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1、河北工程大学科信学院毕业设计摘 要铝合金制品，其重量轻、抗冲击、耐用等方面优势，是减轻重量和提升产品性能的重要材料之一。6061铝合金中的主要合金元素为镁与硅，具有中等强度、良好的可成型性、抗腐蚀性、可焊接性、氧化效果较好，而且它的相变温度和锻造温度均较低，非常适合采用等温模锻方法制造复杂结构件。本文对摩托车铝合金消声器尾盖进行锻造工艺分析，确定铝合金6061锻造热力学参数，确定锻件毛坯的加热方法，锻造模具的预热方法。 通过其锻造工艺分析，确定成型方案之后，用三维软件（PRO/E）设计该零件的锻造模具。有限元数值模拟己经逐渐发展成为研究锻造过程的有效工具。本文使用大型锻造专用软件DEFORM-
2、3D对铝合金6061复杂结构件等温锻造过程进行了模拟，充分了解金属的流动规律、应力应变分布规律，用三维软件（DEFORM-3D）的有限元分析模块分析了模具的应力应变规律，为锻造和模具设计过程提供有参价值的数据，从而可以减少试模时模具破裂的机率。关键词：锻造 铝6061 PRO/E DEFROM-3D ABSTRACTThe aluminum alloy is one important material for lightening the product weight and improving the product performance, because of the light we
3、ight, the anti- impact and the durable use of its product. The main alloying elements in the aluminum alloy 6061 are the magnesium and the silicon. Its product has the medium intensity, the good formability, the anti- cauterization, good welding, and the good oxidized effect; also its transformation
4、 temperature and the forging temperature are lower, so it is extremely suitable to manufacture complex structure by using the Isothermal Forging method.In this thesis, the forging craft of the aluminum alloy silencer cover of the motorcycle is analyzed, then the forging thermodynamic parameter of th
5、e aluminum alloy 6061, the method of heating up the forging billet and the preheating method of the forging dies are defined. Through the forging craft analysis, the shaping method of the forged piece is determined and then the forging dies is designed with the three dimensional software (PRO/E). Nu
6、merical simulation based on FEM has become a powerful tool on analyzing forging process. In this paper, 3-D numerical simulations for isothermal forging processes of a complex structural component of aluminum alloy 6061 were performed by using of DEFORM-3D software. The flowing rule of the alloy, th
