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6063铝合金挤压型材常见缺陷及其解决办法
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铝及铝合金管材反向挤压法 反向挤压时, 金属制品的流动方向与挤压轴的运动方向(模轴的相对运动方向)相反的挤压方法, 叫做反向挤
&挤压工艺资料汇总
管材反向挤压法
反向挤压时, 金属制品的流动方向与挤压轴的运动方向(模轴的相对运动方向)相反的挤压方法, 叫做反向挤压法, 简称反挤压。在现有上实现反向挤压的方法主要有带堵头的挤压方法和采用双挤压轴的挤压方法两种。这两种反向挤压方法的工作示意图如图2-6所示。
采用双挤压轴挤压时,&先将挤压轴7退回原来位置,&并将挤压筒2也退回到最右边的位置,&从挤压筒的左边装入铸锭1,&而后再把挤压筒推到最左边的位置(具体位置按铸锭长度来确定),&这时开动挤压机的主缸,&使挤压轴7向右前进开始挤压,&金属在挤压轴7的压力作用下,&从模孔4中沿着与空心反挤压轴5相反的方向流动。此时,&由于铸锭和挤压筒之间存在着很大的静摩擦力,&使挤压筒2随着铸锭1同时前进,&而在他们之间却无相对运动。
采用带堵头的反向挤压时,&先将挤压机上原来的挤压轴卸下,&装上堵头3,&并把装有挤压模的空心反挤压轴5固定在挤压机的压型嘴上。当把铸锭1装入挤压筒2时,&堵头3在挤压机主缸压力作用下,&推动挤压筒2铸锭1同时前进,&迫使金属从模孔4中沿着与空心反挤压轴5相反的方向流出而形成制品6。挤压过程结束后,&在挤压筒回程缸的推动下,&使挤压筒和堵头退回,&开动压型嘴,&把空心反挤压轴拉出,&用锯或专用剪刀将挤压残料切除后,&则可重复进行下一个铸锭的挤压操作。
现代反向挤压机均设有双挤压轴,&即挤压轴和模子挤压轴(简称模轴)。挤压时模子挤压轴固定不动,&挤压筒紧靠挤压轴。在主柱塞和挤压筒柱塞力的作用下,&挤压轴和挤压筒同步向前移动,&而模轴逐步进入挤压筒内进行反向挤压。反向挤压时铸锭表层与挤压筒内衬之间无相对运动,&从而改变了金属在挤压筒中流动的力学条件,&降低了变形的不均匀性和挤压力。由于金属流动均匀,&铸锭外表层会完全进入挤压制品表层。
反向挤压机充分考虑到挤压工艺和产品品质要求,&采用了专门设备和技术:&铸锭表面切削加工;&铸锭梯度加热和顺次排气;&模具的装配和挤压筒的清理;&管材生产时穿孔针拉力显示和保护;&挤压筒加热温度的均匀分布;&过程控制和控制系统(PICOS);&穿孔针自动清理、&润滑和修针技术;&保证挤压中心精度;&残料分离技术等。
根据专用反挤压机设备结构的特点,&反向挤压机可分为中间框架式、&挤压筒剪切式和后拉式三种。中间框架式挤压机其特点是:&前梁和后梁固定,&通过4根张力柱连接成一个整体。在前梁和挤压筒移动梁之间安装有残料剪切用的活动框架,&剪刀设置在活动框架上。挤压筒清理是在残料推出时由专门的挤压环来完成,&这种型式的挤压机对固定模、&闷车铸锭的处理比较方便,&也易于兼作正向挤压机。挤压筒剪切式挤压机其特点是:&前横梁和后横梁固定,&通过4根张力柱连接成一个整体。在挤压筒移动梁上,&安装有残料剪切装置,&这种结构仅应用于反向挤压机。后拉式反向挤压机其特点是:&前梁和后梁是通过4根张力柱连成一个整体的活动梁框架。
