改善鋁合金板材粗晶環(huán)的擠壓模具結構

楊喜旺，王 彬，崔偉超

（山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城 273500）

粗晶環(huán)是擠壓制品的一種組織缺陷，指的是擠壓制品截面周邊的晶粒特別粗大，形成環(huán)狀或月牙狀組織。它會引起制品力學性能降低，冷變形時易出現裂紋，表面粗糙[1]。近年來發(fā)展起來的電子產品，外殼經鋁合金板材加工而成，如果板材粗晶環(huán)太厚經加工后不能去除，陽極氧化后制品表面會形成花斑，影響美觀。因此，控制板材粗晶環(huán)厚度具有重要的現實意義。

業(yè)內解決粗晶環(huán)問題時，主要通過控制鑄錠加熱方式和保溫時間[2]、調整擠壓工藝[3，4]、改造淬火冷卻設備[4]等手段。本文提出了一種通過改進模具的工作帶，采用斜工作帶+直工作帶的新型結構，來降低板材粗晶環(huán)厚度的新型模具。上機實驗發(fā)現，新型模具確實能夠降低板材粗晶環(huán)厚度。借助有限元軟件對鋁合金板材擠壓過程進行模擬，得到了相應的速度場、溫度場、應變分布以及應變速率分布，揭示了本文所提出的新型模具結構能夠減小板材粗晶環(huán)厚度的原因。

1 模具設計與擠壓實驗

1.1 擠壓模具設計

針對截面尺寸寬度× 厚度為100 mm × 8mm的鋁合金板材，本文設計、加工了兩種擠壓模具。模具三維結構如圖1所示。圖1(a)為采用直工作帶的傳統(tǒng)模具，圖1(b)為本文提出的采用斜工作帶+直工作帶的新型模具。兩種模具除工作帶斜度部分之外，其余結構均相同。

圖1 模具三維圖

1.2 擠壓實驗與組織檢測

擠壓實驗在25 MN擠壓生產線上進行。擠壓參數設置如表1所示。

兩次擠壓實驗結束后，從擠壓板材相同長度位置上切取試樣，并對其橫截面進行金相組織檢測。用于金相檢測的試樣首先采用砂紙進行預磨，然后在拋光機將試樣拋光至鏡面，最后采用氫氟酸、鹽酸、硝酸混合溶液進行腐蝕，經沖洗吹干后在金相顯微鏡下觀察晶粒大小及其分布情況。

表1 擠壓工藝參數表

1.3 實驗結果分析

圖2 表示采用傳統(tǒng)模具和文本所提出的新型模具擠壓所得鋁合金板材的金相組織。圖2(a)中的粗晶區(qū)厚度約為圖2(b)中粗晶區(qū)厚度的2倍。由此可見，本文所提出的新型擠壓模具可顯著減小粗晶環(huán)厚度。

在鋁合金擠壓過程中，粗晶環(huán)的形成主要與再結晶和晶粒長大有關。在成形過程中，由于擠出型材表面與擠壓模具表面之間存在強烈的摩擦作用，導致型材表面溫度較大，剪切變形程度較大，促進晶粒的異常長大，從而產生粗晶環(huán)。因此，在設計擠壓模具時，應盡量減小型材表面強烈的摩擦作用，減小型材表面和內部金屬塑性變形量、溫度以及應變速率的差異，從而減小晶粒長大速度的差異，得到尺寸較為均勻的晶粒組織。

圖2 不同擠壓模具擠壓所得鋁合金板材中的粗晶區(qū)

2 數值模擬

2.1 數值模型的建立

為揭示新型模具擠壓板材粗晶環(huán)厚度減小的原因，本文采用Deform-3D軟件模擬擠壓過程。圖3表示數值模型三維網格，包括擠壓模具、擠壓筒、坯料以及擠壓墊4個部分。數值模型中的擠壓參數按照表1進行設置，摩擦類型均采用剪切摩擦模型，坯料與模具之間的摩擦因子設置為0.4，其它地方的摩擦因子設置為0.9。

圖3 數值模型三維網格

2.2 數值模型結果分析

圖4 不同擠壓模具擠壓過程中材料的流動速度分布

通過模擬運算可知，傳統(tǒng)模具工作帶出口處金屬流速最大為183mm/s，最小為77.5mm/s，新型模具工作帶出口處金屬流速最大為164mm/s，最小為145mm/s。從圖4也可以看出，新型模具的金屬流速更為均勻。

圖5 不同擠壓模具擠壓過程中材料的溫度分布

通過模擬運算可知，傳統(tǒng)模具工作帶出口處材料溫度最高為510℃，最小為470℃，新型模具工作帶出口處材料溫度最高為517℃，最小為495℃。從圖5也可以看出，新型模具出口處的材料溫度分布差異更小。

圖6 不同擠壓模具擠壓過程中材料的等效應變分布

通過模擬運算可知，傳統(tǒng)模具工作帶出口處材料的等效應變最大為1.77，最小為0.375，新型模具工作帶出口處材料的等效應變最大為1.75，最小為0.40。從圖6也可以看出，新型模具出口處的材料等效應變分布更均勻。

圖7 不同擠壓模具擠壓過程中材料的等效應變速率分布

通過模擬運算可知，傳統(tǒng)模具工作帶出口處材料的等效應變速率最大為9.85 s-1，最小為0.229 s-1，新型模具工作帶出口處材料的等效應變速率最大為3.25 s-1，最小為0.20 s-1。從圖7也可以看出，新型模具出口處的材料等效應變速率差異更小。

綜合以上數值模擬結果可以看出，與傳統(tǒng)模具結構相比，采用新型擠壓模具進行擠壓時，型材橫截面上的溫度、等效應變以及等效應變速率分布更為均勻，這有利于金屬獲得較為一致的再結晶程度和長大程度，因此，采用新型擠壓模具擠壓所得板材的微觀組織更為均勻，粗晶環(huán)厚度更小。

3 結論

本文針對傳統(tǒng)擠壓模具生產的制品容易產生粗晶環(huán)過厚的問題，提出了一種采用帶斜度工作帶的新型擠壓模具。與傳統(tǒng)擠壓模具相比，新型擠壓模具改進的工作帶結構可以使得型材橫截面上的溫度、等效應變以及等效應變速率分布更為均勻，從而使得擠出板材的微觀組織更為均勻，粗晶環(huán)厚度更小。