爱上你是我的错
范文一：铝合金的成型方法
变形铝及铝合金的挤压生产
第一节：挤压方法
挤压成形是对在挤压筒内的金属锭坯施加外力，使之从设定的模孔中流出，从而获得所需要的形状和尺寸的产品，这样一种塑性加工方法称挤压。（图1-1）
图1-1 金属挤压原理示意图
1.挤压轴 2.挤压垫片 3.挤压筒 4.锭坯 5.挤压模 6.挤压制品
从200多年前，英国人S.Braman设计出世界上第一台机械式铝挤压机开始,经历了一百多年的发展,这中间产生了水压机、油压机。特别是近40多年来铝挤压工业和技术获得了飞速发展，出现了润滑挤压，复合坯料挤压，在线淬火挤压，反向挤压，变断面挤压，组合模挤压，固定垫片挤压，Conform连续挤压，扁挤压筒挤压??
正向挤压法 带穿孔 不带穿孔
带穿孔 最基本分类： 反向挤压法
侧向挤压法 1-2) ( 见图
不带穿孔
图1-2 铝挤压最基本方法 a. 正向挤压法 b.型、棒材反向挤压法
c.管材正向挤压法 d.管材反向挤压法
第二节：铝合金挤压技术的发展现状
1、设备：
据资料介绍，世界各国已装备不同类别、结构、用途、压力的挤压机6000台以上。（其中美国600多台，日本400多台，法国200多台，俄罗斯400多台，中国2800多台，其他国家1400多台），绝大部分为15—25MN的中小型挤压机。
目前，世界上已正式投产使用的80MN以上的大型挤压机20台以上，拥有的国家是美国、俄罗斯、中国、日本和西欧。最大的是美国雷诺公司的270MN挤压机。（全机自动控制）,主机、辅机均用PLC系统。
2、 工具：大型优质圆、扁挤压筒与特种模具技术
如固定挤压垫片、舌型模、平面分流组合模、叉架模、前室模、导流模、宽展模、可卸模、水冷模等。
3、 挤压工艺不断改进和完善
舌型模挤压、平面组合模挤压、变断面挤压、水冷模挤压、扁挤压、宽展挤压，精密气、水（雾）冷却在线淬火挤压，高效反向挤压，等温挤压技术??扩大了铝材的品种，提高了挤压速度和生产效率，产品质量??
4、 铝挤压材的产品结构有了很大的改进
目前，全世界铝合金挤压材的年产量已超过1000万吨，民用铝型材应用大增，军用挤压材一年产量占挤压材产量的比例已下降到5%以下。铝合金型材发展最快，其产量约占整个挤压材的80%左右。由于铝挤压材正向大型化、扁宽化、整体化方向发展，大型材的比重日益上升，已达整个型材产量的10%左右。
我国的铝合金挤压生产也有了很大发展，已建立起完整的大、中、小配套的挤压工业体系。据初步统计，2003年我国铝合金型材产量为220万吨以上，占铝材总产量的55%以上，品种已超过8000种，壁板的最大宽度为800MM左右，型材的最大断面积达400㎝2，长度达10-20m，同时可用宽展法挤压宽度为680mm的16孔空心壁板型材和938mm大型特种型材。目前，我们生产的棒材最大外径可达Ф620mm，管材尺寸可达φ620×15 mm。
第三节：挤压成形的优缺点
1、 优点：①提高金属的变形能力。金属在挤压变形区中处于强烈的三向压缩应力状态，可以充分发挥其塑性，获得大变形量。②制品综合质量高。挤压变形可以改善金属材料的组织、性能，特别是具有挤压效应的铝合金，可以获得较高的纵向（挤压方向）力学性能。③产品范围广。不仅可生产形状简单的管、棒、带材产品，还可以生产断面形状非常复杂的实心和空心型材，以及阶段变断面和逐渐变断面型材。④生产灵活性大。可以在同一台设备上通过换工模具生产多品种产品。操作简单，效率高，适于多品种，多规模、小批量材料生产。⑤工艺流程简单。
2、 缺点：①制品组织性能不均匀。由于挤压时金属的流动不均匀（无润滑正向挤压时尤为严重），使制品存在表层与中心，头部与尾部组织性能不均匀现象，特别是6A02、2A50、2A10、2A12等合金挤压制品，在热处理后形成粗晶环。②挤压工模具工作条件恶劣，工模具耗损大（据某厂统计，占总成本的15%以上）。③生产效率相对较低，常规的多种挤压法不能实现连续生产。④与其它成形法相比，几何废料损失较大。（切头、尾、留残料??）几何废料可达铸锭重量的10%—20%。
第四节：铝合金正向挤压的基本变形条件和特点
一、
挤压时的金属的应力应变状态
图示4-1为单孔平模挤压圆棒材的外力、应力和变形状态。挤压金属所受外力有：挤压轴的正向压力P；挤压筒壁和模孔壁的作用力P′；在金属与垫片，挤压筒及模孔接触面上的摩擦力T，其作用方向与金属的流动方向相反。
图4-1 挤压时的外力、应力和应变状态
1- 挤压筒 2-挤压垫片 3-填充挤压前垫片的原始位置 4-模子
P-挤压力 Ⅰ-填充挤压阶段 Ⅱ-平流阶段 Ⅲ-紊流阶段
这些外力的作用就决定了挤压时的基本应力状态是三向压应力状态。这种应力状态对利用和发挥金属的塑性是极其有利的。与此相应，在金属内产生轴向压应力为ζe ,径向压力为ζr,周向或环形压应力为ζθ,挤压的变形状态为：一维延伸变形即轴向变形εe,二维压缩变形，即径向变形εr及周向变形εθ，根据塑性变型理论在轴对称条件下（挤压和拉伸）其圆周向与径向的应力和压变可以认为是相等的。
二、 正向挤压时金属的变型过程和特点
一般认为，挤压过程的三个阶段，即充填，平流和紊流（倒流）阶段。（图4-2）
图4-2 正挤压时铸锭的填充挤压过程（平模）
1、第一阶段为开始挤压阶段，金属受挤压轴的压力后，首先充满挤压筒和模孔，充填阶段应缓慢，以逐步充满挤压筒，此时挤压力直线上升直至最大。第二阶段为平流阶段，即基本挤压阶段。资料介绍当挤压达到突破压力（高峰压力），金属开始从模孔流出即进入此阶段，金属流出模孔500㎜时，平流阶段也建立，此时金属已经达到了平稳的层状流动，第三阶段为挤压终止阶段或称紊流挤压阶段。在此阶段中，随着挤压垫片（已进入变形区内）与模子间距离的缩小，由于中心金属供给不足和金属受力状态的改变，迫使尾端金属沿着挤压垫片倒流，发生横向流动。同时两个死区的金属也向模孔流动，形成挤压加工特有的“挤压缩尾”。挤压力增加，此时应结束挤压操作过程。
