1、液固一体化成形技术液固一体化成形技术第第1 1章章 绪绪 论论1.1 金属材料加工分类 材料成形技术的应用背景材料成形技术的应用背景板料成形板料成形Sheet-Metal Forming Processes1 1 应用背景应用背景铸造铸造Casting焊接Welding锻造锻造Forging非金属材料成形不同类型加工方式的组合一、金属的成形（成型）方法一、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金属的成形（成型）方法的成形（成型）方法 压力铸造设备及成形示意
2、图金属金属的成形（成型）方法的成形（成型）方法 离心铸造设备及成形示意图金属金属的成形（成型）方法的成形（成型）方法 差压铸造设备及成形示意图铸造成形方法铸造成形能够成型较复杂形状的零件适用于流动性好的金属材料零件内部易产生缩孔、疏松等缺陷，一般不能热处理，强度、塑性低强度、塑性低成本低机械加工有切削，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。塑性成形方法塑性成形方法优点零件组织致密，强度、塑性高高质量的零件表面和尺寸精度缺点不能成形较复杂外形状的零件受施压和取件的约束，只能成形与施压方向一致，简单形状的
3、内孔，不能成形零件的侧内孔相对铸造成型，成本较高金属体积成形方法分类什么是液固一体化成形？ F:iKobulGJeZvffTOuF5lOO5.mp4什么是液固一体化成形？什么是液固一体化成形？ 液固成形的科学含义是利用金属材料从液固成形的科学含义是利用金属材料从液态到固态，或从液态向固态的转换过程中液态到固态，或从液态向固态的转换过程中具有的液具有的液固特性所实现的加工。固特性所实现的加工。 该技术融合了金属液态成形（如铸造）该技术融合了金属液态成形（如铸造）与固态压力成形（如锻造）的优点，在产品与固态压力成形（如锻造）的优点，在产品质量、生产成本及低能耗等方面都显示出很质量、生产成本及低能耗
4、等方面都显示出很大优势。由于涉及材料热物理性质、压力下大优势。由于涉及材料热物理性质、压力下液固相变和塑形变形等诸多方面，其理论和液固相变和塑形变形等诸多方面，其理论和技术不同于传统的铸造、锻造和挤压等方法。技术不同于传统的铸造、锻造和挤压等方法。 金属材料成形发展路线金属材料成形发展路线液相线以上：铸造液相线以上：铸造液相线以下：锻造（塑性成形）液相线以下：锻造（塑性成形） 金属材料成形发展的趋势：金属材料成形发展的趋势：精密、高效、低耗精密、高效、低耗金属材料加工链金属加工链的物理意义：1、铸锻融合，必须是液固成形环节相连接，只有在液固成形区内，才有可能认定凝固与塑性变形共存，即在流动填充
5、中凝固，在凝固中塑性变形，从而建立固液成形理论，由此发展了铸锻共生理论。2、铸锻合并应该说不是1+1=2的简单混合，而应该是1+12的融合，使材料成形体现液、液固和固三种状态加工的科学组合，成为一个完整的加工体系。3、从成形上看，绝大部分合金材料在不同温度下，可能处于三种状态，因此，材料成形方法中，最基础的是铸、锻，而液固成形也应是基础的一种补充，成为材料加工不可缺的一环，三环相扣，即构成一个完整的加工链。铸造环液固环锻造环液固一体化成形工艺特点液固一体化成形工艺特点 液固成形被公认为是颇具发展前景的节能降耗液固成形被公认为是颇具发展前景的节能降耗新技术，其主要特点如下：新技术，其主要特点如下
6、： (1)(1)金属在压力下结晶凝固，可以消除其内部缺陷，金属在压力下结晶凝固，可以消除其内部缺陷，改善材料性能。改善材料性能。 (2)(2)金属在半固态产生塑性变形，可以细化晶粒，诱金属在半固态产生塑性变形，可以细化晶粒，诱导纤维定向分布，从而提高制件性能。导纤维定向分布，从而提高制件性能。 (3)(3)金属在液固态时成形，变形力远小于热加工，能金属在液固态时成形，变形力远小于热加工，能耗小，有利于节能减排。耗小，有利于节能减排。 (4)(4)可由液态金属一次成形管、棒、板、型材类制件，可由液态金属一次成形管、棒、板、型材类制件，无需二次变形，成本低，适应性广。无需二次变形，成本低，适应性广
7、。 1 12 2液固成形的工艺构成液固成形的工艺构成 高压凝固成形高压凝固成形液态模锻、液态挤压、液态轧制液态模锻、液态挤压、液态轧制 半固态成形半固态成形流变成形、触变成形流变成形、触变成形 精确成形精确成形在一个成形过程中先铸，使其精确填充，在一个成形过程中先铸，使其精确填充，后锻，使其精确控形后锻，使其精确控形1.3 1.3 液固成形技术研究现状及发展趋势液固成形技术研究现状及发展趋势液固成形技术研究现状液固成形技术研究现状 19371937年，苏联学者在改进压铸工艺的基础上提年，苏联学者在改进压铸工艺的基础上提出了液态模锻。出了液态模锻。 2020世纪世纪6060年代，苏联有年代，苏联
