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          鋁型材擠壓生產金屬流動與模具分析

          2020-03-24

          南昌華艦鋁業有限公司


          南昌華艦鋁業有限公司擠壓成型是對擠壓筒內的金屬坯料施加外力,使之克服模具的摩擦阻力與金屬的變形抗力,從特定的??字辛鞒?,獲得所需斷面形狀、尺寸及性能加工制品的一種塑性加工方法。一般來說,要獲得一副結構理想的模具,在擠壓條件已經確定的情況下,一是要使模具結構具有足夠強度。因鋁型材擠壓是處在高溫、高壓及復雜摩擦阻力等加工條件下成型,模具可能發生塑性變形而損壞;二是要合理設計??坠ぷ鲙?,使型材出口的金屬流動速度基本均勻,若??坠ぷ鲙гO計不當,型材各部分流出??椎乃俣染筒痪鶆?,擠壓出的制品就會產生扭擰、彎曲、平面間隙大等缺陷,嚴重影響制品的質量。


          01前言


          根據鋁型材擠壓筒內金屬的應力應變狀態、擠壓方向、潤滑狀態、擠壓溫度、擠壓速度、工模具的種類或結構、錠坯的形狀或數目、制品的形狀或數目等的不同,擠壓的分類方法也不同,各種分類方法如表2-1所示。


          02鋁型材填充擠壓階段金屬流動特點


          江西鋁型材為了便于把錠坯裝入擠壓筒內,通常使錠坯直徑小于擠壓筒內徑。在鋁型材擠壓時,由于擠壓錠坯小于擠壓筒內徑,因此在擠壓軸向壓力的作用下,根據小阻力定律,金屬首先向錠坯與擠壓筒之間的間隙部分流動,直至充滿擠壓筒,并充滿???,即產生鐓粗,這一階段為填充擠壓階段。 


          理論上用填充系數(生產上常稱為粗系數)表示擠壓筒內徑與錠坯直徑上差值


          K=F/F=(D /D)


          式中:K—填充系數


          F1擠壓筒內徑斷面積


          F?!V坯原始斷面積


          D2—擠壓筒內徑


          D—錠坯原始直徑


          江西工業鋁型材在選擇錠坯直徑時,應考慮錠坯直徑偏差和加熱后熱膨脹,以及加熱錠坯對擠壓筒內表面的粘結作用。在擠壓生產中,一般取K=1.06-1.10。小擠壓筒一般取上限,大擠壓筒一般取下限,K值過小,加熱后的錠坯與擠壓筒內腔間隙較小,向擠壓筒內送錠坯較困難。K值過大,錠坯的對中性差,影響填充過程中錠坯的表面品質,可能增加制品低倍組織和表面上的缺陷。


          03南昌華艦鋁業有限公司鋁型材填充擠壓階段金屬流動與受力分析


          鋁型材填充擠壓階段,從擠壓軸對擠壓筒內的錠坯施壓開始,錠坯在擠壓筒內鐓粗并充滿擠壓筒和???,擠壓力直線上升到大值為止,屬于填充擠壓階段,如圖2-27中1區部分。金屬流動方式與擠壓機類型(立式擠壓機或臥式擠壓機))和擠壓模的形狀(平?;蝈F模)有關。


          采用平模和圓錐模擠壓時錠坯在填充擠壓階段金屬流動示意圖。在立式擠壓機上錠坯裝入擠壓筒內,設定錠坯與擠壓筒內壁存在均勻間隙的情形。在立式擠壓機上擠壓可以認為金屬流動基本上屬于這兩種情況。


          江西門窗鋁型材在臥式擠壓機上錠坯在填充擠壓階段金屬流動示意圖。


          臥式擠壓機錠坯在填充擠壓階段的流動行為與立式的相近,但是臥式擠壓機上錠坯在裝人擠壓筒內由于自重必然與擠壓筒產生面接觸,并隨填充過程的繼續,錠坯與擠壓筒接觸面越來越大,填充過程的變形除向錠坯與擠壓筒間隙流動之外,接觸面上會逐漸產生沿錠坯周向的流動趨勢。