2、 平流压出阶段的变形特点
金属在平流压出阶段中的流动特点随着挤压条件的变化而不同，在一般情况下，其主要变形特点是金属的流动相似于无数同心薄壁圆管的流动。即铸绽的内外层金属在此阶段内不发生交错或反向的紊乱流动，原来处于铸绽中心或边部的金属，在变形后仍处于挤压出制品中心或边部，图4-3为单孔锥形模不润滑正向挤压圆棒时平流阶段中的变形过程坐标网格变化图形。
图4-3 单孔锥形模不润滑正挤压圆棒时的典型座标网格图
1- 变形区压缩锥的开始点 2-变形区压缩锥的终了点 3-弹性区 4-由于堆挤现象形成了周
边层的加厚
金属流动坐标网格变形分析：
①— 原坐标网格所有平行于挤压轴线的各条平行直线，除了前端部分外，基本上仍保持为直线，
说明金属作近的平流运动。
②— 这些纵向线在进入和流出变形压缩锥时，都发生两次方向相反的弯曲变形，为图4-3 Ⅰ-A-
Ⅰ和Ⅱ-B-Ⅱ的两条虚线所示，形成两个均匀的轴对称曲面，这两个曲面朝着与金属流动方向相反的方向凸出，由这两个曲面和模子附近的死区（即弹性区）所形成的回转曲面所包围的体积就是金属正挤压时的变形区压缩锥。
③— 在变形区内，各条纵向线的弯曲程度从周边向中心逐渐减小，说明距离中心层越远其相对变
形程度越大，即变形不均匀性增加。
④— 原坐标所有横向线，在变形后都朝着金属流出方向发生轴对称形的弯曲凸出。这是由于周边
层的金属受到挤压筒内壁摩擦力的作用而使其流动比中心层滞后所造成的。
⑤—
线的形状。 （有的资料认为是抛物线）前端横向线成了折线。
⑥— 横向线朝金属运动相反的方向越来越尖。这说明这些横向线在进入变形压之前由于挤压筒壁
摩擦已使其发生弯曲。距离变形区越远的横向线，在挤压筒内的移动距离越长，所受摩擦力的影响越大，则其弯曲程度越大。
⑦— 这些曲线顶点之间的距离，在前端较小，在中间大部分位置上大致相同，而在尾端其距离明
显增大，这说明在挤压制品的长度方向上，金属的变形也是不均匀的。
⑧— 从横向线的弯曲程度可知，在挤压制品的所有环形层上，除了要发生剪切变形外，金属还要
发生基本的延伸和压缩变形。
⑨— 正向挤压时，金属与挤压筒内壁等的接触摩擦是死区，缩尾，成层产生的根本原因。
⑩— 前端头的变形特点:制品头部横向线弯曲程度较小，说明前端头部金属的变形量较小。例如：在挤压大截面的制品时，由于前端变形量太小，常保留着一定程度的铸造组织，故在生产工艺规程中都规定在挤压制品的前端一律剪切一定长度的几何废料，再取力学性能试样。在相同条件下，采用锥模比平模前端变形量要大。
3、 紊流挤压阶段的变形特点：
挤压过程的最后阶段属于紊流压出阶段。在此阶段内，随着挤压垫片已进入变形区内，与模子距离缩小，迫使变形区内的金属朝着挤压轴线方向，由周边向中心发生剧烈的横向流动，使外层金属沿着挤压垫片，从周边向中心回转交错的紊乱流动，形成挤压缩尾等缺陷。
4、 挤压缩尾是挤压生产中特有的一种废品类型，它是在挤压过程的末期，即紊流压出阶段形成的。
在我国生产实践中，按缩尾形成原因和分布特点分为三类：第一类是中空缩尾，第二类是环形缩尾，第三类是边部缩尾。第一类缩尾呈漏斗状，它是由于挤压大直径棒材时，在垫片上抹油或者留的挤压残料过薄，造成金属严重不足等原因所造成的。第二类（环形缩尾）是挤压生产中最常见的一种缩尾，它的形状和分布随挤压条件，合金种类，制品形状及模孔排列情况而不同，单孔模挤压圆棒材时，环形缩尾一般分布在挤压棒材尾端中部,顺着压出方向逐渐收缩而消失,在制品尾端的断面上多呈连续或不连续的圆环状。采用多孔模挤压圆棒时，其环形缩尾多分布在靠挤压中心线一侧，呈月牙状，带状或点状，从后向前，逐渐缩小消失。
环形缩尾分布特点大致是：正挤压比反挤压长，不润滑挤压比润滑挤压长，软合金的比硬合金的长，挤压垫片表面光滑或抹油的比表面粗糙或不抹油的长等等。
环形缩尾形成原因主要是由于在挤压过程的末期，变形区内的金属供应不足，迫使金属沿着挤压垫片周边发生横向紊乱流动，把边部及侧表面较冷或粘有油污的金属回流而卷入到制品之中所造成的（如图4-4）
图4-4 环形缩尾形成过程示意图
a.开始形成缩尾时的流动情况 b.缩尾形成后的流动情况
第三类是边部缩尾，形状和分布都无固定规律，大多分布在挤压制品尾部的边缘部分，其形状多呈不连续的圆环形或圆孤形的线状薄层。在低倍试片上的边缘上可见到明显的壳状分层，形成的主要原因是当进入挤压过程的末期，那些被阻滞堆积在前端死角处的铸锭表面上的脏物，被迫沿着死角边缘滑动流入挤压制品而形成的。
5、 挤压残料
挤压时把一部分金属残留在挤压筒内而不压出，通常这部分为挤压残料或压余。主要目的，其一是把形成挤压缩尾的这部分金属保留在挤压筒中作为几何废料消除，从而节约了挤压能量，工时和随后的人力消耗，保证产品质量，其二是使挤压垫与模子不发生接触而保护挤压工具。
残料的大小随挤压方法和工艺条件而不同，正挤压比反挤压残料长，不润滑挤压比润滑挤压时长；软合金比硬合金残料长，挤压筒直径大的比挤压筒直径小的要长等等。
在工厂中为节约挤压工时和能量，常采用增大残料挤压工艺。
死区：是在平流阶段挤压时金属不发生流动的区域。死区分为前死区和后死区（图4-5）。
图4-5 平模正挤压时的弹性区形成示意图