8、有150150多家工厂采用液态多家工厂采用液态模锻工艺进行生产，到模锻工艺进行生产，到7070年代增至年代增至15001500多家。多家。 美国对液态模锻工艺的研究虽然起步较晚，美国对液态模锻工艺的研究虽然起步较晚，但到但到2020世纪世纪9090年代初期，已拥有包括合模系统、年代初期，已拥有包括合模系统、施压系统、自动真空浇注系统在内的全自动液施压系统、自动真空浇注系统在内的全自动液态模锻液压机。态模锻液压机。 我国对液态模锻工艺的研究起步较早，始于我国对液态模锻工艺的研究起步较早，始于2020世纪六七世纪六七十年代；十年代； 液态模锻：工艺首先在部分军工产品中得到应用，如气液态模锻：工艺首
9、先在部分军工产品中得到应用，如气密性仪表铝件、铝活塞、阀体、铜轴瓦等产品；密性仪表铝件、铝活塞、阀体、铜轴瓦等产品； 20 20世纪世纪9090年代以来，液态模锻工艺有了长足的进步。新年代以来，液态模锻工艺有了长足的进步。新型液态模锻工艺具备自动保护浇注系统，可用于生产镁合型液态模锻工艺具备自动保护浇注系统，可用于生产镁合金轮毂等制件，不仅工艺收得率和成品率理想，而且生产金轮毂等制件，不仅工艺收得率和成品率理想，而且生产效率高。此外，还出现了多种复合工艺，如将液态模锻与效率高。此外，还出现了多种复合工艺，如将液态模锻与真空压铸复合，可制备无缺陷的高质量制件。真空压铸复合，可制备无缺陷的高质量制
10、件。 与液态模锻工艺相关的其他液固高压成形与液态模锻工艺相关的其他液固高压成形工艺也层出不穷，且相互渗透、优势互补：工艺也层出不穷，且相互渗透、优势互补： 1986 1986年提出了液态挤压新工艺；年提出了液态挤压新工艺； 将液态模锻与液态金属浸渗工艺相复合将液态模锻与液态金属浸渗工艺相复合用于制备金属基复合材料；用于制备金属基复合材料；液固成形技术发展趋势液固成形技术发展趋势 1.1.大吨位、先进液固高压成形设备的开发大吨位、先进液固高压成形设备的开发 2 2新型液固高压成形工艺的开发新型液固高压成形工艺的开发 3 3提高制件性能和近净成形制件提高制件性能和近净成形制件( (构件构件) )的
11、精的精度度 4. 4.开发多场耦合的有限元模型及相关算法开发多场耦合的有限元模型及相关算法 5 5黑色金属液固高压成形黑色金属液固高压成形 6 6进一步完善液固高压成形理论进一步完善液固高压成形理论 参考书参考书金属材料固金属材料固液成形理论与技术液成形理论与技术 著著 者：罗守靖者：罗守靖 出版日期：出版日期：2007-03-012007-03-01 出出 版版 社：化学工业出版社社：化学工业出版社液固高压成形技术与应用液固高压成形技术与应用著著 者：李贺军者：李贺军出出 版版 社：国防工业出版社社：国防工业出版社第第2 2章章 液态模锻液态模锻2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 液态模
12、锻工艺及设备液态模锻工艺及设备2.3 2.3 液态模锻分类液态模锻分类2.4 2.4 特点和应用范围特点和应用范围2.5 2.5 液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数2.6 2.6 液态模锻下金属的力学行为液态模锻下金属的力学行为2.7 2.7 液态模锻用模具液态模锻用模具2.8 2.8 液态模锻对产品组织性能的影响液态模锻对产品组织性能的影响2.9 2.9 液态模锻应用实例液态模锻应用实例2.10 2.10 液态模锻发展现状液态模锻发展现状液态模锻工艺过程液态模锻工艺过程是将液态金属直接浇到模具型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，凝固腔，然后在较高压力下使其迅速充满型
13、腔，凝固并产生少量的塑性变形，从而获得轮廓清晰，表并产生少量的塑性变形，从而获得轮廓清晰，表面光洁，尺寸精确、晶粒细小、组织致密、机械面光洁，尺寸精确、晶粒细小、组织致密、机械性能优良的制件。性能优良的制件。 金属熔炼模具准备浇注液锻脱模产品模具复位，喷涂料2.1 2.1 概述概述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
14、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。2.2 2.2 液态模锻工艺及设备液态模锻工艺及设备 1、把适量的金属液浇入预热、把适量的金属液浇入预热的凹模型腔中，其中凹模固的凹模型腔中，其中凹模固定在压力机平台上，一些金定在压力机平台上，一些金属液在加压前已开始冷却。属液在加压前已开始冷却。一、液态工艺过程一、液态工艺过程2、上模接着下行进入凹模与金属液接触，上模继续下、上模接着下行进入凹模与金属液接触，上模继续下行，直到压力达到所需要的值。为了避免金属液在行，直到压力达到所需要的值。为了避免金属液在模具中提前凝固，应使从浇注金属液到加压的
