温度范围，并计算得到对应的所述铝内芯加热温度范围，得到初步选择混合材料坯料的成形温度范围和工艺窗口的约束条件；

步骤S32，对所述钢套外壳的钢材料热膨胀线性关系曲线与所述铝内芯的铝材料热膨胀线性关系曲线进行处理，得到相同膨胀量值下的所述钢套外壳与所述铝内芯的等热膨胀关系对应曲线；

步骤S33，在初步选择混合材料坯料的成形温度范围和工艺窗口的约束条件的基础上，根据相同膨胀量值下的所述钢套外壳与所述铝内芯的等热膨胀关系对应曲线，选择所述钢套外壳最佳加热温度范围和所述铝内芯最佳辐射加热温度范围；

步骤S4，对所述钢套外壳和所述铝内芯的加热温度进行实时监测，所述钢套外壳温度达到设定温度后，停止加热，感应加热线圈移除回位，压力机滑块压下，混合材料坯料在模具中成形，钢铝结合面在高温和压力下焊合，焊合后，移走模具，此时混合材料坯料已经成型，不会再变形，得到钢铝混合锻压成形件；所述钢套外壳的壁厚小于5mm。

2.根据权利要求1所述的钢铝混合锻压成形的加热方法，其特征在于：钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度的温度函数关系计算公式为：

6 5 4 3 2

Ta= a1×Ts +a2×Ts+a3×Ts+a4×Ts+a5×Ts+a6×Ts+a7，其中a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7为参数，Ta为铝内芯的温度，Ts为钢套外壳的温度。

3.根据权利要求2所述的钢铝混合锻压成形的加热方法，其特征在于：参数a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7为板厚S的三次多项式，具体如下：

3 2

a1=‑1.6901E‑14×S+1.2676E‑13×S+0×S‑2.2817E‑13；

3 2

a2=6.4789E‑11×S‑4.6092E‑10×S+0×S+8.6840E‑10；

3 2

a3=‑1.4648E‑07×S+9.9859E‑07×S+0×S‑1.9525E‑06；

3 2

a4=1.8028E‑04×S‑0.0011×S+0×S+0.0020；

3 2

a5=‑0.0941S+0.5361×S+0×S‑1.0136；

3 2

a6=23.9044×S‑136.0075×S+0×S+264.3604；

3 2

a7=‑2.4715E+03×S+1.4064E+04×S+0×S‑2.7997E+04；

其中，参数S为钢套外壳的壁厚，E为工程参数。

4.根据权利要求1所述的钢铝混合锻压成形的加热方法，其特征在于：当间隙a=0.5mm，板厚S=1.5/2.5/3.5mm，钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度的温度函数关系计算公式为：；

其中，Ta3.5为钢套外壳壁厚3.5mm的混合料的铝内芯温度，Ta2.5为钢套外壳壁厚

2.5mm的混合料的铝内芯温度，Ta1.5为钢套外壳壁厚1.5mm的混合料的铝内芯温度，Ts为钢套外壳的温度，E为工程参数。

5.根据权利要求1所述的钢铝混合锻压成形的加热方法，其特征在于：在冷却过程中，通过等收缩量冷却方法控制所述钢套外壳和所述铝内芯的冷却温度，根据相同冷却收缩量值下的钢套外壳与铝内芯的等收缩量关系对应曲线，选择钢套外壳最佳冷却温度范围、铝内芯最佳冷却温度范围，并计算出最佳冷却速率，保持线性收缩。

6.根据权利要求1所述的钢铝混合锻压成形的加热方法，其特征在于：当所述钢套外壳采用TS4CrNi18钢材料和所述铝内芯采用6061铝材料时，所述钢套外壳最佳加热温度范围为：973℃～1010℃；所述铝内芯最佳辐射加热温度范围352℃～455℃。

7.一种应用于如权利要求1‑6任一项所述的钢铝混合锻压成形的加热方法的装置，其特征在于：包括钢套外壳、铝内芯、钢温度检测装置、铝温度检测装置、感应加热线圈、控制系统、压力机，所述钢套外壳套在所述铝内芯的外面进行装配，并且使所述钢套外壳与所述铝内芯之间保持一定空气间隙，所述钢温度检测装置用来检测钢套外壳的实时加热温度，所述铝温度检测装置用来检测铝内芯的实时温度，所述感应加热线圈套在所述钢套外壳上，所述控制系统采用等膨胀量平衡加热方法控制所述感应加热线圈对所述钢套外壳进行加热，然后利用电磁感应的集肤效应对铝内芯辐射加热，达到钢套外壳最佳加热温度范围和铝内芯最佳辐射加热温度范围的平衡点，所述压力机用于对加热后的混合材料坯料进行锻压成形。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述钢温度检测装置采用接触热电偶监测温度，所述铝温度检测装置采用红外热传感器监测温度。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述钢套外壳为筒状，铝内芯加为圆柱状。

