一種硬質(zhì)合金鋁型材擠壓模

蔡浩欽，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣州510550）

0 前言

當(dāng)前我國(guó)已成為世界的鋁材生產(chǎn)大國(guó)，每年用于生產(chǎn)鋁材擠壓模的消耗量十分巨大。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在實(shí)際生產(chǎn)中擠壓模報(bào)廢失效的主要原因是模具的磨損，因此，提高模具的耐磨性，對(duì)于提高模具的壽命具有重要意義，將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前生產(chǎn)鋁材用擠壓模的材料是具有良好的力學(xué)性能的優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼H13，它解決了過(guò)去熱作模具在工作中容易發(fā)生斷裂失效的問(wèn)題。但由于鋼材達(dá)到的紅硬性不高、耐磨能力不強(qiáng)，模具的磨損導(dǎo)致大多數(shù)模具在材料沒(méi)有發(fā)生疲勞破壞的前提下就發(fā)生失效而報(bào)廢，這對(duì)價(jià)格相對(duì)昂貴的模具鋼材是一種巨大浪費(fèi)，也增加了企業(yè)生產(chǎn)的成本。而硬質(zhì)合金材料由于具有硬度高、耐磨性能好和導(dǎo)熱性能好等特性[2]，在模具行業(yè)也得到了越來(lái)越多、越來(lái)越廣的應(yīng)用。但是，因?yàn)槠溆捕?、韌性差、抗沖擊韌性能力低以及對(duì)應(yīng)力集中敏感，所以迄今為止硬質(zhì)合金材料還沒(méi)有較成熟地應(yīng)用到熱擠壓模上，這也是因?yàn)槿藗兤襁€沒(méi)有完全掌握模具鋼材基體與硬質(zhì)合金在高溫下的配合以及服役受力時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的效應(yīng)機(jī)理。本文將硬質(zhì)合金引入到圓管擠壓模中，將優(yōu)質(zhì)的熱作模具鋼和硬質(zhì)合金這兩種材料各自的優(yōu)良特性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)工藝上的創(chuàng)新，使硬質(zhì)合金能在擠壓工藝要求的溫度和壓力條件下牢靠地鑲嵌在模具中，并能穩(wěn)定服役，從而大大提高模具的壽命。

1 硬質(zhì)合金的選擇

在擠壓模中鑲嵌硬質(zhì)合金，一方面必須合理選擇合金的類(lèi)型和牌號(hào)，這是因?yàn)閿D壓模是在高溫、高壓條件下服役的，而且還要承受交變載荷、沖擊載荷的作用；另一方面還應(yīng)考慮獲得硬質(zhì)合金材料的市場(chǎng)便利程度及成本。目前常用的硬質(zhì)合金有鎢鈷類(lèi)（YG）、鎢鈦鈷類(lèi)（YT）、鎢鉭鈷類(lèi)和鎢鈦鉭鈷類(lèi)[3]。典型的硬質(zhì)合金與模具基體鋼材H13的物理機(jī)械性能如表1所示。

表1 典型硬質(zhì)合金與模具鋼H13的主要物理機(jī)械性能

由表1可知，與工具鋼熱膨脹系數(shù)12.8×10-6相比，硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)要小得多[4]，這一點(diǎn)在模具設(shè)計(jì)和制造時(shí)是應(yīng)當(dāng)考慮的。另外硬質(zhì)合金的彈性變形量與塑性變形量也很小[5]。這點(diǎn)對(duì)模具來(lái)說(shuō)，既是有利的一方面，也有不利的一方面，即硬質(zhì)合金在模具中對(duì)應(yīng)力集中很敏感，容易引起模具損壞。因此，對(duì)于品種繁多、形狀多樣的鋁型材用模具來(lái)說(shuō)，并不是全部適合采用硬質(zhì)合金，但對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的圓管及具有較大圓角的品種，由于應(yīng)力集中小，所以采用硬質(zhì)合金鑲嵌件是合適的。

