王 強(qiáng)，侯 威，馮小東，張 旭，馬源翔

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

6005A鋁合金是Al-Mg-Si系變形鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能、較好的焊接性能以及良好的熱擠壓性能[1]。6005A鋁合金通常應(yīng)用于高速鐵路車輛、地鐵的車體制造。該材料可大大減輕車輛的重量，提高車輛的運(yùn)行速度。

在實(shí)際生產(chǎn)中，該地鐵型材需要切頭10 m、切尾4 m，這不僅會(huì)降低產(chǎn)品的成品率，還會(huì)增加工時(shí)和能耗，使生產(chǎn)成本增加。為了更好地減小縮尾，有必要從模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行研究[2]。對(duì)同一地鐵型材的多套模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行擠壓對(duì)比試驗(yàn)，以便研究模具結(jié)構(gòu)和縮尾的關(guān)系，確定出最合適的模具設(shè)計(jì)；同時(shí)從工藝角度出發(fā)，通過(guò)調(diào)整擠壓速度，找到減小縮尾廢品和提高生產(chǎn)效率最合適的擠壓工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用合金為6005A，鑄錠規(guī)格為φ446 mm×1 000 mm，采用半連續(xù)鑄造方法進(jìn)行生產(chǎn)。鑄造過(guò)程中采用泡沫陶瓷過(guò)濾，細(xì)化晶粒，經(jīng)均勻化處理后消除偏析，使成分更加均勻[3]。鑄錠在加熱爐中均勻加熱到480～500℃，模具溫度加熱到480～500℃，擠壓筒溫度加熱到440～450℃后，使用75 MN油壓雙動(dòng)臥式擠壓機(jī)進(jìn)行正向無(wú)潤(rùn)滑擠壓[4]。擠壓比λ=56.8，淬火方式選擇風(fēng)冷，擠壓壓余為80 mm，擠出長(zhǎng)度為53 400 mm，擠壓型材截面如圖1所示。

圖1 型材截面圖

1.2 試驗(yàn)方法

采用了多套不同的模具設(shè)計(jì)方案[5]，模具分別命名為A、B、C、D、E、F。每種模具結(jié)構(gòu)各擠壓兩根鑄錠（制品出料速度為3 m/min），然后取第二根鑄錠的產(chǎn)品由尾端至前段切取低倍試片，記錄不同模具結(jié)構(gòu)下出現(xiàn)縮尾的長(zhǎng)度并進(jìn)行研究。在確定了最佳擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，通過(guò)調(diào)整制品出料速度來(lái)分析擠壓速度對(duì)縮尾的影響，分別設(shè)定制品擠壓速度為1 m/min、2 m/min、3 m/min。

圖2 模具剖視圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)1～6所采用的模具結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)比及縮尾長(zhǎng)度的對(duì)比如表1所示。擠壓速度對(duì)比及縮尾長(zhǎng)度的對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 不同模具結(jié)構(gòu)對(duì)縮尾的影響

表2 不同擠壓工藝對(duì)縮尾的影響

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 上下模厚度的變化對(duì)縮尾的影響

在試驗(yàn)之前通過(guò)建模測(cè)量分別得出A、B模具存鋁量，如圖3和圖4所示。計(jì)算出h1、h2。h1、h2為理論存鋁量擠壓出的型材長(zhǎng)度，V為存鋁量體積，V1=24091297.8128 mm3；V2=30832135.7805 mm3，型材斷面面積為S=2923.7 mm2。

圖3 A模具流體體積

圖4 B模具流體體積

表1 中試驗(yàn)1和試驗(yàn)2模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的頭端、尾端縮尾對(duì)比結(jié)果表明，在同一擠壓工藝條件下（制品出料速度為3 mm），上模加下模為200 mm+170 mm的組合時(shí)擠壓頭端、尾端縮尾最短，為8 000 mm+2 000 mm；上模加下模為210 mm+160 mm的組合時(shí)擠壓頭端、尾端縮尾最長(zhǎng)，達(dá)到10 000 mm+4 000 mm，與理論存鋁量出料長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)。說(shuō)明了上下模厚度設(shè)計(jì)是控制擠壓縮尾的關(guān)鍵因素之一。擠壓過(guò)程中，當(dāng)擠壓第二棒時(shí)，上一根棒擠壓后期留在模具里的鋁也會(huì)隨著第二棒的推進(jìn)而擠出，這一部分留在模具的鋁就會(huì)造成縮尾的產(chǎn)生。上模厚度的減小相當(dāng)于減少了上一棒擠壓時(shí)剩余在模具里的鋁，就會(huì)明顯減輕縮尾[6]。所以為了減少縮尾，上模在保證模具強(qiáng)度的前提下越薄越好。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算此模具的上模厚200 mm時(shí)為最薄，因此該套模具最適合的模具厚度組合為200 mm+170 mm。

