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    1. 南通港石機械有限公司

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      液態模鍛的特點及工藝參數

      發布時間:2020/6/8
                  液態模鍛的特點及工藝參數
        一、成形方法和特點
        液態模鍛是以熔融的金屬為原料,直接澆注到金屬模的型腔內,然后以一定的壓力作用于液態或半固態金屬上,使之在壓力下結晶并發生較小的塑性變形而最終成形。
        國外在20世紀30年代就開始進行液態模鍛的研究。目前俄羅斯已經擁有萬能液態模鍛液壓機,在其上生產有色金屬、鑄鐵、碳鋼、不銹鋼等各種材料的鍛件;美國的自動液態模鍛機從金屬熔化、澆注、成形、渣料處理全部實現自動化。目前在國內,液態模鍛也已經在生產上越來越多地得到應用,例如生產鋁合金活塞、鎳黃銅高壓閥體、儀表外殼、銅合金渦輪、球墨鑄鐵齒輪和鋼質法蘭等鍛件。
        液態模鍛的工藝流程一般是:原材料配制一熔煉一澆注一合模并加壓一熱處理一冷卻一卸模并頂出鍛件一檢驗入庫。
        按照加壓的方式,液態模鍛的工藝方法可以分為三種。
        (1)平沖頭加壓法如圖88所示,金屬液注入凹模3平沖頭2下行與凹模構成封閉型腔,加壓力使液體凝固成形。
        (2)異形沖頭加壓法 如圖89所示,適用于軸對稱、形狀復雜的空心件,加壓時,金屬液略有反向流動。按沖頭端面形狀又分為凹形沖頭、凸形沖頭和復合形沖頭三種情況。
        (3)間接液態模鍛法 如圖90所示,適用于一模壓制多個鍛件。金屬液澆入下模3后,上模2與下模3合成型腔,凸模1下行把金屬擠入型腔成形。類似于立式壓鑄,但內澆道短而粗,金屬液以低速度壓人型腔,不易產生噴流和渦流現象,型腔內的氣體容易排出。
        
        圖88平沖頭加壓法
        1一芯子;2一沖頭;3一凹模 4一下模板
        
        (a)凹形沖頭 (b)凸形沖頭 (c)復合形沖頭
        圖89異形沖頭加壓法
        1一芯子;2一沖頭;3一凹模;4一下模板
        目前,液態模鍛一般是在液壓機上進行,液壓機的壓力和加壓速度能夠準確控制,夠在任意位置可靠地實現保壓,最適合液態模鍛的工藝需要。
        液態模鍛實質上是鑄造與鍛造的結合工藝,兼有鑄造與鍛造的雙重工藝特色。這就使其在兩個方面具有應用的優勢。
        ①可以用于成形種類繁多的材料,如有色合金、碳鋼、不銹鋼、脆性灰口鐵和球墨鑄鐵等。
        ②當產品形狀復雜,用一般模鍛工藝無法生產,而在性能要求上又高于鑄件時,采用液態模鍛更能發揮優越性。
        與壓力鑄造相比,液態模鍛具有以下特點。
        ①壓力鑄造時氣體不易排出,容易產生皮下氣泡、縮孔和裂紋,并難以避免渦流現象;而液態模鍛時氣體容易從型腔內排出,避免了相關缺陷,沒有澆注沖擊,可以克服渦流現象。
        
