鄧汝榮，曾 蕾

(廣州科技職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510550)

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鋁合金擠壓棒材的模具結構試驗與設計

鄧汝榮，曾 蕾

(廣州科技職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510550)

文章通過分析擠壓過程中金屬成形的特點，介紹了一種通過改變模具結構來改變金屬變形程度、提高成形過程中壓應力、從而減少或避免粗晶產生的模具結構，實踐表明可行。

鋁合金棒材；粗晶；模具結構；變形程度；壓應力

由于鋁合金具有良好的抗腐蝕性、可焊接性、輕量性等特性，因此，廣泛應用于各個領域，特別是用作具有一定強度和抗腐蝕性的工業(yè)結構件。但在鋁合金棒材的生產過程中，最大的問題是容易出現(xiàn)粗晶環(huán)現(xiàn)象，嚴重影響材料的使用性能。為了解決這一問題，國內外許多學者、工程師和技術人員進行了大量的研究，但主要集中在鋁合金擠壓工藝、合金化學成份、均勻化處理對棒材力學性能及粗晶環(huán)的影響方面，如采用反向擠壓在線淬火+拉撥+人工時效的方式[1]，因為目前鋁合金棒材的生產方式主要采用正擠壓方式[2]。這些研究都忽視了成形過程對棒材力學性能的影響，即擠壓變形程度及應力對晶粒大小的影響。通常，在棒材的擠壓過程中，變形程度和擠壓比均較小，很容易實現(xiàn)擠壓成形。但實踐表明，金屬變形程度和擠壓力的大小也是決定晶粒大小的重要因素。因此，僅從工藝和合金成份方面進行研究或實踐，是難以完全解決棒材生產過程中的粗晶問題。本文介紹一種改變模具結構的方式，通過改變變形程度、提高金屬成形的壓應力從而提高棒材的力學性能，僅供同行參考。

1 傳統(tǒng)模具結構與分析

傳統(tǒng)鋁合金棒材的生產方式是采用正擠壓中心擠壓方式，即型孔處于模具中心并與擠壓筒中心重合。模具結構通常采用帶導流室的形式[3]，為普通模面(子)與模墊結合的方式，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)平面模結構示意圖Fig.1 Structure diagram of conventional plane die

采用這種方式，模具制造簡單，擠壓變形程度小，擠壓力低；不足之處是型材晶粒度大，容易出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象，所得制品的力學性能及導電率較低。究其原因，一方面是擠壓系數(shù)小，變形程度小產生的靜水壓力小；另一方面，傳統(tǒng)模具結構金屬預變形的程度較大。據(jù)有關實驗表明，金屬的再結晶溫度與其預變形程度有關，預變形程度越大，再結晶溫度就越低。這是由于預變形程度越大，金屬晶粒的破碎程度便越大，產生的位錯等缺陷就越多，組織的不穩(wěn)定性就越高，因而會在較低溫度下開始再結晶。再結晶后的金屬，一般會得到小而均勻的等軸晶粒，如果溫度繼續(xù)升高，再結晶后的晶粒又以相互吞并的方式長大，此時會造成產品出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象。

為了達到一定的擠壓系數(shù)，必須選用擠壓能力較大的機臺和較大的擠壓筒內徑，這將增加擠壓的成本并且受設備條件的限制。同時，在擠壓過程中，容易出現(xiàn)棒與棒之間接頭銜接不牢或變形的情況，每次擠壓終了切除擠壓壓余時，容易將棒材反向拉出或使已擠出的棒材出現(xiàn)晃動而碰撞模具從而損傷棒材的表面質量。傳統(tǒng)模具結構對于擠壓系數(shù)大于40或對表面質量及內部組織要求不高的棒材也是適用的；此外，當所擠壓棒材作為結構件的坯料還需進行二次擠壓加工時，也可采用該方式。

