鋁合金擠壓棒材的模具結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與設(shè)計(jì)

鄧汝榮，曾 蕾

(廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510550)

?

鋁合金擠壓棒材的模具結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與設(shè)計(jì)

鄧汝榮，曾 蕾

(廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510550)

文章通過(guò)分析擠壓過(guò)程中金屬成形的特點(diǎn)，介紹了一種通過(guò)改變模具結(jié)構(gòu)來(lái)改變金屬變形程度、提高成形過(guò)程中壓應(yīng)力、從而減少或避免粗晶產(chǎn)生的模具結(jié)構(gòu)，實(shí)踐表明可行。

鋁合金棒材；粗晶；模具結(jié)構(gòu)；變形程度；壓應(yīng)力

由于鋁合金具有良好的抗腐蝕性、可焊接性、輕量性等特性，因此，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是用作具有一定強(qiáng)度和抗腐蝕性的工業(yè)結(jié)構(gòu)件。但在鋁合金棒材的生產(chǎn)過(guò)程中，最大的問(wèn)題是容易出現(xiàn)粗晶環(huán)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響材料的使用性能。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者、工程師和技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究，但主要集中在鋁合金擠壓工藝、合金化學(xué)成份、均勻化處理對(duì)棒材力學(xué)性能及粗晶環(huán)的影響方面，如采用反向擠壓在線淬火+拉撥+人工時(shí)效的方式[1]，因?yàn)槟壳颁X合金棒材的生產(chǎn)方式主要采用正擠壓方式[2]。這些研究都忽視了成形過(guò)程對(duì)棒材力學(xué)性能的影響，即擠壓變形程度及應(yīng)力對(duì)晶粒大小的影響。通常，在棒材的擠壓過(guò)程中，變形程度和擠壓比均較小，很容易實(shí)現(xiàn)擠壓成形。但實(shí)踐表明，金屬變形程度和擠壓力的大小也是決定晶粒大小的重要因素。因此，僅從工藝和合金成份方面進(jìn)行研究或?qū)嵺`，是難以完全解決棒材生產(chǎn)過(guò)程中的粗晶問(wèn)題。本文介紹一種改變模具結(jié)構(gòu)的方式，通過(guò)改變變形程度、提高金屬成形的壓應(yīng)力從而提高棒材的力學(xué)性能，僅供同行參考。

1 傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)與分析

傳統(tǒng)鋁合金棒材的生產(chǎn)方式是采用正擠壓中心擠壓方式，即型孔處于模具中心并與擠壓筒中心重合。模具結(jié)構(gòu)通常采用帶導(dǎo)流室的形式[3]，為普通模面(子)與模墊結(jié)合的方式，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)平面模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of conventional plane die

采用這種方式，模具制造簡(jiǎn)單，擠壓變形程度小，擠壓力低；不足之處是型材晶粒度大，容易出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象，所得制品的力學(xué)性能及導(dǎo)電率較低。究其原因，一方面是擠壓系數(shù)小，變形程度小產(chǎn)生的靜水壓力??；另一方面，傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)金屬預(yù)變形的程度較大。據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，金屬的再結(jié)晶溫度與其預(yù)變形程度有關(guān)，預(yù)變形程度越大，再結(jié)晶溫度就越低。這是由于預(yù)變形程度越大，金屬晶粒的破碎程度便越大，產(chǎn)生的位錯(cuò)等缺陷就越多，組織的不穩(wěn)定性就越高，因而會(huì)在較低溫度下開(kāi)始再結(jié)晶。再結(jié)晶后的金屬，一般會(huì)得到小而均勻的等軸晶粒，如果溫度繼續(xù)升高，再結(jié)晶后的晶粒又以相互吞并的方式長(zhǎng)大，此時(shí)會(huì)造成產(chǎn)品出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象。

為了達(dá)到一定的擠壓系數(shù)，必須選用擠壓能力較大的機(jī)臺(tái)和較大的擠壓筒內(nèi)徑，這將增加擠壓的成本并且受設(shè)備條件的限制。同時(shí)，在擠壓過(guò)程中，容易出現(xiàn)棒與棒之間接頭銜接不牢或變形的情況，每次擠壓終了切除擠壓壓余時(shí)，容易將棒材反向拉出或使已擠出的棒材出現(xiàn)晃動(dòng)而碰撞模具從而損傷棒材的表面質(zhì)量。傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)對(duì)于擠壓系數(shù)大于40或?qū)Ρ砻尜|(zhì)量及內(nèi)部組織要求不高的棒材也是適用的；此外，當(dāng)所擠壓棒材作為結(jié)構(gòu)件的坯料還需進(jìn)行二次擠壓加工時(shí)，也可采用該方式。

為了得到更可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)，在實(shí)踐中，采用了循序漸進(jìn)的方式，首先進(jìn)行模具試驗(yàn)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

