模具結構對鋁型材擠壓的組織影響分析

鄧汝榮，曾 蕾

（廣州科技職業(yè)技術學院，廣州 510550）

模具結構對鋁型材擠壓的組織影響分析

鄧汝榮，曾 蕾

（廣州科技職業(yè)技術學院，廣州 510550）

摘要：在鋁型材生產(chǎn)過程中，影響型材的組織狀態(tài)、晶粒度大小的因素有很多，如材料的成份、熔鑄與擠壓的工藝參數(shù)等。事實上，模具也是一個重要的因素。通過實際例子，分析了模具設計所選擇的結構參數(shù)對鋁型材產(chǎn)品組織影響，強調(diào)了模具設計因素的重要性，目的在于向行業(yè)介紹如何采用合理的模具設計，以幫助獲得型材良好的組織狀態(tài)。

關鍵詞：鋁型材；模具設計；組織；影響

0 前言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的迅速發(fā)展，鋁型材的應用越來越廣泛，市場需求越來越大，市場消費者重視方面，不僅是品種規(guī)格，更加注重產(chǎn)品的質(zhì)量，質(zhì)量要求涵蓋內(nèi)外兩個方面從產(chǎn)品的性能到外觀。因而，對擠壓模有了更高的要求。我們都知道，要得到優(yōu)質(zhì)的型材產(chǎn)品，除了材料本身的因素、工藝參數(shù)外，很大程度取決于模具的綜合質(zhì)量水平。在擠壓模設計和制造方面，通常人們習慣于考慮的主要因素或方向是成型的問題，即保證型材的幾何尺寸合格，而少有考慮模具設計對型材組織的影響。本文通過實際案例，探究模具設計對產(chǎn)品組織的影響，供同行參考。

1 型材的分類與模具分析

鋁型材雖然規(guī)格品種繁多，但從形狀來分類，通?？煞譃榭招男筒模ɑ虬肟招男筒模┖头强招男筒?。這兩類型材通常所用的模具結構是不同的。目前，行業(yè)使用最常見或最普遍的方法是：用分流模生產(chǎn)空心型材而用平面模生產(chǎn)非空心型材。當然，也有一些非空心型材出于強度上及成型方面的考慮而使用分流模。模具結構的不同，擠壓過程中金屬成形或金屬流動的情形是有所不同的。采用分流模結構，金屬經(jīng)過分流孔分成幾股重新聚集在焊合室，由于分流橋的存在，橋底不可避免形成金屬流動的剛性區(qū)，使該處金屬原子的擴散結合速度較慢，金屬的組織致密度降低，較其它部位的組織要疏松。所以用分流組合模擠壓型材將不可避免存在這樣的情況，即有我們通常稱作為的焊縫組織。但是，如果模具設計合理，可以得到良好的焊縫組織，從而使組織不均勻度降低，就不致于出現(xiàn)類似粗晶及光亮帶現(xiàn)象。要保證焊縫的質(zhì)量，原則是：一方面，使焊合室焊縫處的金屬能充分擴散結合；另一方面，變形程度要足夠、要大一些，擠壓力不能過低，特別是焊合室的金屬變形量要大，以形成較大的金屬流體的靜水壓力。否則，將形成疏松、顆粒粗大與其它部位不均的組織。既然，模具結構決定了焊縫不可避免，那么，在模具設計上，應盡可能安排焊縫在不影響外觀及不承受主要載荷的部位，并盡可能提高焊縫的質(zhì)量，使焊縫組織與其它部位的組織趨于一致。

采用平面模結構，金屬主要經(jīng)過預變形再成型的過程。這一過程中，由于在擠壓筒斷面上存在壓力梯度，離中心越近，成形壓力越大。因此，存在著流速不均現(xiàn)象。所以，在預變形或?qū)Я麟A段，若金屬分配不合理，或者在成型階段用工作帶方式調(diào)整流速不合理，就會造成組織上的不一致。

