邓汝荣，曾 蕾

(广州科技职业技术学院，广东 广州 510550)



铝合金挤压棒材的模具结构试验与设计

邓汝荣，曾 蕾

(广州科技职业技术学院，广东 广州 510550)

文章通过分析挤压过程中金属成形的特点，介绍了一种通过改变模具结构来改变金属变形程度、提高成形过程中压应力、从而减少或避免粗晶产生的模具结构，实践表明可行。

铝合金棒材；粗晶；模具结构；变形程度；压应力

由于铝合金具有良好的抗腐蚀性、可焊接性、轻量性等特性，因此，广泛应用于各个领域，特别是用作具有一定强度和抗腐蚀性的工业结构件。但在铝合金棒材的生产过程中，最大的问题是容易出现粗晶环现象，严重影响材料的使用性能。为了解决这一问题，国内外许多学者、工程师和技术人员进行了大量的研究，但主要集中在铝合金挤压工艺、合金化学成份、均匀化处理对棒材力学性能及粗晶环的影响方面，如采用反向挤压在线淬火+拉拨+人工时效的方式[1]，因为目前铝合金棒材的生产方式主要采用正挤压方式[2]。这些研究都忽视了成形过程对棒材力学性能的影响，即挤压变形程度及应力对晶粒大小的影响。通常，在棒材的挤压过程中，变形程度和挤压比均较小，很容易实现挤压成形。但实践表明，金属变形程度和挤压力的大小也是决定晶粒大小的重要因素。因此，仅从工艺和合金成份方面进行研究或实践，是难以完全解决棒材生产过程中的粗晶问题。本文介绍一种改变模具结构的方式，通过改变变形程度、提高金属成形的压应力从而提高棒材的力学性能，仅供同行参考。

1 传统模具结构与分析

传统铝合金棒材的生产方式是采用正挤压中心挤压方式，即型孔处于模具中心并与挤压筒中心重合。模具结构通常采用带导流室的形式[3]，为普通模面(子)与模垫结合的方式，如图1所示。

图1 传统平面模结构示意图Fig.1 Structure diagram of conventional plane die

采用这种方式，模具制造简单，挤压变形程度小，挤压力低；不足之处是型材晶粒度大，容易出现粗晶现象，所得制品的力学性能及导电率较低。究其原因，一方面是挤压系数小，变形程度小产生的静水压力小；另一方面，传统模具结构金属预变形的程度较大。据有关实验表明，金属的再结晶温度与其预变形程度有关，预变形程度越大，再结晶温度就越低。这是由于预变形程度越大，金属晶粒的破碎程度便越大，产生的位错等缺陷就越多，组织的不稳定性就越高，因而会在较低温度下开始再结晶。再结晶后的金属，一般会得到小而均匀的等轴晶粒，如果温度继续升高，再结晶后的晶粒又以相互吞并的方式长大，此时会造成产品出现粗晶现象。

为了达到一定的挤压系数，必须选用挤压能力较大的机台和较大的挤压筒内径，这将增加挤压的成本并且受设备条件的限制。同时，在挤压过程中，容易出现棒与棒之间接头衔接不牢或变形的情况，每次挤压终了切除挤压压余时，容易将棒材反向拉出或使已挤出的棒材出现晃动而碰撞模具从而损伤棒材的表面质量。传统模具结构对于挤压系数大于40或对表面质量及内部组织要求不高的棒材也是适用的；此外，当所挤压棒材作为结构件的坯料还需进行二次挤压加工时，也可采用该方式。

为了得到更可靠的设计参数，在实践中，采用了循序渐进的方式，首先进行模具试验，然后进行结构改进。

2 模具试验

以Φ25mm的棒材作为试验产品，分别在8MN和18MN的挤压机上进行挤压。设计并制作模具4套，分别编号为1～4#，其主要形式如下：

(1) 1#模具，8MN，单孔设计；

(2) 2#模具，18MN，单孔设计；

(3) 3#模具，18MN，双孔设计；

(4) 4#模具，18MN，偏心单孔设计。

模孔布置如图2所示，每套模孔的尺寸、导流室尺寸、工作带尺寸均完全一致。试验结果对比方案如表1所示。

图2 试验模具模孔布置示意图Fig.2 Hole layouts of tested die

序号模具编号挤压机能力/MN挤压筒内径/mm模具外径/mm模孔数/个挤压系数模孔位置第1组第2组第3组1#8130180127中心2#18185220155中心2#18185220155中心3#18185220227．5偏离中心3#18185220227．5偏离中心4#18185220155偏离中心

每套模具上机挤压后，截取长度为1m的样品各4支，然后进行晶粒度的检测与比较。采用工厂通常做法进行晶粒度的检测，将样品放入工厂氧化车间的酸洗槽中25～30min，取出样品在清洗槽中清洗干净，即可用目测方法看出棒材样品的晶粒度大小。

对表1中4套模具挤压后的样品，采用上述方法检测并进行晶粒度比较。结果显示，2#模与4#模所得样品的晶粒最小且最均匀，尤其以4#模的样品最佳；而1#模与3#模样品所表现的晶粒度几乎一致。由此可以看出，挤压系数越大或变形程度越大，所得产品的晶粒越细小均匀。从表1还可看出，1#模与3#模的挤压系数相近，2#模与4#模的挤压系数一样，比1#模与3#模的挤压系数大近1倍。虽然2#模与4#模的挤压系数相同，但4#模的模孔偏离中心一定距离，所以变形程度增大。同时，从现场记录的挤压力情况显示，4#模的挤压力最大，其次为2#模，这也验证了有关资料介绍的压应力大的情况下，提高了合金的再结晶温度，同时阻碍了再结晶的长大，从而可以得到细化的晶粒。

