鄧汝榮，曾 蕾

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510550）

模具結(jié)構(gòu)對鋁型材擠壓的組織影響分析

鄧汝榮，曾 蕾

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510550）

摘要：在鋁型材生產(chǎn)過程中，影響型材的組織狀態(tài)、晶粒度大小的因素有很多，如材料的成份、熔鑄與擠壓的工藝參數(shù)等。事實上，模具也是一個重要的因素。通過實際例子，分析了模具設(shè)計所選擇的結(jié)構(gòu)參數(shù)對鋁型材產(chǎn)品組織影響，強調(diào)了模具設(shè)計因素的重要性，目的在于向行業(yè)介紹如何采用合理的模具設(shè)計，以幫助獲得型材良好的組織狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：鋁型材；模具設(shè)計；組織；影響

0 前言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的迅速發(fā)展，鋁型材的應(yīng)用越來越廣泛，市場需求越來越大，市場消費者重視方面，不僅是品種規(guī)格，更加注重產(chǎn)品的質(zhì)量，質(zhì)量要求涵蓋內(nèi)外兩個方面從產(chǎn)品的性能到外觀。因而，對擠壓模有了更高的要求。我們都知道，要得到優(yōu)質(zhì)的型材產(chǎn)品，除了材料本身的因素、工藝參數(shù)外，很大程度取決于模具的綜合質(zhì)量水平。在擠壓模設(shè)計和制造方面，通常人們習(xí)慣于考慮的主要因素或方向是成型的問題，即保證型材的幾何尺寸合格，而少有考慮模具設(shè)計對型材組織的影響。本文通過實際案例，探究模具設(shè)計對產(chǎn)品組織的影響，供同行參考。

1 型材的分類與模具分析

鋁型材雖然規(guī)格品種繁多，但從形狀來分類，通?？煞譃榭招男筒模ɑ虬肟招男筒模┖头强招男筒摹＿@兩類型材通常所用的模具結(jié)構(gòu)是不同的。目前，行業(yè)使用最常見或最普遍的方法是：用分流模生產(chǎn)空心型材而用平面模生產(chǎn)非空心型材。當(dāng)然，也有一些非空心型材出于強度上及成型方面的考慮而使用分流模。模具結(jié)構(gòu)的不同，擠壓過程中金屬成形或金屬流動的情形是有所不同的。采用分流模結(jié)構(gòu)，金屬經(jīng)過分流孔分成幾股重新聚集在焊合室，由于分流橋的存在，橋底不可避免形成金屬流動的剛性區(qū)，使該處金屬原子的擴散結(jié)合速度較慢，金屬的組織致密度降低，較其它部位的組織要疏松。所以用分流組合模擠壓型材將不可避免存在這樣的情況，即有我們通常稱作為的焊縫組織。但是，如果模具設(shè)計合理，可以得到良好的焊縫組織，從而使組織不均勻度降低，就不致于出現(xiàn)類似粗晶及光亮帶現(xiàn)象。要保證焊縫的質(zhì)量，原則是：一方面，使焊合室焊縫處的金屬能充分?jǐn)U散結(jié)合；另一方面，變形程度要足夠、要大一些，擠壓力不能過低，特別是焊合室的金屬變形量要大，以形成較大的金屬流體的靜水壓力。否則，將形成疏松、顆粒粗大與其它部位不均的組織。既然，模具結(jié)構(gòu)決定了焊縫不可避免，那么，在模具設(shè)計上，應(yīng)盡可能安排焊縫在不影響外觀及不承受主要載荷的部位，并盡可能提高焊縫的質(zhì)量，使焊縫組織與其它部位的組織趨于一致。

采用平面模結(jié)構(gòu)，金屬主要經(jīng)過預(yù)變形再成型的過程。這一過程中，由于在擠壓筒斷面上存在壓力梯度，離中心越近，成形壓力越大。因此，存在著流速不均現(xiàn)象。所以，在預(yù)變形或?qū)Я麟A段，若金屬分配不合理，或者在成型階段用工作帶方式調(diào)整流速不合理，就會造成組織上的不一致。

