文/张鸿·甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司

某产品基础尺寸为小于10mm的棒料或板料，现阶段成形方式以铸造为主。在冷却凝固过程中体积的收缩会使铸件内部产生裂纹或尺寸变形等物理损伤。同时铸造成形工艺还存在生产效率低，脱模困难等缺点。为提升产品生产效率及质量收率，本课题提出了运用热挤压成形工艺生产该产品。

成形工艺分析

1060 铝因其杂质元素少，具有良好的导热性能，固态导热率为237W/(m·K)，可在试验过程中将模具加热到一定温度，再通过热传导的方式间接加热物料，从而使物料达到热挤压工艺要求的温度，挤压成形工艺模具结构如图1 所示。

图1 模具结构

由于生产空间条件限制，拟采用反挤压的技术工艺。开始挤压的第一阶段，凸模首先作用于金属，使其横向充满凹模模腔，在凸模的中间有少量的金属向上流动，这一过程压力数值呈直线上升；第二阶段凸模继续下压，迫使金属在沿凸模中心向上流动，压力数值增加幅度不大，这一阶段的末期，是整个反挤压过程中压力数值最大的时刻；第三阶段是热挤压力变为零，在退件过程转为拉力，直到退件结束；第四阶段，加工完成后压余由下部顶杆推出，完成整个挤压流程。

凸模与凹模的配合间隙对挤压成形质量起着重要作用，间隙过大，金属会沿缝隙挤出(图2)，且不利于模具的导向；间隙过小容易损伤配合面，同时还要考虑凸模挤压物料后弹性膨胀影响，一般凸模与凹模之间的配合间隙取H7/h6 或H6/h5。模具工作面粗糙度通常不高于Ra0.2μm，采用淬火+回火的热处理工艺，表面硬度达到61 ～63 HRC。

图2 模具配合间隙过大造成的金属流出

挤压结束后需要按照规定尺寸进行剪切，剪切机构主要由夹持机构和刀具组成，如图3 所示，夹持机构先对物料进行夹紧，防止剪切后物料掉落，再由刀具对物料进行剪切。物料的剪切可以分为刀具弹性压入阶段、刀具塑性压入阶段、物料塑性滑移阶段、内部裂纹萌生和扩展阶段、裂纹失稳扩展及断裂阶段。产品的断面形状与配刀间隙密切相关，同时合理的配刀间隙有利于提高刀具使用寿命。

图3 剪切机构

合理的配刀间隙切出的产品状态(图4)为剪切面与无光撕裂面之间边界平直，剪切面和无光撕裂面的外边界线平直且与材料表面平齐。

配刀间隙过小，切出的产品状态(图5)为剪切面与无光撕裂面之间边界弯曲，剪切面与无光撕裂面的外边界线与材料表面平齐，此时对刀具的损伤较大。

配刀间隙过大，切出的产品状态(图6)为剪切面与无光撕裂平面之间边界弯曲，剪切面和无光撕裂面外边界线弯曲且无光撕裂面边界有毛刺出现。

选择合适的配刀间隙不但产品成形质量好，而且对刀具的损伤也较小。通常对于尺寸大于10mm 的产品，选择产品尺寸的13%～14%作为推荐配刀间隙，即1.3 ～1.4mm。

实现挤压成形的基本条件

影响挤压力的因素主要有变形程度、热挤压模的几何形状、变形速度、挤压温度、被挤压金属的化学成分等。在被挤压金属成分确定的条件下，要想判断是否能够实现挤压成形，需要对变形程度进行计算。

挤压成形加工中通常采用计算断面缩减率来评判产品的变形程度。

图4 配刀间隙适宜的剪切边

图5 配刀间隙过小的剪切边

图6 配刀间隙过大的剪切边

式中：

F0—变形前毛坯的横截面积(mm2)；

F1—变形后挤压件的横截面积(mm2)；

由图7 数据可以求得工件的断面缩减率为

1060 铝的许用变形程度在反挤压的条件下可达到90%～99%，所以本产品97.2%的断面缩减率可以满足挤压要求。

图7 挤压件的尺寸

系统设计

处于空气中的金属在加热状态下氧化速度急剧增大。为减少物料损失，可在加工过程中采用惰性气体保护的方式加热，因此需在系统中增加密封罩结构，密封罩上端与下压机构接触，加热、挤压、剪切均在密封罩内完成。挤压结束后压余由顶出机构从模具中顶出。根据上述工艺要求，对系统结构进行设计，整体构成如图 8 所示。

工艺验证研究

为了检验工艺及系统设计的合理性，开展了1060 铝的热挤压验证试验。惰性气体保护状态下对模具在700℃下加热30min，温控仪表显示物料已达到预定挤压温度，对物料缓慢加压，当压力达到一定程度时，物料从凸模孔中均匀挤出，物料进入剪切机构一定距离后进行夹持剪切。热挤压工艺试验过程及挤压后物料的形状如图9 所示，由图可知，热挤压加工后物料无明显缺陷，未发现金属局部流动性差及工件表面出现裂纹等问题。

图8 设备整体结构

图9 热挤压成形过程及产品

结束语

针对某产品铸造过程中产生的问题提出了热反挤压的成形工艺。根据1060 铝的物理性质，通过计算及参考相关标准，凸模与凹模配合间隙可取H7/h6或H6/h5，剪切配刀间隙约为1.3 ～1.4mm，断面缩减率符合反挤压的许用变形程度。根据工艺要求，对系统结构进行了整体设计，并进行了生产技术验证，挤压出的产品满足相关技术要求。