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高强度变形铝合金毛坯的连铸连锻生产
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 广东肇庆鸿银机电科技有限公司点击:
摘 要：挤压锻是连铸连锻技术的一种。本文介绍了多向挤压压铸模锻工艺与装备及这项发明的技术实现原理，指出单向挤压压铸模锻工艺的不足，传统装置锁模抗力机构存在的问题，特别为大力并高锁模力的装备开发提出推荐方案。介绍了多向挤压压铸模锻技术开发的发展动态，认为以挤压压铸模锻为代表的连铸连锻工艺与装备技术，是压铸、低压（差压、重力）铸造和半固态加工技术的综合体，是“机械基础终极成形工艺”的一种有效表现形式。挤压压铸模锻工艺不但能生产各种可熔化的的金属，且实际上已使半固态加工从实验室技术走到了工业化应用的最前沿。特别推介了阻燃镁合金半固态挤压压铸模锻工艺的特点，分析其工业经济性的优势，预测其推动我国镁合金铸锻产业大发展的前景。
关键词：压铸 模锻 液态模锻** 多向模锻 压铸模锻 连铸连锻 半固态加工 镁合金
由于普通硬铝合金的抗拉强度在380-450Mpa之间，几乎高于普通铸造铝合金抗拉强度的一倍，而超硬铝合金的强度更可达600Mpa。尽管变形铝合金的单价比铸造铝合金高，其成形成本也比铸造工艺高一些，但由于能显著减少产品结构尺寸，再加上能进行进一步热处理强化、和表面阳极氧化处理，后者的性价比却明显高于前者，所以，越来越多的场合，都希望使用或改用变形铝合金生产零件。而对于运动类部件的使用场合，如飞机、轮船、汽车摩托车、运动自行车等，减轻重量带来的节能效益和速度效益，变形铝合金更具有无可替代的优势。
由于连铸连锻技术的显著进步，与压铸件结构一样复杂的变形铝合金毛坯，也能以相近的车间成本，十分轻松顺利地生产出来，因此，使用变形铝合金替代传统的铸造铝合金生产毛坯，不但具有经济优势，并已成为一种潮流与趋势了。
1 铸造铝合金与变形铝合金的基本情况与性能对比
1.1 工业用铝锭分为两大类：铸造铝合金和变形铝合金。一般地说，铸造铝合金适用于以铸造方法生产铝铸件，而变形铝合金适用于以压力加工（挤压与锻造）方法生产铝产品。
1.2 变形铝合金包括：防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）、锻铝（LD）和特殊铝（LT）。由于变形铝合金平均综合机械性能总比铸造铝合金高（铸造铝合金的锻态性能，平均也比其铸态性能高几成以上），很多牌号的变形铝合金，它还可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，所以，工业设计上希望更多地应用变形铝合金，以满足使用上的要求。
1.3 两方面的因素限制了锻造铝合金的应用范围或削弱了其工业经济性：
一是变形铝合金的铸造性能很差，其液态流动性一般只及铸造铝合金的三分之一，用传统的铸造方法很难生产出结构很复杂的毛坯。
二是即使以铸造方法生产变形铝合金毛坯，如果不能解决铸造工艺普通存在的缩孔缩松及气孔针孔缺陷，那么，之后的热处理和表面阳极氧化工序也不能继续。
而最根本的原因在于，铸态的变形铝合金毛坯，即使其内部缺陷消除，但由于金相晶粒粗大并总呈枝晶状，热处理后的性能也大打折扣，或只与普通铸造铝合金性能相近，使用这种相对较贵的材料品种，就失去了其应有的经济意义了。但连铸连锻技术的出现，却有效地改变了这种状况。
2 连铸连锻技术简介