2 模具試驗(yàn)

以Φ25mm的棒材作為試驗(yàn)產(chǎn)品，分別在8MN和18MN的擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓。設(shè)計(jì)并制作模具4套，分別編號(hào)為1～4#，其主要形式如下：

(1) 1#模具，8MN，單孔設(shè)計(jì)；

(2) 2#模具，18MN，單孔設(shè)計(jì)；

(3) 3#模具，18MN，雙孔設(shè)計(jì)；

(4) 4#模具，18MN，偏心單孔設(shè)計(jì)。

?？撞贾萌鐖D2所示，每套?？椎某叽?、導(dǎo)流室尺寸、工作帶尺寸均完全一致。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比方案如表1所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)＞吣？撞贾檬疽鈭DFig.2 Hole layouts of tested die

序號(hào)模具編號(hào)擠壓機(jī)能力/MN擠壓筒內(nèi)徑/mm模具外徑/mm?？讛?shù)/個(gè)擠壓系數(shù)模孔位置第1組第2組第3組1#8130180127中心2#18185220155中心2#18185220155中心3#18185220227．5偏離中心3#18185220227．5偏離中心4#18185220155偏離中心

每套模具上機(jī)擠壓后，截取長(zhǎng)度為1m的樣品各4支，然后進(jìn)行晶粒度的檢測(cè)與比較。采用工廠通常做法進(jìn)行晶粒度的檢測(cè)，將樣品放入工廠氧化車間的酸洗槽中25～30min，取出樣品在清洗槽中清洗干凈，即可用目測(cè)方法看出棒材樣品的晶粒度大小。

對(duì)表1中4套模具擠壓后的樣品，采用上述方法檢測(cè)并進(jìn)行晶粒度比較。結(jié)果顯示，2#模與4#模所得樣品的晶粒最小且最均勻，尤其以4#模的樣品最佳；而1#模與3#模樣品所表現(xiàn)的晶粒度幾乎一致。由此可以看出，擠壓系數(shù)越大或變形程度越大，所得產(chǎn)品的晶粒越細(xì)小均勻。從表1還可看出，1#模與3#模的擠壓系數(shù)相近，2#模與4#模的擠壓系數(shù)一樣，比1#模與3#模的擠壓系數(shù)大近1倍。雖然2#模與4#模的擠壓系數(shù)相同，但4#模的?？灼x中心一定距離，所以變形程度增大。同時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)記錄的擠壓力情況顯示，4#模的擠壓力最大，其次為2#模，這也驗(yàn)證了有關(guān)資料介紹的壓應(yīng)力大的情況下，提高了合金的再結(jié)晶溫度，同時(shí)阻礙了再結(jié)晶的長(zhǎng)大，從而可以得到細(xì)化的晶粒。

3 改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析提高擠壓力，提出增加成形過(guò)程中的三向壓應(yīng)力和增大變形程度的方法，設(shè)計(jì)并制造改進(jìn)結(jié)構(gòu)的模具并投入擠壓生產(chǎn)。

3.1 階梯式的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)為采用導(dǎo)流板與模子結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖3 階梯式導(dǎo)流孔平面模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of plane die with tiered deflector hole

采用這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流孔或?qū)Я魇也捎秒A梯形式，導(dǎo)流板厚度可取相對(duì)較大值，取模具總厚的60%～70%；階梯級(jí)數(shù)可以為2～5級(jí)，相鄰階梯孔徑相差4～10mm，階梯高度取15～25mm。其目的在于增加擠壓成形過(guò)程中的剛性區(qū)，增加變形時(shí)的阻力，使金屬經(jīng)過(guò)多次預(yù)變形，提高擠壓力，從而達(dá)到提高成形過(guò)程中的靜水壓力。由于擠壓成形過(guò)程中，壓應(yīng)力能降低組織的擴(kuò)散速度，壓應(yīng)力越大則擴(kuò)散速度越小從而抑制晶粒的長(zhǎng)大[4]，進(jìn)而達(dá)到獲得良好表面質(zhì)量和致密內(nèi)部組織的效果。

3.2 偏心式?？捉Y(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)是打破常規(guī)的?？撞贾梅绞?，將?？字糜谄x模具中心的某一位置，如圖4所示。

圖4 偏心式模孔平面模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of plane die with eccentric hole

采用這種結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流孔邊緣離擠壓筒內(nèi)壁距離應(yīng)大于10mm。這種結(jié)構(gòu)大大增加了變形程度和擠壓力，從而大大提高了金屬擠壓變形過(guò)程中的靜水壓力，因而可獲得晶粒更為細(xì)小的內(nèi)部組織。同時(shí)，由于離模孔最遠(yuǎn)端的金屬進(jìn)入?？椎淖枇Υ蟠筇岣吡?，這相當(dāng)于增大了擠壓筒的內(nèi)徑，間接地增加了擠壓系數(shù)。因此，采用這種結(jié)構(gòu)，可避免粗晶的產(chǎn)生，同時(shí)可充分發(fā)揮擠壓設(shè)備的潛能。

