阻燃硅橡胶的配方设计毕业设计

《阻燃硅橡胶的配方设计毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《阻燃硅橡胶的配方设计毕业设计（33页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、阻燃硅橡胶的配方设计摘要: 硅橡胶具有许多优异的性能，例如具有耐高、低温性能、疏水性、具有适当的透气性等。尤其是氧指数较以碳为主链的橡胶高, 在燃烧时热释放速率低,火焰传播速度慢, 无滴落,且纯硅橡胶燃烧时几乎不生成有毒气体, 在燃烧后会在表面形成陶瓷化的碳硅层,能阻止热、氧的交换和内部可燃物向外扩散与热、氧接触。但其但耐密闭老化特别在有湿气条件下的老化性能不够好;机械强度在橡胶材料中是最差的，而且存在可燃的缺陷,特别是其容易阴燃,存在潜在的燃烧风险。向硅橡胶中掺入阻燃剂, 即可赋予硅橡胶难燃或自熄特性和较强的拉伸撕裂等性能.通过多次实验讨论三氧化二锑、氢氧化铝等辅料用量对硅橡胶自熄时间，续燃

2、性能的影响情况，设计出阻燃硅橡胶的最优配方，由此制造出具备较好的阻燃效果和较强的拉伸撕裂等性能的硅橡胶，增加其应用范围。结果表明：当100份硅橡胶中氢氧化铝的用量为80份时,硅橡胶的燃烧氧指数( OI 值) 可达30%, 但力学性能却受到严重损害, 发烟量为B 级; 氢氧化铝/ 三氧化二锑并用时,HTV 硅橡胶的性能较理想；当(氢氧化铝+三氧化二锑)用量为50份时,硅橡胶的OI值为31%、拉伸强度为613MPa、扯断伸长率为660%、撕裂强度为2317 kN/ m、邵尔A 硬度为57 度,但发烟量为C级；关键词：硅橡胶； 阻燃；氢氧化铝；三氧化二锑Study on the link of al

3、uminium alloy die-forging technologyZhao Ming（Grade03,Class1,Major control materials，Material Institute，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor: Zhang Hui,Ma ZhenlongAbstract: Aluminum alloy with low density, good processing properties, corrosion resistance, strength and stiff

4、ness higher than the merits, to a greater degree of material savings and reduce weight, in forging hammer, screw press, upended aircraft and aircraft bore forged various forging equipment. Based on the analysis of the aluminum alloy forging features easy forging process and the deficiencies should b

5、e noted,under the open-die forging parts theory and linkage map, combining link forged aluminum alloy technology and features, bicycle link on the forging process for a specific analysis, determine a reasonable link alloy forging technology and forging process parameters. Drawing rough calculation s

6、ection map, decide on the size and material blocking step of the process and equipment, rational design of the processes and mapping die mold map. Forging the same time that the process should pay attention to the issue and the relevant preventive measures. Key words: aluminium alloy; link; forge te

7、chnology; die design毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学

8、校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定

9、，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录中文摘要Abstract1 引言11.1 铝合金的特性11.2 铝合金锻造11.3 开式模锻成形工艺简介31.3.1 开式模锻的定义和成形过程31.4 铝合金模锻工艺中的几个主要问题41.4.1 模具材料的选用41.4.2 模具预热41.4.3 成形温度的控制41.4.4 变形期间的润滑51.5 摩擦

10、压力机上模锻的工艺特点52 自行车铝合金连杆锻造成形工艺的制定52.1 铝合金连杆锻造工艺分析62.1.1 锻件技术要求62.2.2 锻造工艺分析63 制定锻件图73.1 分模面的选择73.2 机械加工余量的确定73.3 锻件公差的确定83.4 模锻斜度83.5 圆角半径84 锻模设计94.1确定型槽压力中心94.2 确定飞边槽形式和尺寸94.3 确定模锻型腔104.4 确定钳口的尺寸104.5 确定导向机构115 模锻变形工步的确定和坯料计算135.1 模锻工步的选择135.2 坯料计算135.2.1 计算毛坯135.2.2 制坯工步选择155.2.3 坯料的体积和重量计算165.2.4 确

11、定坯料尺寸165.2.5 设备吨位的确定及其有关参数176 制坯模具设计186.1 滚压模膛设计186.1.1 滚压模膛型式和尺寸确定196.2 切断模膛的设计207 切边和精压模具设计217.1 切边模具设计217.2 精压模具设计218 铝合金连杆的锻造工艺过程229 结论22参考文献24致谢25附录1英文资料及译文附录2 图纸 1.1选题的目的选择本题目主要是为了研究硅橡胶混炼、硫化等工艺条件的控制，设计硅橡胶的配方，由此制造的材料具备达到较好的阻燃效果和较强的拉伸撕裂等性能。通过实验讨论三氧化二锑、氯化石钠-70、氢氧化铝等辅料用量对硅橡胶自熄时间，续燃性能的影响情况，重点研究其阻燃性

12、能及其在实际消防领域里的应用。通过添加特殊的填料使得硅橡胶在高温火焰下可以形成坚硬的隔层来达到阻燃防火的目的，开发出了种类繁多 ,性能优异的产品，成为研究的主要方向。也是我们研究该课题的主要目的！1.2本题目的研究意义硅橡胶兼有无机和有机性质的高分子弹性体绝缘材料，属于半无机的饱和、 杂链、 非极性弹性体,典型代表为甲基乙烯基硅橡胶。其性能特点为:耐高、低温性能好, 使用范围约为- 100300,耐高温性接近于氟橡胶, 耐低温性在所有橡胶材料中是最好的，具有优良的生物医学性能,可植入人体；具有特殊的表面性能, 表面张力低,对绝大多数材料都不粘, 有极好的疏水性;具有适当的透气性,可以作保鲜材料