说明书

一种钢铝混合锻压成形的加热方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机械制造工艺技术领域，具体为一种钢铝混合锻压成形的加热方法。

背景技术

[0002] 当前采用轻质化材料替代原有零部件材料，已经成为轻量化设计制造的主要措施之一，采用轻质材料替换钢材在很大程度上可以降低车辆、航空航天机械、输变电金具的重量。铝合金具有比强度高、塑性好等优点，同时其密度仅为钢材的30％左右，已经被新能源汽车的车身零部件作为替换钢材以减轻车身重量。

[0003] 齿轮、齿形皮带轮，是传动机械中的基础核心零部件之一。由于承受扭矩和载荷较大，一般使用钢材制造。由于钢材密度较大，因此，齿轮、齿形皮带轮的转动惯量也较大，阻碍了传动系统的轻量化和敏捷性的提高。于是技术人员想采用铝合金代替钢材来制造回转类传动零部件，但是往往无法满足齿轮对接触疲劳强度的技术指标，因为齿面损伤是齿轮
主要失效形式。为达到齿轮轻量化的同时又较少的降低其强度，技术人员便使用两种金属
来制造齿轮，将参与啮合的轮齿部位使用钢材制造，而轮齿以外的支撑部分使用铝合金材
料。这样制造出来得双金属齿轮，可以同时满足齿轮轻量化和强度要求。

[0004] 钢铝混合(Hybrid)锻造是钢件和铝件组装成坯料，进行冷锻或热锻成形，其目的是实现特定材料的优势互补，以满足零件的力学性能要求。以铝芯为内部材料，其外层为钢材外壳，称为钢铝混合坯料，通过加热实现锻造及不同材料的结合。在加热提高钢壳的塑性成形能力的同时，要避免铝芯的熔化，以及如何控制不同材料不同收缩量的问题。

[0005] 常规的加热炉辐射加热方法，无法控制确保钢壳与铝芯分别到达各自的始锻温度，也没办法解决如何控制不同材料不同收缩量的问题。为此急需开发一种加热方法，可以实现钢壳与铝芯分别达到所需的始锻温度，这也是实现混合材料锻造成形的关键。

发明内容

[0006] (一)解决的技术问题

[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种钢铝混合锻压成形的加热方法，利用钢套外壳的辐射热对铝内芯进行加热，采用梯度化温度分配，实现在钢达到始锻温度时，铝不会融化，使钢铝材料均获得各自的最佳始锻温度，且还可以达到钢铝两种材料的等量膨胀
或等量收缩，满足混合材料坯料的锻造加热工艺要求。

[0008] (二)技术方案

[0009] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0010] 一种钢铝混合锻压成形的加热方法，包括以下步骤：

[0011] 步骤S1，制备混合材料坯料，将钢材料加工为钢套外壳，将铝材料加工为铝内芯，在冷态下,将所述钢套外壳套在所述铝内芯的外面进行装配，并且使所述钢套外壳与所述铝内芯之间保持一定空气间隙；

[0012] 步骤S2，将组装后的混合材料坯料置于压力机下模的中心位置，然后将感应加热线圈套在所述钢套外壳上，采用等膨胀量平衡加热方法控制感应加热线圈对钢套外壳加
热，受钢套外壳电磁屏蔽限制，铝内芯受感应加热接收的能量较低，钢套外壳温度上升率远高于铝内芯的温升，钢套外壳与铝内芯的温度差较大，以钢套外壳的辐射传导方式为主，使得铝内芯温度上升；

[0013] 步骤S3，所述等膨胀量平衡加热方法包括以下步骤：

[0014] 步骤S31，通过实验数据，计算推导出钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度的温度函数关系计算公式，得到在所述铝内芯不发生融化的条件下，所述钢套外壳的锻压成
型的温度范围，并计算得到对应的所述铝内芯加热温度范围，得到初步选择混合材料坯料
的成形温度范围和工艺窗口的约束条件：

[0015] 步骤S32，对所述钢套外壳的钢材料热膨胀线性关系曲线与所述铝内芯的铝材料热膨胀线性关系曲线进行处理，得到相同膨胀量值下的所述钢套外壳与所述铝内芯的等热
膨胀关系对应曲线；