7、e strain and the stress distribution rule within the work piece were analyzed in the simulation. Also the strain and the stress distribution rule of the dies were analyzed by using the three dimensional software (DEFORM-3D). The results of the simulations offer valuable data for the forging and the
8、designing of the dies, so the damage chance of dies is reduced when testing the molds.Keywords: forging Aluminum alloy 6061 PRO/E DEFROM-3D目录第 1 章 绪论11.1 铝合金锻造技术和模具的概况11.1.1 引言11.1.2国内外对锻造技术的研究现状21.1.3 国内外对铝合金锻造技术的研究现状31.2 铝合金锻造模具CAD技术研究的意义41.3 本课题的主要研究内容与意义4第 2 章 摩托车铝合金消声器尾盖锻造工艺分析52.1 铝合金6061的一般特性5
9、2.1.1 铝合金简介52.1.2 铝合金6061的化学成份和一般特性52.1.3 铝合金在锻造时通常具有以下一些特点62.1.4铝合金锻造常见的缺陷有以下几种:82.2 金属塑性成形简介92.3 等温锻造技术102.4 锻件的工艺性分析122.4.1 锻件材料122.4.2 锻件形状122.4.3 锻件尺寸精度和表面质量14第 3 章 加热和保温系统的设计163.1 坯料的加热163.2模具的预热173.3 模具温度的测量20第 4 章 锻造模具设计214.1 模锻的分类和成形特点214.1.1 开式模锻的成形原理214.1.2 闭式模锻的成形原理224.1.3 精密模锻234.2 尾盖锻件
10、图的绘制244.3 模具零件的设计284.3.1 凹模的设计284.3.2 凸模的设计304.3.3 模具的装配314.3.4 模具的润滑324.3.5 锻压设备的选择33第 5 章 尾盖塑性成形的有限元分析345.1 引言345.2 金属塑性成形有限元模拟软件DEFORM-3D简介345.3 DEFORM模拟操作示意流程365.4 计算条件的设定375.4.1 有限元模拟的几何图形375.4.2 温度的确定385.4.3 材料特性的定义385.5 网格生成和重划分算法405.6 模拟的结果425.6.1 圆柱毛坯成形过程425.6.2 锻造应力场、速度场与节点位移445.6.3 最终成形时坯
11、料与模具的接触情况485.6.4 不同体积坯料分析485.7 多次模拟后的改进495.7.1 充型比较495.7.2 板料与模具接触情况51结 论53参考文献54致 谢5555第 1 章 绪论1.1 铝合金锻造技术和模具的概况1.1.1 引言铝及铝合金因有质量轻、比强度高、耐腐蚀性强、耐高低温性能好、电导率和热导率优良、可热处理性好、加工成形容易、表面美观等一系列无可比拟的优点，有着相当广泛的应用。世界各国均将铝合金及其产业作为重点发展方向。其发展速度远远高于其他金属材料，是消耗量仅次于钢铁的金属。目前，摩托车上用到的合金材料有铝合金、镁合金及钛合金等，这几种合金材料以其各自独特的优势，赢得了
12、在摩托车上重要的一席之地，尤其是铝合金，其广泛的应用形势被众多业内人士看好。铝合金的成型工艺有铸造和锻造的方法，但锻造的产品比铸造的产品有更多优点，虽然现在还是铸造占主导地位，但随着产品要求的提高，锻造会逐渐成为重要零件的主要加工方法。例如汽车上重要的零件轮毂就有逐渐铝合金化和以锻造为主的趋势。在过去的10年，全球铝合金汽车轮毂产量的年平均增长率达7.6。自2001年开始，美国轿车与轻型卡车的59都用的是铝合金轮毂，其总质量约290kt。其中约81%是用356合金低压永久模铸造的，用6061合金锻造的轮毂占11，以5454合金薄板及厚板加工的分别占4及3，高压挤铸（Squeeze Cast）的
13、占1。在近些年，锻造铝合金轮毂的增长速度比铸造轮毂的增长速度快得多，因为前者有更高的性能价格比。至今，现代塑性加工技术正向智能化、精确化和自动化方向发展。塑性加工技术的精确化包括两方面内容:一是锻件的外形尺寸尽可能接近零件的形状尺寸，即所谓近/净形锻件:二是锻件内在冶金质量的精确控制，锻件的组织性能满足使用要求并且稳定一致。塑性加工技术向精确化方向的发展，可以满足高效、优质、低耗的现代化生产要求。特别是在航空航天领域里，由于对锻件质量的要求苛刻，原材料的价格昂贵，所以对于从事飞行器制造的企业来说，塑性加工技术精确化不仅使制造成本大为降低，而且可以提供优质锻件，从而提高企业的竞争能力。在国外，塑