13、;具有无与伦比的绝缘性能,可作高级绝缘制品;具有优异的耐老化性能,但耐密闭老化特别在有湿气条件下的老化性能不够好;机械强度在橡胶材料中是最差的。硅橡胶的氧指数较以碳为主链的橡胶高, 在燃烧时热释放速率低,火焰传播速度慢,无滴落,且纯硅橡胶燃烧时几乎不生成有毒气体, 在燃烧后会在表面形成陶瓷化的碳硅层,能阻止热、氧的交换和内部可燃物向外扩散与热、氧接触。由于硅橡胶在阻燃和耐高低温方面的特殊性能, 使其在航空航天、电子电气、电力传输及机械部件等领域得到了广泛的应用。尽管如此，硅橡胶仍存在可燃的缺陷,特别是其容易阴燃,存在潜在的燃烧风险。用于电气电子工业中的聚合物材料, 往往在高电压、发热、放电等条

14、件下工作, 聚合物材料的易燃性将导致火灾. 因此, 必须重视聚合物的阻燃问题。资料表明如果向硅橡胶中掺入阻燃剂, 即可赋予硅橡胶难燃或自熄特性。向硅橡胶中掺入少量铂络合物阻燃剂,可达到使硅橡胶难燃和自熄的目的。然而由于铂络合物成本较高, 这一方法的广泛应用受到一定的限制。若选用无卤阻燃剂, 还可以避免或减少烟雾和有害气体的产生, 因而是制备家用电器、办公自动化设备、机械、航天航空、船舶及地下建筑物不可缺少的安全性材料, 是阻燃技术发展的方向.符合材料的阻燃特性。而目前应用于宇航、 电子电气及输电线路等方面的硅橡胶往往要在高温、 发热、 高电压及放电等条件下工作,所以对硅橡胶的阻燃性能提出了更高

15、的要求,电线电缆绝缘层一般是易于燃烧的聚合物。火灾中绝缘材料会随着温度的升高首先发生热分解或热降解,引发材料着火并为随后的火蔓延提供必要和足够的气体可燃物。绝缘层的破坏甚至会使内部导电设备外漏, 造成漏、 触电事故。若电缆材料的燃烧发生在受限建筑空间内, 析出的可燃气体还可能引起轰燃。 综上所述，阻燃硅橡胶在许多高端领域都有其重要的用途，因此研究及制备 具有良好阻燃性的硅橡胶在理论和应用方面都具有重要意义。1.3该领域的研究现状与发展趋势硅橡胶阻燃的常用方法是向高聚物中加入阻燃剂 ,以降低燃烧物表面温度 ,稀释可燃物分子浓度 ,切断氧气的供给 ,在硅橡胶燃烧表面形成阻隔层 ,阻止热能向硅橡胶纵

16、深传递 ,抑制温度升高来达到阻燃的目的。阻燃剂按使用方法 ,可分为反应型和添加型两大类。采用添加型阻燃剂工艺简单 ,效果显著 ,在阻燃有机硅材料中应用广泛。国外已经做了很多相关研究。道康宁公司的 Kiersten Shephard1 研发了一种厚 012016mm的电缆 ,其中包括 30 %90 %乙烯基封端硅橡胶 ,以及部分白碳黑、 硅灰石、 硅藻土等。在锥形量热仪中 ,当测试热流量为 50kW/ m2时 ,HRR 峰值小于 100kW/ m2,并可通过UL 910 阻燃测试。日本的 Sawada2 开发出阻燃防火硅橡胶电缆。厚 011110mm ,相对 100 份硅橡胶分别添加了 5012

17、5 份的玻璃粉、氧化铝、 硅灰石和云母粉。产品通过了 FSFRTA 测试 ,测试环境为 840 火焰灼烧 30min。Sweet 等3 报道在树脂增强的加成型室温硫化硅橡胶中加入 115 %35 %的中空陶瓷微球 ,8 %30 %的石英粉和氧化镁 ,同时还添加短碳纤维、 玻璃纤维。所制试片在 700 火焰下灼烧 15min ,只有很少的烟产生。添加一定量的铂可使硅橡胶具有优良的阻燃灭焰性 ,其阻燃机理是通过铂的催化作用 ,在高温下使侧链有机基团发生氧化交联反应 ,形成坚硬的阻隔层 ,隔绝空气而使火焰熄灭7 。有研究8 指出 ,基础胶中铂含量在 3300ppm ( 10 - 6)均可达到阻燃效果

18、。但铂含量太高会增加产品成本 ,超过 200ppm ,则逐渐上升的自熄性又将开始下降。另有研究9 发现在硅橡胶体系中将铂与其它化合物并用 ,可以大大改善硅橡胶的阻燃性 ,单独使用铂 ,则只能产生很小甚至没有阻燃作用。GE公司Bobear10 研发的阻燃防火硅橡胶 ,其中添加了 3250ppm的铂、 120 份的氢氧化铝、 01001210 份的氧镁 ,8161093 的火焰下灼烧 60s ,火焰移走后 ,可立即自熄而不继续燃烧。Louis11 在 10006000MPa s的液体硅橡胶中加入 012250ppm的铂化合物、 120 份炭黑、 80110 份 Al (OH) 3。在 UL294

