鋁合金錐形件溫?cái)D壓成形工藝研究

黃鳳軍，畢勇義，閆曉東，段來(lái)明，魏椿雨，張 衛(wèi)

(1.海軍裝備部，山西 侯馬 043000；2.淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

某零件(見(jiàn)圖1)是某產(chǎn)品中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，生產(chǎn)量大，圖樣要求具有較高的力學(xué)性能(Am≥420 MPa，A≥12%)、精確的尺寸及較高的表面光潔度。該件材料為硬鋁合金2A12 T4狀態(tài)，屬AI-Cu-Mg系合金，材料強(qiáng)度高，比重輕，耐熱性能好，切削加工性能好，但塑性指標(biāo)較低，相對(duì)伸長(zhǎng)率≤15%，屬于脆性材料；形狀為中空?qǐng)A錐形，擠壓工藝性不好。原采用棒料機(jī)械加工方法生產(chǎn)，材料消耗大(1.046 2 kg/件)，材料利用率為25.2%，切削量大，生產(chǎn)效率低。引入溫?cái)D毛坯+機(jī)械加工成形方案生產(chǎn)零件，降低了材料消耗(0.697 4 kg/件)，材料利用率提高到了37.7%，為降本增效提供了較好的方法。在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)問(wèn)題：1)溫?cái)D過(guò)程中零件難出模；2)精加工后在圓錐面上出現(xiàn)嚴(yán)重的粗晶缺陷；3)精加工后錐面及端孔留有黑皮。上述問(wèn)題如果解決不好，就會(huì)直接影響此類零件溫?cái)D壓成形的推廣應(yīng)用。幾年來(lái)，筆者通過(guò)多次工藝試驗(yàn)，找到了上述問(wèn)題的解決方案，經(jīng)大批量生產(chǎn)，取得了良好的效果。

1 溫?cái)D壓工藝分析

1.1 本體零件加工方案

根據(jù)零件圖樣要求，溫?cái)D壓成形毛坯后，經(jīng)固溶熱處理及機(jī)械加工可達(dá)到要求。溫?cái)D壓毛坯的工藝方案為一次復(fù)合擠壓成形，坯料為實(shí)心料斷。加工工藝流程為：棒料→切料斷→溫?cái)D壓毛坯→粗加工→固溶處理→力學(xué)性能檢驗(yàn)→精加工成形。

1.2 溫?cái)D毛坯工藝性分析

錐形件，特別是錐度不大的長(zhǎng)圓錐形零件，擠壓工藝性不好，擠壓過(guò)程中存在許多缺陷，常見(jiàn)的有縮孔、折疊、裂紋、殘余應(yīng)力過(guò)大等[1-2]。該本體零件長(zhǎng)度為97 mm，錐形部位錐度為36°，符合難擠壓錐形件的條件，一次擠壓時(shí)，大頭部位為淺杯形反擠壓變

形，錐部為多次縮徑變形且擠壓難度大，應(yīng)在反擠壓部分實(shí)現(xiàn)封閉式擠壓，依據(jù)零件圖樣設(shè)計(jì)溫?cái)D毛坯有如下2種方案。

方案1(見(jiàn)圖2)：為了脫模方便，大頭外徑設(shè)置10°脫模錐角，形成尺寸為φ67 mm×34 mm的錐體，內(nèi)孔為φ37.5 mm×18 mm(max)，小頭尺寸為φ19.7 mm，斜面錐角為36°。

方案2(見(jiàn)圖3)：溫?cái)D毛坯大頭尺寸為φ67 mm×34 mm的柱體，內(nèi)孔為φ37.5 mm×18 mm(max)，小頭尺寸為φ30 mm×10 mm，斜面錐角為39°。

2種方案對(duì)比分析：φ67 mm×34 mm為下道精加工的裝夾基準(zhǔn)，從機(jī)械加工方面考慮，方案1的溫?cái)D毛坯φ67 mm×34 mm錐體部位需機(jī)械加工成柱面，作為機(jī)械加工定位緊固基準(zhǔn)面，但帶來(lái)了“二次裝夾”問(wèn)題，機(jī)械加工時(shí)零件擺動(dòng)，加工后小端外形錐面有留黑皮的風(fēng)險(xiǎn)；從成形方面考慮，大頭反擠部位的斷面縮減率為35.6%；斜面部分為正擠壓，最大變形量：方案1為90%，方案2為76.6%。斜面長(zhǎng)度：前者為67 mm，后者為56 mm。按一次復(fù)合擠壓成形的工藝要求來(lái)看，應(yīng)減少正擠的變形量，有利于成形，減小斜面長(zhǎng)度可降低擠壓力，減小摩擦力，利于零件出模，綜合考慮采用圖4所示的毛坯圖。

