液态模锻成型设计讲解.docx

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液态模锻成型设计讲解

液态模锻

主要内容：

液态模锻也称为挤压铸造、锻打铸造以及熔汤锻造等，是一种锻铸结合的工艺方法。

该方法采用铸造工艺将金属熔化、精炼，并用定量浇勺将金属液浇入模具型腔，随后利用锻造工艺的加压方式，使金属液在模具型腔中流动充型，并在较大的静压力下结晶凝固，且伴有小量塑性变形，从而获得力学性能接近纯锻造锻件而优于纯铸造件的毛坯或零件。

目前，采用这种工艺生产的单件质量可达300kg以上，其材料包括有色金属及其合金、铸铁、碳钢和不锈钢等。

采用此工艺可制造大型铝合金活塞、镍黄铜高压阀体、气动单元组件的仪表外壳，铜合金蜗轮等产品。

关键词：

液态模锻，特种塑性成形，模锻工艺流程。

液态模锻工艺划分为金属液和模具准备、浇注、合模施压以及开模取件四个步骤，具体如图9-5所示。

图1液态模锻工艺流程

.1工艺分类

液态模锻的工艺过程是把一定量的金属液浇入下模型腔中，当溶液还处于熔融或半熔融状态时施加压力，迫使金属充满型腔形成工件。

在整个凝固过程中，对工件保持压力，以便消除金属凝固时在工件内部产生的缺陷，并使其产生塑性变形，工件凝固及塑性变形，借助顶杆或其它方法将其推出，为下一次操作做好准备。

液态模锻工艺按加压方式可以分为如下三种形式：

凸模加压凝固法。

如图9-6所示，熔化的金属浇入凹模1中，凸模2下行与凹模形成封闭型腔，待熔融的金属逐渐凝固时加压使其成形，这种方法适用于铸锭或形状简单的厚壁件，在凸模压力作用下液态金属不产生向上移动。

直接液态模锻法。

如图9-7所示，熔融的金属浇入凹模1，凸模2下行与凹模形成封闭型腔，同时将液态金属压成一定形状。

型腔中

的液态金属在一定压力的作用下向上流动，中间冷却凝固。

如果没有使多余金属溶液溢出的措施，则凸模的最终位置便由注入溶液的量来决定，并在工件底部和顶部厚度的变化上反映出来。

杯状和空心的法兰状工件常采用直接液态模锻法加工。

间接液态模锻法。

如图9-8所示，熔融的金属浇入下模2中，上模1先与下模2组成部分型腔，待凸模3下行时将液态金属挤出形成一定的形状。

间接液态模锻常采用组合模具，其特点是除凸模作用于工件外，上模也参与加压作用。

金属流动和直接液态模锻法相似。

由于金属溶液是以较低的速度连续流动的，所以不会产生喷流或涡流等现象，型腔内的空气也比较容易排出，加压效果显著。

.2液态模锻的特点

液态模锻工艺的具有如下主要特点：

在成形过程中，液态金属自始至终承受等静压，并在压力下完成结晶凝固；

已凝固的金属在压力作用下，产生塑性变形，使制件外侧壁紧贴模膛壁，液态金属获得等静压；

由于已凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此液态金属承受的等静压不是定值。

它是随着凝固层的增厚而下降的；

固-液区在压力作用下，发生强制性补缩。

因此，液态模锻与压力铸造比较，由于液态金属直接注入模膛，避免了在压力铸造情况下，液态金属在短时间内，沿着浇道充填型腔时卷入气体的危险；况且液态模锻压力是直接施加在金属液面上，避免了压力铸造时的压力损失。

由液态模锻获得的锻件比压力铸造组织来的细密。

与热模锻相比较，液态模锻是在单一模膛内，利用金属流动性填充模膛，避免了热模锻时采用多个模膛和金属充满模膛时那种镦挤性的强制流动方式，使液态模锻成形能大大低于热模锻的成形能。

