臂板件液態(tài)模鍛分析與模具設計

徐勝利

（西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089）

1 引言

液態(tài)模鍛是將熔煉合格的液態(tài)金屬直接注入模腔內持續(xù)施以機械靜壓力，使熔融金屬在壓力作用下發(fā)生流變充型、結晶凝固和流變補縮，獲得內部組織致密，外觀光潔，尺寸精確的材料成形方法。

其主要特點有：①液鍛模具比金屬固態(tài)模鍛充填性好；②液鍛件組織致密，無成份偏析、無各向異性，組織為等軸細晶結構；③液鍛件抗腐蝕性能良好，力學性能接近模鍛件；④液鍛成形速度低，排氣性好，材料消耗少，適應性強，綠色環(huán)保。

如圖1所示為某型航空救援裝備臂板件，該零件工作時承受較大的彎曲載荷。圓柱銷軸孔工作時既要轉動靈活，又要承受較大擠壓力，要求表面硬度高。根據零件技術條件，工作環(huán)境和生產批量，綜合分析選擇液態(tài)模鍛工藝較為科學合理。

2 臂板液態(tài)模鍛件設計

液態(tài)模鍛和普通模鍛一樣，鍛件圖是設計和制造模具的主要依據，根據液態(tài)模鍛工藝特點，臂板件液鍛件圖設計如下：

①分模面選擇：確定液鍛件分模面原則與金屬壓鑄件相同。根據零件形狀，滿足液鍛件易于從型腔中取出，擠壓充填成形效果良好，并且便于模具加工制造，選擇零件投影面積最大面為分模面。

②收縮率選擇：考慮金屬冷卻收縮和模具受熱膨脹等因素，收縮率取為1.2%較為合理。

③圓角半徑：根據零件尺寸、形狀和成形工藝要求，園角半徑取R3～5mm。

④模鍛斜度：該模具結構設計中有頂料裝置，且要求液鍛件開模留于下模中。因此，模鍛斜度取2°～3°較為合理，且下模型腔斜度小于上模型腔斜度。

圖1 臂板件零件圖

3 模具結構設計

3.1 模具結構分析

臂板液態(tài)模鍛模具結構如圖2所示，模具采用一模兩腔69式對稱布置，分模面選擇在臂板件高度方向中線部位（如圖1所示）。加料口設置在模具上方，澆口開設在臂板件大端側向以利于成形和補縮。壓力機選用帶頂出裝置的普通雙動液壓機。在液壓機活動橫梁上安裝有快速固模裝置，壓柱和液壓機主杠活塞桿連接。

模具工作時，下模部分固定于液壓機工作臺面。上模部分用快速固模裝置固定于液壓機活動橫梁，上、下模用導柱導套定位導向。待上、下模合模準備好后?？焖俟棠Ｑb置松開。活動橫梁上行，加料口外漏，用澆包將高溫金屬液定量注入加料室及型腔內。然后活動橫梁底面下行至上模上平面后迅速操作快速固模裝置，使上模與活動橫梁固定牢靠，合模澆注結束。液壓機主缸活塞桿帶動壓柱以一定速度向下運動，將金屬通過澆注系統(tǒng)壓入型腔。保壓、凝固后，完成零件成形。

圖2 臂板件液鍛模具圖

成形結束后，主缸活塞桿帶動活動橫梁和壓柱向上移動一定距離后停止，下頂出缸工作，推動頂桿，液鍛件被頂桿推向模外（一個行程），取出鍛件。清理模具、向模腔噴刷涂料，冷卻后重復進行下一個循環(huán)操作。

3.2 模具主要結構設計

（1）模具工作部分材料選擇：液鍛模具工作時，雖然所需壓力比普通模鍛小得多，但成形過程與液態(tài)金屬接觸的模具零件吸熱嚴重，溫度過高會導致模具零件強度降低，影響生產。綜合考慮模具材料選3Cr2W8V，熱處理硬度控制在52～56HRC。型腔表面加工粗糙度Ra為0.4～0.8μm。

依據美國心臟協(xié)會給出的15段分段法實施評估，閉塞即為達到100%狹窄程度；重度狹窄即為處于75至100%之間的狹窄程度；中度狹窄即為處于50至75%之間的狹窄程度；輕度狹窄即為低于50%的狹窄程度；無狹窄即為不存在狹窄程度。

（2）脫模斜度：設計脫模斜度主要是為了鍛件脫模方便，在型腔壁和型芯與液鍛件接觸面設計脫模斜度。對壁板液鍛件，為保證順利脫模且鍛件留于下模，上模型腔脫模斜度取3°，下模型腔脫模斜度取2°。

（3）脫模機構：利用液壓機頂出缸推動頂桿把液鍛件推向模外，然后取出鍛件。

（4）快速固模裝置：由于該模具選用普通雙動液壓機，在注入金屬液時加料口必須外漏，需要上模與活動橫梁周期脫開或牢靠固定，設計快速固定模具機構，可很好的解決此困難，實現(xiàn)普通設備上完成高效生產功能。