1—前弹性区 2、4、5—接触摩擦阻力 3—金属沿弹性区内表面流动的方向 αmax --金属流动半锥角
DK—棒材直径 6—由于周边金属的堆积而形成的缩颈区。
h弹—前端弹性区高度 7—尾端弹性区
7ˊ--在平流压出阶段末期，被剧烈缩小后的尾端弹性区。
前死区的形成及影响因素：前死区（1）的形成是由于金属沿abc面流动的阻力较沿ac面流动的阻力大得多造成的。挤压时铸锭表面的脏物都被堆集在死区内，因而保证了挤压制品的表面质量。死区与金属流动金属接触区为金属内部激烈摩擦区。角αmax为金属流动半锥角，亦称自然流动角。影响死区大小和形状的因素，随着模锥角α的增大而增大，当α=90°时，（平模）时死区最大，当α等于自然流动角时，死区为零；当被加热金属温度高于模具温度时，由于摩擦力增加，死区剧烈增加；挤压系数增加，金属流动半锥角α加大，死区减小，软合金死区较硬合金的小。图中的7和7ˊ为尾端死区，它的形成一是由于挤压垫片的摩擦力阻止了金属流动；二是由于挤压筒和挤压垫片对金属的冷却作用，使此区域内金属变形抗力增加。尾端死区与挤压垫片间摩擦力4的方向上阻止了靠挤压筒内壁的由于挤压筒摩擦力而移动的金属运动，就形成了弯曲区6（金属由边部向中心凸起），形成了圆形死区。尾端死区形状取决于挤压条件且随挤压过程进行而变化。平流阶段终了时，为了补充中心金属不足靠近挤压垫片区域剧烈缩到7ˊ并成为尖形。
6、 变形不均匀性与残余应力：挤压结束后后制品中会产生残余应力，这种残余应力主要是由于不均匀性变形引起的。一般，从模孔中流出来的挤压制品，其中心层产生了纵向压缩应力，周边层则产生残余拉伸应力（如图4-6）
图4-6 挤压棒材中残余应力分布图
a 纵向 b径向 c切向
制品的随后冷却往往改变上述应力状态，这种改变有时十分明显，如当缓慢冷却时，可导致类似于低温退火的结果，可能使残余应力几乎完全消除。在比表面积不大的型材中由于热惯性大，出现这种缓慢冷却形式的可能较大。挤压大直径棒材，除了因组织转变所引起的应力状态改变外，由于周边层和中心层冷却不均也可能产生新的残余应力。
不对称形残余应力的直接结果是使挤压制品产生翘曲。
三、铝合金挤压制品的组织和性能
1、 挤压制品的组织不均匀性
金属学指出，金属材料的组织特性主要取决于材料成分、加工方法和热处理状态。
挤压制品的组织特征与挤压方法和挤压条件有很大关系，在不润滑正向挤压下，整个挤压过程中都存在着变形的不均匀性。其不均匀变形程度从制品的前端向尾端，从中心向周边逐渐增大，因此挤压制品的组织和性能造成了很大的不均匀性。为挤压制品的前端，由于变程度较小，其力学性能比其他部分低，其内外层的组织也不均匀。尤其是挤压系数很小时(λ１８°时，不再起阻碍作用。
② 工作带补焊 在模子工作带的出口端，根据需要再焊上一段工作带，其目的是增加这部份工作
带的长度，以加大金属流动的阻力。
③ 堆焊 在模子端面上，模孔需要阻碍的部分周围焊起一道凸台，形如一堵墙，以增加金属的流
动阻力。
④ 打麻点 在模子端面上需要降低金属流速部位的模孔周围打上深0.3~1mm，直径1~3mm密集
小坑，借以增加金属与模端面的摩擦阻力。
４．２ 加快 使金属流出模孔速度提高的修模方法称之为加快。
加快方法有：减薄工作带、作促流角、扩大模孔、做促流坑、改变舌头形状、调整分流孔大小和加导流模等。
① 前加快 在横端面上将需要加快部位的工作带用砂轮磨掉一部分以减短工作带长度，
从而加快金属流速，这种方法称之为前加速，但这种方法会偏短模子寿命。（图7-1 a）
② 后加快 用风动砂轮或小锉刀，从模出口端伸入到工作带处，通过打磨缩短工作带的
长度，从而使流动速度加快。（图7-1 b）
③ 作促流角 促流角ａ促是指倾斜于模子端面与模子轴线垂直面之间的夹角，一般可取
3～10°。用砂轮在模具工作带入口端打一斜角，此角称促流角，一般与模面夹角不超
过10°，此角增加了金属流向模孔的合应力，使金属流速加快。（图7-1 c）
④ 扩大模孔 在多孔挤压时，把流速慢的一孔或两孔，在壁厚公差允许的前提下，把模
孔开大一点会显著提高型材流速。）
图7-1 平面模的加快修模法
a-前加快 b-后加快 1-前减薄 2-后减薄 c-加快角
４．３ 尺寸修理
挤压型材的尺寸（壁厚和外形）不符合挤压公差要求时，应对模孔尺寸进行修理，尺寸小的部位需要扩大模孔，反之要缩小模孔。通常扩大模孔尺寸时，用锉刀将需扩孔的工作带锉掉一部分。扩孔时锉刀一定要与模面垂直，确保工作带表面不内斜或外斜。扩大模孔时要准确掌握扩大量，扩大量较小时，可凭经验掌握，扩大量在0.5mm及以上时应该使用量具（块规），准确地测量修模前后的模孔尺寸。缩小模孔尺寸要比扩大模孔尺寸困难，采用的方法有打击法和补焊。打击法就是使用打模锤，在距模孔工作带3～5mm处敲打。在敲打之前必须先将模子加热到300～400℃，打击时，锤的刃部要与工作带平行，一遍又一遍地敲，在敲打部位形成一个一个小沟。要掌握好沟的深浅和宽度必须一致，这样挤出的工作带才能均匀，然后将突出尖部锉平，达到所要求的尺寸。 ５、实心型材挤压模的修正：
以下均为平面模的修正方法，对于有引料孔的模具(包括平面分流模),宽展模等结构，等结构，只有从原理上参照进行，不好以生搬硬套，要综合判断。
５．１ 扭拧
在挤压铝型材时型材断面沿长度方向，以某一轴心而转动，称为扭拧。扭拧度在技术标准中有严格要求。扭拧主要有两种：麻花状扭拧和螺旋状扭拧。
５．１．１ 麻花状扭拧
当型材在挤压过程中受到与挤压方向垂直的力矩作用时产生转动，产生扭拧。型材端头流速差不明显，有一纵向对称轴，型材扭拧绕此轴旋转，同时型材平面间隙不好，流速快的一侧凹下。修模时流速快的一侧（凹下一侧）工作带上作阻碍，将另一侧作加快处理，使之产生一个反向力矩（图7-2）。
