液態(tài)模鍛成型設(shè)計

1、液態(tài)模鍛主要內(nèi)容：液態(tài)模鍛也稱為擠壓鑄造、鍛打鑄造以及熔湯鍛造等，是一種鍛鑄結(jié)合的工藝方法。該方法采用鑄造工藝將金屬熔化、精煉，并用定量澆勺將金屬液澆入模具型腔，隨后利用鍛造工藝的加壓方式，使金屬液在模具型腔中流動充型，并在較大的靜壓力下結(jié)晶凝固，且伴有小量塑性變形，從而獲得力學性能接近純鍛造鍛件而優(yōu)于純鑄造件的毛坯或零件。目前，采用這種工藝生產(chǎn)的單件質(zhì)量可達300kg以上，其材料包括有色金屬及其合金、鑄鐵、碳鋼和不銹鋼等。采用此工藝可制造大型鋁合金活塞、鎳黃銅高壓閥體、氣動單元組件的儀表外殼，銅合金蝸輪等產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：液態(tài)模鍛，特種塑性成形，模鍛工藝流程。液態(tài)模鍛工藝劃分為金屬液和模具準備、

2、澆注、合模施壓以及開模取件四個步驟，具體如圖9-5所示。圖1液態(tài)模鍛工藝流程.1 工藝分類液態(tài)模鍛的工藝過程是把一定量的金屬液澆入下模型腔中，當溶液還處于熔融或半熔融狀態(tài)時施加壓力，迫使金屬充滿型腔形成工件。在整個凝固過程中，對工件保持壓力，以便消除金屬凝固時在工件內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷，并使其產(chǎn)生塑性變形，工件凝固及塑性變形，借助頂桿或其它方法將其推出，為下一次操作做好準備。液態(tài)模鍛工藝按加壓方式可以分為如下三種形式：凸模加壓凝固法。如圖9-6所示，熔化的金屬澆入凹模1中，凸模2下行與凹模形成封閉型腔，待熔融的金屬逐漸凝固時加壓使其成形，這種方法適用于鑄錠或形狀簡單的厚壁件，在凸模壓力作用下液態(tài)金屬

3、不產(chǎn)生向上移動。直接液態(tài)模鍛法。如圖9-7所示，熔融的金屬澆入凹模1，凸模2下行與凹模形成封閉型腔，同時將液態(tài)金屬壓成一定形狀。型腔中的液態(tài)金屬在一定壓力的作用下向上流動，中間冷卻凝固。如果沒有使多余金屬溶液溢出的措施，則凸模的最終位置便由注入溶液的量來決定，并在工件底部和頂部厚度的變化上反映出來。杯狀和空心的法蘭狀工件常采用直接液態(tài)模鍛法加工。(1) 凹模 (2) 凸模 (3)金屬溶液(工件)圖3 直接液態(tài)模鍛法(1) 凹模 (2) 凸模(3)底板 (4) 金屬溶液圖2 凸模加壓凝固法間接液態(tài)模鍛法。如圖9-8所示，熔融的金屬澆入下模2中，上模1先與下模2組成部分型腔，待凸模3下行時將液態(tài)金

4、屬擠出形成一定的形狀。間接液態(tài)模鍛常采用組合模具，其特點是除凸模作用于工件外，上模也參與加壓作用。金屬流動和直接液態(tài)模鍛法相似。由于金屬溶液是以較低的速度連續(xù)流動的，所以不會產(chǎn)生噴流或渦流等現(xiàn)象，型腔內(nèi)的空氣也比較容易排出，加壓效果顯著。.2 液態(tài)模鍛的特點液態(tài)模鍛工藝的具有如下主要特點：在成形過程中，液態(tài)金屬自始至終承受等靜壓，并在壓力下完成結(jié)晶凝固；(1) 上模 (2) 下模 (3) 凸模 (4) 金屬溶液(工件)圖4 間接液態(tài)模鍛法已凝固的金屬在壓力作用下，產(chǎn)生塑性變形，使制件外側(cè)壁緊貼模膛壁，液態(tài)金屬獲得等靜壓；由于已凝固層產(chǎn)生塑性變形，要消耗一部分能量，因此液態(tài)金屬承受的等靜壓不是定

