1、 液液 态态 模模 锻锻 1ppt课件一、金属的成形（成型）方法一、金属的成形（成型）方法 焊接金金属属坯料坯料机械加工机械加工 焊接焊接凝固成形凝固成形塑性成形塑性成形重力铸造重力铸造差压铸造差压铸造离心铸造离心铸造压力铸造压力铸造体积成形体积成形板材成形板材成形锻造锻造挤压挤压轧制轧制粉末粉末冲压冲压旋压旋压电磁电磁内高压内高压自由锻自由锻模锻模锻 砂型砂型金属型金属型熔模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图压力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 离心铸造设备及成形示意图离心铸造设备及成形示意图金属金属的成形（成型）方法的
2、成形（成型）方法 差压铸造设备及成形示意图差压铸造设备及成形示意图铸造成形方法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、塑性低成本低机械机械加工加工有有切削切削，材料有损耗材料有损耗 材料加工工程通常指材料加工工程通常指金属通过液态流动成型金属通过液态流动成型或通过固态塑性变形获或通过固态塑性变形获得近净金属零件的成形得近净金属零件的成形（成型）方法，即铸、（成型）方法，即铸、锻、焊，特点锻、焊，特点少无切削少无切削。塑性成形方法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
3、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，简单形状的内孔，不能成形零件的侧内孔相对铸造成型，成本较高金属金属的成形（成型）方法的成形（成型）方法 模锻视频模锻视频金属体积成形方法分类金属体积成形方法分类二、液态模锻成形技术的发展概况二、液态模锻成形技术的发展概况液态模锻技术液态模锻技术前苏联前苏联1937年年应用于军事及高科技范围应用于军事及高科技范围金属构件的制造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为液态模锻,从事铸造专业的人命其名为挤压铸造从事铸造专业的人命其名为挤压铸
4、造,但其内容是一致的但其内容是一致的液态金属在模具中经过加压成型液态金属在模具中经过加压成型,结晶凝固。因而它与铸结晶凝固。因而它与铸锻有着不可分离的锻有着不可分离的“血缘关系血缘关系”。液态模锻是一种省力、。液态模锻是一种省力、节能、材料利用率高的先进工艺。液锻件一般很接近工节能、材料利用率高的先进工艺。液锻件一般很接近工件最终加工尺寸件最终加工尺寸,质量高质量高,因而为越来越多的国家的学者因而为越来越多的国家的学者和厂家接受和应用。和厂家接受和应用。液态模锻成形液态模锻成形我国自1958年就开始进行液态模锻的研究工作60年代中期己用于铝合金仪表零件等生产70年代，此项工作发展得更快些，采用
5、这项工艺制成了大型铝合金活塞，镍黄铜高压阀体，气动单龙组合的仪表外壳和铜合金蜗轮等产品80年代以后，该工艺又得到较大发展，以钢平法兰为代表的黑色金属液态模锻技术进入生产应用领域。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。液态模锻成形液态模锻成形金属熔炼模具准备浇注液锻脱模产品
6、模具复位，喷涂料熔化浇注顶出加压三、液态模锻工艺流程三、液态模锻工艺流程l已凝固金属在压力作用下产生少量塑性变形，已凝固金属在压力作用下产生少量塑性变形，制件轮廓清晰，性能介于锻件和铸件之间制件轮廓清晰，性能介于锻件和铸件之间 液锻件性能远高于铸件；液锻件性能远高于铸件；整体性能接近锻件，整体性能接近锻件，但能成形较复杂形状的制件，但能成形较复杂形状的制件，且省力且省力1/5以上。以上。四、液态模锻工艺四、液态模锻工艺 1 1、液锻的工艺特点、液锻的工艺特点 金属始终在压力下完成凝固、结晶。好处：金属始终在压力下完成凝固、结晶。好处：强制补缩，防止出现缩孔缩松强制补缩，防止出现缩孔缩松 压力直