2 模具設計案例分析

2.1 空心型材的分流模

如圖1所示型材，常見模具設計分流孔布置如圖2、圖3、圖4所示。模具均為11MN擠壓機的，擠壓筒內(nèi)徑為φ125。圖2方案為最普遍使用的一種方案，好處在于金屬焊合縫靠近型材的角處，倘若出現(xiàn)焊縫質(zhì)量不好，晶粒粗大的現(xiàn)象，或出現(xiàn)光亮帶而有色差，外觀影響也不明顯。但缺點是模具強度較差，分流橋易斷裂。另外，模具使用一段時間后，因磨損而使得壁厚增大，導致型材的斷面積增大，擠壓比降低，從而導致變形程度降低，致使焊縫處的組織晶粒大小發(fā)生變化。在分流孔不變的情況下，隨著壁厚的增大，擠壓比降低，焊縫處組織的晶粒度越大，當超過一定的臨界，擠壓力明顯降低，焊合力也降低，這時，晶粒粗大會出現(xiàn)明顯的光亮帶。采用這一方案，模具設計要充分考慮擠壓比的變化，分流孔入料孔徑適當取下限，以期適應模具的磨損，提高模具的壽命。當擠壓比低于40時，也可以適當增加上模的厚度來提高擠壓力從而增加焊合的靜水壓力。

圖1 76X25扁管斷面圖

圖3模具設計方案，模具的強度和壽命較好，擠壓成型過程穩(wěn)定。但不足之處是焊縫處型材大小面的中心顯眼處，倘若焊縫質(zhì)量不好，對型材質(zhì)量的影響會很敏感。當擠壓比較小時，經(jīng)驗數(shù)值為小于30時，焊縫組織晶粒易出現(xiàn)明顯的粗晶現(xiàn)象，影響到型材的外觀質(zhì)量，不宜用此方案。這方案適用于擠壓比70～100的情況，在這種情況下，主要矛盾是擠壓力較大，在強度滿足的條件下，可得到良好的焊縫組織，型材各部的組織較趨一致。采用此方案，上模厚度可適當減小，這樣，提高了模具的強度，也避免了粗晶的出現(xiàn)。

而對于擠壓比低于70的情況，如要采用此方案，可適當增加上模厚度，并適當減小分流孔入料直徑，使擠壓力提高，反而有利于焊合。當然，對于處于大面的分流橋可以采用沉橋方式，局部提高該處的焊合力，也同樣可以改善焊縫組織，避免粗晶的出現(xiàn)。這一方法用在許多幕墻型材主材或大斷面型材上的模具設計是相當有效和普遍的。如圖5所示B-B。

圖5 沉橋示意圖

通過對沉橋與未沉橋情況下擠壓的型材在對應的部位取樣，進行金相分析，沉橋后的組織晶粒較細小致密，如圖6所示。從金相分析可以看出，焊合室的深度對組織是有影響的。

圖6 型材組織金相圖

圖4所示方案，制造簡單，但成型不穩(wěn)定，受模具制造誤差影響較敏感。但對于窄長型材（小面尺寸小于15）較適用，這種方案，焊縫落在小面處，當擠壓比過小時，易在小面出現(xiàn)粗晶。此方案，焊縫數(shù)量減少了，當擠壓比在30～60用此方案，既可保證強度，又可避免粗晶的產(chǎn)生。

對于采用分流模結構，除了合理布置分流孔，焊合室的深度選擇也是很關鍵的。焊合室的深度，一是要考慮擠壓機的能力，二是要根據(jù)擠壓比的大小，擠壓比越小，焊合室深度可適當增加，但要顧及到模芯的剛性。經(jīng)驗數(shù)值如表1所示。

表1 焊合室深度值

而對于一模雙腔或多腔的設計，應盡量采用獨立焊合室，否則會在“共界”處相應型材部位如圖7所示的A面出現(xiàn)嚴重的晶粒粗大現(xiàn)象。

圖7 分流孔與焊合室結構示意圖

通過對兩種焊合室生產(chǎn)出來的型材取樣，經(jīng)堿蝕后發(fā)現(xiàn)焊合室結構1生產(chǎn)的型材A面出現(xiàn)粗晶。兩種情況下的A面組織金相圖如圖8所示。

