1.绪论
1.1液态模锻技术概述
早期，我国液态模锻技术的研宄与应用比其他发达国家大约落后20年，但随着研究工作的不断深入，现在我国同国外的水平基本相当。我国从1957年开始对液态模锻工艺进行试验研究。60年代进入应用开发阶段，液态模锻技术率先用于铝合金仪表零件的批量生产。随后，一些科研院所开展了针对液态模锻工艺基础理论的研究工作，为液态模锻技术在我国稳步发展奠定了理论基础。20世纪90年代，随着汽车工业的蓬勃发展，液态模锻技术也得到了迅猛发展，我国的液态模锻技术从此进入了产业化应用阶段。我国仅摩托车轮毂釆用液态模锻工艺的生产能力就达到了三百万只，液态模锻零件己经涵盖了盘盖、轴套、箱体和叉架四大类机械零件。如图1-2所示为部分液态模锻产品示例。
进入二十一世纪以后，为适应生产多样化的需求，液态模锻工艺已经发展出 了间接冲头挤压、直接冲头挤压、型板挤压和柱塞挤压等多种形式。陈炳光教授提出了 "连铸连锻"的工艺路线，邢书明教授提出了"半固态挤压铸造"的思想都使液态模锻技术显得更加丰富多彩。液态模锻设备也从早期的通用压力机发展为带活动梁、侧向油缸和顶出器油缸的改进型液态模锻机。
近十年来又相继发展出从模具清洗、喷涂、饶注、挤压到挤压速度可分级调节、工艺参数可全过程计算机控制并显示、取件全自动化的专用液态模锻机。液态模锻最突出的一个技术优势就是对材料的适应性强。因此，液态模锻的材料类别也在不断扩张，在继续稳定铝合金、镁合金、锌合金等有色金属的应用开发的同时，也在向钢铁材料、铜合金材料以及复合材料领域快速扩展，呈现出合金材料多样化的趋势。液态模锻技术在金属基复合材料、金属和金属、金属和非金属层状复合材料等领域的应用正逐渐增加，与有色金属液态模锻相比，黑色及包覆铸造方面也将是一个发展热点。
黑色金属液态模锻的工艺难点较多，发展较为缓慢。但是，黑色金属液锻件的成型质量比砂型铸件好，表面质量接近锻件水平，内部组织致密，能获得较好的经济效益。以铸铁为例，铸铁在液态模锻压力下结晶，具有抑制石墨化、促进白口的效果。但另一方面，压力下结晶会使共晶铸铁、过共晶铸铁获得亚共晶组织或共晶组织，同时促进石墨细化，并成为蠕虫状、球状析出，有类似于球化剂的作用。铸铁在压力下结晶所生成的渗碳体在石墨化退火时，析出速度明显增加，并生成石墨化程度高的石墨相。所以，液态模锻工艺在铸铁材料上的应用将成为未来的一个发展趋势。
1.2液锻模具的失效及其防治研究现状
随着液态模锻工艺在钢铁材料上应用研究的增多，液态模锻技术中存在的问题也进一步凸显。模具寿命就一直是钢质液态模锻推广应用的限制环节，它也是构成液态模锻产品成本的重要方面。在液态模锻工艺中，模具的高温、热冲击行为、热穿透行为和热力賴合行为是造成模具失效的根本原因，而在钢铁材料的液态模锻中，这些因素的影响更加强烈，模具失效行为也更加复杂。但是，模具寿命问题不能一概而论，在直接液锻中，芯杆、压头以及形成型腔的模芯等赋形零件寿命较短；而在间接液锻中，寿命较短的零件除了赋形零件之外，还包括压室和压头。模具零件的失效形式各不相同，归纳起来主要有热冲击开裂，热疲劳开裂、塑性变形、侵蚀、磨损或熔悍等。
热疲劳开裂是液态模锻模具正常失效的主要形式之一，其表现形式是在模具型腔表面出现放射状、单条状或网状的热疲劳裂纹。模具在服役过程中，由于快速的受热挤压和脱模冷却，每一次的成型都会导致型腔表层出现一次迅速变化的压应力和拉应力，从而导致模具受到热冲击造成的循环应力作用，这是造成模具热疲劳失效的主要原因。
2.液态模锻试验模具设计
本课题拟釆用实际试验测定与理论模拟验证相结合的研究分析方法研究液锻模具的热行为，其中对模具热行为的试验测定须以一套具体的液态模锻模具作为支撑，并对其进行液锻成型试验，测定成型过程中模具温度的变化情况。为此，首先设计并生产了一套试验模具，使其既能满足现阶段的研究需求，又能为课题的长远深入研究做准备。
2.1试件的选择
试验模具的设计原则是既要满足对其服役条件下的热行为的研究要求，又能满足长远研究需求。由于时间所限，本课题仅关注液态模锻模具在服役条件下的温度变化规律，但是随着液态模锻技术的发展与课题研究的深入，试验模具应能满足更进一步的研宄需求，如关于成型工艺参数、冷却参数、熔炼工艺等因素对制件力学性能、成型质量等指标影响规律的研究，因此本试验模具选用拉伸试棒和圆柱体压缩试件作为成型制件，制件形状分别如图2-1和2-2所示。