图7-2 型材扭拧 a.麻花扭拧 b.螺旋扭拧
５．１．２ 螺旋状扭拧
当型材一个壁的流速大于其它壁的流速时，流速快的壁越来越比其它的壁长，致使流速快的壁绕流速慢的壁旋转，从而产生螺旋扭拧，图7-2 Ａ壁长度越来越比Ｂ壁长，从而使Ａ壁绕Ｂ壁旋转产生螺旋扭拧。判断方法：型材端头不齐，流速快的壁先流出模孔，Ａ壁端头比Ｂ壁突出，槽底板会出现侧弯。沿纵向看，可以看出型材一壁沿另一壁旋转。判断准确之后将型材流速快的部位加以阻碍。
5．2 波浪
型材总体上平直，但型材个别壁上出现或大或小的波纹状不平现象，称波浪。原因是当型材某壁流速较快，但因刚性较小形不成扭拧时，此壁便受到因变形不均而产生的压制应力作用，结果产生纵向性弯曲，即波浪(图7-3)。修正方法：在流速快的部位工作带做阻碍或慢的部位工作带做成加快。
图7-3 型材波浪
5．3 侧弯
侧弯又称刀形弯曲，在扁条及刃尾型材挤压中时有发生，在扁条形型材断面上的两端部位流速不一致，不形成扭拧和波浪时便产生侧弯(图7-4)。修正方法：慢处加快，快处阻碍。
图7-4 型材侧弯
5．4 扩口和并口
扩口或并口主要发生在槽形型材上。产生原因：由于槽形或类似槽形型材的两个“腿”部(或者一个腿部)工作带两侧流速不一致,使得腿向外(扩口)或向内(并口)；此外，由于槽底板的两侧工作带流速不一样，造成向外凸起(并口)或凹下（扩口）。
图7-5 槽形型材扩口和并口
图7-5出了槽形型材修正方法之一。腿部流速比槽板快，这时需将流速慢的槽板部分工作带作加快处理。如果腿与槽板的角度过大和过小时，修正的方法是应该同时进行阻碍和加快，以使腿向着需要方向偏移。例如，当腿向外（角度过大）时，应将腿部位模孔工作带内侧加快，外侧工作带阻碍；腿向内（角度过小）时，将腿部位内侧工作带加快。
5．5 平面间隙
型材沿纵向和横向产生的不平度称为间隙。间隙产生的原因：型材某部分工作带两侧流速不一致就会产生间隙。沿纵向的弯曲即产生纵向间隙，沿横向的弯曲即产生横向间隙（如7-6）。
图7-6 型材的平面间隙
修正方法：将流速快的一侧（凹下去的一侧）工作带加以阻碍。由于模具弹性变形而引起的尺寸变小及表面间隙不好，可将悬臂部端面工作带作一外斜角，且面对悬臂的工作带作得较正常情况稍长一些，这样当悬臂部分受力下弯时，其工作带出口处仍能与对面的工作带保持平行，如图7-7。
图7-7 深槽形型材模子的修正
5．6 金属充填不足的尺寸修理。
挤压如图7-8所示的扁条状型材时，常常是宽度L超负公差，两端的壁厚（a处和b处）超负公差。这是由于a、b处靠近模子边缘，距筒边缘近，金属流动
图7-8 扁条状型材尺寸修正
阻力大，易造成金属充填不满的现象。另一方面，由于型材中间部位较厚，金属流速快，使a、b处受拉力较大，将其拉薄，同时L尺寸变小，处理时可将a、b两处工作带减短或增大模孔尺寸以及采取局部润滑等方法。
6． 空心型材挤压模的修正：
生产空心型材的模具大体有三种形式：即平面分流组合模、舌型模和叉架模。分流模主要用
于挤压焊合性较好的软合金6063、6061、6A02、5A02及纯铝等。舌型模主要用于生产挤压系数较大，变形抗力高的硬合金空心型材（多为航空用折页型材），如2A11、2A12等。叉架模主要用于多孔挤压的小空心型材，在使用上基本与分流模相同。
平面分流组合模是在桥式舌型模的基础上发展起来的，把突桥改成平面桥（称平刀或舌形模），主要用于生产6063合金建筑型材和纯铝和软铝合金（含6063）型材及管材等，主要优点：
① 可以挤压双孔，或多孔的内腔十分复杂的空心型材或管材，也可以同时生产多样空心
制品，生产效率高。
② 可以挤压悬臂梁很大，用平面模很难生产的半空心型材。
③ 可拆换，易加工，成本较低。
④ 易于分离残料，操作简单，辅助时间短，可在普通型棒机上用普通的工具完成挤压，
同时残料短，成品率高。
⑤ 可实现连续挤压，根据需要截取任意长度的制品。
⑥ 可以改变分流孔的数目、大小、形状与位置，使断面形状比较复杂，壁厚差较大，难
以用工作带、阻碍角等调节流速的空心型材很好成形。
⑦ 可以用带锥度的分流孔，实现小挤压上挤压外形较大的空心制品，而且能保证有足够
的变形量。
主要缺点：
① 焊缝较多，可能会影响制品的组织和力学性能。
② 要求模子的加工精度较高，特别是对于多孔空心型材，上下模要求严格对中。
③ 与平面模和桥式模相比，变形阻力较大，一般比平面模提高30%～40%，比桥式模提高15%～20%，因此只适合于生产软铝合金，为了用平面分流组合模挤压强度较高的铝合金，可在阳模上加一个保护模，以减少模桥承压力。
④ 残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修模。
下面主要介绍平面分流模的修模方法：
6．1 分流模的阻碍与加快
分流模的阻碍与加快可分为两部分进行。如果判断出空心型材内腔流速快，多在上模下功夫。一是可在模桥上作阻碍角（图7-9）；二是在模芯上距工作带10～20mm处，堆焊一道凸台，或在模桥与模芯连接处堆焊凸台。
图7-9 分流模上模阻碍
分流模的加快需要判断是需要加快上模还是下模。若加快上模（扩大进流），可用风动砂轮把模芯和模桥的连接处的突起磨掉一部分 ，以增加金属的流量（图7-10）。电脑型材中心孔的桥下开引流槽就是成功例子。
图7-10 分流模上模的加快
若需要加快下模，就和加快平模一样，采用前后加快的办法来增加金属流动。
另一种方法就是通过调整分流孔的大小来改变金属的流量和流动趋势，从而达到调整金属流速的目的（图7-11）。