反向挤压法的特点是:&铸锭与挤压筒之间无相对运动,&因而在铸锭表面和挤压筒之间不产生摩擦力,&变形区靠近模孔附近,&与正向挤压法比较,&大大地降低了所需的挤压力,&提高了挤压速度,&金属流动均匀,&制品组织和性能均匀,&可减少甚至消除粗晶环缺陷,&几何废料少等。由于金属流动均匀,&铸锭外表层会完全进入挤压制品的表面。因此,&为了保证产品的表面品质,&对铸锭的表面品质要求极严,&铸锭表面必须进行加工。目前,&生产时的空心铸锭均采用挤压加热前的车皮和镗孔工艺,&主要是考虑管材壁厚偏差要求。由于反向挤压使用了空心模子挤压轴(考虑到其受压强度要求),&挤压制品的外径受到限制,&因此反向挤压制品的最大外径一般比正向挤压的小30%。
目前,&反向挤压管材多采用固定针无润滑工艺,&铸锭内表面直接与穿孔针相接触,&挤压过程中穿孔针表面会均匀粘满一层金属,&靠铝的自身润滑作用重新形成制品的内表面。只要保证铸锭内表面的清洁和光洁,&管材内表面一般接近穿孔挤压工艺的光亮内表面,&基本上不产生内表面擦伤废品,&但是生产时穿孔针所受到的摩擦力较大。因此,&当生产不同合金和规格的管材时,&穿孔针要进行强度校核。管材反向挤压时应考虑以下几个方面的技术和品质特性:&管材的壁厚不均,&表面气泡,&挤压中心(即设备对中精确度),&挤压工具的强度和铸锭的品质等。
反向挤压法的主要优缺点是:&
①挤压时,&铸锭与挤压筒之间无相对摩擦,&与正向相比可以降低挤压力20%~40%;&
②制品尺寸精度高,&可采用长铸锭挤压;&
③制品力学性能和组织均匀,&可有效消除和减小粗晶环缺陷;&
④挤压速度提高1~1.5倍;&
⑤残料减少30%以上;&
⑥铸锭可在较低温度下挤压,&生产效率高,&产品成品率提高8%~10%,&节省能耗约20%;
⑦制品规格受模轴内径尺寸限制;&
⑧设备结构复杂,&一次投资比正向挤压的高30%;&
⑨铸锭表面要求高,&必须进行车皮、&镗孔或热剥皮;&
⑩辅助时间长。&
由于反向挤压具有以上特点,&所以特别适合挤压硬合金及尺寸精度高、&组织均匀、&且无粗晶环的制品。
2.1.3&铝及其他挤压法
铝及铝合金管材的其他挤压法有:&冷挤压法、&康福姆挤压法、&液体静压力挤压法、&侧向挤压法等;&
1)冷挤压法
冷挤压法是管材生产中应用很久的一种挤压法,&适应于生产中、&小规格的薄壁管材。
冷挤压铸锭或毛坯表面应涂上润滑油,&在室温条件下装入挤压筒,&有时为了降低挤压力,&对某些高强度的铝合金也可以将铸锭或坯料加热到100℃左右再装入挤压筒,&对于装饰用的型、&管材等,&可将铸锭和毛坯浸于过冷的液态溶液中以降低其温度到零下40~50℃,&再立即装入挤压筒。管材冷挤压时,&工模具需要承受比热挤压大得多的压力。由于剧烈的体积变形,&变形热往往会使模具的工作温度达到250~300℃。
冷挤压的主要特点是:&金属的不均匀变形大为减少,&金属变形仅发生于模空附近,&死角区基本消除,&因此产生成层、&粗晶环、&缩尾及其他缺陷的可能性大为减少。冷挤压管材通常采用润滑挤压,&常用的润滑剂有:&高分子再生醇的混合物、&双层润滑剂&&鲸油和硬脂酸纳水溶液、&等等。
采用冷挤压法生产的管材尺寸精度高、&挤压速度快、&制品表面品质高、&生产周期短、&投资少、&成品率可达70%~85%。但冷挤压制品没有挤压效应,&铸锭或坯料的表面品质要求高,&对工模具材料要求高,&工具损耗大。
2)康福姆挤压法
康福姆挤压法是20世纪70年代初研制的一种合金连续挤压法,&适用于生产小直径薄壁长管。
