黃雪梅，翁佳銘，鄧汝榮

(廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 廣州 510550)

隨著科技進(jìn)步和人民生活水平的提高，現(xiàn)代汽車工業(yè)迅速發(fā)展，而隨著汽車制造業(yè)節(jié)能減排的需求，汽車輕量化是必然的趨勢，輕量化材料的開發(fā)與應(yīng)用是目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的最有效途徑。鋁合金具有良好的抗腐蝕性、質(zhì)量輕、可焊接、塑性和成形性好、比強(qiáng)度高，是一種比較理想的汽車輕量化材料?，F(xiàn)在多種鋁合金應(yīng)用于車架、車身、制動盤、發(fā)動機(jī)殼體等。而汽車輕量化用的鋁合金型材往往要求力學(xué)性能較高，其擠壓成形難度大，需要的擠壓力大，以傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方式或理論得到的模具結(jié)構(gòu)無法滿足擠壓的要求，模具容易塌裂失效，模具的壽命很低[1-8]。本項(xiàng)目以一款高強(qiáng)度7049鋁合金的汽車防撞梁型材為例，介紹高強(qiáng)度鋁合金的擠壓模具設(shè)計(jì)，供同行參考。

1 型材斷面、材質(zhì)及模具分析

圖1所示為一款汽車防撞梁鋁合金型材斷面。從斷面形狀可以看出型材并不復(fù)雜，具有一定的對稱性，雖然型材存在較大的壁厚不均勻性。而類似斷面的型材在建筑幕墻型材中是很常見的。但作為汽車輕量化而應(yīng)用的具備防撞功能的型材，所用的材質(zhì)是高強(qiáng)度7049鋁合金，它與建筑型材6063、6061鋁合金或其他工業(yè)型材6005、6082鋁合金相比，其抗拉強(qiáng)度高很多，它所含的合金成分使其金屬流動性能較差。7049、6063、6061和6082鋁合金的成分對比如表1所示。

圖1 防撞梁型材斷面圖Fig.1 Section of profile

表1 幾種鋁合金的化學(xué)成分對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Comparison of chemical compositions of 4 kinds of aluminum alloys(wt/%)

從表1可知，7049鋁合金有較高的Zn、Cu、Mn含量，Zn、Cu、Mn均能提高合金的強(qiáng)度，而高Zn含量可明顯降低合金的塑性。這表明，7049鋁合金在擠壓過程中的變形抗力要大很多，成形的難度要大得多。7049鋁合金與6063、6061、6082鋁合金的力學(xué)性能如表2所示。

表2 幾種合金的力學(xué)性能對比Table 2 Comparison of mechanical properties of 4 kinds of aluminum alloys

從表2可知，7049鋁合金的抗拉強(qiáng)度要比6×××系鋁合金的高很多，這說明，在擠壓時(shí)，模具承受的壓力將更大，對模具的強(qiáng)度要求更高。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要提高模具的強(qiáng)度，更多依賴的是采用優(yōu)質(zhì)的鋼材和先進(jìn)的熱處理工藝，這是可取的。但依靠模具的材料和熱處理這在實(shí)踐中是有限的，同時(shí)也存在價(jià)格昂貴、成本增加的因素。事實(shí)上，人們常常忽視了擠壓變形中擠壓力這一重要參數(shù)，它的大小直接決定了模具的壽命。從理論上說，模具的強(qiáng)度取決于模具的材料和結(jié)構(gòu)，材料與結(jié)構(gòu)決定了模具的最大承載能力，屬于靜態(tài)的，具有相對的固定性；而擠壓力在擠壓過程中是動態(tài)的，是變化的，影響擠壓力的因素有很多，包括擠壓工藝、擠壓機(jī)的能力及成型金屬材質(zhì)和狀態(tài)、模具的結(jié)構(gòu)等，而事實(shí)上模具結(jié)構(gòu)是影響擠壓力最重要的因素，是較難把握的一個(gè)因素。在實(shí)際中，降低擠壓力就是降低了模具的承載量，就能間接提高模具使用壽命。在擠壓過程中，對于降低擠壓力更多的是習(xí)慣從擠壓工藝上著手，如適當(dāng)提高擠壓溫度、坯料進(jìn)行均勻化處理等。但從工藝方面采取措施有一定的局限性，而且容易帶來制品的表面缺陷，而從模具結(jié)構(gòu)出發(fā)對擠壓力進(jìn)行調(diào)整是最為有效的。因此，在材料及熱處理潛力有限的條件下，如何設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)來降低擠壓力和模具的承載量，這是提高模具壽命的關(guān)鍵。經(jīng)過對企業(yè)的調(diào)查，以傳統(tǒng)方式制造的模具在擠壓試模階段就出現(xiàn)模具變形情況，模具最多的擠壓量低于500 kg，壽命很低。為了提高模具壽命，筆者從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的選擇和熱處理三方面進(jìn)行了研究，將三者很好地結(jié)合起來，充分利用塑性成形的特點(diǎn)和發(fā)揮材料的最佳潛能。經(jīng)實(shí)踐使用表明，所開發(fā)的模具的強(qiáng)度是足夠的，使用效果良好。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 擠壓機(jī)能力的選擇

