毕业设计（论文）-喷射成形A356铝合金半固态挤压工艺与模具设计.doc

江苏理工学院毕业设计说明书（论文）喷射成形A356铝合金半固态挤压工艺与模具设计摘 要：本文以40mm的喷射成形A356 铝合金坯料为研究对象，通过选择合适的挤压工艺，挤压出综合力学性能较高的12mm的铝合金棒材。采用T6工艺对A356铝合金进行了热处理，主要研究对象先是对该试验用材料A356进行不同的固溶处理和时效处理，接着金相显微分析主要观察固溶处理和时效后合金的组织,如第二相的形貌、大小、数量和分布等，然后进行显微硬度试验，再进行拉伸试验，测出其相应的抗拉强度、屈服强度和伸长率，最后通过分析和讨论，得出最佳设计方案。根据所给图形尺寸的计算运用AUTOCAD软件绘制出了该铝合金挤压模具的装配图及所有零部件的二维图，制定出了主要零件的加工工艺。通过对A356铝合金进行不同工艺的固溶处理，分析了固溶处理对A356铝合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：利用优化的固溶和时效工艺处理后可有效减少粗大的第二相尺寸和数量，提高合金元素的固溶过饱和度，可以明显提高铝合金的综合力学性能。 关键词：A356铝合金；固溶处理；时效处理；力学性能 IThe semi-solid extrusion process and mould design for ospray forming A356 aluminum alloy Abstract:Based on phi is 40 mm A356 aluminum alloy billet injection forming as the research object, through selecting proper extrusion process, squeezing out the comprehensive mechanical properties of high phi 12 mm of aluminum alloy bars.The T6 process of A356 aluminum alloy is used for heat treatment, the main research object, first the A356 material for the test of different solid solution treatment and aging treatment, the main observation and metallographic microscopic analysis organization of alloy after solid solution treatment and aging, such as the morphology, size, quantity and distribution of second phase, etc., and then carries on the microhardness test, tensile test again, measure the corresponding tensile strength, yield strength and elongation, and finally through the analysis and discussion, the best design solution. According to the calculation using graphical dimension AUTOCAD software were plotted the aluminum alloy die-casting molds and all parts assembly 2d figure, worked out the major parts processing technology. KeyWords: A356 aluminum alloy, solid solution treatment; aging treatment ; mechanical propertiesII目 录序 言1第1章 绪论21.1 A356铝合金研究现状21.2 喷射成形原理21.3 铝的合金化和强化方法3 1.3.1 加工硬化3 1.3.2 固溶强化4 1.3.3 第二相强化4 1.3.4 晶界强化51.4 铝合金的热处理工艺5 1.4.1 固溶处理5 1.4.2 