5、值。它是隨著凝固層的增厚而下降的；固-液區(qū)在壓力作用下，發(fā)生強制性補縮。因此，液態(tài)模鍛與壓力鑄造比較，由于液態(tài)金屬直接注入模膛，避免了在壓力鑄造情況下，液態(tài)金屬在短時間內(nèi)，沿著澆道充填型腔時卷入氣體的危險；況且液態(tài)模鍛壓力是直接施加在金屬液面上，避免了壓力鑄造時的壓力損失。由液態(tài)模鍛獲得的鍛件比壓力鑄造組織來的細密。與熱模鍛相比較，液態(tài)模鍛是在單一模膛內(nèi)，利用金屬流動性填充模膛，避免了熱模鍛時采用多個模膛和金屬充滿模膛時那種鐓擠性的強制流動方式，使液態(tài)模鍛成形能大大低于熱模鍛的成形能。.3 模具結(jié)構(gòu)由于液態(tài)模鍛能夠加工更為復雜的模鍛件，所以其使用設(shè)備、模具的結(jié)構(gòu)也較為復雜，液態(tài)模鍛所用的模具與

6、液態(tài)模鍛的成形方式有關(guān)，模具結(jié)構(gòu)大致可以分為如下三種。簡單模。簡單模的結(jié)構(gòu)與工作過程如圖9-9所示。其主要用于凸模加壓凝固成形(方式)中?？煞职寄！？煞职寄５慕Y(jié)構(gòu)與工作過程如圖9-10所示。其主要用于直接液態(tài)模鍛成形方式中。凹模型腔由固定凹模與活動凹模共同組成，當工件完全凝固后，凸模上行返回原始位置，活動凹模移開便可取出工件。工件取出后活動凹模返回，與固定凹模又形成一完整的可以盛放金屬液的型腔，這樣就完成了一次模鍛過程。圖5 簡單模的結(jié)構(gòu)與工作過程圖6 可分凹模的結(jié)構(gòu)與工作過程組合模。組合模的結(jié)構(gòu)與工作過程如圖9-11所示。其主要用于間接液態(tài)模鍛成形方式中。間接液態(tài)模鍛的凹模由2-3塊組成，可

7、以制造形狀更為復雜的工件。圖9-11所示的凹模由三塊組成。當凹模與墊塊組成一個可以盛放金屬液的型腔后澆入金屬液，上模下行使金屬液部分成形，凸模再下行封閉型腔，并對金屬液施加壓力，使其成形并在壓力下凝固。工件完全凝固后墊塊下行，上模回程與工件脫離，最后凸模上行。工件卡在凸模上被帶出凹模，并被限位停止的上模卸下，待墊塊回復到原始位置時，完成一次模鍛過程。圖7 組合凹模的結(jié)構(gòu)與工作過程.4 應用范圍液態(tài)模鍛工藝可在下列范圍內(nèi)推廣應用。金屬材料。生產(chǎn)各種類型的金屬合金，如鉑合金、鋅合金、銅合金、鎂合金、灰口鐵、球墨鑄鐵、碳鋼、不銹鋼等工件。液態(tài)金屬在模具型腔內(nèi)成形，受模壁的壓力作用，其變形是在多向壓應

