鋁合金連桿熱擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)

鋁合金連桿熱擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)

1高壓開(kāi)關(guān)類零件的制備方法高壓開(kāi)關(guān)零件種類繁多，變更頻繁。扶手是戶外收割機(jī)的重要零件。需要高水平的電導(dǎo)率、導(dǎo)熱性和良好的力學(xué)性能，以減少能源消耗，提高產(chǎn)品可靠性。鋁合金材料不僅導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、力學(xué)性能優(yōu)良,而且比強(qiáng)度高、密度小,因而在高壓電器零部件的制造中,除采用銅及其合金外,大量采用鋁合金。綜合性能要求較高的一類功能件,如拉桿、接頭、導(dǎo)體等,通常采用鋁合金擠壓棒經(jīng)切削加工制成,常用的合金材料是2A50。2A50合金在熱態(tài)下具有良好的可塑性,工藝性較好,并可通過(guò)鑄造、擠壓等變形工藝改善組織,提高性能,還可以作熱處理強(qiáng)化。因而,目前已成為高壓開(kāi)關(guān)類零部件的首選材料。擠壓過(guò)程中變形材料的流變特征、應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)等參數(shù)不僅對(duì)擠壓制品的組織與性能有顯著影響,而且與擠壓工模具的受力、磨損及使用壽命有著密切聯(lián)系。熱擠壓時(shí)擠壓筒、擠壓桿、穿孔針及擠壓模具等均與工件直接接觸,受力復(fù)雜,磨損嚴(yán)重。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)擠壓工藝、擠壓工模具的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。高速成形是現(xiàn)代材料加工行業(yè)追求的目標(biāo)之一。在保持?jǐn)D壓溫度和變形程度不變的情況下研究溫度、擠壓速度對(duì)變形過(guò)程的影響,對(duì)快速擠壓技術(shù)的發(fā)展意義重大。因此,本文采用Deform-2D有限元軟件,對(duì)鋁合金拉桿熱擠壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了溫度、擠壓速度對(duì)變形過(guò)程中熱力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。2復(fù)合擠壓成形工藝?yán)瓧U形狀如圖1所示,擠壓可以采用正擠壓或反擠壓的方法成形桿部。由于拉桿變形程度大,且桿部長(zhǎng)徑比大于7,正擠壓時(shí),金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相同,坯料與凹模之間存在摩擦力,則擠壓力中不僅有變形力,還包括該摩擦力。在坯料與凹模溫度過(guò)高及潤(rùn)滑不良時(shí),因坯料與凹模之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),會(huì)進(jìn)一步增大擠壓力。由于零件的桿部較長(zhǎng),直接頂出時(shí)容易失穩(wěn)彎曲;若間接頂出,模具結(jié)構(gòu)會(huì)更復(fù)雜,操作困難。采用一次復(fù)合擠壓成形工藝,即桿部反擠頭部正擠的復(fù)合擠壓成形工藝,可以解決上述問(wèn)題。拉桿零件材料為2A50(LD5)合金,屬于A1-Mg-Si-Cu系,具有良好的鍛造性能,在熱態(tài)下易變形,且抗蝕性能、焊接性能和切削性能良好,中等強(qiáng)度,塑性很好。3建模和模擬條件熱擠壓模型如圖2所示,在生產(chǎn)過(guò)程中,將圓柱形毛坯表面涂上水劑石墨,然后感應(yīng)加熱。模具溫度250℃,凸模、凹模的摩擦系數(shù)均取0.4。3.1對(duì)鑄錠和制品的過(guò)燒合金擠壓時(shí),加熱溫度一般為合金熔點(diǎn)絕對(duì)溫度的0.75～0.95倍。加熱溫度對(duì)擠壓件的性能有很大的影響,金屬塑性變形過(guò)程中,80%以上的變形能以熱能的方式釋放,從而引起變形體的溫度升高,變形速度越快,單位時(shí)間內(nèi)的變形量越大,發(fā)熱量越多,溫升越顯著。如加熱溫度過(guò)高就會(huì)產(chǎn)生過(guò)燒,過(guò)燒就是當(dāng)加熱溫度高于低熔點(diǎn)共晶的熔點(diǎn),使低熔點(diǎn)共晶和晶界復(fù)熔的現(xiàn)象。合金過(guò)燒后,低熔點(diǎn)共晶在晶界上和基體內(nèi)復(fù)熔又凝固,改變了過(guò)燒前該處組織緊密相聯(lián)的狀態(tài),對(duì)合金的連續(xù)性造成了普遍損害,對(duì)合金的力學(xué)性能、疲勞和腐蝕性能等都產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因?yàn)楹辖疬^(guò)燒不能用熱處理或加工變形消除,任何鑄錠和制品發(fā)生過(guò)燒都為絕對(duì)廢品。