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摘要：介紹了用鋁合金5056熱擠壓導(dǎo)體零件及其模具設(shè)計(jì)和工藝制訂試驗(yàn)過程，最終所制擠壓件用材僅為原工藝40%，力學(xué)性能及顯微組織都大幅超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：熱擠壓；鋁合金；導(dǎo)體

導(dǎo)體零件如圖1所示，該零件是國(guó)外某客戶用于電力系統(tǒng)上的重要零件。以前客戶采用規(guī)格尺寸φ110mm×310mm的5056鋁棒直接機(jī)械加工而成。

5056鋁合金名義成分為含5%Mg的防銹鋁合金，不可熱處理強(qiáng)化，其密度為2.64g/cm3，原用φ110mm×310mm重量為7.8kg鋁棒車削而成，成品導(dǎo)體零件重量為2.20kg。由此可知，用鋁棒通過機(jī)械加工而成的方法既浪費(fèi)大量的原材料，又需花費(fèi)大量的加工時(shí)間，而且質(zhì)量又不好，總體制作成本極為高昂，必須尋求新的工藝方法降低制作成本。

用鑄造加機(jī)械加工的方法成形容易，并可節(jié)約用料和機(jī)械加工時(shí)間，但氣孔、夾雜、組織疏松等鑄造缺陷難以避免。而采用鍛造成形加機(jī)械加工的方法既可避免鑄造缺陷又能有效降低總體制作成本，并獲得滿意的纖維流線和等軸細(xì)晶組織。

1. 鍛造工藝分析

導(dǎo)體零件鍛件設(shè)計(jì)如圖2所示，該鍛件理論重量為2.8kg，頭部與桿部的截面相差7.3倍、體積相差3倍（桿部重量?jī)H0.7kg），用≥φ110mm的鋁棒難以拔長(zhǎng)鍛造，用φ45mm左右的鋁棒又由于長(zhǎng)徑比太大而無(wú)法聚料鐓粗頭部，因此，考慮采用熱擠壓鍛造成形工藝。

2. 熱擠壓鍛造工藝驗(yàn)證

考慮到熱擠壓鍛造時(shí)坯料容易定位，選取φ92mm鋁棒，另外為防止因擠壓成形時(shí)桿部端面不易平整造成加工余量不足而報(bào)廢，鋁棒的下料重量選取2.9kg。

5056鋁合金的（鍛造）熱加工溫度為315～480℃，實(shí)際選?。?75±5）℃，鍛壓設(shè)備為10MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。

圖1 導(dǎo)體零件

（1）初始驗(yàn)證 由于鍛件截面差異巨大，熱擠壓時(shí)摩擦阻力很大，成形難度較大。為減少摩擦阻力便于成形，設(shè)計(jì)了如圖3所示的熱擠壓工藝試驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)。

坯料按規(guī)定的加熱溫度加熱并保溫2.5h，模具預(yù)熱溫度為400℃，設(shè)備打擊能量設(shè)定為35%，上下模具打擊行程為540mm。實(shí)際試鍛導(dǎo)體尺寸符合鍛件圖樣要求，表面無(wú)裂紋或折疊等鍛造缺陷。

試驗(yàn)結(jié)果表明該導(dǎo)體鍛件的熱擠壓成形工藝方案可行，但由于導(dǎo)體鍛件的桿部大部分伸出模具成自由狀態(tài)而無(wú)法頂出模具取出鍛件，因此，必須解決導(dǎo)體鍛件從模具中取出和可能出現(xiàn)擠壓時(shí)桿部彎曲的問題。

（2）量產(chǎn)鍛造驗(yàn)證 重新設(shè)計(jì)的熱擠壓工藝模具結(jié)構(gòu)如圖4所示，下模采用可分結(jié)構(gòu)的內(nèi)模和套筒式頂桿。熱擠壓成形時(shí)孔徑略大于桿部（可分模底部）直徑的套筒式頂桿既可使導(dǎo)體鍛件的桿部易于擠入套筒式頂桿內(nèi)，又可起導(dǎo)向作用，防止擠壓時(shí)桿部彎曲現(xiàn)象的發(fā)生。導(dǎo)體熱擠壓成形結(jié)束后由套筒式頂桿將可分內(nèi)模頂出分離，便于專用夾鉗將導(dǎo)體鍛件從下模取出。

