鋁合金熱擠壓成形模具粘附行為研究

李寧 趙泓宇

【摘?要】擠壓是指裝入擠壓筒內(nèi)的金屬錠坯在擠壓軸的強推力作用下，在擠壓筒內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，從擠壓筒一側(cè)特定的模孔中以一定速度流出，從而獲得特定形狀、結(jié)構(gòu)和精度的金屬制品的加工方法.在鋁型材的生產(chǎn)加工過程中，擠壓加工相比于其他加工方法（鍛造、軋制、拉拔等），具有金屬變形能力高、可生產(chǎn)產(chǎn)品范圍廣、生產(chǎn)靈活性大、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】粘附;模具;熱擠壓;鋁合金

引言

長期以來，鋁合金殼體鑄造缺乏過程控制，尤其是熔化精煉及澆注過程的工藝參數(shù)受人為因素影響較大。同時，殼芯獨立定位導(dǎo)致缺少維度方向控制，模具采用銷子壓板連接導(dǎo)致缺少結(jié)構(gòu)性控制，造成鑄件尺寸超差嚴(yán)重。為了達(dá)到提質(zhì)降本增效的目的，創(chuàng)新團(tuán)隊提出了對鑄造過程進(jìn)行集成控制的新思路，即以復(fù)雜鋁合金鑄件重點工序為突破口，首先，建立機(jī)器人澆注工作站，實現(xiàn)對鋁合金熔化、精煉、澆注過程的自動控制;其次，通過配套制芯單元、結(jié)合機(jī)器人取芯、下芯夾具，實現(xiàn)對制芯、組芯及下芯過程的自動控制;最后，通過全新的定位限位結(jié)構(gòu)，提高金屬型模具的自身定位精度，并設(shè)置限位信號，實現(xiàn)合模、開模、頂出、取件過程的自動控制。

1鋁合金熱擠壓成形模具工藝

鋁合金橋形件常作為主要的承載部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、飛機(jī)等諸多領(lǐng)域。擠壓作為一種高效率、低能耗的少無切屑加工工藝，是鋁合金成形的主要方法。在油壓機(jī)上進(jìn)行鋁合金制件擠壓成形，由于變形速度慢，坯料與模具接觸時間長，同時擠壓時坯料劇烈的塑性流動造成坯料與模具接觸條件復(fù)雜，高壓下潤滑膜出現(xiàn)破裂，潤滑劑不能填充整個擠壓過程，造成新鮮裸露的金屬坯料與模具表面直接接觸，原子之間相互吸引而發(fā)生熔合粘著。熱擠壓成形過程中，擠壓模具與毛坯發(fā)生粘著問題對模具使用壽命和制件質(zhì)量影響很大。相互接觸金屬間的粘著與金屬之間相互接觸的固溶或合金化的能力有關(guān)，當(dāng)固溶度較大的Fe-Al金屬配對（Al在Fe中的固態(tài)溶解度高達(dá)22%）時，鋁表現(xiàn)出很強的粘著性，使得工模具表面的粘鋁現(xiàn)象表現(xiàn)得更加嚴(yán)重化。鋁合金的粘附行為是影響產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命的主要因素之一，主要表現(xiàn)在鋁合金擠壓、鋁合金熱軋軋輥、鑄造軋制鋁合金軋輥以及蜂窩/中空鋁合金型材高速加工時刀具粘結(jié)磨損等多個領(lǐng)域。

2有限元建模

2.1三維模型創(chuàng)建

擠壓模型是根據(jù)現(xiàn)有的12.5t雙動反向擠壓機(jī)相關(guān)參數(shù)建立的，為了便于接觸單元生產(chǎn)，模擬過程直接從擠壓成型過程開始模擬[4].根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及模具圖紙利用三維建模軟件SolidWorks分別創(chuàng)建擠壓筒、擠壓模具、穿孔針的三維實體模型，并在SolidWorks軟件上進(jìn)行裝配后導(dǎo)出為stl格式文件，再導(dǎo)入到DEFORMV6.1中用于擠壓模擬.擠壓三維模型相關(guān)參數(shù)見表1.