2A50合金的過(guò)燒溫度為530℃～545℃,允許加熱的最高溫度為520℃。因此,本文中分別對(duì)500℃、495℃、490℃、485℃四種初始溫度進(jìn)行了模擬。3.2金屬擠出速度v在熱擠壓過(guò)程中,擠壓速度是擠壓的重要參數(shù),擠壓時(shí)一般較注重金屬的流出速度v,因?yàn)関值取決于金屬在擠壓溫度下的塑性,以使產(chǎn)品不產(chǎn)生裂紋。本課題中為了研究擠壓速度對(duì)變形過(guò)程的影響,擠壓速度分別取:5、10、20和30mm/s。4結(jié)果和分析4.1初始溫度對(duì)拉拔特性的影響圖3為鋁合金拉桿在不同初始溫度下模擬變形的溫度云圖。由圖3可見(jiàn),在其他條件不變的情況下,擠壓成形后溫度升高分別為16℃、17℃、19℃、23℃,溫升隨著初始溫度的降低而升高,拉桿下端溫度分布相似,最低溫度出現(xiàn)位置相同。高溫區(qū)域大小與初始溫度成正比。模擬過(guò)程中的最高溫度分別為520℃、515℃、513℃、509℃。雖然初始溫度為500℃時(shí)成形后的最高溫度為516℃,但在成形過(guò)程中達(dá)到520℃。在其他情況不變的情況下,坯料加熱的初始溫度為490℃～495℃較為合理。4.2優(yōu)化擠壓速度圖4為鋁合金拉桿在不同擠壓速度下的模擬變形的溫度場(chǎng),可以看出隨著擠壓速度的提高,高溫區(qū)域由下向上擴(kuò)展,擠壓速度越高高溫區(qū)域越大,并且最高溫度也升高到520℃以上,當(dāng)v=30mm/s時(shí)模擬過(guò)程中最高溫度達(dá)到524℃可能產(chǎn)生過(guò)燒。因此,實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)合理控制擠壓速度,以降低鋁合金拉桿的粘膜傾向并防止過(guò)燒。從模擬變形的結(jié)果中可見(jiàn),擠壓速度應(yīng)控制在30mm/s以下。4.3拉伸溫度對(duì)抗力值的影響變形速度同樣會(huì)對(duì)變形體的受力狀態(tài)產(chǎn)生重要影響。圖5為不同擠壓速度下的等效應(yīng)力場(chǎng)。由圖5可以看出,在v<30mm/s的情況下,鋁合金拉桿擠壓時(shí)高應(yīng)力區(qū)主要集中在拉桿下端,最高應(yīng)力點(diǎn)相同。因此,擠壓模具在對(duì)應(yīng)的部位磨損最為嚴(yán)重。最高等效應(yīng)力值隨著擠壓速度的提高而提高。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),因快速擠壓引起的溫度升高可能使鋁合金坯料產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,從而使變形抗力降低。數(shù)值模擬過(guò)程中,沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)再結(jié)晶問(wèn)題,因此,尚待更進(jìn)一步的探討。4.4模具設(shè)計(jì)與熱處理圖6為鋁合金拉桿在不同擠壓速度下的熱擠壓變形模擬的等效塑性應(yīng)變場(chǎng)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,拉桿外表面的等效塑性應(yīng)變高于內(nèi)部的等效塑性應(yīng)變,這主要是因?yàn)椴牧吓c擠壓模具工作帶的摩擦產(chǎn)生了較高的剪切應(yīng)變。在實(shí)驗(yàn)的速度變化范圍內(nèi),塑性應(yīng)變隨著擠壓速度的提高而有所升高,當(dāng)v<20mm/s時(shí),塑性應(yīng)變變化程度還不大,但是在v=30mm/s時(shí),塑性應(yīng)變升高到4.57,這說(shuō)明有粘模傾向。針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)合理的入模角度和工作帶寬度,便于金屬流動(dòng),以盡量減小金屬與模具間的摩擦力,降低擠壓力。凹模尺寸與頂件器應(yīng)有斜度,工作中保持凹模與制件有一定的摩擦力,又不影響開(kāi)模后制件脫模,同時(shí)應(yīng)注意模具的預(yù)熱。保證錐面摩擦的均勻,以避免在擠壓過(guò)程中拉桿頭部的偏移。在反擠過(guò)程中要保證坯料與模具的清潔度和間隙尺寸,減少夾層和氣泡。由于凸模為空心結(jié)構(gòu),截面積小,單位擠壓力高,又長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫狀態(tài)下,易變形,因此,應(yīng)采用熱強(qiáng)度較高的3Cr2W8V材料,熱處理硬度50～55HRC。凹模采用單層預(yù)緊結(jié)構(gòu),凹模材料5CrNiMo,熱處理硬度44～84HRC。凹模預(yù)緊圈要求不高,材料選40Cr就可以了,