李 劍

(廣東興發(fā)鋁業(yè)(江西)有限公司，江西 宜春 336000)

我國(guó)是鋁生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。鋁是一種可回收金屬，自然界儲(chǔ)量豐富。鋁型材具有加工成本和回收成本低等優(yōu)勢(shì)。鋁型材普遍應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏、建筑、汽車(chē)、軌道交通、電子電器、機(jī)械以及其他日常耐用消費(fèi)等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年，我國(guó)鋁材產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)5 000萬(wàn)t。擠壓模具作為鋁型材擠壓的關(guān)鍵工具，對(duì)鋁材加工產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率與成本起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)型材生產(chǎn)企業(yè)受到模具設(shè)計(jì)水平、加工裝備技術(shù)等方面的限制，型材擠出速度一般僅為20 m/min～30 m/min。而國(guó)外型材擠出速度已實(shí)現(xiàn)50 m/min～100 m/min。提高型材擠壓速度，對(duì)提高型材生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。對(duì)模具的設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)等方面持續(xù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)鋁合金型材快速擠壓。

1 模具設(shè)計(jì)優(yōu)化

擠壓速度與坯料溫度之間的關(guān)系如圖1所示。圖中的設(shè)備擠壓力極限曲線表示設(shè)備能力的最大擠壓力曲線，合金極限曲線代表鋁合金開(kāi)始開(kāi)裂的冶金學(xué)極限，兩條曲線之間的陰影部分表示鋁合金擠壓可以選擇的加工工藝參數(shù)范圍，交點(diǎn)處表示最大擠壓速度vmax和對(duì)應(yīng)的最佳出口溫度。因?yàn)槊糠N牌號(hào)的鋁合金都有確定的固相線溫度，當(dāng)出口溫度接近合金的固相線溫度時(shí)，型材表面將開(kāi)始出現(xiàn)粗紋乃至拉裂的缺陷。如果希望不斷提高擠壓速度，只能通過(guò)降低擠壓力與減少擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的溫升來(lái)優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。

圖1 鋁合金擠壓速度與坯料溫度的關(guān)系[1]Fig.1 Extrusion speed and stock temperature of the aluminum alloy

1.1 擴(kuò)大入料面積

根據(jù)分流比K計(jì)算公式

(1)

式中：

F錠—鑄錠面積，mm2；

F分—分流孔面積，mm2；

F焊—焊合室面積，mm2；

F型—型材斷面積，mm2。

分流比K值的大小直接影響擠壓力的大小：分流比越大，越有利于金屬的流動(dòng)焊合，所需要的擠壓力越??；反之分流比越小，則所需要擠壓力越大[3]。而加大分流比，減少擠壓系數(shù)，最有效的途徑就是增加分流孔的總面積ΣF分，降低擠壓入料壓力。

優(yōu)化前的模具設(shè)計(jì)方案如圖2a、b所示。模具分流孔總面積較小，鋁合金通過(guò)分流孔時(shí)擠壓力較大。通過(guò)大幅度擴(kuò)大分流孔入口的總面積，優(yōu)化后的模具見(jiàn)圖2c、d。優(yōu)化后的模具入料分流孔總面積較優(yōu)化前的增大65%。優(yōu)化后的模具擠壓時(shí)產(chǎn)生的擠壓力大幅降低，擠壓速度得到明顯提高(見(jiàn)表1)。

圖2 增大入料總面積實(shí)例Fig.2 Example of increasing total feed area

1.2 減少分流孔數(shù)

分流孔數(shù)量盡可能減少，增大分流孔總面積，使鋁合金流經(jīng)分流孔時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力減少，可降低擠壓時(shí)由摩擦力帶來(lái)的溫升。如圖3所示為“一模雙孔”結(jié)構(gòu)。優(yōu)化前的設(shè)計(jì)方案如圖3a、b所示：7個(gè)

表1 增大入料總面積后模具擠壓速度對(duì)比Table 1 Comparison of die extrusion speed after increasing total feed area

圖3 模具減少分流孔數(shù)量?jī)?yōu)化實(shí)例Fig.3 An example of die optimization for reducing the number of shunt holes

