蘇麗旭

（重慶三峽學院機械工程學院，重慶 404130）

0 引 言

近年來，隨著節(jié)能減排的政策影響，制造業(yè)整體也開始尋求新的發(fā)展模式，采用環(huán)保材料替代原產材料。而鎂材料金屬有著21 世紀綠色環(huán)保建材的說法。密度小、質量輕、抗震高，在汽油車、航空飛機等需要減重室溫的領域廣泛應用。在電磁屏蔽和導熱方面也表現(xiàn)出了高性能的特點，并逐步在3C 電子器械得到使用。

但鎂合金塑性成形一直是棘手問題，主要原因歸其于自身結構。鎂是六方晶體緊密排列結構，在0～50 ℃下變形會出現(xiàn)一個滑移晶面、三個滑移體系，鎂合金材料很容易出現(xiàn)裂紋，導致材料損壞。當合金溫度處于250 ℃左右時，晶體的其他滑移面才慢慢發(fā)揮作用，變形的性能才有明顯的效果。目前世界各國都在加大鎂合金成形研究力度，在加熱條件下鎂合金的塑性也明顯改善[1]。

1 成形工藝

鎂合金根據其產品鑄造工藝和成形的差別，有鑄造、變形兩種。鑄造鎂合金是液態(tài)成形出各種壓鑄件。可分為壓力和普通鑄造。而鎂合金最基本、最常用的成形方式就是壓鑄。壓鑄成品在眾多鎂制產品中占有很高的比例，多用于3C 電子、車體等結構零件，并且鎂合金液黏度低，沖蝕小，凝固時間短，液流性高，易填滿復雜型腔。但是一般壓鑄出來的鑄件材料性能不高，所以在產品結構精度上有明顯缺點。壓鑄工序采用壓鑄機，有利于合金進入模腔前維持其溫度，獲得質量優(yōu)良的壓鑄件。

而變形鎂合金一般通過在300～500 ℃處理加工的方式固態(tài)成形。用來生產尺寸多樣的結構件、板管擠壓件、棒鍛造件。擠壓、鍛壓、軋制成形又稱為塑性成形。相比壓鑄，擠壓加工后的產品，組織上沒有了缺陷，晶粒也經過了細化。擠壓件因此在強度、材料性能以及延伸性都有很大的提升，降低了制造的成本，是管、棒、板材成形普遍應用的方法[2]。

2 擠壓成形

擠壓成形是變形鎂合金塑性成形方式的一種。靠壓力機和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件的成形加工方法。其關鍵在于采用復合模具中不同型號凹凸模，通過壓力來鑄造加工。擠壓工藝主要用于金屬的成形，對于塑料、橡膠、黏土坯料一類的非金屬也可以成形，并且具有以下優(yōu)點：

（1）節(jié)約原材料，生產效率高

一些產品零件通過擠壓不需要再次切削加工。在原材料使用上節(jié)材降本。同時，擠壓一般是通過臥式擠壓機床來生產產品。相比切削加工，制造工序簡單，可以成批次的生產，產品生產效率高。

（2）提高零件的力學性能

擠壓生產鑄造時，合金胚料體受3 個方向擠壓力，結構組織更密且單方向走勢。獲得的工件材料性能強度和剛度有了明顯的增強。

（3）可加工形狀復雜的零件

制造超長管棒、深孔、薄壁、斷面產品零部件可一次性成品，產品加工十分方便，批量制造，壞件少。相比其他方式使用材料浪費少，利用率高，可降低成本[3]。

（4）產品的精度得到提升

由于鎂合金液黏度低，流動性好。通過光滑的模具擠壓，產品的表面粗糙度可達1 μm。質量高，強度也有提升。

3 合金擠壓類型

按各類金屬材質不同，鎂合金坯料的塑性運動方位分成正向擠壓、反向擠壓、兩者結合擠壓。流動方向與加壓方位一致為正擠壓, 適合于對不同形狀的管型材件、實心形件；而流動方向與加壓方位對立為反擠壓，適合于對不同直徑尺寸、樣式的杯形件。

