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1、 1 液态模锻 一 金属的成形 成型 方法 焊接 金属坯料 机械加工 焊接 凝固成形 塑性成形 重力铸造 差压铸造 离心铸造 压力铸造 体积成形 板材成形 锻造 挤压 轧制 粉末 冲压 旋压 电磁 内高压 自由锻 模锻 砂型 金属型 熔模 金属的成形 成型 方法 压力铸造设备及成形示意图 金属的成形 成型 方法 离心铸造设备及成形示意图 金属的成形 成型 方法 差压铸造设备及成形示意图 铸造成形方法 机械加工 有切削 材料有损耗 材料加工工程通常指金属通过液态流动成型或通过固态塑性变形获得近净金属零件的成形 成型 方法 即铸 锻 焊 特点少无切削 塑性成形方法 金属的成形 成型 方法 模锻视频
2、 金属体积成形方法分类 二 液态模锻成形技术的发展概况 液态模锻技术 前苏联1937年 应用于军事及高科技范围金属构件的制造 该工艺属铸 锻结合工艺 原从事锻压专业的学者称其为液态模锻 从事铸造专业的人命其名为挤压铸造 但其内容是一致的 液态金属在模具中经过加压成型 结晶凝固 因而它与铸锻有着不可分离的 血缘关系 液态模锻是一种省力 节能 材料利用率高的先进工艺 液锻件一般很接近工件最终加工尺寸 质量高 因而为越来越多的国家的学者和厂家接受和应用 液态模锻成形 液态模锻工艺过程是将液态金属直接浇到模具型腔 然后在较高压力下使其迅速充满型腔 凝固并产生少量的塑性变形 从而获得轮廓清晰 表面光洁
3、尺寸精确 晶粒细小 组织致密 机械性能优良的制件 液态模锻成形 金属熔炼 模具准备 浇注 液锻 脱模 产品 模具复位 喷涂料 熔化 浇注 顶出 加压 三 液态模锻工艺流程 已凝固金属在压力作用下产生少量塑性变形 制件轮廓清晰 性能介于锻件和铸件之间 液锻件性能远高于铸件 整体性能接近锻件 但能成形较复杂形状的制件 且省力1 5以上 四 液态模锻工艺 1 液锻的工艺特点 金属始终在压力下完成凝固 结晶 好处 强制补缩 防止出现缩孔缩松压力直接作用在金属液面上 压力利用率高与铸件比无浇道系统和冒口 节材10 以上 与锻件比无飞边 能成形复杂制件 主要靠流动成形 对模具磨损小模具工作温度高 成形黑色
4、金属时寿命短 液态模锻与压铸的区别 液态金属注入模腔的方式不同低速浇入 排气良好压力传递方式不同压力直接作用并始终保持组织性能不同组织细密 力学性能提高 液态模锻与常规模锻的区别 毛坯与模膛形状基本一致 塑性变形量小 不会产生锻造流线适于成形复杂形状 且所需设备吨位大幅度降低 液态模锻的适用范围 各种金属 非金属 复合材料有色金属取得广泛应用 尤其铝合金 特别适合于纤维或颗粒增强复合材料适用于复杂形状 对力学性能有一定要求的零件壁厚不能太薄 也不能太厚 5 50mm 1 静压液锻合金液不产生大量的流动 液锻形状主要靠浇注时定型 压力的作用主要是加速 影响 合金液的凝固并产生塑性变形 分单 双向
5、静压液锻 单向液锻h d 5双向液锻h d 5 五 液态模锻分类 1 按金属流动方式 2 挤压液锻液锻时 浇入的合金液在凸模作用下迅速流动 充型 接着在高压下凝固和产生少量的塑性变形 1 正挤压液锻 2 反挤压液锻 3 复合挤压液锻 液态模锻分类 反挤压液锻 正挤压液锻 挤压液锻的特点 在压力下充型的合金液流动好 较易获得轮廓清晰 表面光洁的制件 初生的树枝晶在流动中破碎形成大量的晶核 可获得细晶组织 最后在高压下凝固核塑性变形 产品组织致密 性能高 液态模锻分类 复合挤压液锻 液态模锻分类 平冲头间接加压 加压前 加压后 合金液在压力作用下 通过内浇道压入型腔 充型 凝固 获得产品的液锻方式