分流孔布局的各個(gè)分流孔能夠?qū)π筒母鱾€(gè)部位均勻供料，擠出平穩(wěn)。由于該方案分流孔數(shù)量多，摩擦總面積大，鋁合金通過(guò)模腔時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量摩擦熱，使出口型材溫度迅速提升。如果進(jìn)一步提高擠壓速度，將因溫度過(guò)高而導(dǎo)致型材拖爛。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的方案見(jiàn)圖3c、d所示。優(yōu)化后分流孔總周長(zhǎng)減少17.9%，使鋁合金與模腔內(nèi)的摩擦表面積大幅度減小，型材擠壓速度明顯提高。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的模具擠壓的型材制品表面光澤度好，無(wú)毛刺，見(jiàn)圖3e、f。優(yōu)化前后的擠壓速度對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化前后的模具擠壓速度對(duì)比Table 2 Comparison of die extrusion speeds before and after optimization

1.3 縮短工作帶

擠壓時(shí)鋁合金通過(guò)模具工作帶表面需要克服的摩擦力是擠壓力的重要組成部分。根據(jù)摩擦力計(jì)算公式，摩擦力大小與工作帶長(zhǎng)度成正比。故設(shè)計(jì)工作帶時(shí)應(yīng)在滿足工作帶本身強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能縮短工作帶長(zhǎng)度，以減少摩擦力。同時(shí)工作帶盡量不要有過(guò)渡或減少過(guò)渡，充分體現(xiàn)工作帶是“定徑帶”的作用，盡量避免設(shè)計(jì)工作中常見(jiàn)的采用工作帶調(diào)整流速的思路。

圖4a、b所示為優(yōu)化前的工作帶方案，根據(jù)型材各個(gè)部位壁厚、到模具中心位置距離，采用不同長(zhǎng)度的工作帶對(duì)型材各部位的流速進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到均衡流出的效果。模具工作帶長(zhǎng)度一般為2 mm～8 mm，最長(zhǎng)可達(dá)20 mm。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后采用圖4c、d所示的“等定徑帶”方案：工作帶全部設(shè)定為等長(zhǎng)，長(zhǎng)度取值根據(jù)型材大小壁厚在2.5 mm～3.5 mm范圍內(nèi)取一個(gè)值，通過(guò)前置的不等長(zhǎng)流速調(diào)節(jié)腔，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工作帶進(jìn)行流速調(diào)節(jié)，極大減少了擠壓摩擦力，大幅提高了型材擠出速度。

圖4 工作帶縮短實(shí)例Fig.4 An example for shortening the worlcing band

1.4 減薄上模厚度

根據(jù)模橋高度彎曲應(yīng)力校核公式以及抗剪應(yīng)力校核公式得知，模具的強(qiáng)度與模具厚度、模橋?qū)挾瘸烧?，模具越厚，模具?qiáng)度越高。但增加模具厚度，會(huì)造成鋁合金流過(guò)模腔的路徑變長(zhǎng)，將導(dǎo)致擠壓力與摩擦溫升急劇升高。通過(guò)合理減薄上模厚度，減薄模橋?qū)挾?，進(jìn)而減少擠壓力。而擠壓力的減少，也為減薄上模厚度留下了空間。模具厚度優(yōu)化前后的擠壓速度見(jiàn)表3。

表3 模具厚度優(yōu)化前后的擠壓速度對(duì)比Table 3 Comparison of extrusion speeds before and after die thickness optimization

1.5 模橋截面優(yōu)化

圖5為理想流體流動(dòng)時(shí)的示意圖。根據(jù)流體力學(xué)理論模型，將鋁合金看作不可壓縮流體。鋁合金通過(guò)模橋時(shí)產(chǎn)生的繞流阻力主要由兩部分組成，第一部分是鋁合金作用于模橋表面的切向應(yīng)力形成的摩擦阻力；第二部分是鋁合金的邊界層分離，在入料處于模橋根部所形成的壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的壓差阻力。