上述工藝順利地進(jìn)行了小批量熱擠壓導(dǎo)體鍛件的生產(chǎn)，但發(fā)現(xiàn)部分導(dǎo)體鍛件的桿部有縱向裂紋，最大深度4～5mm，個(gè)別導(dǎo)體鍛件的桿部還有橫向撕裂紋。因這兩種缺陷而報(bào)廢的導(dǎo)體鍛件比例約15%，因此該熱擠壓工藝模具結(jié)構(gòu)未獲得完全成功，必須進(jìn)行改進(jìn)，消除這兩種缺陷。

（3）模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)及實(shí)踐驗(yàn)證 導(dǎo)體鍛件桿部縱向裂紋和橫向撕裂紋產(chǎn)生的主要原因是，在熱擠壓過程中因可分內(nèi)模底部的分模面未完全貼合而形成的類似刀口切割和坯料擠出桿部時(shí)截面變化過大、變形劇烈兩個(gè)因素共同作用的結(jié)果。為消除這兩個(gè)缺陷，分別從兩方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

首先對(duì)導(dǎo)體鍛件形狀進(jìn)行了修正，加大了導(dǎo)體頭部到桿部的過渡圓弧，使熱擠壓時(shí)截面變化趨緩、變形順暢，如圖5所示。新設(shè)計(jì)導(dǎo)體鍛件的理論重量為3.05kg，下料重量定為3.15kg。

其次，再次重新設(shè)計(jì)了熱擠壓工藝模具結(jié)構(gòu)，如圖6所示，下模改為整體式，熱擠壓成形后的導(dǎo)體鍛件通過普通頂桿直接頂出模具，取出鍛件。

由于整體式下模完全包裹住成形后的導(dǎo)體鍛件桿部，一方面造成熱擠壓成形時(shí)摩擦阻力劇增，另一方面因合模高度增加造成上下模打擊行程縮短，因此改進(jìn)后的熱擠壓成形工藝參數(shù)做如下調(diào)整：設(shè)備打擊能量改為60%，打擊行程改為420mm。

圖2 導(dǎo)體鍛件

圖3 導(dǎo)體熱擠壓工藝試驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)

1. 上模 2. 鋁合金坯料 3. 下模 4. 導(dǎo)體鍛件

圖4 導(dǎo)體熱擠壓工藝模具結(jié)構(gòu)

1. 上模座 2. 上模 3. 上模定位塊 4. 鋁合金坯料 5. 左可分內(nèi)模 6. 右可分內(nèi)模 7. 導(dǎo)體鍛件8. 下模套 9. 下模座 10. 套筒式頂桿

圖5 改進(jìn)后的導(dǎo)體鍛件

圖6 改進(jìn)后的導(dǎo)體熱擠壓模具結(jié)構(gòu)

1. 上模座 2. 上模定位塊 3. 上模 4. 鋁合金坯料 5. 導(dǎo)體鍛件 6. 下模 7. 下模定位塊 8. 下模座 9. 頂桿

再次試驗(yàn)和批量生產(chǎn)結(jié)果表明：改進(jìn)后所生產(chǎn)的導(dǎo)體鍛件符合要求，未發(fā)現(xiàn)任何縱向和橫向裂紋的缺陷。實(shí)物導(dǎo)體鍛件如圖7所示。加工成品導(dǎo)體零件如圖8所示。

圖7 熱擠壓導(dǎo)體鍛件

圖8 導(dǎo)體成品

3. 結(jié)語(yǔ)

通過幾次改進(jìn)，采用上述整體凹模，成功用熱擠壓工藝生產(chǎn)鋁合金導(dǎo)體鍛件。鍛件獲得完美流暢金屬流線并具有等軸細(xì)晶粒組織；每件節(jié)材4.65kg，大幅降低了總體的制作成本；強(qiáng)度指標(biāo)較標(biāo)準(zhǔn)提高了11%，伸長(zhǎng)率較標(biāo)準(zhǔn)增加17.2%；獲得了國(guó)外客戶的認(rèn)可和好評(píng)。

20170120

作者簡(jiǎn)介：景屹峰，江蘇無(wú)錫東海鍛造有限公司，從事鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)多年。