时效处理工艺81.5 本课题研究意义及研究内容10 1.5.1 研究意义10 1.5.2 研究内容10第二章 半固态挤压模具设计与挤压工艺122.1 凸模的设计12 2.1.1 半固态挤压凸模的典型结构12 2.1.2 半固态挤压凸模的尺寸计算132.2 凹模的设计14 2.2.1 镶块式凹模的典型结构14 2.2.2 半固态挤压镶块式凹模的尺寸计算15 2.2.3 镶块式凹模的装配182.3 其他模具零件的设计182.4 半固态挤压模具的装配图22第三章 半固态挤压工艺的选择233.1 挤压件设计233.2 选择合适的半固态挤压方式243.3 半固态挤压变形程度的计算243.4 挤压力的计算253.5 挤压设备的选择263.6 挤压坯料的温度263.7 挤压模具的预热263.8 挤压速度273.9 模具的润滑28第四章 材料制备及热处理工艺方案安排294.1 主要试验设备294.2 材料制备294.3 热处理工艺的制定29 4.3.1 固溶处理30 4.3.2 时效处理30第五章 工艺参数对组织和性能的影响315.1 组织及性能检测31 5.1.1 硬度测量31 5.1.2 金相组织观察33 5.1.3 拉伸试验345.2 各工艺参数对组织和力学性能的影响36 5.2.1 固溶与时效处理对组织和力学性能的影响36第六章 结论42参考文献43致 谢44序 言近些年来，随着半固态成形技术研究工作的不断深入和对轻质半固态成形技术的成熟掌握，研究重点已经从以半固态组织研究为主的理论研究向以半固态成形实用复杂结构零件加工和复合材料制备加工的方向迈进。因此，加强国内半固态成形技术的研究，特别是开展相关的应用研究已经刻不容缓。半固态成形技术是在合金处于液相线与固相线温度之间进行成形的一种特殊工艺技术。它最早是70年代初由美国麻省理工学院David Spener在研究用于锡铅合金高温粘度计时偶然发现合金在半固态下的特殊流变行为。由于该技术具有许多独特的优点，已经成为金属成形加工的热点技术之一。喷射成形(spray forming)是用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。它具有所获材料晶粒细小、组织均匀、能够抑制宏观偏析等快速凝固技术的各种优点。 由于快速凝固的作用，所获金属材料成分均匀、组织细化、无宏观偏析，且含氧量低。与传统的铸一锻工艺和粉末冶金工艺相比较，它流程短、工序简化、沉积效率高，不仅是一种先进的制取坯料技术，还正在发展成为直接制造金属零件的制程。现已成为世界新材料开发与应用的一个热点。 本课题涉及到的A356 铝合金是一种优异的金属加工材料，其半固态成形技术更具有其它材料所不具备的得天独厚的长处，因此，这种优异的新型材料可广泛地应用于汽车、航空、航天等许多领域，以代替过去用的钢材铸件，这可算是材料史上的一个飞进。本次毕业设计课题为喷射成形A356铝合金半固态挤压工艺与模具设计。该课题合生产实际需求，通过此次设计，让我了解了挤压模具设计的重点以及注意事项，掌握了挤压模具设计的方法和技巧。 第 0 页 共 51 页第1章 绪论1.1 A356铝合金研究现状 A356合金属于Al-Si系多元合金，属于亚共晶合金，具有流动性和铸型填冲性好、强度较高、热膨胀系数小、耐磨性能和耐蚀性能好等特点，是铸造性能优良的合金之一，广泛应用于制造汽车、摩托车、航空航天工业及家用电器等。 合金铸造前的熔体质量是影响合金机械性能的主要因素，而合金熔体质量又受铝锭化学成分和微观组织的影响。细化铝锭可细化最终铸件的组织，从而大大改善合金的力学性能。因此，要获得高质量的A356合金铸件，不但应该控制铝锭的化学成分，同时也应该控制坯锭的微观组织【1】。 铸造A356合金在凝固过程中，当铝熔体的温度降到其液相线以下时，合金首先形成初晶，并随着温度的下降，的数量增多并逐步生长，接近共晶温度时，共晶硅将依附在已有的上形成。细化处理直接决定了初晶的形状和密度，也决定了共晶体的大小和分布。未经细化处理的合金，初生相的数目很少，极易长成粗大的枝晶，随后的共晶相将以长针状形式分布在枝晶之间和周围。对于细化后的合金，高密度的初生将以较细小的等轴晶形式生长，并在整体上使合金保持较均匀的分布，随后形成的共晶硅将分布在这些细小的等轴晶之间，即使未经良好的变质处理，合金整体的结构已形成了较均匀的形式。在随后的固溶处理中，不论是合金成分的均匀化，还是合金固溶度的提高，合金元素都将只需要迁移较短的距离就可以完成；而硅相形貌和分布的改变，也将只需要在相对较小的范围内进行，原有较长的固溶时间可大幅缩短。