為了得到更可靠的設計參數(shù)，在實踐中，采用了循序漸進的方式，首先進行模具試驗，然后進行結構改進。

2 模具試驗

以Φ25mm的棒材作為試驗產品，分別在8MN和18MN的擠壓機上進行擠壓。設計并制作模具4套，分別編號為1～4#，其主要形式如下：

(1) 1#模具，8MN，單孔設計；

(2) 2#模具，18MN，單孔設計；

(3) 3#模具，18MN，雙孔設計；

(4) 4#模具，18MN，偏心單孔設計。

?？撞贾萌鐖D2所示，每套?？椎某叽?、導流室尺寸、工作帶尺寸均完全一致。試驗結果對比方案如表1所示。

圖2 試驗模具?？撞贾檬疽鈭DFig.2 Hole layouts of tested die

序號模具編號擠壓機能力/MN擠壓筒內徑/mm模具外徑/mm?？讛?shù)/個擠壓系數(shù)模孔位置第1組第2組第3組1#8130180127中心2#18185220155中心2#18185220155中心3#18185220227．5偏離中心3#18185220227．5偏離中心4#18185220155偏離中心

每套模具上機擠壓后，截取長度為1m的樣品各4支，然后進行晶粒度的檢測與比較。采用工廠通常做法進行晶粒度的檢測，將樣品放入工廠氧化車間的酸洗槽中25～30min，取出樣品在清洗槽中清洗干凈，即可用目測方法看出棒材樣品的晶粒度大小。

對表1中4套模具擠壓后的樣品，采用上述方法檢測并進行晶粒度比較。結果顯示，2#模與4#模所得樣品的晶粒最小且最均勻，尤其以4#模的樣品最佳；而1#模與3#模樣品所表現(xiàn)的晶粒度幾乎一致。由此可以看出，擠壓系數(shù)越大或變形程度越大，所得產品的晶粒越細小均勻。從表1還可看出，1#模與3#模的擠壓系數(shù)相近，2#模與4#模的擠壓系數(shù)一樣，比1#模與3#模的擠壓系數(shù)大近1倍。雖然2#模與4#模的擠壓系數(shù)相同，但4#模的?？灼x中心一定距離，所以變形程度增大。同時，從現(xiàn)場記錄的擠壓力情況顯示，4#模的擠壓力最大，其次為2#模，這也驗證了有關資料介紹的壓應力大的情況下，提高了合金的再結晶溫度，同時阻礙了再結晶的長大，從而可以得到細化的晶粒。

3 改進后的模具結構

根據(jù)試驗結果，分析提高擠壓力，提出增加成形過程中的三向壓應力和增大變形程度的方法，設計并制造改進結構的模具并投入擠壓生產。

3.1 階梯式的導流結構

這種結構為采用導流板與模子結合的結構形式，如圖3所示。

圖3 階梯式導流孔平面模結構示意圖Fig.3 Structure diagram of plane die with tiered deflector hole

采用這種結構，導流板上的導流孔或導流室采用階梯形式，導流板厚度可取相對較大值，取模具總厚的60%～70%；階梯級數(shù)可以為2～5級，相鄰階梯孔徑相差4～10mm，階梯高度取15～25mm。其目的在于增加擠壓成形過程中的剛性區(qū)，增加變形時的阻力，使金屬經過多次預變形，提高擠壓力，從而達到提高成形過程中的靜水壓力。由于擠壓成形過程中，壓應力能降低組織的擴散速度，壓應力越大則擴散速度越小從而抑制晶粒的長大[4]，進而達到獲得良好表面質量和致密內部組織的效果。

3.2 偏心式?？捉Y構

這種結構是打破常規(guī)的?？撞贾梅绞?，將?？字糜谄x模具中心的某一位置，如圖4所示。

圖4 偏心式?？灼矫婺＝Y構示意圖Fig.4 Structure diagram of plane die with eccentric hole

采用這種結構，導流孔邊緣離擠壓筒內壁距離應大于10mm。這種結構大大增加了變形程度和擠壓力，從而大大提高了金屬擠壓變形過程中的靜水壓力，因而可獲得晶粒更為細小的內部組織。同時，由于離模孔最遠端的金屬進入模孔的阻力大大提高了，這相當于增大了擠壓筒的內徑，間接地增加了擠壓系數(shù)。因此，采用這種結構，可避免粗晶的產生，同時可充分發(fā)揮擠壓設備的潛能。

