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(huì)引起制品力學(xué)性能降低，冷變形時(shí)易出現(xiàn)裂紋，表面粗糙[1]。近年來發(fā)展起來的電子產(chǎn)品，外殼經(jīng)鋁合金板材加工而成，如果板材粗晶環(huán)太厚經(jīng)加工后不能去除，陽極氧化后制品表面會(huì)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(xiàn)實(shí)意義。

業(yè)內(nèi)解決粗晶環(huán)問題時(shí)，主要通過控制鑄錠加熱方式和保溫時(shí)間[2]、調(diào)整擠壓工藝[3，4]、改造淬火冷卻設(shè)備[4]等手段。本文提出了一種通過改進(jìn)模具的工作帶，采用斜工作帶+直工作帶的新型結(jié)構(gòu)，來降低板材粗晶環(huán)厚度的新型模具。上機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新型模具確實(shí)能夠降低板材粗晶環(huán)厚度。借助有限元軟件對(duì)鋁合金板材擠壓過程進(jìn)行模擬，得到了相應(yīng)的速度場、溫度場、應(yīng)變分布以及應(yīng)變速率分布，揭示了本文所提出的新型模具結(jié)構(gòu)能夠減小板材粗晶環(huán)厚度的原因。

1 模具設(shè)計(jì)與擠壓實(shí)驗(yàn)

1.1 擠壓模具設(shè)計(jì)

針對(duì)截面尺寸寬度× 厚度為100 mm × 8mm的鋁合金板材，本文設(shè)計(jì)、加工了兩種擠壓模具。模具三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)均相同。

圖1 模具三維圖

1.2 擠壓實(shí)驗(yàn)與組織檢測

擠壓實(shí)驗(yàn)在25 MN擠壓生產(chǎn)線上進(jìn)行。擠壓參數(shù)設(shè)置如表1所示。

兩次擠壓實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，從擠壓板材相同長度位置上切取試樣，并對(duì)其橫截面進(jìn)行金相組織檢測。用于金相檢測的試樣首先采用砂紙進(jìn)行預(yù)磨，然后在拋光機(jī)將試樣拋光至鏡面，最后采用氫氟酸、鹽酸、硝酸混合溶液進(jìn)行腐蝕，經(jīng)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(shù)表

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)晶和晶粒長大有關(guān)。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(qiáng)烈的摩擦作用，導(dǎo)致型材表面溫度較大，剪切變形程度較大，促進(jìn)晶粒的異常長大，從而產(chǎn)生粗晶環(huán)。因此，在設(shè)計(jì)擠壓模具時(shí)，應(yīng)盡量減小型材表面強(qiáng)烈的摩擦作用，減小型材表面和內(nèi)部金屬塑性變形量、溫度以及應(yīng)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(shù)值模擬

2.1 數(shù)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(shù)值模型三維網(wǎng)格，包括擠壓模具、擠壓筒、坯料以及擠壓墊4個(gè)部分。數(shù)值模型中的擠壓參數(shù)按照表1進(jìn)行設(shè)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(shè)置為0.4，其它地方的摩擦因子設(shè)置為0.9。

圖3 數(shù)值模型三維網(wǎng)格

2.2 數(shù)值模型結(jié)果分析

圖4 不同擠壓模具擠壓過程中材料的流動(dòng)速度分布

通過模擬運(yùn)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(yùn)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(yīng)變分布

通過模擬運(yùn)算可知，傳統(tǒng)模具工作帶出口處材料的等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變速率分布

通過模擬運(yùn)算可知，傳統(tǒng)模具工作帶出口處材料的等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)變速率差異更小。

綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)相比，采用新型擠壓模具進(jìn)行擠壓時(shí)，型材橫截面上的溫度、等效應(yīng)變以及等效應(yīng)變速率分布更為均勻，這有利于金屬獲得較為一致的再結(jié)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(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)擠壓模具生產(chǎn)的制品容易產(chǎn)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(jìn)的工作帶結(jié)構(gòu)可以使得型材橫截面上的溫度、等效應(yīng)變以及等效應(yīng)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。