19、垂直燃烧中可达到 V20 级 ,在空气中无法点燃试样。Mit sno Hamada12 在硅橡胶中添加了铂化合物和 1 种三唑化合物 ,制成透明的阻燃硅橡胶。并指出如果不要求透明性 ,则可添加二氧化钛以进一步提高硅橡胶的阻燃性。而 El2有研究表明氧化铁和其它某些阻燃剂复配可提高硅橡胶的阻燃性。Akito Nakamura14 将 120 份 2Fe2O3 和( FeO) x( Fe2O3 ) y ( x/ y在 0105/ 1110/ 1) ,100200 份粒径在 50 m以内的 Al (OH) 3 复配 ,使之具有了优异的自熄性。另外还有专利15 将铂化合物和( FeO) x ( Fe2

20、O3 ) y ( x/ y在 0105/ 1110/1)复配 ,以及16 将铂化合物和 2Fe2O3 复配 ,均大大提高了产品阻燃性。1.4研究方法近年来，硅橡胶的阻燃改性成为其应用研究的主要方向之一。常用方法是向高聚物中加入阻燃剂，以降低燃烧物表面温度，稀释可燃物分子浓度 ,切断氧气的供给 ,在硅橡胶燃烧表面形成阻隔层 ,阻止热能向硅橡胶纵深传递 ,抑制温度升高来达到阻燃的目的。阻燃剂按使用方法 ,可分为反应型和添加型两大类。反应型的阻燃剂起催化作用,使硅橡胶热分解反应发生变化, 燃烧残渣量增加。采用添加型阻燃剂工艺简单 ,效果显著 ,在阻燃有机硅材料中应用广泛。早期用于硅橡胶的阻燃剂主要有

21、十溴二苯醚, 四溴双酚,聚二溴苯醚 ,氯化石蜡等卤系阻燃剂。此类阻燃剂虽然对硅橡胶有较好的阻燃效果 ,但由于燃烧时会释放出有害气体对环境的危害较大 ,因此其应用受到诸多限制，氢氧化镁和氢氧化铝等无卤阻燃剂在燃烧时无有害气体释放 燃烧后的不会对环境造成污染 因此作为环保型阻燃剂得到广泛应用但氢氧化镁和氢氧化铝只有在大量添加时才有明显的阻燃效果 。而大量添加氢氧化镁和氢氧化铝对硅橡胶的物理性能等产生较大损害，为了得到具有优异阻燃性能和较好物理性能的硅橡胶材料，目前比较常用的做法是采用一些具有协同阻燃效应的物质与氢氧化镁等并用，这些物质包括红磷，硼酸锌，纳米粘土和铂金催化剂等。阻燃剂开发的必然趋势是

22、:低卤、低烟、低毒以及对材料影响小的复合阻燃体系。基于人们对环保的要求,有些欧洲国家正在限制使用卤系阻燃剂,力图加快阻燃剂的无卤化进程。但是,由于寻找与溴类阻燃剂同样高效的替代品比较难,加上经济及技术上的原因,估计在世界范围内,尤其是在发展中国家,用无卤阻燃剂代替卤系阻燃剂,还会有很长的一段路要走,现用阻燃剂还会有3% 4%的年增长率本文以甲基乙烯基硅橡胶为原料,用氢氧化铝、三氧化二锑为阻燃剂作对比实验,同时引入MoO3 作消烟剂,研制出阻燃硅橡胶的最佳配方。阻燃效果用自熄时间判定。综上所述，通过添加特殊的填料使得硅橡胶在高温火焰下可以形成坚硬的隔层来达到阻燃防火的目的，已成为研究的主要方向。

23、国外在阻燃防火硅橡胶的研究领域，已做了大量深入的工作，开发出了种类繁多，性能优异的产品。1.5阻燃硅橡胶应用领域 有机硅橡胶具有卓越的耐高温与耐低温性，优良的电绝缘性和化学稳定性，良好的耐老化性，突出的表面活性、憎水防潮和生理惰性等。同时有机硅橡胶燃烧时少烟无毒、 燃烧热值低、火焰传播速度慢，在阻燃和耐高低温方面有特殊性能，使其在航空航天、办公自动化设备、电子电气、电力传输及机械部件等领域以及消防等领域得到了广的用本次试验主要研究其在消防领域的应用。第二章 实验部分2.1 主要原料聚甲基乙烯基硅氧烷（简称硅橡胶生胶):110- 2，摩尔质量4510470104g/mol, 广东新会彩艳有机硅材

24、料有限公司；气相法白炭黑:QS20A,日本Tokuyama公司；Al(OH)水的质量分数为32.0% 35.0%，广东台山化工厂；三氧化二锑( Sb2O3)：天津石英钟厂霸州市化工分厂；硫化剂（BPO）；促进剂；防老剂；硫化剂促进剂（ZnO）；结构控制剂（硅油）。2.2 实验配方 2.3 实验设备开炼机：XK- 160，广东湛江机械厂；油压平板硫化机: XLB- D250KN, 浙江湖州宏图机械厂；材料拉力机: XXL- 2500N, 上海橡胶机械厂；硬度计: XHS- A 型, 营口市北方检测仪器厂; 氧指数测定仪: HC- 2, 江苏省江宁县分析仪器厂。T G209 型热重( TG)分析仪

25、,德国耐驰公司产品。2.4 试样制备在开炼机上将硅橡胶生胶包辊, 然后依次加入气相法白炭黑、结构控制剂（硅油）、防老剂、促进剂、。混炼均匀后出片，当辊的温度升高后在开炼机上加入氢氧化铝、三氧化二锑( Sb2O3)、硫化剂BPO和硫化剂促进剂（ZnO），返炼并薄通 10次, 出片, 裁片。测定正硫化时间, 试样硫化条件为1700C15min。2.5 测试分析(1)阻燃性能燃烧氧指数(OI值)：按 GB 10707-1989 测定；垂直燃烧性能按GB/T 13488-1992测定。发烟量:A级为无烟至极少量烟，B级为少量烟,C级为较多烟,D级为大量烟；(2)物理性能邵尔A 型硬度按GB/T 531