按合金毛坯材料的工作溫度，有熱擠壓、冷擠壓和恒溫3 種。鎂合金毛坯材料在達到再結晶高溫時是熱擠壓;在常溫下時是冷擠壓;在高于常溫且不高于再結晶度數(shù)下是恒溫[4]。

合金管型材的加工工藝常使用熱擠壓方式，使鎂合金管毛坯料在高溫、高壓的條件下, 通過用沖頭、凸模具對放置于凹型內的毛坯材料施壓，使其能夠形成熱塑性流動從而獲得管型材，而成形產品性能大部分取決于以下幾方面：

（1）合金的凝固溫度

材料在常溫下的變形能力很差，不但變形過程比較困難，還易造成缺陷變形的現(xiàn)象發(fā)生，但是在不同的溫度影響下，鎂材料的非基面材料滑動體系將被活化。工件變形的能力獲得了極大的提高，材料拉伸特性明顯逐漸變好。但操作過程中必須要小心控制氣溫的變動，如果氣溫上升，鎂材的抗拉強度隨著高溫逐步上升，將使得板材的凹型入口處受力強度逐步上升，不但會形成氧化和侵蝕效應，還會使得工件材料的塑形變形難度變大，鑄造工藝生產出現(xiàn)相應的困難。

（2）變形速率

鎂材料在熱態(tài)條件下將具有非常好的塑形，而且還可以形成各種規(guī)格、復雜的零件。在擠壓變形時，要注意調節(jié)其擠壓速度。如果變形的速度過快，將會造成材料流動應力變大。在這種情況下就會造成工件破裂。

（3）材料選擇

模具的材料跟擠壓產品工件好壞有著直接的關系。材料要滿足其性能方面的要求，工作時，鑄造模具要受熱穩(wěn)定均勻。強度、剛度要高，要有一定的耐磨性。選材方面，模具鋼是最常見的材質之一，碳的含量處于適宜的范圍，有利于提高鎂合金工件品質[5]。

4 擠壓復合模具

擠壓鑄模分為平模、半空心模、空心分流模（圖1）。平模是制造實心型料的最普遍的一類，它構造簡易，成型所要求的壓力較高。半空心模有2 個分流孔，有著遮擋、阻礙沖擊的能力，減小了擠壓力達到保護模具作用。分流組合模原是橋式模具的一種，是機械制造業(yè)用得最多的。特別是生產建筑型管材以及其他復雜型材。成品的焊縫數(shù)和金屬流的總股數(shù)相等。所以分流模只適于大部分高焊合特性較好的金屬材料，如鋁、鋅、鎂合金。

圖1 模具分類

鎂合金管型材生產常用的是分流結合式復合模具，主要構成有分流孔、工作帶、焊合室、模芯等。鎂合金擠壓工藝流程：胚錠受到擠壓力，通過上模具分成幾股合金液進入下模，經過高溫壓強、真空的條件將金屬材料進行焊合。并從?？椎目障吨信懦觯俳涍^模芯和工作帶，最后擠壓形成所需外形和規(guī)格的空心制品。本文根據ZC 系鎂合金設計一款管材分流模具，管材壁厚3 mm，橫截面尺寸長50 mm，寬30 mm。模具材料選用熱模具鋼，主要是便于后續(xù)的冶煉、機械加工、再鑄造，根據模具的規(guī)格要求進行設計。

4.1 工藝設計

擠壓模具中單工序模生產是指模具只有一對上下模，先沖孔再落料。結構簡單，維修方便，模具成本低。缺點在于操作繁瑣，需要手動清理廢料，人工成本高，產品精度低，不合格品比率高，安全程度低，需要增加安全防護，不能自動化作業(yè)。而復合模生產，只有一個工位，但一次行程完成沖孔加落料兩個工序。工件的表面平滑，同軸度較好，精度較高，生產效率高，廢料也可以再次生產，能夠大批量生產[6]。

復合膜中的凹凸模在模具中采用的是倒裝式，凹凸模裝在下模，這時擠壓的廢料可從壓力機的工作臺孔中漏下，模具周圍清潔，生產率高。使用彈性推件裝置時，也能保證和正裝式相同的平整度。因為是大批量生產，所以生產效率很重要，而且模具工作位置清潔也減少了潛在危險。