7、接作用在金属液面上，压力利用率高压力直接作用在金属液面上，压力利用率高 与铸件比无浇道系统和冒口，节材与铸件比无浇道系统和冒口，节材10以上。以上。与锻件比无飞边。与锻件比无飞边。能成形复杂制件，主要靠流动成形，对模具磨能成形复杂制件，主要靠流动成形，对模具磨损小损小 模具工作温度高，成形黑色金属时寿命短模具工作温度高，成形黑色金属时寿命短 液态模锻与压铸的区别液态金属注入模腔的方式不同 低速浇入，排气良好压力传递方式不同 压力直接作用并始终保持组织性能不同 组织细密，力学性能提高液态模锻与常规模锻的区别毛坯与模膛形状基本一致，塑性变形量毛坯与模膛形状基本一致，塑性变形量小，不会产生锻造流线小
8、，不会产生锻造流线适于成形复杂形状，且所需设备吨位大适于成形复杂形状，且所需设备吨位大幅度降低幅度降低液态模锻的适用范围各种金属、非金属、复合材料有色金属取得广泛应用（尤其铝合金）特别特别适合于纤维或颗粒增强复合材料适用于复杂形状、对力学性能有一定要求的零件壁厚不能太薄，也不能太厚（550mm）（1 1）静压液锻）静压液锻 合金液不产生大量的流动，液锻形状主要靠浇注时定合金液不产生大量的流动，液锻形状主要靠浇注时定型。压力的作用主要是加速（影响）合金液的凝固并产型。压力的作用主要是加速（影响）合金液的凝固并产生塑性变形。分单、双向静压液锻。生塑性变形。分单、双向静压液锻。单向液锻单向液锻 h/
9、d5h/d5 双向液锻双向液锻 h/d5h/d5五、液态模锻分类五、液态模锻分类1 1、按金属流动方式、按金属流动方式（2)2)挤压液锻挤压液锻 液锻时，浇入的合金液在凸模作用下迅速流动、充型，接液锻时，浇入的合金液在凸模作用下迅速流动、充型，接着在高压下凝固和产生少量的塑性变形着在高压下凝固和产生少量的塑性变形（1 1）正挤压液锻。）正挤压液锻。（2 2）反挤压液锻。（）反挤压液锻。（3 3）复合挤压液锻。）复合挤压液锻。液态模锻分类液态模锻分类反挤压液锻正挤压液锻挤压液锻的特点挤压液锻的特点：在压力下充型的合金液流动好，较易获得轮廓清晰、在压力下充型的合金液流动好，较易获得轮廓清晰、表面光
10、洁的制件，初生的树枝晶在流动中破碎形成大量表面光洁的制件，初生的树枝晶在流动中破碎形成大量的晶核，可获得细晶组织，最后在高压下凝固核塑性变的晶核，可获得细晶组织，最后在高压下凝固核塑性变形，产品组织致密，性能高。形，产品组织致密，性能高。液态模锻分类液态模锻分类复合挤压液锻复合挤压液锻液态模锻分类液态模锻分类平冲头间接加压平冲头间接加压加压前加压前加压后加压后u 合金液在压力作用下，通过内浇道压入型腔、充合金液在压力作用下，通过内浇道压入型腔、充型、凝固，获得产品的液锻方式，叫间接液锻。型、凝固，获得产品的液锻方式，叫间接液锻。（3 3）间接液态模锻）间接液态模锻u与立式压铸相似，不同点：浇道
11、短、截面大与立式压铸相似，不同点：浇道短、截面大，充型速度低，保压时间长，能生产壁厚较，充型速度低，保压时间长，能生产壁厚较大、形状复杂的产品，充型时不会有气体卷大、形状复杂的产品，充型时不会有气体卷入。入。液态模锻分类液态模锻分类2 2、按加压冲头形状分、按加压冲头形状分类类（1)1)平冲头加压平冲头加压 实心制件实心制件 通孔制件通孔制件平冲头间接加压平冲头间接加压加压前加压前加压后加压后（2 2）异形冲头加压）异形冲头加压液态模锻分类液态模锻分类液态模锻工艺方法选择液态模锻工艺方法选择壁厚差别大的零件壁厚差别大的零件正挤压液锻正挤压液锻壁厚均匀的零件壁厚均匀的零件反挤压液锻反挤压液锻形状
12、复杂的零件形状复杂的零件复合挤压间接液锻复合挤压间接液锻六、液态模锻成形方式选择原则六、液态模锻成形方式选择原则杯形件杯形件凸式冲头凸式冲头小型，形状复杂小型，形状复杂上端面有凸台并带有内腔和孔上端面有凸台并带有内腔和孔复合式冲头复合式冲头间接液态模锻间接液态模锻六、液态模锻凹模结构形式六、液态模锻凹模结构形式六、液态模锻凹模结构形式六、液态模锻凹模结构形式（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
13、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
