减少6005A地铁铝合金挤压型材缩尾缺陷的模具结构优化

王 强，侯 威，冯小东，张 旭，马源翔

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

6005A铝合金是Al-Mg-Si系变形铝合金，具有中等强度、良好的力学性能和抗腐蚀性能、较好的焊接性能以及良好的热挤压性能[1]。6005A铝合金通常应用于高速铁路车辆、地铁的车体制造。该材料可大大减轻车辆的重量，提高车辆的运行速度。

在实际生产中，该地铁型材需要切头10 m、切尾4 m，这不仅会降低产品的成品率，还会增加工时和能耗，使生产成本增加。为了更好地减小缩尾，有必要从模具设计结构的角度进行研究[2]。对同一地铁型材的多套模具结构设计进行挤压对比试验，以便研究模具结构和缩尾的关系，确定出最合适的模具设计；同时从工艺角度出发，通过调整挤压速度，找到减小缩尾废品和提高生产效率最合适的挤压工艺。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用合金为6005A，铸锭规格为φ446 mm×1 000 mm，采用半连续铸造方法进行生产。铸造过程中采用泡沫陶瓷过滤，细化晶粒，经均匀化处理后消除偏析，使成分更加均匀[3]。铸锭在加热炉中均匀加热到480～500℃，模具温度加热到480～500℃，挤压筒温度加热到440～450℃后，使用75 MN油压双动卧式挤压机进行正向无润滑挤压[4]。挤压比λ=56.8，淬火方式选择风冷，挤压压余为80 mm，挤出长度为53 400 mm，挤压型材截面如图1所示。

图1 型材截面图

1.2 试验方法

采用了多套不同的模具设计方案[5]，模具分别命名为A、B、C、D、E、F。每种模具结构各挤压两根铸锭（制品出料速度为3 m/min），然后取第二根铸锭的产品由尾端至前段切取低倍试片，记录不同模具结构下出现缩尾的长度并进行研究。在确定了最佳挤压模具结构设计方案后，通过调整制品出料速度来分析挤压速度对缩尾的影响，分别设定制品挤压速度为1 m/min、2 m/min、3 m/min。

图2 模具剖视图

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

试验1～6所采用的模具结构细节对比及缩尾长度的对比如表1所示。挤压速度对比及缩尾长度的对比见表2。

表1 不同模具结构对缩尾的影响

表2 不同挤压工艺对缩尾的影响

2.2 试验分析

2.2.1 上下模厚度的变化对缩尾的影响

在试验之前通过建模测量分别得出A、B模具存铝量，如图3和图4所示。计算出h1、h2。h1、h2为理论存铝量挤压出的型材长度，V为存铝量体积，V1=24091297.8128 mm3；V2=30832135.7805 mm3，型材断面面积为S=2923.7 mm2。

图3 A模具流体体积

图4 B模具流体体积

表1 中试验1和试验2模具设计结构的头端、尾端缩尾对比结果表明，在同一挤压工艺条件下（制品出料速度为3 mm），上模加下模为200 mm+170 mm的组合时挤压头端、尾端缩尾最短，为8 000 mm+2 000 mm；上模加下模为210 mm+160 mm的组合时挤压头端、尾端缩尾最长，达到10 000 mm+4 000 mm，与理论存铝量出料长度相对应。说明了上下模厚度设计是控制挤压缩尾的关键因素之一。挤压过程中，当挤压第二棒时，上一根棒挤压后期留在模具里的铝也会随着第二棒的推进而挤出，这一部分留在模具的铝就会造成缩尾的产生。上模厚度的减小相当于减少了上一棒挤压时剩余在模具里的铝，就会明显减轻缩尾[6]。所以为了减少缩尾，上模在保证模具强度的前提下越薄越好。根据经验计算此模具的上模厚200 mm时为最薄，因此该套模具最适合的模具厚度组合为200 mm+170 mm。

