特种塑性成形4特种锻造.ppt

锻造成形 1 1精密锻造 1 2等温锻造 1 3粉末锻造 1 4液态锻造 1 5闭塞式锻造 1 6局部加载成形 1 1精密锻造 精密锻造 室温或完全再结晶温度以下通过挤压 镦粗 精整等基本工艺或工艺组合得到净成形 net shape forming 或准净成形 near net shape forming 锻件 即成形的工件就是最终所需的产品形状或接近产品形状 前者可直接获得成品零件 后者可取代粗切削加工 得到精化的毛坯 精密锻造的优点 1 提高材料利用率 2 减少或无切削加工 尤其是一些曲面 3 成形温度较低 流线未切割 加工硬化等组织优 性能高 4 热膨胀 氧化皮小 尺寸精度高 5 可成形难切削加工材料 精密锻造的发展伴随着原材料 模具材料 模具加工技术 压力设备能力及控制 相关工艺如润滑 热处理 计算机辅助制造 分析 cad cae 等技术的发展 影响精密锻造成形的要素 1 材料及其处理主要包括变形抗力 成形极限 材料的形变强化指数n 材料的组织等 2 摩擦及润滑使用过程简单 无公害 使用效果明显 使用后易清除 3 精锻件结构及模具设计如直壁形和锥壁形筒形件 断面面积 过渡圆角等 精密锻造工艺设计的基本原则包括 精锻件的设计 工艺路线的设计和模具的设计 设计精锻件时 必须遵循以下基本原则 1 设计的形状应易于挤压成形 并且使施加在模具上的载荷尽量均匀 2 确定的尺寸应在成形加工范围内 制定工艺方案的两个重要基本原则 1 确定最合适的变形程度和最经济的挤压次数 确保模具的使用寿命和满足生产要求 2 确定最理想的变形条件 保证在此条件下拉应力最小或没有 以获得具有某种物理性能 高质量 高精度 无瑕疵的锻件 精密锻造模具的基本原则 寿命长 易操作 易加工 可更换 经济 1 2等温锻造 等温锻造 坯料温度和锻模温度基本一致的情况下进行材料成形 通常是利用一定条件下材料超塑性状态来完成锻造 变形条件 在较高温度条件下 锻件以较低的应变速率变形 变形材料能够充分再结晶 从而可以大部分或全部克服加工硬化的影响 变形温度尤为重要 测量和控制如何实现 p56变形速率要慢 一般在什么类型的设备上进行 高温变形 表面缺陷 防止措施 等温锻造的优点 1 变形速度低 变形温度恒定 克服了模冷 局部过热和变形不均匀 且动态再结晶进行充分 锻件的微观组织和综合性能具有良好的均匀性和一致性 2 显著提高金属材料的塑性 毛坯的冷却速度和变形速度均降低 因而大大降低了材料的变形抗力 3 由于减少或消除了模具激冷和材料应变硬化的影响 不仅锻造载荷小 设备吨位大大降低 而且还有助于简化成形过程 因此可以锻造出形状复杂的大型结构件和精密锻件 4 等温条件使模锻过程在最佳的热力规范下进行 且加工参数可以被精确控制 所以产品具有均匀一致的微观组织和优良的机械性能 并能使少切削或完全无切削加工的优质复杂零件的生产成为可能 等温锻造既可以实现精密锻造 也是超塑性变形的应用 工艺设计 1 工艺参数的确定 2 变形力计算 3 成形设备 4 模具材料 5 成形范围 热作模具钢 抗氧化性 高温强度 良好的耐磨性 耐热疲劳性 较高的抗腐蚀性与浸蚀性 尽可能高的导热性 尽可能低的线膨胀系数 等温锻造的应用 直八直升机镁合金上机匣 上机匣 钛合金斜流转子 1 3粉末锻造 粉末冶金 制造金属粉末和以金属粉末 包括混入有非金属粉末 为原料 经过成形和烧结来制造粉末冶金材料或粉末冶金制品的技术科学 制造粉末冶金材料和制品的技术包括 粉末锻造 注射成形 温压 以及冷 热等静压 激光烧结等 粉末锻造 将粉末冶金和精密模锻结合在一起的工艺 兼有二者的优点 它是将预成形坯装在闭合模具中锻造成最终形状 而预成形坯是用传统粉末冶金工艺制作的 粉末热锻先比其它粉末锻造的优点 粉末热锻 预成型坯的设计首先从锻件密度 质量 形状及尺寸出发 进行预成型坯的设计 基本原则 有利于锻件的致密和充满型腔 如增大横向流动 不能大于预成型坯塑性变形的允许极限 如采用三向压应力 1 预成型坯的密度选择 保证其具有足够的强度抵抗生产中产生损坏 保证形状完整性 2 预成型坯和终锻件形状近似 