1060鋁熱擠壓成形模具設(shè)計(jì)及工藝研究

張學(xué)舟，張華，黃順利，宮敬海，張會焱，陳啟銳

中核四〇四有限公司 甘肅蘭州 732850

1 序言

某產(chǎn)品現(xiàn)階段成形方式主要以鑄造為主，由于。在冷卻凝固過程中體積的收縮會使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或尺寸變形等，使鑄造成形工藝存在生產(chǎn)效率低、脫模困難等缺點(diǎn)。為提升產(chǎn)品成形工藝效率及收得率，提出熱擠壓成形工藝[2]。

2 熱擠壓工藝分析

1060鋁具有良好的導(dǎo)熱性，在試驗(yàn)過程中將模具加熱到一定溫度，再通過熱傳導(dǎo)的方式間接加熱坯料。熱擠壓成形工藝模具三維圖如圖1所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)

由于空間限制，擬采用反擠壓工藝。第一階段金屬在凸模作用下首先在橫向充滿凹模模腔，然后在凸模的中間向上有少量的流動，這一瞬間壓力是呈直線上升的。第二階段凸模繼續(xù)向下運(yùn)動，迫使金屬沿凸模中心向上流動，壓力數(shù)值增加幅度不大，在這一階段的最后，是反擠壓過程中壓力數(shù)值最大的時刻。第三階段是熱擠壓力變?yōu)榱阍俎D(zhuǎn)為拉力的過程，直到退件結(jié)束[3]。

3 熱擠壓模具設(shè)計(jì)

3.1 影響擠壓力的主要因素

影響擠壓力的主要因素有變形程度、變形速度、熱擠壓模的幾何形狀，以及被擠壓金屬的化學(xué)成分和擠壓溫度等[4]。在被擠壓金屬成分確定的條件下，要想獲得低的擠壓力，需要對熱擠壓模的幾何形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對其他影響參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算。擠壓溫度一般控制在再結(jié)晶溫度以上30~50℃。

3.2 變形程度的確定

在擠壓成形加工中，一般采用下式計(jì)算斷面縮減率來評判產(chǎn)品的變形程度[5-6]。

式中εF——斷面縮減率（%）；

F0——熱擠壓變形前毛坯的橫截面積 （mm2）；

F1——熱擠壓變形后擠壓件的橫截面積 （mm2）；

通過計(jì)算，得鍛件的斷面縮減率為

由于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。

3.3 擠壓件圓角半徑的確定

模具圓角半徑越小，金屬材料的流動性越差，充型能力也就越差[7]。模腔內(nèi)圓角半徑過小的地方經(jīng)常會因?yàn)閼?yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，還會使熱擠壓模型腔的相應(yīng)部位很快被磨損，嚴(yán)重時導(dǎo)致模具破裂。

因?yàn)閿D壓產(chǎn)品為細(xì)長件，在與熱擠壓模型腔的凸圓角半徑相對應(yīng)的熱擠壓件凹圓角半徑上，被擠壓的金屬會發(fā)生劇烈的流動，所以如果圓角半徑過小，則會使熱擠壓模此部位很快被壓塌。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)擠壓件的高度H＞40mm時，圓角半徑R不應(yīng)＜3mm，如圖2所示。

圖2 擠壓件的尺寸

3.4 擠壓斜度的確定

由于摩擦力的存在，擠壓件最終會滯留在模具內(nèi)，要順利從凸模退出有一定難度，但因凸模沒有頂出裝置，因此需要設(shè)計(jì)擠壓斜度來減小摩擦力[8]。一般情況希望擠壓斜度小一些，影響擠壓斜度大小的主要因素是摩擦系數(shù)和擠壓件在熱擠壓模型腔內(nèi)的法線壓力，根據(jù)孔徑（D）和孔深（H）的比值（即H/D），可制定出擠壓斜度，試驗(yàn)中H/D＞5，故擠壓斜度取50′。

3.5 擠壓速度的計(jì)算

擠壓速度對產(chǎn)品的成形尤為關(guān)鍵，擠壓速度過低時生產(chǎn)效率低下，反之?dāng)D壓速度過高時，則容易形成表面裂紋，特別是無潤滑擠壓時，會對模具及壓機(jī)造成較大負(fù)載。

