铝合金配件支架液态模锻模具构设与工艺探究

1绪论

1.1锅合金液态模锻概述
液态模锻技术作为一种新的材料成形工艺，它的实际操作原理是介于铸造和模锻之间的，并且它很好的综合了以上二者的优点。它的成形原理大致如下：首先，它是将冶炼好的金属溶液绕入涂有润滑剂的金属模腔当中，然后在液态模锻压力机的作用下，对金属施加相对较长时间的液锻力，利用金属在铸造也即馆融状态下具有较好的流动性，以及模锻工艺中的具有坚硬的外壳下进行塑性变形的特点来使金属液凝固成形。液态模锻是金属材料精密压力成型的工艺方法之一，该方法结合锻造和铸造的优点，采用该工艺可成型形状复杂、轮廓清晰、带有薄壁的锻件，所得锻件的组织致密、经理细化、内部缺陷少，产品质量高。一般模锻件的形状接近于零件形状，后续的加工量小，加工效率高，也节省了原材料。由于液态模锻的具有如下特点，其应用越来越广：
(1)液锻工艺生产产品质量致密度高，力学性能高液态模锻件其机械性能与锻件不相上下，可靠性高。液态金属在较高压力下低速充型和凝固，铸件和型腔壁贴合紧密，因而也具有较高的尺寸精度和表面光洁度，其级别相当于压铸铸造件水平。
(2)易实现流水线生产，生产率高液态模锻生产过程相对简单，操作容易，便于组织机械化、自动化生产，工艺环节少，生产周期短。液态模锻实现了无冒口铸造，液锻工艺生产的成品率高达90%以上，甚至接近100%。因此，生产率能得到大幅度提高。
(3)材料资源消耗少，节能效果显著因液态模锻工艺没有冒口补缩系统，金属材料利用率可达95%，除了必须加工的部分外，饶入模腔的金属全部用于形成零件。因机械加工量少，能较大节省机械加工工时、机床设备投资及电力消耗等。
(4)工艺适应性强液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生。因而液态模锻工艺既可用于锅、铜、镁、锌等有色合金，又可用于钢、铁等黑色金属；既可用于镍、钴等高温金属，还可用于符合材料和铸石等特殊材料。液态模锻的适应性强还表现在工件的结构、形状和尺寸方面。液态模锻工件的壁厚范围很大，小至数毫米，大至几十毫米，都可以成功成型。对于壁厚悬殊的复杂件，通过合理的工艺设计，同样可以获得成型优良的产品。
(5)绿色环保度髙液态模锻不用砂型，无粉尘污染危害，无废液排放、无废液污染。没有刺激性气体和有害气体排放，无砂型一类的固体废弃物。所以，液态模锻属于无砂型、无冒口、高品质、低能耗的绿色制造技术。综上所述，液态模锻集中了铸、锻成形的优势，是实现能源节约的最好途径。液态模锻与铸造相比，不用设置饶冒口或余块，金属液利用率高达95°/^—98%，制件性能大幅度提高；与锻造相比，可以制造形状复杂的制件，并实现毛坯精化，使后续加工量小，节省了金属材料。采用液态模锻这类先进制造技术，可使其零件制造技术更趋精密高效和低成本，以增加市场的竞争力。在液态模锻成型工艺中常见的参数中主要有以下几种：饶注液态金属溶炼质量、绕注温度、充型压力、保压时间、模具预热温度、充型速度、模具温度、冷却速度。

1.2支架类锅合金液态模锻的研究及应用现状
大型支架类零件的特点是：尺寸大，结构复杂，对零件的性能和表面质量等技术要求非常严格，特别是在军用和航空领域使用的锅支架，由于壁厚不均、形状较复杂，使用冲压、锻造、铸造等多种生产工艺均不易实现，再加上此类零件一般工作环境多变又恶劣，在使用性能方面，要求比较高，因此不仅需要进行几何尺寸、表面质量等多项检查，其表面不允许有裂纹、气泡、气孔、缩孔等缺陷。
在现有研究和生产条件下，大多数招合金支架零件毛还的生产工艺常釆用传统砂型铸造，如沈阳铸造研究所利用砂型铸造工艺生产的最大招合金制件的尺寸约为3.8mX2.3mX2.7m，重勺2.7吨。该工艺一般具有铸件成型困难、致密度低、尺寸精度低、易产生缺陷、生产效率低、生产环境差、污染严重等问题。而采用金属型铸造工艺生产招合金支架，因绕道和冒口会大量消耗招液，材料利用率低，在模具设计方面，也需要有复杂的考虑，如铸件的取出、模具的锁紧、型芯的固定或取出等，因此设计繁琐且模具设计周期长，但由于金属型冷却速度较快，铸造条件稳定，因此所得支架铸件组织较致密，且具有较好的尺寸精度和表面粗糙度。

