1060鋁熱擠壓成形模具設計及工藝研究

張學舟，張華，黃順利，宮敬海，張會焱，陳啟銳

中核四〇四有限公司 甘肅蘭州 732850

1 序言

某產品現階段成形方式主要以鑄造為主，由于。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，使鑄造成形工藝存在生產效率低、脫模困難等缺點。為提升產品成形工藝效率及收得率，提出熱擠壓成形工藝[2]。

2 熱擠壓工藝分析

1060鋁具有良好的導熱性，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坯料。熱擠壓成形工藝模具三維圖如圖1所示。

圖1 模具結構

由于空間限制，擬采用反擠壓工藝。第一階段金屬在凸模作用下首先在橫向充滿凹模模腔，然后在凸模的中間向上有少量的流動，這一瞬間壓力是呈直線上升的。第二階段凸模繼續向下運動，迫使金屬沿凸模中心向上流動，壓力數值增加幅度不大，在這一階段的最后，是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再轉為拉力的過程，直到退件結束[3]。

3 熱擠壓模具設計

3.1 影響擠壓力的主要因素

影響擠壓力的主要因素有變形程度、變形速度、熱擠壓模的幾何形狀，以及被擠壓金屬的化學成分和擠壓溫度等[4]。在被擠壓金屬成分確定的條件下，要想獲得低的擠壓力，需要對熱擠壓模的幾何形狀進行合理設計，對其他影響參數進行最優化計算。擠壓溫度一般控制在再結晶溫度以上30~50℃。

3.2 變形程度的確定

在擠壓成形加工中，一般采用下式計算斷面縮減率來評判產品的變形程度[5-6]。

式中εF——斷面縮減率（%）；

F0——熱擠壓變形前毛坯的橫截面積 （mm2）；

F1——熱擠壓變形后擠壓件的橫截面積 （mm2）；

通過計算，得鍛件的斷面縮減率為

由于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。

3.3 擠壓件圓角半徑的確定

模具圓角半徑越小，金屬材料的流動性越差，充型能力也就越差[7]。模腔內圓角半徑過小的地方經常會因為應力集中而產生裂紋，還會使熱擠壓模型腔的相應部位很快被磨損，嚴重時導致模具破裂。

因為擠壓產品為細長件，在與熱擠壓模型腔的凸圓角半徑相對應的熱擠壓件凹圓角半徑上，被擠壓的金屬會發生劇烈的流動，所以如果圓角半徑過小，則會使熱擠壓模此部位很快被壓塌。根據經驗值，當擠壓件的高度H＞40mm時，圓角半徑R不應＜3mm，如圖2所示。

圖2 擠壓件的尺寸

3.4 擠壓斜度的確定

由于摩擦力的存在，擠壓件最終會滯留在模具內，要順利從凸模退出有一定難度，但因凸模沒有頂出裝置，因此需要設計擠壓斜度來減小摩擦力[8]。一般情況希望擠壓斜度小一些，影響擠壓斜度大小的主要因素是摩擦系數和擠壓件在熱擠壓模型腔內的法線壓力，根據孔徑（D）和孔深（H）的比值（即H/D），可制定出擠壓斜度，試驗中H/D＞5，故擠壓斜度取50′。

3.5 擠壓速度的計算

擠壓速度對產品的成形尤為關鍵，擠壓速度過低時生產效率低下，反之擠壓速度過高時，則容易形成表面裂紋，特別是無潤滑擠壓時，會對模具及壓機造成較大負載。

根據體積不變的原則可知：

式中υ——金屬的擠壓速度（mm/s）；

V——凸模的運動速度（mm/s）。

按照1060鋁常規擠出速度υ≤50mm/s計算，則

即壓機壓下速度≤1.39mm/s。

3.6 熱擠壓力的計算

正確地計算熱加壓所需的壓力，從而合理地選擇擠壓設備噸位，可以有效避免因設備能力不足或過剩造成的生產事故，提高模具工作壽命，降低生產和維護成本。

在熱擠壓中，最大單位擠壓力及變形功都隨著變形程度的增加而增大，其變化規律與拋物線類似。

根據反擠壓力計算公式：

式中F——反擠壓的擠壓力（N）；

D——反擠壓模凹槽的工作直徑（mm）；

d——反擠壓模凸模的工作直徑（mm）；

σb——擠壓結束是金屬材料的極限強度（kPa）。

1060鋁極限強度σb=44.36kPa，D=60mm，d=9.5mm，故

考慮環境因素的影響，熱擠壓力給予1.5倍的冗余值，最終設備可選壓力0~441000N。

3.7 模具材質的選擇

由表1可知，溫度對擠壓力影響非常大，當溫度在330℃時，最大擠壓力只有168℃的1/5。由于試驗采用包圍式加熱，通過加熱模具間接加熱坯料，考慮輻射散熱及界面熱阻影響，需對模具加熱至700℃以上才能確保坯料達到規定擠壓溫度，因此模具材質需要更好的熱強性、抗回火軟化性。選用牌號為8418熱作模具鋼作為凹模材質，凸模熱強性要求較低，可使用H13模具鋼。熱處理采用三次淬火加三次回火處理，后續再做深冷處理，以達到細化晶粒的效果。熱處理硬度在60~62HRC，抗拉強度σb可以達到110~125kg/mm2。

表1 溫度對擠壓參數的影響（指定擠壓比）

單位側壁壓力為

式中F——壓力（N）；

εF——斷面縮減率（%）；

T——毛坯橫截面積（mm2）。

由上式可以求得單位側壁壓力，則

由此可知，單位側壁壓力遠小于模具抗拉強度，可滿足生產工藝。

4 工藝驗證

為了檢驗工藝及模具設計的合理性，通過1060鋁開展驗證試驗，按照上述參數進行模具及工藝設計。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，對物料以1.39mm/s的速度加壓，開始壓力緩慢上升，當壓力到達2.8×105N左右時呈平穩波動狀態，物料從凸模孔中均勻擠出。熱擠壓工藝試驗過程及擠壓后物料的形狀如圖3所示。由圖3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3 熱擠壓成形過程及產品

5 結束語

針對某產品鑄造過程中產生的問題確立了熱擠壓成形工藝。根據1060鋁的物理性質，通過計算及參考相關標準，得出擠壓圓角半徑R不應＜3mm，壓機壓下速度≤1.39mm/s，擠壓斜度取值50′，熱擠壓力0~441000N。根據加熱特點，凹模材質選用8418熱作模具鋼，凸模采用H13模具鋼，可滿足工作中的強度要求。通過對工藝設計進行模擬料的技術驗證，擠壓出的產品滿足相關技術要求。