26、-1999 测定; 拉伸强度和拉断伸长率按GB/T 528-1998 测定；撕裂强度按 GB/ T 529-1999测定,拉伸速度为500mm.min-1。(3)电绝缘性能体积电阻率和表面电阻率用高阻计按 GB1410-2006测定；介电常数和介电损耗因数用Q表按GB 1409 - 2006测定。(4) SEM 分析将试样的拉伸断面用离子溅射仪喷金处理后用SEM 观察并拍照。（5)TG分析采用TG分析仪测定试样的TG 曲线,升温速率为100C.min-1。温度范围为407000C,空气氛围。2.6 结果与讨论2.7结论参考文献致谢间不够、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

27、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，并不断扩大。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纹6。3.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

28、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。4.流线不顺、涡流和穿流 其形成原因与折叠基本相同，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。5.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近。另外，在锻件的表面也常常有一层粗晶，其产生原因有两种情况：其一，是挤压坯料表层粗晶环被带入锻件；其二，是模锻时模膛表面太粗糙，模具温度太低，润滑不良，使表面接触

29、层激烈剪切变形，因而产生粗晶。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，使锻件表面粗糙，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翘起或脱落，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，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7-9。锻铝的典型牌号有LD2-2(6070)、LD10(2014)、LD30(6061)、LD31(6063)等。LD2-2

30、 具有良好的塑性，冷、热态都易成形，广泛用于制造中等强度常温下工作的锻件、挤压型材和管材。LD10又称高强度硬铝，与LY12 合金的强度相当，锻造性能较LY12 好，有良好的塑性，有较好的耐热性和可焊性，但材料的纵向和横向性能差距较大，可加工成管、棒、型、线及锻件，主要用作高负荷的结构件。LD30和LD31具有中等强度，有良好的塑性和优良的可焊性、抗蚀性，无应力腐蚀裂倾向，可阳极氧化，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、工业材。大多数锻造连杆是用铝合金6061(美国ASTM 牌号)成形的，即中国锻铝牌号LD30。6061合金其化学成分为(%)：0.400.8Si、0.7Fe、0

31、.150.40Cu、0.15Mn、0.81.2Mg、0.040.35Cr、0.25Zn、15Ti、其它杂质单个0.05、杂质总和0.05、其余为Al。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，时效温度为155165C，保温18h。6061铝合金的锻造温度范围为482C432C。此外铝合金6063、6082、2014、6070等也常被用作锻造连杆的材质。综合所述，铝合金具有密度小、比强度和比刚度高等优点，能够更大程度的节省材料和减轻重量，且其还可以在锻锤、螺旋压力机、顶锻机和扩孔机等各种锻造设备上锻造，可以自由锻、模锻、顶锻、辊锻和扩孔。由于铝合金具有以上一系列的优点，所

32、以铝合金锻件在航空航天、汽车、船舶、列车、兵器、电讯等工业部门备受青睐,应用范围越来越广泛。1.3 开式模锻成形工艺简介21 世纪的塑性加工产品向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的方向发展。采用塑性精密成形的方法成形零部件，是当今制造行业缩短制造过程、提高工作效率的有效途径。塑性精密成形可以得到尺寸和形状精确的、内部及表面没有缺陷的产品。在精密塑性成形方法中，模锻是较基本和较常用的成形方法，它是利用锻模模膛使坯料变形而获得锻件的一种成形工艺。模锻可分为开式模锻和闭式模锻。本文主要研究开式模锻。1.3.1 开式模锻的定义和成形过程开式模锻时金属充填模膛的方式主要有镦粗方式和压入方式两类。后一种是

33、由孔板间镦粗发展过来的，如成形图 1.1(a)所示的锻件，将坯料放在孔板间镦挤，如图 1.1(b)所示，使金属挤入孔内。坯料内各处金属由于具体的受力情况不同分别向两个方向流动，在坯料内每瞬间都有一个流动的分界面，分界面的位置取决于沿两个方向流动阻力的大小。为使较多的金属流入孔内获得要求的锻件，必须创造条件增加沿径向外流的阻力，但是这样做不仅浪费了大量的金属，还增加了切削加工量，于是人们在实践中改进了工具，将孔板改为模具如图1.1(c)。这样，除了垂直方向的模壁引起的阻力外，由于飞边部分减薄了，阻力也增大了。径向阻力增大，保证了金属流入孔内，充满模膛，最后多余的金属由飞边处流出，这即是开式模锻1

34、0。 (a) (b) (c)图1.1 孔板间镦粗和开式模锻开式模锻时，锻件的成形过程可以分为三个阶段，如图1.2所示。第阶段是由开始模压到金属与模膛侧壁开始接触为止；第阶段结束到充满模膛为止为第阶段；此后，多余金属由桥口流出为第阶段。第阶段金属的变形量最大，变形最复杂，此阶段是锻件成形关键阶段。因此，研究锻件的成形问题，主要研究第阶段，而计算变形力时，则应按第阶段。但应指出，通常情况第阶段金属充填型腔的难易程度，对第阶段的变形力大小有重要影响。 第阶段 第阶段 第阶段图1.2 开式模锻时金属的变形过程1.4 铝合金模锻工艺中的几个主要问题铝合金模锻时，通常需要对坯料加热和对模具进行预热，并在一