图7-11 分流孔的加快
分流孔的修正：
一个毛病不太大的分流模，在许多情况下通过对分流孔的正确加工和磨去或改善金属的流动就可以得到修正。根本用不着修正工作带。修正分流模的金属流动必须首先检查分流孔。弄清某一分流孔的供给金属是否与相对应的分流孔供给是相平衡（图7-12）。
图7-12 分流孔的修正
可对任何断面的型材，通过扩大或限制分流孔金属流量的方法，使金属流动加快或减慢。
6．2 塌腔
空心型材塌腔常见的原因是模芯过于伸出。当分流模刚性不强时，模芯在压力作用下发生弹性变形，使模芯工作带向前移动并超过下模孔工作带的入口位置，造成腔壁内侧流速快而产生塌腔（图7-13）。
图7-13 空心型材塌腔及其修理
如果仅是一壁或两壁凹下，可能是模芯工作带和模孔工作带配合不合适所引起。模芯工作带要比模孔工作带略高一些，这样的设计是合理的。如果挤压时能保持这种状态便可得到合格的产品。如因模芯弹性变形使模芯工作带过于前伸并造成塌腔，一般可在上、下模结合面上加入适当的垫片来解决（图7-13）。应注意保持模具总高度不变，必须将下模的端面去掉与垫片相同的厚度。对仅一个腔壁内凹情况，可将此外模芯工作带作阻碍处理。
6．3 鼓肚
空心型材产生鼓肚的原因之一是模芯工作带的磨损（如图7-14）。
图7-14 空心型材鼓肚及其原理
由于多次挤压或其它原因，模芯工作带磨损而凹凸不平，阻碍金属沿模芯表面流动，使腔壁外侧金属流动快，便会产生腔壁鼓肚现象。如果仅是一壁或两壁外起，可能是由于模芯工作带与模孔工作带配合不合适或模芯局部磨损所致。修模时，在壁厚尺寸尚偏小时，可将模芯工作磨损处锉平，减少磨擦阻力，或将模孔工作带作阻碍。如果模孔尺寸不允许扩大，只好交换新模。如属于个别壁外凸，则应阻碍相应壁的工作带。
6．4 角变形
挤压类似矩形管的空心型材时，有时会产生角部变形。这主要是由于模孔工作带不合适造成流速不均所致（图7-15）。
图7-15 角部变形修理示意图
由于两侧的流速不一致，有一侧流速稍快于另一侧，便造成角度不合适。修模时，要准确判断属于哪一侧的问题，采用阻碍或加速的办法都可以消除。
6．5 焊合不良
在挤压外形较大的空心型材时，有时因金属充填不足，或因料温低，挤压速度快，或因料中有夹渣（铸绽质量不好），不正确的润滑等都可以造成焊合不良而开裂（图7-16）。在挤压空心型材时，模具上是绝对禁止涂油的。因为模表面过脏或铸绽表面过脏都可造成焊合不良而裂开。更重要的是模具方面的因素，主要是焊合室过小金属补充不足。修正方法：如果模子尺寸允许，可以向
高向和宽向扩大焊合室，还应注意焊合角，使之有利于金属流动与焊合。
a.正常焊合室 b.焊合室过小 c.角裂的方管
图7-16 空心型材焊合不良
6．6 扭拧与弯曲
挤压时发生扭拧和弯曲的原因很多，如金属流动不均匀，工作带设计不合理，铸绽温度不均匀以及模孔排列不当等。在图7-17中分流孔供应金属不平衡，造成弯曲和扭拧，左边分流孔比右边大，右边分流孔小，阻碍了金属的流动，挤压时型材便向流速慢的一侧弯曲（a），下部的分流孔的侧面与模孔不平行，这时将产生扭转（b）。修正方法：前一种情况，扩大右边分流孔面积；后一种情况时，用研磨方法使分流孔侧面与模孔平行。通过对模芯周围金属流动的调整可以消除弯曲和扭拧。
图7-17 空心型材的弯曲和扭拧
此外，工作带不合理也可产生弯曲和扭拧。如型材壁厚相同，但工作带长度不同，或者工作带产生内（外）斜的情况，都会因流速不均而形成弯曲和扭拧。
范文二：A356铝合金铸造成型方法
毕业设计(论文)
A356铝合金铸造成型方法
年级专业 冶金工程
毕业设计(论文)任务书
学院: 教研室: 学 学生 专 业 解小宝 冶金工程 号 姓名 班 级
题 目 A356铝合金铸造成型方法 课
题 来 源 现场生产工艺监督及现场缺陷分析
主 A356铝合金冶炼各工艺的描述;铸造成型中常见的缺陷现象描述，常见要 铸造缺陷发生的原因，以及避免这些缺陷发生的防治措施。 内 容
基
本 熟悉A356铝合金冶炼各工艺的具体加工步骤，并结合铝合金晶粒的结晶要 过程对成品铸造生成的缺陷进行分析，防护。
求
1、潭新强等( 新一代铝合金晶粒细化剂Al-Ti-C.铸造(2000.7 参 2、马宏声( 金属及合金的熔炼与铸锭( 东北工学院(1983年 考
3、彭学任、吴欣风( 轻合金加工技术(1986年第9期(p10 资
料 4洪伟 (有色金属连续铸造设备( 冶金工业出版社(1987年(p6-p167 周 次 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17—18周
燕山大学本科生毕业设计(论文)
搜集关于铝合对A356铝合对现场记录结合现场数结合数据分析应
金冶炼及铸造金现场生产工的数据进行据整理分析结果以及结论完
的资料，并整艺进行追踪，整理。 A356铝合金编写论文正成
理。 并记录数据。 所产生的缺文。 的
陷进行分析，内
并得出结论 容
指导教师: 教研室审批: 说明:如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。本任务书一式三份，教
务科、教师、学生各执一份。
II
关于A356铝合金铸造成型方法的论文
摘 要
在铸造合金中，铸造铝合金的应用最为广泛，是其他合金所无法比拟的. 由于铝合金各组元不同，从而表现出合金的物理、化学性能均有所不同，结晶过程也不尽相同
通过在工厂的具体实习研究了A356铝合金的工艺流程及其成型工艺,浇铸设备,以及其在生产中出现的缺陷和缺陷的防止办法.