2.2.2 焊合室深度对缩尾的影响

表1 中的试验1和试验3模具设计结构头端、尾端缩尾对比结果表明，在同一挤压工艺条件下，焊合室深度为40 mm时挤压头端、尾端缩尾最短，为8 000 mm+2 000 mm，焊合室深度为50 mm时挤压挤压头端、尾端缩尾最长，为9 100 mm+2650 mm，说明了焊合室深度设计决定了挤压缩尾的长度。因为焊合室加深，模具存铝量也增加，因此为了减少缩尾，模具焊合室设计要浅一些。焊合室的高度对挤压有重要的影响，深度过小，摩擦力与静水压力不足，导致焊合压力不足，焊缝质量不高[7]，因此该套模具最适合的焊合室深度为40 mm。

2.2.3 上模焊合室与焊合室斜面对缩尾的影响

在上模设计10 mm焊合室来增加边部的供料；在下模设计焊合室30°自然流动角斜面来减少死区，如图5和图6所示[8]。

图5 上模焊合室示意图

图6 下模焊合室斜面示意图

表1 中试验1和试验4、试验1与试验5模具设计结构的头端、尾端缩尾对比结果表明，在同一挤压工艺条件下，有上模焊合室的模具挤压头端、尾端缩尾为8 000 mm+2 000 mm，没有上模焊合室的模具挤压头端、尾端缩尾为8 100 mm+2 150 mm；没有焊合室斜面的模具挤压头端、尾端缩尾为8 150 mm+2 100 mm。因为上模焊合室的存在增加了边部焊合室的体积，增加了边部的供料，使边部的铝更顺畅地流向模孔；下模30°自然流动角斜面的存在使焊合室死区减小，增加了铝流入模孔中的趋势，因此边部与金属流动差的位置不易产生缩尾[9]。

2.2.4 入料口阶梯式沉桥设计对缩尾的影响

表1 中试验1和试验6模具设计结构的头、尾端缩尾对比结果表明，在同一挤压工艺条件下，有入料口阶梯式沉桥设计的模具挤压头端、尾端缩尾为8 000 mm+2 000 mm，没有入料口阶梯式沉桥设计的模具挤压头端、尾端缩尾为9 500 mm+3 000 mm，这说明入料口阶梯式沉桥设计决定了挤压缩尾的长度。这是因为挤压时中心供料比两侧供料充足，特别是这种宽厚比比较大的地铁型材，在挤压后期两侧供料不充分易造成缩尾。将模具入料口设计成中间沉的少、两侧沉的多的阶梯式沉桥模式，可以增加金属向两侧流动的趋势，使中心和两侧供料平衡，从而减少缩尾的产生[10]。

2.2.5 挤压速度对缩尾的影响

表2 中试验7、试验8和试验9在不同挤压速度下头端、尾端缩尾对比结果表明，在同一套模具下，制品出料速度为1 m/min、2 m/min、3 m/min所对应的挤压头端、尾端缩尾分别为7 000 mm+1 300 mm、7 200 mm+1 800 mm、8 000 mm+2 000 mm，这表明速度越低缩尾越少。但是在实际挤压过程中，考虑到生产效率并结合缩尾试验数据，最终确定制品速度为2 m/mim时挤压工艺为最佳。

3 结论

（1）合理的模具厚度组合设计可以减少上一根棒挤压后期残留在模具中的金属。为了减少缩尾的产生，在保证模具强度前提下，上模越薄越好。对于该地铁型材采用上模为200 mm、下模为170 mm的模具结构设计能最好地防止缩尾的发生。

（2）焊合室深度对缩尾有重要的影响。在保证型材力学性能的前提下，焊合室深度越浅越好。对于该地铁型材，焊合室深度为40 mm时，防止缩尾发生的效果最好。

（3）上模焊合室及下模焊合室斜面对宽厚比大的型材边部缩尾有一定影响。在上模添加焊合室可以加大边部的供料空间，焊合室斜面设计可以减少死区的产生，这样的设计可以减少边部及金属流动差的地方产生缩尾。

（4）入料口阶梯式沉桥设计对缩尾有重要的影响，中间沉的少、两侧沉的多形成阶梯式沉桥设计可以增加金属向两侧流动的趋势，使中心和两侧供料平衡，从而减少缩尾的产生。

（5）挤压速度变慢可以有效减少缩尾的发生。在保证生产效率的前提下，制品出料速度越慢越好。