減少6005A地鐵鋁合金擠壓型材縮尾缺陷的模具結構優化

王 強，侯 威，馮小東，張 旭，馬源翔

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

6005A鋁合金是Al-Mg-Si系變形鋁合金，具有中等強度、良好的力學性能和抗腐蝕性能、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，提高車輛的運行速度。

在實際生產中，該地鐵型材需要切頭10 m、切尾4 m，這不僅會降低產品的成品率，還會增加工時和能耗，使生產成本增加。為了更好地減小縮尾，有必要從模具設計結構的角度進行研究[2]。對同一地鐵型材的多套模具結構設計進行擠壓對比試驗，以便研究模具結構和縮尾的關系，確定出最合適的模具設計；同時從工藝角度出發，通過調整擠壓速度，找到減小縮尾廢品和提高生產效率最合適的擠壓工藝。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用合金為6005A，鑄錠規格為φ446 mm×1 000 mm，采用半連續鑄造方法進行生產。鑄造過程中采用泡沫陶瓷過濾，細化晶粒，經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油壓雙動臥式擠壓機進行正向無潤滑擠壓[4]。擠壓比λ=56.8，淬火方式選擇風冷，擠壓壓余為80 mm，擠出長度為53 400 mm，擠壓型材截面如圖1所示。

圖1 型材截面圖

1.2 試驗方法

采用了多套不同的模具設計方案[5]，模具分別命名為A、B、C、D、E、F。每種模具結構各擠壓兩根鑄錠（制品出料速度為3 m/min），然后取第二根鑄錠的產品由尾端至前段切取低倍試片，記錄不同模具結構下出現縮尾的長度并進行研究。在確定了最佳擠壓模具結構設計方案后，通過調整制品出料速度來分析擠壓速度對縮尾的影響，分別設定制品擠壓速度為1 m/min、2 m/min、3 m/min。

圖2 模具剖視圖

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

試驗1～6所采用的模具結構細節對比及縮尾長度的對比如表1所示。擠壓速度對比及縮尾長度的對比見表2。

表1 不同模具結構對縮尾的影響

表2 不同擠壓工藝對縮尾的影響

2.2 試驗分析

2.2.1 上下模厚度的變化對縮尾的影響

在試驗之前通過建模測量分別得出A、B模具存鋁量，如圖3和圖4所示。計算出h1、h2。h1、h2為理論存鋁量擠壓出的型材長度，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1和試驗2模具設計結構的頭端、尾端縮尾對比結果表明，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的組合時擠壓頭端、尾端縮尾最長，達到10 000 mm+4 000 mm，與理論存鋁量出料長度相對應。說明了上下模厚度設計是控制擠壓縮尾的關鍵因素之一。擠壓過程中，當擠壓第二棒時，上一根棒擠壓后期留在模具里的鋁也會隨著第二棒的推進而擠出，這一部分留在模具的鋁就會造成縮尾的產生。上模厚度的減小相當于減少了上一棒擠壓時剩余在模具里的鋁，就會明顯減輕縮尾[6]。所以為了減少縮尾，上模在保證模具強度的前提下越薄越好。根據經驗計算此模具的上模厚200 mm時為最薄，因此該套模具最適合的模具厚度組合為200 mm+170 mm。

2.2.2 焊合室深度對縮尾的影響

表1 中的試驗1和試驗3模具設計結構頭端、尾端縮尾對比結果表明，在同一擠壓工藝條件下，焊合室深度為40 mm時擠壓頭端、尾端縮尾最短，為8 000 mm+2 000 mm，焊合室深度為50 mm時擠壓擠壓頭端、尾端縮尾最長，為9 100 mm+2650 mm，說明了焊合室深度設計決定了擠壓縮尾的長度。因為焊合室加深，模具存鋁量也增加，因此為了減少縮尾，模具焊合室設計要淺一些。焊合室的高度對擠壓有重要的影響，深度過小，摩擦力與靜水壓力不足，導致焊合壓力不足，焊縫質量不高[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縮尾的影響

在上模設計10 mm焊合室來增加邊部的供料；在下模設計焊合室30°自然流動角斜面來減少死區，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1和試驗4、試驗1與試驗5模具設計結構的頭端、尾端縮尾對比結果表明，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。因為上模焊合室的存在增加了邊部焊合室的體積，增加了邊部的供料，使邊部的鋁更順暢地流向模孔；下模30°自然流動角斜面的存在使焊合室死區減小，增加了鋁流入模孔中的趨勢，因此邊部與金屬流動差的位置不易產生縮尾[9]。

2.2.4 入料口階梯式沉橋設計對縮尾的影響

表1 中試驗1和試驗6模具設計結構的頭、尾端縮尾對比結果表明，在同一擠壓工藝條件下，有入料口階梯式沉橋設計的模具擠壓頭端、尾端縮尾為8 000 mm+2 000 mm，沒有入料口階梯式沉橋設計的模具擠壓頭端、尾端縮尾為9 500 mm+3 000 mm，這說明入料口階梯式沉橋設計決定了擠壓縮尾的長度。這是因為擠壓時中心供料比兩側供料充足，特別是這種寬厚比比較大的地鐵型材，在擠壓后期兩側供料不充分易造成縮尾。將模具入料口設計成中間沉的少、兩側沉的多的階梯式沉橋模式，可以增加金屬向兩側流動的趨勢，使中心和兩側供料平衡，從而減少縮尾的產生[10]。

2.2.5 擠壓速度對縮尾的影響

表2 中試驗7、試驗8和試驗9在不同擠壓速度下頭端、尾端縮尾對比結果表明，在同一套模具下，制品出料速度為1 m/min、2 m/min、3 m/min所對應的擠壓頭端、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。但是在實際擠壓過程中，考慮到生產效率并結合縮尾試驗數據，最終確定制品速度為2 m/mim時擠壓工藝為最佳。

3 結論

（1）合理的模具厚度組合設計可以減少上一根棒擠壓后期殘留在模具中的金屬。為了減少縮尾的產生，在保證模具強度前提下，上模越薄越好。對于該地鐵型材采用上模為200 mm、下模為170 mm的模具結構設計能最好地防止縮尾的發生。

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

（3）上模焊合室及下模焊合室斜面對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，焊合室斜面設計可以減少死區的產生，這樣的設計可以減少邊部及金屬流動差的地方產生縮尾。

（4）入料口階梯式沉橋設計對縮尾有重要的影響，中間沉的少、兩側沉的多形成階梯式沉橋設計可以增加金屬向兩側流動的趨勢，使中心和兩側供料平衡，從而減少縮尾的產生。

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