连铸连锻技术，它是指在同一台设备用同一套模具，连续完成毛坯的充型与锻造生产，它的本质，是一种依靠装备的功能实现的工艺技术。所以，不同的连铸连锻装备，有不尽相同的连铸连锻细分工艺。
2.1连铸连锻设备，按设备的摆放方式，可分为卧式和立式，按铸造给汤方式，则分为冷室式和热室式。连铸连锻工艺，按设备安装的锻压动力缸数，可分为单向连铸连锻和多向连铸连锻两大类。
2.2两种典型的连铸连锻工艺与装备：一种是由苏联人发明的，用液压机完成的“液态金属模锻”（或称“熔汤锻造”），而另一种则是运用我国发明专利技术实现的“压力铸造模锻”（或称“挤压压铸模锻”——简称“压铸模锻”）。
2.2.1“液态金属模锻”工艺与装备技术
对于“液态金属模锻”工艺，尽管我们未能清晰看到其明显的“铸”－“锻”分开的过程，但用液压机完成的这种工艺，其本质仍可归类为连铸连锻工艺的一种。它也是单向连铸连锻工艺的一种。
用液压机完成的“液态金属模锻”工艺，可生产一些结构不很复杂，并且对毛坯轴向尺寸精度要求不高的毛坯。
由于液压机是一种通用的万能设备，即使是用双活动横梁液压机，它仍只有三个动力头，所以，它是很难完成需多个动力头并且是要连续的复合的运动才能表态的连铸连锻工艺。再加上它没有充型机构，复杂的毛坯根本生产不出来。
在生产实践中，用这种设备完成的工艺，生产效率很低，工业经济性并不好。由于工艺手段的不足，工人要近距离手工操作和接触高温模具与毛坯，不但劳动强度大，也极不符合现代工业的安全与文明生产要求。工艺手段的不足，也造成这种生产工艺太依赖操作者的技能，使工艺的重复性与可靠性低，它已不能适应工业生产的进步要求了。
2.2.2先进的“压力铸造模锻”工艺与装备技术
“压力铸造模锻”工艺与装备技术简称“压铸模锻”技术。这里面的“压铸”，并不是我们狭义理解的“高压压铸”，它反而是一种广义的概念，即包括了高压压铸、低压铸造、重力铸造、真空吸铸等所有铸造充型的工艺概念。
所以“压铸模锻”技术，就是一种不论用什么样的铸造充型方式，但最终以“模锻”为终极特怔的连铸连锻工艺。连铸连锻工艺因而也被称为一种“原理性工艺”。
现时用得最普遍的设备，是卧式冷室（热室）压铸模锻机。它的外形与传统压铸机相近，可以配套使用传统的给烫、喷淋冷却与取件机械手。已可生产最大锻压力为30000KN以上的“压铸模锻”设备，可生产包括大型卡车的锻压轮毂、汽车发动机锻压缸体在内的毛坯件。也可生产镁合金与黑色金属的连铸连锻毛坯。由于其生产节拍与普通压铸机基本一样，车间生产的工艺成本几乎与压铸工艺一样。
3 变形铝合金的连铸连锻生产
3.1变形铝合金与普通铸造铝合金连铸连锻生产的异同
从形式上看，变形铝合金的连铸连锻生产，它与普通铸造铝合金的连铸连锻生产并没有什么太大的不同：生产设备一样，模具的外形结构尺寸一样，但模具的内在结构与生产工艺参数却有不少的差异。
3.2充型工艺参数不同。由于变形铝合金的铸造流动性远低于铸造铝合金，所以，其充型速度与充型压力与普通铸造铝合金不尽相同，一般要求充型压力要有所提高；由于充型速度相对小了，模具的温度控制要求需更严格一些。正常生产时，对模具的热平衡要求会更高一些。另外，充型速度的减慢，一般会同步要求汤料的始铸温度适当提高。
3.3模具内在结构的不同点。由于变形铝合金的流动性低于铸造铝合金，它还要求模具的内浇道相对宽厚一些。但不同的变形铝合金，不同结构的毛坯，其差异仍然存在，这要求我们以实践的观点去解决，它需要摸索最佳模具结构参数的过程。
3.4综合考虑解决变形铝合金的流动性不足问题。我们不能独立地看变形铝合金的流动性，而是以最终的毛坯成形质量为目标。