[0016] 步骤S33，在初步选择混合材料坯料的成形温度范围和工艺窗口的约束条件的基础上，根据相同膨胀量值下的所述钢套外壳与所述铝内芯的等热膨胀关系对应曲线，选择
所述钢套外壳最佳加热温度范围和所述铝内芯最佳辐射加热温度范围；

[0017] 步骤S4，对所述钢套外壳和所述铝内芯的加热温度进行实时监测，所述钢套外壳温度达到设定温度后，停止加热，感应加热线圈移除回位，压力机滑块压下，混合材料坯料在模具中成形，钢铝结合面在高温和压力下焊合，焊合后，移走模具，此时混合材料坯料已经成型，不会再变形，冷却后，得到钢铝混合锻压成形件。

[0018] 进一步优选的，钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度的温度函数关系计算公式为：

[0019] Ta＝a1×Ts6+a2×Ts5+a3×Ts4+a4×Ts3+a5×Ts2+a6×Ts+a7，其中a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7为参数，Ta为铝内芯的温度，Ts为钢套外壳的温度。

[0020] 进一步优选的，参数a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7为板厚S的三次多项式，具体如下：

[0021] a1＝‑1.6901E‑14×S3+1.2676E‑13×S2+0×S‑2.2817E‑13；

[0022] a2＝6.4789E‑11×S3‑4.6092E‑10×S2+0×S+8.6840E‑10；

[0023] a3＝‑1.4648E‑07×S3+9.9859E‑07×S2+0×S‑1.9525E‑06；

[0024] a4＝1.8028E‑04×S3‑0.0011×S2+0×S+0.0020；

[0025] a5＝‑0.0941S3+0.5361×S2+0×S‑1.0136；

[0026] a6＝23.9044×S3‑136.0075×S2+0×S+264.3604；

[0027] a7＝‑2.4715E+03×S3+1.4064E+04×S2+0×S‑2.7997E+04；

[0028] 其中，参数S为钢套外壳的壁厚，E为工程参数。

[0029] 进一步优选的，当间隙a＝0.5mm，板厚S＝1.5/2.5/3.5mm，钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度的温度函数关系计算公式为：

[0030]

[0031] 其中，Ta3.5为钢套外壳壁厚3.5mm的混合料的铝内芯温度，Ta2.5为钢套外壳壁厚2.5mm的混合料的铝内芯温度，Ta1.5为钢套外壳壁厚1.5mm的混合料的铝内芯温度，Ts为钢套外壳的温度，E为工程参数。

[0032] 进一步优选的，在冷却过程中，通过等收缩量冷却方法控制所述钢套外壳和所述铝内芯的冷却温度，根据相同冷却收缩量值下的钢套外壳与铝内芯的等收缩量关系对应曲
线，选择钢套外壳最佳冷却温度范围、铝内芯最佳冷却温度范围，并计算出最佳冷却速率，保持线性收缩。

[0033] 进一步优选的，当所述钢套外壳采用TS4CrNi18钢材料和所述铝内芯采用6061铝材料时，所述钢套外壳最佳加热温度范围为：973℃～1010℃；所述铝内芯最佳辐射加热温度范围352℃～455℃。

[0034] 进一步优选的，所述钢套外壳的壁厚小于5mm。

[0035] 本发明还提供一种应用于钢铝混合锻压成形的加热方法的装置，包括钢套外壳、铝内芯、钢温度检测装置、铝温度检测装置、感应加热线圈、控制系统、压力机，所述钢套外壳套在所述铝内芯的外面进行装配，并且使所述钢套外壳与所述铝内芯之间保持一定空气
间隙，所述钢温度检测装置用来检测钢套外壳的实时加热温度，所述铝温度检测装置用来
检测铝内芯的实时温度，所述感应加热线圈套在所述钢套外壳上，所述控制系统采用等膨
胀量平衡加热方法控制所述感应加热线圈对所述钢套外壳进行加热，然后利用电磁感应的
集肤效应对铝内芯加热，所述压力机用于对加热后的混合材料坯料进行锻压成形。

[0036] 进一步优选的，所述钢温度检测装置采用接触热电偶监测温度，所述铝温度检测装置采用红外热传感器监测温度。

[0037] 进一步优选的，所述钢套外壳为筒状，铝内芯加为圆柱状。

[0038] (三)有益效果

[0039] 本发明提供了一种钢铝混合锻压成形的加热方法，具备以下有益效果：

[0040] 1、本发明通过在钢套外壳与铝内芯之间保留一定的间隙的结构，实现钢套外壳感应加热达到钢材的始锻温度，预设的间隙阻止了钢套外壳与铝内芯的接触热传导，铝内芯
的加热源主要来自于钢套外壳的辐射，通过不同的间隙设定，可以控制铝内芯达到铝材料
的始锻温度和加热时间，是一种优化满足了钢的成形温度，同时也避免铝的熔化温度的平
衡加热方法。