14、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0AVH液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础00AVH液/0P0P 液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础00APp p比压力（比压力（MPa）凸模接触液面后，液锻力从凸模接触液面后，液锻力从P0P0，在其内部产生压强，在其内部产生压强p，使散热进一步加强，结晶进程加快。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。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。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
15、下降，凸模要下移合金液收缩和凝固，液面下降，凸模要下移h1距离。距离。第二阶段压力下结晶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，形成新压强重新与液面接触，形成新压强p p/，再次出现压力下结晶，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过程。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，直至合金液全部凝固为止，凸模下降h h2 2。液
16、态模锻工艺基础液态模锻工艺基础0液0收21AVAVhh合金液体收缩率合金液体收缩率 在此过程中，凸模、锻件和模壁间要产生摩擦，消在此过程中，凸模、锻件和模壁间要产生摩擦，消耗功，当耗功，当P P0 0为恒定值时，为恒定值时，P P0 0在合金液内部产生的压强在合金液内部产生的压强p p不不断下降、变小，有压力损失。断下降、变小，有压力损失。V V收收合金液收缩的体积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，液锻件产生而离开模壁，产生间隙，在足够大的作用下，
17、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液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础总的压下量总的压下量讨论：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，影响性能。枝晶组织，影响性能。
18、(a)(b)(c)(d)(e)液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础（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。液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础p 注意：液锻方式不同，压力损失不同。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一般正挤压液锻较反挤压液锻压力损失小。损失小。p 分型面不同，压力损失有差别。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
19、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
20、完全凝固。液态模锻工艺基础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
21、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单位质量金属的熔化潜热，J/kg。2液锻过程压力的作用液锻过程压力的作用液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础(1)(1)对熔点的影响对熔点的影响压力与合金熔点之间有如下的近似关系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