14、性加工技术精确化已经得到了广泛应用，据有关资料介绍，美国F22战斗机的钛合金隔框，在超塑性条件下，一次整体成形。在国内由于受设备吨位以及生产技术条件的制约，塑性加工技术精确化的发展尚处于初级阶段。1.1.2国内外对锻造技术的研究现状1. 锻件产量分布：作为机械制造业的基础行业，锻压行业对装备制造业和国防建设具有重要的影响，也是一个国际工业化程度的重要标志，我国已成为世界锻压业的大国，但还不能称其为世界锻压业的强国。国内外锻件的产量和使用情况如表1-1和表1-2。表1-1 世界锻件产量分析表1-2 世界锻件使用分布情况2. 我国锻压业与世界先进国家的差距1) 锻件类别的差距日本作为当今世界上锻压
15、业最先进的国家，其模锻件占总量的82.6%，自由锻件占5.5%，环形件占11.9%，我国模锻件占65%，自由锻件占35%；日本在模锻件中冷锻件占5.8%，我国约占1%（不包含标准件）；日本铝锻件占1.9%，我国占0.1%。2) 劳动生产率日本全员劳动生产率为175吨/人年，印度为16.5吨/人年。我国最具代表性的汽车锻造公司的全员劳动生产率为50吨/人年，浙江温州地区的统计约为18.7吨/年人。3) 能源消耗与环保我国能源总量为世界第三位，能源消费是世界第二位，占世界总消费量10%。能源利用率只达32%，日本为57%，而每百万美元GDP的二氧化碳排量却是3077.7吨，是日本的11.8倍，印度
16、的1.4倍。4) 模具寿命我国热锻模寿命一般在4000-6000件，主要受工艺设计、锻造设备、加热、润滑等因素影响，国外模具寿命在10000-15000件，是我国的2.5倍左右，模具寿命是影响锻件成本的主要因素，提高锻模的寿命是锻造企业共同的使命。3.锻造设备 我国已有8MN以上液压机140余台，其中60MN-125MN压机9台，具备了600MW亚临界火电机组，700MN水电机全部大锻件的生产能力，150MN液压机的投入使用，相应配套装备及工艺水平就位后将能制造550-600吨钢锭，生产300吨级优质锻件，逐步满足现全部靠进口的700MW水电，1000MW核电及超临界火电机组的大锻件。我国模锻
17、件生产企业，部分骨干企业采用了热模锻压力机，并相应配以操作机械手和多工位热成形压力机外，大多数企业仍采用双盘摩擦压力机上配以空气锤备培德人工操作生产工艺，使锻件精度，模具寿命，锻件质量稳定性均受影响。因而锻造也面临一个国内由于汽车业的发展，国际上全球采购的良好发展机遇，因此锻造企业应加大企业的技改，大力采用打击能量可控的离合式螺旋压力机和热模锻压力机，并配以楔横轧，辊锻制坯工艺，工件传送逐步向手工操作向自动化操作过渡。从新材料（非调质钢）应用、剪切、加热、模具预热、润滑，此锻造工艺过程控制，锻件热处理及清理，不断地加以改造。使我国的锻造业在已具备相当产能规模的基础上，提升整体竞争能力。目前，我
18、国大型资由锻件的生产处于“过剩”与“短缺”的双重压力之下，一般性大锻件供大于求，而对于技术含量和质量要求都很高的大型自由锻件则生产能力低或没有生产能力。在汽车锻件方面，尽管卡车用模锻件已全部由我国自己生产，但轿车模锻件由于多数车型的知识产权不在我们手中，大部分仍然需要进口。1.1.3 国内外对铝合金锻造技术的研究现状铝合金锻造成形有着广阔的应用前景。目前，汽车生产大国如美国、日本、德国等发达国家是铝合金锻造技术研发与应用的领先者。例如，在欧美，已在载重车上应用了铝合金锻件，如摇臂、支架等。正在研发高强铝合金7075代替传统的合金结构钢锻造重型卡车主轴等大型锻件的工艺。在国外铝合金锻件应用的发展
19、呈现如下几个特征:1)应用由价格昂贵的、对性能要求高的跑车向普通性能车扩展;2)由载客用车向载货用车扩展;3)由一般件向承载件扩展。在锻造技术上，也呈现明显的特征:1)即由简单的单工位墩粗和挤压成形，向多工步、多种成形方法复合方向发展;2)锻件也由简单向复杂方向发展。在国内，我国铝合金的整体锻造水平较发达国家落后10-20年，目前仍处于单工位的简单墩粗和挤压方式生产形状相对较简单的锻件的阶段。对于生产复杂的铝合金锻件时，由于没有合适的体积分配方式相配合，因此，飞边量大，使昂贵的铝合金材料浪费严重，大大增加了铝合金的生产成本。目前，国内对复杂铝合金锻件的生产发展缓慢，生产成本大、费用高，无法满足