          鋁型材、棒材生產工藝流程


          當錠坯原始長度與直徑之比小于4:1,即鐓粗比在合理范圍內時,錠坯在填充階段的流動過程在軸向壓力作用下首先形成單鼓形,金屬向錠坯與擠壓筒內壁間隙流動的同時有一小部分金屬流向???,隨著填充過程的進行,前端面圓周與模具接觸的金屬逐漸轉移到與工作帶相接觸的表面上,形成前端面側翻現象。在進入平流擠壓階段后,側翻的金屬成為制品頭部的側表面,由于填充初始階段頭端外圓周金屬的流動特點,導致此階段錠坯頭端面金屬受到徑向附加拉應力的作用。當擠壓比較小時,在附加拉應力的作用下制品前端易產生開裂。


          由于受擠壓工具的約束作用,擠壓的填充過程進行到與擠壓筒內壁接觸(鐓粗)階段時此過程比圓柱體的自由鐓粗過程受力更為復雜,所以金屬流動情況與自由鐓粗的也不同。當填充階段進行到側表面鼓形部分與擠壓筒內壁相接觸時,由于擠壓模的開放狀態,其受力情況與擠壓墊的封閉狀態受力也不同。


          填充進行到一定階段后,由于??组_放狀態的影響,有部分金屬向??琢鲃?,由于填充階段的繼續,所以在向擠壓筒間隙流動的金屬與向??琢鲃拥慕饘俜謩e受到與流動方向相反的摩擦力,擠壓墊片則只受到摩擦阻力。為阻止金屬填充筒壁受到摩擦阻力,隨著填充過程的進行,錠坯與擠壓筒的間隙越來越少,直至坯料全部充滿擠壓筒時填充擠壓階段結束,這時錠坯內部所受的軸向應力如圖2-30(b)所示,由于擠壓模開放式的影響,從周邊一環形區域內的軸向應力大,正對著??椎慕饘佥S向應力減小。 


          錠坯在填充過程中直徑逐漸增大,使接觸面逐漸增大,變形所需的單位壓力逐漸上升當錠坯完全充滿擠壓筒后,導致填充變形所需的擠壓力達到大,在擠壓力程曲線的I區,擠壓力近似于直線上升。


          當采用分流模擠壓時,新模一次擠壓或模具經修模以及氮化處理后的一次擠壓,填充階段包括兩個過程:第1過程與上述所述擠壓填充過程基本相同;第2過程為焊合腔內金屬的填充過程。


          04鋁型材填充擠壓階段的主要缺陷


          鋁型材填充擠壓過程控制不當,會給制品帶來終缺陷。當錠坯的長度與直徑之比過大時錠坯在擠壓筒內的填充(鐓粗)過程與圓柱體的自由鐓粗類似,也會在沿錠坯長度方向產生雙鼓形變形,如圖2-31所示。


          長錠坯填充時的雙鼓變形由于擠壓筒密封的影響,首先在擠壓筒的中部與錠坯形成一個封閉空間,氣體停留在封閉空間中,隨著填充過程的進行,封閉空間體積減小,氣體壓力增加,填充過程結束后縮氣體會進入錠坯表面的微裂紋中,這些攜帶著氣體的微裂紋通過??讜r有的被焊合,則在制品表面形成氣泡,未能焊合的微裂紋流出??缀笮纬善鹌?。


          有時由于填充過程操作不當,即使錠坯的長徑比在理想范圍內,填充過程形成單鼓形,也可能在某一局部形成帶氣的封閉空間,同樣會給擠壓制品帶來氣泡、起皮缺陷。填充系數越大,錠坯與擠壓筒內壁間隙越大,產生缺陷的可能性越大,且形成缺陷的可能性更嚴重。因此,一般情況下,希望填充系數越小越好,但必須以錠坯能順利裝入擠壓筒為原則。解決填充過程給制品帶來缺陷的另一個方法是采用錠坯梯溫加熱法,既坯料在加熱時頭端溫度高、尾端溫度低,填充時頭部先變形,而筒內的氣體通過墊片與擠壓筒之間的間隙逐漸排出,如圖2-32所示。