22、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，压力的作用刚凝固时体积膨胀合金，如铋、硅、锑等，压力的作用刚好相反。好相反。压力下结晶凝固的合金，其组织致密，原子间的平均距离压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。缩短，导热率提高。以纯铜锭为例以纯铜锭为例:大气压力下凝固时，其导热率为大气压力下凝固时，其导热率为326335W/(mK)。在在150MPa压力下凝固时，其导热率为压力下凝固时，其导热率为352
23、356W/(mK)。提高约提高约6。(2)(2)对导热率的影响对导热率的影响 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。液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础(3)(3)对密度的影响对密度的影响 液态金属的结晶与临界晶核尺寸、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：
24、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。液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础(4)(4)压力对合金结晶过程的影响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
25、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。液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础(5)(5)压力对偏析的影响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。液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础(6)(6)压力对气体析出的影响压力对气体析出的影响(7)(7)压力对尺寸精度和表面粗糙度的影响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
26、密贴模，尺寸精度高，表面光洁。足够的压力使液锻件紧密贴模，尺寸精度高，表面光洁。（1 1）比压力）比压力 比压力比压力p p是指液锻时，液锻力作用在合金液是指液锻时，液锻力作用在合金液上所形成的压强。它与液锻力的关系可用上所形成的压强。它与液锻力的关系可用 表示。表示。00APp液态模锻工艺基础液态模锻工艺基础所需比压力所需比压力p p的大小：的大小：液锻合金成分，液锻件液锻合金成分，液锻件形状、尺寸、使用要求，液锻方式有关。形状、尺寸、使用要求，液锻方式有关。3、液锻过程的主要工艺参数、液锻过程的主要工艺参数计算时，合金成分的影响，可用合金种类系数K1来考虑。液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数
27、合金成分：高温下屈服极限高的合金，采用较大的合金成分：高温下屈服极限高的合金，采用较大的比压力比压力p p。液锻方式：可用液锻方式系数液锻方式：可用液锻方式系数K K2 2来考虑。来考虑。相对高度相对高度H/aH/a愈大，相对结晶壳就愈长、愈厚，愈大，相对结晶壳就愈长、愈厚，摩擦阻力愈大，塑性变形时消耗的能量大。摩擦阻力愈大，塑性变形时消耗的能量大。液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数液锻件的形状、尺寸对比压力液锻件的形状、尺寸对比压力p p的影响，用相对高的影响，用相对高度度H/aH/a来考虑来考虑。比压力可采用下面的经验公式：比压力可采用下面的经验公式：来计算。来计算。铝合金负重轮的比压力铝合