因此可以认为：合金在良好的细化和变质处理后，在较短的固溶时间内，就得到了组织的改善和综合机械性能的提高。热处理是提高合金性能的重要手段之一，通过对铝合金进行热处理，可以提高铝合金铸件的综合力学性能。消除偏析和针状组织、改善组织和性能、稳定合金铸件的组织和尺寸以及消除铸造内应力等作用【2】。1.2 喷射成形原理喷射成形(spary forming)是用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。它具有所获材料晶粒细小、组织均匀、能够抑制宏观偏析等快速凝固技术的各种优点。 由于快速凝固的作用，所获金属材料成分均匀、组织细化、无宏观偏析，且含氧量低。与传统的铸一锻工艺和粉末冶金工艺相比较，它流程短、工序简化、沉积效率高，不仅是一种先进的制取坯料技术，还正在发展成为直接制造金属零件的制程。现已成为世界新材料开发与应用的一个热点。 1.3 铝的合金化和强化方法纯铝的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入某些合金元素制成铝合金。铝合金仍保持纯铝的密度小和抗腐蚀好的特点，而力学性能比纯铝高得多。可热处理强化的铝合金经热处理后，其力学性能可以和钢铁材料相媲美。1.3.1 加工硬化金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。金属变形时产生的位错不均匀分布, 先是较纷乱地成群纠缠, 形成位错缠结, 随变形量增大和变形温度升高, 由散乱分布位错缠结转变为胞状亚结构组织, 这时变形晶粒由许多称为“ 胞” 的小单元组成；高密度位错缠结集中在胞周围形成包壁, 胞内则位错密度甚低。变形越大亚结构组织越细小, 抵抗继续变形的能力越大, 加工硬化效果越明显【3】。由于产生亚结构, 故也可称为亚结构强化。合金变形条件不同, 位错分布亦有所不同。当变形温度较低(如冷轧)时, 位错活动性较差, 变形后位错大多呈紊乱无规则分布, 形成位错缠结, 这时合金强化效果好, 但塑性也强烈降低。当变形温度较高时, 位错活动性较大, 并进行交滑移, 位错可局部集聚、纠结、形成位错发团, 出现亚结构及其强化, 届时强化效果不及冷变形, 但塑性损失较少。加工硬化或亚结构强化在常温时是十分有效的强化方法, 但在高温时通常因回复和再结晶而对强度的贡献显著变小。1.3.2 固溶强化溶质元素溶入基体的晶格中，使晶格发生畸变，从而提高对变形的抗力，这种作用称为固溶强化。当溶质原子与溶剂(基体)原子的尺寸相差较大，并且溶质原子的溶入量较多。晶格畸变也越大，其固溶强化效果也越好，例如：在各种铸造铝合金中以Al-Mg合金固溶强化效果最好【4】，这是因为：镁元素与铝原子半径相差较大(约13)，而且镁在铝中有较大的固溶度(最大固溶度为149)。因此，当多量的镁溶入时，固溶体的晶格就产生较大的畸变，使其变形抗力增加。所有可溶性合金化组元甚至杂质都能产生固溶强化。然而，单是这一种方法不能获得特别高的强度，不过其带来的塑性损失要比其它方法小。 固溶强化来源于溶质元素对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩檫阻力，这种作用包括位错与溶质原子间的长程交互作用和短程交互作用。固溶强化作用大小取决于溶质原子浓度、原子相对尺寸、固溶体类型和电子因素。溶质原子与铝原子的价电子数相差越大，固溶强化作用亦越大。进一步研究还表明，溶质原子与位错之间的相互作用，置换式固溶体中比溶剂原子大的溶质原子，往往扩散到韧性位错线下方受拉应力的部位，而溶剂原子小的溶质原子，往往扩散到位错上方受压应力的部分。由于溶质原子常被吸附于位错周围形成溶质原子“气团”，此“气团”的形成，减少了位错附近的晶格畸变，降低了位错的能量状态，使位错不易移动。为使位错带着“气团”或挣脱“气团”而运动，就必须施加更大的外力，从而提高了合金的强度【5】。1.3.3 第二相强化复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相得存在。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。第二相强化的主要原因是它们与位错间的交互作用，阻碍了位错运动，提高了合金的变形抗力。几乎所有的纯铝和铝合金, 除固溶体外均存在第二相, 产生第二相强化。铝合金的第二相强化（又称热处理强化）【6】，是铝合金主要的强化方法。