15、时间模具中提前凝固，应使从浇注金属液到加压的时间间隔为最小。间隔为最小。3、金属液在上模保压的条件下结晶凝固，从而使金属、金属液在上模保压的条件下结晶凝固，从而使金属内部非常致密。内部非常致密。4、上模回复到原来的位置，卸料、上模回复到原来的位置，卸料（1)1)静压液锻过程静压液锻过程 分四个阶段：分四个阶段： 第一阶段结壳第一阶段结壳 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），形成外模壁强烈散热作用下沿模壁
16、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，结壳速度逐渐减慢断减小，结壳速度逐渐减慢。七、液态模锻工艺基础七、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。形成，组织致密、晶粒细小，性能高。 （液锻力），仅起（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）压平液面的作用，其在合金液内部产生的压强（比压力） 近似为近似为0 0。压平后的液面高度压平后的液面高度0/0PP/p0液0
17、AVH液态模锻工艺基础00AVH液/0P0P 液态模锻工艺基础00APp p比压力（MPa） 凸模接触液面后，液锻力从P0P0，在其内部产生压强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。压力下结晶的结果是结壳，液面下降。在在P P0 0作用下，壳体被镦粗（塑性变形），凸模下降重新作用下，壳体被镦粗（塑性变形），凸模下降重新与液面接触，形成新压强与液面接触，形
18、成新压强p p/，再次出现压力下结晶过程。，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，凸模下降合金液全部凝固为止，凸模下降h h2 2。液态模锻工艺基础0液0收21AVAVhh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。V收合金液收缩的体积第四阶段塑性变形第四阶段塑性变形 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
19、件产生而离开模壁，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，凸模下降塑性变形后仍与模壁接触，凸模下降h h3 3。 塑性变形量较小，但对锻件的性能、表面质量和尺寸精塑性变形量较小，但对锻件的性能、表面质量和尺寸精度起着重要的作用。度起着重要的作用。液VA01321)1 (hhhh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讨论：获得合格的液锻件，必须施加足够大的液锻力P P0 0，保证四个阶段顺利完成。保证四个阶段顺利完成。如果如果P P0 0不足，会不能完成三、四阶段，在制件芯部会出现不足，会不能完成三、四阶段，在制件芯部会出现枝晶组织，影响性
20、能。枝晶组织，影响性能。(a)(b)(c)(d)(e)液态模锻工艺基础（2 2）挤压液锻过程）挤压液锻过程 亦分四个阶段：亦分四个阶段： 第一阶段是液体金属在压力下流动、第一阶段是液体金属在压力下流动、充型并结壳。充型并结壳。 二、三、四阶段与静压液锻相同。二、三、四阶段与静压液锻相同。液态模锻工艺基础p 注意：液锻方式不同，压力损失不同。 一般正挤压液锻较反挤压液锻压力损失小。p 分型面不同，压力损失有差别。（3 3）间接液锻过程）间接液锻过程 本质上与本质上与1）、）、2）两种不同，与立式压铸相似，区别在于）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。分三个阶段设计原则与工艺
21、参数不同。分三个阶段第一阶段压力下充型第一阶段压力下充型压力下，一定速度（压力下，一定速度（0.515m/s）通过浇道压入型腔，实现）通过浇道压入型腔，实现充型。（压铸是以高速，约充型。（压铸是以高速，约1570m/s）第二阶段压力下结晶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。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压头的压力使合金液产生很大的压强p，在，在p的作用下合金的作用下合金液完全凝固。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
