反向擠壓模具設(shè)計(jì)技術(shù)探討

與正向擠壓相比，反向擠壓可降低擠壓力30～40 (有些資料介紹達(dá)50 )，提高擠壓速度0,5～1倍，提高成品率10~20，制品的尺寸精度高，組織和性能均勻口 ]。對(duì)于航空、航天、兵器以及機(jī)械制造等工業(yè)部門要求組織和性能均勻，嚴(yán)格控制粗晶環(huán)映陷的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，反向擠壓具有非常大的優(yōu)勢(shì)，日益受到各國(guó)擠壓界的重視。然而，眾所周知，反向擠壓也有其明顯的不足 。在擠壓過(guò)程中，錠坯與擠壓筒之間無(wú)摩擦形成的死區(qū)很小，難以對(duì)錠坯表面上的雜質(zhì)、臟物及缺陷等起阻滯作用，導(dǎo)致制品表面出現(xiàn)起皮、氣泡等缺陷，降低了擠壓制品的表面質(zhì)量。

本文分析了反向擠壓時(shí)金屬變形流動(dòng)的特點(diǎn)，從模具設(shè)計(jì)角度探討了如何增大“死 區(qū)”，改善制品的表面質(zhì)量。

在正向擠壓時(shí)，位于模子與擠壓筒交界的環(huán)形區(qū)域的金屬，由于受到擠壓筒和模子端面的摩擦及冷卻作用，變形抗力增高，承受的摩擦阻力大，在基本擠壓階段不參與流動(dòng)，形成了一個(gè)前端難變形區(qū)，即所謂的“死 區(qū)” (如 圖 1中 S：所示 )。死區(qū)的存在，能夠阻礙錠坯表面的雜質(zhì)、臟物及缺陷等進(jìn)入變形區(qū)壓縮錐，有利于提高擠壓制品的表面質(zhì)量，死區(qū)越大，效果越好。圖 1 正向擠壓死區(qū) (S )示意圖

但在反向擠壓時(shí) (如圖 2所示)，模子及模子軸固定不動(dòng)，連接在主柱塞前端的堵頭緊靠在擠壓筒的后面，通過(guò)擠壓墊推動(dòng)錠坯與擠壓筒同步前進(jìn) 。由于錠坯與擠壓筒之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故錠坯表面與擠壓簡(jiǎn)壁間不存在摩擦，塑性變形區(qū)很小 (壓縮錐高度小 )且集中在?？赘浇?，變形區(qū)后面的金屬不發(fā)生任何變形。變形區(qū)形狀近似于圓筒形，筒底為曲面且曲率半徑很大。錠坯邊部無(wú)激烈摩擦而產(chǎn)生的剪切變形層，不存在錠坯中心層與周邊層區(qū)域間的相對(duì)位移，金屬流動(dòng)較正向擠壓時(shí)均勻得多。在塑性變形區(qū)中，模子對(duì)金屬作用的力使得金屬表面層承受擠壓筒壁作用的摩擦力，其方向與金屬流出?？椎姆较蛞恢拢挥心Ｃ娴哪Σ磷枇袄鋮s作用而產(chǎn)生了一個(gè)薄層的“死 區(qū)”(如圖2中S所示 )由于反向擠壓形成的死區(qū)很小，難以對(duì) 錠坯表面層的雜質(zhì) 、臟物及缺陷等起到阻滯作用，使其流出模孔進(jìn)入制品表面，形成起皮和氣泡，在低倍組織上出現(xiàn)成層 。根據(jù)在5OMN擠壓機(jī)的 ?420 mm 擠壓筒上，用平模 (如圖2所示 )反向擠壓2Al1、2A12、2A50、7A04臺(tái)金棒材的實(shí)踐，單孔反擠? 95～160mm棒材 。成層深度為0．1～1．0 mm：多孔反擠如 ?55～90 mm棒材 ，成層深度為0．2～0．6 mm。

通常反向擠壓使用的模子均為平模，其死區(qū)的形成主要是由于模子端面有限的摩擦和冷卻作用，死區(qū)很小。且模子端面越光滑，死區(qū)就越小，如圖3所示，模具設(shè)計(jì)時(shí)在其工作端面上。