A356铝合金的工艺流程:
配料?预热?装炉?熔炼(合金化)?搅拌取样?转炉?喷粉除渣?加入其他合金元素(合金化)?调整温度?除气精炼?炉前取样分析?浇铸?炉后检测?包装入库
关键词 铝合金 浇铸 成型工艺 铸造方法
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目 录
摘 要 ............................................................................................................. I 第一章 绪论 .................................................................................................1 1.1 课题背景 ............................................................................................1
1.1.1汽车铝合金铸件的应用 ..............................................................1
1.1.2 国内外铝合金熔铸技术的现状及发展趋势.............................2 第二章原材料及炉料的配比.......................................................................4 2.1原材料纯铝 .........................................................................................4 2.2炉料的分类及配比原则 .....................................................................6 2.2.1炉料的分类 ......................................................................................6 2.2.2炉料的装炉的要求 ..........................................................................6 2.2.3炉料的配比原则 ..............................................................................7 第三章 A356.2铸造工艺 ............................................................................7 3.1 A356.2铸造工艺流程 ........................................................................7 3.2工艺各流程控制点及操作说明 .........................................................7 第四章铸造工艺 .........................................................................................12 4.1铝合金铸模的分类 ...........................................................................12
一 对金属模的要求 ...........................................................................13
二 铸模的冷却能力 ...........................................................................13
三 水冷铸模构造 ...............................................................................13 4.2浇铸方法的分类 ...............................................................................13
一(连续浇铸 .....................................................................................13
二竖式半连续铸造 .............................................................................14 第五章A356铝锭常见的铸造缺陷及分析..............................................16 5.1熔渣 ...................................................................................................16 5.2外来夹杂物 .......................................................................................17
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燕山大学本科生毕业设计(论文)
5.3霉斑 ...................................................................................................17 5.4裂纹 ...................................................................................................18 5.5冷隔 ...................................................................................................18 5.6油污 ...................................................................................................19 5.7浇不足 ...............................................................................................19 5.8缩孔 ...................................................................................................19 5.9飞边 ...................................................................................................20 5.10呛孔 .................................................................................................20 5.11气泡 .................................................................................................20 5.12缩松 .................................................................................................21 结 论 ...........................................................................................................23 参考文献 .....................................................................................................24 附录1 ..........................................................................................................25 附录2 ..........................................................................................................26 致谢 .............................................................................................................27
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第一章 绪论
1.1 课题背景
近年来，汽车工业大量应用铝合金作为其产品的结构材料，以满足自身发展的需要。20世纪80年代以来，在国际上，汽车结构变化的主要方向是提高使用经济性，而降低燃油消耗、实现轻量化是现代汽车最显著的特征。因为汽车轻量化的结果会缓和能源需求的紧张状况，减轻环境污染，降低生产综合费用。作为轻金属，将逐渐增大在汽车工业方面的开发应用，完全符合汽车工业自身当前的发展趋势。
1.1.1汽车铝合金铸件的应用
国际上，用铝合金代替铸铁制造汽车零件的历史可以追溯到20世纪40年代。欧洲的汽车生产厂家，例如意大利菲亚特汽车公司研究出用铝代替铸铁制造进气歧管和气缸盖后，因其具有很多优点而开始少量生产。同时，金属型铸造工艺用于汽车工业产品生产的优点也逐步表现出来。50年代，澳大利亚引进了英国Alumasc公司的低压铸造技术，用于汽车铝铸件生产。联邦德国Kartl Schrmiolt公司对低压铸造技术作了进一步改进，用于生产结构复杂的零件，包括戴姆勒-本茨汽车公司的镶嵌铸铁衬套的铝制动鼓。美国通用汽车公司在Massena铸造厂大量生产Corvair Certainly轿车铝铸件如气缸盖、曲轴箱、发动机后盖及滤清器接头。60年代以后，以汽车工业为产业支柱的工业国家，将电子、机械制造技术与汽车制造溶为一体，追求高效率的生产方式，因此压铸技术获得了较大发展，压铸工艺成为汽车工业扩大轻金属应用的主要生产手段之一。同时，也确立了现代汽车(其中主要是轿车)广泛应用铝铸件来减轻自身质量的基础。
总的说来，国际上铝合金逐步应用于汽车工业产品的发展历程主要分为两个阶段:第一阶段应用的产品是气缸盖、进气管、活塞、离合器壳、
1
燕山大学函授本(专)科毕业设计(论文) 变速器壳，以及镶嵌铁缸套的铝气缸体;第二阶段开发应用的零件与车辆的安全性能有关，如盘式制动器座、悬臂架、制动鼓、万向节叉以及汽车轮毂。
在国内，汽车用铝铸件始于20世纪30~40年代，主要是制造汽车备件，供当时为数不多的汽车使用，生产量小，生产条件以及工艺技术很差。在新中国成立以后，20世纪50年代我国建立了民族汽车工业(第一汽车制造厂);70~80年代汽车工业飞跃发展，生产制造汽车品种从载货车、客车，并逐步发展到轻型汽车和轿车的制造，以生产轿车配套产品为主体，汽车用铝铸件的开发应用迅速发展起来。
汽车制造业为了减轻车辆自身质量，对铝铸件的需求不断增长。在整个铝铸件总产量中，大约有60%-70%的铝铸件用于汽车制造，其主要用于以下两个产品。
纵观国内外，在汽车轮毂铝合金材料使用方面，国外如美国以及西欧，均采用356合金(或A356合金)，而国内在引进国外的汽车轮毂铸造技术以后，经过国产化，形成现今使用的ZL101A合金。在铸造方法上，主要采用金属型铸造，以及金属型低压铸造法，并且近年以来逐步开发生产带泥芯的铸造方法，即将轮毂幅条挖空，进一步减轻轮毅的质量。
在当前国内外汽车产品应用铝合金材料方面，按使用量计算，轮毂产品用铝合金数量位居首位。由此可见，铝合金轮毂在汽车产品应用铝合金方面的重要意义。
1.1.2 国内外铝合金熔铸技术的现状及发展趋势
(1) 熔铸设备
近年来熔铸设备的发展一直追求大型、节能、高效和自动化。在国外，大型顶开圆形炉和倾动式静置炉得到广泛应用，容量一般达30—50吨，多的达100吨以上，熔铝炉装料完全实现机械化。铸造机通常使用液压铸造机，大型液压铸造机可铸100吨/次以上，最大铸锭重量达30吨。为了使熔化炉内铝熔体的化学成分更均匀，减少劳动强度等原因，发达国家通常都在炉底安装电磁搅拌器。国内在“七五”期间才研制成了“炉底平板式”电磁
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搅拌装置，现在该技术在国内应用不太多，只八五”期间才开始推广次新技术项目。
(2) 晶粒细化
众所周知，在铝液中加入晶粒细化剂，可以明显改善铸锭的组织，晶粒细化的方法有多种，使用最广泛的是二元合金，Al-Ti和三元合金Al-Ti-B，国内产品主要有Al-4Ti、Al-5Ti-1B块状细化剂，在调整好铝熔体 成分后加入。而国外多将细化剂做成棒状，在铸造流槽中加入，细化效果显著提高，产品有Al-5Ti-1B、Al-5Ti-0.2B、Al-3Ti-1B、Al-6Ti等，国内很多厂家在生产高质量产品时，都使用进口的棒状细化剂。?
