铝合金热挤压成形模具粘附行为研究获奖科研报告

铝合金热挤压成形模具粘附行为研究获奖科研报告【摘

要】挤压是指装入挤压筒内的金属锭坯在挤压轴的强推力作用下，在挤压筒内产生塑性变形，从挤压筒一侧特定的模孔中以一定速度流出，从而获得特定形状、结构和精度的金属制品的加工方法.在铝型材的生产加工过程中，挤压加工相比于其他加工方法（锻造、轧制、拉拔等），具有金属变形能力高、可生产产品范围广、生产灵活性大、生产成本低等优点。

【关键词】粘附;模具;热挤压;铝合金

引言

长期以来，铝合金壳体铸造缺乏过程控制，尤其是熔化精炼及浇注过程的工艺参数受人为因素影响较大。同时，壳芯独立定位导致缺少维度方向控制，模具采用销子压板连接导致缺少结构性控制，造成铸件尺寸超差严重。为了达到提质降本增效的目的，创新团队提出了对铸造过程进行集成控制的新思路，即以复杂铝合金铸件重点工序为突破口，首先，建立机器人浇注工作站，实现对铝合金熔化、精炼、浇注过程的自动控制;其次，通过配套制芯单元、结合机器人取芯、下芯夹具，实现对制芯、组芯及下芯过程的自动控制;最后，通过全新的定位限位结构，提高金属型模具的自身定位精度，并设置限位信号，实现合模、开模、顶出、取件过程的自动控制。

1铝合金热挤压成形模具工艺

铝合金桥形件常作为主要的承载部件，广泛应用于航空航天、飞机等诸多领域。挤压作为一种高效率、低能耗的少无切屑加工工艺，是铝合金成形的主要方法。在油压机上进行铝合金制件挤压成形，由于变形速度慢，坯料与模具接触时间长，同时挤压时坯料剧烈的塑性流动造成坯料与模具接触条件复杂，高压下润滑膜出现破裂，润滑剂不能填充整个挤压过程，造成新鲜裸露的金属坯料与模具表面直接接触，原子之间相互吸引而发生熔合粘着。热挤压成形过程中，挤压模具与毛坯发生粘着问题对模具使用寿命和制件质量影响很大。相互接触金属间的粘着与金属之间相互接触的固溶或合金化的能力有关，当固溶度较大的Fe-Al金属配对（Al在Fe中的固态溶解度高达22%）时，铝表现出很强的粘着性，使得工模具表面的粘铝现象表现得更加严重化。铝合金的粘附行为是影响产品质量和模具寿命的主要因素之一，主要表现在铝合金挤压、铝合金热轧轧辊、铸造轧制铝合金轧辊以及蜂窝/中空铝合金型材高速加工时刀具粘结磨损等多个领域。

2有限元建模

2.1三维模型创建

挤压模型是根据现有的12.5t双动反向挤压机相关参数建立的，为了便于接触单元生产，模拟过程直接从挤压成型过程开始模拟[4].根据相关数据及模具图纸利用三维建模软件SolidWorks分别创建挤压筒、挤压模具、穿孔针的三维实体模型，并在SolidWorks软件上进行装配后导出为stl格式文件，再导入到DEFORMV6.1中用于挤压模拟.挤压三维模型相关参数见表1.

2.2试验参数及过程

高速M2钢和热作为模具材料H13，产生40mm的旋流，然后加工成φ30mm×20mm的试验片，以进行更硬的回流;6061铝试验项目的尺寸为×20mm。在设计的装配板上执行不同温度，在不同变形下进行压缩试验。变形量为10%、20%、30%和40%的技术参数分别为400°C、450°C、500°C和550°C。采用超声波低频清洗铝样和注射模，用电子分析的天数进行干燥和称重，每一天称为三次迭代，以确定平均值。然后利用试验机在各种技术参数下测试变形。试验冷却完成后，将样品从铝样品和模具样品中分离出来，对铝样品进行再清洁、干燥，以电子方式分析天平，收集和计算试验前后的不符标准品;对于M2或。H13钢还需在无乙醇的杯子中进行三次超声波清洗，然后用数字JSM-5610LV扫描电子显微镜（SEM）观察样品的外观。同时对模具型态进行XDR推导分析。

2.3网格划分

将利用SolidWorks画好的挤压锭坯及工件导入到DEFORMV6.1，并进行工件间位置设定后，对该反向模拟挤压模型进行网格划分.根据锭坯形状和大小，采用DEFORMV6.1中的网格相对划分方法，将铝合金锭坯划分为70000个网格，其他参数使用DEFORMV6.1的缺省值，即单元表面曲率设为0.5，应变分布、温度分布和应变率分布均设置为0.25.对于不发生塑性变形的其他刚体工模具，采用DEFORMV6.1中的相对划分方式，设置穿孔针单元数为10000，挤压筒单元数为8000，挤压外模单元数为10000.

3试验结果与分析

3.1同变形条件下铝合金质量转移情况

不同温度和变形量下铝合金粘附在高速钢试样上的变化情况。从图中可以明显看出：粘附现象随着变形温度升高逐渐严重;同一变形量下，试验范围内随着温度的升高，铝转移量几乎呈现先减小再增加的趋势，其中变形温度450℃时粘附情况最轻;同一温度下（450℃除外），试验范围内变形量越大，铝转移量逐渐增多，变形量为40%粘附现象极其明显，即便在较小的变形量下（变形量10%）也会出现严重粘附。变形量为30%和40%时，随着变形温度的升高，铝合金所产生的铝转移量先降低后增加，且在450℃时铝转移量最少，分别为10-3mg/mm21.11和10-3mg/mm26.85。因此，当变形量较小（≤30%时），成形力满足的条件下降低成形温度，当变形量大于30%时，应控制成形温度在450℃以内，可以避免出现严重粘附现象。针对变形温度450℃时粘附情况最轻的现象，有文献[20]资料显示，铝合金在高温压缩变形时，试样内部发生了不同程度的动态再结晶和晶粒细化，当温度为450℃左右时，试样中心晶粒的平均晶粒尺寸相比于其他温度时都有所减小。因此，在450℃左右条件下，铝合金的晶粒得到细化，平均晶粒尺寸变小，铝合金试样的强度和硬度升高，铝转移量减少，工模具表面就不容易发生严重的铝粘附现象。

3.2复杂铸造壳体内部组织缺陷控制技术

基于信息化集成控制，本项目打破了“热工不可控因素多，生产完全靠工人”的传统思维模式，首次实现了铸件生产过程的自动控制，即铝液定量、流场定速、浇注定时和凝固定向。生产的铸件通过严苛的质量检查和性能測试，平均合格率达到90%以上且过程稳定，生产效率提高了4倍。

结束语

综上所述，不同的模具材料