        圖90間接液態模鍛法
        l一凸模;2一上模;3一下模
      ②壓力鑄造時金屬液經過澆道進入模腔,可能會使金屬在壓力不足的狀況下結晶,導致鑄件晶粒粗大并存在縮孔;液態模鍛能使金屬在適當的壓力下結晶,鍛件組織致密、均勻。
      ③壓力鑄造模具結構比較復雜,澆道系統耗用較多的金屬液,材料利用率不高。而液態模鍛的模具結構比較簡單,使用壽命長,材料利用率也較高,生產成本低。
      與普通模鍛相比,液態模鍛與具有以下特點。
      ①金屬在壓力下凝固結晶,獲得的組織致密,強度性能與一般模鍛件相近,并且尺寸精確,表面光潔程度高。
      ②容易充填成形,所需要的液壓機噸位只相當于普通模鍛的1/5;一次性成形,不需多模膛模具,節省鍛模鋼材及加工費用。
        二、成形機理
      液態模鍛時,金屬的凝固特征與鑄造有顯著的區別(圖91)。鑄件凝固時,外殼和底部先凝固,頂部最后凝固,為了避免鑄造缺陷,必須加大冒口。但是,液態模鍛的凝固次序卻有所不同:金屬液與模具表面接觸便開始凝固,最后是心部凝固。在凝固過程中,大部分氣體被排出,鑄造缺陷在加壓作用下被消除。圖92表示了A1—7%Si合金的加壓與缺陷分布的關系,可見,當單位壓力加至50MPa時,縮孑L等缺陷便可以完全消除。
        
        (a)不加壓(b)加壓力12.5MPa(c)加壓力50MPa
        圖92 Al一7%Si的顯微疏松度
        如圖93所示為法蘭件液態模鍛的凝固過程。金屬液澆入型腔后,很快形成細晶外殼,在垂直于模壁的方向進行自然順序結晶,如圖93(a)所示。在澆注過程中,由于金屬在凹模芮的翻滾作用,細晶硬殼上一些尚未結牢的晶體重熔或游離于熔渣之中。合模時,在沖重作用下,金屬液翻滾向上,沖刷硬層上的枝晶使其熔斷、剝落或移動,從而使金屬液固相團明顯增多,一直到形成封閉的外殼為止,如圖93(b)所示。施加壓力后,硬生塑性變形,使金屬液在密閉的壓力作用下擠入凝固前沿的枝晶間隙中,產生致密效應;同時半固態金屬液仍然繼續向上滾動,使黏附在硬層上的枝晶改向、剝落或移動,半固態金屬液中的固相團繼續增多,金屬液的流動遇到更大的阻力,在更大的壓力下被壓入枝晶間隙中,產生更進一步的致密效應,如圖93(d)所示。
        許多實驗表明,壓力增大,可以使共晶溫度提高,如圖94所示。在加壓條件下結晶會使金屬的性能發生顯著的變化,如圖95所示。
        采用液態模鍛和鑄造方法成形LDll鋁合金活塞并進行力學性能對比,結果表明液態模鍛件的性能比鑄件有明顯的改善。
         
        圖93液態模鍛的凝固過程
        液態模鍛時,金屬液在型腔內的流動一般有為五種方式:澆注時產生的機械沖刷式流動;密度差和自重產生的自然對流;異形沖頭壓制下的反向流動;塑性變形時在硬殼層內的流動;壓擠進入枝晶間隙,在枝晶間的流動。
      金屬液的流動對凝固過程和鍛件組織性能都有影響。
        