现时的“压铸模锻机”，其充型速度、充型压力与模锻力都设计成无级可调的功能，它为我们综合权衡不同铝合金的成形工艺特点，提供了最广阔的手段，再加上始铸温度与终锻温度的控制，一方面由于各项参数都有对其它参数一定的“替代效应”，它要求我们的技术人员对整套设备与工艺的掌握要相当熟练，而另一方面，它也为我们灵活运用这套工艺技术，提供了广阔的空间，大大降低了包括难成形变形铝合金在内的生产技术难度。
3.5重视对毛坯的结构工艺性分析。对毛坯的结构工艺性分析，是制定工艺实施方案的基础，它是工艺效果甚至是工艺成败的关键。它要求的是工艺技术人员对压铸模锻技术的内在把握。
其中，最重要的是分型方案。我们不能按照压铸模的分型思路，而应按锻压模的分型思路。但最大的挑战还在于，我们能在多大程度上抽芯成形。如果毛坯全部按锻压工艺性设计，所有的抽芯都不生产出来，就失去了连铸连锻工艺的特点、经济优势与现实意义了！
3.6余料去除问题。变形铝合金的强度与韧性都比铸造铝合金高，而内浇道的更粗厚，将使余料的去除成为一个新问题。总的建议是：设计内浇道的细节上有所考虑，配合模具的结构，运用锻压工步的动作，形成易折结构。如不能做到手工掰断，则要考虑机械切断的便易性。
4结语
变形铝合金的连铸连锻生产是一个新生事物，它适应了现代工业品向轻形化高强度方向的发展要求，具有良好的应用前景。变形铝合金的连铸连锻生产与普通铸造铝合金的连铸连锻生产差异并不算大，技术难度在可操作控制当中。熟练掌握普通铸造铝合金连铸连锻工艺，是生产复杂结构变形铝合金毛坯的连铸连锻件的基础。而“挤压压铸模锻机”，是变形铝合金连铸连锻最有工业经济性的工艺与装备。
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**“液态模锻”即“液态金属模锻”或“熔汤锻造”，它不能叫做“挤压铸造”。“挤”可以是间接的或不带起始条件的，但“锻”一定是直接的，它有终极要求并伴有金相变化。挤与锻，中文字意相差很大，用“挤压铸造?a href='http://www.anystandards.com/special/pump.html' target='_blank'>泵枋觥耙禾?６汀保?嗡贫?癫痪撸?导?幸膊??撕芏辔侍狻＝ㄒ榛指础耙禾?６汀钡慕蟹ǎ??禾?６驼???end)
关键词：压铸 模锻 液态模锻** 多向模锻 压铸模锻 连铸连锻 半固态加工 镁合金
由于普通硬铝合金的抗拉强度在380-450Mpa之间，几乎高于普通铸造铝合金抗拉强度的一倍，而超硬铝合金的强度更可达600Mpa。尽管变形铝合金的单价比铸造铝合金高，其成形成本也比铸造工艺高一些，但由于能显著减少产品结构尺寸，再加上能进行进一步热处理强化、和表面阳极氧化处理，后者的性价比却明显高于前者，所以，越来越多的场合，都希望使用或改用变形铝合金生产零件。而对于运动类部件的使用场合，如飞机、轮船、汽车摩托车、运动自行车等，减轻重量带来的节能效益和速度效益，变形铝合金更具有无可替代的优势。
由于连铸连锻技术的显著进步，与压铸件结构一样复杂的变形铝合金毛坯，也能以相近的车间成本，十分轻松顺利地生产出来，因此，使用变形铝合金替代传统的铸造铝合金生产毛坯，不但具有经济优势，并已成为一种潮流与趋势了。
1 铸造铝合金与变形铝合金的基本情况与性能对比
1.1 工业用铝锭分为两大类：铸造铝合金和变形铝合金。一般地说，铸造铝合金适用于以铸造方法生产铝铸件，而变形铝合金适用于以压力加工（挤压与锻造）方法生产铝产品。