.3模具结构

由于液态模锻能够加工更为复杂的模锻件，所以其使用设备、模具的结构也较为复杂，液态模锻所用的模具与液态模锻的成形方式有关，模具结构大致可以分为如下三种。

简单模。

简单模的结构与工作过程如图9-9所示。

其主要用于凸模加压凝固成形（方式）中。

可分凹模。

可分凹模的结构与工作过程如图9-10所示。

其主要用于直接液态模锻成形方式中。

凹模型腔由固定凹模与活动凹模共同组成，当工件完全凝固后，凸模上行返回原始位置，活动凹模移开便可取出工件。

工件取出后活动凹模返回，与固定凹模又形成一完整的可以盛放金属液的型腔，这样就完成了一次模锻过程。

图5简单模的结构与工作过程

图6可分凹模的结构与工作过程

组合模。

组合模的结构与工作过程如图9-11所示。

其主要用于间接液态模锻成形方式中。

间接液态模锻的凹模由2-3块组成，可以制造形状更为复杂的工件。

图9-11所示的凹模由三块组成。

当凹模与垫块组成一个可以盛放金属液的型腔后浇入金属液，上模下行使金属液部分成形，凸模再下行封闭型腔，并对金属液施加压力，使其成形并在压力下凝固。

工件完全凝固后垫块下行，上模回程与工件脱离，最后凸模上行。

工件卡在凸模上被带出凹模，并被限位停止的上模卸下，待垫块回复到原始位置时，完成一次模锻过程。

图7组合凹模的结构与工作过程

.4应用范围

液态模锻工艺可在下列范围内推广应用。

金属材料。

生产各种类型的金属合金，如铂合金、锌合金、铜合金、镁合金、灰口铁、球墨铸铁、碳钢、不锈钢等工件。

液态金属在模具型腔内成形，受模壁的压力作用，其变形是在多向压应力而没有拉应力的状态下进行的，因而消除了脆性开裂的现象。

因此可以用于—些脆性材料（如锡青铜和灰口铁等）工件的制作。

复合材料。

纤维强化金属（FRM）具有重量轻、强度高、耐磨、耐高温等特点。

现在已经进行了碳、碳化硅、氧化铝等包括晶须在内的许多高强度的长短纤维的研究开发工作，作为金属强化材料很有发展前途。

但是，在FRM的制造上还存在一些问题，其中主要问题是纤维与液态金属难以浸润。

液态模锻所使用的较高压力可以将液态金属强行挤入到纤维间的微细孔隙中，而且纤维与金属粘接牢固，从而给复合材料成形开辟了一条新途径。

目前，活塞、连杆的FRM液态模锻已经得到实际应用。

形状、尺寸。

液态模锻技术不仅适用于轴对称的实心零件、杯形件、通孔件以及长轴类等厚壁零件，也适用于非轴对称、壁厚不均匀、形状复杂的零件。

一般来讲，对于一些形状复杂、性能又有一定要求的制件，采用液态模锻较合适。

若采用热模锻，成形困难，成本高；若改用铸造加工，使用性能难以保证。

由于施压可以使制件的轮廓清晰、精确，因此液态模锻技术也适用于模具制造及嵌镶装配件制造。

但是液态模锻产品不能太薄，否则在结晶和成形方面均会带来一些问题。

当有色金属工件壁厚小于5mm时，采用液态模锻成形会产生组织不均等现象。

反之，如果用压铸方法来生产薄壁件则较为有利。

.5液态模锻模具设计

（1）设计要求

设计液态模锻模具的基本要求是：

所生产的制件应保证产品图样所规定的尺寸和各项技术要求，减少机加工部位和加工余量；能适应液态模锻工艺要求；在保证制件质量和安全生产的前提下，应采用合理、先进、简单的结构，动作正确可靠，易损件拆换方便，便于维修；模具上各种零件应满足机械加工工艺和热处理工艺要求，选材适当，配合精度合理，达到各种技术要求；在条件许可时，模具应尽可能实现通用化，以缩短设计和制造周期，降低成本。