相在铝中有小于1.85%的固溶度，且强化效果好，热处理淬火敏感性不高，可获得160MPa320MPa的中等强度，且加工性能受影响较小，可生产各种复杂断面和薄壁产品，表面可进行各种处理，因此以为主要强化相的A1-Mg-Si系合金得到了广泛应用。1.3.4 晶界强化铝合金晶粒细化, 晶界增多, 由于晶界运动的阻力大于品内且相邻晶粒不同取向使晶粒内滑移相互干涉而受阻, 变形抗力增加, 即合金强化。晶界自身强度取决于合金元素在晶界处的存在形式和分布形态，化合物的优于单质原子吸附的，化合物为不连续、细小弥散点状时晶界强化效果最好。晶界强化对合金的塑性损失较少，常温下强化效果好，但高温下不宜采用晶界强化，因为高温下晶界滑移为重要形变方式，使合金趋向沿晶界断裂。1.4 铝合金的热处理工艺铝合金是典型的热处理强化合金,其热处理工艺一直以来都备受广大研究者的关注。适当的热处理可以改善化学成分和组织的不均匀性,改善析出相的形状、尺寸及分布,进而提高合金的力学性能和耐腐蚀性能。铝合金的热处理工艺主要包括均匀化退火、固溶处理、时效处理、回归再时效热处理和形变热处理等,其中固溶处理和时效处理对合金的性能影响最大【7】。1.4.1 固溶处理所谓固溶处理就是将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺，铝合金的固溶处理有三个目的：(1)使Mg，Si元素固溶入基体中；(2) Mg，Si在基体中均匀化；(3)共晶Si相形态在固溶过程中发生由纤维状向粒状形态的转变。将合金元素固溶到基体金属中形成固溶体以提高合金的强度的方法称固溶强化。其原理是：合金元素溶入基体后、使基体金属的位错密度增加，同时晶格发生畸变。畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使合金元素的原子聚集到位错线附近，形成“气团”，位错要运动就必须克服气团的钉扎作用，或从气团中挣脱出来，因而需要更大的切应力【8】。此外，合金元素原子还会改变固溶体的弹性模量、扩散系数、内聚力和原子的排列缺陷，使位错线变弯，从而强化材料。固溶强化的特点是：在使材料的强度、硬度提高的同时，还能保持良好的塑性。但固溶体的强化效果随被固溶的元素的含量的增加而增大，因此，强化程度受合金元素在基体中的固溶度大小的限制。在铝合金中加入硅、镁、铜、锰、锌等合金元素，都能形成具有较大极限溶解度的固熔体，起到固溶强化的作用。对Al-Si-Mg合金来说，基体中只有Si、Mg两种强化元素，所以单独进行固溶强化对提高材质的性能不是十分明显，必须随后进行时效处理才能起到强化作用。固溶处理是将合金加热至一定温度,使第二相全部或最大限度地溶入固溶体并保持一段时间后,快速冷却至室温从而获得一种不稳定的过饱和固溶体,该过饱和固溶体有发生分解和析出过剩原子的自发趋势。固溶处理后获得的过饱和固溶体直接影响到下一歩的时效效果。目前研究较多的是常规固溶处理、强化固溶处理和多级固溶处理。 通过提高固溶温度、延长固溶时间可以使可溶的第二相粒子充分回溶到基体中,提高合金的固溶程度,最大发挥合金的时效强度潜力,但固溶温度过高易导致试样过烧。与常规固溶相比,强化固溶和多级固溶可以提高固溶体的过饱和度,减少粗大未溶相,对提高时效析出程度和改善断裂扨性具有积极的意义【9】。(1)固溶温度在亚共晶Al-Si-Mg铸造合金中，固溶处理的实质在于将合金加热到尽可能高的温度，并在该温度下保持足够长的时间，使强化相充分溶入 固溶体，随后快速冷却，使高温时的固溶体呈过饱和状态保留到室温。温度愈高，愈接近固相线温度，则固溶处理的效果愈好。但温度过高会引起晶粒粗大，甚至发生过烧而使产品报废。为了防止局部过烧，加热温度通常低于固相线1015。固溶处理也改变共晶Si 的形态，随着固溶保持时间的延长，Si相有一个缓慢球化和不断粗化的过程，这种过程随固溶温度的提高而增强。因此固溶保温时间虽然长一些好，但不宜超过15小时。若加热温度偏低，使热处理零件加热不足，强化相不能完全溶解，导致固溶体浓度大大降低，最终强度、硬度也相应显著降低。根据A1-Mg-Si二元系垂直截面，A356在淬火加热过程中，将发生相的溶解，在固溶温度下合金处于两相区。为了防止低熔点共晶体在固溶加热时溶化(即出现过烧)，淬火温度应低于三元共晶温度，一般为535土5。在560以前。性能随淬火温度的提高而增加，558开始出现过烧，随后强度和塑性不断下降。固溶温度对Si 相形态的影响要比保温时间的影响大得多【10】。一般来讲，固溶温度每降低10相当于固溶保温时间减少了48小时。