铝合金锥形件温挤压成形工艺研究

黄凤军，毕勇义，闫晓东，段来明，魏椿雨，张 卫

(1.海军装备部，山西 侯马 043000；2.淮海工业集团有限公司，山西 长治 046012)

某零件(见图1)是某产品中的关键结构件，生产量大，图样要求具有较高的力学性能(Am≥420 MPa，A≥12%)、精确的尺寸及较高的表面光洁度。该件材料为硬铝合金2A12 T4状态，属AI-Cu-Mg系合金，材料强度高，比重轻，耐热性能好，切削加工性能好，但塑性指标较低，相对伸长率≤15%，属于脆性材料；形状为中空圆锥形，挤压工艺性不好。原采用棒料机械加工方法生产，材料消耗大(1.046 2 kg/件)，材料利用率为25.2%，切削量大，生产效率低。引入温挤毛坯+机械加工成形方案生产零件，降低了材料消耗(0.697 4 kg/件)，材料利用率提高到了37.7%，为降本增效提供了较好的方法。在试制过程中发现了3个问题：1)温挤过程中零件难出模；2)精加工后在圆锥面上出现严重的粗晶缺陷；3)精加工后锥面及端孔留有黑皮。上述问题如果解决不好，就会直接影响此类零件温挤压成形的推广应用。几年来，笔者通过多次工艺试验，找到了上述问题的解决方案，经大批量生产，取得了良好的效果。

1 温挤压工艺分析

1.1 本体零件加工方案

根据零件图样要求，温挤压成形毛坯后，经固溶热处理及机械加工可达到要求。温挤压毛坯的工艺方案为一次复合挤压成形，坯料为实心料断。加工工艺流程为：棒料→切料断→温挤压毛坯→粗加工→固溶处理→力学性能检验→精加工成形。

1.2 温挤毛坯工艺性分析

锥形件，特别是锥度不大的长圆锥形零件，挤压工艺性不好，挤压过程中存在许多缺陷，常见的有缩孔、折叠、裂纹、残余应力过大等[1-2]。该本体零件长度为97 mm，锥形部位锥度为36°，符合难挤压锥形件的条件，一次挤压时，大头部位为浅杯形反挤压变

形，锥部为多次缩径变形且挤压难度大，应在反挤压部分实现封闭式挤压，依据零件图样设计温挤毛坯有如下2种方案。

方案1(见图2)：为了脱模方便，大头外径设置10°脱模锥角，形成尺寸为φ67 mm×34 mm的锥体，内孔为φ37.5 mm×18 mm(max)，小头尺寸为φ19.7 mm，斜面锥角为36°。

方案2(见图3)：温挤毛坯大头尺寸为φ67 mm×34 mm的柱体，内孔为φ37.5 mm×18 mm(max)，小头尺寸为φ30 mm×10 mm，斜面锥角为39°。

2种方案对比分析：φ67 mm×34 mm为下道精加工的装夹基准，从机械加工方面考虑，方案1的温挤毛坯φ67 mm×34 mm锥体部位需机械加工成柱面，作为机械加工定位紧固基准面，但带来了“二次装夹”问题，机械加工时零件摆动，加工后小端外形锥面有留黑皮的风险；从成形方面考虑，大头反挤部位的断面缩减率为35.6%；斜面部分为正挤压，最大变形量：方案1为90%，方案2为76.6%。斜面长度：前者为67 mm，后者为56 mm。按一次复合挤压成形的工艺要求来看，应减少正挤的变形量，有利于成形，减小斜面长度可降低挤压力，减小摩擦力，利于零件出模，综合考虑采用图4所示的毛坯图。

1.3 温挤过程金属流动性分析

挤压分为3个阶段进行，各阶段金属流动特点如下：挤压开始时，靠近凹模型腔锥面部分的金属发生正挤压，靠近凸模部分的金属发生反挤压，变形主要集中在上述2个局部区域内，其余金属不发生变形，仅在凸模作用下刚性移动；随着凸模下行，正、反挤压区域扩大，全部金属发生变形，分流面出现在锥面，随着正挤压变形程度的增加，阻力增大，而反挤压阻力基本不变，反挤压速度大于正挤压，有更多的金属反向流动；当金属向下流动至凹模底端孔口以后，正、反挤压阻力保持不变，分流面变化不大，处于稳定复合挤压阶段[3]。

2 模具结构

根据温挤压毛坯结构及温挤过程金属流动性分析进行了模具设计，模具为封闭式复合挤压结构。退料方式为下拉、上顶式结构，导向为导柱导套导向，模口定位方式，确保挤压件的同轴度。凹模设计为预应力组合结构，一是考虑到该件温挤压时单位挤压力较大，提高模具强度，延长模具使用寿命；二是从加工方便及降低模具制造费用考虑，型腔模使用高强度模具钢，模板使用普通结构钢。这样凸、凹模的尺寸大大减小，减少了高强度模具钢用量，同时也便于热处理。型腔模硬度取50～55 HRC，普通模板硬度为40～47 HRC，模具结构如图5所示。