采用這種結構，模子與導流板要加以止口的方式進行組合。同時，?？撞荒懿捎密囅骰蚓シ绞竭M行加工，而必須采用電加工，由于模孔為圓形，所以加工難度不大。

3.3 導流孔斜入式階梯導流結構

這種結構有兩種形式。

(1)第一種形式是將模孔置于模具中心，并且在模子上增設(1～2)級導流室或導流腔，而導流板上的導流入口則置于偏離模具中心的某一位置并以擴展斜入的方式進入?？?，如圖5所示。采用這種結構，?？准庸た刹捎密囅骰蚰ハ鞣绞竭M行，可以得到很高的尺寸精度和表面質量，因而可獲得質量相當高的棒材產品。對于尺寸精度、表面質量和晶粒度有較高要求的棒材采用這種結構，更為有效；

圖5 斜入式、模孔在中心平面模結構示意圖Fig.5 Structure diagram of plane die with oblique hole at the center

(2)第二種形式是將?？字糜谄x模具中心的某一位置，而導流板上的導流入口則置于模具中心并以擴展斜入的方式進入?？?，如圖6所示。

圖6 斜入式、?？灼钠矫婺＝Y構示意圖Fig.6 Structure diagram of plane die with oblique hole off the center

采用以上兩種形式時，模子與導流板要加以止口的方式進行組合，導流孔斜入角度以55°～65°為宜，入口導流孔尺寸要比模孔尺寸大10～20mm。

這兩種結構形式對于擠壓系數(shù)小，采用小能力擠壓機的生產方式更為合適。通過提高擠壓系數(shù)來增加變形程度最直接的方式就是選用擠壓筒內徑較大的擠壓機，但這同樣將大大增加模具的尺寸與擠壓過程的能耗，因此，一味追求擠壓機能力的增大在實際生產中也是不現(xiàn)實的。

4 結 論

按模具試驗的方式對改進結構模具擠壓后的產品進行取樣和晶粒檢測，結果表明，改進后的模具均能獲得與試驗模具4#相近的晶粒度，細小而均勻。因此，可以得出這樣的結論，提高棒材力學性能和表面質量，避免粗晶現(xiàn)象，在對合金成份工藝研究與改進的基礎上，結合金屬成形原理，研究金屬變形過程，突破模具設計的理念，改變模具結構，會更有效的提高棒材產品表面質量和綜合力學性能。

[1] 陳丁文，李飛慶等．化學成份和均勻化處理對6061鋁合金棒材粗晶環(huán)的影響[J].輕合金加工技術，2014(02): 47-48.

[2] 馮永平．6061鋁合金工業(yè)材反向擠壓工藝[J].世界有色金屬，2012(02)：35-37.

[3] 鄧汝榮，曾蕾．大斷面實心鋁型材導流模的設計分析[J].輕合金加工技術，2014(11): 29-31.

[4] 謝建新，劉靜安．金屬擠壓理論與技術[M].冶金工業(yè)出版社，北京，2001：28-31，68-69.

Study of Die Structure Test and Design for Aluminum Bar

DENG Rurong, ZENG Lei

(Guangzhou Vocational College of Science and Technology, Guangzhou 510550, China)

Based on the analysis of characteristics of metal forming in extruding process, the paper put forward that the degree of deformation can be altered through modifying the die structure; it presented the die structure having the advantage of improving compressive stress so as to reduce or avoid the formation of coarse grains and having been proven to be feasible in practice.

aluminum alloy bar; coarse grain; die structure; degree of deformation; compressive stress

2015-06-23

鄧汝榮(1964-)，男，高級工程師，主要從事鋁型材擠壓模設計與制造工作。

TG356.3

B

1671-6795(2015)06-0050-03