28、金负重轮的比压力p p的计算，液锻方式为挤压液锻，的计算，液锻方式为挤压液锻，H/a=120/540=0.23H/a=120/540=0.23，H/a1H/a1时，形状、尺寸影响可时，形状、尺寸影响可忽略忽略不计。间接液锻时间接液锻时p=Kp=K1 1K K2 2 液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数（2 2）液锻速度）液锻速度 液锻速度是指冲头（压头）与合金液接触后的合金液液锻速度是指冲头（压头）与合金液接触后的合金液充型速度，或凸模下降速度。充型速度，或凸模下降速度。液锻速度液锻速度：主要取决于合金液体的粘度：主要取决于合金液体的粘度速度太低速度太低：自由结壳层厚，降低加压效果：自由结壳层厚，
29、降低加压效果速度太高速度太高：模具间隙小，金属液卷气，液锻件有气孔。模具间隙小，金属液卷气，液锻件有气孔。模具间隙大，合金液飞溅，金属液不足，超差报废模具间隙大，合金液飞溅，金属液不足，超差报废液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数 （3 3）液锻温度）液锻温度 合金液温度尽量低些，减少液锻件的含气量，并可防合金液温度尽量低些，减少液锻件的含气量，并可防止模具过热而粘模。止模具过热而粘模。温度太低，常常会产生金属豆，冷隔，液锻件表面质温度太低，常常会产生金属豆，冷隔，液锻件表面质量差量差。液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数 温度太高：液锻件含气量高和粘模温度太高：液锻件含气量高和粘模 内外温差大，当外
30、部凝固成较厚的外壳后，内外温差大，当外部凝固成较厚的外壳后，中心部位仍处于高温液态，这样，中心部位凝固时无法中心部位仍处于高温液态，这样，中心部位凝固时无法得到足够的金属液补缩，产生缩孔或疏松。得到足够的金属液补缩，产生缩孔或疏松。液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数一般选取液相线温度以上一般选取液相线温度以上 5010050100度。度。（4 4）模具温度）模具温度 液锻模的温度对锻件质量及模具寿命影响较大。液锻模的温度对锻件质量及模具寿命影响较大。液态模锻工艺参数液态模锻工艺参数模具温度过低模具温度过低:合金液浇入型腔后迅速凝固，形成合金液浇入型腔后迅速凝固，形成金属豆，冷隔或较厚的金金属豆，
31、冷隔或较厚的金属硬壳属硬壳模具温度过高模具温度过高:金属液粘模，使液锻件表面拉伤，造成模具严重磨损，金属液粘模，使液锻件表面拉伤，造成模具严重磨损，模具强度降低，易产生变形和破坏模具强度降低，易产生变形和破坏。1 1根据产品零件，绘制液锻件图根据产品零件，绘制液锻件图 主要考虑下面几个因素：主要考虑下面几个因素：1)1)选择液锻方式，选择液锻方式，2 2）收缩率，）收缩率，3 3）拔模斜度，）拔模斜度，4 4）圆角。）圆角。2 2模具结构设计模具结构设计 主要考虑下面几个因素：主要考虑下面几个因素：1 1）确定分模面，）确定分模面，2 2）成形型腔设计和强度计算，）成形型腔设计和强度计算，3
32、3）凸、凹模间隙的确定，）凸、凹模间隙的确定，4 4）确定比压力）确定比压力p p，选择设备。，选择设备。3 3排气系统设计排气系统设计4 4脱模机构设计脱模机构设计5 5模温控制系统模温控制系统 1 1）加热系统，）加热系统，2 2）冷却系统）冷却系统八、液态模锻设计步骤八、液态模锻设计步骤 液锻件的组织状态基本属于铸态结晶组织，但晶粒液锻件的组织状态基本属于铸态结晶组织，但晶粒细小，致密，缩孔、疏松基本消除。细小，致密，缩孔、疏松基本消除。液锻件易产生的缺陷及原因液锻件易产生的缺陷及原因1 1缩孔，疏松和表面气孔缩孔，疏松和表面气孔 原因：原因：1 1）合金冶炼中，精练除气不好。）合金冶炼