3. 液锻模具服役过程的热循环规律............................. 38-52
3.1 铝合金液锻试验............................. 38-43
3.2 钢液锻试验 .............................43-45
3.3 试验结果与分析............................. 45-50
3.3.1 不同合金对模具温度............................. 46-48
3.3.2 不同冷却方式对模具温度............................. 48-49
3.3.3 冷却系统的有无对模具温度............................. 49-50
3.4 小结............................. 50-52
4. 模具温度场的模拟计算............................. 52-74
4.1 数值模拟软件的分析............................. 52-58
4.1.1 数值模拟软件的简介 .............................52-53
4.1.2 试验模具热行为的数值模拟............................. 53-57
4.1.3 模拟结果的分析与对比............................. 57-58
4.2 模具不同位置的温度变化规律.............................58-64
4.2.1 纵向不同位置的温度变化............................. 59-62
4.2.2 横向不同位置的温度变化............................. 62-64
4.3 液锻金属不同对模具温度的影响.............................64-67
4.3.1 铜合金液锻过程的模拟计算............................. 64-65
4.3.2 钢液锻过程的模拟计算............................. 65-66
4.3.3 采用不同液锻合金模拟结果............................. 66-67
4.4 冷却方案不同对模具温度的影响............................. 67-72
4.5 小结............................. 72-74
结论
本文对液态模锻模具服役条件下的热行为进行了研究，首先通过査阅相关资料分析了模具的热行为对其使用寿命的重要意义，确定了实际试验测定与理论模拟验证相结合的研究分析方法。根据本课题的试验要求，设计了试验模具一套，对试验模具各个方面进行确定，具体包括液锻方式的确定、液锻工艺参数的确定、模具参数的确定以及液锻模具结构的确定等内容。设计了三套压室冷却系统，并对每一种冷却系统的水道对流换热系数进行计算，得到冷却水流量与水道换热系数之间的定量关系，并确定了对试验模具进行测温的方式和位置。
以工厂实验条件为基础，分别采用铝合金和45号钢作为液锻材料对试验模具进行液锻成型试验，采集分析不同试验条件下进行成型试验时模具测温点的温度数据，并将试验所得相关数据与采用ProCAST软件模拟所得数据进行对比分析。综合上述研究工作，得到了如下结论：
(1) 液锻模具服役过程中，在靠近压室和型腔一定区域内，温度先急速升高后缓慢冷却，模具承受较强温度载荷的关键位置位于压室与饶道共同作用的三角区域；
(2) 三种冷却方案中，螺旋式冷却系统的冷却效果最好，薄壁狭缝式次之，厚壁狭缝式的冷却效果最差，且试验测定与模拟计算结果相一致；
(3) 铜合金液锻和钢液锻容易导致模具关键区域温度达到或超过模具工作温度上限550X:，因此需对模具关键区域重点喷刷涂料或设置更加高效的冷却方式；
(4) 模具整体的冷却效果过强会严重影响充型效果和液锻成型质量，高温金属液锻或进行长期连续工作条件下，需对模具关键区域设置局部冷却或间歇冷却以提高模具寿命。