(2)保温时间在固溶处理温度下保温的目的是保证得到饱和度最大的固溶体。铸造铝合金由于含有较多的合金元素，因此第二相比例大且组织粗大，其溶解速度远低于变形铝合金，因而它所需要的保温时间远比变形铝合金要长【11】。(3)淬火延迟时间随着淬火转移时间的延长，铸件的力学性能下降。为使铸件机械性能不受损失，尽量减少淬火停留时间，有利于最终力学性能的提高，但是由于受设备能力和操作方法的限制，0 min的淬火停留时间，从操作上看是相当困难的。目前一般能控制在1020s内， 不超过30s。(4)室温停留时间铝铸件固溶处理后至人工时效前处于自然时效状态，这一段时间即为室温停留时间。研究表明【12】淬火后12h以内， 铸件的硬度、强度随停留时间的延长而提高。但固溶处理后停留时间在1840h范围时，不宜进行人工时效。由图1-1可以看出，当淬火停留时间为2h，合金的硬度急剧增加，2h后，合金的硬度有所增加，但增加较为缓慢。故认为室温停留时间为2h即可达到较为理想的强度性能。如图1-1所示是室温停留时间对力学性能的影响。 图1-1 室温停留时间对力学性能的影响(5)淬火水温铝合金的淬火一般用水，以保证快速冷却。淬火时的水温对机械性能的影响也很明显，水温增高会使延伸率降低。在水温低于65时，铸件的冷却速率为4090/s，而在95时，其冷速可降至4/s，这是因为水温升高后，水局部气化的可能性增大，一旦气囊形成，冷速就明显降低，这会使机械性能降低。但是，水温过低，引起铸件冷却速度过快，使铸件内部产生很大的内应力，内应力过大，易造成铸件开裂；残余应力过高，常造成零件变形，严重的致使零件报废。淬火加热后，可于20100的水中冷却，水温可根据零件的形状适当调整【13】。1.4.2 时效处理工艺合金元素对铝的另一强化作用是通过热处理来实现的。但由于铝没有同素异构转变，故铝合金的热处理强化方法与钢不同。铝合金的热处理强化，主要是由于合金元素在铝中有较大的固溶度且随温度的降低而极剧减小的特点，故铝合金经加热到某一温度保温后水中淬火，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和的铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性降低，这个过程称为时效。在室温下放置产生实效称为自然时效，加热时产生的时效称为人工时效。时效过程中使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。淬火加时效处理是铝合金强化的一种重要手段。一般把室温下或低于100温度下进行的时效称为自然时效处理，而在100以上加热条件下进行的时效称为人工时效处理。根据合金性质和使用要求，时效主要包括单级时效、分级时效、形变时效和回归处理等。单级时效是在淬火(或称固溶处理)后只进行一次时效处理，可以是自然时效也可以是人工时效。单级时效工艺简单，但组织均匀性差，抗拉强度、屈服强度、条件屈服强度、断裂性、应力腐蚀抗力性能很难得到良好的配合【14】。分级时效是在不同温度下进行两次时效或多次时效。如图1-2所示为间断时效T6/6工艺曲线。图1-2 间断时效T6/6工艺曲线在较低温度进行预时效，目的在于在合金中获得高密度的G.P区，由于G.P区通常是均匀成核的，当其达到一定尺寸后，就可以成为随后沉淀相的核心，从而提高了组织的均匀性。在稍高温度保持一定时间进行最终时效。由于温度稍高，合金进入过时效区的可能性增大，故所获得合金的强度比单级时效略低，但是这样分级时效处理后的合金，其断裂性值高，并改善了合金的抗腐蚀性，提高了应力腐蚀抗力【15】。铝合金经固溶处理后必须进行人工时效处理才能获得良好的强度、韧性和抗腐蚀性能。时效是通过某些强化相的脱溶过程而产生硬化(即时效强化)来提高合金强度的。时效可分为单级时效和双级时效。单级时效是一级时效,生产工艺简単。当时效温度较低时,合金主要析出相为与基体共格的GP区,时效温度较高吋,主耍析出相为与基体半共格的相;时效温度更高时,主要析出相为与基体不共格的相并长大粗化。且当采用峰值时效(T6)时,析出相密度高、尺寸小,合金可达到最高强度,但由于此时主要强化相是GP区、相和少量的相,晶界为连续链状的析出物,具有较高的应力腐蚀敏感性和较低的断裂扨性。双级时效包括两个阶段,即低温预时效和高温时效。第一阶段的低温预时效相当于成核阶段,晶内形成大量细小弥散的GP区,这些细小弥散的析出相作为核心优先成核转化为相；第二阶段的高温时效在晶内主要形成GP区和相,在晶界上形成T1相。