20、需求。1.2 铝合金锻造模具CAD技术研究的意义铝合金的塑性成形中，锻造工艺技术相对己经成熟，但是，多年的设计经验仍然落后于锻造模具生产的发展。目前，锻造模的形状越来越复杂，而且要求锻造模具有更高的强度和更高表面质量的产品。虽然，在设计经验中有的已经合理的改进为设计准则，但大多数的模具设计仍然依靠个人的判断力、直觉和经验。锻造模设计要通过试生产来验证，然后又要通过对模具修正以达到所需要控制的断面尺寸、平直度和表面质量的要求。用计算机辅助设计技术可以节约设计时间、缩短制模时间、减少试模修模次数、提高劳动生产率、以及标准化、连续化和自动化程度的提高，从而可使工模具成本大幅度降低。计算机辅助系统内存
21、储了综合性的各种专业技术知识和数据资料，加上人机对话，可实现工模具设计制造的质量、效率和经济性。另外，由于从设计开始采用统一的基本数据进行控制，使工模具制造具有一致性、重复性和精确性，从而保证工模具有良好的稳定的质量。锻造模具的计算机辅助设计也是模具优化设计的关键技术。1.3 本课题的主要研究内容与意义本文研究的主要内容可分为两大部分,一是通过零件的塑性成形工艺分析，用三维软件(PRO/E)设计该零件的锻造模具；二是用金属材料塑性成形模拟软件Deform 3D-V6.1进行有限元分析。本文的主要意义是通过用计算机辅助设计快速设计铝合金零件的锻造模具，用等温锻造的方法代替原来的机械加工，从而减少
22、机械加工浪费材料的现象，降低成本。第 2 章 摩托车铝合金消声器尾盖锻造工艺分析2.1 铝合金6061的一般特性2.1.1 铝合金简介铝是地壳中分布最多的元素之一，约占8.8%。仅次于氧和硅。近几十年来，铝的材料工艺技术突飞猛进，如果想提高性能必然要考虑采用轻金属及复合材料。比如活塞，如果摩托车采用钢制的活塞，其性能只能达到铝合金的一半。铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、塑性好、易于成形、工艺简单、成本低廉等特点，在非民用的领域，广泛用于制作飞机构件（蒙皮、框架、翼梁等）。在飞机结构重量中，铝合金约占50%80%，成为宇航、航空工业的主要材料。在民用工业中，铝合金应用的领域主要是：建筑和结构
23、，容器和包装，交通运输以及电导体。在两轮摩托车上，近年来推出的车型不断向高马力重量比发展，国外已经有大量使用此原料的习惯。至于改装零件、赛车零件市场，铝合金制的产更是比比皆是，很多诸如升高脚踏、车把、发动机零件等，都是以一些高性能的铝合金作为原材料制作而成的。在传统铝合金中，一般分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，前者又有热处理强化的铝合金（如硬铝与超硬铝合金）和热处理不能强化的铝合铝合金金（如防锈）。80年代以来，又掀起了开发快速凝固新型铝合金以及Al-Li 系合金、Al-Sc合金-新一代铝合金的新高潮，使铝合金在高科技领域中占据着极为重要的地位。2.1.2 铝合金6061的化学成份和一般特性
24、铝合金按其加工方法分为变形铝合金、铸造铝合金、粉末铝合金三大类；变形铝合金还可按其能否通过热处理来进行沉淀强化，而分成可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两类。根据我国颁布的标准(GB/T 3190-1996)，变形铝合金按其使用和工艺性能分为:防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝等四类。用LF表示防锈铝、LY表示硬铝、LC表示超硬铝，LD表示锻铝。以数字编号表示各组不同化学成分的铝合金。例如，LD30（美国ASTM牌号6061）表示30号锻铝。锻铝基本是A1-Cu-Mg-Si系合金和AI-Cu-Mg-Fe-Ni系合金，主要用于生产锻件。 6061合金中的主要合金元素为镁与硅（Al-Mg-Si），并
25、形成Mg2Si。具有中等强度(6061-T6的强度达245MPa)、有良好的塑性和优良的可焊性、抗蚀性、可机加工性，适合作建筑装饰型材及各种需要良好耐蚀性要求的结构件。6061合金产品大多在固溶处理与时效后应用，即在T6状态下应用，时效温度155-165，保温18h。6061铝合金的锻造温度范围为500380。6061合金的热学性能和化学成分如表2-1和表2-2。 表2-1 6061的热学性能铝合金密度/ kg/m3液相线温度/固相线温度/线膨胀系数比热容/ J/(kgK)热导率（T6）/ W/(mK)60612700652582896（20）167（25）表2-2 6061合金的化学成分2.