8、力而沒有拉應力的狀態(tài)下進行的，因而消除了脆性開裂的現(xiàn)象。因此可以用于些脆性材料（如錫青銅和灰口鐵等）工件的制作。復合材料。纖維強化金屬（FRM）具有重量輕、強度高、耐磨、耐高溫等特點?，F(xiàn)在已經(jīng)進行了碳、碳化硅、氧化鋁等包括晶須在內(nèi)的許多高強度的長短纖維的研究開發(fā)工作，作為金屬強化材料很有發(fā)展前途。但是，在FRM的制造上還存在一些問題，其中主要問題是纖維與液態(tài)金屬難以浸潤。液態(tài)模鍛所使用的較高壓力可以將液態(tài)金屬強行擠入到纖維間的微細孔隙中，而且纖維與金屬粘接牢固，從而給復合材料成形開辟了一條新途徑。目前，活塞、連桿的FRM液態(tài)模鍛已經(jīng)得到實際應用。形狀、尺寸。液態(tài)模鍛技術(shù)不僅適用于軸對稱的實心零

9、件、杯形件、通孔件以及長軸類等厚壁零件，也適用于非軸對稱、壁厚不均勻、形狀復雜的零件。一般來講，對于一些形狀復雜、性能又有一定要求的制件，采用液態(tài)模鍛較合適。若采用熱模鍛，成形困難，成本高；若改用鑄造加工，使用性能難以保證。由于施壓可以使制件的輪廓清晰、精確，因此液態(tài)模鍛技術(shù)也適用于模具制造及嵌鑲裝配件制造。但是液態(tài)模鍛產(chǎn)品不能太薄，否則在結(jié)晶和成形方面均會帶來一些問題。當有色金屬工件壁厚小于5mm時，采用液態(tài)模鍛成形會產(chǎn)生組織不均等現(xiàn)象。反之，如果用壓鑄方法來生產(chǎn)薄壁件則較為有利。.5 液態(tài)模鍛模具設(shè)計（1）設(shè)計要求設(shè)計液態(tài)模鍛模具的基本要求是：所生產(chǎn)的制件應保證產(chǎn)品圖樣所規(guī)定的尺寸和各項技

10、術(shù)要求，減少機加工部位和加工余量；能適應液態(tài)模鍛工藝要求；在保證制件質(zhì)量和安全生產(chǎn)的前提下，應采用合理、先進、簡單的結(jié)構(gòu)，動作正確可靠，易損件拆換方便，便于維修；模具上各種零件應滿足機械加工工藝和熱處理工藝要求，選材適當，配合精度合理，達到各種技術(shù)要求；在條件許可時，模具應盡可能實現(xiàn)通用化，以縮短設(shè)計和制造周期，降低成本。（2）設(shè)計原則液態(tài)模鍛模具的設(shè)計依據(jù)是鍛件圖。液態(tài)模鍛鍛件類型有許多種，但由于工藝的特殊性，無論哪種類型的鍛件，均無需制坯，因此模具結(jié)構(gòu)特點是一模一鍛。為了使制件成形后順利出模，在鍛件圖設(shè)計時應結(jié)合模具結(jié)構(gòu)的要求，掌握以下設(shè)計原則：分模面。其選擇除按一般模鍛件設(shè)計原則使模膛具

11、有最小深度以便工件脫模外，還要考慮加壓部位等因素。盡可能有較少的分模面產(chǎn)生，這主要是取決于鍛件的復雜程度和成型后鍛件出模的難易程度。加工余量。非加工表面不放余量，加工表面可加放3-6mm余量，易形成表面缺陷處可增大余量。模鍛斜度。與頂出裝置平行的側(cè)面可考慮較小的出模斜度，一般取1°-3°。圓角半徑。鍛件的尖角與模具對應凹角處?？紤]充型排氣和模具制造及熱處理等要求，一般設(shè)計成圓角，根據(jù)尺寸可選圓角半徑為3-10mm。收縮量。簡單形狀鍛件，收縮量由材料性質(zhì)、成形溫度和模具材料確定；對于復雜形狀鍛件應考慮收縮不均勻問題。鍛件最小孔徑?？讖脚c鍛件尺寸有關(guān)，有色金屬最小孔徑一般為25