采用這種結(jié)構(gòu)，模子與導(dǎo)流板要加以止口的方式進(jìn)行組合。同時(shí)，?？撞荒懿捎密囅骰蚓シ绞竭M(jìn)行加工，而必須采用電加工，由于?？诪閳A形，所以加工難度不大。

3.3 導(dǎo)流孔斜入式階梯導(dǎo)流結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)有兩種形式。

(1)第一種形式是將?？字糜谀＞咧行模⑶以谀Ｗ由显鲈O(shè)(1～2)級(jí)導(dǎo)流室或?qū)Я髑?，而?dǎo)流板上的導(dǎo)流入口則置于偏離模具中心的某一位置并以擴(kuò)展斜入的方式進(jìn)入模孔，如圖5所示。采用這種結(jié)構(gòu)，?？准庸た刹捎密囅骰蚰ハ鞣绞竭M(jìn)行，可以得到很高的尺寸精度和表面質(zhì)量，因而可獲得質(zhì)量相當(dāng)高的棒材產(chǎn)品。對(duì)于尺寸精度、表面質(zhì)量和晶粒度有較高要求的棒材采用這種結(jié)構(gòu)，更為有效；

圖5 斜入式、?？自谥行钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of plane die with oblique hole at the center

(2)第二種形式是將?？字糜谄x模具中心的某一位置，而導(dǎo)流板上的導(dǎo)流入口則置于模具中心并以擴(kuò)展斜入的方式進(jìn)入?？祝鐖D6所示。

圖6 斜入式、?？灼钠矫婺＝Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of plane die with oblique hole off the center

采用以上兩種形式時(shí)，模子與導(dǎo)流板要加以止口的方式進(jìn)行組合，導(dǎo)流孔斜入角度以55°～65°為宜，入口導(dǎo)流孔尺寸要比?？壮叽绱?0～20mm。

這兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于擠壓系數(shù)小，采用小能力擠壓機(jī)的生產(chǎn)方式更為合適。通過(guò)提高擠壓系數(shù)來(lái)增加變形程度最直接的方式就是選用擠壓筒內(nèi)徑較大的擠壓機(jī)，但這同樣將大大增加模具的尺寸與擠壓過(guò)程的能耗，因此，一味追求擠壓機(jī)能力的增大在實(shí)際生產(chǎn)中也是不現(xiàn)實(shí)的。

4 結(jié) 論

按模具試驗(yàn)的方式對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)模具擠壓后的產(chǎn)品進(jìn)行取樣和晶粒檢測(cè)，結(jié)果表明，改進(jìn)后的模具均能獲得與試驗(yàn)?zāi)＞?#相近的晶粒度，細(xì)小而均勻。因此，可以得出這樣的結(jié)論，提高棒材力學(xué)性能和表面質(zhì)量，避免粗晶現(xiàn)象，在對(duì)合金成份工藝研究與改進(jìn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬成形原理，研究金屬變形過(guò)程，突破模具設(shè)計(jì)的理念，改變模具結(jié)構(gòu)，會(huì)更有效的提高棒材產(chǎn)品表面質(zhì)量和綜合力學(xué)性能。

[1] 陳丁文，李飛慶等．化學(xué)成份和均勻化處理對(duì)6061鋁合金棒材粗晶環(huán)的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2014(02): 47-48.

[2] 馮永平．6061鋁合金工業(yè)材反向擠壓工藝[J].世界有色金屬，2012(02)：35-37.

[3] 鄧汝榮，曾蕾．大斷面實(shí)心鋁型材導(dǎo)流模的設(shè)計(jì)分析[J].輕合金加工技術(shù)，2014(11): 29-31.

[4] 謝建新，劉靜安．金屬擠壓理論與技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，北京，2001：28-31，68-69.

Study of Die Structure Test and Design for Aluminum Bar

DENG Rurong, ZENG Lei

(Guangzhou Vocational College of Science and Technology, Guangzhou 510550, China)

Based on the analysis of characteristics of metal forming in extruding process, the paper put forward that the degree of deformation can be altered through modifying the die structure; it presented the die structure having the advantage of improving compressive stress so as to reduce or avoid the formation of coarse grains and having been proven to be feasible in practice.

aluminum alloy bar; coarse grain; die structure; degree of deformation; compressive stress

2015-06-23

鄧汝榮(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事鋁型材擠壓模設(shè)計(jì)與制造工作。

TG356.3

B

1671-6795(2015)06-0050-03