一種提高7021鋁合金空心型材模具壽命的設(shè)計

黃志其，陳 慧,2，鄧濤濤，葛 杰，肖衛(wèi)平,雷振民

(1.佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司,廣東 佛山 528133；2.中南大學(xué) 材料學(xué)院，湖南 長沙 410006)

7021鋁合金屬于Al-Zn-Mg系合金，具有接近超高強鋁合金的力學(xué)性能，而擠壓變形抗力相對于含銅量較高的7075、7055等鋁合金的要小很多，可以實現(xiàn)空心型材及形狀較復(fù)雜的產(chǎn)品的擠壓生產(chǎn)；同時由于其淬火敏感性較低，又可以擠壓在線淬火，其擠壓綜合生產(chǎn)成本比含銅的較高的7×××鋁合金的要低很多，在一些場合可以部分替代2×××和含銅的7×××鋁合金產(chǎn)品[1-2]。然而，對于7021鋁合金空心型材，模具壽命一直是困擾模具廠和鋁型材廠的最大的問題，模具成本也是擠壓成本中比重較大的部分。以我司所生產(chǎn)的空心型材型號為例，設(shè)計了幾種不同的模具方案，并進行了模擬和實際擠壓驗證，以期為該合金空心型材生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 型材斷面結(jié)構(gòu)及性能要求

客戶要求的型材斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示，為邊部帶小工字頭的空心型材。性能要求符合GB/T 6892要求，抗拉強度Rm≥410 N/mm2，屈服強度Rp0.2≥350 N/mm2，斷后伸長率A≥8%。根據(jù)以往7×××鋁合金的生產(chǎn)經(jīng)驗，模具壽命是影響生產(chǎn)成本的最關(guān)鍵因素。為此，組織模具設(shè)計團隊集中評審，設(shè)計了三種不同的模具方案并進行實際驗證來解決模具壽命過低的問題。

圖1 產(chǎn)品斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cross-section diagram of the profile

2 模具設(shè)計方案

為了驗證模具設(shè)計方案對擠壓制品外形及模具壽命的影響，設(shè)計三種模具方案如圖2所示。三種模具方案的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 三種模具設(shè)計方案圖Fig.2 Three die design schemes of the profile

表1 三種模具設(shè)計方案相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of three design schemes

從表1及圖2可以看出，方案1焊合室最深，分流橋最寬，且分流孔有擴孔；方案3焊合室最淺，分流橋最窄，且分流孔無擴孔；方案2焊合室深度與方案3的相當(dāng)，分流橋?qū)挾冉橛诜桨?的和方案3的之間，分流孔也設(shè)計了擴孔結(jié)構(gòu)。

3 Q-Form軟件模擬及實驗驗證

3.1 Q-Form軟件模擬結(jié)果

利用Q-form軟件對三種模具設(shè)計方案進行了模擬，模具溫度450 ℃，擠壓筒溫度420 ℃，鑄錠溫度490 ℃，主缸速度1.0 mm/s，鑄錠長度400 mm，直徑127 mm，擠壓筒直徑135 mm，模擬結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 模擬分析數(shù)據(jù)表Table 2 Datasheet of the simulation analysis

從表2和圖3模擬分析數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，三種設(shè)計方案模具最大受力均已超模具最大受力安全值1250 MPa，但在同一工藝條件下模具方案2的模具最大受力最低，接近模具最大受力安全值1 250 MPa，是三種設(shè)計中模具強度較好的設(shè)計。而方案1和方案3的模具最大受力較高，遠超模具最大受力安全值1 250 MPa，模具易損壞。從擠壓出材情況來看，方案1和方案2出材較好，方案3相對較差，具體情況需要進行現(xiàn)場驗證。

圖3 Q-Form軟件模擬分析結(jié)果Fig.3 Simulation analysis results of the Q-form software

3.2 模具實際擠壓出材及壽命驗證

采用同樣的模具鋼材和相同的熱處理條件，按照三種方案分別制作模具，其模具現(xiàn)場擠壓出型材的情況如圖4所示。模具壽命對比如表3所示。

圖4 三種方案制作的模具擠壓出料對比圖Fig.4 Comparison of the profiles made with three schemes

表3 擠壓7021鋁合金型材不同方案模具的壽命對比Table 3 Life comparison table of 7021 aluminum alloy profiles extruded by different die schemes

從圖4及表3可以看出，實際擠壓出材情況與軟件模擬情況基本吻合，方案1和2擠壓出料較平直，方案3的稍差，但經(jīng)過尺寸測量，三者都能滿足圖紙要求。三個方案最大的區(qū)別在于模具壽命，方案2與方案1和方案3的相比，模具壽命提高5倍以上。

3.3 生產(chǎn)工藝及性能檢測

擠壓錠坯上機溫度為500 ℃～520 ℃，擠壓系數(shù)為40，擠壓機出料口溫度為480 ℃～510 ℃，風(fēng)冷淬火，擠壓出料速度為2.5 m/min～3 m/min，頭切掉1.5 m，尾切除0.5 m，型材經(jīng)過3 d自然時效，再采用105 ℃6 h+145 ℃6 h人工時效，時效后力學(xué)性能檢測結(jié)果如表4所示。能夠滿足客戶性能要求。

表4 7021鋁合金型材力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 4 Results of mechanical properties of 7021 Al alloy profiles

4 結(jié) 論

1)生產(chǎn)7×××系超硬鋁合金型材，模具設(shè)計要減小焊合室深度，取消上模具沉橋，取消擴孔結(jié)構(gòu)，可進一步提高模具強度。

2)采用優(yōu)化的方案設(shè)計，結(jié)合合適的擠壓工藝，可降低模具在擠壓過程中的受力，提高模具壽命與產(chǎn)能，同型號不同設(shè)計方案模具壽命差距較大。