26、1.3 铝合金在锻造时通常具有以下一些特点纯铝塑性很高,易于成形；但是在铝中加入合金元素后，其成形性也随之降低，而且合金化程度愈高，其塑性愈低，给锻造带来一定的困难；此外，铝合金的其他特性，给锻造带来更多的困难。1.可锻性几乎所有锻造用的铝合金都有较好的塑性。低碳钢可以锻出的各种形状的锻件，用铝合金都可锻出来。但是，一般说来，由于铝合金的流动性差，在金属流动量相同情况，要比低碳钢需多消耗约30%的能量。2.导热性良好铝合金由于导热性好，加热时内应力小，且易于均匀热透，所以坯料可以直接装入接近始锻温度的高温炉膛内进行快速加热。挤压坯料在不产生锻造裂纹的条件下，不必进行保温，但铸造坯料加热时需要保
27、温。3.对应变速率敏感变形速度对铝合金工艺塑性的影响主要取决于合金加工硬化和再结品软化速度之间的关系。研究结果表明，大多数铝合金随着变形速度的增大，在锻造温度范围内的工艺塑性并不发生显著降低。这是因为变形速度增大所引起的加工硬化速度的增加，没有使它超过该合金的再结品速度。但是，一些化学成分比较复杂的铝合金，随着从动载变形(锤上)改为静载变形(压力机)，工艺塑性便要下降。一般在低温范围内变形抗力对变形速度的变化不敏感，而在高温下(锻造温度范围)则比较敏感，变形速度增大，变形抗力增大。根据变形速度对各类铝合金变形抗力影响的研究表明，当铝合金由压力机锻造改为锤上锻造时，变形抗力随着合金化程度的不同，
28、大约增大了0.5-2倍。以上说明，铝合金可以在压力机上锻造，也可以在锤上进行锻造:但是为了增大合金在锻造时的允许变形程度，提高生产率，减少变形抗力，改善金属充填型槽的流动性，选用压力机来锻造铝合金比锤要好些。各种锻压设备上的工具运动速度及金属变形速度的大致范围，见表2-3所示。表2-3 各种锻压设备上的变形速度4.锻造温度范围窄铝合金的锻造温度范围一般都在150以内，少数高强度铝合金的锻造温度范围甚至小到100，相关资料表明，其变形温度基本上在350500之间。由于铝合金的锻造温度范围很窄，所以一般都采用能精确控制加热温度的带强制循环空气的箱式电阻炉或普通箱式电阻炉进行加热，温差控制在10以内
29、。同时，为了保证适当的锻造温度，提高合金的塑性和流动性，改善合金的成形条件，用于锻造和模锻的工具或模具需要预热。表2-4列出常用的变形铝合金的锻造温度范围。表2-4 铝合金锻造温度范围5.流动性差所谓流动性是指合金在外力作用下充填锻模型腔的能力，它主要取决于合金的变形抗力和外摩擦系数。铝合金质地很软，外摩擦系数较大，所以流动性较差，模锻时难于成形。2.1.4铝合金锻造常见的缺陷有以下几种:1.折叠折叠是造成铝合金模锻件废品的一个主要缺陷，锻件因折叠造成的废品率约占整个废品率的70%80%以上。它是由于模锻时金属对流，形成某些金属的重叠，最后压合而成为折叠。产生折叠的原因有:锻件各断面形状和大小
30、变化太剧烈，难以制坯，使金属流动复杂；形状复杂的锻件，没有预制坯和预锻，或者预制坯和预锻模膛设计不合理，与终锻模膛配合不当，局部金属过多或过少；操作失误，润滑不均，加压速度太快等。2.过烧由于铝合金的锻造温度范围窄，其锻造加热温度，尤其是淬火加热温度很接近合金的共晶熔化温度，容易发生过烧。所以在锻件和模具加热以及锻件淬火加热时，必须十分注意温度上限，严格遵守工艺操作规程否则会引起锻件过烧。锻件过烧后，表而发暗，有气泡，一锻就裂。3.大晶粒锻铝和硬铝很容易产生大晶粒，它们主要分布在锻件变形程度小而尺寸较大的部位、变形程度大和变形激烈的区域以及飞边区附一近。另外，在锻件的表面也常常有一层粗晶，其产
