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1、第3章,3.1 液态模锻概述 3.1.1 液态模锻兴起是铸锻工艺结合的产物 3.1.2 液态模锻发展回顾 3.1.3 液态模锻发展趋势 3.1.4 液态模锻工艺方法分类 3.1.5 液态模锻工艺特点及适用范围 3.2 液态模锻下的力学过程 3.2.1 塑性变形在液态模锻中的地位 3.2.2 液态模锻组合体的假设 3.2.3 液态锻模过程的力位移曲线,3.2.4 力、位移与时间关系曲线 3.3 液锻模设计前准备 3.3.1 液锻件的结构工艺性 3.3.2 液锻方式的选择 3.3.3 液锻件图设计 3.4 液锻模结构设计 3.4.1 对液锻模的基本要求 3.4.2 液锻模设计的步骤 3.4.3 液
2、锻模基本机构 3.5 液锻模的材料及技术要求,3.5.1 工作零件材料的选用 3.5.2 液锻模零件的公差及表面粗糙度 3.5.3 液锻模的技术要求 3.6 液态锻模用设备 3.6.1 熔化设备 3.6.2 普通液压机 3.6.3 压铸机改造的卧式液锻机 3.6.4 专用液锻机 3.6.5 辅助设备 3.6.6 液态锻模实例,3.1.1 液态模锻兴起是铸锻工艺结合的产物,液态模锻是在压力铸造基础上演变的产物。通过实践人们逐渐认识到，压力铸造虽然取代了金属型铸造的重力浇注方式，改为在高压高速下的充填方式，但金属型铸造利用重力(冒口)的补缩作用，在压力铸造中很难实现，即压力下不可能通过浇道(因浇道
3、比制件凝固早)对熔体持续补缩，直至凝固结束。显然，对于壁厚大于6mm或壁厚相差悬殊的制件，很难获得合格的产品。另外，压铸件不能进行热处理，使它的应用范围受到很大的限制。科学工作者吸取了锻造工艺力学成形的观点，对本来仅是一个物理化学的铸造过程，变成一个物理化学-力学的液态模锻过程，摒弃了压力铸造的浇口和浇道，采用敞口模具，直接上注。,3.1 液态模锻概述,图3-1 液态模锻工艺流程 a)熔化 b)浇注 c)加压 d)顶出,3.1.2 液态模锻发展回顾,(1)建立了一个物理化学与力学成形相融合的理论体系 该理论体系研究了液态模锻下的物理化学过程、凝固过程和力学过程，以揭示压力对合金热物理参数、相图
4、、凝固的热力学和动力学条件的影响规律，制件凝固的热传导和凝固方式、凝固组织特征及力学性能等变化，力学模型及力的传递、压力损失、塑性变形机制、凝固与塑性变形相互交融规律等，为液态模锻过程稳定建立、工艺参数选定和优化、设备的选定和改造等提供了坚实可靠的平台。,(2)开展液态模锻材料使用性研究 什么材料能用于液态模锻成形？从理论上讲，几乎所有合金，包括铸造、锻造合金，甚至难熔合金，均能进行液态模锻。 (3)工艺方法的比较研究 液态模锻工艺依据制件的材质、形状及尺寸，存在多种成形方案。 (4)液态模锻设备的现状和发展 液态模锻设备研究远远不如压铸机。 (5)生产规模有较大发展 产品涉及铝、镁、锌、铜、
5、高温合金及复合材料，产品遍及机械、交通、家电等。,3.1.3 液态模锻发展趋势,(1)液态模锻集中了铸、锻成形的优势，是实现能源节约的最好途径 液态模锻与铸造相比，不用设置浇冒口或余块，金属液利用率高达95%98%，制件性能大幅度提高；与锻造工艺比，可以制造形状复杂的制件，并实现毛坯精化，使后续机械加工量小，节省了金属材料，特别是有色合金材料，可节省50%70%。,(2)机械制造业要做大做强，采用先进制造技术是一大前提 零件成形技术，虽是多种多样，但铸、锻技术是最基本的，推进液态模锻技术在成形中的应用，补充铸、锻成形不足，使零件制造技术更趋精密高效和低成本，以增强市场的竞争力。,3.1.4 液