有利于锻造时以闭式镦粗第三阶段进行 压应力状态 避免裂纹产生 预成型形状简单 与终锻形状差别大 充分利用锻造与粉末冶金结合优势 通过塑性流动填满型腔 3 预成型坯的压制 4 预成型坯的烧结粉末锻造主要分预成型坯的烧结和不烧结 对应不同的粉末锻造工艺 粉末锻造过程的变形和致密的基本方式 预成形坯在锻造中的受力状态 如图所示 在锻造过程中受力情况包括 主动力f 反作用力n1 反作用力n2 摩擦力f 预成型坯在锻造过程中各种力的大小 方向都会发生变化 影响预成型坯的变形抗力 致密化等 导致变形不均匀及密度分布不均匀 粉末锻造的后应变形之间的关系 在粉末冶金模锻过程中 多孔预成形坯变形和致密有三种基本方式 单轴压缩 平面应变压缩和复压 1 单轴压缩即无摩擦平板模墩粗或闭式模锻变形第一阶即预成形坯与模壁接触之前的阶段 2 平面应变压缩阶段闭式模断时第二阶段 当预成形坯开始同模壁接触时 在预成形坯的横向流动部分受阻情况下所发生的变形 即为一侧有约束的压缩阶段 3 复压是发生在热复压过程中的一种变形或闭式模锻最后阶段 当预成形坯充填满模腔以后所发生的变形 即全约束的压缩变形 实际变形受预成型坯形状 模具结构影响 三种变形方式都有可能出现 不同方式对锻件质量及成形性都有影响 粉末锻造的成形特点 1 质量不变条件真是密度应变 真实体积应变 2 低屈服强度 低拉伸塑性粉末锻造时 预成形坯的屈服强度随预成形坯孔隙度的增大而减小 且比致密金属的屈服强度小得多 屈服强度只有当致密度达到95 以上 屈服强度才明显提高 由于空隙的存在 拉应力下抗拉强度较低 3 小的横向流动和泊松比的变化粉末锻造遵循质量不变 但体积是减小的 锻造时消耗了部分能量来减少预成形坯的孔隙 所以多孔预形坯同致密体相比 具有较小的横向流动 锻造初期 多孔预制坯的横向流动小 高度方向的变形量大 致密化速度快 当相对密度达到85 时 才显示出大的横向流动 锻造变形时 其塑性泊松比 0 5 且在整个变形和致密化过程中是变化的 随着密度的提高 泊松比值随着增大 当密度趋向于理论密度时 刀值趋向于0 5 4 变形和致密的不均匀性在粉末冶金锻造过程中 由于外摩擦的存在 使得预成形坯的应力分布不均匀 应力状态的不同 导致预成形坯变形和致密的不均匀性 而润滑可以减少外摩擦力 改善锻件密度分布的不均匀性 粉末锻造中的塑性力学基础粉末烧结材料屈服条件 y为粉末冶金烧结材料单向压缩时屈服强度 y0为基体致密金属粉末体的单向压缩屈服强度 其它系数是密度的函数 粉末锻造的优点 1 成形性能好 材料利用率高 不留加工余量和辅料 2 成形制品的力学性能明显优于普通锻件 3 锻件尺寸精度高 粗糙度较低 4 模具的单位压力低于普通模锻 5 生产效率高 节省加工工序 6 主要应用在难变形金属 1 4液态模锻 液态金属模锻 简称液锻 是一种介于铸 锻之间无切削工艺 其主要过程是 将一定量的合金液浇入到模具 液锻模 内 在凸模 压头 的压力作用下使合金液充填型腔 结晶凝固 压力补缩 塑性变形 从而获得轮廓清晰 表面光洁 尺寸精确 性能优良的产品 工艺流程 熔化 将一定量的金属放入容器内加热至熔化 金属量视制件而定 浇注 金属熔化后稍冷却一会 待达到一定温度后再浇注 加压 选择一定的比压值与加压速度进行加压 顶出 必须设置顶出装置 原材料配制 熔炼 浇注 加压成型 脱模 冷却 热处理 检验 入库 液态金属模锻是介于铸 锻之间的一种少无切削工艺技术 其基本原理是 浇入到模具内的液态或半固态金属在较高的压力下成型 凝固并伴有微量的塑性变形组织 用液态金属模锻技术生产的产品质量优良 没有常见的气孔 缩孔等缺陷 液态金属模锻工艺适应性广 无论铸造合金材料还是锻造合金材料均可采用液锻工艺生产 可生产各种壁厚 壁厚 1 5mm 及壁厚差大的产品 设备为通用的万能液压机或液态模锻机 无液锻件生产时 可作其它工作使用 正是由于液态金属模锻技术具有如此多的优点 已引起世界各国的高度重视 一些发达国家都有专门的从事液锻技术研究 开发 生产基地 液锻件无铸造中常见的气孔 缩孔 缩松等缺陷 组织致密 晶粒细小 性能均匀 可靠性高 