近年来，细化剂的研究集中在降低使用成本和减少添加细化剂对熔体质量的影响上，针对不同合金应采用不同的细化剂。另外，1996年美铝研
Ti-C，先后应用在很多种系合金中，显示了其优点，而制出新的细化剂Al-
我国对Al-Ti-C的研究才刚刚起步。
(3) 熔体净化
多年来，铝合金制品对铸锭的内部质量尤其是清洁度的要求不断
提高，而熔体净化可分为炉内处理和在先线净化两种方式。
炉内熔体处理主要有气体精炼、溶剂精炼和喷粉精炼等方式。炉内处理技术的发展较慢，国内只有90年代中期出现的喷粉精炼相对较新，其除气除渣效果较气体精炼和溶剂精炼好，但因精炼杆靠人工移动，精炼效果波动较大。
国外先进的炉内净化处理采用了自动控制，较有代表性的有两种，一种是从炉顶或炉墙向炉内熔体中插入多根喷枪进行喷粉或气体精炼，，但由于该技术存在喷枪易碎和密封困难的缺点未广泛应用。另一种是在炉底均匀安装多个可更换的透气塞，由计算机控制精炼气流和精炼时间，该方法是比较有效的炉内处理方法。
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炉内处理对铝合金熔体的净化效果是有限的，要进一步提高熔体纯洁度，尤其是进一步降低氢含量和去除非金属夹渣物，必须采用高效的除气和过滤在线净化技术。
(4) 铸造技术
半连续铸造是世界上应用最普遍，历史最悠久的铝合金铸造技术，50年代初我们从苏联引进了此技术。对于铝合金铸造，除了到铸锭成型的基本目的之外，各铝加工企业和研究机构，一直致力于提高铸锭表面质量，即使铸锭表面尽可能平整光滑，减少或消除粗晶层偏析瘤等表面缺陷，减少铸锭厚差及底部翘曲和肿胀等，使铸锭在热轧前尽可能少铣或不铣面，提高成材率。
铸造技术的新进展及有前景的技术有:脉冲水、加气铸造、电磁铸造、气滑铸造、可调结晶器、低液位铸造(LHC)、ASM新式扁顶结晶起等。
多年来，我国铝熔铸工程技术人员不断努力和创新，使铝熔铸技术取得了很大的进步和发展，对我国各种铝材质量的提高起了非常重要的作用。21世纪是知识经济时代，随着我国加入WTO，铝加工业同其他产业一样，面临更加激烈的全球竞争。为了生存和发展，铝熔铸技术必须广泛吸收国外先进技术，紧跟世界先进水平，开展科技攻关和技术创新，不断提高熔铸技术水平，为我们铝加工业的发展作出应有的贡献。
第二章原材料及炉料的配比 2.1原材料纯铝
铝电解槽中生产出的原铝，在质量上相差较大。另外，还含有一些金属杂质，气体和非金属固态夹杂物。铝锭铸造的任务是提高低品位铝液的利用率，并尽可能除去其中的杂质。原铝中的杂质可分为以下三类:第一类是金属元素，如铁、硅、铜、钙、镁、钛、钒、硼、镍、锌、镓、锡、铅、磷等，其中主要元素是铁和硅;第二类是非金屑固态夹杂物，Al2O3，AlN和Al4C3;第三类是气体，H2，CO2，CO，CH4，N2，其中主要的是H2。
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在660C下，100g铝液中大约溶解0.2cm3的氢气。气体在铝液中的溶解度随温度升高而增加。从电解槽吸出的铝液，都要经过净化处理，清除掉一部分杂质，然后铸成商品铝锭(99.85,A1)。 含99.996,Al纯铝(铝丝φ2mm，硬拔者)，电阻率为2.668×10,8Ω?m。纯铝中如有杂质元素，则电阻率增大。(影响最大者为铬、钒、锰、锂、钛。影响较小者为铟、铅、锌、镉、锡、铍、铁。
用拜耳法从铝土矿生产出的工业氧化铝中，杂质的含量相对于原料铝土矿来说大为减少。除了从碱液中带来的碱以外，杂质元素的分析值总量通常少于l,。其中主要杂质是SiO2和Fe2O3。除了氧化铝给电解槽带来杂质外，炭阳极和熔剂冰晶石也带来不少杂质。炭阳极带来的杂质主要是铁和硅，冰晶石也是这样。
如果原料的杂质元素全部析出在原铝里，则所得铝的品位只有99(7,Al。然而，实际生产出来的铝却具有较高的品位99(8,Al。这种差别主要是由于杂质元素的蒸发造成的。铁、钛、磷、锌和镓从氧化铝来的占多数，而硅和钒则从炭阳极来的占多数。从熔剂来的杂质元素，以磷为多，约占
磷总量的20,，其余硅、铁，钛和钒都很少。
平衡表的支出，硅和铁都超过了从原料带来的数量，其中硅超过60,左右，铁超过37,左右。电解槽的内衬材料，例如高灰分的槽底炭块和炭糊以及耐火材料，是这些杂质元素的另一个重要来源。此外，由于操作工具和阴极钢棒遭受侵蚀，使铁也进入了平衡。其余几种元素，收支接近平衡。
支出分配在原铝和废气中的杂质元素量是不一样的。蒸发量最大的是磷，占收入总量的72,，钒占64.4,，铁占62.4,，钛占57.7,，镓占49.6,，锌占19.7,。最小的是硅，仅占收入总量的13.3,。之所以如此，原因是:?硅和锌在电解质里以比较难蒸发甚至不蒸发的化合物形态存在，倒如SiO2，ZnO或ZnF2。硅和锌明显地积累在铝液里。铝液被硅和锌污染的程度，主要是由物料平衡中供入的硅化合物和锌化合物总量来决定的。在这种情形下，槽罩的收集效率无关紧要。?铁、镓、钛和镍至少部分地以挥发性化合物的形态存在于体系中。这些化合物大概是在进入电解质之后才生成的。可能的化合物是Fe(CO)5，Ni(CO)4，TiF3，TiF4和GaF3等。
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燕山大学函授本(专)科毕业设计(论文) 如果槽罩的收集效率提高，则会在一定程度上影响铝的质量。?钒和磷只以挥发性化合物形态存在。可能的化合物，首先是氟化物(VF3和PF3)和五氧化二磷(P2O5)。由于电解质中磷含量升高会影响电流效率，而铝中钒量增多则会减小铝的导电性能，所以可以预料到提高槽罩的收集效率会对原铝质量以及最佳生产效果方面带来损害。
2.2炉料的分类及配比原则
2.2.1炉料的分类
配料的铝合金的炉料分三大类:纯金属称为新金属;回炉的废料或复化料;中间合金.