          由于制品頭端為填充階段錠坯金屬填充形成,所以一部分頭端制品未變形或變形很少即流入???。這種變形特點導致制品頭部的組織為鑄造組織或未變形組織,性能較差,所以擠壓制品需切除頭部,填充系數越大或擠壓系數越小,頭部制品需切除的越大。


          鋁型材擠壓時金屬流動特點


          填充擠壓階段的缺陷也容易形成擠壓棒材頭端開裂現象,如圖2-33所示,這是由于填充擠壓階段金屬頭端的流動與受力特點有關,如前所述,由于填充擠壓時前端面外圓周金屬流向模子工作帶表面,形成制品頭端的側表面,從而在前端面中心形成一個附加拉應力,當拉應力超過此溫度下金屬的斷裂強度時,即形成頭部開裂。


          05鋁型材擠壓時金屬流動特點


          鋁型材擠壓時金屬在擠壓筒內所受的應力和應變十分復雜,并隨擠壓方法及工藝條件的不同而變化,研究金屬在擠壓變形過程的流動行為具有極為重要的實際意義。擠壓制品的組織、性能、表面品質、外形尺寸、尺寸精度、成品率、擠壓工模具的設計、工模具的使用壽命及生產效率等均與金屬流動有十分密切的關系。


          各種擠壓方法在生產鋁及鋁合金型、棒材中的應用見表1-9


          擠壓變形過程中金屬的流動行為特點,可以用解析法和實驗法兩大類方法進行研究,兩種方法適用于研究不同的對象。 


          為了研究問題方便,現以單孔錐形模正向擠壓圓棒時的簡單擠壓過程為例進行扼要在簡單擠壓過程中,作用在錠坯上的外力如圖2-26所示。從圖中可知,擠壓筒內作用分析。


          在錠坯上的有模具及模具工作帶表面上的正壓力(反作用力)及其所接觸面上的摩擦力。在這些外力的作用下,錠坯在變形區內形成強烈3向壓應力狀態。即如圖2-26所示,選取變形區內中心線上分析,此處所受的應力為徑向壓應力a、圓周切向壓應力σQ和軸向壓應力a=此變形區內的變形狀態為徑向壓縮變形δ、切向壓縮變形δ。和軸向延伸變形8。


          常用鋁型材的鋁合號、供貨狀態見表1-4;見表1-5。


          根據塑性變形理論,在軸向對稱狀態下,例如擠壓過程,其圓周方向與徑向的應力和變形理論上可以認為是彼此相等的,根據金屬在變形過程中的流動特點,為了研究問題方便,通常把擠壓時金屬變形過程大致分為3個階段:填充擠壓階段,平流壓出階段,紊流壓出階段。


          這3個階段分別對應于擠壓行程曲線上的I、Ⅱ、Ⅲ區,如圖2-27所示。


          06鋁型材的品種,規格與分類


          鋁型材的斷面尺寸主要是根據用戶的要求而定。常規擠壓條件下6063鋁合金型材的較為合理的擠壓尺寸范圍。圖中曲線表示其小可擠壓壁厚尺寸。小可擠壓壁厚,是指在一般情況下綜合考慮合金的可擠壓性、擠壓生產效率、模具壽命以及生產成本等諸多因素而言的。


          不同的合金其小可擠壓壁厚不同,小壁厚系數6空心型材實心型材見表1-2。將表1-2中的小壁厚系數乘以6063鋁合金型材的小壁厚即4為各種合金的小可擠壓壁厚。小可擠壓壁厚還與制品的斷面形狀以及對表面品質(粗糙度等)的要求有關。所以,由圖1-1及表1-2所確定的小可擠壓壁厚只不過是常規條件下的一型材外接圓直徑/mm個大概值。實際上,采用一些新的擠壓圖1-1,6063鋁合金型材小壁厚擠壓生產范圍技術,可以成形壁厚尺寸更小的制品。例如,采用硬質合金模具,一些特殊的薄壁精密型材的成形也是可能的。


          鋁型材的大可成形斷面外形尺寸主要取決于擠壓設備的能力。一般情況下,硬鋁合金實心型材的外接圓直徑的上限為300mm,其余合金與6063合金的大致相同。采用超大型設備,可以生產外接圓直徑在350-2500mm及以上的大斷面型材。

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