1060 鋁熱擠壓成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/張鴻·甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司

某產(chǎn)品基礎(chǔ)尺寸為小于10mm的棒料或板料，現(xiàn)階段成形方式以鑄造為主。在冷卻凝固過程中體積的收縮會(huì)使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或尺寸變形等物理損傷。同時(shí)鑄造成形工藝還存在生產(chǎn)效率低，脫模困難等缺點(diǎn)。為提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率及質(zhì)量收率，本課題提出了運(yùn)用熱擠壓成形工藝生產(chǎn)該產(chǎn)品。

成形工藝分析

1060 鋁因其雜質(zhì)元素少，具有良好的導(dǎo)熱性能，固態(tài)導(dǎo)熱率為237W/(m·K)，可在試驗(yàn)過程中將模具加熱到一定溫度，再通過熱傳導(dǎo)的方式間接加熱物料，從而使物料達(dá)到熱擠壓工藝要求的溫度，擠壓成形工藝模具結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)

由于生產(chǎn)空間條件限制，擬采用反擠壓的技術(shù)工藝。開始擠壓的第一階段，凸模首先作用于金屬，使其橫向充滿凹模模腔，在凸模的中間有少量的金屬向上流動(dòng)，這一過程壓力數(shù)值呈直線上升；第二階段凸模繼續(xù)下壓，迫使金屬在沿凸模中心向上流動(dòng)，壓力數(shù)值增加幅度不大，這一階段的末期，是整個(gè)反擠壓過程中壓力數(shù)值最大的時(shí)刻；第三階段是熱擠壓力變?yōu)榱?，在退件過程轉(zhuǎn)為拉力，直到退件結(jié)束；第四階段，加工完成后壓余由下部頂桿推出，完成整個(gè)擠壓流程。

凸模與凹模的配合間隙對(duì)擠壓成形質(zhì)量起著重要作用，間隙過大，金屬會(huì)沿縫隙擠出(圖2)，且不利于模具的導(dǎo)向；間隙過小容易損傷配合面，同時(shí)還要考慮凸模擠壓物料后彈性膨脹影響，一般凸模與凹模之間的配合間隙取H7/h6 或H6/h5。模具工作面粗糙度通常不高于Ra0.2μm，采用淬火+回火的熱處理工藝，表面硬度達(dá)到61 ～63 HRC。

圖2 模具配合間隙過大造成的金屬流出

擠壓結(jié)束后需要按照規(guī)定尺寸進(jìn)行剪切，剪切機(jī)構(gòu)主要由夾持機(jī)構(gòu)和刀具組成，如圖3 所示，夾持機(jī)構(gòu)先對(duì)物料進(jìn)行夾緊，防止剪切后物料掉落，再由刀具對(duì)物料進(jìn)行剪切。物料的剪切可以分為刀具彈性壓入階段、刀具塑性壓入階段、物料塑性滑移階段、內(nèi)部裂紋萌生和擴(kuò)展階段、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展及斷裂階段。產(chǎn)品的斷面形狀與配刀間隙密切相關(guān)，同時(shí)合理的配刀間隙有利于提高刀具使用壽命。

圖3 剪切機(jī)構(gòu)

合理的配刀間隙切出的產(chǎn)品狀態(tài)(圖4)為剪切面與無光撕裂面之間邊界平直，剪切面和無光撕裂面的外邊界線平直且與材料表面平齊。

配刀間隙過小，切出的產(chǎn)品狀態(tài)(圖5)為剪切面與無光撕裂面之間邊界彎曲，剪切面與無光撕裂面的外邊界線與材料表面平齊，此時(shí)對(duì)刀具的損傷較大。

配刀間隙過大，切出的產(chǎn)品狀態(tài)(圖6)為剪切面與無光撕裂平面之間邊界彎曲，剪切面和無光撕裂面外邊界線彎曲且無光撕裂面邊界有毛刺出現(xiàn)。

選擇合適的配刀間隙不但產(chǎn)品成形質(zhì)量好，而且對(duì)刀具的損傷也較小。通常對(duì)于尺寸大于10mm 的產(chǎn)品，選擇產(chǎn)品尺寸的13%～14%作為推薦配刀間隙，即1.3 ～1.4mm。

實(shí)現(xiàn)擠壓成形的基本條件

影響擠壓力的因素主要有變形程度、熱擠壓模的幾何形狀、變形速度、擠壓溫度、被擠壓金屬的化學(xué)成分等。在被擠壓金屬成分確定的條件下，要想判斷是否能夠?qū)崿F(xiàn)擠壓成形，需要對(duì)變形程度進(jìn)行計(jì)算。

擠壓成形加工中通常采用計(jì)算斷面縮減率來評(píng)判產(chǎn)品的變形程度。

圖4 配刀間隙適宜的剪切邊

圖5 配刀間隙過小的剪切邊

圖6 配刀間隙過大的剪切邊

式中：

F0—變形前毛坯的橫截面積(mm2)；

F1—變形后擠壓件的橫截面積(mm2)；

由圖7 數(shù)據(jù)可以求得工件的斷面縮減率為

1060 鋁的許用變形程度在反擠壓的條件下可達(dá)到90%～99%，所以本產(chǎn)品97.2%的斷面縮減率可以滿足擠壓要求。

圖7 擠壓件的尺寸

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

處于空氣中的金屬在加熱狀態(tài)下氧化速度急劇增大。為減少物料損失，可在加工過程中采用惰性氣體保護(hù)的方式加熱，因此需在系統(tǒng)中增加密封罩結(jié)構(gòu)，密封罩上端與下壓機(jī)構(gòu)接觸，加熱、擠壓、剪切均在密封罩內(nèi)完成。擠壓結(jié)束后壓余由頂出機(jī)構(gòu)從模具中頂出。根據(jù)上述工藝要求，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體構(gòu)成如圖 8 所示。

工藝驗(yàn)證研究

為了檢驗(yàn)工藝及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，開展了1060 鋁的熱擠壓驗(yàn)證試驗(yàn)。惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下對(duì)模具在700℃下加熱30min，溫控儀表顯示物料已達(dá)到預(yù)定擠壓溫度，對(duì)物料緩慢加壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，物料從凸?？字芯鶆驍D出，物料進(jìn)入剪切機(jī)構(gòu)一定距離后進(jìn)行夾持剪切。熱擠壓工藝試驗(yàn)過程及擠壓后物料的形狀如圖9 所示，由圖可知，熱擠壓加工后物料無明顯缺陷，未發(fā)現(xiàn)金屬局部流動(dòng)性差及工件表面出現(xiàn)裂紋等問題。

圖8 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

圖9 熱擠壓成形過程及產(chǎn)品

結(jié)束語

針對(duì)某產(chǎn)品鑄造過程中產(chǎn)生的問題提出了熱反擠壓的成形工藝。根據(jù)1060 鋁的物理性質(zhì)，通過計(jì)算及參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，凸模與凹模配合間隙可取H7/h6或H6/h5，剪切配刀間隙約為1.3 ～1.4mm，斷面縮減率符合反擠壓的許用變形程度。根據(jù)工藝要求，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了生產(chǎn)技術(shù)驗(yàn)證，擠壓出的產(chǎn)品滿足相關(guān)技術(shù)要求。