3 改进后的模具结构

根据试验结果，分析提高挤压力，提出增加成形过程中的三向压应力和增大变形程度的方法，设计并制造改进结构的模具并投入挤压生产。

3.1 阶梯式的导流结构

这种结构为采用导流板与模子结合的结构形式，如图3所示。

图3 阶梯式导流孔平面模结构示意图Fig.3 Structure diagram of plane die with tiered deflector hole

采用这种结构，导流板上的导流孔或导流室采用阶梯形式，导流板厚度可取相对较大值，取模具总厚的60%～70%；阶梯级数可以为2～5级，相邻阶梯孔径相差4～10mm，阶梯高度取15～25mm。其目的在于增加挤压成形过程中的刚性区，增加变形时的阻力，使金属经过多次预变形，提高挤压力，从而达到提高成形过程中的静水压力。由于挤压成形过程中，压应力能降低组织的扩散速度，压应力越大则扩散速度越小从而抑制晶粒的长大[4]，进而达到获得良好表面质量和致密内部组织的效果。

3.2 偏心式模孔结构

这种结构是打破常规的模孔布置方式，将模孔置于偏离模具中心的某一位置，如图4所示。

图4 偏心式模孔平面模结构示意图Fig.4 Structure diagram of plane die with eccentric hole

采用这种结构，导流孔边缘离挤压筒内壁距离应大于10mm。这种结构大大增加了变形程度和挤压力，从而大大提高了金属挤压变形过程中的静水压力，因而可获得晶粒更为细小的内部组织。同时，由于离模孔最远端的金属进入模孔的阻力大大提高了，这相当于增大了挤压筒的内径，间接地增加了挤压系数。因此，采用这种结构，可避免粗晶的产生，同时可充分发挥挤压设备的潜能。

采用这种结构，模子与导流板要加以止口的方式进行组合。同时，模孔不能采用车削或精磨方式进行加工，而必须采用电加工，由于模孔为圆形，所以加工难度不大。

3.3 导流孔斜入式阶梯导流结构

这种结构有两种形式。

(1)第一种形式是将模孔置于模具中心，并且在模子上增设(1～2)级导流室或导流腔，而导流板上的导流入口则置于偏离模具中心的某一位置并以扩展斜入的方式进入模孔，如图5所示。采用这种结构，模孔加工可采用车削或磨削方式进行，可以得到很高的尺寸精度和表面质量，因而可获得质量相当高的棒材产品。对于尺寸精度、表面质量和晶粒度有较高要求的棒材采用这种结构，更为有效；

图5 斜入式、模孔在中心平面模结构示意图Fig.5 Structure diagram of plane die with oblique hole at the center

(2)第二种形式是将模孔置于偏离模具中心的某一位置，而导流板上的导流入口则置于模具中心并以扩展斜入的方式进入模孔，如图6所示。

图6 斜入式、模孔偏心平面模结构示意图Fig.6 Structure diagram of plane die with oblique hole off the center

采用以上两种形式时，模子与导流板要加以止口的方式进行组合，导流孔斜入角度以55°～65°为宜，入口导流孔尺寸要比模孔尺寸大10～20mm。

这两种结构形式对于挤压系数小，采用小能力挤压机的生产方式更为合适。通过提高挤压系数来增加变形程度最直接的方式就是选用挤压筒内径较大的挤压机，但这同样将大大增加模具的尺寸与挤压过程的能耗，因此，一味追求挤压机能力的增大在实际生产中也是不现实的。

4 结 论

按模具试验的方式对改进结构模具挤压后的产品进行取样和晶粒检测，结果表明，改进后的模具均能获得与试验模具4#相近的晶粒度，细小而均匀。因此，可以得出这样的结论，提高棒材力学性能和表面质量，避免粗晶现象，在对合金成份工艺研究与改进的基础上，结合金属成形原理，研究金属变形过程，突破模具设计的理念，改变模具结构，会更有效的提高棒材产品表面质量和综合力学性能。

[1] 陈丁文，李飞庆等．化学成份和均匀化处理对6061铝合金棒材粗晶环的影响[J].轻合金加工技术，2014(02): 47-48.

[2] 冯永平．6061铝合金工业材反向挤压工艺[J].世界有色金属，2012(02)：35-37.

[3] 邓汝荣，曾蕾．大断面实心铝型材导流模的设计分析[J].轻合金加工技术，2014(11): 29-31.

[4] 谢建新，刘静安．金属挤压理论与技术[M].冶金工业出版社，北京，2001：28-31，68-69.

Study of Die Structure Test and Design for Aluminum Bar

DENG Rurong, ZENG Lei

(Guangzhou Vocational College of Science and Technology, Guangzhou 510550, China)

Based on the analysis of characteristics of metal forming in extruding process, the paper put forward that the degree of deformation can be altered through modifying the die structure; it presented the die structure having the advantage of improving compressive stress so as to reduce or avoid the formation of coarse grains and having been proven to be feasible in practice.

aluminum alloy bar; coarse grain; die structure; degree of deformation; compressive stress

2015-06-23

邓汝荣(1964-)，男，高级工程师，主要从事铝型材挤压模设计与制造工作。

TG356.3

B

1671-6795(2015)06-0050-03