2大型锅支架液态模锻工艺设计

2.1工件的工艺结构分析
现有一批典型军用坦克用零部件销合金支架外壳系列产品，该产品的结构特点符合大型锅支架的结构特点，因此本章以该系列产品为例进行实验研究，并取系列产品中的AlSi9Cu3银合金附件托架作为研究对象。
该招合金附件托架的结构特点：1)总体壁薄，壁厚不均等，壁厚区间大；2)尺寸轮廓大，质量分布不均；3)结构极其复杂，属于异型壳类零件，外形近似矩形，多筋，多孔，多凸台。其性能要求为：1)气密性好，内部质量不允许有裂缝和缩松、缩孔等;2)很多面不加工，尺寸精度要求高。3)该托架属于批量产品，每年需几千件至万件。该零部件最大轮廓外形尺寸为550X490X200mm，有三个大圆，直径分别是<1)260、0104、（1582。工件净重17kg。主要壁厚为5.5mm，最大壁厚为lOinin，最小壁厚为2.5mm，满足液锻最小壁厚要求。
虽该零件为非轴对称零件，但可以适量将施压位置居中，实现大致对称；该零件还存在侧凹和凸起，使用抽块也可实现成型；另外，该零件在局部有细孔，且孔槽较深，对于锡合金来讲，孔的直径应小于6mm，除此之外，该招合金托架的两壁交接处均为圆角过渡，加工余量为2mm。在不影响功能的前提下，该零件可以添加结构斜度，脱模斜度为r，便于脱模。综合来讲，该类零件结构适合液态模锻工艺生产。

3 大型铝支架液态模锻模具设计............................ 31-42
    3.1 毛坯(制模用)设计............................ 31
    3.2 模具整体结构设计 ............................31-38
    3.3 模具相关参数校核............................ 38-41
    3.4 试模发现的问题及解决办法............................ 41
    3.5 小结 ............................41-42
4 大型铝支架液态模锻工艺试验............................ 42-60
    4.1 实验准备 ............................42-47
        4.1.1 实验材料............................ 42-43
        4.1.2 实验设备............................ 43-47
    4.2 试棒液态模锻工艺实验............................ 47-59
    4.3 小结 ............................59-60
5 铝支架液态模锻缺陷的预防............................ 60-71
    5.1 尺寸缺陷............................ 60-62
        5.1.1 成型不完整 ............................60-62
        5.1.2 精度偏差............................ 62
    5.2 外观缺陷............................ 62-66
        5.2.1 氧化夹杂............................ 62-64
        5.2.2 褶皱 ............................64
        5.2.3 气孔及卷气............................ 64-66
    5.3 其他缺陷 ............................66-69
5.4 小结 ............................69-71

结论

本文以铝合金托架为主要研究对象，对大型复杂铝合金支架类零件液态模锻工艺及模具设计进行了探索性的研究。首先进行了铝合金托架的液态模锻工艺方案和模具设计；其次，进行了铝合金托架的工艺试验研宄和组织分析；最后针对铝合金液锻件的缺陷进行分析，并提出相应改进措施。通过以上过程，得出的主要结论如下：
(1)运用间接液态模锻成型工艺，在小型液锻机设备上，也能完整成型大型复杂的铝合金支架类零件。
(2)通过改变不同的工艺参数实验，得出浇注温度控制在750°C，液锻比压75MPa、充型速度30mm/s、保压时间30S，模具预热温度280°C时AlSi9Cu3铝合金托架的成型质量最好，且无明显缺陷。对于AlSi9Cu3拉伸试棒的工艺参数为浇注温度730°C、液锻比压75MPa、充型速度30mm/s、保压时间30s时，力学性能最好，且优于常规铸造产品。
(3)在液态模锻工艺中，浇注温度、液锻比压、充型速度、模具预热温度、热处理方式等均显著影响AlSi9Qi3铝合金托架的成型质量，其中液锻比压对力学性能的影响最大、保压时间和浇注温度次之，充型速度对力学性能的影响最小。
(4)铝合金托架最易在壁薄或不均匀处出现缺陷，除了人为操作因素外，开始加压时间、保压时间、模具的预热温度、浇注温度等等工艺参数对缺陷影响最为显著。