6、 叫间接液锻 3 间接液态模锻 与立式压铸相似 不同点 浇道短 截面大 充型速度低 保压时间长 能生产壁厚较大 形状复杂的产品 充型时不会有气体卷入 平冲头间接加压 平冲头直接加压 液态模锻分类 2 按加压冲头形状分类 1 平冲头加压 实心制件 通孔制件 平冲头间接加压 加压前 加压后 2 异形冲头加压 凸式冲头加压 凹式冲头加压 液态模锻分类 液态模锻工艺方法选择 壁厚差别大的零件 正挤压液锻 壁厚均匀的零件 反挤压液锻 形状复杂的零件 复合挤压间接液锻 六 液态模锻成形方式选择原则 杯形件 凸式冲头 小型 形状复杂 上端面有凸台并带有内腔和孔 复合式冲头 间接液态模锻 六 液态模锻凹模结构
7、形式 六 液态模锻凹模结构形式 1 静压液锻过程分四个阶段 第一阶段 结壳液态金属浇入模具后 由于具有一定粘度 液面呈现凸 凹不平 在静压力作用下迅速压平 合金液在低温模壁强烈散热作用下沿模壁迅速结晶 凝固 形成外壳 随时间增长 外壳层不断增厚 固液相间的温差不断减小 结壳速度逐渐减慢 七 液态模锻工艺基础 1 液锻过程 壳层在较大温差下迅速结晶形成 壳体较薄 尚未有枝晶形成 组织致密 晶粒细小 性能高 液锻力 仅起压平液面的作用 其在合金液内部产生的压强 比压力 近似为0 压平后的液面高度 液态模锻工艺基础 液态模锻工艺基础 p 比压力 MPa 凸模接触液面后 液锻力从P0 P0 在其内部产
8、生压强p 使散热进一步加强 结晶进程加快 结晶过程中形成的微小空隙得到充分的合金液补缩 压力下结晶 获得组织致密 晶粒细小的组织 合金液收缩和凝固 液面下降 凸模要下移h1距离 第二阶段 压力下结晶 第三阶段 压力下结晶 塑性变形压力下结晶的结果是结壳 液面下降 在P0作用下 壳体被镦粗 塑性变形 凸模下降重新与液面接触 形成新压强p 再次出现压力下结晶过程 在此阶段 压力下结晶过程 塑性变形交替进行 直至合金液全部凝固为止 凸模下降h2 液态模锻工艺基础 合金液体收缩率 在此过程中 凸模 锻件和模壁间要产生摩擦 消耗功 当P0为恒定值时 P0在合金液内部产生的压强p不断下降 变小 有压力损失
9、 V收 合金液收缩的体积 第四阶段 塑性变形液态合金全部凝固后 温度下降 液锻件因固态收缩而离开模壁 产生间隙 在足够大的作用下 液锻件产生塑性变形后仍与模壁接触 凸模下降h3 塑性变形量较小 但对锻件的性能 表面质量和尺寸精度起着重要的作用 液态模锻工艺基础 总的压下量 讨论 获得合格的液锻件 必须施加足够大的液锻力P0 保证四个阶段顺利完成 如果P0不足 会不能完成三 四阶段 在制件芯部会出现枝晶组织 影响性能 a b c d e 液态模锻工艺基础 2 挤压液锻过程亦分四个阶段 第一阶段是液体金属在压力下流动 充型并结壳 二 三 四阶段与静压液锻相同 液态模锻工艺基础 注意 液锻方式不同
10、压力损失不同 一般正挤压液锻较反挤压液锻压力损失小 分型面不同 压力损失有差别 3 间接液锻过程本质上与1 2 两种不同 与立式压铸相似 区别在于设计原则与工艺参数不同 分三个阶段第一阶段 压力下充型压力下 一定速度 0 5 15m s 通过浇道压入型腔 实现充型 压铸是以高速 约15 70m s 第二阶段 压力下结晶合金液在惯性力作用下压紧模壁 散热 迅速结壳 第三阶段 压力下结晶压头的压力使合金液产生很大的压强p 在p的作用下合金液完全凝固 液态模锻工艺基础 液态模锻 成形初期 以填充侧面间隙为主首先形成敞口硬壳合模后硬壳封闭 压力作用使壳体变形表观现象 冲头发生下移 位移量较大金属侧向填
11、充 消除间隙作用力随冲头下移缓慢升高 液态模锻 成形中期 以制件高度压缩为主 补充收缩特征 形成闭合的凝固带 并不断向中心移动已凝固部分塑性变形分布明显不同凝固带在内外压力下产生结晶未凝固部分处于三向压应力作用 液态模锻 成形末期 纯液相区已消耗完 仅留中心凝固结晶区 随即进入闭式模锻阶段 此处最容易出现疏松力 行程曲线 塑性变形量很小 力有所增长但不大 基本处于保压阶段最终变形类同普通闭式模锻 挤压力不足时铸件缺陷示意图 P P0 挤压过程中冲头局部受阻形式缺陷示意图 液态模锻工艺基础 压力对合金物理参数的影响 合金的熔点 导热率 密度 结晶潜热 Q熔 单位质量金属的熔化潜热 J kg 2