6、态模锻工艺方法分类,图3-2 平冲头直接加压 a)实心制件 b)通孔制件,图3-3 平冲头间接加压 a)加压前 b)加压时,图3-4 凸冲头加压法 a)杯形件(固定下模) b)桶形件(可动底板) c)杯形件(动下模),图3-5 凹冲头加压 a)加压前 b)加压时,图3-6 复合式冲头加压 a)法兰盘类件 b)通孔法兰盘类件,图3-7 垂直加压凝固法 a)浇注结束 b)充填时,图3-9 局部加压凝固法 a)浇注 b)充填加压,图3-10 低压充填高压凝固法,3.1.5 液态模锻工艺特点及适用范围,工艺特点： 1)在成形过程中，尚未凝固的金属液自始至终经受等静压，并在压力作用下，发生结晶凝固，流动
7、成形。 2)已凝固的金属在成形过程中，在压力作用下产生塑性变形，使毛坯外侧紧贴模膛壁，金属液获得并保持等静压。 3)由于凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此金属液承受的等静压值不是定值，而是随着凝固层的增厚而下降。 4)固液区在压力作用下，发生强制性的补缩。,适用范围,1)在材料种类方面适用性较广，可用于生产各种类型的合金，如铝合金、锌合金、铜合金、灰铸铁、球墨铸铁、碳钢、不锈钢等。 2)对于一些形状复杂且性能上又有一定要求的产品，采用液态模锻较为合适。,3)在工件壁厚方面，一般来讲不能太薄，否则将给成形带来困难，甚至产生废品。,3.2.1 塑性变形在液态模锻中的地位,图3-11 液态模
8、锻力学成形模型,液态模锻下的力学过程是指压力如何传递到待凝固的液态金属上，并由此产生的力学特征，以及获得合格制件的力学性能参数等。,3.2 液态模锻下的力学过程,图3-12 液态模锻力学过程循环图,3.2.2 液态模锻组合体的假设,1.组合体的连续性,实际上，组合体的连续性表现在温度分布的连续性。由于液态金属模锻时，温度梯度较大，在不同的温度区间里，其金属的状态可能表现为液态、固液态和固态。存在形式的改变，实际是金属的结构发生了变化，而金属结构的变化又是温度变化的结果。即金属由于温度的变化，可能使金属的结构由原子近程有序向原子远程有序过渡或相反。这里没有金属存在形式的突变，而是呈连续的变化。因
9、此，可以认为组合体是一个物质呈连续分布的不均匀的组合体。,2.组合体三个区的力学性质,已凝固区是一个近乎均匀的连续变形体，在液态金属模锻的过程中，它由小到大，最后完全代替固液区和液相区，获得致密的无缩孔的组织。 对于固液区，从液态向固态的转变过程中，当温度高于固相线几摄氏度时，塑性几乎为零，而低于固相线几摄氏度时，塑性达最大值。从高塑性过渡到脆性，并非突然进行，而是存在一个脆性温度区间。其原因是，在固相线上的结晶体骨架已联接成片，把残余液体分割成片状，位于晶界上。,3.组合体力学行为,在液态金属模锻时，这个连续组合体将发生由表及里的力学行为，外壳产生塑性变形，固液区产生热裂，液相区在等静压作用
10、下挤入微小裂纹中。并且塑性变形体本身随着结晶凝固的进行而扩大，固液区也由于温度梯度逐渐平坦化而扩大，液相区则逐渐缩小，以至某一时刻，液相区完全转变成固液区，这时组合体就转变为由已凝固区和固液区组合的塑性体脆性体的组合体。只要已凝固区塑性变形顺利进行，脆性体在压应力的作用下，就完全可以克服由于体积收缩带来的拉应力，使脆性体破坏的力学条件得到消除。最后转变成单一的塑性体，液态模锻就此结束。,3.2.3 液态锻模过程的力位移曲线,1. 试验装置及过程,图3-13 试验装置 1测力传感器 2垫板 3隔热垫板 4活块 5钢液 6凹模 7冲头 8位移传感器 9支架,2.力位移曲线的试验分析,从试验曲线可以
11、看出，液态模锻施压过程表现为两个阶段，即升压阶段和保压阶段。升压阶段曲线呈上凹式二次曲线形状，压力随位移增加而同步增长，这一过程时间很短(46s)，然后进入保压阶段。保压阶段力位移曲线表现在一恒压下波动，其压力增长速率则维持一个低限水平，且外力愈大，增长速度愈高。低限增长速率持续时间也视比压大小而定。比压愈大，持续时间愈短，随即增长速率趋于零。,图3-14 锌基合金液态模锻力 位移试验曲线,3.力位移曲线的物理意义,1)等静压在液态模锻过程中是一个变量。 2)等静压大小与外加载荷成正比的增加或减小，而外壳塑性变形仅与受力状态、外壳增厚程度、材质和温度有关。,3.2.4 力、位移与时间关系曲线,