2.2.2 焊合室深度對(duì)縮尾的影響

表1 中的試驗(yàn)1和試驗(yàn)3模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)頭端、尾端縮尾對(duì)比結(jié)果表明，在同一擠壓工藝條件下，焊合室深度為40 mm時(shí)擠壓頭端、尾端縮尾最短，為8 000 mm+2 000 mm，焊合室深度為50 mm時(shí)擠壓擠壓頭端、尾端縮尾最長(zhǎng)，為9 100 mm+2650 mm，說(shuō)明了焊合室深度設(shè)計(jì)決定了擠壓縮尾的長(zhǎng)度。因?yàn)楹负鲜壹由?，模具存鋁量也增加，因此為了減少縮尾，模具焊合室設(shè)計(jì)要淺一些。焊合室的高度對(duì)擠壓有重要的影響，深度過(guò)小，摩擦力與靜水壓力不足，導(dǎo)致焊合壓力不足，焊縫質(zhì)量不高[7]，因此該套模具最適合的焊合室深度為40 mm。

2.2.3 上模焊合室與焊合室斜面對(duì)縮尾的影響

在上模設(shè)計(jì)10 mm焊合室來(lái)增加邊部的供料；在下模設(shè)計(jì)焊合室30°自然流動(dòng)角斜面來(lái)減少死區(qū)，如圖5和圖6所示[8]。

圖5 上模焊合室示意圖

圖6 下模焊合室斜面示意圖

表1 中試驗(yàn)1和試驗(yàn)4、試驗(yàn)1與試驗(yàn)5模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的頭端、尾端縮尾對(duì)比結(jié)果表明，在同一擠壓工藝條件下，有上模焊合室的模具擠壓頭端、尾端縮尾為8 000 mm+2 000 mm，沒(méi)有上模焊合室的模具擠壓頭端、尾端縮尾為8 100 mm+2 150 mm；沒(méi)有焊合室斜面的模具擠壓頭端、尾端縮尾為8 150 mm+2 100 mm。因?yàn)樯夏：负鲜业拇嬖谠黾恿诉叢亢负鲜业捏w積，增加了邊部的供料，使邊部的鋁更順暢地流向?？祝幌履?0°自然流動(dòng)角斜面的存在使焊合室死區(qū)減小，增加了鋁流入?？字械内厔?shì)，因此邊部與金屬流動(dòng)差的位置不易產(chǎn)生縮尾[9]。

2.2.4 入料口階梯式沉橋設(shè)計(jì)對(duì)縮尾的影響

表1 中試驗(yàn)1和試驗(yàn)6模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的頭、尾端縮尾對(duì)比結(jié)果表明，在同一擠壓工藝條件下，有入料口階梯式沉橋設(shè)計(jì)的模具擠壓頭端、尾端縮尾為8 000 mm+2 000 mm，沒(méi)有入料口階梯式沉橋設(shè)計(jì)的模具擠壓頭端、尾端縮尾為9 500 mm+3 000 mm，這說(shuō)明入料口階梯式沉橋設(shè)計(jì)決定了擠壓縮尾的長(zhǎng)度。這是因?yàn)閿D壓時(shí)中心供料比兩側(cè)供料充足，特別是這種寬厚比比較大的地鐵型材，在擠壓后期兩側(cè)供料不充分易造成縮尾。將模具入料口設(shè)計(jì)成中間沉的少、兩側(cè)沉的多的階梯式沉橋模式，可以增加金屬向兩側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，使中心和兩側(cè)供料平衡，從而減少縮尾的產(chǎn)生[10]。

2.2.5 擠壓速度對(duì)縮尾的影響

表2 中試驗(yàn)7、試驗(yàn)8和試驗(yàn)9在不同擠壓速度下頭端、尾端縮尾對(duì)比結(jié)果表明，在同一套模具下，制品出料速度為1 m/min、2 m/min、3 m/min所對(duì)應(yīng)的擠壓頭端、尾端縮尾分別為7 000 mm+1 300 mm、7 200 mm+1 800 mm、8 000 mm+2 000 mm，這表明速度越低縮尾越少。但是在實(shí)際擠壓過(guò)程中，考慮到生產(chǎn)效率并結(jié)合縮尾試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終確定制品速度為2 m/mim時(shí)擠壓工藝為最佳。

3 結(jié)論

（1）合理的模具厚度組合設(shè)計(jì)可以減少上一根棒擠壓后期殘留在模具中的金屬。為了減少縮尾的產(chǎn)生，在保證模具強(qiáng)度前提下，上模越薄越好。對(duì)于該地鐵型材采用上模為200 mm、下模為170 mm的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能最好地防止縮尾的發(fā)生。

（2）焊合室深度對(duì)縮尾有重要的影響。在保證型材力學(xué)性能的前提下，焊合室深度越淺越好。對(duì)于該地鐵型材，焊合室深度為40 mm時(shí)，防止縮尾發(fā)生的效果最好。

（3）上模焊合室及下模焊合室斜面對(duì)寬厚比大的型材邊部縮尾有一定影響。在上模添加焊合室可以加大邊部的供料空間，焊合室斜面設(shè)計(jì)可以減少死區(qū)的產(chǎn)生，這樣的設(shè)計(jì)可以減少邊部及金屬流動(dòng)差的地方產(chǎn)生縮尾。

（4）入料口階梯式沉橋設(shè)計(jì)對(duì)縮尾有重要的影響，中間沉的少、兩側(cè)沉的多形成階梯式沉橋設(shè)計(jì)可以增加金屬向兩側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，使中心和兩側(cè)供料平衡，從而減少縮尾的產(chǎn)生。

（5）擠壓速度變慢可以有效減少縮尾的發(fā)生。在保證生產(chǎn)效率的前提下，制品出料速度越慢越好。