（2）设计原则

液态模锻模具的设计依据是锻件图。

液态模锻锻件类型有许多种，但由于工艺的特殊性，无论哪种类型的锻件，均无需制坯，因此模具结构特点是一模一锻。

为了使制件成形后顺利出模，在锻件图设计时应结合模具结构的要求，掌握以下设计原则：

分模面。

其选择除按一般模锻件设计原则使模膛具有最小深度以便工件脱模外，还要考虑加压部位等因素。

尽可能有较少的分模面产生，这主要是取决于锻件的复杂程度和成型后锻件出模的难易程度。

加工余量。

非加工表面不放余量，加工表面可加放3-6mm余量，易形成表面缺陷处可增大余量。

模锻斜度。

与顶出装置平行的侧面可考虑较小的出模斜度，一般取1°-3°。

圆角半径。

锻件的尖角与模具对应凹角处。

考虑充型排气和模具制造及热处理等要求，一般设计成圆角，根据尺寸可选圆角半径为3-10mm。

收缩量。

简单形状锻件，收缩量由材料性质、成形温度和模具材料确定；对于复杂形状锻件应考虑收缩不均匀问题。

锻件最小孔径。

孔径与锻件尺寸有关，有色金属最小孔径一般为Ф25-35mm，黑色金属则为Ф35-50mm。

排气孔和排气槽。

液态模锻时由于温度较高，常使用一些润滑剂（涂料）防止工件与模具粘合。

模锻时润滑剂中的某些成分会挥发成气体，液态金属凝固时，也有一部分气体析出。

这些气体在模锻时往往集中在转角处或其它模面上无法排出，致使工件棱角下塌，平面凹陷，出现缺陷。

为了将模锻时产生的气体有效地排出，在金属液最后充填的盲腔底部应开排气孔，排气孔应小于直径2mm，有时考虑气体能顺利排出，可在分模面或镶块配合面局部开设排气沟槽，槽深0.1-0.15mm，宽度应根据锻件具体尺寸确定。

凸、凹模间隙。

凸、凹模间隙要适当，过小则因凸、凹模的装配误差而相碰或咬住；过大则金属液容易通过间隙喷出，造成事故，或者在间隙中产生毛刺，减小加压效果，阻碍卸料。

合理的间隙与加压开始时间、加压速度、压力大小、工件尺寸及金属材料有关。

如加压开始晚一些可采用大一些的间隙，可依工件材料来选定间隙，一般情况下铝及铝合金取0.05-0.1mm，铜及铜合金取0.1-0.3mm。

可按表9-1选用。

模具结构。

设计模具时首先应对工件作全面分析，如工件的大小、形状复杂程度、分模面设置、加工面位置、工件使用要求、车间设备条件等。

对形状简单的工件，可采用简单模；对形状复杂的工件可采用可分凹模或组合模。

为了确保最佳的加压效果，设计时还需要注意使制件重要的受力部位或易产生疏松的部位靠近冲头端，将加压前自由凝固区和冲头挤压冷隔放在制件不重要的部位或加工余量中去；壁厚比较均匀的制件，可以按“同时凝固”原则进行设计，壁厚相差较大的制件，按“顺序结晶”原则进行设计。

间接液态压制或有内浇道的液态模锻，必须有足够厚度的内浇道，以保证对制件的压力补缩。

有条件时，应尽可能使制件达到“顺序结晶”的目的。

粗糙度。

模具的粗糙度直接影响工件的粗糙度，应使模具型腔的粗糙度比工件的粗糙度数值小一级，以保证获得满意的工件表面质量。

表1凸模与凹模的间隙

锻件材料

间隙/mm

铝

0.05-0.1或0.2

铜

0.1-0.5或0.15-0.3

镍黄铜

0.3-0.4

钢

0.075-0.12或0.07-0.13

（3）模具材料

对模具材料的要求。

液态模锻是在—定的压力和温度下进行的，虽然不象压铸模那样受到金属液流的冲击，但却会因反复受到液体金属的加热和冷却系统的冷却作用引起模具局部热疲劳变形和损坏。

一些形状复杂的模具或模具镶块等，常常在生产了200-300件以后因热疲劳而报废。

液态模锻的工作温度根据工件材料的种类而不同，铝合金为600℃-700℃；镁合金为580℃-650℃；铜合金为1050℃-1170℃、钢为1320℃-1390℃或更高。