12、-35mm，黑色金屬則為35-50mm。排氣孔和排氣槽。液態(tài)模鍛時由于溫度較高，常使用一些潤滑劑（涂料）防止工件與模具粘合。模鍛時潤滑劑中的某些成分會揮發(fā)成氣體，液態(tài)金屬凝固時，也有一部分氣體析出。這些氣體在模鍛時往往集中在轉(zhuǎn)角處或其它模面上無法排出，致使工件棱角下塌，平面凹陷，出現(xiàn)缺陷。為了將模鍛時產(chǎn)生的氣體有效地排出，在金屬液最后充填的盲腔底部應開排氣孔，排氣孔應小于直徑2mm，有時考慮氣體能順利排出，可在分模面或鑲塊配合面局部開設(shè)排氣溝槽，槽深0.1-0.15mm，寬度應根據(jù)鍛件具體尺寸確定。凸、凹模間隙。凸、凹模間隙要適當，過小則因凸、凹模的裝配誤差而相碰或咬住；過大則金屬液容易通過間

13、隙噴出，造成事故，或者在間隙中產(chǎn)生毛刺，減小加壓效果，阻礙卸料。合理的間隙與加壓開始時間、加壓速度、壓力大小、工件尺寸及金屬材料有關(guān)。如加壓開始晚一些可采用大一些的間隙，可依工件材料來選定間隙，一般情況下鋁及鋁合金取0.05-0.1mm，銅及銅合金取0.1-0.3mm。可按表9-1選用。模具結(jié)構(gòu)。設(shè)計模具時首先應對工件作全面分析，如工件的大小、形狀復雜程度、分模面設(shè)置、加工面位置、工件使用要求、車間設(shè)備條件等。對形狀簡單的工件，可采用簡單模；對形狀復雜的工件可采用可分凹模或組合模。為了確保最佳的加壓效果，設(shè)計時還需要注意使制件重要的受力部位或易產(chǎn)生疏松的部位靠近沖頭端，將加壓前自由凝固區(qū)和沖頭

14、擠壓冷隔放在制件不重要的部位或加工余量中去；壁厚比較均勻的制件，可以按“同時凝固”原則進行設(shè)計，壁厚相差較大的制件，按“順序結(jié)晶”原則進行設(shè)計。間接液態(tài)壓制或有內(nèi)澆道的液態(tài)模鍛，必須有足夠厚度的內(nèi)澆道，以保證對制件的壓力補縮。有條件時，應盡可能使制件達到“順序結(jié)晶”的目的。粗糙度。模具的粗糙度直接影響工件的粗糙度，應使模具型腔的粗糙度比工件的粗糙度數(shù)值小一級，以保證獲得滿意的工件表面質(zhì)量。表1 凸模與凹模的間隙鍛件材料間隙 /mm鋁0.05-0.1或0.2銅0.1-0.5或0.15-0.3鎳黃銅0.3-0.4鋼0.075-0.12或0.07-0.13（3）模具材料對模具材料的要求。液態(tài)模鍛是在

15、定的壓力和溫度下進行的，雖然不象壓鑄模那樣受到金屬液流的沖擊，但卻會因反復受到液體金屬的加熱和冷卻系統(tǒng)的冷卻作用引起模具局部熱疲勞變形和損壞。一些形狀復雜的模具或模具鑲塊等，常常在生產(chǎn)了200-300件以后因熱疲勞而報廢。液態(tài)模鍛的工作溫度根據(jù)工件材料的種類而不同，鋁合金為600-700；鎂合金為580-650；銅合金為1050-1170、鋼為1320-1390或更高。液態(tài)模鍛時的工作壓力比壓鑄高，但與一般模鍛相比卻很低。因此，僅要求液態(tài)模鍛模具的材料在相應工作溫度下有一定的抗壓強度。常用模具材料。液態(tài)模鍛所用模具應選含有鉻元素的合金鋼材，通過按一定比例加入適當?shù)逆u、鉬、釩等元素，改變鋼材的耐