31、生原因有两种情况:其一，是挤压坯料表层粗晶环被带入锻件:其二，是模锻时模膛表而太粗糙，模具温度太低，润滑不良，使表面接触层激烈剪切变形，因而产生粗晶。4.裂纹由于铝合金的塑性和流动性较差，很容易产生表面和内部裂纹。坯料加热不足，保温时间不够、锻造温度过高或过低，变形程度太大，变形速度太高、锻造过程中产生的弯曲、折叠没有及时消除，再次进行锻造，都很可能产生表面裂纹。铝合金锻件的内部裂纹主要是由于坯料内部存在有粗大的氧化物夹渣和低熔点脆性化合物，变形时在拉应力和切应力的作用下产生开裂，不断扩大。此外，由于铝合金的锻造温度范围很窄，如果模具和锻造工具没有预热，或预热温度不够也很有可能会引起锻件产生裂
32、纹。5.流线不顺、涡流和穿流其形成原因与折叠基木相同，也是由于金属对流或流向紊乱而造成，只不过有的部位尽管存在有流线不顺和涡流现象，但未能发展成折叠那样严重的程度。穿流和涡流能明显的降低塑性指标、疲劳性能和抗腐蚀性能。6.粘模、起皮和表面粗糙铝合金因质地很软，外摩擦系数大，最容易粘模，这不仅会引起锻件起皮，使锻件表而粗糙，有时甚至因不能脱模而中断生产。起皮，即在锻件表面呈薄片状起或脱落，主要原因是由于模膛表面粗糙、变形过于激烈、变形速度太快、变形温度太高、变形量太大，模锻时没有润滑或润滑不良造成的。锻件表面粗糙产生主要原因是由于模锻表面不光滑，润滑剂不干净或燃点太高，涂抹过多，模锻时未完全挥发
33、，残存在锻件表面上，蚀洗后在锻件表面上显现出不同的蚀洗深度。2.2 金属塑性成形简介金属塑性（成型）加工是指利用模具使金属在应力下塑性变形，如轧、 拉拔、冲压、 挤压等。金属材料经成形过程后，其组织、性能获得改善和提高。凡受交变载荷作用或受力条件恶劣的构件，一般都要通过塑性成形过程，才能达到使用要求。塑性成形是无切屑成形方法，因而能使工件获得良好的流线形状及合理的材料利用率。用塑性成形方法可使工件尺寸达到较高精度，具有很高的生产效率。塑性成形分冷成形、温成形和热成形。温成形要考虑温度对材料性质的影响，热成形还要考虑材料的蠕变效应。金属塑性成形包括块体成形、板料成形及轧制等(见塑性力学)。各种塑
34、性成形都以金属材料具有塑性性质为前提，都需要有外力作用，都存在外摩擦的影响，都遵循着共同的金属学和塑性力学规律。2.3 等温锻造技术等温锻造的主要特点是模具与成形件处于基本相同的温度，因此需要带有模具加热及控温装置。等温锻造一般速率较低，主要采用液压机。 超塑性等温锻造对温度和速率的要求比一般意义的等温锻造更加严格，而且坯料的显微组织应基本属于超塑性类型。然而二者之间没有截然的区别，有些等温锻造过程中坯料在变形到一定程度之后，一方面组织实现了等轴细晶化，另一方面等温锻造一般随着变形的进行速率会逐渐降低。因此这些等温锻造中有一个从一般的塑性成形过渡到超塑件成份的过程。这有助于提高成形件精度和质量
35、，但又无须对材料进行繁杂的预处理，比典型的超塑性等温锻造成本要低；同时由于等温锻造的前一阶段采取了比较高的变形速率，还可以提高整个成形过程的效率，因此这是一种值得倡导的成形方式。 在等温锻造基础上发展的“热模锻造”和“温模锻造” 与等温锻造的主要区别在于模具与成形件之间具有温差，从而减低了对模具材料的要求。 等温锻造特别适合于那些锻造温区窄的难变形材料，例如高温合金、钛合金、粉末高温合金等。等温锻造过程变形材料中常发生动态再结晶，从而使锻件中的组织呈均匀的等轴细晶形态。等温成形的零件尺寸精度高，既节约了材料，又减少厂加工工时。 等温锻造的模具材料主要根据变形温度进行选择，常用的有热作模具钢、铁
36、基高温合金、镍基高温合金、铝合金以及陶瓷等。俄罗斯的一些专家研究利用碳-碳复合材料作为1000以上的等温锻造模具材料，因为这类材料具有优越的高温力学件能。然而这类材料易于发生高温氧化，他们研究了相应的防护措施，现在这类模具材料的应用尚在探索阶段。等温锻造设备主要是液压机，为满足等温锻造的基本要求，要求液压机：1.横梁速度可调可控，尤其需要较低的速度；2.可实现保压；3.有足够的闭合高度和上作台面尺寸，以满足等温锻造模具及其加热装置安装的需求；4.有顶出装置；5.有控温系统。 等温锻造过程时间较长，温度较高，成形件的形状经常比较复杂，模具表面包含一些浅细凹凸部分。因此，需要一定的涂料；在坯料加热
