黃志其，陳 慧,2，鄧濤濤，葛 杰，肖衛(wèi)平,雷振民

(1.佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司,廣東 佛山 528133；2.中南大學(xué) 材料學(xué)院，湖南 長沙 410006)

7021鋁合金屬于Al-Zn-Mg系合金，具有接近超高強(qiáng)鋁合金的力學(xué)性能，而擠壓變形抗力相對于含銅量較高的7075、7055等鋁合金的要小很多，可以實(shí)現(xiàn)空心型材及形狀較復(fù)雜的產(chǎn)品的擠壓生產(chǎn)；同時(shí)由于其淬火敏感性較低，又可以擠壓在線淬火，其擠壓綜合生產(chǎn)成本比含銅的較高的7×××鋁合金的要低很多，在一些場合可以部分替代2×××和含銅的7×××鋁合金產(chǎn)品[1-2]。然而，對于7021鋁合金空心型材，模具壽命一直是困擾模具廠和鋁型材廠的最大的問題，模具成本也是擠壓成本中比重較大的部分。以我司所生產(chǎn)的空心型材型號為例，設(shè)計(jì)了幾種不同的模具方案，并進(jìn)行了模擬和實(shí)際擠壓驗(yàn)證，以期為該合金空心型材生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 型材斷面結(jié)構(gòu)及性能要求

客戶要求的型材斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示，為邊部帶小工字頭的空心型材。性能要求符合GB/T 6892要求，抗拉強(qiáng)度Rm≥410 N/mm2，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥350 N/mm2，斷后伸長率A≥8%。根據(jù)以往7×××鋁合金的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，模具壽命是影響生產(chǎn)成本的最關(guān)鍵因素。為此，組織模具設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)集中評審，設(shè)計(jì)了三種不同的模具方案并進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證來解決模具壽命過低的問題。

圖1 產(chǎn)品斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cross-section diagram of the profile

2 模具設(shè)計(jì)方案

為了驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)方案對擠壓制品外形及模具壽命的影響，設(shè)計(jì)三種模具方案如圖2所示。三種模具方案的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 三種模具設(shè)計(jì)方案圖Fig.2 Three die design schemes of the profile

表1 三種模具設(shè)計(jì)方案相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of three design schemes

從表1及圖2可以看出，方案1焊合室最深，分流橋最寬，且分流孔有擴(kuò)孔；方案3焊合室最淺，分流橋最窄，且分流孔無擴(kuò)孔；方案2焊合室深度與方案3的相當(dāng)，分流橋?qū)挾冉橛诜桨?的和方案3的之間，分流孔也設(shè)計(jì)了擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)。

3 Q-Form軟件模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 Q-Form軟件模擬結(jié)果

利用Q-form軟件對三種模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模擬，模具溫度450 ℃，擠壓筒溫度420 ℃，鑄錠溫度490 ℃，主缸速度1.0 mm/s，鑄錠長度400 mm，直徑127 mm，擠壓筒直徑135 mm，模擬結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 模擬分析數(shù)據(jù)表Table 2 Datasheet of the simulation analysis

從表2和圖3模擬分析數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，三種設(shè)計(jì)方案模具最大受力均已超模具最大受力安全值1250 MPa，但在同一工藝條件下模具方案2的模具最大受力最低，接近模具最大受力安全值1 250 MPa，是三種設(shè)計(jì)中模具強(qiáng)度較好的設(shè)計(jì)。而方案1和方案3的模具最大受力較高，遠(yuǎn)超模具最大受力安全值1 250 MPa，模具易損壞。從擠壓出材情況來看，方案1和方案2出材較好，方案3相對較差，具體情況需要進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證。

圖3 Q-Form軟件模擬分析結(jié)果Fig.3 Simulation analysis results of the Q-form software

3.2 模具實(shí)際擠壓出材及壽命驗(yàn)證

采用同樣的模具鋼材和相同的熱處理?xiàng)l件，按照三種方案分別制作模具，其模具現(xiàn)場擠壓出型材的情況如圖4所示。模具壽命對比如表3所示。

圖4 三種方案制作的模具擠壓出料對比圖Fig.4 Comparison of the profiles made with three schemes

表3 擠壓7021鋁合金型材不同方案模具的壽命對比Table 3 Life comparison table of 7021 aluminum alloy profiles extruded by different die schemes

從圖4及表3可以看出，實(shí)際擠壓出材情況與軟件模擬情況基本吻合，方案1和2擠壓出料較平直，方案3的稍差，但經(jīng)過尺寸測量，三者都能滿足圖紙要求。三個(gè)方案最大的區(qū)別在于模具壽命，方案2與方案1和方案3的相比，模具壽命提高5倍以上。

3.3 生產(chǎn)工藝及性能檢測

擠壓錠坯上機(jī)溫度為500 ℃～520 ℃，擠壓系數(shù)為40，擠壓機(jī)出料口溫度為480 ℃～510 ℃，風(fēng)冷淬火，擠壓出料速度為2.5 m/min～3 m/min，頭切掉1.5 m，尾切除0.5 m，型材經(jīng)過3 d自然時(shí)效，再采用105 ℃6 h+145 ℃6 h人工時(shí)效，時(shí)效后力學(xué)性能檢測結(jié)果如表4所示。能夠滿足客戶性能要求。

表4 7021鋁合金型材力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 4 Results of mechanical properties of 7021 Al alloy profiles

4 結(jié) 論

1)生產(chǎn)7×××系超硬鋁合金型材，模具設(shè)計(jì)要減小焊合室深度，取消上模具沉橋，取消擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高模具強(qiáng)度。

2)采用優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)，結(jié)合合適的擠壓工藝，可降低模具在擠壓過程中的受力，提高模具壽命與產(chǎn)能，同型號不同設(shè)計(jì)方案模具壽命差距較大。