3 温挤压工艺参数制定

温挤压毛坯的工艺参数如下：1)坯料尺寸为φ62 mm×71 mm；2)模具温度为300～350 ℃，模具升温设备为电磁感应加热装置；3)料坯加热温度为420 ℃±10 ℃，推料节拍为40 s，加热设备为中频透热炉；4)挤压力为270 t，挤压设备为315 t液压机，挤压速度为12 mm/s；5)润滑剂为脂类润滑剂+石墨，涂涮方式为蘸涂；6)毛坯冷却方式为零件出模后集中冷却；7)T4固溶热处理为固溶处理温度495 ℃±5 ℃，保温时间60 min，设备为铝合金专用热处理炉，时效为采用在室温下自然时效方式。

4 温挤压工艺试验

4.1 温挤压工艺流程

棒料为2A12 H112热轧料，固溶处理后粗晶环实际厚度≤2.5 mm。温挤压工艺流程(见图6)如下：棒料→切料断→料断加热→模具加热→温挤压毛坯→机械加工去飞边→固溶热处理→物理性能检验→精加工→成形。

4.2 工艺试验

2019年8月进行了小批量生产，对3个批次共1 800件本体零件进行了现场跟踪，温挤件生产状况统计表见表1。每批良品率稳定，具体情况如图7所示。

表1 本体温挤件生产状况统计表

4.3 物理性能检测试

1)热处理后取10件在零件上取样，进行力学性能检测，Am=440～450 MPa，A≥12%～17%，布氏硬度工艺要求为≥105 HBW，实测值为110～125 HBW，组织无过烧，满足零件性能要求。

2)精加工后锥面无粗晶，取样金相分析结果如图8所示。

5 温挤过程关键技术突破

5.1 零件机械加工后留黑皮

试制中在精加工工序发现：零件机械加工后小头部位留有黑皮，大头端孔测面留有黑皮。

1)形成原因：常规温挤毛坯设计方法为φ67 mm圆柱面留10°脱模斜度，热处理后机械加工成柱面，作为下道精加工工序的装夹基准，因二次装夹时摆动较大，小头部机械加工后留有黑皮；端孔留有黑皮的原因有2个：a.凸模受力大，挤压过程中发生了变形，引起壁厚差超差；b.模具凹、凸模不同心，引起内孔与外圆柱面不同心，若壁厚差超差会引起此类缺陷的产生。工艺要求毛坯的壁厚差≤0.3 mm，实测为0.8 mm。经检测，上模套板凸模定位孔超差0.18 mm，3个导柱孔位置度超差0.12 mm，确定毛坯壁厚差超差是模具定位超差引起的。

2)解决方案：解决机械加工后头部留黑皮的方法是减少“二次装夹”，通过改进毛坯设计方法，直接温挤出定位柱面，减少车外圆工序来解决；提高模具运动精度及定位精度，减少零件壁厚差，可解决孔侧面机械加工后留黑皮；合理分配变形量，降低挤压力，防止凸模变形。

5.2 难脱模

试制中发现本体温挤件毛坯出模困难。温挤成形力为270 t，顶出力为100 t，脱模剂为脂类润滑剂，涂涮方式为蘸涂。挤压完成后毛坯留在凹模中，粘模严重，顶出时响声大，设备震动大，模具松动快，零件出模后发现小端φ30 mm柱面出现严重的“鼓肚”变形，生产不到100件，下模3条M20螺栓断裂，最高峰一天换3次，耗时约2 h，生产无法正常进行。

1)形成原因：本体零件是典形的小锥度、长锥面零件，挤压过程中锥体截面尺寸不断变小，变形区域长度大，摩擦面积大，挤压过程中润滑剂难以进入锥面，润滑条件变坏，摩擦力大，出模阻力大；铝合金在400 ℃左右的高温、高压下变形，形成新金属表面与型腔接触，无脱模剂时容易与模具型腔表面焊合在一起；当模具的凹模型腔锥面部分抛光不佳时，脱模剂会在挤压瞬间沿着刀纹环形流动，沿轴向流动困难不能布满模具锥面，导致零件与凹模间形成真空，从刚出模的成形零件(见图9)可以得到证明。

笔者对现场零件进行调查，发现有如下3种情况：1)锥面有脱模剂、全锥面无脱模剂(见图9)；2)半锥面有脱模剂(见图10)；3)零件锥面横纹，可以看到凹模腔的刀纹分布(见图11)。