圖5 流體流動(dòng)行為模型圖Fig.5 Fluid flow behavior modeling diagram

圖6為幾種不同形狀的模橋截面。圖6a模橋截面入料處平直，橋底處采用90°夾角設(shè)計(jì)，鑄錠壓入模腔時(shí)的阻力最大。圖6b模橋截面為優(yōu)化后的模橋結(jié)構(gòu)，入料處改為60°夾角入料，出料處采用60°匯合，橋尖采用R3圓角過(guò)渡。由于入料處設(shè)計(jì)有60°夾角，阻力系數(shù)相當(dāng)于圖6a模橋截面的40%。圖6c為再次優(yōu)化后的模橋截面，入料采用R8圓弧角度，橋底處采用R40與R2.5逼近弧線過(guò)渡。阻力系數(shù)約相當(dāng)于圖6a模橋截面的20%。圖6d為完全流線型模橋截面，模橋入料處到出料處不允許有任何直面，要求全部由曲面構(gòu)成，阻力系數(shù)僅約相當(dāng)于圖6a模橋截面的4%。采用完全流線型模橋截面，能夠大幅度減小鑄錠擠入時(shí)對(duì)模腔產(chǎn)生的粘附壓力，并且圓錐形尖尾形狀的模橋能夠保證鋁熔體流過(guò)模橋后，在模橋下方可以較快焊合，避免邊界層分離，也同時(shí)減小了粘壓阻力。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用圖6d模橋截面模橋的模具擠出速度最快。

圖6 不同截面形狀的模橋Fig.6 Form bridges with different cross-section shapes

2 模具制造

2.1 模腔

淬火前與淬火后加工都必須使用高精度加工中心(CNC)，以保證模腔內(nèi)各個(gè)部位的尺寸精度與良好的光潔度，三維建模人員必須對(duì)模腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)有充分清晰的認(rèn)識(shí)，模腔內(nèi)部不得有任何棱角或凸臺(tái)、鼓包。如圖7扁方管類(lèi)模具所示,傳統(tǒng)模具方案(見(jiàn)圖7a)，在寬面模腔流入模孔位置有意留出“凸臺(tái)”，對(duì)模具寬面流速進(jìn)行一定阻礙，來(lái)均衡各部位流速；而高速模具的模腔與工頭連接過(guò)渡區(qū)必須平滑過(guò)渡，見(jiàn)圖7b，模腔各部位盡可能用大的圓弧過(guò)渡，避免出現(xiàn)流動(dòng)停頓的“阻礙”區(qū)。模腔內(nèi)壁必須保證良好的表面粗糙度，有助于在擠壓進(jìn)程中形成穩(wěn)定的層流。

圖7 高速模腔內(nèi)部?jī)?yōu)化前后對(duì)比Fig.7 Comparison of high-speed die cavity before and after optimization

上?？涨粌?nèi)部如有螺絲孔或者加強(qiáng)筋的引流槽，在不影響模具本體剛性條件下應(yīng)盡可能延長(zhǎng)。模具在粗加工完成后，使用旋轉(zhuǎn)銼刀對(duì)模腔內(nèi)部的銑削痕進(jìn)行一次預(yù)打磨，有條件的話在精加工之前對(duì)模具再進(jìn)行一次拋丸處理，盡可能使分流孔內(nèi)部順暢光滑,有助于降低擠壓力，提高擠壓速度[5]。

2.2 ?？?/h3>

線切割(WEDM)主要用來(lái)切割?？住Ｓ捎谀？资悄＞叩暮诵牟课?，根據(jù)分析：?？状怪倍瘸^(guò)-2 ℃以上，將形成阻礙金屬流動(dòng)的“阻礙角”，對(duì)金屬流速產(chǎn)生較大影響。所以保證?？壮叽缇扰c垂直度至關(guān)重要。慢走絲線切割設(shè)備由于采用特殊走絲機(jī)構(gòu)，使用特制的銅絲單向輸送不循環(huán)一次使用進(jìn)行放電，避免了由于快走絲采用鉬絲往復(fù)放電磨損帶來(lái)的切割精度誤差，這是提高模具加工精度、進(jìn)而提高擠壓速度的重要設(shè)備。

