【文章內(nèi)容簡介】 熱成形壓力機(jī)外，大多數(shù)企業(yè)仍采用雙盤摩擦壓力機(jī)上配以空氣錘備培德人工操作生產(chǎn)工藝，使鍛件精度，模具壽命，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性均受影響。因而鍛造也面臨一個國內(nèi)由于汽車業(yè)的發(fā)展，國際上全球采購的良好發(fā)展機(jī)遇，因此鍛造企業(yè)應(yīng)加大企業(yè)的技改，大力采用打擊能量可控的離合式螺旋壓力機(jī)和熱模鍛壓力機(jī)，并配以楔橫軋，輥鍛制坯工藝，工件傳送逐步向手工操作向自動化操作過渡。從新材料（非調(diào)質(zhì)鋼）應(yīng)用、剪切、加熱、模具預(yù)熱、潤滑，此鍛造工藝過程控制，鍛件熱處理及清理，不斷地加以改造。使我國的鍛造業(yè)在已具備相當(dāng)產(chǎn)能規(guī)模的基礎(chǔ)上，提升整體競爭能力。目前，我國大型資由鍛件的生產(chǎn)處于“過?！?與“短缺”的雙重壓力之下，一般性大鍛件供大于求，而對于技術(shù)含量和質(zhì)量要求都很高的大型自由鍛件則生產(chǎn)能力低或沒有生產(chǎn)能力。在汽車鍛件方面，盡管卡車用模鍛件已全部由我國自己生產(chǎn)，但轎車模鍛件由于多數(shù)車型的知識產(chǎn)權(quán)不在我們手中，大部分仍然需要進(jìn)口。 國內(nèi)外對鋁合金鍛造技術(shù)的研究現(xiàn)狀鋁合金鍛造成形有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，汽車生產(chǎn)大國如美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家是鋁合金鍛造技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的領(lǐng)先者。例如，在歐美，已在載重車上應(yīng)用了鋁合金鍛件，如搖臂、支架等。正在研發(fā)高強(qiáng)鋁合金7075代替?zhèn)鹘y(tǒng)的合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造重型卡車主軸等大型鍛件的工藝。在國外鋁合金鍛件應(yīng)用的發(fā)展呈現(xiàn)如下幾個特征:1)應(yīng)用由價格昂貴的、對性能要求高的跑車向普通性能車擴(kuò)展。2)由載客用車向載貨用車擴(kuò)展。3)由一般件向承載件擴(kuò)展。在鍛造技術(shù)上，也呈現(xiàn)明顯的特征:1)即由簡單的單工位墩粗和擠壓成形，向多工步、多種成形方法復(fù)合方向發(fā)展。2)鍛件也由簡單向復(fù)雜方向發(fā)展。在國內(nèi)，我國鋁合金的整體鍛造水平較發(fā)達(dá)國家落后1020年，目前仍處于單工位的河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計4簡單墩粗和擠壓方式生產(chǎn)形狀相對較簡單的鍛件的階段。對于生產(chǎn)復(fù)雜的鋁合金鍛件時，由于沒有合適的體積分配方式相配合，因此，飛邊量大，使昂貴的鋁合金材料浪費(fèi)嚴(yán)重，大大增加了鋁合金的生產(chǎn)成本。目前，國內(nèi)對復(fù)雜鋁合金鍛件的生產(chǎn)發(fā)展緩慢，生產(chǎn)成本大、費(fèi)用高，無法滿足需求。 鋁合金鍛造模具CAD技術(shù)研究的意義鋁合金的塑性成形中，鍛造工藝技術(shù)相對己經(jīng)成熟，但是，多年的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)仍然落后于鍛造模具生產(chǎn)的發(fā)展。