22、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(PP0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压力对合金物理参数的影
23、响：合金的熔点、导热率、密：合金的熔点、导热率、密度、结晶潜热度、结晶潜热 1008.4186）（熔固液熔熔pQVVTTQ熔单位质量金属的熔化潜热，J/kg。 2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，u凝固时体积收缩的合金，如铝、铁、铜、铝硅等：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，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；的进程； 液态模锻工艺基础u凝固时体积膨胀合金，如铋、硅、锑等，压力的作用刚好相反。 压
24、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326335W/(mK)。 在150MPa压力下凝固时，其导热率为352356W/(mK)。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实验指出，在一定范围内，压力的增加对密度有明显的提高。显的提高。 压力增大，密度增加，在某一压力下达到最大值；压力增大，密度增加，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，其密度反而下继续增加压力，会使金属内部位错增加，其密度反而下降。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
25、尺寸、形核率、形核功、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。过冷度及晶粒数有关。凝固时体积收缩合金：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，有助于晶核增加压力使临界晶核尺寸和形核功减小，有助于晶核生成。生成。 压力提高过冷度，有利于成核率。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，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。细化晶粒。凝固时体积膨胀合金凝固时体积膨胀合金，相反，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，合金液的元素来不压力使合金液凝固过程十
26、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。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。熔点共晶富集，异常偏析。液态模锻工艺基础 (5)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。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，
27、表面光洁。液态模锻液压机液态模锻液压机液态模锻液压机采用四柱式结构。液态模锻液压机采用四柱式结构。本机器由主机及控制机构两大部本机器由主机及控制机构两大部分组成。分组成。主机由上梁、工作台、滑块、立主机由上梁、工作台、滑块、立柱、调整螺母、锁紧螺母、打料柱、调整螺母、锁紧螺母、打料机构、主缸、顶出缸等组成机构、主缸、顶出缸等组成, 机机器精度由调整螺母及紧固于上梁器精度由调整螺母及紧固于上梁上端的锁紧螺母来调整上端的锁紧螺母来调整,滑块依靠滑块依靠四立柱导向上下运动。四立柱导向上下运动。打料机构由打料杆、导套、弹簧打料机构由打料杆、导套、弹簧等组成等组成, 打料杆打料后靠弹簧力打料杆打料后靠弹
28、簧力自动复位自动复位,。主缸安装在上梁中心孔内主缸安装在上梁中心孔内, 主缸主缸尾部装有充液阀尾部装有充液阀,充液阀用于主缸充液阀用于主缸上腔的充液、排油和保压。上腔的充液、排油和保压。顶出缸安装在工作台内顶出缸安装在工作台内, 并在工并在工作台中心大孔镶套铣槽加防转连作台中心大孔镶套铣槽加防转连杆防转。杆防转。控制机构包括液压动力站及电气控制机构包括液压动力站及电气控制系统。控制系统。液态模锻设备的要求液态模锻设备的要求 1.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。 2.液态模锻要求尽量缩短液态金属置入型腔后的开始加压时间，故要求加压设备有足够的空程速率和一定的加压速率。 3.