康福姆挤压法主要特点是:&利用送料辊和坯料之间的接触摩擦力而产生挤压力并同时将坯料温度提高到500℃左右。迫使毛坯沿着模槽方向前进,&然后进入模具。康福姆挤压法有单辊送料和双辊送料两种方法。
采用康福姆挤压法可一次生产出尺寸小薄壁的管材,&成品率高(可达到98.5%),&毛料无需加热,&设备造价低,&可连续生产,&生产效率高;&但生产的规格,&品种受到限制。
3)侧向挤压
金属制品的流出方向与挤压轴的运动方向垂直的挤压叫做侧向挤压,&如图2-7所示。侧向挤压主要用于电线电缆行业各种复合导线的成形以及一些特殊的包覆材料成形。&
4)液体静压挤压法
液体静压挤压法又称高压液体挤压。
挤压时, 锭坯借助于周围的高压液体的压力由模孔中挤压出来, 以实现塑性变形, 如图2-8所示。挤压一般是在常温下进行的, 但是在一定温度下甚至高温下也可进行静压力挤压。高压液的压力可以直接用一个填压器将液体压入挤压筒中, 或用挤压轴压缩挤压筒内的液体获得挤压力, 这种方法应用较广。
液体静压力挤压法的主要特点与润滑挤压基本相同,&只是筒内的液体在挤压轴的作用下产生压力,&实现金属变形。
液体静压力挤压法是锭坯与挤压筒内壁不直接接触,&无摩擦,&金属变形均匀,&产品品质比较好。锭坯与模子间处于流体动力润滑状态,&模子磨损少;&制品的力学性能在断面上都很均匀;&液体静压力挤压法所需的挤压力比正挤压小20%~40%;&可实现高速挤压。但在高压下,&挤压轴与模子的密封材料要求较高;&挤压工具材料贵与设计较复杂;&传压介质液体的选用较困难。
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2014产品创新数字化征文：CAE技术在微通道扁管挤压研究中的应用
&&&&&&摘要：本文在说明微通道扁管应用背景的基础上，介绍了扁管的典型挤压生产工艺；基于HyperXtrude软件平台，实现了扁管热挤压的稳态模拟；研究了通过修改模芯工作带长度，实现了在一定范围内等温挤压基础上的等速挤压控制；对CAE技术在零部件加工工艺研究中的应用予以例证。
&&&&&&原标题：2014产品创新数字化征文：CAE技术在微通道扁管挤压研究中的应用&&&&&&原作者：发表时间：
方文利 李凯 唐鼎 李大永 张永宁 孙岳林
来源：e-works
&&& 近年来，世界汽车制造商越来越多地使用铝替代钢，以解决降低重量和提高性能之间的矛盾。铝合金的密度小，比强度高，流动性好，易于加工制造各种不同形状的零件；铝的表面易于形成致密而稳定的氧化膜，铝的耐腐蚀性能较好；铝的导热导电性能优于普通钢材；铝材美观耐用，可表面处理，易于回收利用；向铝中添加一种或几种其他元素后，即构成铝合金材料。不同成分的铝合金材料，具有不同的性能和加工特点。
&&& 应用于各种汽车上的铝制零部件很多，典型的零件包括：发动机系统部件，车体车身系统部件，空调散热器热交换系统部件及其它结构件。铸造铝合金AC3B可以用于制造壳体、薄壳罩类等其它复杂形状零件；典型汽车车身铝合金包括09-T4；汽车车身框架型材多为6xxx及7xxx系铝合金挤压件；散热器系统部件中使用的材料涵盖3xxx，4xxx及7xxx系铝合金。
&&& 将铝合金用于汽车零部件的生产制造需要克服很多困难。为达到零件的性能指标，需要开发新型合金材料，探索先进制造工艺方法，开发合适的成型设备等。铝挤压技术是面向汽车零部件制造的一种成熟的工业生产技术。铝合金的挤压特性好，可通过多种挤压工艺和模具结构进行加工；铝挤压生产出的产品具有截面形状复杂，结构尺寸精密，规格品种多样等特点，能够满足军用和民用工程的需要。