目前，鍛造模的形狀越來越復(fù)雜，而且要求鍛造模具有更高的強(qiáng)度和更高表面質(zhì)量的產(chǎn)品。雖然，在設(shè)計經(jīng)驗(yàn)中有的已經(jīng)合理的改進(jìn)為設(shè)計準(zhǔn)則，但大多數(shù)的模具設(shè)計仍然依靠個人的判斷力、直覺和經(jīng)驗(yàn)。鍛造模設(shè)計要通過試生產(chǎn)來驗(yàn)證，然后又要通過對模具修正以達(dá)到所需要控制的斷面尺寸、平直度和表面質(zhì)量的要求。用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)可以節(jié)約設(shè)計時間、縮短制模時間、減少試模修模次數(shù)、提高勞動生產(chǎn)率、以及標(biāo)準(zhǔn)化、連續(xù)化和自動化程度的提高，從而可使工模具成本大幅度降低。計算機(jī)輔助系統(tǒng)內(nèi)存儲了綜合性的各種專業(yè)技術(shù)知識和數(shù)據(jù)資料，加上人機(jī)對話，可實(shí)現(xiàn)工模具設(shè)計制造的質(zhì)量、效率和經(jīng)濟(jì)性。另外，由于從設(shè)計開始采用統(tǒng)一的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，使工模具制造具有一致性、重復(fù)性和精確性，從而保證工模具有良好的穩(wěn)定的質(zhì)量。鍛造模具的計算機(jī)輔助設(shè)計也是模具優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。 本課題的主要研究內(nèi)容與意義本文研究的主要內(nèi)容可分為兩大部分,一是通過零件的塑性成形工藝分析，用三維軟件(PRO/E)設(shè)計該零件的鍛造模具；二是用金屬材料塑性成形模擬軟件Deform 行有限元分析。本文的主要意義是通過用計算機(jī)輔助設(shè)計快速設(shè)計鋁合金零件的鍛造模具，用等溫鍛造的方法代替原來的機(jī)械加工，從而減少機(jī)械加工浪費(fèi)材料的現(xiàn)象，降低成本。河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計5第 2 章 摩托車鋁合金消聲器尾蓋鍛造工藝分析 鋁合金6061的一般特性 鋁合金簡介鋁是地殼中分布最多的元素之一，%。僅次于氧和硅。近幾十年來，鋁的材料工藝技術(shù)突飛猛進(jìn)，如果想提高性能必然要考慮采用輕金屬及復(fù)合材料。比如活塞，如果摩托車采用鋼制的活塞，其性能只能達(dá)到鋁合金的一半。鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、塑性好、易于成形、工藝簡單、成本低廉等特點(diǎn)，在非民用的領(lǐng)域，廣泛用于制作飛機(jī)構(gòu)件（蒙皮、框架、翼梁等）。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量中，鋁合金約占50%~80% ，成為宇航、航空工業(yè)的主要材料。在民用工業(yè)中，鋁合金應(yīng)用的領(lǐng)域主要是：建筑和結(jié)構(gòu)，容器和包裝，交通運(yùn)輸以及電導(dǎo)體。在兩輪摩托車上，近年來推出的車型不斷向高馬力重量比發(fā)展，國外已經(jīng)有大量使用此原料的習(xí)慣。至于改裝零件、賽車零件市場，鋁合金制的產(chǎn)更是比比皆是，很多諸如升高腳踏、車把、發(fā)動機(jī)零件等，都是以一些高性能的鋁合金作為原材料制作而成的。