29、 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要求。上缸用来施加压力并拉出上模，下缸可以用来顶出成形件。4. 如果要在垂直分型面的模具中压制成形件，而模具本身没有锁紧结构或者没有足够的位移可以退出成形件，则压力机就需要有两个相互垂直的压缩缸，以使水平方向上能拉出半模，推出成形件。5. 金属收缩时，将把上模的型芯紧紧抱住，为了使上模拔出，垂直缸应该有足够的提升力量。6. 液压机的结构和辅助装置必须适应生产批量的要求。2.3 2.3 液态模锻分类液态模锻分类按加压方式分为：按加压方式分为： 凸模加压凝固法凸模加压凝固法 直接液态模锻法直接液态模锻法 间接液态模锻法间接液态模锻法凸模加
30、压凝固法凸模加压凝固法 如图所示，熔化的金属如图所示，熔化的金属浇入凹模浇入凹模1中，凸模中，凸模2下下行与凹模形成封闭型腔，行与凹模形成封闭型腔，待熔融的金属逐渐凝固待熔融的金属逐渐凝固时加压使其成形，这种时加压使其成形，这种方法适用于铸锭或形状方法适用于铸锭或形状简单的厚壁件，在凸模简单的厚壁件，在凸模压力下液态金属不产生压力下液态金属不产生向上移动。向上移动。直接液态模锻法直接液态模锻法 如图所示，熔融的金属浇如图所示，熔融的金属浇入凹模入凹模1，凸模，凸模2下行与凹下行与凹模形成封闭型腔，同时将模形成封闭型腔，同时将液态金属压成一定形状。液态金属压成一定形状。型腔中的液态金属在一定型腔
31、中的液态金属在一定压力的作用下向上流动，压力的作用下向上流动，中间冷却凝固。如果没有中间冷却凝固。如果没有使多余金属液溢出的措施，使多余金属液溢出的措施，则凸模的最终位置由注入则凸模的最终位置由注入的溶液的量来决定，并在的溶液的量来决定，并在工件底部和顶部厚度的变工件底部和顶部厚度的变化上反映出来。杯状和空化上反映出来。杯状和空心的法兰状工件常采用此心的法兰状工件常采用此方法。方法。间接液态模锻法间接液态模锻法 如左图所示，熔融的金属如左图所示，熔融的金属浇入下模浇入下模2中，上模中，上模1与下与下模模2组成部分型腔，待凸模组成部分型腔，待凸模3下行时将液态金属挤出形下行时将液态金属挤出形成一
32、定的形状。间接液态成一定的形状。间接液态模锻常采用组合模具，其模锻常采用组合模具，其特点是除凸模作用于工件特点是除凸模作用于工件外，上模也参与加压作用。外，上模也参与加压作用。金属流动和直接液态模锻金属流动和直接液态模锻法相似。法相似。2.4 2.4 特点及应用范围特点及应用范围一、特点一、特点（1） 成型时液态金属受压，成型时液态金属受压， 压力下完成结晶凝固，压力下完成结晶凝固， 补缩补缩好，好， 致密。致密。（2） 已凝固的金属在压力下发生塑性变形，具有热变形组已凝固的金属在压力下发生塑性变形，具有热变形组织，织， 晶粒细小，晶粒细小， 组织均匀；组织均匀； 同时压力使工件外侧紧贴模同时
33、压力使工件外侧紧贴模膛，膛， 工件尺寸、形状准确。工件尺寸、形状准确。（3） 与压力铸造相比较，与压力铸造相比较， 液体充填平稳，不易卷气形成气液体充填平稳，不易卷气形成气孔缺陷。孔缺陷。（4） 与普通热模锻相比，与普通热模锻相比， 金属液的流动性远大于固体金属，金属液的流动性远大于固体金属， 充填模腔的性能较好，充填模腔的性能较好， 能够用一副模具一次形成比较复能够用一副模具一次形成比较复杂的形状。杂的形状。二、应用范围二、应用范围 (1) (1) 铝合金液锻。铝合金液锻当前应用最为广泛铝合金液锻。铝合金液锻当前应用最为广泛, ,例如例如大、大、中、小型柴油机活塞中、小型柴油机活塞( (裙裙