液态模锻时的工作压力比压铸高，但与一般模锻相比却很低。

因此，仅要求液态模锻模具的材料在相应工作温度下有一定的抗压强度。

常用模具材料。

液态模锻所用模具应选含有铬元素的合金钢材，通过按一定比例加入适当的钨、钼、钒等元素，改变钢材的耐热性能。

对于浇注温度较低的铝合金来说，常用的模具材料可与压铸模相同。

例如3Cr2W8、4W2CrSiV、3W4Cr2V等，或者使用普通碳素工具钢和碳素钢，也可得到满意的效果。

模具的使用寿命与工件的形状、大小密切相关，如果模具型腔横截面较大且没有被金属液包围的单薄凸出部分，就不会因塑性变形与热疲劳裂损而损坏。

对于模锻温度较高的铜合金和钢铁来说，常用的模具材料要求承受较高工作温度和较大的热交换。

因此，在工件批量不大、工件形状较简单的情况下可采用耐热钢；对于批量较大、工件形状复杂的最好采用钼基合金制造；也可以用一般热模锻常用模具材料，来制造铜合金液态模锻锻模。

锻造的模具毛坯需要经机械加工才能得到型腔。

而使用耐热球墨铸铁制造模具，原材料成本低，并能直接浇出型腔，经砂轮修磨后便可使用，而且模具型腔表面光洁，容易脱模。

耐热球墨铸铁制造的模具在浇铸后要做正火处理，加热至（850

10）℃保温6-7h后空冷，以消除大块的碳化物，增加强度。

但球墨铸铁模具表面易产生毛疵，相对使用寿命较短，需加改进。

（4）模具寿命

模具材料、工件材料及工艺性、模具的冷却和润滑条件等都对模具寿命有很大影响。

如果上述条件都比较好，那么铜及铜合金液态模锻锻模的寿命可达4000-8000件，钢件液态模锻锻模的寿命可达3000-6000件。

但一般黑色金属液态模锻锻模的寿命还很低，需要探索有效的措施来提高。

模具寿命除与材质有关外，还和模具结构、冷却和润滑、使用维护等有关。

（5）模具的润滑

润滑剂的作用是保护模具、提高产品表面质量和便于自模具内取出工件。

因此要求润滑剂能耐高温高压，并且有良好的黏附作用，粒度愈细愈好。

润滑剂必须喷涂均匀，不可涂得太多，过多的润滑剂会使金属表面形成气孔。

液态模锻所用润滑剂一般由石墨、各种氧化物、硅、水玻璃、各类油脂调配混合而成。

.6液态模锻设备

（1）对液态模锻设备的要求

液态模锻时要求设备有足够大的压力，并持续作用一定时间（即保压时间），这—特点决定了液态模锻设备属于液压机类型，而不是锤、曲柄压力机、螺旋压力机等类型；液态模锻要求尽量缩短液态金属浇注后的开始加压时间，故要求加压设备有足够的空程速度和一定的加压速度；需要有模具的开闭装置，一般来说，有上、下两个压缩缸就可以达到这一要求，上缸用来施加压力并拉出上模，下缸可用来顶出成形件；如果要在垂直分模面的模具中压制成形件，而模具本身又没有锁紧结构或没有足够的位移可以退出制件时，则压力机就需要有两个互相垂直的压缩缸，以使水平方向上能拉出半模，退出制件；金属收缩时，会把上模的模芯紧紧地“咬住”，为了能使上模从制件中拔出，垂直缸应有足够的提升力量，水平缸也应有足够的压力，以便在上模施压于金属时，能使模具保持闭紧状态，不使金属液挤出；液压机结构和辅助装置，必须适应批量生产的要求。