1.3 溫?cái)D過(guò)程金屬流動(dòng)性分析

擠壓分為3個(gè)階段進(jìn)行，各階段金屬流動(dòng)特點(diǎn)如下：擠壓開(kāi)始時(shí)，靠近凹模型腔錐面部分的金屬發(fā)生正擠壓，靠近凸模部分的金屬發(fā)生反擠壓，變形主要集中在上述2個(gè)局部區(qū)域內(nèi)，其余金屬不發(fā)生變形，僅在凸模作用下剛性移動(dòng)；隨著凸模下行，正、反擠壓區(qū)域擴(kuò)大，全部金屬發(fā)生變形，分流面出現(xiàn)在錐面，隨著正擠壓變形程度的增加，阻力增大，而反擠壓阻力基本不變，反擠壓速度大于正擠壓，有更多的金屬反向流動(dòng)；當(dāng)金屬向下流動(dòng)至凹模底端孔口以后，正、反擠壓阻力保持不變，分流面變化不大，處于穩(wěn)定復(fù)合擠壓階段[3]。

2 模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)溫?cái)D壓毛坯結(jié)構(gòu)及溫?cái)D過(guò)程金屬流動(dòng)性分析進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)，模具為封閉式復(fù)合擠壓結(jié)構(gòu)。退料方式為下拉、上頂式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向?yàn)閷?dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向，?？诙ㄎ环绞?，確保擠壓件的同軸度。凹模設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)，一是考慮到該件溫?cái)D壓時(shí)單位擠壓力較大，提高模具強(qiáng)度，延長(zhǎng)模具使用壽命；二是從加工方便及降低模具制造費(fèi)用考慮，型腔模使用高強(qiáng)度模具鋼，模板使用普通結(jié)構(gòu)鋼。這樣凸、凹模的尺寸大大減小，減少了高強(qiáng)度模具鋼用量，同時(shí)也便于熱處理。型腔模硬度取50～55 HRC，普通模板硬度為40～47 HRC，模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 溫?cái)D壓工藝參數(shù)制定

溫?cái)D壓毛坯的工藝參數(shù)如下：1)坯料尺寸為φ62 mm×71 mm；2)模具溫度為300～350 ℃，模具升溫設(shè)備為電磁感應(yīng)加熱裝置；3)料坯加熱溫度為420 ℃±10 ℃，推料節(jié)拍為40 s，加熱設(shè)備為中頻透熱爐；4)擠壓力為270 t，擠壓設(shè)備為315 t液壓機(jī)，擠壓速度為12 mm/s；5)潤(rùn)滑劑為脂類潤(rùn)滑劑+石墨，涂涮方式為蘸涂；6)毛坯冷卻方式為零件出模后集中冷卻；7)T4固溶熱處理為固溶處理溫度495 ℃±5 ℃，保溫時(shí)間60 min，設(shè)備為鋁合金專用熱處理爐，時(shí)效為采用在室溫下自然時(shí)效方式。

4 溫?cái)D壓工藝試驗(yàn)

4.1 溫?cái)D壓工藝流程

棒料為2A12 H112熱軋料，固溶處理后粗晶環(huán)實(shí)際厚度≤2.5 mm。溫?cái)D壓工藝流程(見(jiàn)圖6)如下：棒料→切料斷→料斷加熱→模具加熱→溫?cái)D壓毛坯→機(jī)械加工去飛邊→固溶熱處理→物理性能檢驗(yàn)→精加工→成形。

4.2 工藝試驗(yàn)

2019年8月進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，對(duì)3個(gè)批次共1 800件本體零件進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，溫?cái)D件生產(chǎn)狀況統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。每批良品率穩(wěn)定，具體情況如圖7所示。

表1 本體溫?cái)D件生產(chǎn)狀況統(tǒng)計(jì)表

4.3 物理性能檢測(cè)試

1)熱處理后取10件在零件上取樣，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，Am=440～450 MPa，A≥12%～17%，布氏硬度工藝要求為≥105 HBW，實(shí)測(cè)值為110～125 HBW，組織無(wú)過(guò)燒，滿足零件性能要求。

2)精加工后錐面無(wú)粗晶，取樣金相分析結(jié)果如圖8所示。

5 溫?cái)D過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)突破

5.1 零件機(jī)械加工后留黑皮

試制中在精加工工序發(fā)現(xiàn)：零件機(jī)械加工后小頭部位留有黑皮，大頭端孔測(cè)面留有黑皮。

1)形成原因：常規(guī)溫?cái)D毛坯設(shè)計(jì)方法為φ67 mm圓柱面留10°脫模斜度，熱處理后機(jī)械加工成柱面，作為下道精加工工序的裝夾基準(zhǔn)，因二次裝夾時(shí)擺動(dòng)較大，小頭部機(jī)械加工后留有黑皮；端孔留有黑皮的原因有2個(gè)：a.凸模受力大，擠壓過(guò)程中發(fā)生了變形，引起壁厚差超差；b.模具凹、凸模不同心，引起內(nèi)孔與外圓柱面不同心，若壁厚差超差會(huì)引起此類缺陷的產(chǎn)生。工藝要求毛坯的壁厚差≤0.3 mm，實(shí)測(cè)為0.8 mm。經(jīng)檢測(cè)，上模套板凸模定位孔超差0.18 mm，3個(gè)導(dǎo)柱孔位置度超差0.12 mm，確定毛坯壁厚差超差是模具定位超差引起的。