1.2 变形铝合金包括：防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）、锻铝（LD）和特殊铝（LT）。由于变形铝合金平均综合机械性能总比铸造铝合金高（铸造铝合金的锻态性能，平均也比其铸态性能高几成以上），很多牌号的变形铝合金，它还可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，所以，工业设计上希望更多地应用变形铝合金，以满足使用上的要求。
1.3 两方面的因素限制了锻造铝合金的应用范围或削弱了其工业经济性：
一是变形铝合金的铸造性能很差，其液态流动性一般只及铸造铝合金的三分之一，用传统的铸造方法很难生产出结构很复杂的毛坯。
二是即使以铸造方法生产变形铝合金毛坯，如果不能解决铸造工艺普通存在的缩孔缩松及气孔针孔缺陷，那么，之后的热处理和表面阳极氧化工序也不能继续。
而最根本的原因在于，铸态的变形铝合金毛坯，即使其内部缺陷消除，但由于金相晶粒粗大并总呈枝晶状，热处理后的性能也大打折扣，或只与普通铸造铝合金性能相近，使用这种相对较贵的材料品种，就失去了其应有的经济意义了。但连铸连锻技术的出现，却有效地改变了这种状况。
2 连铸连锻技术简介
连铸连锻技术，它是指在同一台设备用同一套模具，连续完成毛坯的充型与锻造生产，它的本质，是一种依靠装备的功能实现的工艺技术。所以，不同的连铸连锻装备，有不尽相同的连铸连锻细分工艺。
2.1连铸连锻设备，按设备的摆放方式，可分为卧式和立式，按铸造给汤方式，则分为冷室式和热室式。连铸连锻工艺，按设备安装的锻压动力缸数，可分为单向连铸连锻和多向连铸连锻两大类。
2.2两种典型的连铸连锻工艺与装备：一种是由苏联人发明的，用液压机完成的“液态金属模锻”（或称“熔汤锻造”），而另一种则是运用我国发明专利技术实现的“压力铸造模锻”（或称“挤压压铸模锻”——简称“压铸模锻”）。
2.2.1“液态金属模锻”工艺与装备技术
对于“液态金属模锻”工艺，尽管我们未能清晰看到其明显的“铸”－“锻”分开的过程，但用液压机完成的这种工艺，其本质仍可归类为连铸连锻工艺的一种。它也是单向连铸连锻工艺的一种。
用液压机完成的“液态金属模锻”工艺，可生产一些结构不很复杂，并且对毛坯轴向尺寸精度要求不高的毛坯。
由于液压机是一种通用的万能设备，即使是用双活动横梁液压机，它仍只有三个动力头，所以，它是很难完成需多个动力头并且是要连续的复合的运动才能表态的连铸连锻工艺。再加上它没有充型机构，复杂的毛坯根本生产不出来。
在生产实践中，用这种设备完成的工艺，生产效率很低，工业经济性并不好。由于工艺手段的不足，工人要近距离手工操作和接触高温模具与毛坯，不但劳动强度大，也极不符合现代工业的安全与文明生产要求。工艺手段的不足，也造成这种生产工艺太依赖操作者的技能，使工艺的重复性与可靠性低，它已不能适应工业生产的进步要求了。
2.2.2先进的“压力铸造模锻”工艺与装备技术
“压力铸造模锻”工艺与装备技术简称“压铸模锻”技术。这里面的“压铸”，并不是我们狭义理解的“高压压铸”，它反而是一种广义的概念，即包括了高压压铸、低压铸造、重力铸造、真空吸铸等所有铸造充型的工艺概念。
所以“压铸模锻”技术，就是一种不论用什么样的铸造充型方式，但最终以“模锻”为终极特怔的连铸连锻工艺。连铸连锻工艺因而也被称为一种“原理性工艺”。
现时用得最普遍的设备，是卧式冷室（热室）压铸模锻机。它的外形与传统压铸机相近，可以配套使用传统的给烫、喷淋冷却与取件机械手。已可生产最大锻压力为30000KN以上的“压铸模锻”设备，可生产包括大型卡车的锻压轮毂、汽车发动机锻压缸体在内的毛坯件。也可生产镁合金与黑色金属的连铸连锻毛坯。由于其生产节拍与普通压铸机基本一样，车间生产的工艺成本几乎与压铸工艺一样。