2)采取措施：针对上述情况进行了统计分析，构思出了解决方案，温挤件脱模剂分布及解决方案见表2。

表2 温挤件脱模剂分布及解决方案

5.3 表面粗晶

1)粗晶的形状分布与组织特性：粗晶位置如图12所示，粗晶分布在36°圆锥表面上，斑块面积约为10 mm×10 mm沿轴向呈不规则排列，从柱、锥交接处(距φ67 mm大端37 mm处)开始，沿轴向向下分布在长30 mm的范围内，粗晶缺陷实物如图13所示，为粗大的胞状组织，零件组织缺陷如图14所示，沿径向机械加工1.5 mm深，零件表面仍有花斑缺陷存在，加工至5 mm深处花斑缺陷消失，中部为挤压组织，边部则是不同程度的粗晶组织。

2)形成原因：挤压过程对粗晶环形成有明显的影响，粗晶环的形成是一个再结晶过程[4-5]。由于变形和强烈的金属间摩擦而导致粗晶的原因大体上是清楚的。首先，挤压变形时，铝合金材料与模具的接触表面发生流动，受到强烈摩擦作用，摩擦使铝的过饱和固溶体发生强烈分解，析出大量弥散分布的细小质点，在变形后的淬火加热中，由于锰的存在，质点的反向溶解速度很慢(小于再结晶速度)，晶界运动由于弥散质点的存在而受到阻碍，再结晶难以进行，使基体处于一种相当稳定的多边化状态，淬火后大量未再结晶组织保留下来，形成“挤压效应”；其次，当加热温度高或加热时间过长时，质点反向溶解终会完成，晶界运动一旦失去阻碍，少数晶粒在高温下立刻急剧长大并形成粗晶，整个粗化过程是一次再结晶的结果，但又具有某些二次再结晶的特点，即在稳定的基体中很少有晶核。

3)采取措施：根据粗晶形成原因可知，挤压棒材表面的摩擦组织发生再结晶是产生粗晶的直接原因，而摩擦组织又有稳定多边化且难于再结晶的特点，所以保持挤压材料的热稳定性，防止粗晶是可行的[6-8]。影响材料的热稳定性的因素有原材料、温挤压工艺及热处理工艺等，根据上述分析制定的温挤工艺方案如下。

a.原材料：选用2A12φ62 H112铝合金热轧棒料为温挤压用材料，入厂时检测原材料粗晶环深度，粗晶环深度≤3 mm。粗晶环如图15所示。

b.温挤毛坯设计：铝合金变形程度处于临界变形范围(12%～15%)内，挤压件会出现粗晶缺陷[9]，生产中应严格控制。

c.变形温度控制：变形温度决定再结晶温度，它是铝合金热稳定性的关键因素[10]。影响热稳定性的因素有变形速度和热变形温度。铝合金发生再结晶的最小热变形如图16所示，热变形温度与再结晶温度间关系如图17所示。由图16可知，高速变形有利于再结晶，不利于多边化，高速变形提供较大变形能，变形体积累的再结晶驱动力也较大，同时在高能状态下弥散质点溶解速度也较快，高速变形将加剧粗化，故温挤压设备一般选用普通液压机。由图17可知，提高变形温度，所需的变形能小，变形能积累小，铝合金的再结晶温度高，材料的热稳定性就好(当再结晶温度高于淬火加热温度时，热处理时有未再结晶组织)；提高变形温度，即始锻温度不变，提高终锻温度，缩小了始锻、终锻温差，可保证变形过程在变形温度范围内，有利于基体热稳定性的提高，一般要求其终锻温度>370 ℃。

d.坯料加热温度：加热温度为400～420 ℃，加热设备为中频透热炉，推料节拍为40 s。

e.模具温度：提高模具温度，可提高终锻温度，降低始锻温度，模具温度为300～350 ℃。

f.毛坯冷却方式：温挤压件出模后集中堆积缓冷。

g.固溶处理：固溶处理设备为铝合金淬火炉，加热温度一般取495 ℃±5 ℃，淬火加热时间为60 min，自然时效为96 h。

6 效果

按此工艺方案生产本体零件20万件，零件表面无粗晶缺陷，脱模效果好。与棒料机械加工工艺相比，降低材料消耗0.348 8 kg/件，材料利用率提高约33%，节材效果明显，降低了零件的生产成本。

7 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)该硬铝合金锥形件采用一次复合温挤成形方法可行。

2)工艺设计时减少二次装夹工序，并提高模具定位精度，可避免零件机械加工后留黑皮问题。

3)硬铝合金锥形件温挤压过程对粗晶的形成有明显的影响，粗晶的形成是一个再结晶过程。

4)温挤压过程中提高挤压材料的热稳定性，可防止粗晶组织的形成。

5)生产过程中，通过保证原材料质量、控制温挤压工艺过程及缩短固溶热处理时间等方法，可以避免或减少锥形温挤件粗晶缺陷。