在傳統(tǒng)鋁合金中，一般分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，前者又有熱處理強(qiáng)化的鋁合金（如硬鋁與超硬鋁合金）和熱處理不能強(qiáng)化的鋁合鋁合金金（如防銹）。80年代以來，又掀起了開發(fā)快速凝固新型鋁合金以及AlLi 系合金、AlSc合金新一代鋁合金的新高潮，使鋁合金在高科技領(lǐng)域中占據(jù)著極為重要的地位。 鋁合金6061的化學(xué)成份和一般特性鋁合金按其加工方法分為變形鋁合金、鑄造鋁合金、粉末鋁合金三大類；變形鋁合金還可按其能否通過熱處理來進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，而分成可熱處理強(qiáng)化鋁合金和不可熱處理強(qiáng)化鋁合金兩類。根據(jù)我國頒布的標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 31901996)，變形鋁合金按其使用和工藝性能分為:防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等四類。用 LF 表示防銹鋁、LY 表示硬鋁、LC 表示超硬鋁，LD 表示鍛鋁。以數(shù)字編號表示各組不同化學(xué)成分的鋁合金。例如，LD30（美國 ASTM牌號 6061）表示 30 號鍛鋁。鍛鋁基本是 A1CuMgSi 系合金和 AICuMgFeNi 系合金，主要用于生產(chǎn)鍛件。 6061 合金中的主要合金元素為鎂與硅（AlMgSi），并形成 Mg2Si。具有中等強(qiáng)度(6061T6 的強(qiáng)度達(dá) 245MPa)、有良好的塑性和優(yōu)良的可焊性、抗蝕性、河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計6可機(jī)加工性，適合作建筑裝飾型材及各種需要良好耐蝕性要求的結(jié)構(gòu)件。6061 合金產(chǎn)品大多在固溶處理與時效后應(yīng)用，即在 T6 狀態(tài)下應(yīng)用，時效溫度 155165 ，保溫C?18h。6061 鋁合金的鍛造溫度范圍為 500 ~380 。6061 合金的熱學(xué)性能和化學(xué)成分如C?表 21 和表 22。 表21 6061的熱學(xué)性能鋁合金密度/ kg/m^3液相線溫度/℃固相線溫度/℃線膨脹系數(shù)比熱容/ J/(kgK)熱導(dǎo)率（T6）/ W/(mK)60612700652 582 896（20℃）167（25℃）表 22 6061 合金的化學(xué)成分 鋁合金在鍛造時通常具有以下一些特點(diǎn)純鋁塑性很高,易于成形；但是在鋁中加入合金元素后，其成形性也隨之降低，而且合金化程度愈高，其塑性愈低，給鍛造帶來一定的困難；此外，鋁合金的其他特性，給鍛造帶來更多的困難。幾乎所有鍛造用的鋁合金都有較好的塑性。低碳鋼可以鍛出的各種形狀的鍛件，用鋁合金都可鍛出來。但是，一般說來，由于鋁合金的流動性差，在金屬流動量相同情況，河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計7要比低碳鋼需多消耗約30%的能量。鋁合金由于導(dǎo)熱性好，加熱時內(nèi)應(yīng)力小，且易于均勻熱透，所以坯料可以直接裝入接近始鍛溫度的高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行快速加熱。擠壓坯料在不產(chǎn)生鍛造裂紋的條件下，不必進(jìn)行保溫，但鑄造坯料加熱時需要保溫。