鋁型材高速擠壓模具的優(yōu)化

李 劍

(廣東興發(fā)鋁業(yè)(江西)有限公司，江西 宜春 336000)

我國是鋁生產(chǎn)和消費大國。鋁是一種可回收金屬，自然界儲量豐富。鋁型材具有加工成本和回收成本低等優(yōu)勢。鋁型材普遍應(yīng)用在太陽能光伏、建筑、汽車、軌道交通、電子電器、機械以及其他日常耐用消費等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年，我國鋁材產(chǎn)量已經(jīng)超過5 000萬t。擠壓模具作為鋁型材擠壓的關(guān)鍵工具，對鋁材加工產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率與成本起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)前國內(nèi)型材生產(chǎn)企業(yè)受到模具設(shè)計水平、加工裝備技術(shù)等方面的限制，型材擠出速度一般僅為20 m/min～30 m/min。而國外型材擠出速度已實現(xiàn)50 m/min～100 m/min。提高型材擠壓速度，對提高型材生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。對模具的設(shè)計、制造與維護等方面持續(xù)進行調(diào)整和優(yōu)化，以實現(xiàn)鋁合金型材快速擠壓。

1 模具設(shè)計優(yōu)化

擠壓速度與坯料溫度之間的關(guān)系如圖1所示。圖中的設(shè)備擠壓力極限曲線表示設(shè)備能力的最大擠壓力曲線，合金極限曲線代表鋁合金開始開裂的冶金學(xué)極限，兩條曲線之間的陰影部分表示鋁合金擠壓可以選擇的加工工藝參數(shù)范圍，交點處表示最大擠壓速度vmax和對應(yīng)的最佳出口溫度。因為每種牌號的鋁合金都有確定的固相線溫度，當(dāng)出口溫度接近合金的固相線溫度時，型材表面將開始出現(xiàn)粗紋乃至拉裂的缺陷。如果希望不斷提高擠壓速度，只能通過降低擠壓力與減少擠壓過程中產(chǎn)生的溫升來優(yōu)化模具設(shè)計。

圖1 鋁合金擠壓速度與坯料溫度的關(guān)系[1]Fig.1 Extrusion speed and stock temperature of the aluminum alloy

1.1 擴大入料面積

根據(jù)分流比K計算公式

(1)

式中：

F錠—鑄錠面積，mm2；

F分—分流孔面積，mm2；

F焊—焊合室面積，mm2；

F型—型材斷面積，mm2。

分流比K值的大小直接影響擠壓力的大?。悍至鞅仍酱螅接欣诮饘俚牧鲃雍负?，所需要的擠壓力越??；反之分流比越小，則所需要擠壓力越大[3]。而加大分流比，減少擠壓系數(shù)，最有效的途徑就是增加分流孔的總面積ΣF分，降低擠壓入料壓力。

優(yōu)化前的模具設(shè)計方案如圖2a、b所示。模具分流孔總面積較小，鋁合金通過分流孔時擠壓力較大。通過大幅度擴大分流孔入口的總面積，優(yōu)化后的模具見圖2c、d。優(yōu)化后的模具入料分流孔總面積較優(yōu)化前的增大65%。優(yōu)化后的模具擠壓時產(chǎn)生的擠壓力大幅降低，擠壓速度得到明顯提高(見表1)。

圖2 增大入料總面積實例Fig.2 Example of increasing total feed area

1.2 減少分流孔數(shù)

分流孔數(shù)量盡可能減少，增大分流孔總面積，使鋁合金流經(jīng)分流孔時產(chǎn)生的摩擦阻力減少，可降低擠壓時由摩擦力帶來的溫升。如圖3所示為“一模雙孔”結(jié)構(gòu)。優(yōu)化前的設(shè)計方案如圖3a、b所示：7個

表1 增大入料總面積后模具擠壓速度對比Table 1 Comparison of die extrusion speed after increasing total feed area

圖3 模具減少分流孔數(shù)量優(yōu)化實例Fig.3 An example of die optimization for reducing the number of shunt holes

分流孔布局的各個分流孔能夠?qū)π筒母鱾€部位均勻供料，擠出平穩(wěn)。由于該方案分流孔數(shù)量多，摩擦總面積大，鋁合金通過模腔時會產(chǎn)生大量摩擦熱，使出口型材溫度迅速提升。如果進一步提高擠壓速度，將因溫度過高而導(dǎo)致型材拖爛。經(jīng)過優(yōu)化后的方案見圖3c、d所示。優(yōu)化后分流孔總周長減少17.9%，使鋁合金與模腔內(nèi)的摩擦表面積大幅度減小，型材擠壓速度明顯提高。經(jīng)過優(yōu)化后的模具擠壓的型材制品表面光澤度好，無毛刺，見圖3e、f。優(yōu)化前后的擠壓速度對比見表2。

表2 優(yōu)化前后的模具擠壓速度對比Table 2 Comparison of die extrusion speeds before and after optimization