[0041] 2、在没有气隙的情况下，无法实现铝芯和钢壳之间所需的温差。考虑到材料的变形能力和铝的熔点温度，还必须避免收缩间隙。由于钢和铝的热膨胀系数不同，在冷却过程中可能会发生收缩而改变间隙。因此本发明在钢套外壳与铝内芯之间设置了空气间隙，由
于空气间隙的存在，避免了接触传导加热，铝内芯几乎完全通过钢套外壳的表面辐射进行
加热。由于辐射加热代替接触传导加热，降低了铝的加热速率，整个铝内芯的温度分布几乎呈均匀状态。

[0042] 3、本发明了通过坯料的结构设计和控制混合材料坯料的感应加热的特别工艺，可以选择性地实现几何形状结构对称零件的不同温度梯度变化的加热，建立了实现混合材料
锻造工艺要求的加热准则，得到在铝内芯不发生融化的条件下，钢套外壳的锻压成型的温
度范围，并计算得到对应的铝内芯加热温度范围，得到初步选择混合材料坯料的成形温度
范围和工艺窗口的约束条件。

[0043] 4、本发明对钢套外壳的钢材料热膨胀线性关系曲线与铝内芯的铝材料热膨胀线性关系曲线进行处理，通过基于材料热膨胀实验数据制定的热膨胀系数工艺窗口，选定钢
和铝的加热温度在斜线上的交点，保证加热过程中控制钢铝材料膨胀量同步的节点，得到
相同膨胀量值下的钢套外壳与铝内芯的等热膨胀关系对应曲线，然后在初步选择混合材料
坯料的成形温度范围和工艺窗口的约束条件下，得到钢套外壳最佳加热温度范围和铝内芯
最佳辐射加热温度范围，这样的选择兼顾了成形性和保持必要的间隙的条件，从而保持在
满足钢铝材料各自的最佳始锻温度加热的条件下，空气间隙的存在，从而保证钢铝材料热
膨胀的同步性和加热的稳定性。

[0044] 5、本发明与加热所需的间隙控制相反，在成形冷却过程也需要控制冷却速率，即通过控制锻件冷却收缩量，以消除锻件产品的间隙，为了防止冷却过程中这些间隙的出现，必须在定义的工艺窗口中选择对应的线性关系，以保证钢套外壳和铝内芯的热膨胀量相
等，因此加热工艺规范除了考虑合适的始锻温度以外，通过等收缩量冷却方法控制钢套外
壳和铝内芯的冷却温度，根据相同冷却收缩量值下的钢套外壳与铝内芯的等收缩量关系对
应曲线，选择钢套外壳最佳冷却温度范围、铝内芯最佳冷却温度范围，并计算出最佳冷却速率，保持线性收缩，从而避免锻件产品的间隙的出现。

[0045] 6、本发明通过实验数据得到：由于钢套外壳与铝内芯的空气间隙小，加热过程中钢套外壳温度与铝内芯温度差，是以辐射传导为主。在确定的钢套外壳温度下，随着钢套外壳的壁厚的增厚，铝内芯的温度变化几乎是线性的。但是随着起始加热温度的提高，铝内芯的温度的上升率，比较低温度时要快一些，主要是辐射温差加大后的辐射传导速率加快。随着钢套外壳的壁厚增加，壁厚与温升速率的增长成非线性关系，使加热设计与控制更加复
杂，因此本发明将钢套外壳的壁厚的范围设计为小于5mm，该范围可以满足上述要求。

[0046] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0047] 图1是本发明的流程框图；

[0048] 图2是本发明的感应加热线圈与混合材料坯料的装配结构示意图；

[0049] 图3是本发明的温度梯度的变化曲线图；

[0050] 图4是本发明的不同壁厚的钢套外壳的不同加热温度对铝内芯的温度影响曲线图；

[0051] 图5是本发明的钢和铝的热膨胀系数曲线图；

[0052] 图6是本发明的组装混合材料坯料的结构示意图；

[0053] 图7是本发明的加热混合材料坯料的结构示意图；

[0054] 图8是本发明的锻压成型后的零件的结构示意图；

[0055] 图中：1、钢套外壳；2、铝内芯；3、空气间隙；4、感应加热线圈；S1、接触热电偶；S2、红外热传感器。

具体实施方式

[0056] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0057] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0058] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0059] 请参阅图1‑8，本发明提供了一种技术方案：一种钢铝混合锻压成形的加热方法，包括以下步骤：