35、定温度范围内进行锻造。这样有利于金属的流动，降低变形抗力，容易成形形状复杂的零件。在铝合金模锻成形过程中，需要注意如下几个主要问题。1.4.1 模具材料的选用 在热模锻成形过程中，模具材料要经受高的变形抗力及热应力的综合作用。当应力超过一定数值后，便会在模具表面上形成裂纹。因此在进行工艺设计时，需充分考虑模具的受力条件和温度条件，务必保证模具的强度、硬度和韧性都达到生产要求11。影响模具寿命的因素很多，关键是模具本身的材质起着决定的作用。常用的热作模具钢有以下几种：第一种，5CrNiMo，其主要用于大型锻模，但其淬透性不够高，回火稳定性也不高，其性能不能满足大截面锻模对使用性能的要求；第二种，

36、5CrMnMo，它的力学性能与 5CrNiMo 相近，5CrMnMo 的强度略高于 5CrNiMo，而冲击韧性明显低于 5CrNiMo，适用于制造具有较高强度和耐磨性要求，而韧性要求不甚高时的各种中、小型锤锻模具及部分压力机模块，也可用于工作温度低于 500的其他小型热作模具钢；第三种，4Cr5MoSiV1(AISIH13)，用作热挤压模和铝合金压铸模，具有很高的淬透性、淬硬性和韧性，在使用温度不超过 600 时有良好的冷热疲劳抗力，有比较高的使用寿命；第四种，4Cr3Mo3W2V(代号HM1)，它是我国自行研制成功的一个钢种，在保持较好的强韧性条件下具有比较高的热稳定性，具有比较好的综合性能

37、，广泛应用于制作热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等11-13。近年来，国内外又出现了几种新的热作模具钢，如 3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、2Cr3Mo2NiVSi 等，该系列新型模具钢显著的提高模具材料的强度和硬度，又有良好的热稳定性、抗龟裂性和韧性，因而显著的提高了模具寿命。1.4.2 模具预热 模锻时模具通常是要加热，模具预热可使模具表面温度与坯料温度之间的温差降低，从而大大减少模具表层的热应力，延长模具的寿命。此外，预热模具将使锻件金属表层冷却减缓，这无疑将有利于金属流动和充满模膛。对于流动性差的铝合金来说，模具预热就显得尤为重要。预热温度视所用设备类型而定，用锻锤或速度较

38、快的机械压力机时，预热温度最好能到 250或更高温度，使用速度较慢的液压机，特别是模锻小公差或形状复杂的锻件时，模具应预热到450500。通常在250400的温度范围内，模具的综合机械性能最好14。1.4.3 成形温度的控制 模锻前，通常要将金属坯料加热到一定的温度才可进行锻造。金属坯料随着加热温度的升高，其屈服极限逐渐降低，而其塑性指标将逐步提高，加热温度越高，降低速度越快，成形力大小与屈服极限成正比15。所以为了降低成形力，减少能量的消耗，应尽可能的提高坯料的加热温度，也就是提高坯料的始锻温度。加热的总时间与坯料截面尺寸、一次装炉的毛坯数量和炉子的性能有关。空气循环炉可使所装同一炉料的温度

39、均匀。由于铝合金的锻造温度范围很窄，金属容易发生过烧，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。大量生产的加热炉应有预热区、高温加热区和保温区。1.4.4 变形期间的润滑 由于铝合金粘附力大，流动性差，因此模具润滑是铝合金模锻工艺过程的一个重要组成部分。润滑剂的主要作用是降低锻造过程中模具和工件间的摩擦和工件对模具的热传导。在金属成形过程中，选择合适的润滑剂，可以有效的降低变形金属与模膛表面的摩擦和变形抗力，下降的幅度通常为3040%，有时更大，而且有利于变形金属充满模膛和减少模具的磨损及断裂的危险；防止坯料的热量迅速传递给模具，可以

40、避免坯料的迅速变冷和模具的迅速升温，起到热绝缘作用，有利于降低成形力和提高模具寿命；防止锻件与模膛粘连，保证锻件有较好的表面光洁度和保证锻件顺利脱模16。因此，精密模锻要求润滑剂具有良好的热绝缘性、残渣少、对锻件和模膛表面无氧化和腐蚀，具有稳定性等优点。如果在成形过程中不选择润滑剂或润滑剂的选择不当，就会导致变形金属与模膛表面的直接摩擦，使模膛表面磨损，增大金属流动的阻力，并使成形结束后的锻件脱模产生困难，因此润滑技术成为模锻成形中的一个关键技术。目前常用的润滑方法可以归为四类：第一类，坯料不加润滑涂层，工作模具采用油剂石墨乳化液润滑或水、油剂石墨的混合液润滑；第二类，坯料采用石墨涂层，模具工

41、作表面采用油剂石墨乳化液润滑或水、油剂石墨的混合液润滑；第三类，坯料采用石墨涂层，模具工作表面采用水剂石墨悬浮液或不含石墨的润滑剂润滑；第四类，坯料采用其他涂层(不含石墨)，模具工作表面采用不含油剂石墨的润滑剂润滑。锻件的始锻温度不同，润滑涂层对坯料的粘附性不同，也就是润滑效果不同。在 150350 范围内，水剂石墨粘附性比较好，而且温度越高，粘附越快。在 250时水剂石墨的粘附表面非常光滑，此时使用水剂石墨效果最好。当温度高于 450时，由于水在瞬间变成气体，石墨很难粘附，水剂石墨粘附性变差。也就是说，油剂石墨在 450以上时粘附性好，水剂石墨在 150350时粘附性好17。另外润滑剂还影响

