6061鋁合金熱擠壓工藝優(yōu)化研究

李 劍，劉 勇，吳欣桐

(南昌大學先進制造學院，江西省輕質高強結構材料重點實驗室，江西 南昌 330047)

0 引 言

6061鋁合金屬于6XXX系Al-Mg-Si鋁合金的一種，具有中等強度，良好的抗腐蝕性、延展性和可焊接性，以及加工后不變形、氧化效果佳等特點，廣泛應用于航空、交通、機械、新能源等各行各業(yè)中。我國目前擁有的擠壓機超過3950臺，占世界總臺數(shù)的65%以上[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國2021年鋁材產量為2 202萬噸，同比增長8.1%，其中工業(yè)鋁型材679萬噸，同比增長10.9%。2022年我國鋁型材預測消費量4 039.6萬噸，其中交通運輸業(yè)用鋁同比增加34.91萬噸，風力光伏發(fā)電用鋁增加48.38萬噸。因此，以提升擠壓速度，提高生產效率，降低單位生產能耗成本為目的，對6061熱擠壓相關工藝進行優(yōu)化研究，對鋁型材行業(yè)具有重要意義。

張?zhí)降萚2]對稀土加入6061鋁合金后其組織和擠壓性能變化進行了研究。姚凌風等[3]研究了擠壓溫度對6061鋁合金力學性能的影響。李春風等[4]對6061鋁合金分流擠壓也進行了模擬研究。但鮮見對提升6061鋁合金擠壓速度以及相關擠壓工藝優(yōu)化的研究。本文通過對6061鋁合金熱擠壓過程進行有限元模擬計算，對模具結構進行了優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)采用經(jīng)過優(yōu)化后的模具進行擠壓，型材擠壓速度明顯提高，生產的型材各項性能完全符合相關質量標準，生產效率大幅提升。

1 有限元計算模擬優(yōu)化

圖1所示為常見的6061鋁模板型材產品，該型材最大處寬度為400 mm，型材壁厚最薄處為3.0 mm，最厚處為8.0 mm，壁厚相差較大，型材驗收質量標準為超高精級。采用直徑320 mm的6061鋁合金鑄棒在擠壓力45 MN的擠壓機內進行擠壓，鑄棒各合金成分見表1。

表1 6061鑄棒合金質量分數(shù)

圖1 6061鋁模板型材

擠壓模具是影響擠壓速度和鋁制品表面質量的重要因素，圖2為優(yōu)化前的擠壓模具方案。模具直徑為700 mm，為均衡鋁固溶體在流入各分流孔時的流速，采用了左右對稱的6個分流孔設計，如圖2(a)所示；模具工作帶的長度見圖2(b)，以型材壁厚比例計算，最長處為15 mm。由于分流孔數(shù)量較多，且型材工作帶較長，在實際擠壓生產過程中，擠壓桿速度只能達到4.0～5.0 mm·s-1，擠壓速度較慢，生產效率低。而其他6063鋁合金型材在同等噸位的擠壓機進行擠壓時，可以達到9.0～10.5 mm·s-1的擠壓速度。如果對該6061型材增加擠壓速度，則容易出現(xiàn)拖傷、麻面等缺陷。

采用Qform有限元計算模擬軟件對該型材擠壓過程進行模擬，分析發(fā)現(xiàn)該模具模擬擠壓載荷達到45.6 MN,已經(jīng)超過擠壓機額定載荷。型材擠出的塑性應變分布圖如圖3所示，最大值出現(xiàn)在模橋根部以及轉角部工作帶最長處，與擠出型材的拖傷缺陷位置基本吻合，塑性應變型材拖傷實物見圖4。

根據(jù)古布金關于擠壓力的計算公式[5]：

(1)

(b) 優(yōu)化前的模具工作帶長度

圖3 塑性應變分布

圖4 拖傷型材樣例

以及分流比K計算公式[6]：

(2)

FS為分流孔面積；FW為焊接面積。

由上述擠壓力公式得知：擠壓力大小P與擠壓系數(shù)λ大小成正比。擠壓系數(shù)越小，擠壓力越小，反之則越大。而分流比K值的大小直接影響擠壓力的大小。分流比越大，擠壓力越小，反之分流比越小，則擠壓力越大。而加大分流比K值，減少擠壓系數(shù)，最有效的途徑就是增加分流孔ΣFS，使得入料壓力降低。

對原擠壓模具的設計方案進行優(yōu)化，將模具分流孔的數(shù)量由6個減少為3個，如圖5(a)所示。分流孔數(shù)量減少后，入料分流孔總面積增大了10.6%；以減少摩擦力為前提，對模具的工作帶長度進行重新設計，不再按型材厚度比例來確定工作帶長度，將模具轉角處的工作帶長度由15 mm大幅縮短至3 mm，見圖5(b)。對優(yōu)化前、后的型材最大擠出速度分別進行模擬，優(yōu)化后的模具，型材最大擠出速度明顯提升，見圖6。通過對優(yōu)化前、后的擠出型材金相組織進行分析可知：優(yōu)化前的擠出型材組織晶粒粗大，第一相化合物偏析較多，見圖7(a)，優(yōu)化后的擠出型材組織偏析明顯減少，見圖7(b)；使用優(yōu)化后的模具進行擠壓時，擠壓時產生的摩擦力大幅降低，擠壓載荷由45.6 MN下降到43.97 MN，擠壓速度得以明顯提高，見表2。擠出的型材表面光潔，完全達到相關質量標準要求，見圖8。優(yōu)化后的模具見圖9。

(a) 優(yōu)化后的三分流孔模具設計方案

(b) 優(yōu)化后的模具工作帶長度

表2 優(yōu)化前、后的擠壓速度對比

圖6 優(yōu)化前、后的型材最大擠出速度模擬結果曲線

(a) 優(yōu)化前擠出的型材組織

(b) 優(yōu)化后擠出的型材組織

圖8 優(yōu)化后擠壓的6061鋁模板型材

圖9 優(yōu)化后的模具實物

2 生產工藝

鋁型材一般采用“低溫快速”的擠壓工藝，一般經(jīng)歷填充階段、穩(wěn)態(tài)擠壓階段、擠壓終了階段。鋁固熔體在擠壓筒內經(jīng)過鐓粗，進入模具腔內，在分流焊合及通過工作帶的過程中，將產生大量的剪切熱和摩擦熱，使溫度急劇升高40～65℃。擠壓速度越高，變形區(qū)產生的熱量越多，大量的變形熱來不及擴散，擠壓件溫升越大[8]。推薦采用擠壓筒加熱溫度為370～390℃，棒溫450～460℃,模具加熱溫度480～490℃，擠壓桿速度控制在8 mm·s-1左右，出口溫度在500～510℃，采用“風冷+水霧”噴淋工藝。此時可得到較好的表面質量與穩(wěn)定的時效后硬度。

3 結 論

采用有限元計算軟件對型材擠壓進行了模擬，可以準確得到型材出現(xiàn)最大塑性變形區(qū)間，進而對相應的擠壓模具結構進行優(yōu)化。模具結構應該盡量簡單，工作帶盡量縮短，分流孔數(shù)量盡量少，可以降低鋁固熔體流過模具腔內壁因摩擦帶來的變形熱，提升擠壓速度。同時，合理控制各合金元素的比例，對鑄棒進行均勻化處理，可以有效提高6061鑄棒的可擠壓性。通過精確控制鑄棒棒溫和模具溫度，采用“低溫高速”的擠壓工藝，可明顯提升擠壓速度。