1.3 縮短工作帶

擠壓時鋁合金通過模具工作帶表面需要克服的摩擦力是擠壓力的重要組成部分。根據(jù)摩擦力計算公式，摩擦力大小與工作帶長度成正比。故設(shè)計工作帶時應(yīng)在滿足工作帶本身強度的同時，盡可能縮短工作帶長度，以減少摩擦力。同時工作帶盡量不要有過渡或減少過渡，充分體現(xiàn)工作帶是“定徑帶”的作用，盡量避免設(shè)計工作中常見的采用工作帶調(diào)整流速的思路。

圖4a、b所示為優(yōu)化前的工作帶方案，根據(jù)型材各個部位壁厚、到模具中心位置距離，采用不同長度的工作帶對型材各部位的流速進行調(diào)整，以達到均衡流出的效果。模具工作帶長度一般為2 mm～8 mm，最長可達20 mm。經(jīng)過優(yōu)化后采用圖4c、d所示的“等定徑帶”方案：工作帶全部設(shè)定為等長，長度取值根據(jù)型材大小壁厚在2.5 mm～3.5 mm范圍內(nèi)取一個值，通過前置的不等長流速調(diào)節(jié)腔，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工作帶進行流速調(diào)節(jié)，極大減少了擠壓摩擦力，大幅提高了型材擠出速度。

圖4 工作帶縮短實例Fig.4 An example for shortening the worlcing band

1.4 減薄上模厚度

根據(jù)模橋高度彎曲應(yīng)力校核公式以及抗剪應(yīng)力校核公式得知，模具的強度與模具厚度、模橋?qū)挾瘸烧?，模具越厚，模具強度越高。但增加模具厚度，會造成鋁合金流過模腔的路徑變長，將導(dǎo)致擠壓力與摩擦溫升急劇升高。通過合理減薄上模厚度，減薄模橋?qū)挾?，進而減少擠壓力。而擠壓力的減少，也為減薄上模厚度留下了空間。模具厚度優(yōu)化前后的擠壓速度見表3。

表3 模具厚度優(yōu)化前后的擠壓速度對比Table 3 Comparison of extrusion speeds before and after die thickness optimization

1.5 模橋截面優(yōu)化

圖5為理想流體流動時的示意圖。根據(jù)流體力學(xué)理論模型，將鋁合金看作不可壓縮流體。鋁合金通過模橋時產(chǎn)生的繞流阻力主要由兩部分組成，第一部分是鋁合金作用于模橋表面的切向應(yīng)力形成的摩擦阻力；第二部分是鋁合金的邊界層分離，在入料處于模橋根部所形成的壓強差而產(chǎn)生的壓差阻力。

圖5 流體流動行為模型圖Fig.5 Fluid flow behavior modeling diagram

圖6為幾種不同形狀的模橋截面。圖6a模橋截面入料處平直，橋底處采用90°夾角設(shè)計，鑄錠壓入模腔時的阻力最大。圖6b模橋截面為優(yōu)化后的模橋結(jié)構(gòu)，入料處改為60°夾角入料，出料處采用60°匯合，橋尖采用R3圓角過渡。由于入料處設(shè)計有60°夾角，阻力系數(shù)相當(dāng)于圖6a模橋截面的40%。圖6c為再次優(yōu)化后的模橋截面，入料采用R8圓弧角度，橋底處采用R40與R2.5逼近弧線過渡。阻力系數(shù)約相當(dāng)于圖6a模橋截面的20%。圖6d為完全流線型模橋截面，模橋入料處到出料處不允許有任何直面，要求全部由曲面構(gòu)成，阻力系數(shù)僅約相當(dāng)于圖6a模橋截面的4%。采用完全流線型模橋截面，能夠大幅度減小鑄錠擠入時對模腔產(chǎn)生的粘附壓力，并且圓錐形尖尾形狀的模橋能夠保證鋁熔體流過模橋后，在模橋下方可以較快焊合，避免邊界層分離，也同時減小了粘壓阻力。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用圖6d模橋截面模橋的模具擠出速度最快。

圖6 不同截面形狀的模橋Fig.6 Form bridges with different cross-section shapes

2 模具制造

2.1 模腔

淬火前與淬火后加工都必須使用高精度加工中心(CNC)，以保證模腔內(nèi)各個部位的尺寸精度與良好的光潔度，三維建模人員必須對模腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)有充分清晰的認(rèn)識，模腔內(nèi)部不得有任何棱角或凸臺、鼓包。如圖7扁方管類模具所示,傳統(tǒng)模具方案(見圖7a)，在寬面模腔流入模孔位置有意留出“凸臺”，對模具寬面流速進行一定阻礙，來均衡各部位流速；而高速模具的模腔與工頭連接過渡區(qū)必須平滑過渡，見圖7b，模腔各部位盡可能用大的圓弧過渡，避免出現(xiàn)流動停頓的“阻礙”區(qū)。模腔內(nèi)壁必須保證良好的表面粗糙度，有助于在擠壓進程中形成穩(wěn)定的層流。

圖7 高速模腔內(nèi)部優(yōu)化前后對比Fig.7 Comparison of high-speed die cavity before and after optimization