眾所周知，目前鋁型材擠壓模選用的基體鋼材是H13鋼，為了提高模具耐磨性選擇硬質(zhì)合金作為鑲嵌材料是基于硬質(zhì)合金材料的硬度高、耐磨性能好和導(dǎo)熱性能好等原因。而不選擇硬質(zhì)合金作為基體材料的原因是因其硬而脆、韌性差、抗沖擊韌性能力低以及對(duì)應(yīng)力集中敏感。

通過(guò)分析可知，在所有的硬質(zhì)合金材料中，以含鈷的硬質(zhì)合金較為合適，這是因?yàn)橛操|(zhì)合金的機(jī)械性能主要由含鈷量和碳化鎢的粒度所決定的，含鈷量越高其抗壓強(qiáng)度越高。相對(duì)而言，含鈷量低的合金的耐磨性更好或更為顯著，而含鈷量高的合金則沖擊性能較好或較顯著[6]。

要提高鋁型材擠壓模具的壽命，首要解決的是模具工作表面的磨損問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)的是模具的耐磨性，所以選擇含鈷量低的YG8硬質(zhì)合金。這與冷沖壓模具中選擇沖擊性能好的YG15完全不同。此外，相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，硬質(zhì)合金的熱線膨脹系數(shù)隨著鈷含量的增加而增加[7]?？紤]到擠壓模的工作溫度在520~540℃，為了避免合金在高溫下熱膨脹過(guò)大而引起型材壁厚的變化，應(yīng)選擇含鈷量低的硬質(zhì)合金；另外從表1也可以看出，YG8在高溫下的熱膨脹量對(duì)于基體鋼材而言是可以忽略不計(jì)的。

2 硬質(zhì)合金的鑲嵌方法

以圖1所示的鋁型材圓管擠壓模為例。由于硬質(zhì)合金是鑲嵌在擠壓模中的，所以首先要用傳統(tǒng)的工藝方法將一套完整的模具制作出來(lái)，然后對(duì)上模和下模的工作部位，即上模的模芯和下模的?？走M(jìn)行再加工，加工出硬質(zhì)合金鑲嵌放置的部位，最后分別把合金牢靠地鑲嵌上去。

2.1 硬質(zhì)合金在下模的鑲嵌

根據(jù)要求，所鑲嵌合金與模具基體的結(jié)合在工作時(shí)必須是牢固可靠的。模具的工作溫度為520～540℃，而硬質(zhì)合金與模具基體材料H13在此溫度下的熱脹系數(shù)是不相同的，因此，采用加熱壓裝的方式將硬質(zhì)合金鑲嵌在下模?？字?。壓裝要求是保證在高溫520～540℃下合金與下模鑲嵌孔的單面間隙小于0.02 mm。這就要求在常溫下二者是過(guò)盈配合的，這樣才能保證常溫下硬質(zhì)合金不掉落。

具體操作如下：

（1）硬質(zhì)合金的加工。硬質(zhì)合金選用YG8，合金厚度為8 mm，其加工方法是慢走絲線切割：先割?？仔倍?，然后將?？着c外形一次性割出，這樣可以保證型孔與外形的同心度。另一方面，也可保證割出?？椎墓ぷ鲙С叽鐬? mm。

（2）下?；w的加工。下模與上模均按未鑲合金時(shí)的正常加工進(jìn)行，裝配完畢后，拆分上、下模。根據(jù)鑲嵌合金尺寸配合精車(chē)下模型孔，兩者的尺寸關(guān)系如圖2所示。

圖2 下模鑲嵌孔與硬質(zhì)合金的尺寸示意圖

尺寸關(guān)系如下：

（3）加熱壓裝。將加工好的下模與合金一起放入箱式爐里，緩慢加熱至（520±5）℃并保溫2 h，然后出爐快速壓裝。為了保證壓裝順利，可以讓合金提前約1 min出爐。由于鑲嵌孔深度要高出合金0.5 mm，所以壓裝平整后，用銅錘輕輕敲打下模鑲嵌孔四周，這樣可使邊緣下陷而壓住合金。裝配后的下模如圖3所示。