3 变形铝合金的连铸连锻生产
3.1变形铝合金与普通铸造铝合金连铸连锻生产的异同
从形式上看，变形铝合金的连铸连锻生产，它与普通铸造铝合金的连铸连锻生产并没有什么太大的不同：生产设备一样，模具的外形结构尺寸一样，但模具的内在结构与生产工艺参数却有不少的差异。
3.2充型工艺参数不同。由于变形铝合金的铸造流动性远低于铸造铝合金，所以，其充型速度与充型压力与普通铸造铝合金不尽相同，一般要求充型压力要有所提高；由于充型速度相对小了，模具的温度控制要求需更严格一些。正常生产时，对模具的热平衡要求会更高一些。另外，充型速度的减慢，一般会同步要求汤料的始铸温度适当提高。
3.3模具内在结构的不同点。由于变形铝合金的流动性低于铸造铝合金，它还要求模具的内浇道相对宽厚一些。但不同的变形铝合金，不同结构的毛坯，其差异仍然存在，这要求我们以实践的观点去解决，它需要摸索最佳模具结构参数的过程。
3.4综合考虑解决变形铝合金的流动性不足问题。我们不能独立地看变形铝合金的流动性，而是以最终的毛坯成形质量为目标。
现时的“压铸模锻机”，其充型速度、充型压力与模锻力都设计成无级可调的功能，它为我们综合权衡不同铝合金的成形工艺特点，提供了最广阔的手段，再加上始铸温度与终锻温度的控制，一方面由于各项参数都有对其它参数一定的“替代效应”，它要求我们的技术人员对整套设备与工艺的掌握要相当熟练，而另一方面，它也为我们灵活运用这套工艺技术，提供了广阔的空间，大大降低了包括难成形变形铝合金在内的生产技术难度。
3.5重视对毛坯的结构工艺性分析。对毛坯的结构工艺性分析，是制定工艺实施方案的基础，它是工艺效果甚至是工艺成败的关键。它要求的是工艺技术人员对压铸模锻技术的内在把握。
其中，最重要的是分型方案。我们不能按照压铸模的分型思路，而应按锻压模的分型思路。但最大的挑战还在于，我们能在多大程度上抽芯成形。如果毛坯全部按锻压工艺性设计，所有的抽芯都不生产出来，就失去了连铸连锻工艺的特点、经济优势与现实意义了！
3.6余料去除问题。变形铝合金的强度与韧性都比铸造铝合金高，而内浇道的更粗厚，将使余料的去除成为一个新问题。总的建议是：设计内浇道的细节上有所考虑，配合模具的结构，运用锻压工步的动作，形成易折结构。如不能做到手工掰断，则要考虑机械切断的便易性。
4结语
变形铝合金的连铸连锻生产是一个新生事物，它适应了现代工业品向轻形化高强度方向的发展要求，具有良好的应用前景。变形铝合金的连铸连锻生产与普通铸造铝合金的连铸连锻生产差异并不算大，技术难度在可操作控制当中。熟练掌握普通铸造铝合金连铸连锻工艺，是生产复杂结构变形铝合金毛坯的连铸连锻件的基础。而“挤压压铸模锻机”，是变形铝合金连铸连锻最有工业经济性的工艺与装备。
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**“液态模锻”即“液态金属模锻”或“熔汤锻造”，它不能叫做“挤压铸造”。“挤”可以是间接的或不带起始条件的，但“锻”一定是直接的，它有终极要求并伴有金相变化。挤与锻，中文字意相差很大，用“挤压铸造?a href='http://www.anystandards.com/special/pump.html' target='_blank'>泵枋觥耙禾?６汀保?嗡贫?癫痪撸?导?幸膊??撕芏辔侍狻＝ㄒ榛指础耙禾?６汀钡慕蟹ǎ??禾?６驼???end)