T73、 T76和T74属于双级时效制度,T73和T76与T6态相比静强度降低15%左右,但抗应力腐蚀性能大大增加；T74与T6态强度接近,抗应力腐蚀性能优于T73,但比T76差。总的来说,双级时效相当于一种过时效,强度有所降低,但抗应力腐蚀性能得到极大改善。1.5 本课题研究意义及研究内容1.5.1 研究意义随着对半固态成形技术研究的不断深入，半固态成形技术的优越性已得到普遍的重视。特别是汽车工业出于节能、环保和安全的需要而开始大量使用轻质铝合金，促进了半固态成形技术的工业应用。半固态成形技术经过三十多年的研究、开发和应用，已经在北美、欧洲、亚洲等发达国家得到较大发展。特别是铝合金半固态加工技术在发达国家已相当成熟，进入了工业化生产阶段，主要应用在汽车、摩托车、兵器的零部件生产【16】。而A356合金是我国生产摩托车、轿车整铸车轮的主要材料，要使该合金达到国际上的行业标准规定的性能，必须进行热处理强化，即变质处理、固溶处理和时效处理。随着轮毂生产量的提高，原材料、能耗成本的增加，低温或短时热处理成为企业选择热处理工艺的目标。本课题旨在研究A35合金的热处理强化规律，优化热处理工艺，从而实现A356铝合金轮毂在短时热处理后就可达到高的强韧性的配合，同时缩短生产周期，降低成本，提高生产效率。1.5.2 研究内容本文研究喷射成型A356铝合金半固态挤压工艺参数对组织和性能的影响，在保证其机械性能的基础上，适当提高固溶温度与时效温度，减少固溶和时效时间，从而缩短生产周期，节省能源，提高生产效率。初步拟定工艺方案，以达到研究目的。本课题研究主要内容包括：（1） 研究各种固溶处理工艺下合金的各项性能，分析固溶处理工艺与性能之间的变化规律，选择合适的工艺参数；（2） 根据（1）中的试验结果，优选一组固溶处理工艺，改变时效处理工艺参数，分析时效处理工艺与组织和性能之间的变化规律；（3） 利用光学显微镜观察分析合金不同热处理所得到的金相组织；（4） 进行拉伸试验得到各个工艺参数下材料的各项性能数据。本课题的研究路线为如图2-1所示：图2-1 A356研究路线第二章 半固态挤压模具设计与挤压工艺2.1 凸模的设计 挤压模具的设计与制造对挤压成形技术来说是及其重要的，它是挤压工艺能否取得成功的关键。因此，针对挤压结构和挤压工艺的特点，考虑生产性质和模具，结合实际设备情况，正确设计和合理选择挤压模具材料及加工工艺，来提高模具的承载能力和使用寿命，是非常重要的。2.1.1 半固态挤压凸模的典型结构 半固态挤压凸模的典型结构，如图2-1所示。图2-1 凸模典型结构 d凸模工作直径，mm d1凸模帽盖部分直径，mm h凸模帽盖部分高度，mm H 凸模工作部分高度，mm r 凸模工作部分半径，mm2.1.2 半固态挤压凸模的尺寸计算 半固态挤压凸模各部分尺寸计算公式，如下： d=D-(0.10.15)，mm 式（2-1） d1=2d，mm 式（2-2） h=0.25d+35，mm 式（2-3） H7d，mm 式（2-4） r=0.51.5，mm D凹模内腔直径，mm 经过公式运算： d=D-(0.10.15)=40-0.1=39.9mm d1=2d=239.980mm h=0.25d+350.2540+4=14mm H7d280mm，根据生产需要，取198mm r=1mm 凸模二维、三维如图2-2、2-3所示。 图2-2 凸模二维图2.2 凹模的设计2.2.1 镶块式凹模的典型结构 在半固态挤压模具中，镶块式凹模的典型结构，如图2-4所示。图2-4 镶块式凹模典型结构 其中： D凹模内腔直径，mm D1凹模外圆直径，mm D2镶块式凹模外圆直径，mm d凹模工作孔眼直径，mm d1凹模导向孔直径，mm H凹模内腔放置坯料部分的高度，mm h凹模工作孔眼的高度，mm h1凹模底部厚度，mm 凹模中心锥角，一般为9001300 ，取=1200 R凹模内腔入口处的圆角半径，一般35 mm，取R=3mm r各尖锐部分的圆角半径，一般0.51.0mm，取r =1mm2.2.2 半固态挤压镶块式凹模的尺寸计算 半固态挤压镶块式凹模各部分尺寸计算公式，如下： D=D0+D0 式（2-5） =39.5+1.1%39.540mm D1=（2.53.5）D 式（2-6） =100140mm ， 取D1=160mm D2=(1.31.7）D 式（2-7） =5268mm ， 取D2= 100 mm d=d0 +d0 式（2-8） d=12+ 1.1%1212mm d1=d+(12) 式（2-9） d1=12+2=14mm h=(0.81.2)d 式（2-10） h=112=12mm h1=(1.01.5)D 式（2-11） =4060mm ， 取42mm H=H0+R+10 式（2-12） =165+3+10=178mm，取180mm经计算凹模的二维、三维图，如图2-5、2-6所示。 