12、液锻过程压力的作用 液态模锻工艺基础 1 对熔点的影响 压力与合金熔点之间有如下的近似关系 凝固时体积收缩的合金 如铝 铁 铜 铝 硅等 随压力增加 熔点 凝固点 升高 在其它条件不变时 加大压力可使过冷度增大 加速结晶的进程 液态模锻工艺基础 凝固时体积膨胀合金 如铋 硅 锑等 压力的作用刚好相反 压力下结晶凝固的合金 其组织致密 原子间的平均距离缩短 导热率提高 以纯铜锭为例 大气压力下凝固时 其导热率为326 335W m K 在150MPa压力下凝固时 其导热率为352 356W m K 提高约6 2 对导热率的影响 实验指出 在一定范围内 压力的增加对密度有明显的提高 压力增大 密度
13、增加 在某一压力下达到最大值 继续增加压力 会使金属内部位错增加 其密度反而下降 液态模锻工艺基础 3 对密度的影响 液态金属的结晶与临界晶核尺寸 形核率 形核功 过冷度及晶粒数有关 凝固时体积收缩合金 增加压力使临界晶核尺寸和形核功减小 有助于晶核生成 压力提高过冷度 有利于成核率 压力还可以破碎长大的枝晶 使其脱落形成新晶核 细化晶粒 凝固时体积膨胀合金 相反 液态模锻工艺基础 4 压力对合金结晶过程的影响 压力使合金液凝固过程十分迅速 合金液的元素来不及分解 扩散 偏析现象大为减少 尤其是比重偏析 实践中发现 在液锻件厚大部位的中心处常常发现低熔点共晶富集 异常偏析 液态模锻工艺基础 5
14、 压力对偏析的影响 压力可增加气体在合金液中的溶解度 并可阻止合金液的气体析出 防止液锻件产生气孔 针孔等 液态模锻工艺基础 6 压力对气体析出的影响 7 压力对尺寸精度和表面粗糙度的影响 足够的压力使液锻件紧密贴模 尺寸精度高 表面光洁 1 比压力比压力p是指液锻时 液锻力作用在合金液上所形成的压强 它与液锻力的关系可用表示 液态模锻工艺基础 所需比压力p的大小 液锻合金成分 液锻件形状 尺寸 使用要求 液锻方式有关 3 液锻过程的主要工艺参数 计算时 合金成分的影响 可用合金种类系数K1来考虑 液态模锻工艺参数 合金成分 高温下屈服极限高的合金 采用较大的比压力p 液锻方式 可用液锻方式系
15、数K2来考虑 相对高度H a愈大 相对结晶壳就愈长 愈厚 摩擦阻力愈大 塑性变形时消耗的能量大 液态模锻工艺参数 液锻件的形状 尺寸对比压力p的影响 用相对高度H a来考虑 比压力可采用下面的经验公式 来计算 铝合金负重轮的比压力p的计算 液锻方式为挤压液锻 H a 120 540 0 23 H a 1时 形状 尺寸影响可忽略不计 间接液锻时p K1K2 液态模锻工艺参数 2 液锻速度液锻速度是指冲头 压头 与合金液接触后的合金液充型速度 或凸模下降速度 液锻速度 主要取决于合金液体的粘度速度太低 自由结壳层厚 降低加压效果速度太高 模具间隙小 金属液卷气 液锻件有气孔 模具间隙大 合金液飞溅
16、 金属液不足 超差报废 液态模锻工艺参数 3 液锻温度合金液温度尽量低些 减少液锻件的含气量 并可防止模具过热而粘模 温度太低 常常会产生金属豆 冷隔 液锻件表面质量差 液态模锻工艺参数 温度太高 液锻件含气量高和粘模内外温差大 当外部凝固成较厚的外壳后 中心部位仍处于高温液态 这样 中心部位凝固时无法得到足够的金属液补缩 产生缩孔或疏松 液态模锻工艺参数 一般选取液相线温度以上50 100度 4 模具温度液锻模的温度对锻件质量及模具寿命影响较大 液态模锻工艺参数 模具温度过低 合金液浇入型腔后迅速凝固 形成金属豆 冷隔或较厚的金属硬壳模具温度过高 金属液粘模 使液锻件表面拉伤 造成模具严重磨损 模具强度降低 易产生变形和破坏 1 根据产品零件 绘制液锻件图主要考虑下面几个因素 1 选择液锻方式 2 收缩率 3 拔模斜度 4 圆角 2 模具结构设计主要考虑下面几个因素 1 确定分模面 2 成形型腔设计和强度计算 3 凸 凹模间隙的确定 4 确定比压力p 选择设备 3 排气系统设计4 脱模机构设计5 模温控制系统1 加热系统 2 冷却系统 八 液态模锻设计步骤 液锻件的组织状态基本属于铸