[0060] 步骤S1，制备混合材料坯料，将钢材料加工为钢套外壳1，将铝材料加工为铝内芯2，可以将钢套外壳1加工成筒状，将铝内芯2加工成圆柱状，根据实验表明，这种结构的混合材料坯料加热效果更好，也便于计算钢和铝的最佳始锻温度。

[0061] 在冷态下,将钢套外壳1套在铝内芯2的外面进行装配，并且使钢套外壳1与铝内芯2之间保持一定空气间隙3，预设的空隙间隙3阻止了钢套外壳1与铝内芯2的接触热传导，铝内芯2的加热源主要来自于钢套外壳1的辐射，通过不同的间隙设定，可以控制铝内芯2达到铝材料的始锻温度和加热时间，是一种优化满足了钢的成形温度，同时也避免铝的熔化温
度的平衡加热方法。

[0062] 对于柱状几何尺寸的混合坯料，由于外层温度高于内层，导致温度梯度指向混合坯料的中心。其关键技术是确定钢套外壳1和铝内芯2的几何尺寸关系，其主要参数是钢套
外壳1的厚度S,以及空气间隙a，以及混合材料坯料的半径R(实际是钢套外壳1的外半径)。
在特定的感应加热频率和电磁感应强度下，获得合适的混合成形金属温度和膨胀率。

[0063] 在没有空气间隙3的情况下，无法实现铝内芯2和钢套外壳1之间所需的温差。考虑到材料的变形能力和铝的熔点温度，还必须避免收缩间隙。由于钢和铝的热膨胀系数不同，在冷却过程中可能会发生收缩而改变间隙。

[0064] 由于空气间隙3的存在，避免了接触传导加热，铝内芯2几乎完全通过热钢套外壳1的表面辐射进行加热。由于辐射加热代替了接触传导加热，降低了铝的加热速率，整个铝内芯2的温度分布几乎呈均匀状态。

[0065] 步骤S2，如图2所示，将组装后的混合材料坯料置于压力机下模的中心位置，然后将感应加热线圈4套在钢套外壳1上，采用等膨胀量平衡加热方法控制感应加热线圈4对钢
套外壳1加热，受钢套外壳1电磁屏蔽限制，铝内芯2受感应加热接收的能量较低，钢套外壳1温度上升率远高于铝内芯2的温升，钢套外壳1与铝内芯2的温度差较大，以钢套外壳1的辐
射传导方式为主，使得铝内芯2温度上升。

[0066] 步骤S3，等膨胀量平衡加热方法包括以下步骤：

[0067] 步骤S31，通过实验数据(图3和图4为本发明所依据的实验数据)，计算推导出钢套外壳1加热温度与铝内芯2辐射加热温度的温度函数关系计算公式，得到在铝内芯2不发生
融化的条件下，钢套外壳1的锻压成型的温度范围，并计算得到对应的铝内芯2加热温度范
围，得到初步选择混合材料坯料的成形温度范围和工艺窗口的约束条件。

[0068] 钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度的温度函数关系计算公式为：

[0069] Ta＝a1×Ts6+a2×Ts5+a3×Ts4+a4×Ts3+a5×Ts2+a6×Ts+a7，  (1)；

[0070] 其中a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7为参数，Ta为铝内芯的温度，Ts为钢套外壳的温度。

[0071] 进一步优选的，参数a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7为板厚S的三次多项式，具体如下：

[0072] a1＝‑1.6901E‑14×S3+1.2676E‑13×S2+0×S‑2.2817E‑13，  (2)；

[0073] a2＝6.4789E‑11×S3‑4.6092E‑10×S2+0×S+8.6840E‑10，  (3)；

[0074] a3＝‑1.4648E‑07×S3+9.9859E‑07×S2+0×S‑1.9525E‑06，  (4)；

[0075] a4＝1.8028E‑04×S3‑0.0011×S2+0×S+0.0020，  (5)；

[0076] a5＝‑0.0941S3+0.5361×S2+0×S‑1.0136，  (6)；

[0077] a6＝23.9044×S3‑136.0075×S2+0×S+264.3604，  (7)；

[0078] a7＝‑2.4715E+03×S3+1.4064E+04×S2+0×S‑2.7997E+04，  (8)；

[0079] 其中，参数S为钢套外壳的壁厚，E为工程参数。

[0080] 钢套外壳1的感应加热温度高于铝内芯2，控制钢套外壳1的加热结束时达到的温度，取决于感应加热的频率、电流密度和加热时间。钢套外壳1和铝内芯2的温度很容易通过测温传感器获知，也可以依据钢套外壳1的温度精确计算钢壳内壁的温度。由于钢套外壳1
的厚度不大(一般小于5mm)，钢套外壳1的内外壁温度差很小，因此也可以用外壁的温度值
作为对铝内芯2辐射加热的温度值。