42、到坯料与模具之间的热传导系数。从坯料到模具的热量传递过多，容易导致模具发生塑性变形。在各种温度下，油剂石墨的热传导系数都高于水剂石墨。因此，在选择润滑方式时，应综合考虑各种润滑方式的利弊，以期达到降低成形力、延长模具寿命的目的。必须指出，含有石墨的润滑剂，对于锻造铝镁合金有严重的缺陷，其残留物不容易去除，嵌在锻件表面的石墨粒子可能引起污点、麻坑和腐蚀。因此，锻后必须进行表面处理。1.5 摩擦压力机上模锻的工艺特点1.工艺用途广。主要表现在以下几个方面。a) 摩擦压力机具有锤类设备和曲柄压力机类设备的双重特性，使金属坯料在一个型槽内可以进行多次打击变形，从而可进行大变形工序，如镦粗或挤压，同时也

43、可进行小变形工序，如精压、压印等提供较大的变形力。因而，它能实现各种主要锻压工序。b) 由于行程不固定，所以锻件精度不受设备自身弹性变形的影响。近年来，应用螺旋压力机进行精密模锻取得了不少经验和成果。c) 由于每分钟打击次数少，打击速度较模锻锤低，因而金属变形过程中的动态再结晶现象进行的充分一些，这就比较适合模锻一些再结晶速度较低的低塑性合金钢和有色金属材料。d) 摩擦压力机打击速度低，金属再结晶软化现象实现的充分一些，所以，模锻同样大小的锻件所需的变形力小。原因是加工硬化被软化抵消了一部分。2.摩擦压力机做螺旋运动的螺杆和作往复直线运动的滑块间为非刚性连接，所以承受偏心载荷的能力较差，一般情

44、况下，摩擦压力机只能进行单模膛模锻。但在偏心载荷不大的情况下，也可以布排两个型槽。对于长杆类锻件也可以将终锻和预锻型槽布排在一个模块上，这时，两型槽中心线的距离应小于螺杆节圆直径的一半。3.由于打击速度低，冲击作用小，虽可采用整体模，但多半采用组合式的镶块模。这样，便于模具标准化，从而缩短制模周期，节省了模具钢，降低成本。这对中小型工厂和小批量试制性生产的航空工厂具有特别重要的技术和经济意义。4.摩擦压力机备有顶出装置，它不仅可以锻压或挤压带有长杆的进排气阀、长螺钉件；而且可以实现小模锻斜度和无模锻斜度，小余量和无余量的精密模锻工艺工18。2 自行车铝合金连杆锻造成形工艺的制定图2.1所示为陕

45、西航空电气有限责任公司生产的某自行车上的连杆实体图，外形轮廓简单、尺寸小，但型腔复杂，杆部和头部变形程度较大，属于长杆类零件。表面精度要求比较高，允许偏差不大于0.3mm,切边后的毛刺也不得大于0.3mm。连杆作为传递力的主要部件，其强度、韧性、疲劳强度直接影响着自行车的性能和质量。选择模锻是由于模锻成形具有接近最终产品的几何形状和尺寸精度，同时改善其组织，获得更高的力学性能。但零件表面的精度要求也给模具设计和制造以及现场生产带来一定的难度。图2.1 连杆零件三维图2.1 铝合金连杆锻造工艺分析2.1.1 锻件技术要求1.锻件表面不允许有裂纹、夹杂等，表面应光滑。2.切边毛刺不大于0.3mm。

46、3.外圆拔模斜度为5，内圆拔模斜度为7。2.2.2 锻造工艺分析1.锻件属铝合金，其变形抗力不像黑色金属那么高，但在锻造温度下，铝合金的变形抗力却比钢的大，而且外摩擦系数也较大，所以铝合金的流动性相对其他合金的流动性较差，在锻造时必须要有较好的润滑剂，否则脱模困难；由于零件尺寸不大，不应采用较大的设备，以免造成夹层、裂纹等缺陷。2.锻件没有锻造比的要求，但选材必须保证锻件成型，为了使材料使用更经济合理，在锻造前应进行制坯，这样使合金在锻造时更易成型；该锻件表面精度要求较高，对锻件的尺寸公差，尤其是厚度公差限制的较严，因此必须采用体积精压来保证精度和重量。3.铝合金的临界变形程度为12%15%，

47、为避免形成粗晶，终锻温度下的变形程度应控制在小于或大于12%15%。为提高加工时所允许的变形程度和生产率，降低变形抗力，改善金属内部组织，采用模锻或压力机上锻造更合理。此外，铝合金锻件最易产生大晶粒，除了临界变形原因外，模具表面粗糙，变形剧烈不均匀，终锻温度低，淬火温度高，时间长等都会导致产生大粗晶，所以操作中要特别注意。4.铝合金锻造时，应选择最佳的锻造温度范围。其选择的原则是：a) 保证在锻造温度范围内材料具有最好的可锻性，有最宽温度范围，以减少加热次数。b)要求不因加热而损坏材料。c)保证锻造后得到最好的内部组织和最高的力学性能19。针对自行车铝合金连杆的特点与要求，本文采用锻造成形工艺

48、来成形该连杆。并考虑到生产现场的设备和生产效率，制定了自行车铝合金连杆的工艺过程，如图2.2所示。虽然该工艺的生产工序比较复杂，生产成本较高，但是采用该工艺生产的连杆，其强度、韧性与疲劳强度均能满足要求，尤其适合于这种表面精度要求比较高的长轴类零件。精压切边终锻制坯加热下料检验抛光机加热处理 打磨切边图2.2 自行车铝合金连杆成形工艺过程3 制定锻件图锻件图是根据产品图制定的，它全面地反映锻件的情况。包括锻件的几何形状、尺寸；锻件公差和机械加工余量；锻件的材质及热处理要求等内容。通常制定锻件图时，要考虑下列一些问题。3.1 分模面的选择模锻件是在可分的模膛中成形，组成模具型腔的各模块的分合面称