37、及成形中起到防护作用，同时在变形件与模具之间形成连续的润滑膜以减少摩擦，在成形后它又能起到脱模剂的作用。在选择润滑剂时要注意不能对模具有腐蚀作用，也不能污染成形件表面材料。与其他锻造方式相比，等温锻造更需要和更易于实现精确控制。所以实现从模具及坯料的设计到成形过程温度速率控制的全面计算机化，是提高效率和质量的需要，也是目前的技术水平可以达到的。与常规锻造相比，等温锻造具有以一下优点: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
38、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。铝合金锻造虽然有许多缺点,但由于其锻造温度低,还是比较容易采用锻造的方法成形的。有研究表明：铝合金ZL109加热完毕以后，立即用刀切割棒料，发现在569时，很轻易地就能用普通钢制菜刀切动，切口非常平整，并且切割的过程中，金属没有流动和大的变形。图2-1所
39、示为569时使用普通钢刀切割合金坯料的切口形貌图。 图2-1 ZL109合金坯料重熔至569时的切口形貌由此可见，这种成分的合金在569时具有较好的触变性能（半固态成形）。半固态成形即是在金属的固液共存时，用模具等其他工具使金属成形。只要温度控制适当，在固液共存状态时，金属既能夹持，又具有良好的塑变性能。又有研究表明：工业供应态LY12铝合金棒材在未经超塑性预处理的情况下具有超塑性，在变形温度为753K、应变速率为3.310-4S-1的拉伸变形条件下，断裂延伸率为313 ，应变速率敏感性指数m值约为0.33。铝合金2A12、7475、7A04和8090等都具有超塑性，用类比的方法，可以推断变形
40、铝合金6061只要加热到适当的温度，也会有良好的塑变性能。2.4 锻件的工艺性分析锻件的工艺性分析，主要考虑锻件的用料、几何形状、尺寸精度和表面质量、生产批量及设备条件等，下面分别说明。2.4.1 锻件材料 凡是采用开式模锻方法能锻造的任何合金材料，都可以进行闭式模锻，一些塑性较差的材料采用闭式模锻更为有利。一般模锻用铝合金、镁合金等轻金属和有色合金，因为模锻温度低，不易产生氧化、模具磨损小且锻件表面粗糙皮低等，适宜于采用闭式精密模锻。该零件材料选择的是铝合金6061（相当于我国的牌号LD30），其热处理状态是T6（即在固溶处理与时效后应用，时效温度155-165，保温18h。）。由以上的分析
41、可知，材料有良好的可成形性，适宜于采用闭式精密模锻。2.4.2 锻件形状 如齿轮坯、轮毂、轴承、突缘等旋转体锻件最适合于整体凹模模锻。形状复杂的锻件，只要模锻时能从凹模模膛中取出，就可采用整体凹模模锻，若不能采用整体凹模模锻，可采用可分凹模模锻。所有旋转体锻件和部分形状复杂的锻件还可进行精密模锻。尾盖的三视图如图2-2；三维图如图2-3,图2-4.图2-2 消声器尾盖的三视图图2-3 消声器尾盖零件三维图图2-4消声器尾盖零件的三维图根据上图，可分为两个部分：一是底部的圆柱体，二是带有八个较薄的肋的薄壁圆筒，其薄壁厚度只有2.5mm。采用和底部的圆柱体差不多的圆柱体坯料，金属的流动情况是从第一