        圖94 不同壓力下的Al—Si合金狀態圖
        液態模鍛的全過程中均存在塑性變形,與結晶凝固構成了液態模鍛的兩個基本過程:壓力的作用使外殼產生塑性變形,而正在凝固的金屬液卻承受等靜壓力并擠入枝晶間隙內凝固,從而提高了鍛件的性能。
        三、工藝參數
        1.比壓
        液態模鍛具有固溶體的鋁合金時,比壓不大就能使金屬壓實,而液態模鍛共晶鋁合金所需的比壓要大得多;液態模鍛結晶溫度范圍寬的銅合金,也需用較大的比壓。比壓過小達不到組織密實的效果;但是比虛過大,對鍛件性能的改善并不明顯。
        加壓速度越慢,金屬在模具內停留時間長,所需的比壓也越大。凝固快,所需的比壓也越大。鍛件外形越復雜、金屬澆注溫越大。
        一般有色金屬金屬鍛件的比壓大于50MPa,圓柱形鋼鍛件的比壓為250MPa左右。
        2.加壓開始時間
        加壓遲早對鍛件質量有很大的影響。根據不同材料,可以在熔融或半熔融的狀態下加壓,加壓開始時間以金屬冷卻到不低于固相線溫度為準。在這段時間范圍內的具體加壓時機,與金屬的澆注溫度、液相一固相線溫度、模具預熱溫度等有關。一般來說,金屬呈熔融狀態時開始加壓效果較好。
        3.加壓速度
        加壓速度要快,以便模具能及時將壓力作用于金屬上,促使結晶、塑性變形和最終成形。但是加壓過快,在凸模下方的金屬可能會產生渦流,甚至凸、凹模之間的金屬流失過多。加壓速度,一般對小鍛件取0.2~O.4m/s,大鍛件取0.1m/s。
        4.保壓時間
        液態模鍛時,金屬結晶與流動成形都需一定時間,因此在整個成形過程中都必須保壓。但是過分延長保壓時間沒有必要,而且還會降低生產率和縮短模具壽命。保壓時間主要取決于鍛件厚度,鋼件可按每lOmrh厚度取5s保壓時間計算。鋁件直徑小于50mm時,每lmm厚度取0.5s保壓;厚度大于lOOmm時,每lmm厚度取1~1.5s。
        5.澆注溫度 澆注溫度可參考鑄造澆注溫度確定,但應偏低一些,以便金屬內部的氣體排出。但是如果澆注溫度太低,由于凝固快而使比壓增大。澆注溫度太高,所需比壓也要增大,因為縮孔在最厚處生成,比壓小則不易消除。如圖96所示是lOOmm直徑的鋁青銅澆注溫度與比壓的關系。
        6.模具溫度
        模具溫度過高容易產生粘模現象,脫模困難;溫度過低,則容易出現冷隔和表面裂紋等缺陷。對此,模具預熱溫度一般應在200~400℃之間。形狀簡單的鋁合金鍛件,模具溫度應為200~300℃;碳鋼鍛件其模具溫度為150~200℃。在壓制過程中,當模具溫度高于700℃時,應使用冷卻裝置,以保持合適的工作條件。
        四、液態模鍛用的模具
        1.模具結構
        液態模鍛的模具結構有三種基本形式。
        (1)簡單模如圖97所示,主要用于凸模加壓凝固成形。
        (2)可分凹模如圖98所示,凹模型腔由固定凹模與活動凹模組成,當鍛件凝固后,凸模退出,活動凹模分開并取出鍛件。
        (3)組合模如圖99所示,主要用于間接液態模鍛成形。凹模由多塊組成,因而可得到形狀復雜的鍛件。凹模與墊塊組合成型腔,澆人金屬液,上模向下加壓成形,然后墊塊下行:上模退出并脫離鍛件,凸模上行,將鍛件帶出凹模,繼而被上模卸下,墊塊同時回復,完成一次模鍛過程。
        2.模具設計
        鍛件圖是設計模具的依據。制訂鍛件圖時,應考慮下列問題。
        