49、为分模面；分模面与锻件表面的交线称为锻件的分模线。分模线是模锻件最重要、最基本的结构要素20。图3.1 分模面示意图锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。选择分模面的基本要求是保证锻件能从模膛中取出来，因此锻件的侧表面上不得有内凹的形状。按照模锻件的分类，连杆属于长轴类零件，采用开式模锻，型腔周边都有毛边槽，所以分模面应使模膛的宽度大而深度小，这样金属容易充满模膛，锻件容易出模，同时为了使模具制造简单，并防止上下模错移，采用平面分模，如图3.1所示，满足条件的只有A-A面，则选A-A为分模面。3.2 机械加工余量的确定普通模锻方法很难满足机械零件的要求，一般说

50、存在如下两方面的问题，即：1.锻件走样 由于欠压、锻模磨损、上下模错移、毛坯体积变化和始终锻温度的波动，使的锻件的形状发生变化，尺寸在一定范围内波动；又由于锻件出模需要，型槽带有斜度，锻件侧壁不得不添加敷料；对于像连杆这种长轴类零件还可能发生翘曲歪扭，从而导致锻件与零件有较大的差别。2.表面质量不易保证 由于锻件表皮氧化和脱碳，以及合金元素的蒸发或污染，表面裂纹时有发生，表面粗糙度达不到零件图的要求等，使得锻件表面质量远远低于机械加工零件表面质量。正是这两方面的原因，使得锻件设计时，应添加一层包覆零件外层的金属，即余量；而且还得规定适当的公差，以保证锻件的误差在余量的范围之内。铝合金在锻造过程

51、中的表面氧化、污染以及金相组织变化不明显，所以机械加工余量应该比钢、钛合金、高温合金小一些。而对于连杆锻件，除了大头和小头的孔径太小，采用冲孔连皮不方便，要进行机械加工(采用钻床钻孔)外，其他部分均不加工。3.3 锻件公差的确定模锻件公差代表模锻件要求达到的精度。就尺寸公差而言，是锻件公称尺寸允许的偏差值。铝合金模锻件的尺寸公差由文献21（HB 0-6-67）中可查得。，但尺寸公差根据尺寸的不同来选取，而尺寸主要分：1.不通过分模面的尺寸：双面尺寸、单面尺寸、同侧长度尺寸、同侧高度尺寸和中心距尺寸。2.通过分模面的尺寸：垂直尺寸和倾斜尺寸。由于热锻是为精锻制坯的，所以锻件按一般模锻件尺寸公差即

52、四级精度制造。3.4 模锻斜度为了便于模锻件从型槽中取出来，必须将型槽壁部做成一定的斜度，称为模锻斜度或出模角。模锻斜度可以是锻件侧壁附加的斜度也可以是侧壁的自然斜度。实际生产中，较难实现自然脱模，出模角度不是偏大就是偏小。若出模角增大，则金属充填型槽阻力增大，锻件斜度的余量也增大，从而增加金属的消耗，对于有机械加工余量的锻件来说，也增加机械加工余量。因此，在保证锻件能顺利取出的前提下，模锻斜度尽可能取小值。模锻斜度有内斜度和外斜度之分，当热锻件冷缩时，锻件外侧趋向于离开模壁，而内侧包住模具型槽中的凸出部分不易取出，因此内斜度应比外斜度大一级。铝合金的粘附力大，在实际生产中为了便于锻件从模膛中

53、取出，通常采用的模锻内斜度为7，外斜度为5。3.5 圆角半径为了使金属易于流动和充满型槽，提高锻件质量并延长锻模的寿命，模锻件上所有的转接处都要用圆弧连接，使尖角、尖边呈圆弧过渡，此过渡处称为锻件的圆角。锻件上的外圆角对应模具型槽的内圆角，其作用是避免锻模在热处理和模锻过程中因应力集中而导致模具开裂，并保证金属充满型槽。锻件上的内圆角对应的模具型槽上的外圆角，其作用是使金属易于流动充满型槽，防止产生折叠和型槽过早被压塌20-24。对于铝合金锻件来说，设计圆角半径尤为重要，小圆角半径不仅使金属流动困难，纤维折断，而且会使锻件产生折叠、裂纹，降低锻模寿命。所以在可能允许的条件下应尽量加大圆角半径。

54、铝合金锻件的圆角半径一般比钢件应大。为了防止铝合金锻件切边后在分模线上产生裂纹，其锻模的毛边槽桥部高度和圆角半径要比钢件锻模大30%24。对产品的工艺进行分析，再结合公司锻造生产的实际情况，在零件图的基础上绘制锻件图如图3.2所示。图3.2 连杆锻件图4 锻模设计模具是影响模锻件尺寸精度最直接的因素 ,要保证模锻件在生产中断面尺寸不变或变化很小 ,必须使模具的刚性、耐热性、耐磨性达到一定的要求。连杆的锻模根据该厂生产现场的设备情况，将在160吨或300吨摩擦压力机上使用，由于二者所使用的模架相同且已具备，故只需设计模块即可。考虑到产品属于轴对称而不是中心对称，为了使坯料置入模膛时在长度方向上能