2 模具設(shè)計案例分析

2.1 空心型材的分流模

如圖1所示型材，常見模具設(shè)計分流孔布置如圖2、圖3、圖4所示。模具均為11MN擠壓機的，擠壓筒內(nèi)徑為φ125。圖2方案為最普遍使用的一種方案，好處在于金屬焊合縫靠近型材的角處，倘若出現(xiàn)焊縫質(zhì)量不好，晶粒粗大的現(xiàn)象，或出現(xiàn)光亮帶而有色差，外觀影響也不明顯。但缺點是模具強度較差，分流橋易斷裂。另外，模具使用一段時間后，因磨損而使得壁厚增大，導(dǎo)致型材的斷面積增大，擠壓比降低，從而導(dǎo)致變形程度降低，致使焊縫處的組織晶粒大小發(fā)生變化。在分流孔不變的情況下，隨著壁厚的增大，擠壓比降低，焊縫處組織的晶粒度越大，當(dāng)超過一定的臨界，擠壓力明顯降低，焊合力也降低，這時，晶粒粗大會出現(xiàn)明顯的光亮帶。采用這一方案，模具設(shè)計要充分考慮擠壓比的變化，分流孔入料孔徑適當(dāng)取下限，以期適應(yīng)模具的磨損，提高模具的壽命。當(dāng)擠壓比低于40時，也可以適當(dāng)增加上模的厚度來提高擠壓力從而增加焊合的靜水壓力。

圖1 76X25扁管斷面圖

圖3模具設(shè)計方案，模具的強度和壽命較好，擠壓成型過程穩(wěn)定。但不足之處是焊縫處型材大小面的中心顯眼處，倘若焊縫質(zhì)量不好，對型材質(zhì)量的影響會很敏感。當(dāng)擠壓比較小時，經(jīng)驗數(shù)值為小于30時，焊縫組織晶粒易出現(xiàn)明顯的粗晶現(xiàn)象，影響到型材的外觀質(zhì)量，不宜用此方案。這方案適用于擠壓比70～100的情況，在這種情況下，主要矛盾是擠壓力較大，在強度滿足的條件下，可得到良好的焊縫組織，型材各部的組織較趨一致。采用此方案，上模厚度可適當(dāng)減小，這樣，提高了模具的強度，也避免了粗晶的出現(xiàn)。

而對于擠壓比低于70的情況，如要采用此方案，可適當(dāng)增加上模厚度，并適當(dāng)減小分流孔入料直徑，使擠壓力提高，反而有利于焊合。當(dāng)然，對于處于大面的分流橋可以采用沉橋方式，局部提高該處的焊合力，也同樣可以改善焊縫組織，避免粗晶的出現(xiàn)。這一方法用在許多幕墻型材主材或大斷面型材上的模具設(shè)計是相當(dāng)有效和普遍的。如圖5所示B-B。

圖5 沉橋示意圖

通過對沉橋與未沉橋情況下擠壓的型材在對應(yīng)的部位取樣，進(jìn)行金相分析，沉橋后的組織晶粒較細(xì)小致密，如圖6所示。從金相分析可以看出，焊合室的深度對組織是有影響的。

圖6 型材組織金相圖

圖4所示方案，制造簡單，但成型不穩(wěn)定，受模具制造誤差影響較敏感。但對于窄長型材（小面尺寸小于15）較適用，這種方案，焊縫落在小面處，當(dāng)擠壓比過小時，易在小面出現(xiàn)粗晶。此方案，焊縫數(shù)量減少了，當(dāng)擠壓比在30～60用此方案，既可保證強度，又可避免粗晶的產(chǎn)生。

對于采用分流模結(jié)構(gòu)，除了合理布置分流孔，焊合室的深度選擇也是很關(guān)鍵的。焊合室的深度，一是要考慮擠壓機的能力，二是要根據(jù)擠壓比的大小，擠壓比越小，焊合室深度可適當(dāng)增加，但要顧及到模芯的剛性。經(jīng)驗數(shù)值如表1所示。

表1 焊合室深度值

而對于一模雙腔或多腔的設(shè)計，應(yīng)盡量采用獨立焊合室，否則會在“共界”處相應(yīng)型材部位如圖7所示的A面出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒粗大現(xiàn)象。

圖7 分流孔與焊合室結(jié)構(gòu)示意圖

通過對兩種焊合室生產(chǎn)出來的型材取樣，經(jīng)堿蝕后發(fā)現(xiàn)焊合室結(jié)構(gòu)1生產(chǎn)的型材A面出現(xiàn)粗晶。兩種情況下的A面組織金相圖如圖8所示。

圖8 型材組織金相圖

對于大斷面型材，由于生產(chǎn)的擠壓機能力都較大，擠壓筒的內(nèi)徑也較大，除了要考慮上述的因素外，更要考慮在擠壓筒的徑向上存在的壓力遞減因素。否則，會出現(xiàn)難以修復(fù)的粗晶現(xiàn)象。