33、中，精练除气不好。2 2）模具排气不好。）模具排气不好。3 3）压力不足，未能完成补缩。）压力不足，未能完成补缩。4 4）壁厚不均匀，压力传递困难，各部凝固）壁厚不均匀，压力传递困难，各部凝固收缩速度不同。收缩速度不同。九、液锻件组织和缺陷分析九、液锻件组织和缺陷分析2 2偏析偏析 枝晶偏析、化学偏析、比重偏析原因；某些合金在压力下凝固枝晶偏析、化学偏析、比重偏析原因；某些合金在压力下凝固，促使低熔点相远离结晶前沿，形成偏析。，促使低熔点相远离结晶前沿，形成偏析。3 3夹渣和氧化物夹渣和氧化物 原因：原因：为冶炼带来的，精练未除净。有色合金易在浇注过程中也产为冶炼带来的，精练未除净。有色合金易
34、在浇注过程中也产生氧化物。生氧化物。4.4.裂纹裂纹 原因：原因：1 1）制件各部壁厚不均匀，不能同时凝固，）制件各部壁厚不均匀，不能同时凝固，2 2）传力困难，各部受）传力困难，各部受力不均匀。两种情况导致产生大的拉应力力不均匀。两种情况导致产生大的拉应力，造成裂纹。，造成裂纹。液锻件组织和缺陷分析液锻件组织和缺陷分析ZA13ZA13合金铸态和液态挤压件组织合金铸态和液态挤压件组织金属型自由凝固金属型自由凝固液态挤压成形液态挤压成形（横截面）（横截面）液态挤压变形方向液态挤压变形方向液锻件组织和缺陷分析液锻件组织和缺陷分析直接冲头挤压铸造直接冲头挤压铸造7A047A04铝合金形成铝合金形成异
35、常偏析示意图异常偏析示意图直接冲直接冲头挤压头挤压冷隔形成示意冷隔形成示意图图二次液流冷隔形成示意图液锻件组织和缺陷分析液锻件组织和缺陷分析挤压料缸带入夹渣图挤压铸件上容易产生裂纹的部位图例液锻件组织和缺陷分析液锻件组织和缺陷分析 1.1.普通油压机普通油压机2专用液态模锻压机十、液态模锻设备十、液态模锻设备2.2.专用液态模锻压机专用液态模锻压机2专用液态模锻压机液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻设备液态模锻生产线液态模锻生产线液态模锻液压机液态模锻液压机钢平法兰液态模锻件规格和尺寸钢平法兰液态模锻件规格和尺寸
36、八应用实例八应用实例十一、液态模锻应用十一、液态模锻应用100mm钢平法兰液态模锻模具钢平法兰液态模锻件力学性能铝活塞液态模锻铝活塞液态模锻解放牌汽车铝活塞毛坯图铝活塞液态模锻铝活塞液态模锻解放牌汽车铝活塞液态模锻图解放牌汽车活塞的力学性能铝活塞液态模锻铝活塞液态模锻管的液态模锻成形管的液态模锻成形 液态模锻工艺对所加工材料没有限制，适用于低熔点合金（如镁、液态模锻工艺对所加工材料没有限制，适用于低熔点合金（如镁、锌、铝和铜等），也适用于高熔点合金（如铁、高温合金等）。锌、铝和铜等），也适用于高熔点合金（如铁、高温合金等）。其中，其中，合金液态模锻最有代表性莫过于铝合金活塞和锌合金壳体零件。合
37、金液态模锻最有代表性莫过于铝合金活塞和锌合金壳体零件。80mm100mm 液态模锻铝合金活塞 锌基合金壳体零件 液态模锻成形件液态模锻成形件下图是采用液态模锻技术成形的凿岩机缸体零件，该零件为钢质零件，下图是采用液态模锻技术成形的凿岩机缸体零件，该零件为钢质零件，重重10kg，此项目为国家，此项目为国家“六五六五”攻关课题。研究成果攻关课题。研究成果“凿岩机缸体液态凿岩机缸体液态模锻工艺研究模锻工艺研究”获航天部科技进步二等奖（获航天部科技进步二等奖（1987）。）。凿岩机缸体零件（质量10kg，低碳钢）100mm液态模锻成形件液态模锻成形件LD10自行车曲柄管接件液态模锻成形件液态模锻成形件
38、150mm钢质液态模锻件（质量为2kg-80kg）液态模锻成形件液态模锻成形件利用液态模锻技术成形的大型零件 液态模锻成形件液态模锻成形件利用液态模锻技术成形的有色金属零件 液态模锻成形件液态模锻成形件十三、负重轮的液态模锻成形研究与应用十三、负重轮的液态模锻成形研究与应用负重轮液态模锻模具示意图负重轮液态模锻模具示意图负重轮零件图82 采用Procast软件对成形凝固过程进行数值模拟。模拟参数浇注温度720模具预热温度300（下模）200(上模)比压 50MPa 保压时间 30s负重轮数值模拟的几何模型负重轮数值模拟的几何模型1、简单加载下负重轮、简单加载下负重轮液态模锻成形的液态模锻成形的