能生产一般模锻方法无法生产的形状相当复杂的零件 其性能可与锻件相似 液锻件还能用热处理方法进一步提高其力学性能 液锻件表面粗糙度可达ral 6 3 2 尺寸精度it9 it11 成品率高达95 以上 液锻艺过程生产率高 从浇注液态金属到获得液锻件 每一个工件的生产周期一般小于2分钟 台班产200件以上 工艺操作易于实现机械化 自动化 可节省劳动力资源和进一步提高生产率 节能效果显著 产品成本低 某些液锻件无浇冒口系统 可节省10 以上的液态金属 因而减少了熔炼所消耗的能源 液锻件一般不需机械加工或只需少量精加工 因而节省大量的机械加工工时 机床设备投资及机械加工电力消耗 液态铸造缺陷产生过程 连续铸钢 应用 薄板坯连铸连轧 1 中间包 2 结晶器 3 液芯压下 4 除鳞机 5 预轧机 6 剪切机 7 感应加热炉 8 热卷箱 9 事故剪 10 除鳞机 11 精轧机 12 层流冷却 13 卷取机 薄板坯连铸连轧 1 结晶器 2 挤压辊 3 轧制辊 4 感应炉 5 除鳞区 6 轧机 7 冷却区 8 卷取机 鞍钢1700短流程薄板坯连铸连轧生产线 唐钢薄板坯连铸连轧 酒钢碳钢薄板坯连铸连轧产品 1 轮毂制件图薄壁 均匀 高度适中 适合液态模锻发制造2 模具设计采用垂直分模4 8 下模座1 提板2 锁模装置3 凸模6 弹簧9 固定板10 上模座113 环形冷隔的处理开办圆弧 机加切除 浇注与加压液态模锻时没有浇口和冒口 所以要比较精确地定量浇注 采用漏斗浇注 漏斗需加热至与金属液相近的温度 进行 底注 以避免金属液喷溅到模具上造成缺陷 由于工件平面尺寸较大 散热较快 要在尽可能短的时间内浇注完毕 大型液压机速度较慢 快速下行转入工作加压需要一定时间 所以浇注后让凸模尽快下行 使开始加压时间控制在5 8s 加压速度在0 1m s左右 速度太快会使金属液向外喷溅 造成浇不足 加压压力要大于100mpa 这是由于轮缘有一定高度 压力太低 会在轮缘与轮辐的连接部分压力不足 机械性能较差 保压时间约10s 冷却时间在15 20s 保压冷却时间太长 工件温度过低 会使脱模力大幅度增加 脱模困难甚至造成工件收缩破裂 环形冷隔的处理直接液态模锻时部分金属液上移充型 它与原金属液面之间形成一圈冷隔 这种冷隔有时是难以避免的 提高浇注温度与模具预热温度 缩短开始加压时间后 冷隔有所减轻 但无法完全避免 仍有1 1 5mm深冷隔 如图所示 为此 在模具上冷隔形成的高度开一个r2的半圆弧 使冷隔形成在突起的圆弧上 在机加工工序切除 这样就完全消除了冷隔的影响 轮毂热处理为了检测轮毂的机械性能 首先对其进行热处理 热处理条件为515 5 保温6h淬火 175 5 保温6h回火 并加工成试件 结论 1 汽车铝合金轮毂的液态模锻工艺可行 产品性能优于目前的制造方法 2 该工艺设备简单 投资小 材料利用率高 产品成本低 3 工艺过程容易实现自动化 适于汽车配件的批量生产 工艺特点1 在成型过程中 液态金合自始至终承受等静压 在压力下完成结晶凝固 2 已凝固金属在压力下产生塑性变形 3 液态金属承受的压力值不断下降 4 固 液区在压力作用下 发生强制性补缩 与压铸比 无卷入气体之危险 无压力损失 与热模锻比 成形力低 液态模锻工艺参数 1 冶炼质量由于液态模锻 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量的要求比普通铸造工艺要严格得多 首先 要求炉料干净 成分配比准确 冶炼时严格遵守操作规程 减小氧气卷入和夹杂物形成 在浇注过程中 注意排渣 力争金属液洁净 由于液态模锻一般都是单件连续生产 液态金属必须在保温炉 或熔炼炉 中停放较长时间 保温过程要求合金成分稳定 不氧化 不增加夹杂物等 对于某些不便于长时间保温的合金 需采用大功率小容量的感应炉快速熔炼 实现 一炉一件 办法进行生产 2 浇注温度浇注温度过高 增加形成缩孔的倾向 消除它要增大压制力 浇注温度过低将增加自由凝固结壳厚度 降低加压效果 一般采用低温浇注 可减少制件收缩和因收缩而产生的缺陷 提高模具寿命 浇注温度选用可取液相线温度以上50 100 左右 对于形状简单的厚壁件取下限 