铝合金液态模锻成型过程的可视化【文献综述】

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机械设计制造及其自动化

铝合金液态模锻成型过程的可视化

1 铝合金液态模锻成型过程的可视化的意义

当今世界能源短缺，汽车、战车等正朝着轻量化、高速、安全、节能、低成本及长寿命方向发展，采用轻合金是汽车和兵器轻量化的主要手段之一。

铝合金具有高比强度、耐锈蚀、热稳定性好、易成型、再生性好和简化结构等一系列优点，能满足汽车工业的特殊要求。目前汽车上铝合金零件主要有活塞、汽缸体、汽缸盖、连杆、连杆盖、离合器壳、车轮、油泵阀体等。这些铝合金零件的生产方法多采用压力铸造、低压铸造及普通模锻等常规工艺，它具有材料及燃料消耗较高、设备投资大、劳动强度大、制作成本高等缺点。

零件成型的常规方法有两种:（l)液态成型即各种铸造工艺，如金属铸造、压力铸造、低压铸造等;（2)固态成型即用固体坯料通过诸如模锻、压力加工、切削加工等工艺加工成所需形状的零件。液态模锻则是介于这两种工艺之间的一种崭新的工艺，集中了它们的优点[2]。

铝合金液态模锻成型过程的可视化可以帮助我们更好的了解不同参数对模锻成型过程的影响，熟悉液态模锻的工作原理以及掌握一些基本的可视化软件的操作，并且为计算机模拟液态模锻实验提供依据。

2 铝合金液态模锻成型过程及可视化的研究现状

2.1 铝合金液态模锻的基本原理

液态模锻工艺其实质是把液态金属直接浇入模具型腔内，然后在一定时间内以一定的压力作用于半熔融或半凝固的金属上，使之成形，并在此压力下结晶私塑性流动，从而获得毛坯或零件的一种金属加工方法[13]。铝合金液态模锻工艺的应用范围，从国内外实际应用情况以及它的结晶特点来看，主要有如下特点:

（1）液态模锻工艺对材料选择范围较宽。它既适用于铸造合金，也适用于变形合金。

（2）纤维强化金属具有质量轻、强度高、耐磨、耐高温等特点。现在已经进行了包含碳、碳化硅、氧化铝等高强度长短纤维铝合金的汽车零件研究开发工作。作为铝合金强化材料很有发展前途。

（3）液态模锻技术不仅适用于轴对称的实心零件、杯形件、通孔件以及长轴类等厚

壁零件，也适用于非轴对称、壁厚不均匀、形状复杂的零件[2-3]。

4.2 铝合金液态模锻成型的研究情况

(1)工艺简介

液态模锻是介于液态成型和固态成型之间的一种新工艺，集中了这两种工艺的优点。之前，铝合金管的通常是运用落后的热铸造技术成型的[12]。自1960年代至今，液态模锻工艺在我国取得了较大发展，尤其是钢质液态模锻工艺已较为成熟。但由于设备及冶炼条件的限制，有色金属尤其是铝合金的液态模锻在最近一年才得到较快发展[4]。

液态模锻工艺是对浇入模具内的液态金属施以较高的机械压力，使其凝固时消除铸造缺陷并产生一定塑性变形，从而获得高质量制件的一种方法。液态模锻是一种省力、节能、材料利用率高的先进工艺。制件的力学性能较高，可以接近或达到同种合金的锻件水平[5-8]。

（2）半固态金属成形技术

半固态金属成形技术作为一种新兴复合材料加工技术引起了广泛的关注[9,10]，它的研究起源于1970年代。一般而言，金属在静止状态下结晶时，最先凝固的部分是树枝状长大，形成网状结构，残余液态金属分布于树枝结晶体之间，这种半固态金属的流动性差，对成形不利。1970年代初，麻省理工学院的研究人员发现，在金属凝固时加以搅拌，可以将产生的树枝状初晶破碎并分散到未凝固的残余液体金属中去，凝固组织山通常的树枝状晶体变成球状的等轴晶体，成为变形抗力较低、具有良好流动性的金属糊状物，并可以很方便地施以各种后续成形加工。半固态成形技术有如下特点:显微组织细化，大大减轻了内部缺陷和偏析等;半固态金属变形抗力大大降低，并可以制造出近净成形制品;利用半固态糊状金属的高粘性，可以容易并且均匀地混入异种材料和比重差大的金属，从而制造新型复合材料和新成分合金。

(3)液态挤压工艺

液态挤压是在液态模锻研究的基础上，结合热挤压变形的特点而发展起来的一种液态金属成形工艺。其成形过程为:将液态金属直接浇入挤压桶内，借助挤压冲头对未凝固的或准凝固金属施以高压，使其在压力下发生流动、结晶、凝固过程，随后，挤压成形模口处的准凝固金属经受断面缩减的大塑性变形，一次成形出管、棒、型材类制品。利用液态挤压工艺也可以直接制备金属基复合材料管、棒、型材类制件，由此突破了现有复合材料成形方法均需二次变形，即先成形出复合材料坯体，再经挤、轧等工艺制成管、棒型材的限制，可以减少成形工序，降低成本，有望成为成形高性能复合材料管、棒、

型材的一条新途径[11]。

3.可视化的研究介绍

数据可视化(Data Visualization)的概念首先来自科学计算可视化，科学家们不仅需要通过图形图像分析计算机算出的数据，而且需要了解计算过程中数据的变化。随着计算机技术的发展，数据可视化的概念已大大扩展，不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程数据和测量数据的可视化。现代的数据可视化技术指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域[1]。

3 铝合金液态模锻成型的发展趋势

目前,汽车、摩托车等的零件向轻量化方向发展，世界各国逐渐用铝合金代替钢质材料的系统工程研究是今后长时间需要解决的问题。铸造技术和模锻技术有机结合成先进的液态模锻成形工艺.简化了生产工序、提高了产品质量和合格率、减少了设备投资，降低了产品成本，特别适合于形状复杂、带有多孔或台阶形状制件的成形，是一种具有较广的适用性、较大推广价值的很有发展前途的新工艺。

参考文献

[1] 赵国庆, 黄荣怀, 陆志坚. 知识可视化的理论与方法[J]. 开放教育研究, 2005, 11

（1）: 23-27 .

[2]洪慎章, 曾振鹏. 国内外铝合金液态模锻的发展与展望[J]. 机械制造, 1999 (3): 12-13.

[3] 韦丽君, 马风雷，李任江. 液态模锻在铸铝合金中的应用研究[J].材料工程,2003（7）.

[4]徐慧, 李天生. 铝合金的液态模锻成形[J]. 机械工程师, 2006, （17）.

[5] 洪慎章，曾振鹏.国内外铝合金液态模锻的发展与展望「J].机械制造，1999 (3) :12- 13.

[6]罗守靖，何绍元，王尔德，等.钢质液态模锻[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.

1990:4-25.

[7]上海交通大学锻压教研组.液态模锻[M].北京:国防工业出版社，1981.

[8]齐丕襄.挤压铸造[M].北京:国防工业出版社，1984.

[9]蒋鹏，贺小毛，张秀峰.半固态金属成形技术的研究概况[J].塑性工程学报，1998. 5

(3) :1-7.

[10]蒋鹏，贺小毛，张秀峰.半固态成形在工业生产中的应用现状与前景[J].模具技术，

1998 (5) : I S- 23.