12、1.平冲头加压下力时间和位移时间关系曲线,图3-15 力时间关系和位移时间曲线的试验结果 a)100MPa b)200MPa,图3-16 凸式冲头加压下冲头 相对位移和时间关系曲线 1环形件 2杯形件(底厚与壁厚比为0.7) 3杯形件(底厚与壁厚比为0.6),2.异形冲头加压下位移时间曲线,3.3 液锻模设计前准备,由于液态模锻技术是使液态金属在压力作用下充型，并在高压下凝固和产生塑性变形，所以能液锻出各种形状的复杂零件。为了充分发挥液锻技术的优点，通常以生产壁厚大于6mm的厚壁件为佳。不同的液锻件形状结构，其采用的液锻方式及模具结构往往有较大的区别。,3.3.1 液锻件的结构工艺性,1.液锻
13、件的形状,1)液锻件的形状最好是轴对称旋转体，如图3-17所示。 2)液锻件的形状应有利于脱模。 3)与脱模方向一致的非加工表面要有结构斜度，如图3-21所示的液锻件。 4)液锻工艺所能生产的最小壁厚与液锻方式有关。 5)液锻件的壁厚应尽量均匀。 6)尽量避免有深而细的内孔，如图3-22，液锻时若形成深而细的内孔，则其型芯工作条件将十分恶劣。 7)液锻件的圆角，如图3-23所示。,图3-17 轴对称旋转体,图3-18 轴对称非旋转体,图3-19 非轴对称体,与脱模方向一致的非加工表面要有结构斜度，如图3-21所示的液锻件。,图3-20 难脱模锻件,图3-21 带结构斜度的连杆,图3-22 有深
14、而细孔的工件,图3-23 液锻件的圆角,3.3.2 液锻方式的选择,(1)按液锻件的形状和尺寸选择液锻方式 通常先分析液锻件的形状和尺寸，看采用哪种液锻方式能以较低的成本生产出符合产品质量要求的液锻件。 (2)按合金性能选择 选择液锻方式时，应考虑合金的流动性能。 (3)按生产批量选择 选择液锻方式，还与锻件的生产批量有关。,表3-1 液锻方式,3.3.3 液锻件图设计,1.液锻件位置,1)液锻件位置应使模具的结构简单且便于脱模。 2)有利于传递压力。 3)便于充型和排气。 4)有助于减少液锻力。 5)有助于减少模具高度、液锻行程、脱模行程和脱模力。 6)精度要求高而又不需要加工的表面应放在侧
15、面方向。,03-24,(1)液锻件应能方便地从模具中取出 如图3-24所示，图中的液锻件除了凸、凹模的水平分型外，凹模最少要由垂直分型的两模块组成，否则液锻件不能脱模。,2.分型面,图3-25 分型面应避免毛刺和保证精度,(2)选择分型面时，应尽量避免产生横向毛刺(因为横向毛刺难清理) 如图3-25所示，图3-25a在分型面处易产生毛刺，且上、下模块在不同的模块内成形。,图3-26 分型面便于型腔内的气体排出,(3)分型面应尽量选择在合金液的流动的末端 分型面选择在合金液流动末端的目的，是为了便于型腔内的气体能从分型面处的排气槽排出，如图3-26所示，图3-26a中1处的气体难以排出，需要增设
16、镶块，以便开出排气槽，才能排出该处的气体。,(4)分型面应便于模具加工、安装、调试、维修及清理 其目的是降低模具加工成本和便于管理。,(5)操作方便、安全可靠，防止合金液从分型面处喷出伤人 为防止合金液从分型面处喷出伤人，常在分型面外侧处设计防喷挡板。,3.余量和公差的选择,(1)尽可能将加工余量减到最小 加工余量减到最小的目的，是节省机械加工工时和节约金属材料。 (2)避免在液锻件厚度上进行两面加工 其理由同(1)。,4.脱模斜度,(1)外脱模斜度 它是液锻件冷却、收缩时离开模壁的地方，所以，它对脱模阻碍较小。 (2)内脱模斜度 它在液锻件冷却、收缩时夹紧模壁(型芯)的地方，所以，它对脱模阻碍较大。 1) 减少液锻件与模具间的摩擦，以便容易取出液锻件。 2) 保证液锻件表面不被拉伤，保证液锻件表面光洁。 3) 减少模具磨损，以延长模具寿命。,5.圆角半径,1) 在合金液充型时，引导合金液流动，避免产生涡流，从而改善液锻件的组织和表面质量。 2) 避免因热应力在液锻件或模具中产生应力集中而产生裂纹。 3)