1 微通道铝扁管应用背景
&&& 采用轻质材料和新结构的换热器系统是汽车轻量化的重要途径之一。汽车空调系统中具有热交换功能的重要部件为冷凝器和蒸发器。将微通道多孔扁管应用于汽车空调换热器制造已成为当前汽车空调换热器行业的主流。试验和研究表明，平行流换热器相比于传统的管翅型换热器具有以下优点：1）耐久性能更优，2）换热性能更好，3）重量轻，4）结构紧凑，5）空气侧阻力损失低，6）制冷剂充注量少，7）散热器成品可承受更高的爆破压力。
&&& 平行流换热器由多孔微通道扁管，翅片与集管整体焊接而成，其结构形式如图1所示。微通道扁管是构成平行流换热器的主要部件，用于承载制冷剂。微通道扁管制备技术是制造平行流换热器的关键技术之一，也是平行流换热器应用于汽车空调的前提。
图1 平行流换热器基本结构
&&& CAE技术在挤压生产领域应用广泛，能够获得速度场，温度场，应力场和应变场的分布图，有助于深刻掌握和理解金属的流动和变形行为，为优化工艺过程、提高产品质量提供直接的指导。本文在阐述微通道多孔扁管应用背景的基础上，介绍扁管的制备技术方法；以扁管的热挤压过程为例，详述CAE方法在铝挤压件加工研究中的应用；在HyperXtrude软件平台中，实现热挤压过程的稳态模拟；在分析结果的基础上，通过修改模具结构设计，提高扁管在模孔出口处速度的一致性。
2 微通道扁管挤压制备技术
&&& 微通道扁管具有多个孔径微小的制冷剂通道，通道间相互封闭，壁厚尺寸小。图2所示为本文研究的多孔扁管截面图，该种扁管具有10个孔通道，规格为16&2mm，上下壁厚度为0.38mm，中部筋的厚度为0.36mm。
图2 微通道扁管截面
&&& 工业领域一般选用1xxx系与3xxx系铝合金作为生产多孔微通道扁管的主要用材。1xxx系列铝纯度高，挤压难度相对较小，价格相对便宜；3xxx系铝合金以锰元素为主要合金成分，强度高、耐腐蚀性能好，但价格相对于1系列要高。
&&& 目前，工业领域中有两种成熟的微通道扁管挤压生产方法，康风连续挤压与直推卧式挤压。康风挤压的方式一般只生产宽度规格较小的扁管，也无法满足一些孔数多筋部尺寸小扁管的生产需求；直推卧式挤压可以用于生产现行所有规格的扁管。所以本文只针对直推卧式挤压机的挤压过程进行分析研究。卧式挤压机生产出的产品尺寸精度高，表面质量好。挤压机吨位的选择与扁管的规格、同时挤出扁管的条数相关。如采用一出六挤压生产方式，选用规格在3500吨左右的挤压机为宜。
&&& 卧式挤压生产效率高，铝合金成形质量好。挤压用铝合金属于一种元素含量较多的合金，铝铸锭在热挤压前经过均质化处理；感应加热炉预热铝铸锭至一定的温度后，铝铸锭由硬变软；自动上料装置将铝铸锭输送至挤压机，实现连续生产。挤压成形的铝扁管经表面喷锌处理，水冷，干燥，盘卷，拉伸矫值，锯切等后续工序处理之后，用于汽车空调换热器的装配制造。
&&& 当前，微通道扁管挤压技术的研究热点有：1）开发新型的铝合金材料和模具材料；2）扁管型材新产品设计，充分发挥铝挤压型材的优势；3）开发先进的制模技术和挤压技术，延长模具寿命与提高产品质量；4）研究金属流动规律以及挤压过程中的数值模拟技术。
&&& 挤压制品的质量与模具的设计和制造技术水平品密切相关。为降低挤压阻力，扁管挤压模具设计成双孔分流挤压的形式。铝合金材料在模具内部产生复杂的大变形塑性成形。工程师根据经验，查阅文献和手册，难以掌握挤压过程中各影响因素的作用规律；CAE技术为全面正确的找到影响因素和改善方法提供了依据。