55、够定位，下模上应有两个基本处于同一水平位置上的支撑点，因此将图3.1A-A下侧做在下模，而将其上侧做在上模。4.1确定型槽压力中心锻件采用单模膛模锻，所以型槽中心和锻模中心重合。在AotuCAD中创建面域，其质量中心即为压力中心。4.2 确定飞边槽形式和尺寸摩擦压力机上开式锻模的飞边槽的基本形式有三种，如图4.120所示。与锤上模锻相比，飞边槽的桥部高度较大。若采用小飞边模锻时，可采用第类飞边槽形式；对于一些小锻件模锻时，可采用第类飞边槽形式；对于形状复杂的锻件和制坯后金属体积与锻件的体积相差较大时，可采用第类飞边槽形式。由于连杆属于小件模锻，故选用第类飞边槽形式，其尺寸根据所选择的设备吨位来

56、进行选择和确定，即按表4.120确定。图4.1 飞边槽的三种基本形式表4.1 有色金属锻件飞边槽尺寸设备吨位/kN1600160040004000630063001000010000250001.21.52.02.53.044567688101225303535401.52.02.02.53.544567选定 mm,mm,mm,mm,mm,mm。因为坯料在上模积聚少，流入飞边槽金属较少，为了使模具制造简单，所以将飞边完全设在下模上。4.3 确定模锻型腔锻模型腔是按热锻件图尺寸加工和检验的，连杆材料为LD30锻造铝合金，考虑铝合金的收缩率为0.9%。绘制的热锻件图如图4.2所示。图4.2 连杆热

57、锻件图4.4 确定钳口的尺寸钳口尺寸主要依据夹钳料头的直径而定，应保证夹料钳子能被自由的操作。钳口基本形式如图4.320所示，连杆实际生产中不需要设计钳口颈。其尺寸根据表4.220确定。图4.3 钳口的基本形式表4.2 钳口尺寸料头直径料头直径1818282835354040505055506070809010020253035404510101015151555656570708080909095951051101201301401501605055606570755151515202020选定mm,mm,mm，钳口长度按模膛布置选定mm。4.5 确定导向机构为了防止纵横方向产生错移，在模块

58、上要设置导向机构，而压力机锻模一般不采用锁扣，所以采用双导柱呈对角线布置即可，导柱固定端与模块过盈配合，活动端保证0.25mm的间隙。图4.2 连杆的锻模图根据以上具体结构设计确定连杆的锻模如图4.2所示。模具的技术要求：材料5CrNiMo；热处理硬度：HRC4448；粗糙度：模膛Ra=0.8m,其余Ra=6.3m。5 模锻变形工步的确定和坯料计算任何一种锻件投入生产前，首先必须根据产品零件的形状尺寸、性能要求、生产批量和所具备的生产条件，确定模锻工艺方案，制定模锻生产的全部工艺过程。模锻工序是 模锻工艺过程中最关键的组成部分，它关系到采取什么工步来锻制所需的锻件。5.1 模锻工步的选择模锻时

59、，坯料按照锻件的复杂程度和具体生产条件，在锻模的一系列模膛中逐步变形，最后成为锻件。坯料在每一模膛中的变形过程叫做模锻工步，而工步的名称与所用的模膛的名称是相应一致的。选择模锻工步时的原则是：使坯料在良好的变形条件下成形，获得质量良好的锻件；操作安全方便；材料消耗少；生产效率高。连杆属于长轴类锻件，其特点是锻造时坯料轴线与打击方向垂直，金属沿坯料轴线分配并形成锻件。如果直接用等断面毛坯在锻模模膛内锻造，根据长轴坯料变形时金属流动的特点可知，坯料变形时，金属沿轴向流动的少，沿横向流动的多，近似于平面变形。因此杆部有大量金属流入飞边槽。不仅浪费了很多金属，而且使上、下模不能打靠。头部由于金属不足，

60、不能充满，为了得到质量良好的锻件，节约金属和减少模膛磨损，应采用制坯工步，预先改变毛坯的形状，改变金属沿轴向分布的情况24-27。毛坯沿轴向的金属分配对不同锻件要求是不一样的，合适的形状应该是在保证模膛充满的条件下，模锻之后，锻件各处飞边均匀，亦应是毛坯上的各截面的面积等于锻件上相应截面积加上飞边的面积。按这一要求计算的坯料，通常就称计算毛坯。拔长、滚压、卡压工步是以计算毛坯为基础，根据各工步的变形特点，参照经验图表资料及具体生产情况确定的。下面将具体计算选择制坯工步。5.2 坯料计算5.2.1 计算毛坯根据平面变形假设进行计算并修正所得的具有圆形（或方形）截面的中间坯料来计算毛坯或计算坯料（

61、如图5.1），它的各个截面积等于沿锻件长度上各个相应截面积加上飞边的截面积。即： 5.1式中任意一处计算毛坯的横截面积；相应处锻件的横截面积；相应处飞边的横截面积；相应处飞边槽的横截面积。由于零件实体已在PRO/E中创建，所以相应处锻件的横截面积可以在其模型分析中自动计算出来。飞边槽的形式和尺寸也已确定，在AotuCAD中创建面域，相应的参数即可知道。代入上式中计算可得相应处的计算毛坯的横截面积。然后，以计算毛坯的长度115.2为横坐标，以算得的横截面积为纵坐标，绘在方格纸上，并连接各点成光滑曲线，便可得到锻件的截面图（图5.1）根据可以算出计算毛坯上任意处的直径。即：=1.13 5.2同样，以115.2为横坐标，以为纵坐标，可做出计算毛坯图（图5.1）。从图中可以看出头部金属流动急剧变化，在实际的工艺过程中很难确保金属顺利流动，因此为了保证金属较好的充满模膛，对绘制的计算毛坯图按体积相等进行修正，如图中双点划线所示，才是所需要的计算毛坯图。图5.1 计算毛坯图为了计算出平均截面和平均直径，以计算毛坯图的面积代表计算毛坯的体积。即：=+ 5.3式中计