[0081] 感应加热线圈4与钢套外壳1的电磁耦合最优化为首要条件，设计感应电流控制策略，实现钢套外壳1的高效温升，并对铝内芯2的辐射加热，达到钢的成形最低温度和铝内芯
2非熔化的成形温度的平衡点，实现钢铝混合锻造成形的加热方法。实验数据参考图3：混合材料坯料的参数为：半径R＝15mm,长度50mm，钢套外壳壁厚S和间隙a＝0.5mm条件下，钢铝温度梯度的变化曲线如图3所示。其中：曲线1的钢套外壳壁厚S＝1.5mm,气隙a＝0.5mm；曲线2的钢套外壳壁厚S＝2.5mm,气隙a＝0.5mm；曲线3的钢套外壳壁厚S＝3.5mm,气隙a＝
0.5mm。

[0082] 实验数据参考图4，表现了不同的钢套外壳1壁厚S，在固定的空气间隙3条件下，钢套外壳1的不同加热温度(400℃，700℃，900℃和1000℃)对铝内芯2的温度影响。由于钢套外壳1与铝内芯2的间隙小，加热过程中钢套外壳1温度与铝内芯2温度差，是以辐射传导为主。在确定的钢套外壳1温度下，随着钢套外壳1的壁厚S的增厚，铝内芯2的温度变化几乎是线性的。但是随着起始加热温度的提高，铝内芯2的温度的上升率，比较低温度时要快一些，主要是辐射温差加大后的辐射传导速率加快。随着钢套外壳1的壁厚增加，壁厚S与温升速
率的增长成非线性关系，使加热设计与控制更加复杂，因此适用的钢套外壳1壁厚是有限制的，本发明将钢套外壳的壁厚的范围设计为小于5mm，该范围可以满足上述要求。

[0083] 本发明将上述实验数据用于铝内芯2的温度判定，获取在一定的坯料的几何尺寸和空气间隙的参数下，钢套外壳1的温度与铝内芯2的对应的温度，以空气隙a＝0.5mm为例：

[0084] 1)当钢套外壳1壁厚S＝3.5mm时，钢套外壳1加热温度与铝内芯2辐射加热温度的6 5 4 3 2
温度函数关系计算公式为：Ta3.5＝6E‑13Ts ‑2E‑09Ts +4E‑06Ts ‑0.0032Ts +1.5168Ts ‑
376.83Ts+38326，(9)；其中，Ta3.5为钢套外壳1壁厚3.5mm的混合料的铝内芯2温度，Ts为钢套外壳1的温度。

[0085] 2)当钢套外壳1壁厚S＝2.5mm时，钢套外壳1加热温度与铝内芯2辐射加热温度的6 5 4 3 2
温度函数关系计算公式为：Ta2.5＝3E‑13Ts ‑1E‑09Ts +2E‑06Ts ‑0.0018Ts +0.8658Ts ‑
212.18Ts+21288，(10)；其中，Ta2.5为钢套外壳1壁厚2.5mm的混合料的铝内芯2温度，Ts为钢套外壳1的温度。

[0086] 3)当钢套外壳1壁厚S＝1.5mm时，钢套外壳1加热温度与铝内芯2辐射加热温度的5 4 3 2
温度函数关系计算公式为：Ta1.5＝5E‑11Ts‑2E‑07Ts +0.0002Ts‑0.1252Ts+39.021Ts‑
4693.5，(11)；其中，Ta1.5为钢套外壳1壁厚1.5mm的混合料的铝内芯2温度，Ts为钢套外壳1的温度。

[0087] 综上，当间隙a＝0.5mm，板厚S＝1.5/2.5/3.5mm时，钢套外壳1加热温度与铝内芯2辐射加热温度的温度函数关系计算公式可以进一步统一表达如下：

[0088]

[0089] (12)；在已知钢外套壁厚S、气隙a和混合料棒外半径R的已知条件下，可以按以上钢铝传导函数方程，计算铝内芯2的温度，也可以按铝内芯2的温度上限，反求对钢的加热最低温度。

