改善鋁合金板材粗晶環的擠壓模具結構

楊喜旺，王 彬，崔偉超

（山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城 273500）

粗晶環是擠壓制品的一種組織缺陷，指的是擠壓制品截面周邊的晶粒特別粗大，形成環狀或月牙狀組織。它會引起制品力學性能降低，冷變形時易出現裂紋，表面粗糙[1]。近年來發展起來的電子產品，外殼經鋁合金板材加工而成，如果板材粗晶環太厚經加工后不能去除，陽極氧化后制品表面會形成花斑，影響美觀。因此，控制板材粗晶環厚度具有重要的現實意義。

業內解決粗晶環問題時，主要通過控制鑄錠加熱方式和保溫時間[2]、調整擠壓工藝[3，4]、改造淬火冷卻設備[4]等手段。本文提出了一種通過改進模具的工作帶，采用斜工作帶+直工作帶的新型結構，來降低板材粗晶環厚度的新型模具。上機實驗發現，新型模具確實能夠降低板材粗晶環厚度。借助有限元軟件對鋁合金板材擠壓過程進行模擬，得到了相應的速度場、溫度場、應變分布以及應變速率分布，揭示了本文所提出的新型模具結構能夠減小板材粗晶環厚度的原因。

1 模具設計與擠壓實驗

1.1 擠壓模具設計

針對截面尺寸寬度× 厚度為100 mm × 8mm的鋁合金板材，本文設計、加工了兩種擠壓模具。模具三維結構如圖1所示。圖1(a)為采用直工作帶的傳統模具，圖1(b)為本文提出的采用斜工作帶+直工作帶的新型模具。兩種模具除工作帶斜度部分之外，其余結構均相同。

圖1 模具三維圖

1.2 擠壓實驗與組織檢測

擠壓實驗在25 MN擠壓生產線上進行。擠壓參數設置如表1所示。

兩次擠壓實驗結束后，從擠壓板材相同長度位置上切取試樣，并對其橫截面進行金相組織檢測。用于金相檢測的試樣首先采用砂紙進行預磨，然后在拋光機將試樣拋光至鏡面，最后采用氫氟酸、鹽酸、硝酸混合溶液進行腐蝕，經沖洗吹干后在金相顯微鏡下觀察晶粒大小及其分布情況。

表1 擠壓工藝參數表

1.3 實驗結果分析

圖2 表示采用傳統模具和文本所提出的新型模具擠壓所得鋁合金板材的金相組織。圖2(a)中的粗晶區厚度約為圖2(b)中粗晶區厚度的2倍。由此可見，本文所提出的新型擠壓模具可顯著減小粗晶環厚度。

在鋁合金擠壓過程中，粗晶環的形成主要與再結晶和晶粒長大有關。在成形過程中，由于擠出型材表面與擠壓模具表面之間存在強烈的摩擦作用，導致型材表面溫度較大，剪切變形程度較大，促進晶粒的異常長大，從而產生粗晶環。因此，在設計擠壓模具時，應盡量減小型材表面強烈的摩擦作用，減小型材表面和內部金屬塑性變形量、溫度以及應變速率的差異，從而減小晶粒長大速度的差異，得到尺寸較為均勻的晶粒組織。

圖2 不同擠壓模具擠壓所得鋁合金板材中的粗晶區

2 數值模擬

2.1 數值模型的建立

為揭示新型模具擠壓板材粗晶環厚度減小的原因，本文采用Deform-3D軟件模擬擠壓過程。圖3表示數值模型三維網格，包括擠壓模具、擠壓筒、坯料以及擠壓墊4個部分。數值模型中的擠壓參數按照表1進行設置，摩擦類型均采用剪切摩擦模型，坯料與模具之間的摩擦因子設置為0.4，其它地方的摩擦因子設置為0.9。

圖3 數值模型三維網格

2.2 數值模型結果分析

圖4 不同擠壓模具擠壓過程中材料的流動速度分布

通過模擬運算可知，傳統模具工作帶出口處金屬流速最大為183mm/s，最小為77.5mm/s，新型模具工作帶出口處金屬流速最大為164mm/s，最小為145mm/s。從圖4也可以看出，新型模具的金屬流速更為均勻。

圖5 不同擠壓模具擠壓過程中材料的溫度分布

通過模擬運算可知，傳統模具工作帶出口處材料溫度最高為510℃，最小為470℃，新型模具工作帶出口處材料溫度最高為517℃，最小為495℃。從圖5也可以看出，新型模具出口處的材料溫度分布差異更小。

圖6 不同擠壓模具擠壓過程中材料的等效應變分布

通過模擬運算可知，傳統模具工作帶出口處材料的等效應變最大為1.77，最小為0.375，新型模具工作帶出口處材料的等效應變最大為1.75，最小為0.40。從圖6也可以看出，新型模具出口處的材料等效應變分布更均勻。

圖7 不同擠壓模具擠壓過程中材料的等效應變速率分布

通過模擬運算可知，傳統模具工作帶出口處材料的等效應變速率最大為9.85 s-1，最小為0.229 s-1，新型模具工作帶出口處材料的等效應變速率最大為3.25 s-1，最小為0.20 s-1。從圖7也可以看出，新型模具出口處的材料等效應變速率差異更小。

綜合以上數值模擬結果可以看出，與傳統模具結構相比，采用新型擠壓模具進行擠壓時，型材橫截面上的溫度、等效應變以及等效應變速率分布更為均勻，這有利于金屬獲得較為一致的再結晶程度和長大程度，因此，采用新型擠壓模具擠壓所得板材的微觀組織更為均勻，粗晶環厚度更小。

3 結論

本文針對傳統擠壓模具生產的制品容易產生粗晶環過厚的問題，提出了一種采用帶斜度工作帶的新型擠壓模具。與傳統擠壓模具相比，新型擠壓模具改進的工作帶結構可以使得型材橫截面上的溫度、等效應變以及等效應變速率分布更為均勻，從而使得擠出板材的微觀組織更為均勻，粗晶環厚度更小。