擠壓機(jī)能力的選擇是為了確定擠壓筒的內(nèi)徑尺寸及擠壓比壓。擠壓筒內(nèi)徑過大，會使擠壓型材的變形程度大，即擠壓系數(shù)大，導(dǎo)致擠壓力大，這對于7×××系鋁合金的擠壓成形和模具使用壽命都是不利的。擠壓筒過小，將增加擠壓成形和模具設(shè)計(jì)的難度。擠壓比壓是擠壓機(jī)總壓力在擠壓筒斷面形成的單位壓力，是克服金屬變形中各種阻力所必須的。比壓過高，模具承受的單位載荷將增加；比壓過小又不能滿足擠壓型材成形的要求。根據(jù)7×××系鋁合金的特性，擠壓系數(shù)選擇在15～50范圍較為合適，比壓應(yīng)在600 MPa～700 MPa，這是綜合考慮各種因素的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。針對圖1所示截面的型材，選擇18 MN擠壓機(jī)，選擇擠壓筒內(nèi)徑Φ183 mm，經(jīng)計(jì)算，擠壓系數(shù)18.6、比壓為685 MPa,模具外形尺寸選擇為Φ300 mm×200 mm。

2.2 分流孔的設(shè)計(jì)

對于高強(qiáng)度7049鋁合金的擠壓模具結(jié)構(gòu)，分流孔的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，主要包括分流孔的布置與分流比大小的確定。分流孔設(shè)計(jì)是降低擠壓力的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)，常用的分流孔布置有四種方式，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的四種常用分流孔布置方式Fig.2 Four commonly used layout methods of feeding holes

圖2中a、b結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是分流橋的跨度較大以及中心的剛性區(qū)域大，其中圖2b的結(jié)構(gòu)形式包括碟形模具，用于6×××系鋁合金、擠壓系數(shù)較小的情況下是可以的；但用于7×××系鋁合金，實(shí)踐表明其模具容易發(fā)生下陷和塌裂。而圖2c的結(jié)構(gòu)，模具剛性最好，但同樣會在金屬初始分流時(shí)使中心部位形成較大的剛性區(qū)，產(chǎn)生的擠壓力較大。圖2d所示結(jié)構(gòu)可取得的分流比最大，分流比越大則擠壓力越小，更重要的是分流橋數(shù)量少，模具對鋁坯錠進(jìn)行剪切形成的金屬流股數(shù)就少，所需的力會越小，因而模具承受的力就越小，從這個(gè)角度而言，采用圖2d結(jié)構(gòu)是最有利的。但實(shí)踐表明這種結(jié)構(gòu)的模具一上機(jī)則出現(xiàn)下陷現(xiàn)象，原因是模具的剛性較差，這也是容易被人們所忽略的一個(gè)要素。但是若將圖2c、d結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢綜合起來，則可得到較大的分流比和較好的剛性。在此基礎(chǔ)上，采用階梯分流的同時(shí)并采用主分流橋?yàn)?0°的斜面入料方式，主分流橋在入料端則采用碟形模的結(jié)構(gòu)，這樣的好處在于減少了擠壓過程中模具在入料端中心部位的剛性區(qū)域和受壓面積，可以使得鋁坯錠在受到剪切時(shí)的最大峰值降低，并且不在同一時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，而是形成一定梯度，這將大大改善模具的受力狀態(tài)從而提高模具的壽命。因此，這樣的結(jié)構(gòu)形式，既能保證模具的剛性同時(shí)又能降低擠壓力，從而提高模具的壽命。改進(jìn)后的分流孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的分流孔結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The improved arrangement of feeding holes