圖8 型材組織金相圖

對于大斷面型材，由于生產(chǎn)的擠壓機能力都較大，擠壓筒的內(nèi)徑也較大，除了要考慮上述的因素外，更要考慮在擠壓筒的徑向上存在的壓力遞減因素。否則，會出現(xiàn)難以修復的粗晶現(xiàn)象。

對于具有非空心部位和空心部位的型材，如圖9所示型材的B處。生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到的問題是在B處（連接部位）易出現(xiàn)光亮帶和起筋的現(xiàn)象。原因是該處工作帶的選取不合理。該處經(jīng)常被設計在分流橋下，從而將此處工作帶取成最短，這容易使得該處壁厚內(nèi)外兩側流速不一致，外側快而內(nèi)側慢，因而出現(xiàn)“凸起”（起筋）。另一方面，該處工作帶與相鄰工作帶如過渡突然的話，則會加劇這種現(xiàn)象的嚴重性。而當連接部位置于分流橋下時，成形又由焊合而成，因而易出現(xiàn)粗晶及光亮帶的現(xiàn)象。通過正確選取工作帶及適當提高焊合力（如適當減小分流孔入料孔徑及增加上模厚度、適當增加焊合室深度），就可以解決問題，如圖9所示。

圖9 型材及分流孔與工作帶示意圖

2.2 非空心型材的平面模

非空心型材采用平面模結構主要有2種形式，一是導流板形式，二是導流坑形式。無論是哪一種形式，都設有導流部分。采用導流板形式，擠壓過程較平穩(wěn)而采用導流坑形式則制造較簡單。導流部分也是金屬預變形分配的部分。金屬流速的調(diào)整主要是通過導流部分進行金屬分配以及工作帶的選取來實行。非空心型材出現(xiàn)組織不均主要原因是金屬的分配和工作帶選擇不合理。工作帶選擇主要避免過渡的突然性，要緩沖過渡，過渡角以不超過45°為佳。金屬導流分配的原則是成形阻力小的部位分配少或采用階梯導流，離擠壓筒中心越遠，金屬的分配要相應增加，反之亦然。

圖10 導電板與導電桿示例

對于如圖10所示的導電板及導電桿型材。此類型材在生產(chǎn)過程中的主要矛盾是擠壓比過低，變形程度不足。因而，盡可能提高變形程度，提高成形時的壓力，就有利于得到較為致密的晶粒組織，從而提高型材的機械力學性能及導電性能。其模具設計如圖11所示。其原理是：圖11所示則是將型孔置于在離中心的某一位置上，增加了金屬的變形程度和擠壓力。

圖11 導電桿平面模設計示意圖

通過對兩種設計生產(chǎn)出來的型材取樣，經(jīng)堿蝕后發(fā)現(xiàn)，將型孔置于在離中心的某一位置上生產(chǎn)的型材的晶粒要明顯細小。

3 結束語

通過案例分析可見，模具設計過程中有關參數(shù)的選擇是可以改變型材的組織狀態(tài)的。因此，合理的模具設計應考慮這些因素，而不僅僅注重保證幾何尺寸及成形的容易。

參考文獻

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（編輯：余東梅）

中圖分類號：TG375+.41

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4898（2014）06-0026-04

doi:10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.06

作者簡介：鄧汝榮（1964-），男，廣東南雄人，高級工程師。

收稿日期：2013-12-24

Effect of Die-design on Microstructure of Aluminum Profiles

DENG Ru-rong
（Guangzhou Vocational Technical College, Guangzhou 5105050, China）

Abstract:Through the examples from practice, the effect of die design on the microstructure and properties of aluminum profiles is analyzed, the factors of die design are stressed.

Keywords:aluminum profiles;die design;microstructure and properties;effect