16、熱性能。對于澆注溫度較低的鋁合金來說，常用的模具材料可與壓鑄模相同。例如3Cr2W8、4W2CrSiV、3W4Cr2V等，或者使用普通碳素工具鋼和碳素鋼，也可得到滿意的效果。模具的使用壽命與工件的形狀、大小密切相關(guān)，如果模具型腔橫截面較大且沒有被金屬液包圍的單薄凸出部分，就不會因塑性變形與熱疲勞裂損而損壞。對于模鍛溫度較高的銅合金和鋼鐵來說，常用的模具材料要求承受較高工作溫度和較大的熱交換。因此，在工件批量不大、工件形狀較簡單的情況下可采用耐熱鋼；對于批量較大、工件形狀復雜的最好采用鉬基合金制造；也可以用一般熱模鍛常用模具材料，來制造銅合金液態(tài)模鍛鍛模。鍛造的模具毛坯需要經(jīng)機械加工才能得到型腔

17、。而使用耐熱球墨鑄鐵制造模具，原材料成本低，并能直接澆出型腔，經(jīng)砂輪修磨后便可使用，而且模具型腔表面光潔，容易脫模。耐熱球墨鑄鐵制造的模具在澆鑄后要做正火處理，加熱至(85010)保溫6-7h后空冷，以消除大塊的碳化物，增加強度。但球墨鑄鐵模具表面易產(chǎn)生毛疵，相對使用壽命較短，需加改進。（4）模具壽命模具材料、工件材料及工藝性、模具的冷卻和潤滑條件等都對模具壽命有很大影響。如果上述條件都比較好，那么銅及銅合金液態(tài)模鍛鍛模的壽命可達4000-8000件，鋼件液態(tài)模鍛鍛模的壽命可達3000-6000件。但一般黑色金屬液態(tài)模鍛鍛模的壽命還很低，需要探索有效的措施來提高。模具壽命除與材質(zhì)有關(guān)外，還和模

18、具結(jié)構(gòu)、冷卻和潤滑、使用維護等有關(guān)。（5）模具的潤滑潤滑劑的作用是保護模具、提高產(chǎn)品表面質(zhì)量和便于自模具內(nèi)取出工件。因此要求潤滑劑能耐高溫高壓，并且有良好的黏附作用，粒度愈細愈好。潤滑劑必須噴涂均勻，不可涂得太多，過多的潤滑劑會使金屬表面形成氣孔。液態(tài)模鍛所用潤滑劑一般由石墨、各種氧化物、硅、水玻璃、各類油脂調(diào)配混合而成。.6 液態(tài)模鍛設(shè)備（1）對液態(tài)模鍛設(shè)備的要求液態(tài)模鍛時要求設(shè)備有足夠大的壓力，并持續(xù)作用一定時間（即保壓時間），這特點決定了液態(tài)模鍛設(shè)備屬于液壓機類型，而不是錘、曲柄壓力機、螺旋壓力機等類型；液態(tài)模鍛要求盡量縮短液態(tài)金屬澆注后的開始加壓時間，故要求加壓設(shè)備有足夠的空程速度和一

19、定的加壓速度；需要有模具的開閉裝置，一般來說，有上、下兩個壓縮缸就可以達到這一要求，上缸用來施加壓力并拉出上模，下缸可用來頂出成形件；如果要在垂直分模面的模具中壓制成形件，而模具本身又沒有鎖緊結(jié)構(gòu)或沒有足夠的位移可以退出制件時，則壓力機就需要有兩個互相垂直的壓縮缸，以使水平方向上能拉出半模，退出制件；金屬收縮時，會把上模的模芯緊緊地“咬住”，為了能使上模從制件中拔出，垂直缸應有足夠的提升力量，水平缸也應有足夠的壓力，以便在上模施壓于金屬時，能使模具保持閉緊狀態(tài)，不使金屬液擠出；液壓機結(jié)構(gòu)和輔助裝置，必須適應批量生產(chǎn)的要求。（2）液態(tài)模鍛設(shè)備液態(tài)模鍛工藝要求專用的液態(tài)模鍛設(shè)備應具備一定特點，所以