3 微通道扁管挤压数值模拟
&&& HyperXtrude挤压仿真模块，在完整的模型建立和全面的边界条件设定后，能够精确地模拟热挤压过程中材料的流动行为和热传导。挤压过程模拟可以缩减试模次数，减少模具设计时间，降低开发成本。
&&& 图3所示为针对本文中扁管设计的分流挤压模具。模具包含嵌套有模芯的上模和下模。
图3 扁管挤压模具：a-上模，b-下模
&&& 根据结构的对称性，在HyperXtrude中，只需建立1/4对称模型即可，完成网格划分后的有限元模型如图4所示。坯料被分流桥分成两股进入分流孔，随后填充模芯芯针的间隙，并在高温高压环境下焊合在一起；经由模芯和模孔的工作带挤出成形。
图4 有限元模型
&&& 先进的挤压技术体现在合理的模具设计和工艺参数设定上。本文模拟使用的材料参数和工艺参数在表1中列出。
表1 挤压模拟中使用的材料参数与工艺参数
&&& 扁管生产时需对挤出扁管在模孔出口处进行一定范围内的等温和等速控制。如果在模孔出口处温度不均匀，挤出扁管在经过后续工序处理后，扁管的尺寸精度和机械性能难以得到保证。挤出扁管在模孔出口处速度不均匀，易导致挤压型材出现扭拧和波浪，甚至加速模具的磨损。
图5 扁管挤压模拟有限元模型
&&& 本文针对扁管做出了模具的原始设计；基于原始设计进行的挤压分析，采用修改工作带高度的方法，做出模具的优化设计（如图5所示），较好地实现了在等温挤压基础上的等速挤压控制。优化前：工作带等高为0.7mm；优化后：芯针上的工作带高度由模具中心向端部成梯度变化，中心为1mm，端部为0.4mm。
图6 模具改进前后扁管出口处截面温度分布：a-优化前，b-优化后
&&& 图6所示为挤压过程达到稳态时，模芯工作带附近的温度分布云图。由于在模具优化前后的两次模拟中，挤压工艺参数和模型边界条件设置不变，模孔出口处扁管各点的温度差异不大，扁管筋部温度差异在15度范围内。
图7 改进前后扁管出口处截面速度分布：a-优化前，b-优化后
&&& 模具优化前，各个芯针上的工作带长度相同，模孔出口处的扁管在宽度方向上挤出速度不一致。模具优化后，芯针上的工作带长度不一致，中心芯针上的工作带长度大，端部芯针上的工作带长度小，模孔出口处的扁管在宽度方向上扁管挤出速度一致性得到改善。
&&& 图7为挤压过程达到稳态时，模孔出口处型材的速度分布云图。从图7中可以看出，对模具做出优化后，出口处扁管各管筋的金属挤出速度一致性提高。从结果中，依次提取扁管筋部金属的挤出速度值，结果如图8所示。优化前，扁管筋部金属流动速度最大差值为7.2mm/s；优化后，金属流动速度最大差异值为2.4mm/s。
图8 优化前后扁管筋部金属的挤出速度
&&& 汽车轻量化和成本控制驱使汽车制造商在生产中，越来越多地使用铝制零件，CAE技术在铝制零件的开发和制造中发挥着重要作用。从CAE技术中获取的丰富信息，为深刻认识零件属性，优化零件加工工艺参数，掌握零件性能提供了可靠依据。CAE技术为产品注入了更高的科技含量，极大地增强了产品的竞争力。核心关注：拓步平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的管理思想，集成了业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的信赖品牌。
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