（2）液态模锻设备

液态模锻工艺要求专用的液态模锻设备应具备一定特点，所以液态模锻用设备与一般模锻设备大不相同。

一般模锻用设备如锻锤、螺旋压力机等，其锤头或滑块的运动速度较大，且不能保压，因此不能使液态模锻件很好的成形，更不能保证金属在一定的保压压力下结晶，直至结晶结束。

另外在一般的模锻设备上也无法完成锻出形状复杂的液态模锻件所需的各种复杂动作。

因此，配备专门的液态模锻设备才能充分发挥液态模锻工艺的优越性并获得优良的液态模锻件。

液态模锻专用液压机。

液态模锻是介于压铸与一般模锻中间的一种工艺，其所用设备与压铸机和一般模锻设备相比具有下列特点：

由于工件在液态下成形，并在足够的压力下结晶，制造同一零件所需的压力比压铸机大，比一般模锻设备小；液态模锻时，由于金属模锻前后的温差很大，收缩强烈，锻后工件有时会牢牢地卡在凸模上，所以应设置工件拆卸装置，此外要求专用液压机有较大的回程力以满足回程时进行卸料的要求；液态模锻常使用垂直分模的可分凹模，为了使可分凹模在模锻时可强有力的合模，并在模锻后及时地分开，需要一个有足够力量的水平运动机构，一般通过设置水平方向运动的液压缸来实现；液态模锻专用液压机的主要工作缸应垂直布置，便于使凸模将力直接传递于毛坯上，同时也为结晶过程创造了良好的条件；除工作缸外，液态模锻专用液压机，还要有可以独立操作的辅助缸，由其带动活动横梁运动，活动横梁的作用在于有水平分模的模具，可将上模固定于其上，模锻完毕后，卸下卡在凸模上的工件，凹模需要有独立作用的两部分时，可将外面部分固定在活动横梁上，当工件尺寸较大.又需要采用垂直分模，而水平缸的作用力又不足时，常用固定在活动横梁上锁紧装置来闭合凹模；液态模锻专用液压机上应有顶出工件的装置。

在通用液压机上的液态模锻。

液态模锻可用一般的通用液压机来进行。

对于形状简单的工件，不必改装设备；对于形状复杂的工件，要适当改装设备。

可在非专用设备上液态模锻的零件主要是有色金属的拉杆、棒（长径比不大），各种实心的工件；高度较小、中心孔较大的典型凸缘（法兰）类工件；各种尺寸的轴瓦，直径小于60mm的有色金属空心工件等。

在螺旋压力机上的液态模锻。

某些工厂也使用螺旋压力机进行液态模锻，但螺旋压力机的工作特性与锻锤相同，滑块在工作时没有固定的下止点，只有当运动部分的能量全部被工件、模具和机架所吸收后才能停止。

滑块的行程速度过大，不能直接对液态金属加压，也没有保压功能，所以不能使液态金属冷却是在一定压力下凝固，这与在液压机上进行的液态模锻有较大的区别。

螺旋压力机上进行液态模锻时，液态金属浇入凹模后，不能立即对尚处在液态的金属施加压力，只有当液态金属充满凹模初步成型并冷却到半凝固状态时才能对其施加压力，否则金属会飞溅出来，造成事故。

所谓半凝固状是指液态金属向固态过渡的一种状态，就其组织结构来说，金属开始形成粗大的晶粒，但各晶粒间仍相对独立，其间仍是液态。

其外部与模壁接触部分的颜色变暗，显出收缩痕迹，开始形成固-液相金属的构架，形成一层硬壳，这层金属硬壳厚度较小、强度较低，受到外加压力后容易流动产生变形。

半凝固状存在的时间与合金的种类有关，在这个时期对金属施加压力，外壳接近塑性变形，而内部则是少量的液相流动，并很快遍及整个工件，保证工件有较为均匀的结构，中心部分可能形成的集中的缩孔也被分散到各处，可以有效地改善材料的组织性能。

液态金属冷却到半凝固状进行的液态模锻要注意下列两点：

考虑到高温的液态金属在模具中停留一段时间（5-40s或更多），必须采用水冷装置；为了保证凸、凹模的配合精度，模架要装导柱、导套。

螺旋压力机上液态模锻用于制造带支杆的、H字形的、马蹄形的和阶梯形实心的工件时，可取消中间工序，同时也可制造厚度尺寸精度要求不高的板状工件。

参考文献

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机械工业出版社，1991

2王德拥主编.锻造工艺学.北京：

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武汉：

华中理工大学出版社，1990