34、) , ) , 小汽车摩托车零件小汽车摩托车零件 (2) (2) 铜合金液锻。铜锌系黄铜铜合金液锻。铜锌系黄铜, , 液锻可细化组织液锻可细化组织, , 对铅黄铜对铅黄铜能细化质点能细化质点, , 其组织与锻造组织很相似其组织与锻造组织很相似, , 无显微空洞与疏松无显微空洞与疏松 (3) (3) 铸铁液锻压力下结晶铸铁液锻压力下结晶, , 抑制石墨化抑制石墨化, , 可出现白口。可出现白口。 (4) (4) 钢的液锻。压力下结晶可细化结晶组织钢的液锻。压力下结晶可细化结晶组织, , 提高成分的均提高成分的均匀性匀性, , 使金属夹杂细化并分布均匀使金属夹杂细化并分布均匀 (5) (5) 其它
35、合金液锻。如镁合金、锌合金等其它合金液锻。如镁合金、锌合金等, , 压力下结晶均有压力下结晶均有细化晶粒致密组织细化晶粒致密组织, , 提高力学性能的作用。提高力学性能的作用。2.5 2.5 液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数1 1、冶炼质量、冶炼质量由于液态模锻由于液态模锻( (除平冲头间接液态模锻外除平冲头间接液态模锻外) )无浇、冒口系统，无排渣、集渣和镇静能无浇、冒口系统，无排渣、集渣和镇静能力，浇入的液态金属几乎全都用于制件本力，浇入的液态金属几乎全都用于制件本身，从这一意义讲，液态模锻对金属液质身，从这一意义讲，液态模锻对金属液质量的要求比普通铸造工艺要严格得多。量的要求比普通铸造工
36、艺要严格得多。2 2、浇注温度、浇注温度浇注温度是指开始浇注时合金在坩埚内的加浇注温度是指开始浇注时合金在坩埚内的加热温度，对液态模锻成形质量及模具寿命有热温度，对液态模锻成形质量及模具寿命有较大影响。较大影响。浇注温度过高会降低模具使用寿命，导致压浇注温度过高会降低模具使用寿命，导致压制时金属液飞溅，形成严重飞边或毛刺，同制时金属液飞溅，形成严重飞边或毛刺，同时也会增大液态金属的吸气量和氧化现象，时也会增大液态金属的吸气量和氧化现象，影响制件质量。影响制件质量。浇注温度过低，金属液与模壁接触后很快凝浇注温度过低，金属液与模壁接触后很快凝固形成厚的硬壳，即使在较大压力下也很难固形成厚的硬壳，即
37、使在较大压力下也很难消除内部缺陷，对于薄壁件尤为严重。消除内部缺陷，对于薄壁件尤为严重。 选择浇注温度的主要依据是合金相图。对于凝固选择浇注温度的主要依据是合金相图。对于凝固范围窄的合金，可选择较大的过热度，此类合金范围窄的合金，可选择较大的过热度，此类合金凝固速度快，与模壁接触后很快形成硬壳；对壁凝固速度快，与模壁接触后很快形成硬壳；对壁薄、热容量小的零件，过热度也应稍大一些。同薄、热容量小的零件，过热度也应稍大一些。同时，浇注温度还与浇注金属的总量有关，浇注金时，浇注温度还与浇注金属的总量有关，浇注金属量大时，总的热容量较大，因此浇注温度可以属量大时，总的热容量较大，因此浇注温度可以适当低
38、一些。适当低一些。 3、模具温度、模具温度 模具温度对制件质量和模具寿命也有较大影响。模具温度对制件质量和模具寿命也有较大影响。模具温度过高：会加剧模具热疲劳，逐渐形成龟模具温度过高：会加剧模具热疲劳，逐渐形成龟裂，或烧伤模具内表面，降低使用寿命，同时，裂，或烧伤模具内表面，降低使用寿命，同时，制件与凹模的粘着力增大，脱模困难，甚至可能制件与凹模的粘着力增大，脱模困难，甚至可能出现出现“粘焊粘焊”现象，导致制件表面产生疱痕，影现象，导致制件表面产生疱痕，影响其表面质量。响其表面质量。 模具温度过低：金属液浇入后迅速冷却凝固，形模具温度过低：金属液浇入后迅速冷却凝固，形成内外冷隔或较厚的硬壳层，
39、阻碍液态模锻过程成内外冷隔或较厚的硬壳层，阻碍液态模锻过程的顺利进行，从而影响制件内部质量和表面粗糙的顺利进行，从而影响制件内部质量和表面粗糙度。模具温度的高低还取决于制件的复杂程度和度。模具温度的高低还取决于制件的复杂程度和尺寸大小。尺寸大小。 模具温度一般低于液态金属的浇注温度，依据液模具温度一般低于液态金属的浇注温度，依据液态模锻合金的不同而有所差别。态模锻合金的不同而有所差别。 铝合金液态模锻：浇注温度为铝合金液态模锻：浇注温度为690720，模，模具温度一般为具温度一般为200300； 铜合金：浇注温度为铜合金：浇注温度为6801150，模具温度一，模具温度一般为般为250350；