對于具有非空心部位和空心部位的型材，如圖9所示型材的B處。生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到的問題是在B處（連接部位）易出現(xiàn)光亮帶和起筋的現(xiàn)象。原因是該處工作帶的選取不合理。該處經(jīng)常被設(shè)計在分流橋下，從而將此處工作帶取成最短，這容易使得該處壁厚內(nèi)外兩側(cè)流速不一致，外側(cè)快而內(nèi)側(cè)慢，因而出現(xiàn)“凸起”（起筋）。另一方面，該處工作帶與相鄰工作帶如過渡突然的話，則會加劇這種現(xiàn)象的嚴(yán)重性。而當(dāng)連接部位置于分流橋下時，成形又由焊合而成，因而易出現(xiàn)粗晶及光亮帶的現(xiàn)象。通過正確選取工作帶及適當(dāng)提高焊合力（如適當(dāng)減小分流孔入料孔徑及增加上模厚度、適當(dāng)增加焊合室深度），就可以解決問題，如圖9所示。

圖9 型材及分流孔與工作帶示意圖

2.2 非空心型材的平面模

非空心型材采用平面模結(jié)構(gòu)主要有2種形式，一是導(dǎo)流板形式，二是導(dǎo)流坑形式。無論是哪一種形式，都設(shè)有導(dǎo)流部分。采用導(dǎo)流板形式，擠壓過程較平穩(wěn)而采用導(dǎo)流坑形式則制造較簡單。導(dǎo)流部分也是金屬預(yù)變形分配的部分。金屬流速的調(diào)整主要是通過導(dǎo)流部分進(jìn)行金屬分配以及工作帶的選取來實行。非空心型材出現(xiàn)組織不均主要原因是金屬的分配和工作帶選擇不合理。工作帶選擇主要避免過渡的突然性，要緩沖過渡，過渡角以不超過45°為佳。金屬導(dǎo)流分配的原則是成形阻力小的部位分配少或采用階梯導(dǎo)流，離擠壓筒中心越遠(yuǎn)，金屬的分配要相應(yīng)增加，反之亦然。

圖10 導(dǎo)電板與導(dǎo)電桿示例

對于如圖10所示的導(dǎo)電板及導(dǎo)電桿型材。此類型材在生產(chǎn)過程中的主要矛盾是擠壓比過低，變形程度不足。因而，盡可能提高變形程度，提高成形時的壓力，就有利于得到較為致密的晶粒組織，從而提高型材的機械力學(xué)性能及導(dǎo)電性能。其模具設(shè)計如圖11所示。其原理是：圖11所示則是將型孔置于在離中心的某一位置上，增加了金屬的變形程度和擠壓力。

圖11 導(dǎo)電桿平面模設(shè)計示意圖

通過對兩種設(shè)計生產(chǎn)出來的型材取樣，經(jīng)堿蝕后發(fā)現(xiàn)，將型孔置于在離中心的某一位置上生產(chǎn)的型材的晶粒要明顯細(xì)小。

3 結(jié)束語

通過案例分析可見，模具設(shè)計過程中有關(guān)參數(shù)的選擇是可以改變型材的組織狀態(tài)的。因此，合理的模具設(shè)計應(yīng)考慮這些因素，而不僅僅注重保證幾何尺寸及成形的容易。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝建新，劉靜安.金屬擠壓理論與技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，2012，北京

[2] 吳燕華，朱芬芳，王宏霞，等.銅合金型材熱擠壓模失效分析與改進(jìn)措施[J].模具工業(yè)，2012，2

[3] 龐祖高，丁洋，粟育琴，等.鋁型材擠壓模芯早期磨損失效模擬與分析[J].模具工業(yè)，2010，5

（編輯：余東梅）

中圖分類號：TG375+.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4898（2014）06-0026-04

doi:10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.06

作者簡介：鄧汝榮（1964-），男，廣東南雄人，高級工程師。

收稿日期：2013-12-24

Effect of Die-design on Microstructure of Aluminum Profiles

DENG Ru-rong
（Guangzhou Vocational Technical College, Guangzhou 5105050, China）

Abstract:Through the examples from practice, the effect of die design on the microstructure and properties of aluminum profiles is analyzed, the factors of die design are stressed.

Keywords:aluminum profiles;die design;microstructure and properties;effect