[0090] 步骤S32，对钢套外壳1的钢材料热膨胀线性关系曲线与铝内芯2的铝材料热膨胀线性关系曲线进行处理，得到相同膨胀量值下的钢套外壳1与铝内芯2的等热膨胀关系对应
曲线。

[0091] 步骤S33，在初步选择混合材料坯料的成形温度范围和工艺窗口的约束条件的基础上，根据相同膨胀量值下的钢套外壳1与铝内芯2的等热膨胀关系对应曲线，选择钢套外
壳1最佳加热温度范围和铝内芯2最佳辐射加热温度范围；

[0092] 图5是根据钢和铝的热膨胀系数制定的，为保持钢套外壳1和铝内芯2的间隙的同步加热线性关系图。为保持钢的成形温度和避免铝的熔化温度的综合平衡，作为初始温度
选择后，进一步综合考虑加热与等膨胀量控制确定的工艺窗口。水平坐标是钢的温度，纵坐标是铝的温度，Tmin,S和Tmin,A组成的是钢和铝的最低温度窗口极限。Tmax,S和Tmax,A组
成的窗口，是可能的最大工艺温度极限范围。根据不同钢和铝的热膨胀系数，同步膨胀加热的线性关系有所不同，只要合理的设置窗口参数，就可以保证加热的稳定性。

[0093] 基于材料热膨胀实验数据制定的热膨胀系数工艺窗口，选定钢和铝的加热温度在斜线上的交点，这是保证加热过程中控制钢铝材料膨胀量同步的节点。这样的选择兼顾了
成形性和保持必要的间隙的条件。锻压成形过程中，钢铝变形后的结合面(压力焊合面)的
温度基本相同，但温度梯度差仍然存在，从结合面到铝芯中心的温度越来越低，按总体铝内芯体积计算，平均温度仍然低于钢壳。由于钢的热膨胀量比铝高，钢的收缩量也大于铝的收缩量，因此完全可以避免不必要的冷却收缩间隙出现。

[0094] 本发明在初步选择混合材料坯料的成形温度范围和工艺窗口的约束条件下，还限定钢外壳的最低成型温度和最高铝芯熔化温度。使工艺窗口的约束条件更加合理，防止参
数偏离工艺窗口，在获得最佳成形性的同时，还可以避免破坏同步升温的线性关系而破坏
必须保持的间隙存在。在成形冷却过程也可以通过控制冷却速率，保持线性收缩，避免锻件的冷却收缩间隙出现。

[0095] 钢套外壳是按环形中径计算膨胀的，外径的膨胀大于向内的膨胀率的，结果是内径也膨胀加大，但是小于外径的膨胀量。而铝内芯是实心体，只有外径膨胀。关键就是控制钢套外壳内径与铝内芯外径膨胀的比例，从初始设定的间隙a,变化到a’。在加热过程中，间隙的缩小，提高了辐射传导效率，但是温差的缩小，也降低了辐射传导率，这是一个动态的平衡。加热过程开始是钢套外壳温度要高于铝内芯温度，在加热结束时钢铝温差减小，直到停止感应加热后，达到平衡温度后，间隙a接近0。

[0096] 本发明通过上述步骤S31‑S33得到，当所述钢套外壳TS4CrNi18钢材料和铝内芯采用6061铝材料时，钢套外壳最佳加热温度范围为：973℃～1010℃；铝内芯最佳辐射加热温度范围352℃～455℃。

[0097] 步骤S4，对钢套外壳1和铝内芯2的加热温度进行实时监测，钢套外壳1温度达到设定温度后，停止加热，感应加热线圈4移除回位，压力机滑块压下，混合材料坯料在模具中成形，钢铝结合面在高温和压力下焊合，焊合后，移走模具，此时混合材料坯料已经成型，不会再变形，冷却后，得到钢铝混合锻压成形件。

[0098] 由于钢和铝的热膨胀系数不同，在冷却过程中可能会形成收缩间隙，将阻碍钢铝在后期锻压成形过程中的材料结合(焊合或冶金结合)而成为产品缺陷。为了防止冷却过程
中这些间隙的出现，本发明在定义的工艺窗口中选择对应的线性关系，以保证钢套和铝芯
的热膨胀量相等，对加热工艺规范除了考虑合适的始锻温度以外，还将相对恒定的加热速
率和材料平均温度的同步变化。

[0099] 具体为：在冷却过程中，通过等收缩量冷却方法控制钢套外壳1和铝内芯2的冷却温度，根据相同冷却收缩量值下的钢套外壳1与铝内芯2的等收缩量关系对应曲线，选择钢
套外壳1最佳冷却温度范围、铝内芯2最佳冷却温度范围，(如图5所示的钢和铝的热膨胀系
数曲线图)并计算出最佳冷却速率，保持线性收缩条件下避免出现过大的间隙，保证成型的焊合质量稳定性。