分流橋主橋?qū)挾热?8 mm，是基于強(qiáng)度及金屬成形的綜合考慮，此橋?qū)挾冗^大，橋下金屬供應(yīng)和成形難度大，中心剛性區(qū)域大，分流橋的受壓面積大，擠壓力將增大，這對模具的使用壽命是不利的。由于7049鋁合金擠壓成形中擠壓力較大，因此，分流孔采用分級、斜面進(jìn)料與階梯分流的方式。分流比可依次在擠壓方向上形成由大逐漸到小的梯度，使得分流橋承受的壓力同樣形成一定的梯度，各個(gè)分流橋承受的最大擠壓力不同時(shí)出現(xiàn)，從而避免了最大擠壓力峰值的形成。因此，由于分流橋承受的載荷大為降低從而使模具的壽命提高，這種效果是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不具有的。

分流方式如圖4所示。其分流過程如下：鋁坯錠的金屬經(jīng)擠壓筒內(nèi)鐓粗變形、進(jìn)入上模的入料口，入料口為1個(gè)分流孔，金屬進(jìn)入此分流孔前行20 mm后受到分流主橋的剪切而進(jìn)行二次分流，主分流橋?yàn)樾泵嫒肓戏绞?，形成兩股金屬，此兩股金屬繼續(xù)擠壓前行40 mm后受到中間兩個(gè)分流橋的剪切，進(jìn)行第三次分流變形，產(chǎn)生四股金屬進(jìn)入下模焊合室重新進(jìn)行焊合和熔合后，最終進(jìn)入由上、下組成的?？?型材壁厚)擠壓成型為制品。經(jīng)計(jì)算，三次的分流比分別為15.3、11.7和10.2。由此可見，第一次的分流比可以取得較大，而分流比與擠壓力是成反比關(guān)系的，而且第一次分流變形采用一個(gè)分流孔，相當(dāng)于擠壓筒的變形延伸，使擠壓筒變小，降低了變形程度。實(shí)踐也表明了，其擠壓力比采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大幅度下降。

圖4 改進(jìn)分流孔結(jié)構(gòu)后擠壓過程金屬的分流方式Fig.4 Metal distribution in extrusion process after improving the structure of shunt hole

2.3 導(dǎo)流孔的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在中間筋對應(yīng)的部位常常設(shè)計(jì)一個(gè)分流孔進(jìn)行金屬供料，但對于鋁坯錠受剪切而言，相當(dāng)于增加了分流橋和金屬的股數(shù)，會導(dǎo)致擠壓力上升，這也是人們?nèi)菀缀雎缘囊粋€(gè)要素。實(shí)踐數(shù)據(jù)也表明了這一點(diǎn)，在此部位增設(shè)分流孔的結(jié)構(gòu)，其擠壓力較大，模具使用壽命均在擠壓鋁材1 t以下。因此，采用導(dǎo)流孔形式較合適。導(dǎo)流孔是為解決中間筋的金屬流量而設(shè)置的。為了適應(yīng)分流孔的布置，使得金屬進(jìn)入導(dǎo)流孔的阻力更小，導(dǎo)流孔采用斜入式，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)流孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of diversion hole

2.4 下模焊合室及工作帶

焊合室的外形輪廓主要是依據(jù)分流孔進(jìn)入焊合室的最大邊緣而定。由于7049鋁合金的變形難度大，所需的焊合靜水壓力也較大，所以焊合室的深度要比擠壓6×××系鋁合金的大6 mm～8 mm，取24 mm。工作帶可按照傳統(tǒng)的原則進(jìn)行選擇，但由于型材不同部位的壁厚相差懸殊，所以采用阻流塊的方式進(jìn)行輔助調(diào)整金屬流速，阻流塊高度取5 mm,離型孔邊緣1 mm。焊合室及工作帶如圖6所示。