變形速度對鋁合金工藝塑性的影響主要取決于合金加工硬化和再結(jié)品軟化速度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，大多數(shù)鋁合金隨著變形速度的增大，在鍛造溫度范圍內(nèi)的工藝塑性并不發(fā)生顯著降低。這是因?yàn)樽冃嗡俣仍龃笏鸬募庸び不俣鹊脑黾?，沒有使它超過該合金的再結(jié)品速度。但是，一些化學(xué)成分比較復(fù)雜的鋁合金，隨著從動載變形(錘上)改為靜載變形(壓力機(jī))，工藝塑性便要下降。一般在低溫范圍內(nèi)變形抗力對變形速度的變化不敏感，而在高溫下(鍛造溫度范圍)則比較敏感，變形速度增大，變形抗力增大。根據(jù)變形速度對各類鋁合金變形抗力影響的研究表明，當(dāng)鋁合金由壓力機(jī)鍛造改為錘上鍛造時，變形抗力隨著合金化程度的不同。以上說明，鋁合金可以在壓力機(jī)上鍛造，也可以在錘上進(jìn)行鍛造:但是為了增大合金在鍛造時的允許變形程度，提高生產(chǎn)率，減少變形抗力，改善金屬充填型槽的流動性，選用壓力機(jī)來鍛造鋁合金比錘要好些。各種鍛壓設(shè)備上的工具運(yùn)動速度及金屬變形速度的大致范圍，見表23所示。表23 各種鍛壓設(shè)備上的變形速度鋁合金的鍛造溫度范圍一般都在150℃以內(nèi)，少數(shù)高強(qiáng)度鋁合金的鍛造溫度范圍甚至小到100℃，相關(guān)資料表明，其變形溫度基本上在350℃~500℃之間。由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，所以一般都采用能精確控制加熱溫度的帶強(qiáng)制循環(huán)空氣的箱式電阻爐或普通箱式電阻爐進(jìn)行加熱，溫差控制在177。10℃以內(nèi)。同時，為了保證適當(dāng)?shù)腻懺鞙囟龋岣吆辖鸬乃苄院土鲃有?，改善合金的成形條件，用于鍛造和模鍛的工具或模具需要預(yù)熱。表24列出常用的變形鋁合金的鍛造溫度范圍。河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計8表24 鋁合金鍛造溫度范圍所謂流動性是指合金在外力作用下充填鍛模型腔的能力，它主要取決于合金的變形抗力和外摩擦系數(shù)。鋁合金質(zhì)地很軟，外摩擦系數(shù)較大，所以流動性較差，模鍛時難于成形。:折疊是造成鋁合金模鍛件廢品的一個主要缺陷，鍛件因折疊造成的廢品率約占整個廢品率的70%~80%以上。它是由于模鍛時金屬對流，形成某些金屬的重疊，最后壓合而成為折疊。產(chǎn)生折疊的原因有:鍛件各斷面形狀和大小變化太劇烈，難以制坯，使金屬流動復(fù)雜；形狀復(fù)雜的鍛件，沒有預(yù)制坯和預(yù)鍛，或者預(yù)制坯和預(yù)鍛模膛設(shè)計不合理，與終鍛模膛配合不當(dāng)，局部金屬過多或過少；操作失誤，潤滑不均，加壓速度太快等。由于鋁合金的鍛造溫度范圍窄，其鍛造加熱溫度，尤其是淬火加熱溫度很接近合金的共晶熔化溫度，容易發(fā)生過燒。所以在鍛件和模具加熱以及鍛件淬火加熱時，必須十分注意溫度上限，嚴(yán)格遵守工藝操作規(guī)程否則會引起鍛件過燒。鍛件過燒后，表而發(fā)暗，有氣泡，一鍛就裂。鍛鋁和硬鋁很容易產(chǎn)生大晶粒，它們主要分布在鍛件變形程度小而尺寸較大的部位、河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計9變形程度大和變形激烈的區(qū)域以及飛邊區(qū)附一近。另外，在鍛件的表面也常常有一層粗晶，其產(chǎn)生原因有兩種情況:其一，是擠壓坯料表層粗晶環(huán)被帶入鍛件:其二，是模鍛時模膛表而太粗糙，模具溫度太低，潤滑不良，使表面接觸層激烈剪切變形，因而產(chǎn)生粗晶。由于鋁合金的塑性和流動性較差，很容易產(chǎn)生表面和內(nèi)部裂紋。