40、普通碳素钢：浇注温度约为普通碳素钢：浇注温度约为1520，模具温度一，模具温度一般为般为250350； 不锈钢：浇注温度约为不锈钢：浇注温度约为1600，模具温度一般为，模具温度一般为300350。 4、加压前停留时间、加压前停留时间 加压前停留时间是指金属液从浇注完毕至加压前停留时间是指金属液从浇注完毕至施压开始时在模膛内的停留时间，该参数施压开始时在模膛内的停留时间，该参数对制件的成形质量至关重要，特别是对于对制件的成形质量至关重要，特别是对于薄壁件。实际上，该参数可以对浇注温度薄壁件。实际上，该参数可以对浇注温度和模具温度起相应的调节作用。和模具温度起相应的调节作用。 浇注温度和模具温度
41、都较高时，加压前停浇注温度和模具温度都较高时，加压前停留时间可长一些；若浇注温度较低，则必留时间可长一些；若浇注温度较低，则必须尽快施压。须尽快施压。 加压过早，有可能使金属液挤入凸、加压过早，有可能使金属液挤入凸、凹模间隙中，造成喷溅，还可能挤入凹模间隙中，造成喷溅，还可能挤入模芯与芯子的配合处，造成脱芯困难，模芯与芯子的配合处，造成脱芯困难，甚至会损坏模具。甚至会损坏模具。 加压前停留时间过长，则会使成形力加压前停留时间过长，则会使成形力急剧增大，甚至难以成形。急剧增大，甚至难以成形。 由于加压前停留时间与浇注温度、模具温由于加压前停留时间与浇注温度、模具温度和金属浇入量的多少有关，很难取
42、某一度和金属浇入量的多少有关，很难取某一固定值，一般根据经验进行选取。可以通固定值，一般根据经验进行选取。可以通过观察液态金属的颜色和凝固高度的方法过观察液态金属的颜色和凝固高度的方法粗略估计加压开始时间。粗略估计加压开始时间。几点经验：几点经验：1)对于钢制件，只要生产节拍许可，愈短愈好；对于钢制件，只要生产节拍许可，愈短愈好；2)对于有色金属件，加压前延时对于有色金属件，加压前延时1020s；3)对于易产生偏析件，如对于易产生偏析件，如85Cu-10Sn-2Pb-3Ni和和91Cu-7Sb-2Ni等青铜，延时需更长些。等青铜，延时需更长些。 5、比压、比压比压是指施加在制件单位面积上的平均
43、压力，比压是指施加在制件单位面积上的平均压力，是液态模锻的关键参数。是液态模锻的关键参数。临界比压值是完全消除铸造缺陷的最低比压临界比压值是完全消除铸造缺陷的最低比压值。值。比压值过小：达不到强制补缩、强化性能的比压值过小：达不到强制补缩、强化性能的目的。目的。比压值过大：会增加能耗，降低模具寿命。比压值过大：会增加能耗，降低模具寿命。 比压值的选取受成形材料、模具温度、浇比压值的选取受成形材料、模具温度、浇注温度、工件尺寸、形状、零件壁厚等因注温度、工件尺寸、形状、零件壁厚等因素的影响，如纯金属和共晶成分合金凝固素的影响，如纯金属和共晶成分合金凝固范围窄，沿模具内壁易形成管状凝固层，范围窄，
44、沿模具内壁易形成管状凝固层，塑性变形的阻力较大，所需比压值较铝、塑性变形的阻力较大，所需比压值较铝、镁等其他合金大。实际生产中，通常采用镁等其他合金大。实际生产中，通常采用经验公式进行估算。经验公式进行估算。式中 p比压(MPa)；K1合金种类系数(MPa)K2液锻方式系数；H锻件中液锻阻力较大部分的高度(mm)；与H部分相对应的平均厚度(mm)。对于间接液态模锻，有p= K1K2 312=K10.001(/ ) KH a 对于静压液态模锻，有p6、保压时间、保压时间升压阶段一旦结束，便进入稳定加压，即保升压阶段一旦结束，便进入稳定加压，即保压阶段，直至加压结束压阶段，直至加压结束(卸压卸压)