图2-5 凹模二维图 图2-6 凹模三维图经计算，镶块凹模的二维、三维图，如图2-7、2-8所示。 图2-7 镶块凹模二维图图2-8 镶块凹模三维图2.2.3 镶块式凹模的装配 半固态挤压镶块式凹模的装配，如图2-9所示。 图2-9 镶块式凹模的三维图2.3 其他模具零件的设计1.上模座板，如图2-10所示。图2-10 上模座板2. 凸模垫板，如图2-11所示。图2-11 凸模垫板3. 凹模压紧圈，如图2-12所示。 图2-12 凹模压紧圈4. 凹模托板，如图2-13所示。图2-13 凹模托板5. 导柱，如图2-14所示。图2-14 导柱6. 导套，如图2-15所示。图2-15 导套7. 下模座，如图2-16所示。图2-16 下模座2.4 半固态挤压模具的装配图1. 半固态挤压模具的二维装配图，如图2-17所示。图2-17 半固态挤压模具二维装配图2. 半固态挤压模具的三维装配图，如图2-18所示。图2-18 半固态挤压模具的三维装配图第三章 半固态挤压工艺的选择3.1 挤压件设计挤压件的工艺性对挤压件的质量、模具寿命和生产效率影响很大。挤压件的外形多数是轴对称形状，设计挤压零件时应根据其挤压变形的规律，对产品零件图进行适当修改，使之成为具有良好挤压工艺性的适合挤压加工的零件。挤压件按照成形时金属流动和凸模运动方向的关系可分为：正挤压件、反挤压件、复合挤压件、径向挤压件、斜向挤压件和镦挤件。本次设计的目的是将40mm的A356铝合金棒材通过半固态挤压模具挤压成12mm的细长棒材。挤压坯料如图3-1所示，挤压件如图3-2所示。 图3-1 挤压坯料 图3-2 挤压件 3.2 选择合适的半固态挤压方式 方案一： 选用正挤压变形方式，挤压时金属流动方向与凸模运动方向相同。适用各种形状的实心件（用实心胚料），各种形状的的管件、杯形件。方案二：选用反挤压变形方式，挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反。适用各种形状的杯形件。通过比较，发现方案一更适合。3.3 半固态挤压变形程度的计算挤压变形程度表示挤压时金属塑性变形量的大小，也就是被加工件的截面积和原始坯料截面积的变化程度。其中挤压比和断面缩减率就是挤压变形程度的两种表现方式。表3-1列出了部分有色金属材料半固态挤压的最大挤压比，表3-2列出了部分材料冷挤压变形程度。(1)挤压比： r=A0 /A1 式(3-1) A0表示挤压前坯料的横截面积，mm2；A1表示挤压后坯料的横截面积，mm2； 计算将坯料挤压成12mm时的挤压比： r=A0 /A1= 10.8（2）断面收缩率 : f = % 式(3-2) 计算将坯料挤压成12mm时的断面收缩率： f = %= %91% 表3-1 部分有色金属材料半固态挤压的最大挤压比材料最大挤压比镁200锌200铝1000表3-2 部分材料冷挤压许用单位挤压力及变形程度材料正挤压变形程度f单位挤压力p/MPa纯铝9799600800铝合金92958001000铜75878001200 根据比较发现，此次设计的挤压件无论从挤压比还是从断面缩减率来看，都小于许用的变形程度，故理论上可行。3.4 挤压力的计算 挤压力是设计模具，选择模具材料和挤压设备吨位的依据。挤压力的大小与挤压材料的性能，挤压件的变形程度，模具的几何形状和润滑条件等许多因素有关。目前半固态挤压力的计算公式法使用较多，比较符合生产实际情况。半固态挤压正挤压力的计算公式如下： P = (KN) 式（3-3） 当平面凹模或凹模锥角 时 m =2(ln + 2 + ) 式（3-4）式中： D凹模直径，mm； d凹模工作孔直径，mm； L凹模模腔高度，mm； 摩擦因数(有润滑剂时可取0.1）； 金属在高温时的抗拉强度，MPa。m15=2(ln + 2 + )=2（ln+2)=10.6m12=2(ln + 2 + )=2（ln+2)=11.0 P15 = = 12 1600(KN)P12 = = 12 1660(KN) 3.5 挤压设备的选择YQ32-200锻压机公称力2000kN 1660KN，根据挤压力的大小选择YQ32-200理论上可行。在挤压过程中，整个模具的工作行程为180mm +165mm +20mm=365mm, YQ32-200滑块最大行程700mm,远远可以满足模具的使用，故选择YQ32-200实际可行。