39、数值模拟数值模拟83（1）温度场模拟结果 制件在凝固不同时刻的固相分数分布制件在凝固不同时刻的固相分数分布 a)t=0.152s b)t=0.368s c)t=3.439 d)t=13s e)t=23s金属液充型结束至完全凝固需要大约金属液充型结束至完全凝固需要大约23s。在制件的转角处存在金属液的最后凝固。在制件的转角处存在金属液的最后凝固区，这些最后凝固区的金属液凝固收缩时，受周围已凝固金属的阻碍，会产生拉应区，这些最后凝固区的金属液凝固收缩时，受周围已凝固金属的阻碍，会产生拉应力，在此区可能会形成裂纹和缩孔缩松。力，在此区可能会形成裂纹和缩孔缩松。84（2）制件在充型后不同时刻的温度分布
40、 a)t=0.152s b)t=0.368s c)t=3.439s d)t=23s温度最高的区域为温度最高的区域为制件直壁与底面的制件直壁与底面的转角处。在加压转角处。在加压23s时制件凝固已时制件凝固已经结束，温度在经结束，温度在510左右左右。85制件特征点取样位置制件特征点取样位置固相分数随时间的变化曲线固相分数随时间的变化曲线 温度随时间的变化曲线温度随时间的变化曲线 86（3）负重轮制件缩孔缩松位置）负重轮制件缩孔缩松位置在制件的直壁与底面的转角处存在金属液的最后凝固区，此区在制件的直壁与底面的转角处存在金属液的最后凝固区，此区域的金属凝固收缩时得不到周围已凝固金属的有效补缩，就会域
41、的金属凝固收缩时得不到周围已凝固金属的有效补缩，就会产生缩孔缩松缺陷。产生缩孔缩松缺陷。87（4）应力场模拟结果制件不同部位的第一主应力制件不同部位的第一主应力 制件不同部位的热裂指数制件不同部位的热裂指数 制件凝固过程中最大拉应力发生在制件的直壁与底面的转角处，且制件凝固过程中最大拉应力发生在制件的直壁与底面的转角处，且此处也是热节最集中的地方，所以此部位是发生热裂的危险区域。此处也是热节最集中的地方，所以此部位是发生热裂的危险区域。88特征点取样位置特征点取样位置第一主应力随时间的变化曲线第一主应力随时间的变化曲线 应变随时间的变化曲线应变随时间的变化曲线 最大拉应力和最大应变都发生在制件
42、直壁与底面的转角处最大拉应力和最大应变都发生在制件直壁与底面的转角处892、负重轮简单加载液态模锻试验、负重轮简单加载液态模锻试验负重轮液锻模具结构图负重轮液锻模具结构图模具模具902A50来料检查、清洗模具预热温度200300150左右喷石墨润滑剂 铝合金熔炼，至720保温30分钟精炼将铝液倒入模具合模，加压、保压30s开模，顶出制件负重轮液态模锻成形工艺流程图负重轮液态模锻成形工艺流程图 9145kW铝合金熔炼炉和铝合金熔炼炉和2000KN液态模锻压力机液态模锻压力机 负重轮制件负重轮制件 92裂纹裂纹3、简单加载成形的负重轮缺陷分析气孔气孔内部缩松内部缩松93先凝固区（直壁和底部）后凝固
43、区（热结，转角处）限制金属转移需要周围金属补缩两区产生内部拉应力热结处产生内部微裂纹扩展为转角处横向裂纹内部裂纹内部裂纹横向裂纹横向裂纹横向裂纹多出现在制件内部直壁与底部的转角处横向裂纹多出现在制件内部直壁与底部的转角处 产生的主要原因：凝固的不均匀性产生的主要原因：凝固的不均匀性94纵向裂纹制件留模时间过长制件直壁部分紧箍在模具凸模上铝合金热收缩大于钢热收缩产生收缩热应力直壁圆环受内压直壁周向受拉应力纵向裂纹纵向裂纹控制措施：严格控制保压时间 25-30s95缩孔缩松缺陷缩孔缩松缺陷多发生在制件的转角处多发生在制件的转角处原因：原因：后凝固金属收缩时受已后凝固金属收缩时受已凝固金属的阻碍，得
44、不到有凝固金属的阻碍，得不到有效补缩。效补缩。制件转角处内部缩松制件转角处内部缩松96制件的金相组织直壁和底部分别取样直壁直壁 底部底部制件直臂，晶粒大小不均匀，存在局部细化程度较高的区域。制件直臂，晶粒大小不均匀，存在局部细化程度较高的区域。制件底部，较直壁其晶粒形状和尺寸均匀，圆整度高。制件底部，较直壁其晶粒形状和尺寸均匀，圆整度高。97密度测试实验项目1234密度（g/cm3）2.73072.731132.744262.74472取样位置取样位置制件直壁部分的密度值低于制件底部的密度值，简单加载成形的负重制件直壁部分的密度值低于制件底部的密度值，简单加载成形的负重轮制件密度不均匀。轮制件