圖3 鑲嵌硬質(zhì)合金后的下模

2.2 硬質(zhì)合金在上模的鑲嵌

上模的合金鑲嵌主要是用硬質(zhì)合金對(duì)模芯進(jìn)行鑲嵌。上?；w按常規(guī)設(shè)計(jì)與加工，鑲嵌是在模具熱處理后進(jìn)行的精加工，合金與模具均不需進(jìn)行預(yù)熱，是在常溫下進(jìn)行的。

其方法主要包括下列幾點(diǎn)：

（1）將YG8硬質(zhì)合金鑲塊磨削到厚度與上模模芯設(shè)計(jì)的工作帶高度尺寸一致，外圓留0.2 mm的余量。

（2）上模的止口外圓精車(chē)留0.5 mm余量，合金螺絲位留0.2 mm余量；止口臺(tái)階、止口平面、模芯頸位、合金位在熱處理前可精車(chē)到位。

（3）YG8硬質(zhì)合金鑲塊的內(nèi)孔磨削尺寸小于上模的配合鑲嵌部位尺寸0.01 mm，即上模與鑲嵌合金的配合采用基孔制的過(guò)盈配合，過(guò)盈量小于0.01 mm，或采用配合代號(hào)為H7/n6的過(guò)盈配合。

（4）熱處理后以上模模芯的頸位為基準(zhǔn)把緊固合金的螺絲位精車(chē)到位，并車(chē)M16（或M12）的外螺紋。在設(shè)計(jì)外螺紋時(shí)，螺紋外徑與合金的外徑之差應(yīng)單邊大于3 mm。

（5）把YG8硬質(zhì)合金鑲塊涂油滑配到模芯的合金位中，用墊片和M16的螺母擰緊，固定住硬質(zhì)合金。

（6）以上模的模芯頸位為基準(zhǔn)把螺絲頭部車(chē)成錐形，以保護(hù)模具工作帶。

（7）將上模安裝在四爪單動(dòng)卡盤(pán)，以YG8硬質(zhì)合金鑲塊為基準(zhǔn)，將YG8硬質(zhì)合金鑲塊外圓尺寸磨削到位，然后把上模止口外圓精車(chē)到位。

上模合金鑲嵌如圖4所示。

圖4 上模合金鑲嵌示意圖

3 擠壓結(jié)果對(duì)比

根據(jù)圖1所示的圓管型材，取外徑（D0）23.4 mm、壁厚為0.8 mm的圓管品種，在能力為6 MN的擠壓機(jī)上分別采用傳統(tǒng)的模具和鑲嵌硬質(zhì)合金的模具對(duì)這二種結(jié)構(gòu)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)跟蹤，所得結(jié)果如表2所示。

表2 模具結(jié)構(gòu)與擠壓結(jié)果對(duì)比

由此可見(jiàn)，下模?？阻偳队操|(zhì)合金后，模具的耐磨性明顯提高，模具壽命大大提高，而且所得型材的表面質(zhì)量明顯改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究以簡(jiǎn)單的圓管擠壓模為例，對(duì)在擠壓模上鑲嵌硬質(zhì)合金進(jìn)行了試驗(yàn)，最終取得了良好的效果。但熱裝方式操作麻煩且具有一定的危險(xiǎn)性。另外在對(duì)下模采用冷裝方式時(shí)，即如何將常溫下的間隙配合轉(zhuǎn)變成高溫下的過(guò)盈配合還有待進(jìn)一步的研究。由于硬質(zhì)合金對(duì)沖擊及應(yīng)力的敏感這一特性使得其適用的型材品種目前僅限于簡(jiǎn)單并有一定圓角的一些品種。

但對(duì)于可以適用的型材，在模具中鑲嵌硬質(zhì)合金的關(guān)鍵是要考慮因模具材料與硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)差異大而確定兩者合理的尺寸，同時(shí)考慮壓裝的方法，只有這樣才能充分發(fā)揮硬質(zhì)合金的潛能和作用。結(jié)果也表明，利用好硬質(zhì)合金可以大大提高模具的耐磨性和使用壽命。