根據(jù)體積不變的原則可知：

式中υ——金屬的擠壓速度（mm/s）；

V——凸模的運(yùn)動速度（mm/s）。

按照1060鋁常規(guī)擠出速度υ≤50mm/s計(jì)算，則

即壓機(jī)壓下速度≤1.39mm/s。

3.6 熱擠壓力的計(jì)算

正確地計(jì)算熱加壓所需的壓力，從而合理地選擇擠壓設(shè)備噸位，可以有效避免因設(shè)備能力不足或過剩造成的生產(chǎn)事故，提高模具工作壽命，降低生產(chǎn)和維護(hù)成本。

在熱擠壓中，最大單位擠壓力及變形功都隨著變形程度的增加而增大，其變化規(guī)律與拋物線類似。

根據(jù)反擠壓力計(jì)算公式：

式中F——反擠壓的擠壓力（N）；

D——反擠壓模凹槽的工作直徑（mm）；

d——反擠壓模凸模的工作直徑（mm）；

σb——擠壓結(jié)束是金屬材料的極限強(qiáng)度（kPa）。

1060鋁極限強(qiáng)度σb=44.36kPa，D=60mm，d=9.5mm，故

考慮環(huán)境因素的影響，熱擠壓力給予1.5倍的冗余值，最終設(shè)備可選壓力0~441000N。

3.7 模具材質(zhì)的選擇

由表1可知，溫度對擠壓力影響非常大，當(dāng)溫度在330℃時，最大擠壓力只有168℃的1/5。由于試驗(yàn)采用包圍式加熱，通過加熱模具間接加熱坯料，考慮輻射散熱及界面熱阻影響，需對模具加熱至700℃以上才能確保坯料達(dá)到規(guī)定擠壓溫度，因此模具材質(zhì)需要更好的熱強(qiáng)性、抗回火軟化性。選用牌號為8418熱作模具鋼作為凹模材質(zhì)，凸模熱強(qiáng)性要求較低，可使用H13模具鋼。熱處理采用三次淬火加三次回火處理，后續(xù)再做深冷處理，以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。熱處理硬度在60~62HRC，抗拉強(qiáng)度σb可以達(dá)到110~125kg/mm2。

表1 溫度對擠壓參數(shù)的影響（指定擠壓比）

單位側(cè)壁壓力為

式中F——壓力（N）；

εF——斷面縮減率（%）；

T——毛坯橫截面積（mm2）。

由上式可以求得單位側(cè)壁壓力，則

由此可知，單位側(cè)壁壓力遠(yuǎn)小于模具抗拉強(qiáng)度，可滿足生產(chǎn)工藝。

4 工藝驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)工藝及模具設(shè)計(jì)的合理性，通過1060鋁開展驗(yàn)證試驗(yàn)，按照上述參數(shù)進(jìn)行模具及工藝設(shè)計(jì)。對模具在700℃下加熱30min，溫控儀表顯示物料已達(dá)到預(yù)定擠壓溫度，對物料以1.39mm/s的速度加壓，開始壓力緩慢上升，當(dāng)壓力到達(dá)2.8×105N左右時呈平穩(wěn)波動狀態(tài)，物料從凸?？字芯鶆驍D出。熱擠壓工藝試驗(yàn)過程及擠壓后物料的形狀如圖3所示。由圖3可知，熱擠壓加工后物料無明顯缺陷，未發(fā)現(xiàn)金屬局部流動性差及工件表面出現(xiàn)裂紋等問題。

圖3 熱擠壓成形過程及產(chǎn)品

5 結(jié)束語

針對某產(chǎn)品鑄造過程中產(chǎn)生的問題確立了熱擠壓成形工藝。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)，得出擠壓圓角半徑R不應(yīng)＜3mm，壓機(jī)壓下速度≤1.39mm/s，擠壓斜度取值50′，熱擠壓力0~441000N。根據(jù)加熱特點(diǎn)，凹模材質(zhì)選用8418熱作模具鋼，凸模采用H13模具鋼，可滿足工作中的強(qiáng)度要求。通過對工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬料的技術(shù)驗(yàn)證，擠壓出的產(chǎn)品滿足相關(guān)技術(shù)要求。