对于形状复杂或薄壁件取上限 3 保压时间升压阶段一旦结束 便进入稳定加压 即保压阶段 直至加压结束 卸压 的时间间隔 为保压时间 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 1 铝合金制件 壁厚在50mm以下 可取0 5s mm 壁厚在100mm以上 可取1 0 1 5s mm 2 铜合金制件 壁厚在100mm以下 可取1 5s mm 3 黑色金属制件 壁厚在100mm以下 可取1 5s mm 4 加压速度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 过慢自由结壳太厚 降低加压效果 5 模具温度开始浇注时的模具温度 模具温度低 将降低加压效果 还会增加冷隔 形成柱状晶等缺陷 模具温度高 容易粘焊 加速模具磨损 模具温度选用与合金凝固温度 制件尺寸 形状有关 对于铝合金 预热温度为150 200 工作温度为200 300 对于铜合金 预热温度为200 250 工作温度为200 350 黑色金属 预热温度为150 200 工作温度为200 400 对于薄壁制件应适当提高模具温度 尤其是小型薄壁件 模具温度偏低 将无法完成加压成形 在大批量连续生产时 模具温度往往超过允许范围 必须采用水冷或风冷措施 6 模具涂层和润滑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 隔热层 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 以便于制件从模具取出和冷却模具 这种 隔热层 上复合润滑层 效果最好 但目前 多数不采用 隔热层 而直接涂覆润滑剂 效果也不错 尤其对于有色金属合金液态模锻 情况更佳 液态模锻用模具 作用 1 使液态金属在压力下凝固成形 模具材料应有较高的热强度和热疲劳强度 2 使制件顺利进行热交换 3 模具操作简单 安全 生产率高 寿命长 成本低 设计原则 1 根据制件的形状和尺寸 进行成型方式和凹模结构的选择 2 为确保加压效果 设计时应使制件重要的受力部位或易产生疏松的部位靠近冲头 1 固液态 半固态 模锻 把金属毛坯加热到似熔非熔状态 能从加热炉中以固体形式转移到模锻模具中 它具有低的变形抗力 省去了复杂的熔炼过程 接近普通模锻 但其工艺要求较高 2 液态挤压模锻 液态挤压模锻是省力 又能生产出高质量型材的工艺 该工艺是液态金属处于准固态进入挤压模定径区成形 其型材质量不低于固态金属挤压型材 3 液态金属与固体构件组合 如双金属构件 液锻 液态金属与高强度或具有其它优良性能的长 短纤维 如 矿纤维 陶瓷纤维等 浸润复合模锻或挤压 形成一种新性能材质的液锻件或挤压型材 其他液态模锻工艺 适用范围 1 材料 范围极广 铸造合金 变形合金及部分非金属材料 2 复合材料 纤维强化金属 重量轻 强度高 耐磨 耐高温 3 形状 尺寸 适合于形状较复杂 又有一定性能要求的制件 4 制件的壁厚不能过薄或过厚 5 因制件轮廓清晰 精确 可制造模具或嵌镶结构件 1 5闭塞式锻造 闭塞锻造 是一种无飞边模锻 其特点是凹模可分 成形过程为毛坯先定位 在一定的压力下凹模闭合 然后凸模 单向或多向 加压成形 在整个锻造过程中 可控制上下模动作的先后及其速度 达到闭式模锻的最佳成果 闭式模锻的区别 闭塞式锻造的优点 生产效率高 一次成形便可获得形状复杂的精锻件 坯料在成形过程中处于强烈的三向压应力状态 适于成形低塑性材料 金属流线沿锻件外形连续分布 锻件的力学性能好 锻件的精度高 下料要求准确 必需采用少无氧化加热 成形时应有良好的润滑 闭塞式锻造使用条件 直十一直升机铝合金筒形机匣闭塞式成形模具 模压设备吨位应足够闭塞式锻造时 作用在模膛上的单位压力很高 所需的合模力很大 模压设备应有足够的吨位 采用等温成形可降低模压力和设备吨位 闭塞式锻造的应用 铝合金转子闭塞式模具 铝合金转子 补充内容 强化金属充满模膛的措施一 常规措施 普通模锻件 改变充填部位的斜度 圆角和形状尺寸 减小金属流入模膛时的阻力