鋁合金熱擠壓成形模具粘附行為研究

李寧 趙泓宇

【摘?要】擠壓是指裝入擠壓筒內的金屬錠坯在擠壓軸的強推力作用下，在擠壓筒內產生塑性變形，從擠壓筒一側特定的模孔中以一定速度流出，從而獲得特定形狀、結構和精度的金屬制品的加工方法.在鋁型材的生產加工過程中，擠壓加工相比于其他加工方法（鍛造、軋制、拉拔等），具有金屬變形能力高、可生產產品范圍廣、生產靈活性大、生產成本低等優點。

【關鍵詞】粘附;模具;熱擠壓;鋁合金

引言

長期以來，鋁合金殼體鑄造缺乏過程控制，尤其是熔化精煉及澆注過程的工藝參數受人為因素影響較大。同時，殼芯獨立定位導致缺少維度方向控制，模具采用銷子壓板連接導致缺少結構性控制，造成鑄件尺寸超差嚴重。為了達到提質降本增效的目的，創新團隊提出了對鑄造過程進行集成控制的新思路，即以復雜鋁合金鑄件重點工序為突破口，首先，建立機器人澆注工作站，實現對鋁合金熔化、精煉、澆注過程的自動控制;其次，通過配套制芯單元、結合機器人取芯、下芯夾具，實現對制芯、組芯及下芯過程的自動控制;最后，通過全新的定位限位結構，提高金屬型模具的自身定位精度，并設置限位信號，實現合模、開模、頂出、取件過程的自動控制。

1鋁合金熱擠壓成形模具工藝

鋁合金橋形件常作為主要的承載部件，廣泛應用于航空航天、飛機等諸多領域。擠壓作為一種高效率、低能耗的少無切屑加工工藝，是鋁合金成形的主要方法。在油壓機上進行鋁合金制件擠壓成形，由于變形速度慢，坯料與模具接觸時間長，同時擠壓時坯料劇烈的塑性流動造成坯料與模具接觸條件復雜，高壓下潤滑膜出現破裂，潤滑劑不能填充整個擠壓過程，造成新鮮裸露的金屬坯料與模具表面直接接觸，原子之間相互吸引而發生熔合粘著。熱擠壓成形過程中，擠壓模具與毛坯發生粘著問題對模具使用壽命和制件質量影響很大。相互接觸金屬間的粘著與金屬之間相互接觸的固溶或合金化的能力有關，當固溶度較大的Fe-Al金屬配對（Al在Fe中的固態溶解度高達22%）時，鋁表現出很強的粘著性，使得工模具表面的粘鋁現象表現得更加嚴重化。鋁合金的粘附行為是影響產品質量和模具壽命的主要因素之一，主要表現在鋁合金擠壓、鋁合金熱軋軋輥、鑄造軋制鋁合金軋輥以及蜂窩/中空鋁合金型材高速加工時刀具粘結磨損等多個領域。

2有限元建模

2.1三維模型創建

擠壓模型是根據現有的12.5t雙動反向擠壓機相關參數建立的，為了便于接觸單元生產，模擬過程直接從擠壓成型過程開始模擬[4].根據相關數據及模具圖紙利用三維建模軟件SolidWorks分別創建擠壓筒、擠壓模具、穿孔針的三維實體模型，并在SolidWorks軟件上進行裝配后導出為stl格式文件，再導入到DEFORMV6.1中用于擠壓模擬.擠壓三維模型相關參數見表1.