上?？涨粌?nèi)部如有螺絲孔或者加強筋的引流槽，在不影響模具本體剛性條件下應(yīng)盡可能延長。模具在粗加工完成后，使用旋轉(zhuǎn)銼刀對模腔內(nèi)部的銑削痕進行一次預(yù)打磨，有條件的話在精加工之前對模具再進行一次拋丸處理，盡可能使分流孔內(nèi)部順暢光滑,有助于降低擠壓力，提高擠壓速度[5]。

2.2 ?？?/h3>

線切割(WEDM)主要用來切割?？住Ｓ捎谀？资悄＞叩暮诵牟课唬鶕?jù)分析：?？状怪倍瘸^-2 ℃以上，將形成阻礙金屬流動的“阻礙角”，對金屬流速產(chǎn)生較大影響。所以保證模孔尺寸精度與垂直度至關(guān)重要。慢走絲線切割設(shè)備由于采用特殊走絲機構(gòu)，使用特制的銅絲單向輸送不循環(huán)一次使用進行放電，避免了由于快走絲采用鉬絲往復(fù)放電磨損帶來的切割精度誤差，這是提高模具加工精度、進而提高擠壓速度的重要設(shè)備。

2.3 材質(zhì)及熱處理

高速擠壓模具為了最大限度減輕擠壓力，往往采用較薄的上模與模橋結(jié)構(gòu)，因此對材質(zhì)本身的剛性、抗彎曲強度與抗剪切強度都具有較高的要求。模具鋼材必須選用優(yōu)質(zhì)H13鋼材，鋼材成分必須嚴(yán)格檢測，重要合金成分比如Cr與Va盡量取上限。鋼材坯料需經(jīng)過球墨鍛打，不得出現(xiàn)網(wǎng)狀、帶狀碳化物，否則將影響模具強度，造成模具裂橋報廢。模具淬火應(yīng)盡量采用真空氣淬或油淬工藝，裝爐量要求按80%最大裝爐量控制，確保模具各個部位在熱處理過程中的受熱均勻穩(wěn)定。有條件時可采用深冷淬火處理，淬火后的模具在-110 ℃以下做深冷處理，使得鋼材組織析出微細碳化物殘留物，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，可提高模具耐磨性、抗回火穩(wěn)定性與尺寸穩(wěn)定性[6]。

3 模具使用及維護

3.1 模具生產(chǎn)使用工藝

每次模具上機前，模腔內(nèi)必須完全清理干凈，不得殘留廢堿、廢鋁渣等。模具工作帶的各個部位尤其是拐角或細小部位必須仔細拋光干凈。上機生產(chǎn)遵循“低溫高速”的生產(chǎn)要求[7]，鑄錠溫度一般在425 ℃～435 ℃，模具溫度選擇450 ℃～460 ℃，出口溫度在500 ℃～515 ℃，能夠有效滿足6063鋁合金在線淬火及經(jīng)過時效后的硬度要求。需要特別指出的是，型材擠出速度應(yīng)與鑄錠溫度的選擇相匹配，即擠出速度越高，鑄錠溫度的選擇應(yīng)該越低。模具在模具爐內(nèi)加溫不得超過10 h，否則將導(dǎo)致模具因紅硬性下降而影響型材成形或降低擠壓速度。

3.2 模具維修方法

原則上應(yīng)該避免采用“阻礙”的維修思路，而盡可能采用“加快”的維修思路。根據(jù)擠壓模具“三位一體”的數(shù)字化發(fā)展要求，即數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化加工以及數(shù)字化修模的整體趨勢，模具在每次維修前，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)前次上機的試模結(jié)果，重新調(diào)整設(shè)計方案，再次進行數(shù)字化模擬驗證后形成修模方案，而不是靠模具維修人員的經(jīng)驗判斷進行維修。維修過程盡量采用數(shù)字化加工設(shè)備，比如加工中心進行維修，避免采用堆焊、做阻礙角或用電磨槍打磨等傳統(tǒng)修模方法，避免對模具造成二次傷害而影響模具正常使用壽命。

4 結(jié)論

1)通過增大模具入口總面積，減少模具分流孔數(shù)量，縮短模具定徑帶長度等措施，可以降低擠壓力、減少擠壓過程中產(chǎn)生的摩擦熱與剪切熱。對比優(yōu)化前與優(yōu)化后的模具使用數(shù)據(jù)，證明經(jīng)過優(yōu)化后的模具，可以有效提升擠壓速度。

2)要設(shè)計制造能夠?qū)崿F(xiàn)高速擠壓的模具，必須摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計、加工思路，在模具開始設(shè)計制造之初，就要確立以“高速擠壓”為前提，而不能以“保成形”、“保壽命”等傳統(tǒng)思路去設(shè)計和制造模具。

3)優(yōu)化后的模具，必須以“低溫高速”為生產(chǎn)指導(dǎo)思想。不斷根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況調(diào)整擠壓工藝參數(shù)，并通過科學(xué)合理保養(yǎng)氮化模具，才能真正達到高速擠壓的目的。