42、部分（圆柱体部分）逐渐流向第二部分，由于壁较薄，造成金属的流动困难。材料为6061铝合金，原工艺用铝合金棒料切削加工，为了降低成本，提高效率，采用等温锻造成形。并拟用Defrom-3D模拟成型过程。2.4.3 锻件尺寸精度和表面质量 在锻造成形的工艺分析和模具设计中，应考虑影响锻件精度的诸因素，进行具体分析计算，以确定锻件的尺寸精度。但是，由于影响因素比较复杂，使得理论上不易准确地计算。实际上，如能在生产中严格控制各因素，则锻件的尺寸精度约比模膛精度低 2 级。就精密模锻而言，目前温锻件的尺寸精度可达 4 级，热锻件可达 5 级左右。表面粗糙度则取决于坯料加热时的氧化程度、模膛的表面粗糙度、模
43、锻时的冷却和润滑以及锻件的冷却条件等。尾盖的工程图以及技术要求如下页图2-5.图2-5 零件图1.根据工程图可知,该零件除了850-0.1和410-0.1及螺孔有装配定位作用,要求较高,有公差要求,锻造时必须考虑加工余量之外,其他表面都不没有装配要求,尺寸公差都是一般公差,并没有特殊的要求,尺寸公差和表面粗糙度即使大一点,也不会影响零件的功能,为了减少机械加工和节省材料, 在锻造时不留加工余量，其尺寸和表面质量由模具来保证，零件中的螺孔和倒角都不锻造出，由机械加工来完成。2. 工程图标注上有一项：未注尺寸公差按GB/T 1804GB/T 1804-2000一般公差 线性尺寸和角度尺寸的未注公差
44、 一般公差是指在车间通常的加工条件下就可以保证的公差。采用一般公差的尺寸，在该尺寸后不需要标出其极限偏差值。 一般公差分精密f，中等m，粗糙c，最粗v，四个公差等级。该零件用的是中等m级。国家标准1804的部分公差值如表2-5。根据该表可以查得尾盖的未注公差。表2-5 GB/T1804-2000 m级的部分公差值GB/T1804-2000 m级线性(mm)3663030120公 差0.10.20.3倒圆角36630公差角度角的长边(mm)50120公差20零件功能允许的公差常常是大于一般公差，所以当零件任一要素偶然地超出一般公差时，零件的功能通常不会被损害，只有当零件的功能受到损害时，超出一般
45、公差的工件才能被拒收。第 3 章 加热和保温系统的设计等温锻造的关键是坯料在一定温度点或者在一定温度段发生变形，而且对不同变形坯料来说，其最优变形温度都不一样，所以在等温锻造过程中，温度的测量和控制显得十分重要，直接关系到锻件的质量。等温锻造过程中要对坯料加热和模具的预热。3.1 坯料的加热坯料的加热设备主要有：电阻炉、感应炉、燃气炉、油炉。这四种加热设备的准确度和适用于加热的合金种类如表3-1。表3-1 许用加热炉及适用合金类别有效加热区保温准确度控温准确度记录仪器准确度不低于炉型种类适用的合金电阻炉感应炉燃气炉油炉铝合金镁合金钛合金铜合金钢高温合金51.50.51050.51580.520
46、100.525100.5加热本零件坯料所选的加热设备是箱形电阻炉，坯料的加热温度为500，其主要参数如表3-2。 表3-2 电阻炉参数型号SX2-5-12功率5KW电压220V相数1相最高温度1200加热室尺寸300200120mm33.2 模具的预热等温锻造和热模锻，模具都需要预热。假如模具不预热，加热的坯料在模具内急剧冷却，影响金属的塑性，从而影响锻件的质量，甚至不能成形，特别是对像铝合金那样锻造温度范围窄的合金，影响更明显；还有模具在热冷交替之间工作，其金属内部易引起内应力导致模具的破裂，所以模具预热可以防止或延缓热龟裂。模具的预热方法有：电加热器加热、煤气加热、天然气加热等，本锻造过程选用电阻丝镶嵌式加热板。电阻丝镶嵌式加热板分为：电阻丝埋入式、电阻丝微露式、电阻丝外露式、红外辐射加热板等几种形式，他们的最高工作温度为1200。加热板的一些典型示例如图3-1、图3-2、图3-3。图3-1 电阻丝内嵌式加热板图3-2加热板图图3-3 各类加热板图本模具的预热加热板选择如图3-1所示的形式，外形具体尺寸根据上下模板的尺寸由厂家专门生产或选择尺寸相近的产品，加热板用高温粘合剂粘贴在模具的两个侧面，结构