2.2試驗參數(shù)及過程

高速M2鋼和熱作為模具材料H13，產(chǎn)生40 mm的旋流，然后加工成φ30mm×20mm的試驗片，以進(jìn)行更硬的回流;6061鋁試驗項目的尺寸為×20mm。在設(shè)計的裝配板上執(zhí)行不同溫度，在不同變形下進(jìn)行壓縮試驗。變形量為10%、20%、30%和40%的技術(shù)參數(shù)分別為400° C、450° C、500° C和550° C。采用超聲波低頻清洗鋁樣和注射模，用電子分析的天數(shù)進(jìn)行干燥和稱重，每一天稱為三次迭代，以確定平均值。然后利用試驗機(jī)在各種技術(shù)參數(shù)下測試變形。試驗冷卻完成后，將樣品從鋁樣品和模具樣品中分離出來，對鋁樣品進(jìn)行再清潔、干燥，以電子方式分析天平，收集和計算試驗前后的不符標(biāo)準(zhǔn)品;對于M2或。H13鋼還需在無乙醇的杯子中進(jìn)行三次超聲波清洗，然后用數(shù)字JSM-5610LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的外觀。同時對模具型態(tài)進(jìn)行XDR推導(dǎo)分析。

2.3網(wǎng)格劃分

將利用SolidWorks畫好的擠壓錠坯及工件導(dǎo)入到DEFORMV6.1，并進(jìn)行工件間位置設(shè)定后，對該反向模擬擠壓模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.根據(jù)錠坯形狀和大小，采用DEFORMV6.1中的網(wǎng)格相對劃分方法，將鋁合金錠坯劃分為70000個網(wǎng)格，其他參數(shù)使用DEFORMV6.1的缺省值，即單元表面曲率設(shè)為0.5，應(yīng)變分布、溫度分布和應(yīng)變率分布均設(shè)置為0.25.對于不發(fā)生塑性變形的其他剛體工模具，采用DEFORMV6.1中的相對劃分方式，設(shè)置穿孔針單元數(shù)為10000，擠壓筒單元數(shù)為8000，擠壓外模單元數(shù)為10000.

3試驗結(jié)果與分析

3.1同變形條件下鋁合金質(zhì)量轉(zhuǎn)移情況

不同溫度和變形量下鋁合金粘附在高速鋼試樣上的變化情況。從圖中可以明顯看出：粘附現(xiàn)象隨著變形溫度升高逐漸嚴(yán)重;同一變形量下，試驗范圍內(nèi)隨著溫度的升高，鋁轉(zhuǎn)移量幾乎呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢，其中變形溫度450℃時粘附情況最輕;同一溫度下（450℃除外），試驗范圍內(nèi)變形量越大，鋁轉(zhuǎn)移量逐漸增多，變形量為40%粘附現(xiàn)象極其明顯，即便在較小的變形量下（變形量10%）也會出現(xiàn)嚴(yán)重粘附。變形量為30%和40%時，隨著變形溫度的升高，鋁合金所產(chǎn)生的鋁轉(zhuǎn)移量先降低后增加，且在450℃時鋁轉(zhuǎn)移量最少，分別為10-3mg/mm21.11和10-3mg/mm26.85。因此，當(dāng)變形量較?。ā?0%時），成形力滿足的條件下降低成形溫度，當(dāng)變形量大于30%時，應(yīng)控制成形溫度在450℃以內(nèi)，可以避免出現(xiàn)嚴(yán)重粘附現(xiàn)象。針對變形溫度450℃時粘附情況最輕的現(xiàn)象，有文獻(xiàn)[20]資料顯示，鋁合金在高溫壓縮變形時，試樣內(nèi)部發(fā)生了不同程度的動態(tài)再結(jié)晶和晶粒細(xì)化，當(dāng)溫度為450℃左右時，試樣中心晶粒的平均晶粒尺寸相比于其他溫度時都有所減小。因此，在450℃左右條件下，鋁合金的晶粒得到細(xì)化，平均晶粒尺寸變小，鋁合金試樣的強度和硬度升高，鋁轉(zhuǎn)移量減少，工模具表面就不容易發(fā)生嚴(yán)重的鋁粘附現(xiàn)象。

3.2復(fù)雜鑄造殼體內(nèi)部組織缺陷控制技術(shù)

基于信息化集成控制，本項目打破了“熱工不可控因素多，生產(chǎn)完全靠工人”的傳統(tǒng)思維模式，首次實現(xiàn)了鑄件生產(chǎn)過程的自動控制，即鋁液定量、流場定速、澆注定時和凝固定向。生產(chǎn)的鑄件通過嚴(yán)苛的質(zhì)量檢查和性能測試，平均合格率達(dá)到90%以上且過程穩(wěn)定，生產(chǎn)效率提高了4倍。

結(jié)束語

綜上所述，不同的模具材料成形鋁合金制件時，粘附情況不同，當(dāng)變形量較低（10%）和較高時（40%），試驗溫度范圍內(nèi)，M2高速鋼對鋁合金的粘附行為均要嚴(yán)重于H13;而當(dāng)變形量在20%～30%時，H13對鋁合金的粘附行為要高于M2。根據(jù)變形程度選擇模具材料可有效降低鋁粘附現(xiàn)象，提高模具壽命。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李玉升.低壓鑄造鋁合金輪轂?zāi)＞咴O(shè)計優(yōu)化[J].汽車零部件，2018（12）：72-74.

（作者單位：河南工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院）