4.2 方管模具設計要求

由于分流模的構造復雜性，擠壓工藝流程中，會受各種因素影響。比如合金液的流淌走向、受力復雜性、多樣變形嚴重。鑄模的模芯與模孔之間受力不均，也會引起彈性變化，使加工出的型材長度出現(xiàn)誤差。因此為了提高質量，延長鑄模的使用壽命，模具鑄造設計注意以下幾點：

(1)擠壓模具鑄造設計對結構加以重視。整體要有適當?shù)挠捕群蛣傂浴６壹词乖诶錈峤蛔儜Φ那樾蜗?，鑄模過程工序也能保持正常進行。同時鑄型具構造也應合理，如使用組合式鑄模具。

(2)選擇采用適當?shù)蔫T模材質。達到保證模具良好的使用時間與品質。運作部分的韌性和耐磨性能要足夠高，幾何造型和參數(shù)一定要合理精確，與標準模具鑄造設計產品要求性能相符合，根據減小單位尺寸的擠壓力而變化。盡可能選擇向平滑圓角過渡，以防止應力的聚集[7]。

(3)注重模型的易損部分。通用度與交換性一致，并易于更新、維修。毛坯材料的輸送過程應簡單流暢，因毛坯尺寸小的也易于裝入，并且模具制作工序簡單，造價較低，應用期限長。

4.3 設計方案

本文采用Solidworks 進行建模，方便后續(xù)通過Workbench 的模塊計算分析參數(shù)，結構拓撲優(yōu)化。此分流模具的結構設計如圖2 所示。

為便于材料上模的鑄造填充時間與成型，在上模部分的中間設計了管材同等尺寸的型芯，以確保合金管材內式規(guī)格、外形的成形。并設有成形槽，下模為結構簡單的矩形孔，對材料液體起導流與成形的作用，可連續(xù)生產。為提高管材內部對合金液體的供給量，在分流模的模芯部位添加了導流孔，寬約2 mm，高約4 mm，并減小了該處的受力，以便于合金液流出。

合金管的外形尺寸、大小型都是由模孔所構成的。在模孔、模芯等部位，均設有了專用的工作帶。合金液從下模孔中流出時未受到阻力，管材內外表面也沒有損傷。由于鑄模型體構造設計沒有考慮凸紋，因此模芯和下模的矩形孔互相配合，將焊合的液固體受力全部傳遞到了上模的橋和模芯上，這樣就增強了鑄模具的剛度。

4.4 模具加工過程

此復合模具的加工采用中心澆口擠壓、一模兩件、自下而上的加壓方式。首先，通過噴刷涂料，使預熱的鎂鑄錠在高壓條件下，通過上部分的分流孔完成分向流動，分離出的液流在下部分的焊合室里聚合。臥式機床的活塞按照標準的速率運動，鎂材料高溫液流通過澆鑄路徑擠進模腔，完成模孔與模芯間的空隙工藝，推送出合金工件，從而得到中空管材[8]。

此次設計中，亮點在于分流孔和焊合室，保證了合金液體順暢分散后再次復合。此工序中合金液的流動大致經歷正受力擠壓、焊合、模芯結構擠出等過程。初始階段，分流孔可以把合金液分成斷流。中間由焊合室匯聚焊合完成此階段，由坯料模具的結構形成了三向擠壓應力，因此即便是由塑性較低的坯料模具組成也能夠被擠出成型。

5 結 語

現(xiàn)如今采用鎂合金來替代不可再生能源大勢所趨，新材料產品在市場上會受到極大關注。而鑄模產品的加工工藝質量尤為重要，推動擠壓鑄造件產品向著高效、優(yōu)質、精化、節(jié)能節(jié)材等領域多樣化發(fā)展。因此，擠壓鑄造成形工藝的發(fā)展將成為一個必然趨勢。專業(yè)化批量組合生產是鑄造成型的主要領域，必將推動鎂合金精化生產工藝的推廣與應用。

圖2 分流模具三維模型