45、的时间间隔，为保的时间间隔，为保压时间。保压过程是液态模锻工艺中重要的环节，压时间。保压过程是液态模锻工艺中重要的环节，其目的是使液态金属在凝固过程中持续处于压力其目的是使液态金属在凝固过程中持续处于压力作用之下，从而达到强制补缩、消除缩和缩松的作用之下，从而达到强制补缩、消除缩和缩松的目的。目的。 一般而言，长时间保压有利于制件内部质量的提高，一般而言，长时间保压有利于制件内部质量的提高，但保压时间不能过长，这是因为：但保压时间不能过长，这是因为：液压机自身特点决定了长时间保压会逐渐卸压；液压机自身特点决定了长时间保压会逐渐卸压；合金收缩受阻时会产生较大的内应力，保压时间合金收缩受阻时会产生
46、较大的内应力，保压时间过长会出现表面裂纹，影响制件质量，严重时将造过长会出现表面裂纹，影响制件质量，严重时将造成报废；成报废；保压时间越长，合金温度越低，收缩量越大，取保压时间越长，合金温度越低，收缩量越大，取件时所需的脱模力也越大，给取件造成困难。件时所需的脱模力也越大，给取件造成困难。 保压时间长短与合金特性和制件大小有关，可按保压时间长短与合金特性和制件大小有关，可按下述情况进行选用：下述情况进行选用：1)铝合金制件，壁厚在铝合金制件，壁厚在50mm以下，可取以下，可取0.5s/mm，壁厚在壁厚在100mm以上，可取以上，可取1.01.5s/mm；2)铜合金制件，壁厚在铜合金制件，壁厚在
47、100mm以下，可取以下，可取1.5s/mm；3)黑色金属制件，壁厚在黑色金属制件，壁厚在100mm以下，可取以下，可取1.5s/mm。7 7、加压速度、加压速度加压速度指加压开始时液压机行程速度。加压加压速度指加压开始时液压机行程速度。加压速度过快，金属液易卷入气体和金属液飞溅；过慢速度过快，金属液易卷入气体和金属液飞溅；过慢自由结壳太厚，降低加压效果。自由结壳太厚，降低加压效果。加压速度的大小主要与制件尺寸有关。对于小加压速度的大小主要与制件尺寸有关。对于小件，取件，取0.20.20.4m/s0.4m/s；对于大件取；对于大件取0.1m/s0.1m/s。8 8、模具涂层和润滑、模具涂层和润
48、滑液态模锻模具受热腐蚀和热疲劳严重，为此常液态模锻模具受热腐蚀和热疲劳严重，为此常在模具与液态金属直接接触的模膛部分，涂覆一层在模具与液态金属直接接触的模膛部分，涂覆一层“隔热层隔热层”，该层与模具本体结合紧密，不易剥落。，该层与模具本体结合紧密，不易剥落。压制前，在涂层上再喷上一层润滑层，以便于制件压制前，在涂层上再喷上一层润滑层，以便于制件从模具取出和冷却模具。这种从模具取出和冷却模具。这种“隔热层隔热层”上复合润上复合润滑层，效果最好，但目前，多数不采用滑层，效果最好，但目前，多数不采用“隔热层隔热层”，而直接涂覆润滑剂，效果也不错，尤其对于有色金而直接涂覆润滑剂，效果也不错，尤其对于有
49、色金属合金液态模锻，情况更佳。属合金液态模锻，情况更佳。 2.6 2.6 液态模锻下金属的力学行为液态模锻下金属的力学行为物理化学过程物理化学过程+ +力学过程力学过程液态模锻时的塑性变形液态模锻时的塑性变形1 1、温度场发生变化、温度场发生变化2 2、冲头施加压力，使凝固硬壳产生塑性变形，、冲头施加压力，使凝固硬壳产生塑性变形，压制制件高度，实现缩孔的补缩。压制制件高度，实现缩孔的补缩。已凝固的封闭外壳层、正在凝固的固已凝固的封闭外壳层、正在凝固的固- -液相区和液相区，液相区和液相区，三位一体，组成一个连续的组合体。三位一体，组成一个连续的组合体。1 1、组合体的连续性、组合体的连续性温度
50、的连续性温度的连续性2 2、组合体三个区的力学性质、组合体三个区的力学性质（1 1）已凝固区是一个连续变形体，最终将替代其他两）已凝固区是一个连续变形体，最终将替代其他两区。区。（2 2）固）固- -液区是脆性体。液区是脆性体。（3 3）液相区是粘性体。）液相区是粘性体。3 3、组合体的力学行为、组合体的力学行为外壳：塑性变形；固外壳：塑性变形；固- -液区：热裂；液相区在等静压作用液区：热裂；液相区在等静压作用下挤入微小裂纹。下挤入微小裂纹。液态模锻过程中金属的塑性流动液态模锻过程中金属的塑性流动冲头与金属液接触，有如下两个冲头与金属液接触，有如下两个过程：过程：1 1、冲头下端金属结壳，其
