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铝型材挤压生产金属流动与模具分析

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    挤压成型是对挤压筒内的金属坯料施加外力,使之克服模具的摩擦阻力与金属的变形抗力,从特定的模孔中流出,获得所需断面形状、尺寸及性能加工制品的一种塑性加工方法。一般来说,要获得一副结构理想的模具,在挤压条件已经确定的情况下,一是要使模具结构具有足够强度。因铝型材挤压是处在高温、高压及复杂摩擦阻力等加工条件下成型,模具可能发生塑性变形而损坏;二是要合理设计模孔工作带,使型材出口的金属流动速度基本均匀,若模孔工作带设计不当,型材各部分流出模孔的速度就不均匀,挤压出的制品就会产生扭拧、弯曲、平面间隙大等缺陷,严重影响制品的质量。

    01

    前言

    根据铝型材挤压筒内金属的应力应变状态、挤压方向、润滑状态、挤压温度、挤压速度、工模具的种类或结构、锭坯的形状或数目、制品的形状或数目等的不同,挤压的分类方法也不同,各种分类方法如表2-1所示。

    02

    铝型材填充挤压阶段金属流动特点

    为了便于把锭坯装入挤压筒内,通常使锭坯直径小于挤压筒内径。在铝型材挤压时,由于挤压锭坯小于挤压筒内径,因此在挤压轴向压力的作用下,根据最小阻力定律,金属首先向锭坯与挤压筒之间的间隙部分流动,直至充满挤压筒,并充满模孔,即产生镦粗,这一阶段为填充挤压阶段。

    在选择锭坯直径时,应考虑锭坯直径偏差和加热后热膨胀,以及加热锭坯对挤压筒内表面的粘结作用。在挤压生产中,一般取K=1.06-1.10。小挤压筒一般取上限,大挤压筒一般取下限,K值过小,加热后的锭坯与挤压筒内腔间隙较小,向挤压筒内送锭坯较困难。K值过大,锭坯的对中性差,影响填充过程中锭坯的表面品质,可能增加制品低倍组织和表面上的缺陷。

    03

    铝型材填充挤压阶段金属流动与受力分析

    铝型材填充挤压阶段,从挤压轴对挤压筒内的锭坯施压开始,锭坯在挤压筒内镦粗并充满挤压筒和模孔,挤压力直线上升到最大值为止,属于填充挤压阶段,如图2-27中1区部分。金属流动方式与挤压机类型(立式挤压机或卧式挤压机))和挤压模的形状(平模或锥模)有关。

    图2-28所示为采用平模和圆锥模挤压时锭坯在填充挤压阶段金属流动示意图。在立式挤压机上锭坯装入挤压筒内,设定锭坯与挤压筒内壁存在均匀间隙的情形。在立式挤压机上挤压可以认为金属流动基本上属于这两种情况。

    图2-29所示为在卧式挤压机上锭坯在填充挤压阶段金属流动示意图。

    卧式挤压机锭坯在填充挤压阶段的流动行为与立式的相近,但是卧式挤压机上锭坯在装人挤压筒内由于自重必然与挤压筒产生面接触,并随填充过程的继续,锭坯与挤压筒接触面越来越大,填充过程的变形除向锭坯与挤压筒间隙流动之外,接触面上会逐渐产生沿锭坯周向的流动趋势。

    铝型材、棒材生产工艺流程

    当锭坯原始长度与直径之比小于4:1,即镦粗比在合理范围内时,锭坯在填充阶段的流动过程在轴向压力作用下首先形成单鼓形,金属向锭坯与挤压筒内壁间隙流动的同时有一小部分金属流向模孔,随着填充过程的进行,前端面圆周与模具接触的金属逐渐转移到与工作带相接触的表面上,形成前端面侧翻现象。在进入平流挤压阶段后,侧翻的金属成为制品头部的侧表面,由于填充初始阶段头端外圆周金属的流动特点,导致此阶段锭坯头端面金属受到径向附加拉应力的作用。当挤压比较小时,在附加拉应力的作用下制品前端易产生开裂。

    由于受挤压工具的约束作用,挤压的填充过程进行到与挤压筒内壁接触(镦粗)阶段时此过程比圆柱体的自由镦粗过程受力更为复杂,所以金属流动情况与自由镦粗的也不同。当填充阶段进行到侧表面鼓形部分与挤压筒内壁相接触时,由于挤压模的开放状态,其受力情况与挤压垫的封闭状态受力也不同。

    如图2-30(a)为填充进行到一定阶段后,由于模孔开放状态的影响,有部分金属向模孔流动,由于填充阶段的继续,所以在向挤压筒间隙流动的金属与向模孔流动的金属分别受到与流动方向相反的摩擦力,挤压垫片则只受到摩擦阻力。为阻止金属填充筒壁受到摩擦阻力,随着填充过程的进行,锭坯与挤压筒的间隙越来越少,直至坯料全部充满挤压筒时填充挤压阶段结束,这时锭坯内部所受的轴向应力如图2-30(b)所示,由于挤压模开放式的影响,从周边一环形区域内的轴向应力大,正对着模孔的金属轴向应力减小。

    锭坯在填充过程中直径逐渐增大,使接触面逐渐增大,变形所需的单位压力逐渐上升当锭坯完全充满挤压筒后,导致填充变形所需的挤压力达到最大,如图2-27在挤压力程曲线的I区,挤压力近似于直线上升。

    当采用分流模挤压时,新模第一次挤压或模具经修模以及氮化处理后的第一次挤压,填充阶段包括两个过程:第1过程与上述所述挤压填充过程基本相同;第2过程为焊合腔内金属的填充过程。