2)解決方案：解決機(jī)械加工后頭部留黑皮的方法是減少“二次裝夾”，通過(guò)改進(jìn)毛坯設(shè)計(jì)方法，直接溫?cái)D出定位柱面，減少車(chē)外圓工序來(lái)解決；提高模具運(yùn)動(dòng)精度及定位精度，減少零件壁厚差，可解決孔側(cè)面機(jī)械加工后留黑皮；合理分配變形量，降低擠壓力，防止凸模變形。

5.2 難脫模

試制中發(fā)現(xiàn)本體溫?cái)D件毛坯出模困難。溫?cái)D成形力為270 t，頂出力為100 t，脫模劑為脂類潤(rùn)滑劑，涂涮方式為蘸涂。擠壓完成后毛坯留在凹模中，粘模嚴(yán)重，頂出時(shí)響聲大，設(shè)備震動(dòng)大，模具松動(dòng)快，零件出模后發(fā)現(xiàn)小端φ30 mm柱面出現(xiàn)嚴(yán)重的“鼓肚”變形，生產(chǎn)不到100件，下模3條M20螺栓斷裂，最高峰一天換3次，耗時(shí)約2 h，生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。

1)形成原因：本體零件是典形的小錐度、長(zhǎng)錐面零件，擠壓過(guò)程中錐體截面尺寸不斷變小，變形區(qū)域長(zhǎng)度大，摩擦面積大，擠壓過(guò)程中潤(rùn)滑劑難以進(jìn)入錐面，潤(rùn)滑條件變壞，摩擦力大，出模阻力大；鋁合金在400 ℃左右的高溫、高壓下變形，形成新金屬表面與型腔接觸，無(wú)脫模劑時(shí)容易與模具型腔表面焊合在一起；當(dāng)模具的凹模型腔錐面部分拋光不佳時(shí)，脫模劑會(huì)在擠壓瞬間沿著刀紋環(huán)形流動(dòng)，沿軸向流動(dòng)困難不能布滿模具錐面，導(dǎo)致零件與凹模間形成真空，從剛出模的成形零件(見(jiàn)圖9)可以得到證明。

筆者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)零件進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有如下3種情況：1)錐面有脫模劑、全錐面無(wú)脫模劑(見(jiàn)圖9)；2)半錐面有脫模劑(見(jiàn)圖10)；3)零件錐面橫紋，可以看到凹模腔的刀紋分布(見(jiàn)圖11)。

2)采取措施：針對(duì)上述情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)思出了解決方案，溫?cái)D件脫模劑分布及解決方案見(jiàn)表2。

表2 溫?cái)D件脫模劑分布及解決方案

5.3 表面粗晶

1)粗晶的形狀分布與組織特性：粗晶位置如圖12所示，粗晶分布在36°圓錐表面上，斑塊面積約為10 mm×10 mm沿軸向呈不規(guī)則排列，從柱、錐交接處(距φ67 mm大端37 mm處)開(kāi)始，沿軸向向下分布在長(zhǎng)30 mm的范圍內(nèi)，粗晶缺陷實(shí)物如圖13所示，為粗大的胞狀組織，零件組織缺陷如圖14所示，沿徑向機(jī)械加工1.5 mm深，零件表面仍有花斑缺陷存在，加工至5 mm深處花斑缺陷消失，中部為擠壓組織，邊部則是不同程度的粗晶組織。

2)形成原因：擠壓過(guò)程對(duì)粗晶環(huán)形成有明顯的影響，粗晶環(huán)的形成是一個(gè)再結(jié)晶過(guò)程[4-5]。由于變形和強(qiáng)烈的金屬間摩擦而導(dǎo)致粗晶的原因大體上是清楚的。首先，擠壓變形時(shí)，鋁合金材料與模具的接觸表面發(fā)生流動(dòng)，受到強(qiáng)烈摩擦作用，摩擦使鋁的過(guò)飽和固溶體發(fā)生強(qiáng)烈分解，析出大量彌散分布的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)，在變形后的淬火加熱中，由于錳的存在，質(zhì)點(diǎn)的反向溶解速度很慢(小于再結(jié)晶速度)，晶界運(yùn)動(dòng)由于彌散質(zhì)點(diǎn)的存在而受到阻礙，再結(jié)晶難以進(jìn)行，使基體處于一種相當(dāng)穩(wěn)定的多邊化狀態(tài)，淬火后大量未再結(jié)晶組織保留下來(lái)，形成“擠壓效應(yīng)”；其次，當(dāng)加熱溫度高或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)反向溶解終會(huì)完成，晶界運(yùn)動(dòng)一旦失去阻礙，少數(shù)晶粒在高溫下立刻急劇長(zhǎng)大并形成粗晶，整個(gè)粗化過(guò)程是一次再結(jié)晶的結(jié)果，但又具有某些二次再結(jié)晶的特點(diǎn)，即在穩(wěn)定的基體中很少有晶核。

