汽車輕量化用寬幅薄壁多腔型材擠壓工藝研究

曹東升，王 睿，劉建生，董晶飛，趙鈺鋒

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著節(jié)能減排的逐步推進，世界各國對汽車產(chǎn)品輕量化的要求越來越高，相對于鋼鐵產(chǎn)品，鋁及鋁合金材料由于其質(zhì)量輕、成型性優(yōu)、強度高、耐腐蝕、再生利用率高等特性在眾多材料中脫穎而出，鋁及鋁材在交通運輸裝備制造業(yè)的應(yīng)用持續(xù)增加，并取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益[1-2]。

以往生產(chǎn)的國內(nèi)外擠壓鋁合金箱板型材，多數(shù)斷面寬度較小，壁厚較厚，成型較為簡單，組裝后，整車質(zhì)量未達到輕量最大化。且后期仍需將多個型材焊接在一起使用，多出的工序不僅使特種車箱板平整度欠佳，而且還會降低箱板的整體強度，在一定程度上也增加了人力成本和物料成本[3]。本文通過對模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和擠壓工藝的調(diào)整實現(xiàn)寬幅度超較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚更薄的鋁合金箱板的一體化生產(chǎn)。本次擠壓型材采用6063合金，型材主要特點為壁厚薄至1.25mm，型材為6個腔體結(jié)構(gòu)，型材寬度為420mm，厚度為20mm，采用一體化成型；對應(yīng)生產(chǎn)難點為模具設(shè)計復(fù)雜、成型難度大、形位尺寸難以控制。此斷面系原斷面在上下表面厚度由1.5mm減薄后所得，縮減壁厚可使整車重量減少200kg左右。

1 實驗過程

型材擠壓選用36MN單動正向臥式擠壓機生產(chǎn)，擠壓比為70(實際64)，擠壓筒直徑Φ320mm，鑄錠直徑Φ310mm，為保證型材批量生產(chǎn)時的效率鑄錠表面未進行車皮處理。

1.1 合金成分

實驗采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)的6063鋁合金，合金成分值見表1。

表1 6063鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 模具設(shè)計

模具設(shè)計由原來的進料端二級沉橋改為三級沉橋設(shè)計，增加鑄錠金屬在模具兩側(cè)容鋁量，同時模具前端采用導(dǎo)流板對鑄錠金屬進行提前擴展引導(dǎo)。目的是擴充模具兩側(cè)供料的同時，限制模具芯部供料。

對模具進行改良后，模具整體采用寬展模設(shè)計，上模設(shè)計為進料端階梯式沉橋，沉橋共分為三級，模具芯部模橋最高，邊緣處最低，目的是增加鑄錠金屬在模具兩側(cè)容鋁量，使制品兩側(cè)端供料更加充分。上模前端增加導(dǎo)流板，控制模具芯部分流孔供料，擴大模具兩側(cè)供料。上模芯頭兩側(cè)工作帶空刀設(shè)計的稍大一些，可適當降低鑄錠金屬在芯頭部分的工作阻力，從而增加供料。因型材截面整體高度較低，模具芯頭較為薄弱，模具在擠壓生產(chǎn)過程中，芯頭易產(chǎn)生彈性變形而導(dǎo)致制品缺陷，故采取降低下模焊合室深度的辦法來降低上模芯頭高度，減小薄弱芯頭塑變或彈變量，如圖1所示。

(a)上模沉橋；(b)上模工作帶；(c)下模焊合室；(d)導(dǎo)流板圖1 模具改良后設(shè)計圖Fig.1 Design drawing after mold improvement

1.3 擠壓工藝

由于型材寬厚比大，擠壓比高，擠壓過程中容易出現(xiàn)憋壓、擠壓后型材尺寸不易控制、表面質(zhì)量較差的問題，所以設(shè)計不同的工藝制度進行生產(chǎn)調(diào)試，工藝制度見表2。由表中可以看出當采用1#工藝時，由于鑄錠溫度高，擠壓速度慢，型材擠壓時不會憋壓，型材表面有拉毛、顆粒產(chǎn)生；當采用2#工藝時，鑄錠溫度低，制品速度快，出現(xiàn)了較為嚴重的憋壓現(xiàn)象，型材出料困難，且出料后變形嚴重，型材表面拉毛、顆粒嚴重；采用3#工藝時，在2#擠壓工藝基礎(chǔ)上降低制品速度，未產(chǎn)生憋壓且型材表面質(zhì)量較好。

表2 擠壓工藝對比

2 分析與討論

2.1 合金成分的影響

6063合金的主要元素是Mg和Si。他們在合金中的形成金屬化合物Mg2Si是合金的主要強化相[4]。Mg2Si中，當Mg∶Si<1.73時，合金中就會有過剩Si出現(xiàn)，過量的硅(Si)可溶解于基體中(550℃時硅在鋁中的溶解度可達1.65%)。在室溫下析出細小質(zhì)點有強化作用，但使擠壓性能下降，?？刂七^量硅(Si)不多于0.2%；當硅(Si)不足時，過剩鎂(Mg)生成Mg2Al3，使加工性能降低。6063合金各項含量(質(zhì)量分數(shù))范圍，Mg2Si為0.6%～1.2%，鎂(Mg)為0.45%～0.9%，硅0.2%～0.6%，一般分為三個區(qū)間 (表3)。本次擠壓采用的B兼顧型合金類型，可以兼顧特種車用型材強度和擠壓成型性能，提高型材表面質(zhì)量。