    04

    铝型材填充挤压阶段的主要缺陷

    铝型材填充挤压过程控制不当,会给制品带来最终缺陷。当锭坯的长度与直径之比过大时锭坯在挤压筒内的填充(镦粗)过程与圆柱体的自由镦粗类似,也会在沿锭坯长度方向产生双鼓形变形,如图2-31所示。

    图2-31长锭坯填充时的双鼓变形由于挤压筒密封的影响,首先在挤压筒的中部与锭坯形成一个封闭空间,气体停留在封闭空间中,随着填充过程的进行,封闭空间体积减小,气体压力增加,填充过程结束后缩气体会进入锭坯表面的微裂纹中,这些携带着气体的微裂纹通过模孔时有的被焊合,则在制品表面形成气泡,未能焊合的微裂纹流出模孔后形成起皮。

    有时由于填充过程操作不当,即使锭坯的长径比在理想范围内,填充过程形成单鼓形,也可能在某一局部形成带气的封闭空间,同样会给挤压制品带来气泡、起皮缺陷。填充系数越大,锭坯与挤压筒内壁间隙越大,产生缺陷的可能性越大,且形成缺陷的可能性更严重。因此,一般情况下,希望填充系数越小越好,但必须以锭坯能顺利装入挤压筒为原则。解决填充过程给制品带来缺陷的另一个方法是采用锭坯梯温加热法,既坯料在加热时头端温度高、尾端温度低,填充时头部先变形,而筒内的气体通过垫片与挤压筒之间的间隙逐渐排出,如图2-32所示。

    由于制品头端为填充阶段锭坯金属填充形成,所以一部分头端制品未变形或变形很少即流入模孔。这种变形特点导致制品头部的组织为铸造组织或未变形组织,性能较差,所以挤压制品需切除头部,填充系数越大或挤压系数越小,头部制品需切除的越大。

    铝型材挤压时金属流动特点

    填充挤压阶段的缺陷也容易形成挤压棒材头端开裂现象,如图2-33所示,这是由于填充挤压阶段金属头端的流动与受力特点有关,如前所述,由于填充挤压时前端面外圆周金属流向模子工作带表面,形成制品头端的侧表面,从而在前端面中心形成一个附加拉应力,当拉应力超过此温度下金属的断裂强度时,即形成头部开裂。

    05

    铝型材挤压时金属流动特点

    铝型材挤压时金属在挤压筒内所受的应力和应变十分复杂,并随挤压方法及工艺条件的不同而变化,研究金属在挤压变形过程的流动行为具有极为重要的实际意义。挤压制品的组织、性能、表面品质、外形尺寸、尺寸精度、成品率、挤压工模具的设计、工模具的使用寿命及生产效率等均与金属流动有十分密切的关系。

    各种挤压方法在生产铝及铝合金型、棒材中的应用见表1-9

    挤压变形过程中金属的流动行为特点,可以用解析法和实验法两大类方法进行研究,两种方法适用于研究不同的对象。

    为了研究问题方便,现以单孔锥形模正向挤压圆棒时的简单挤压过程为例进行扼要在简单挤压过程中,作用在锭坯上的外力如图2-26所示。从图中可知,挤压筒内作用分析。

    在锭坯上的有模具及模具工作带表面上的正压力(反作用力)及其所接触面上的摩擦力。在这些外力的作用下,锭坯在变形区内形成强烈3向压应力状态。即如图2-26所示,选取变形区内中心线上分析,此处所受的应力为径向压应力a、圆周切向压应力σQ和轴向压应力a=此变形区内的变形状态为径向压缩变形δ、切向压缩变形δ。和轴向延伸变形8。

    常用铝型材的铝合金牌号、供货状态见表1-4;见表1-5。

    根据塑性变形理论,在轴向对称状态下,例如挤压过程,其圆周方向与径向的应力和变形理论上可以认为是彼此相等的,根据金属在变形过程中的流动特点,为了研究问题方便,通常把挤压时金属变形过程大致分为3个阶段:填充挤压阶段,平流压出阶段,紊流压出阶段。

    这3个阶段分别对应于挤压行程曲线上的I、Ⅱ、Ⅲ区,如图2-27所示。

    06

    铝型材的品种,规格与分类

    铝型材的断面尺寸主要是根据用户的要求而定。常规挤压条件下6063铝合金型材的较为合理的挤压尺寸范围见图1-1。图中曲线表示其最小可挤压壁厚尺寸。最小可挤压壁厚,是指在一般情况下综合考虑合金的可挤压性、挤压生产效率、模具寿命以及生产成本等诸多因素而言的。

    不同的合金其最小可挤压壁厚不同,最小壁厚系数6空心型材实心型材见表1-2。将表1-2中的最小壁厚系数乘以6063铝合金型材的最小壁厚即4为各种合金的最小可挤压壁厚。最小可挤压壁厚还与制品的断面形状以及对表面品质(粗糙度等)的要求有关。所以,由图1-1及表1-2所确定的最小可挤压壁厚只不过是常规条件下的一型材外接圆直径/mm个大概值。实际上,采用一些新的挤压图1-1,6063铝合金型材最小壁厚挤压生产范围技术,可以成形壁厚尺寸更小的制品。例如,采用硬质合金模具,一些特殊的薄壁精密型材的成形也是可能的。

    铝型材的最大可成形断面外形尺寸主要取决于挤压设备的能力。一般情况下,硬铝合金实心型材的外接圆直径的上限为300mm,其余合金与6063合金的大致相同。采用超大型设备,可以生产外接圆直径在350-2500mm及以上的大断面型材。


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