45、密度不均匀。98力学性能测试力学性能测试 拉伸试样取样位置 实验项目123抗拉强度b（MPa）254.8342.9347.4断后伸长率（%）4.26.256.37制件直壁部分的抗拉强度和断后伸长率明显低于制件底部，而底部两部位的抗制件直壁部分的抗拉强度和断后伸长率明显低于制件底部，而底部两部位的抗拉强度和伸长率相差不大。采用简单加载方式成形的制件力学性能不均匀。拉强度和伸长率相差不大。采用简单加载方式成形的制件力学性能不均匀。994、负重轮复合加载液态模锻试验研究、负重轮复合加载液态模锻试验研究采用复合加载方式（右半侧），即在最后凝固区域或易产生宏观缺陷的采用复合加载方式（右半侧），即在最后凝
46、固区域或易产生宏观缺陷的区域（负重轮制件的直壁与底部的转角处）施加局部载荷进行金属补缩。区域（负重轮制件的直壁与底部的转角处）施加局部载荷进行金属补缩。复合加载液锻模具结构图复合加载液锻模具结构图复合加载示意图复合加载示意图（Zl2006 I00102903）101负重轮的复合加载成形实验，主要是通过调节碟簧的弹性变形量来负重轮的复合加载成形实验，主要是通过调节碟簧的弹性变形量来控制补缩量，补缩量参数为：控制补缩量，补缩量参数为：2，4，6，8，10mm。补缩量达到。补缩量达到6mm时制件表面缺陷消失。时制件表面缺陷消失。无宏观缺陷的负重轮制件无宏观缺陷的负重轮制件负重轮的液态模锻成形负重轮的
47、液态模锻成形具体工艺流程具体工艺流程：试验准备试验准备 铝熔化、预制块预热、铝熔化、预制块预热、模具预热、预制块入模具模具预热、预制块入模具出炉出炉浇注浇注 780780800800 渗入渗入 740740内加压块下行内加压块下行本体液态模锻本体液态模锻外加压下行外加压下行半固态模锻：耐磨圈半固态模锻：耐磨圈成形、与本体复合成形、与本体复合卸压卸压力学性能：屈服强度：力学性能：屈服强度：300MPa300MPa，抗拉强度：，抗拉强度：380MPa380MPa，延伸率：，延伸率：5%5%。性能考核：下图是两种耐磨圈的负重轮制件，均提供给北京性能考核：下图是两种耐磨圈的负重轮制件，均提供给北京61
48、8618厂进行装厂进行装车考核，现已完成车考核，现已完成5000km5000km跑车跑车.(2003).(2003)负重轮的液态模锻成形负重轮的液态模锻成形负重轮制件负重轮制件1.液态模锻力学冶金学理论研究，国家教育部科技进步一等奖，液态模锻力学冶金学理论研究，国家教育部科技进步一等奖，1999.12.液态模锻基础理论研究，国家教委科技进步二等奖，液态模锻基础理论研究，国家教委科技进步二等奖，1988.53.凿岩机缸体液态模锻工艺研究，航天部科技进步二等奖，凿岩机缸体液态模锻工艺研究，航天部科技进步二等奖，19874.钢平法兰液态模锻工艺的研究，国防科委科技进步三等奖，钢平法兰液态模锻工艺的研
49、究，国防科委科技进步三等奖，19825.塑料型腔液态模锻成形工艺的研究（含锌基合金液态模锻塑料型腔液态模锻成形工艺的研究（含锌基合金液态模锻Y100电机电机 风罩冲模），航天部科技进步三等奖，风罩冲模），航天部科技进步三等奖，1987.116.铝合金固铝合金固-液挤压成形基础研究，航天工业部科技进步二等奖，液挤压成形基础研究，航天工业部科技进步二等奖，1994.127.液态挤压成形工艺理论研究，陕西科技进步三等奖，液态挤压成形工艺理论研究，陕西科技进步三等奖，1997.18.液态挤压成形铝合金管、型材的工艺研究，国家航空公业总公司液态挤压成形铝合金管、型材的工艺研究，国家航空公业总公司科技进步
50、二等奖，科技进步二等奖，1996.129.铝铝-硅线石复合材料液态挤压工艺的研究，黑龙江省教委科技进硅线石复合材料液态挤压工艺的研究，黑龙江省教委科技进步二等奖，步二等奖，1997哈工大在液态模锻技术领域获得科研奖励哈工大在液态模锻技术领域获得科研奖励融合铸、锻工艺优点，发明了液态浸渗挤压、局部加载定域补缩、铸锻双控成形等系列新技术，解决了常规方法难以成形的高性能铝、镁合金及复合材料复杂构件的制造问题，在国防装备关键零件和民用产品上实现批量生产应用。多种构件用于装甲车、军用舰艇、枪械和飞机等 用于民用铝、镁合金型材及制件成形 授权发明专利14项，出版专著2部，发表学术论文108篇，SCI收录7