表3 成分配比及性能

2.2 模具的影響

分流橋直接影響到擠壓力的大小、金屬流動的均勻性、焊合質(zhì)量和模具強度[5]。從加大分流比，降低擠壓力來考慮，分流橋的寬度可選擇小一些；但從改善金屬流動性和模具強度來考慮，分流橋需選擇大一些比較合適。分流橋的截面為水滴型，有利于金屬流動，增強制品的焊接熔合。分流橋的高度直接影響擠壓力的大小和模具強度，一般在保證模具強度的前提下，橋越矮越好，可以降低擠壓力。沉橋設(shè)計可以增加模具兩側(cè)金屬的容量，促使金屬向模具邊緣部分流動，增加型材斷面整體出模具時的均勻性，采用這種設(shè)計時，模具工作帶會相應(yīng)的取平，可以大大降低擠壓力，提高擠壓速度。

工作帶兩端稍大的空刀設(shè)計可以平衡整個斷面的金屬流動，同時可以減少生產(chǎn)時的擠壓力，有利于型材的成形性。 空刀量過大，工作帶支承減弱，在沖擊載荷和悶車的情況下可能把工作帶壓壞；空刀量過小，擠壓中在制品表面產(chǎn)生的小金屬粒會堆積在空刀處，長時間后會變硬，劃傷制品。

焊合室的深度和入口形式均影響焊合質(zhì)量、金屬流動均勻性和擠壓力的大小。焊合室深度太深，會使上模模芯長度增加，影響模芯的穩(wěn)定性，易出現(xiàn)制品壁厚不均；深度太淺時，由于靜水壓力不足，可能會導(dǎo)致焊合質(zhì)量不佳，還可能會影響到制品的尺寸精度。此次生產(chǎn)的型材壁厚僅為1.25mm，同時整個斷面厚度只有20mm，而上模工頭的厚度只有16.4mm，且模具工頭的數(shù)量多至6個。為了提高擠壓時工頭的穩(wěn)定性，降低彈性變形量，減少型材出料后表面產(chǎn)生弧形、壁厚不均等問題，模具設(shè)計時減小了下模焊合室深度，同時縮短工頭長度。

導(dǎo)流板的設(shè)計有利于鑄錠金屬向模具兩側(cè)流動，促進型材兩側(cè)金屬的填充，在斷面成型前預(yù)先平衡金屬流進模具的整體進度。

2.3 擠壓工藝的影響

合金中過剩Si的存在會使合金硬度增加，在一定程度上增加了型材的擠壓難度。從表2中可以看出，當采用1#工藝時，鑄錠溫度較高，降低了鑄錠變形抵抗力，同時擠壓速度慢，型材擠壓時不會有憋壓現(xiàn)象，且型材表面只有輕微的拉毛、顆粒產(chǎn)生。當采用2#工藝時，降低了鑄錠的加熱溫度，提高了擠壓速度，采用低溫高速的工藝制度，確保型材淬火前溫度，采用這一工藝制度時出現(xiàn)了較為嚴重的憋壓現(xiàn)象，型材出料困難，且出料后變形嚴重。當采用3#工藝時，相較于2#工藝制度，3#工藝制度降低了擠壓速度，鑄錠變形抗力減小，在采用寬展模時保證了型材的出料速度，適當?shù)臄D壓速度保證了型材表面質(zhì)量，減少了型材外表面拉毛、顆粒的數(shù)量。

6063合金淬火敏感性較低，所以采用在線風(fēng)冷的淬火方式即可保證型材的強度，同時還能避免出現(xiàn)因冷卻強度高造成的型材變形程度大的問題。

3 結(jié)論

(1)在生產(chǎn)一體化大型薄壁多腔型材時選用6063合金能在保證型材性能強度要求的基礎(chǔ)上更便于擠壓生產(chǎn)，合金元素(Si 0.35%～0.45%，Mg 0.50%～0.60%)含量選用下限的鑄錠變形抗力低，有利于型材的成型性。

(2)模具采用寬展模和三級沉橋設(shè)計，增加工作帶兩側(cè)空刀量，加強工作帶氮化效果，提升工作帶硬度，能夠提升型材表面質(zhì)量，減少型材外表面拉毛、顆粒數(shù)量。

(3)鑄錠加熱溫度為頭端490℃～500℃、尾端470℃～480℃，制品速度為4.0m/min～4.5m/min時，擠壓寬度為420mm、厚度為20mm、壁厚為1.25mm型材時不會產(chǎn)生憋壓，同時生產(chǎn)效率高，型材表面質(zhì)量好。

Research on Wide Thin-Wall Multi-Cavity Profile Extrusion Technology for Automotive Lightweight

Cao Dongsheng，Wang Rui,Liu Jiansheng，Dong Jingfei，Zhao Yufeng

(Liaoning Zhongwang Group Co., Ltd., Liaoyang 111003, China)

Abstract: In this paper, by optimizing the die structure and adjusting the extrusion process, the problems of high difficulty in forming the profiles of 6063-T6 alloy with wide thin wall and multi-cavity and large width to thickness ratio are solved. The results show that the three-stage sinking bridge design can promote the formability of complex profiles. At the same time, the ratio of Si and Mg elements in the 6063 alloy is adjusted, the ingot temperature is controlled between 470℃ and 500℃, and the product speed is set between 4.0m/min～4.5m/min. The air cooling quenching method had a significant effect on improving the formability and dimensional accuracy of the profiles.

Keywords: 6063 alloy; mold; extrusion process; formability