圖6 下模焊合室形狀與工作帶Fig.6 Chamber and bearing of the female die

2.5 分流橋的設(shè)計(jì)

為了降低擠壓力，減小分流橋剪切金屬時(shí)的最大剪切力，同時(shí)提高分流橋的剛性、減小分流橋所受的拉應(yīng)力，分流橋采用一端碗形、一端水滴形的結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。

圖7 分流橋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structural diagram of diversion bridge

2.6 模具結(jié)構(gòu)總成

為了加強(qiáng)模芯的剛性與強(qiáng)度，將模芯的出口非工作帶部位即模芯空刀加強(qiáng)段，其高度增加至15 mm，這樣模芯的整體高度為25 mm,就完全可以保證其強(qiáng)度和剛性。這與傳統(tǒng)的6×××系鋁合金擠壓模芯高度一般不超過15 mm是有區(qū)別的。因?yàn)?049鋁合金型材成形的擠壓力大，模芯承受的沖擊力隨之增大，這是必須考慮的。模具的總成如圖8所示。

圖8 模具結(jié)構(gòu)總成圖Fig.8 Die structure assembly drawing

3 模具強(qiáng)度校核與模具材料

3.1 模具強(qiáng)度校核

由于擠壓過程是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程，模具承受交變循環(huán)載荷的作用。因此，模具強(qiáng)度的校核主要是針對上模分流橋進(jìn)行計(jì)算和校核。在實(shí)際中，經(jīng)驗(yàn)表明以計(jì)算分流橋的安全系數(shù)的方式來進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算和校核更為有效。

式中：

n—安全系數(shù)；

h—分流橋的有效厚度，mm；

b—分流橋最小寬度，mm；

s—上模有效受壓總面積，mm2；

p—擠壓機(jī)最大比壓，MPa；

[σ彎]—模具材料在工作強(qiáng)度下的彎曲應(yīng)力，MPa；模具材料為H13其取值為1 150 MPa。

根據(jù)本模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算：

從計(jì)算結(jié)果可見，模具的強(qiáng)度是足夠的。

3.2 模具材料與熱處理

由于7049鋁合金在擠壓時(shí)，模具強(qiáng)度是關(guān)鍵，模具承受的擠壓力大，因此，模具材料與熱處理必須得到保證。應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)的H13電渣重熔鋼，并采用大鍛壓比(大于4)進(jìn)行鍛造后方可投入使用。模具應(yīng)采用真空熱處理，并且回火必須4次以上，模具的硬度為HRC45～47。這是與6×××系鋁合金型材的傳統(tǒng)擠壓模有區(qū)別的，傳統(tǒng)的分流擠壓模上、下模硬度為HRC49～51。硬度過高，模具容易橋裂；硬度過低，模具容易下陷變形。

4 結(jié)束語

7049鋁合金是高強(qiáng)度鋁合金，擠壓成形時(shí)的擠壓力大，要保證和提高模具的使用壽命，最有效的方法是合理的設(shè)計(jì)模具的結(jié)構(gòu)，通過模具結(jié)構(gòu)改善模具的受力狀態(tài)，調(diào)整擠壓力并降低擠壓力，從而達(dá)到提高模具的使用壽命。采用階梯分流和斜面入料的方式，同時(shí)分流橋采用一端碗形、一端水滴形的結(jié)構(gòu)方式，使金屬在擠壓過程中依次分流，分流比可取得較大的數(shù)值并且從大至小形成一定的梯度，可避免擠壓力最大峰值的形成，同時(shí)大大降低擠壓力。其次是模具材料與熱處理的合理選擇也至關(guān)重要。只有模具結(jié)構(gòu)、材料與熱處理三者優(yōu)化結(jié)合才能使模具達(dá)到正常的使用壽命。實(shí)踐表明，本項(xiàng)目采用的方法對于擠壓高強(qiáng)度鋁合金是有效的，效果明顯，可以推廣。