1060 鋁熱擠壓成形系統設計

文/張鴻·甘肅酒鋼集團西部重工股份有限公司

某產品基礎尺寸為小于10mm的棒料或板料，現階段成形方式以鑄造為主。在冷卻凝固過程中體積的收縮會使鑄件內部產生裂紋或尺寸變形等物理損傷。同時鑄造成形工藝還存在生產效率低，脫模困難等缺點。為提升產品生產效率及質量收率，本課題提出了運用熱擠壓成形工藝生產該產品。

成形工藝分析

1060 鋁因其雜質元素少，具有良好的導熱性能，固態導熱率為237W/(m·K)，可在試驗過程中將模具加熱到一定溫度，再通過熱傳導的方式間接加熱物料，從而使物料達到熱擠壓工藝要求的溫度，擠壓成形工藝模具結構如圖1 所示。

圖1 模具結構

由于生產空間條件限制，擬采用反擠壓的技術工藝。開始擠壓的第一階段，凸模首先作用于金屬，使其橫向充滿凹模模腔，在凸模的中間有少量的金屬向上流動，這一過程壓力數值呈直線上升；第二階段凸模繼續下壓，迫使金屬在沿凸模中心向上流動，壓力數值增加幅度不大，這一階段的末期，是整個反擠壓過程中壓力數值最大的時刻；第三階段是熱擠壓力變為零，在退件過程轉為拉力，直到退件結束；第四階段，加工完成后壓余由下部頂桿推出，完成整個擠壓流程。

凸模與凹模的配合間隙對擠壓成形質量起著重要作用，間隙過大，金屬會沿縫隙擠出(圖2)，且不利于模具的導向；間隙過小容易損傷配合面，同時還要考慮凸模擠壓物料后彈性膨脹影響，一般凸模與凹模之間的配合間隙取H7/h6 或H6/h5。模具工作面粗糙度通常不高于Ra0.2μm，采用淬火+回火的熱處理工藝，表面硬度達到61 ～63 HRC。

圖2 模具配合間隙過大造成的金屬流出

擠壓結束后需要按照規定尺寸進行剪切，剪切機構主要由夾持機構和刀具組成，如圖3 所示，夾持機構先對物料進行夾緊，防止剪切后物料掉落，再由刀具對物料進行剪切。物料的剪切可以分為刀具彈性壓入階段、刀具塑性壓入階段、物料塑性滑移階段、內部裂紋萌生和擴展階段、裂紋失穩擴展及斷裂階段。產品的斷面形狀與配刀間隙密切相關，同時合理的配刀間隙有利于提高刀具使用壽命。

圖3 剪切機構

合理的配刀間隙切出的產品狀態(圖4)為剪切面與無光撕裂面之間邊界平直，剪切面和無光撕裂面的外邊界線平直且與材料表面平齊。

配刀間隙過小，切出的產品狀態(圖5)為剪切面與無光撕裂面之間邊界彎曲，剪切面與無光撕裂面的外邊界線與材料表面平齊，此時對刀具的損傷較大。

配刀間隙過大，切出的產品狀態(圖6)為剪切面與無光撕裂平面之間邊界彎曲，剪切面和無光撕裂面外邊界線彎曲且無光撕裂面邊界有毛刺出現。

選擇合適的配刀間隙不但產品成形質量好，而且對刀具的損傷也較小。通常對于尺寸大于10mm 的產品，選擇產品尺寸的13%～14%作為推薦配刀間隙，即1.3 ～1.4mm。

實現擠壓成形的基本條件

影響擠壓力的因素主要有變形程度、熱擠壓模的幾何形狀、變形速度、擠壓溫度、被擠壓金屬的化學成分等。在被擠壓金屬成分確定的條件下，要想判斷是否能夠實現擠壓成形，需要對變形程度進行計算。

擠壓成形加工中通常采用計算斷面縮減率來評判產品的變形程度。

圖4 配刀間隙適宜的剪切邊

圖5 配刀間隙過小的剪切邊

圖6 配刀間隙過大的剪切邊

式中：

F0—變形前毛坯的橫截面積(mm2)；

F1—變形后擠壓件的橫截面積(mm2)；

由圖7 數據可以求得工件的斷面縮減率為

1060 鋁的許用變形程度在反擠壓的條件下可達到90%～99%，所以本產品97.2%的斷面縮減率可以滿足擠壓要求。

圖7 擠壓件的尺寸

系統設計

處于空氣中的金屬在加熱狀態下氧化速度急劇增大。為減少物料損失，可在加工過程中采用惰性氣體保護的方式加熱，因此需在系統中增加密封罩結構，密封罩上端與下壓機構接觸，加熱、擠壓、剪切均在密封罩內完成。擠壓結束后壓余由頂出機構從模具中頂出。根據上述工藝要求，對系統結構進行設計，整體構成如圖 8 所示。

工藝驗證研究

為了檢驗工藝及系統設計的合理性，開展了1060 鋁的熱擠壓驗證試驗。惰性氣體保護狀態下對模具在700℃下加熱30min，溫控儀表顯示物料已達到預定擠壓溫度，對物料緩慢加壓，當壓力達到一定程度時，物料從凸?？字芯鶆驍D出，物料進入剪切機構一定距離后進行夾持剪切。熱擠壓工藝試驗過程及擠壓后物料的形狀如圖9 所示，由圖可知，熱擠壓加工后物料無明顯缺陷，未發現金屬局部流動性差及工件表面出現裂紋等問題。

圖8 設備整體結構

圖9 熱擠壓成形過程及產品

結束語

針對某產品鑄造過程中產生的問題提出了熱反擠壓的成形工藝。根據1060 鋁的物理性質，通過計算及參考相關標準，凸模與凹模配合間隙可取H7/h6或H6/h5，剪切配刀間隙約為1.3 ～1.4mm，斷面縮減率符合反擠壓的許用變形程度。根據工藝要求，對系統結構進行了整體設計，并進行了生產技術驗證，擠壓出的產品滿足相關技術要求。