20、液態(tài)模鍛用設(shè)備與一般模鍛設(shè)備大不相同。一般模鍛用設(shè)備如鍛錘、螺旋壓力機等，其錘頭或滑塊的運動速度較大，且不能保壓，因此不能使液態(tài)模鍛件很好的成形，更不能保證金屬在一定的保壓壓力下結(jié)晶，直至結(jié)晶結(jié)束。另外在一般的模鍛設(shè)備上也無法完成鍛出形狀復雜的液態(tài)模鍛件所需的各種復雜動作。因此，配備專門的液態(tài)模鍛設(shè)備才能充分發(fā)揮液態(tài)模鍛工藝的優(yōu)越性并獲得優(yōu)良的液態(tài)模鍛件。液態(tài)模鍛專用液壓機。液態(tài)模鍛是介于壓鑄與一般模鍛中間的一種工藝，其所用設(shè)備與壓鑄機和一般模鍛設(shè)備相比具有下列特點：由于工件在液態(tài)下成形，并在足夠的壓力下結(jié)晶，制造同一零件所需的壓力比壓鑄機大，比一般模鍛設(shè)備??；液態(tài)模鍛時，由于金屬模鍛前后的溫

21、差很大，收縮強烈，鍛后工件有時會牢牢地卡在凸模上，所以應設(shè)置工件拆卸裝置，此外要求專用液壓機有較大的回程力以滿足回程時進行卸料的要求；液態(tài)模鍛常使用垂直分模的可分凹模，為了使可分凹模在模鍛時可強有力的合模，并在模鍛后及時地分開，需要一個有足夠力量的水平運動機構(gòu)，一般通過設(shè)置水平方向運動的液壓缸來實現(xiàn)；液態(tài)模鍛專用液壓機的主要工作缸應垂直布置，便于使凸模將力直接傳遞于毛坯上，同時也為結(jié)晶過程創(chuàng)造了良好的條件；除工作缸外，液態(tài)模鍛專用液壓機，還要有可以獨立操作的輔助缸，由其帶動活動橫梁運動，活動橫梁的作用在于有水平分模的模具，可將上模固定于其上，模鍛完畢后，卸下卡在凸模上的工件，凹模需要有獨立作用

22、的兩部分時，可將外面部分固定在活動橫梁上，當工件尺寸較大.又需要采用垂直分模，而水平缸的作用力又不足時，常用固定在活動橫梁上鎖緊裝置來閉合凹模；液態(tài)模鍛專用液壓機上應有頂出工件的裝置。在通用液壓機上的液態(tài)模鍛。液態(tài)模鍛可用一般的通用液壓機來進行。對于形狀簡單的工件，不必改裝設(shè)備；對于形狀復雜的工件，要適當改裝設(shè)備?？稍诜菍Ｓ迷O(shè)備上液態(tài)模鍛的零件主要是有色金屬的拉桿、棒（長徑比不大），各種實心的工件；高度較小、中心孔較大的典型凸緣(法蘭)類工件；各種尺寸的軸瓦，直徑小于60mm的有色金屬空心工件等。在螺旋壓力機上的液態(tài)模鍛。某些工廠也使用螺旋壓力機進行液態(tài)模鍛，但螺旋壓力機的工作特性與鍛錘相同，滑塊在工作時沒有固定的下止點，只有當運動部分的能量全部被工件、模具和機架所吸收后才能停止?；瑝K的行程速度過大，不能直接對液態(tài)金屬加壓，也沒