（5）排氣系統(tǒng)：成形過程中為了順利排除氣體和金屬氧化夾雜物。在臂板件大端和小端均設計溢流槽，末端連接排氣槽，實現(xiàn)排出型胎內氣體功能。

4 成形工藝分析

4.1 模具預熱溫度

模具預熱溫度是直接影響液鍛件質量和模具壽命的一個重要因素。溫度低會導致鍛件表面出現(xiàn)冷隔或裂紋。溫度高，既可能出現(xiàn)模具與液態(tài)金屬熔焊現(xiàn)象，又會出現(xiàn)鍛件晶粒粗大。生產實踐可知模具溫度控制在280℃～320℃范圍內最為合適。

4.2 金屬液澆注溫度

由于液態(tài)模鍛模具無澆注系統(tǒng)，充模過程主要靠壓力充填模具型腔各部位。所以澆注溫度比普通鑄造溫度偏低一些。這樣做有兩點好處：一是對制件組織、性能產生有利影響，縮孔、疏松缺陷不易出現(xiàn)。再者可以減少模具的熱侵蝕，延長模具壽命。試驗獲得LD10鋁合金，其澆注溫度控制在700℃以內最合理。

4.3 成形壓力

成形壓力是液態(tài)模鍛的一個主要工藝參數，其作用是使金屬液具有一定的充填速度。保證金屬液在壓力下結晶，使液鍛件組織致密，晶粒細化，強度提高。合適的成形壓力與合金成份、澆注溫度、加壓方式、鍛件形狀、尺寸等因素有關。試驗表明，澆注溫度愈高，所需成形壓力愈大，制件高度H與直徑D的比值H/D愈大，所需壓力也愈大。異形凸模施壓比平凸模施壓所需壓力要大。精確的理論計算比較困難，按如下經驗公式計算：

P=K1K2[1+0.01（H/a）3]

式中：P——成形壓力，MPa；

K1——合金種類系數；

K2——液鍛方式系數；

H——鍛件中液態(tài)金屬阻力較大部位高度，mm；

a——與H部位相對應的平均厚度，mm。

實踐證明，對LD10鋁合金，試驗結果為80～90MPa，可獲得良好的力學性能和外觀質量。

4.4 充填速度

充填速度的選擇與液鍛件合金種類，形狀復雜程度和壁厚等因素有關。充填速度快，充填狀態(tài)紊亂，會引起金屬液飛濺。充填速度慢，金屬液流動能力減小，薄壁處易形成結殼層使充填更加困難。同時，金屬液匯合處還會出現(xiàn)冷隔缺陷。生產實踐獲得合理的充填速度為2～3mm/s。

4.5 充填時間

充填時間是指金屬液開始充填型腔到充填終了的時間。而充填時間選擇與鍛件大小和復雜程度有關，臂板件液態(tài)模鍛充填時間選取在0.9s～1.2s較合適。

4.6 加壓及保溫時間

金屬在高溫狀態(tài)下澆注，一般以金屬的溫度不冷卻到低于固相線溫度為準，厚壁簡單件，加壓時間長；薄壁復雜件加壓時間應取短些。因此，澆注完成后，立即啟動機器，凸模下行至接觸液態(tài)金屬后即開始施壓。加壓時間過早，金屬液中容易吸入氣體產生飛濺。加壓時間晚，會使金屬自由結殼厚度增大，降低加壓效果，出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。

保壓時間是指加壓開始到合金完全凝固的時間。在整個保壓時間內，壓力必須保持穩(wěn)定。使液態(tài)金屬在壓力下完全凝固收縮。根據文獻[1]的介紹，按鍛件尺寸最大厚度每0.5～1s/mm估算。對臂板液鍛件取 20s～25s。通過組織分析、觀察，液鍛件無縮孔、疏松等缺陷，且組織致密。

留摸時間是指保壓結束到開模分型時間，鍛煉尺寸大、形狀復雜、留模時間長，臂板件留模時間取9s～10s為宜。

4.7 澆注質量控制

液態(tài)模鍛工藝過程是無澆注系統(tǒng)，金屬液直接澆入型腔內部，對注入的金屬量應進行精確控制，常用的控制方法是采用定量澆包澆注。由于無澆注系統(tǒng)除渣，為保證金屬液的純凈，澆注前必須進行除渣處理。

5 結束語

（1）生產實踐表明，利用液態(tài)模鍛工藝生產的臂板件工藝合理，機械加工后內在質量和力學性能良好，完全滿足該零件工作環(huán)境要求。

（2）液鍛工藝參數的合理選擇對提高零件質量影響較大，應根據零件要求、合金性能、模具結構，通過試驗優(yōu)化確定出合理的工藝參數，以滿足批量生產。