2.3 材質(zhì)及熱處理

高速擠壓模具為了最大限度減輕擠壓力，往往采用較薄的上模與模橋結(jié)構(gòu)，因此對(duì)材質(zhì)本身的剛性、抗彎曲強(qiáng)度與抗剪切強(qiáng)度都具有較高的要求。模具鋼材必須選用優(yōu)質(zhì)H13鋼材，鋼材成分必須嚴(yán)格檢測(cè)，重要合金成分比如Cr與Va盡量取上限。鋼材坯料需經(jīng)過(guò)球墨鍛打，不得出現(xiàn)網(wǎng)狀、帶狀碳化物，否則將影響模具強(qiáng)度，造成模具裂橋報(bào)廢。模具淬火應(yīng)盡量采用真空氣淬或油淬工藝，裝爐量要求按80%最大裝爐量控制，確保模具各個(gè)部位在熱處理過(guò)程中的受熱均勻穩(wěn)定。有條件時(shí)可采用深冷淬火處理，淬火后的模具在-110 ℃以下做深冷處理，使得鋼材組織析出微細(xì)碳化物殘留物，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，可提高模具耐磨性、抗回火穩(wěn)定性與尺寸穩(wěn)定性[6]。

3 模具使用及維護(hù)

3.1 模具生產(chǎn)使用工藝

每次模具上機(jī)前，模腔內(nèi)必須完全清理干凈，不得殘留廢堿、廢鋁渣等。模具工作帶的各個(gè)部位尤其是拐角或細(xì)小部位必須仔細(xì)拋光干凈。上機(jī)生產(chǎn)遵循“低溫高速”的生產(chǎn)要求[7]，鑄錠溫度一般在425 ℃～435 ℃，模具溫度選擇450 ℃～460 ℃，出口溫度在500 ℃～515 ℃，能夠有效滿足6063鋁合金在線淬火及經(jīng)過(guò)時(shí)效后的硬度要求。需要特別指出的是，型材擠出速度應(yīng)與鑄錠溫度的選擇相匹配，即擠出速度越高，鑄錠溫度的選擇應(yīng)該越低。模具在模具爐內(nèi)加溫不得超過(guò)10 h，否則將導(dǎo)致模具因紅硬性下降而影響型材成形或降低擠壓速度。

3.2 模具維修方法

原則上應(yīng)該避免采用“阻礙”的維修思路，而盡可能采用“加快”的維修思路。根據(jù)擠壓模具“三位一體”的數(shù)字化發(fā)展要求，即數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化加工以及數(shù)字化修模的整體趨勢(shì)，模具在每次維修前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)前次上機(jī)的試模結(jié)果，重新調(diào)整設(shè)計(jì)方案，再次進(jìn)行數(shù)字化模擬驗(yàn)證后形成修模方案，而不是靠模具維修人員的經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行維修。維修過(guò)程盡量采用數(shù)字化加工設(shè)備，比如加工中心進(jìn)行維修，避免采用堆焊、做阻礙角或用電磨槍打磨等傳統(tǒng)修模方法，避免對(duì)模具造成二次傷害而影響模具正常使用壽命。

4 結(jié)論

1)通過(guò)增大模具入口總面積，減少模具分流孔數(shù)量，縮短模具定徑帶長(zhǎng)度等措施，可以降低擠壓力、減少擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱與剪切熱。對(duì)比優(yōu)化前與優(yōu)化后的模具使用數(shù)據(jù)，證明經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的模具，可以有效提升擠壓速度。

2)要設(shè)計(jì)制造能夠?qū)崿F(xiàn)高速擠壓的模具，必須摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工思路，在模具開(kāi)始設(shè)計(jì)制造之初，就要確立以“高速擠壓”為前提，而不能以“保成形”、“保壽命”等傳統(tǒng)思路去設(shè)計(jì)和制造模具。

3)優(yōu)化后的模具，必須以“低溫高速”為生產(chǎn)指導(dǎo)思想。不斷根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況調(diào)整擠壓工藝參數(shù)，并通過(guò)科學(xué)合理保養(yǎng)氮化模具，才能真正達(dá)到高速擠壓的目的。