        圖98可分凹模工作過程 圖99組合模工作過程
        (1)分模面選擇除了考慮一般模鍛件圖的設計原則,還要考慮加壓部位。分模面可能有一個或多個,具體取決于鍛件的復雜程度。
        (2)加工余量加工表面的余量為3~6mm。為了便于壓實,某些太薄的部位可加放工藝余量。容易存積浮渣的部位也應加大余量。
        (3)凡影響脫模的部位均應考慮模鍛斜度 由于液態模鍛采用頂出器和卸料板等脫模裝置,模鍛斜度取10~30。鍛件圓角半徑可取3~10mm。
        (4)冷卻收縮率對于形狀簡單的鍛件,收縮率可由材料性質、成形溫度和模具材料確定;對于形狀復雜的鍛件還要考慮收縮不均勻問題。
        模具材料要能承受一定的溫度和交變應力。對于鋁合金鍛件,模具材料可選用3Cr2W8、4W2CrSiV、3W4Cr2V鋼或碳素工具鋼,對于鋼和銅合金鍛件,可選用耐熱鋼、鉬基合金或鍛模鋼等。
        如圖100所示是2A80(LD8)柴油機鋁合金活塞零件圖,如圖101所示是液態模鍛模具圖。若用凸式沖頭壓匍,中心處離沖頭施壓較遠,容易產生裂紋,為此采用浮動凹模。
        在凹模底部安置了八個彈簧,能將凹模浮起7mm。當沖頭下行封閉型腔時,多余金屬過溢流口排出。當沖頭繼續下行使上下模合成一體,并壓縮彈簧,使下模體和下模鑲塊產生相對滑動,從而得到反向施壓的有效作用。
        因此鉬合金模具必須在真空或惰性氣氛中使用。也可以采用金屬陶瓷作為模具材料,它是以高純度的人造氧化鋁(添加少量氧化鉻和氧化鈦)為基體,加入lO%~15%的石蠟作為增塑劑,壓力澆注成形,經焙燒、化學處理和多次浸漬而獲得,具有良好的性能:抗拉強度294~392MPa,抗彎強度98~441MPa,沖擊韌性1176~2157J/m2;再加上陶瓷原有的工作溫度高(1600℃)、抗蝕性好、成本低等優點,有很好的應用前景。
        與普通模鍛相比,等溫模鍛的鍛模設計還有以下特點。
        ①模具采用精密鑄造的方法制造時,要考慮模具材料的收縮率;鍛模加熱會引起膨脹,設計模腔尺寸時,要考慮鍛模與毛坯膨脹系數的差異。
        ②等溫模鍛時,飛邊溫度保持不變,比普通模鍛中飛邊的阻力作用小。因此,飛邊槽橋部高度應盡可能減小,以保證金屬在模腔內充填良好。
        ③在真空或惰性氣氛中等溫鍛造時,鍛件表面光潔,因此可以適當減小或不留鍛件加工余量。
        ④等溫狀態下合金的流動性好,筋的高度、模鍛斜度、圓角半徑、腹板厚度等模具結構參數可大為減小。
        ⑤由于鍛模溫度很高,在鍛模和液壓機上、下臺面之間應采取隔熱措施。
        模具的加熱方法很多,主要有火焰式、電阻式和感應式三種。
        火焰式加熱用煤氣或油作燃料。加熱方式簡單、投資少,但是溫度難于控制,在壓力機臺面上布置燃燒裝置比較困難,工作環境較差。
        電阻式加熱一般采用硅碳棒或電阻絲作為加熱元件。硅碳棒的電阻率較大,加熱速度快,但容易使得模具表面溫度偏高;此外,若變形速度快或操作不慎,硅碳棒容易損壞。電阻絲加熱投資少,制造簡單,但是它傳遞熱量效率較低,在連續使用中電阻絲容易燒損斷裂,或與模壁接觸而短路。
        感應加熱有明顯的優點。由于集膚效應,模具直徑不大時可采用中頻感應加熱;當直徑大于150mm時,應采用工頻感應加熱。感應加熱裝置的計算步驟大致是:先計算模具重量,然后進行熱工(an熱模具所需的熱量及功率等)、電工(感應圈的直徑、匝數、電流、電壓及功率因數等)計算并確定供電方案,而后計算平衡電容、補償電容、導磁體尺寸及冷卻水等。
        三、潤滑
        潤滑劑對等溫模鍛工藝的成敗起著關鍵性的作用,因此要求比普通模鍛要高。等溫模鍛采用的潤滑劑應該:能使模具與毛坯間生成連續、均勻、致密的薄膜,起到分離作用;能減小摩擦系數和變形抗力;不使鍛件和模具表面受到腐蝕;使鍛件容易從模具內取出,潤滑劑容易于從模具和鍛件表面清除;加熱時能保護毛坯表面避免氧化。
        等溫模鍛常用的潤滑劑一般有氮化硼、玻璃等。氮化硼是較好的潤滑和脫模劑。氮化硼屬于六方層狀結構,具有膨脹系數小、耐熱性和抗氧化性好等優點;氮化硼與堿性氧化物和水混合加熱時,很容易發生化學反應,產生一種泡沫狀的灰白色疏松物,有助于脫模。Ti一6A1—4V的等溫模鍛采用玻璃潤滑劑獲得良好的效果。但是玻璃類潤滑劑對陶瓷模有腐蝕作用,因此使用陶瓷模具時,應改用其他潤滑劑。
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