3)采取措施：根據(jù)粗晶形成原因可知，擠壓棒材表面的摩擦組織發(fā)生再結(jié)晶是產(chǎn)生粗晶的直接原因，而摩擦組織又有穩(wěn)定多邊化且難于再結(jié)晶的特點(diǎn)，所以保持?jǐn)D壓材料的熱穩(wěn)定性，防止粗晶是可行的[6-8]。影響材料的熱穩(wěn)定性的因素有原材料、溫?cái)D壓工藝及熱處理工藝等，根據(jù)上述分析制定的溫?cái)D工藝方案如下。

a.原材料：選用2A12φ62 H112鋁合金熱軋棒料為溫?cái)D壓用材料，入廠時(shí)檢測(cè)原材料粗晶環(huán)深度，粗晶環(huán)深度≤3 mm。粗晶環(huán)如圖15所示。

b.溫?cái)D毛坯設(shè)計(jì)：鋁合金變形程度處于臨界變形范圍(12%～15%)內(nèi)，擠壓件會(huì)出現(xiàn)粗晶缺陷[9]，生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制。

c.變形溫度控制：變形溫度決定再結(jié)晶溫度，它是鋁合金熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[10]。影響熱穩(wěn)定性的因素有變形速度和熱變形溫度。鋁合金發(fā)生再結(jié)晶的最小熱變形如圖16所示，熱變形溫度與再結(jié)晶溫度間關(guān)系如圖17所示。由圖16可知，高速變形有利于再結(jié)晶，不利于多邊化，高速變形提供較大變形能，變形體積累的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也較大，同時(shí)在高能狀態(tài)下彌散質(zhì)點(diǎn)溶解速度也較快，高速變形將加劇粗化，故溫?cái)D壓設(shè)備一般選用普通液壓機(jī)。由圖17可知，提高變形溫度，所需的變形能小，變形能積累小，鋁合金的再結(jié)晶溫度高，材料的熱穩(wěn)定性就好(當(dāng)再結(jié)晶溫度高于淬火加熱溫度時(shí)，熱處理時(shí)有未再結(jié)晶組織)；提高變形溫度，即始鍛溫度不變，提高終鍛溫度，縮小了始鍛、終鍛溫差，可保證變形過(guò)程在變形溫度范圍內(nèi)，有利于基體熱穩(wěn)定性的提高，一般要求其終鍛溫度>370 ℃。

d.坯料加熱溫度：加熱溫度為400～420 ℃，加熱設(shè)備為中頻透熱爐，推料節(jié)拍為40 s。

e.模具溫度：提高模具溫度，可提高終鍛溫度，降低始鍛溫度，模具溫度為300～350 ℃。

f.毛坯冷卻方式：溫?cái)D壓件出模后集中堆積緩冷。

g.固溶處理：固溶處理設(shè)備為鋁合金淬火爐，加熱溫度一般取495 ℃±5 ℃，淬火加熱時(shí)間為60 min，自然時(shí)效為96 h。

6 效果

按此工藝方案生產(chǎn)本體零件20萬(wàn)件，零件表面無(wú)粗晶缺陷，脫模效果好。與棒料機(jī)械加工工藝相比，降低材料消耗0.348 8 kg/件，材料利用率提高約33%，節(jié)材效果明顯，降低了零件的生產(chǎn)成本。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)該硬鋁合金錐形件采用一次復(fù)合溫?cái)D成形方法可行。

2)工藝設(shè)計(jì)時(shí)減少二次裝夾工序，并提高模具定位精度，可避免零件機(jī)械加工后留黑皮問(wèn)題。

3)硬鋁合金錐形件溫?cái)D壓過(guò)程對(duì)粗晶的形成有明顯的影響，粗晶的形成是一個(gè)再結(jié)晶過(guò)程。

4)溫?cái)D壓過(guò)程中提高擠壓材料的熱穩(wěn)定性，可防止粗晶組織的形成。

5)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)保證原材料質(zhì)量、控制溫?cái)D壓工藝過(guò)程及縮短固溶熱處理時(shí)間等方法，可以避免或減少錐形溫?cái)D件粗晶缺陷。