2.2試驗參數及過程

高速M2鋼和熱作為模具材料H13，產生40 mm的旋流，然后加工成φ30mm×20mm的試驗片，以進行更硬的回流;6061鋁試驗項目的尺寸為×20mm。在設計的裝配板上執行不同溫度，在不同變形下進行壓縮試驗。變形量為10%、20%、30%和40%的技術參數分別為400° C、450° C、500° C和550° C。采用超聲波低頻清洗鋁樣和注射模，用電子分析的天數進行干燥和稱重，每一天稱為三次迭代，以確定平均值。然后利用試驗機在各種技術參數下測試變形。試驗冷卻完成后，將樣品從鋁樣品和模具樣品中分離出來，對鋁樣品進行再清潔、干燥，以電子方式分析天平，收集和計算試驗前后的不符標準品;對于M2或。H13鋼還需在無乙醇的杯子中進行三次超聲波清洗，然后用數字JSM-5610LV掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的外觀。同時對模具型態進行XDR推導分析。

2.3網格劃分

將利用SolidWorks畫好的擠壓錠坯及工件導入到DEFORMV6.1，并進行工件間位置設定后，對該反向模擬擠壓模型進行網格劃分.根據錠坯形狀和大小，采用DEFORMV6.1中的網格相對劃分方法，將鋁合金錠坯劃分為70000個網格，其他參數使用DEFORMV6.1的缺省值，即單元表面曲率設為0.5，應變分布、溫度分布和應變率分布均設置為0.25.對于不發生塑性變形的其他剛體工模具，采用DEFORMV6.1中的相對劃分方式，設置穿孔針單元數為10000，擠壓筒單元數為8000，擠壓外模單元數為10000.

3試驗結果與分析

3.1同變形條件下鋁合金質量轉移情況

不同溫度和變形量下鋁合金粘附在高速鋼試樣上的變化情況。從圖中可以明顯看出：粘附現象隨著變形溫度升高逐漸嚴重;同一變形量下，試驗范圍內隨著溫度的升高，鋁轉移量幾乎呈現先減小再增加的趨勢，其中變形溫度450℃時粘附情況最輕;同一溫度下（450℃除外），試驗范圍內變形量越大，鋁轉移量逐漸增多，變形量為40%粘附現象極其明顯，即便在較小的變形量下（變形量10%）也會出現嚴重粘附。變形量為30%和40%時，隨著變形溫度的升高，鋁合金所產生的鋁轉移量先降低后增加，且在450℃時鋁轉移量最少，分別為10-3mg/mm21.11和10-3mg/mm26.85。因此，當變形量較小（≤30%時），成形力滿足的條件下降低成形溫度，當變形量大于30%時，應控制成形溫度在450℃以內，可以避免出現嚴重粘附現象。針對變形溫度450℃時粘附情況最輕的現象，有文獻[20]資料顯示，鋁合金在高溫壓縮變形時，試樣內部發生了不同程度的動態再結晶和晶粒細化，當溫度為450℃左右時，試樣中心晶粒的平均晶粒尺寸相比于其他溫度時都有所減小。因此，在450℃左右條件下，鋁合金的晶粒得到細化，平均晶粒尺寸變小，鋁合金試樣的強度和硬度升高，鋁轉移量減少，工模具表面就不容易發生嚴重的鋁粘附現象。

3.2復雜鑄造殼體內部組織缺陷控制技術

基于信息化集成控制，本項目打破了“熱工不可控因素多，生產完全靠工人”的傳統思維模式，首次實現了鑄件生產過程的自動控制，即鋁液定量、流場定速、澆注定時和凝固定向。生產的鑄件通過嚴苛的質量檢查和性能測試，平均合格率達到90%以上且過程穩定，生產效率提高了4倍。

結束語

綜上所述，不同的模具材料成形鋁合金制件時，粘附情況不同，當變形量較低（10%）和較高時（40%），試驗溫度范圍內，M2高速鋼對鋁合金的粘附行為均要嚴重于H13;而當變形量在20%～30%時，H13對鋁合金的粘附行為要高于M2。根據變形程度選擇模具材料可有效降低鋁粘附現象，提高模具壽命。

參考文獻：

[1]王功凱.鋁合金板料數控漸進成形技術試驗研究[J].機電技術，2018（06）：60-62.

[2]嚴榮慶，精密鋁合金閥體型材制造技術的開發及應用.浙江省，浙江海亮新材料有限公司，2018-12-29.

[3]李玉升.低壓鑄造鋁合金輪轂模具設計優化[J].汽車零部件，2018（12）：72-74.

（作者單位：河南工學院材料科學與工程學院）