3.6 挤压坯料的温度半固态挤压温度范围指从挤压开始温度到挤压中止温度之间的一段温度间隔。此温度间隔应保证被挤压金属坯料具有足够的塑料、较低的变形抗力和较为理想的金相组织。半固态挤压生产中，一般是根据金属材料的种类、化学成分、坯料的尺寸和产品零件的性能要求等确定金属坯料的加热温度和挤压温度范围。A356铝合金液相线6150C,其熔炼温度一般在6650C6750C。半固态挤压时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的0.750.95倍，即4820C6360C。考虑到半固态A356铝合金坯料在5350C时，力学性能最好。此次喷射成形A356铝合金的挤压温度我们选取了5400C、5600C两种挤压温度，在达到设定温度后，再保温十小时，进行对比试验。3.7 挤压模具的预热除了坯料在挤压前要加热以外，挤压模在挤压前均要进行预热。预热温度一般选择在1503500C，当然应按挤压坯料的温度做适时的调整。本次设计结合A356铝合金的特性，我们选择的预热温度为3800C。预热的目的：（1）减少坯料与模具的接触温差。在生产中，常因挤压前没有预热模具或预热模具不够，是模具与坯料的温差过大，造成模具表面温度迅速上升，使模具表面层与中心层温差过大，产生很大的内应力，加上挤压时变形力对模具造成的应力很大，从而使模具开裂。（2）使挤压坯料放入模具时降温不致过大，以免使塑性降低，变形力增加；同时避免坯料表面和中心的温差过大，增加变形的不均匀性，以致挤压件和模具损坏【17】。模具预热方法主要有三种：（1）用喷灯进行预热；（2）在模具上安装专门的电阻预热器；（3）利用加热棒对模具进行热传导【18】。此次设计我们采用加热棒对模具进行热传导加热。3.8 挤压速度金属从模孔中被挤出的速度称为挤压速度。影响挤压速度的因素很多，比如坯料质量，挤压温度、型材的外形、挤压变形程度、模具结构等影响。（1） 当坯料晶粒细小,金相组织均匀，无气孔、疏松、元素偏析时，可以适当提高挤压速度。（2） 金属在挤压时，随着挤压温度的升高，金属流动性的不均匀性会增加。在整个挤压过程中，坯料的变形区温度也逐渐升高，且挤压速度愈快，温度也愈高，温升可达到1000C左右。当变形去温度超过最高许可的临界变形温度时，金属将进入热脆状态而形成挤压裂纹【19】。因而当坯料温度较高时，应逐渐降低挤压速度。（3） 制品的几何形状简单、对称性好、宽厚比小的制品挤压速度相对可高一些；相反，制品的几何尺寸复杂、宽厚比大、壁厚差悬殊、对称性差的制品挤压速度可相对慢一些【20】。（4） 制品变形程度越大，所需挤压力越大。同时金属变形热也越大，因而制品流出速度慢一些；反之，挤压速度可快一些。（5） 铝合金型材挤压时，采用何种类型的模芯，由型材特点决定。一般实心型材采用平面模，空心型材采用舌型或分流组合模。对于A356合金来说，平面模比舌型模或分流组合模阻力小，因而挤压速度可高一些。其次，从金属与模型工作带表面摩擦力角度考虑，模芯工作带越硬、越光滑，挤压速度应快一些【21】。 在对制品质量要求及设备的能力限制综合考虑下，本次设计的挤压速度应选择较低值，取25mm/s。3.9 模具的润滑润滑的好坏，也是挤压工艺的成败的关键，因为润滑的关系到挤压力的大小，挤压件表面质量和模具的使用寿命。在设备和模具条件已定的情况下，润滑就成了决定的因素。润滑剂的性能要求：（1）具有良好的润滑性能（2）具有良好的脱模性能（3）具有良好的冷却和绝缘性能（4）具有高温湿润性能（5）具有良好的悬浮分散性能（6）不应具有任何腐蚀性能【22】。 半固态挤压常用润滑剂有石墨、二硫化钼、玻璃粉等。因石墨具有良好的润滑性能，特别是在不高于5000C时使用，充分显示了其低摩擦因数的特点。本次设计模具预热温度只有3800C，故我们选择石墨作为模具的润滑剂。第四章 材料制备及热处理工艺方案安排4.1 主要试验设备本次试验所用到的设备有： （1）试样制备采用四柱液压机（型号：YQ32-200，数量：1台）； （2）热处理采用箱式电阻炉（型号：SX2-8-10，数量：3台）； （3）抛光采用金相试样抛光机（数量：1台）； （4）硬度测试采用显微硬度机（型号：HVS-1000，数量：1台）； （5）组织观察采用金相显微镜（型号：XJZ-6A，数量：1台）； （6）拉伸性能测试采用拉伸试验机（型号：SHT-5105，数量：1台）。4.2 材料制备本试验所用原材料为喷射成型A356铝合金挤压棒材,其化学成分如表4.1所示。表