[0100] 本发明还提供一种应用于上述钢铝混合锻压成形的加热方法的装置，包括钢套外壳1、铝内芯2、钢温度检测装置、铝温度检测装置、感应加热线圈4、控制系统、压力机，钢套外壳1套在铝内芯2的外面进行装配，并且使钢套外壳1与铝内芯2之间保持一定空气间隙3，钢温度检测装置用来检测钢套外壳1的实时加热温度，铝温度检测装置用来检测铝内芯2的
实时温度，感应加热线圈4套在钢套外壳1上，控制系统采用等膨胀量平衡加热方法控制感
应加热线圈4对钢套外壳1进行加热，然后利用电磁感应的集肤效应对铝内芯2加热，压力机用于对加热后的混合材料坯料进行锻压成形。钢温度检测装置采用接触热电偶监测温度
S1，铝温度检测装置采用红外热传感器S2监测温度。

[0101] 实施过程：首先将钢材料加工为钢套外壳，将铝材料加工为铝内芯，然后将钢套外壳套在铝内芯的外面进行装配，并使钢套外壳与铝内芯之间保持一定空气间隙，然后将将组装后的混合材料坯料置于压力机下模的中心位置，然后通过控制系统将感应加热线圈套
在钢套外壳上，然后通过实验数据，计算推导出钢套外壳加热温度与铝内芯辐射加热温度
的温度函数关系计算公式，得到在铝内芯不发生融化的条件下，钢套外壳的锻压成型的温
度范围，并计算得到对应的铝内芯加热温度范围，然后通过钢材料和铝材料的热膨胀线性
关系曲线，得到相同膨胀量值下的钢套外壳与铝内芯的等热膨胀关系对应曲线，然后选择
钢套外壳最佳加热温度范围和铝内芯最佳辐射加热温度范围，然后控制系统控制感应加热
线圈对钢套外壳进行加热，再利用电磁感应的集肤效应对铝内芯进行加热，当钢套外壳套
温度达到设定温度后，停止加热，控制系统控制感应线圈移除回位，压力机滑块压下，混合材料坯料在模具中成形，钢铝结合面在高温和压力下焊合，冷却后，得到钢铝混合锻压成形件。

[0102] 具体实施例：

[0103] (1)混合材料成形零件的坯料，使用铝合金(6061)和不锈钢(TS4CrNi18)组成。所选钢材具有较强的耐磨性和回火性稳定性。坯料长50mm，外径30mm，钢套外壳1壁厚S＝
2.5mm,空气间隙a＝0.5mm。经过加工的钢套外壳1与铝内芯2进行组装，并控制空气隙3均
匀,将组装后的混合材料坯料置于压力机下模的中心位置，见图6。

[0104] (2)根据图3，可以获得钢铝的温度函数关系(Ta2.5＝3E‑13Ts6‑1E‑09Ts5+2E‑4 3 2
06Ts‑0.0018Ts+0.8658Ts‑212.18Ts+21288)，可以获得钢套外壳1壁厚S＝2.5mm，在铝内芯2不发生熔化的条件下，选择钢套外壳1的锻压成形温度Ts＝1000～1015℃，对应的铝内
芯2温度Ta＝431～474℃,如下表1。

[0105] 表1

[0106]

[0107] (3)在初步选择混合材料坯料的成形温度后，进一步考虑保证钢铝材料热膨胀的同步性要求，根据钢(TS4CrNi18)铝(6061)制作的热膨胀线性关系曲线见图5。选择确定铝
芯的温度范围为Ta＝352～455℃，对应的钢壳的加热温度范围为Ts＝973～1010℃。

[0108] (4)然后加热装置将感应加热线圈4从模具外侧移动套在坯料上(图7)。加热过程中，钢套外壳1由接触热电偶S1监测温度，铝内芯由红外热传感器S2监测，红外热传感器可以为红外测温非接触传感器。通过改变感应加热电源功率和加热时间，可以实现指定的钢
套外壳1与铝内芯2的持续加热。

[0109] (5)接触热电偶S1监测温度到达设定温度，停止加热，感应加热线圈4移除回位，压力机滑块压下，混合坯料在模具中成形，钢铝结合面在高温和压力下焊合(图8)，钢壳的收缩率大于铝芯的收缩率，避免了锻件出现收缩间隙。

[0110] 在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元
件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0111] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0112] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。