坯料加熱不足，保溫時間不夠、鍛造溫度過高或過低，變形程度太大，變形速度太高、鍛造過程中產(chǎn)生的彎曲、折疊沒有及時消除，再次進(jìn)行鍛造，都很可能產(chǎn)生表面裂紋。鋁合金鍛件的內(nèi)部裂紋主要是由于坯料內(nèi)部存在有粗大的氧化物夾渣和低熔點(diǎn)脆性化合物，變形時在拉應(yīng)力和切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生開裂，不斷擴(kuò)大。此外，由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，如果模具和鍛造工具沒有預(yù)熱，或預(yù)熱溫度不夠也很有可能會引起鍛件產(chǎn)生裂紋。、渦流和穿流其形成原因與折疊基木相同，也是由于金屬對流或流向紊亂而造成，只不過有的部位盡管存在有流線不順和渦流現(xiàn)象，但未能發(fā)展成折疊那樣嚴(yán)重的程度。穿流和渦流能明顯的降低塑性指標(biāo)、疲勞性能和抗腐蝕性能。、起皮和表面粗糙鋁合金因質(zhì)地很軟，外摩擦系數(shù)大，最容易粘模，這不僅會引起鍛件起皮，使鍛件表而粗糙，有時甚至因不能脫模而中斷生產(chǎn)。起皮，即在鍛件表面呈薄片狀起或脫落，主要原因是由于模膛表面粗糙、變形過于激烈、變形速度太快、變形溫度太高、變形量太大，模鍛時沒有潤滑或潤滑不良造成的。鍛件表面粗糙產(chǎn)生主要原因是由于模鍛表面不光滑，潤滑劑不干凈或燃點(diǎn)太高，涂抹過多，模鍛時未完全揮發(fā)，殘存在鍛件表面上，蝕洗后在鍛件表面上顯現(xiàn)出不同的蝕洗深度。 金屬塑性成形簡介 金屬塑性（成型）加工是指利用模具使金屬在應(yīng)力下塑性變形，如軋、 拉拔、沖壓、 擠壓等。金屬材料經(jīng)成形過程后，其組織、性能獲得改善和提高。凡受交變載荷作用或受力條件惡劣的構(gòu)件，一般都要通過塑性成形過程，才能達(dá)到使用要求。塑性成形是無切屑成形方法，因而能使工件獲得良好的流線形狀及合理的材料利用率。用塑性成形方法可使工件尺寸達(dá)到較高精度，具有很高的生產(chǎn)效率。塑性成形分冷成形、溫成形和熱成形。溫成形要考慮溫度對材料性質(zhì)的影響，熱成形還要考慮材料的蠕變效應(yīng)。金屬塑性成形包括塊體成形、板料成形及軋制等(見塑性力河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計10學(xué))。各種塑性成形都以金屬材料具有塑性性質(zhì)為前提，都需要有外力作用，都存在外摩擦的影響，都遵循著共同的金屬學(xué)和塑性力學(xué)規(guī)律。 等溫鍛造技術(shù)等溫鍛造的主要特點(diǎn)是模具與成形件處于基本相同的溫度，因此需要帶有模具加熱及控溫裝置。等溫鍛造一般速率較低，主要采用液壓機(jī)。 超塑性等溫鍛造對溫度和速率的要求比一般意義的等溫鍛造更加嚴(yán)格，而且坯料的顯微組織應(yīng)基本屬于超塑性類型。然而二者之間沒有截然的區(qū)別，有些等溫鍛造過程中坯料在變形到一定程度之后，一方面組織實(shí)現(xiàn)了等軸細(xì)晶化，另一方面等溫鍛造一般隨著變形的進(jìn)行速率會逐漸降低。因此這些等溫鍛造中有一個從一般的塑性成形過渡到超塑件成份的過程。這有助于提高成形件精度和質(zhì)量，但又無須對材料進(jìn)行繁雜的預(yù)處理，比典型的超塑性等溫鍛造成本要低；同時由于等溫鍛造的前一階段采取了比較高的變形速率，還可以提高整個成形過程的效率，因此這是一種值得倡導(dǎo)的成形方式。 在等溫鍛造基礎(chǔ)上發(fā)展的“熱模鍛造”和“溫模鍛造” 與等溫鍛造的主要區(qū)別在于模具與成形件之間具有溫差，從而減低了對模具材料的要求。