設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái)。由于這個(gè)凸臺(tái)的阻擋作用，擠壓過(guò)程中、在模子端面處就 會(huì)形成一個(gè)較大的死區(qū)，從而增大了死區(qū)的體積。凸臺(tái)就象大壩一樣，將從邊部流向?？追较騺?lái)的錠坯表面層的雜質(zhì)、臟物及缺陷等擋在下邊，能有教的阻滯其流出?？走M(jìn)人制品表面，在擠壓結(jié)束時(shí)，隨著壓余被切除。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，采用這種結(jié)構(gòu)形式的模子，單孔反擠2A12合金，? l2O mm棒 材．其表面質(zhì)量良好，低倍組織設(shè)有發(fā)現(xiàn)成層 。但這種結(jié)構(gòu)的模子分離殘料較平模困難 (特別是利用沖頭分離殘料時(shí) )，殘料也多。

如圖4所示，模具設(shè)計(jì)時(shí)將模子工作端面設(shè)計(jì)成帶有一定錐角的斜面。這個(gè)斜面對(duì)金屬產(chǎn)生的摩擦阻力可分解為兩個(gè)方向的分力：一個(gè)是垂直于金屬?gòu)哪？琢鞒龅姆较?，指向擠壓筒壁；另一個(gè)與金屬?gòu)哪？琢鞒龇较蚱叫?，方向相同。由于沿?cái)D壓方向的分力，其方向與金屬流出?？椎姆较蛳嗤?，迫使金屬不能沿著模面向后產(chǎn)生倒流 。從而在模子端面上也 可以形成一個(gè)較大的死區(qū)，阻滯錠坯表面層的雜質(zhì)、臟物及缺陷等進(jìn)入?？琢飨蛑破繁砻?。這種結(jié)構(gòu)的模子分離殘料較帶凸臺(tái)模子容易，但是也由于這個(gè)分力的作用，在擠壓過(guò)程中金屬易從模子與擠壓筒內(nèi)孔的間隙中流出，擠壓結(jié)束后，不利于模子從擠壓筒中退出(實(shí)際為模子不動(dòng)，擠壓筒后退 )，且需增加清筒操作次數(shù)，影響生產(chǎn)效率 。

如圖5所示，模具設(shè)計(jì)時(shí)，將其工作端面的邊部設(shè)計(jì)成碗形，也可以形成一個(gè)較大的死區(qū)。擠壓時(shí)，將錠坯表面層的雜質(zhì)、臟物及缺陷等裝入其 中，防止流出?？走M(jìn)入制品表面。擠壓結(jié)束后，髓壓余被切除。而且擠壓時(shí)，在變形金屬的作用下，模子端面邊部受壓力后會(huì) 向外產(chǎn)生彈性變形，并將擠壓筒內(nèi)孔密封，防止金屬?gòu)哪Ｗ优c擠壓筒的間隙中流出，可減少較為麻煩的清筒操作次數(shù)，提高生產(chǎn)效率 。擠壓結(jié)束后，作用在模 子端面上的壓力消失，模子端面形狀又得以恢復(fù)，模子與擠壓筒的間隙也得到恢復(fù)，有利于模子從擠壓簡(jiǎn)中退出 。另外，在模子彈性恢復(fù)力的作用下，也有利于擠壓殘料的分離但是，這種結(jié)構(gòu)的模子，易將氣體封閉在模子端面上，對(duì)制品表面又會(huì)帶來(lái)不利影響，需采取專門的排氣措施 。除上述之外，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，采取其它一些措施也可以增大死區(qū)，阻滯錠坯表面層的雜質(zhì)、臟物及缺陷等進(jìn)入變形區(qū)壓縮錐而流向制品表面，改善反向擠壓制品的表面質(zhì)量。如 ：增大模子工作端面的粗糙度，增大摩擦，從而可增大死區(qū)的體積。對(duì)模子進(jìn)行降溫處理 (如通循環(huán)水進(jìn)行冷卻 )，可使與模子端面接觸部分的金屬的溫度降低，變形抗力提高，不易產(chǎn)生塑性流動(dòng)。同時(shí)，在降低模面溫度的時(shí)候，也會(huì)使出模孔的溫度降低，有利于提高擠壓速度 。

與正向擠壓相比，反向擠壓具有許多優(yōu)點(diǎn)，但反向擠壓制品的表面質(zhì)量 比正向擠壓的差是其主要缺點(diǎn)之一。以上提出的反向擠壓模具設(shè)計(jì)方法，均能增大反向擠壓時(shí)的死區(qū)體積，阻礙錠坯表面的雜質(zhì)、臟物及缺陷等進(jìn)入變形區(qū)而流向制品表面，提高反向擠壓制品的表面質(zhì)量 。

鋁加工編輯部：CJM

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