1纯金属—新料 铝合金主要使用的纯金属主要是:纯铝以及纯金属的形式入炉的合金中的金属元素
纯铝装炉有固体料和液体料两种.多数铝加工厂用原铝锭装炉,冶炼厂的铸造车间电解槽铝水,一些大型的工厂采用大型炉集中熔化铝.然后一液体料供应给各合金熔炼炉
本厂是用电解铝作为纯金属的
铝合金添加元素直接装炉的纯金属有铜,镁等.他们在装炉之前多剪成碎快,以便于配料和加速其在铝中的溶解
2废料:
?本厂废料来源于熔铸的工艺废品及几何废料.此类废料可根据本厂的实际情况分级分类使用,质量好的大块废料可直接回炉配制成品合金;对质量较差的碎屑需经复化处理后才准限量的配制成品合金 ?厂外废料,厂外废料来源于用料工厂,长粉较混杂质量较差,不宜直接使用,需经复化处理并确定其成分后才使用
3中间合金:
一些熔点高的或在铝中溶解速度慢的合金元素,多数预先制成中间合金加入,如,铜,钛,锰,硅等中间合金应成分均匀,易于破碎,杂质少熔点应接近铝的熔炼温度。
2.2.2炉料的装炉的要求
1炉料入炉前化学成分及杂质含量应清楚
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2炉料应清洁,干燥,无灰尘,油污,腐化物及水分
3装炉方便;有利于机械化作业,减少装炉时间从而减少金属损失及提高熔化效率
2.2.3炉料的配比原则
1在保证产品质量和性能要求的前提下,选择适当品位的纯金属.品位用高了提高成本,浪费了金属材料;品位用低了达不到质量要求
2在保证产品质量的前提下,根据制品用途和工艺要求,应充分利用废料,降低新料用量;但要注意废料循环使用所造成的杂质含量的升高,因此废料用量应有适当比例
3尽量避免，完全使用新料或完全使用废料,用电解铝液最好掺入部分废料及冷却料
4在保证产品质量前提下,根据工艺要求,应调整好炉料杂质含量的比例。
第三章 A356.2铸造工艺 3.1 A356.2铸造工艺流程
配料?预热?装炉?熔炼(合金化)?搅拌取样?转炉?喷粉除
渣?加入其他合金元素(合金化)?调整温度?除气精炼?炉前取样
分析?浇铸?炉后检测?包装入库
3.2工艺各流程控制点及操作说明
一、配料
在配料时要看清下达的任务书，按照技术要求的各元素种类将现有的原材料按所需含量混合起来，在高温 炉和合金炉里熔化。在配料过程中要遵循原材料检验合格报告，原材料按工艺准确配比，原材料准确称量。
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二、二预热
了除掉原材料中的残余预热主要是为水分
铝和水气的反应
低于250时,铝和空气中的水蒸汽接触发生下列反应
2AL+6HO=2AL(OH)+3H 232
氢氧化铝是一种白色的粉末,没有防氧作用,且易吸潮
在高于400的熔炼温度下,铝与水气发生下列反应
2AL+3HO=ALO+6[H] 223
生成的游离态[H]极易溶于铝液中,此反应为铝液吸氢的主要途径
高温下氢氧化铝在炉内发生分解反应
2AL(OH)=ALO+3HO 3232
此反产生的HO又可以与铝反应生成[H]进入铝液.所以铝锭长期露天2
啊存放是造成熔炼含气量多的主要原因
三装炉熔铝
固体金属在炉内加热熔化所需的能量要由熔炼炉的热源所提供,由于采用能源的不同,其加热的方式也不一样.目前基本炉型仍是火焰炉.金属熔化所需的理论总热量比实际所消耗的的能量小的多
铝的熔点虽然低(660)但由于熔化潜热(393056KJ/kg)和比热大(故态1.138KJ/(kg.0C)液态1.046)熔化1KG所需要的热量要比铜大的多,而铝的黑度(=0.2)仅是铜铁的0.25因此铝和铝合金的火焰熔炼炉很难实现理想的热效率
四加硅熔硅
在高温炉中将纯铝和工业硅完全熔化。熔炼时间为熔铝为45,75min，熔硅为45,75min ;熔炼温度为780,880?，再此温度范围内铝和工业硅可以完全的熔化;原料融化程度要保证原材料全部融化。
硅与铝的原子结构相同.同为面心立方体.熔化潜热大,加入到铝合金中提高合金的流动性.降低合金的收缩量,减少疏松,提高气密性.同时加入镁可以提高合金的强度. Si是A356合金的主要元素，微量Si的加入使w(Mg),0.3,铝合金的流动性急剧下降，当w(Si),0.3,，w(Mg),
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0.3,时，其流动性为200 mm;当w(Si),1.5,时为66.5 mm，降幅为66.75,(但随着Si含量的继续增加，合金流动性开始缓慢上升，当w(Si),11%，试验中由于Si加入使流动性降低的现象明显改善，流动性恢复到w(Si)=0,时，即试验开始时第一数据点的流动性水平。分析认为，微量Si的加入使Al —0.3Mg合金流动性急剧下降的原因在于，微量Si与Mg结合生成Mg2Si，由于后者含量甚微，大多以固溶形式存在于α—Al基体中[2,3] 。固溶物与基体存在晶体结构和热物理性能差异，Al的导热系数为2.23 J,(cm?s??)，Mg2Si的导热系数为2.92 J,(cm?s??),7.69×10-3J,(cm?s??)，相差3个数量级，导致局部区域温度场不均匀，使α,Al晶体生长过程中原子堆垛发生异常，形成高能量畸变点[4-6]，改变了初生相晶体生长的热扩散和原子扩散环境，使合金凝固区间扩大，从而使流动性急剧下降。
五搅拌取样
搅拌取样的目的为测钙，钙为铸造过程中的杂质元素，在铸造过程中影响合金液的流动性，搅拌时间为5 min，这样以保证高温炉内的各部分元
,25cm[26]，这样所取部位素均匀;取样部位在炉中间部位，液面以下15
能够代表炉内各部分的钙含量的大小。用光谱分析测钙，钙含量符合产品要求为<0.05%。>
实际生产注意事项
1搅拌时间
2取样部位
3钙含量符合产品要求
六转炉
控制点:1、转炉时间:15—30分钟
2、转炉温度:780—880摄氏度
将高温炉内已经完全熔化的铝硅合金转移到合金炉内，以便于按照技术要求的各元素含量进行元素的配比。转炉时间为15,30 min，这样可以保证在从高温炉内的铝硅合金液温度符合,转炉温度为780,880?。
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七喷粉除渣
控制点:1、铝液温度:710—720摄氏度
2、清渣剂用量:铝液总重量的1/1000----1.3/1000
3、氩气的压力:0.25---0.3MPa
4、喷粉时间:3----5分钟
在氩气的作用下将精炼粉吹入合金液中，将杂质元素转变成固态的渣子浮到合金液表面，再用工具将渣子扒出，以达到减少杂质的目的。在喷粉除渣中须注意1.铝液温度:710,720?，此温度是精炼剂和合金液中的杂质反应的最佳温度;2.清渣剂用量为铝液总重量的1/1000,1.3/1000，此用量完全可以将合金液中的杂质元素清除干净;3.氩气的压力为0.25,0.3MPa;4.喷粉时间为3,5 min，在此时间范围内可以将精炼剂全部吹入合金液中，并使渣子浮到合金液表面
八合金化处理
控制点:1、添加数量和要求
2、铝液温度:660—690摄氏度
3、添加方式和顺序:锶中间合金 镁锭
加入中间合金后迅速搅拌使之熔化。
加入镁锭后迅速搅起铝液，将镁锭覆盖，然后反复将镁锭压入合金液，尽量不使镁锭泛起镁光，直至镁锭完全溶解，搅拌5---8分钟
4、搅拌时间:>=5分钟
按照技术要求加入Mg和Ti等元素，以达到技术要求中元素的含量。在添加其他元素过程中要注意1.添加数量和要求，完全按照技术要求和配料作业指导书进行投料;2.铝液温度为660,690?，此时可以保证加入的合金元素不被大量的氧化或烧损，以节省原料，减小成本，提高利润;3.添加方式和顺序:锶中间合金、镁锭。因为Mg比锶的熔点低，为减小镁的消耗，先加锶后加入镁(加入锶中间合金后迅速搅拌使之熔化。加入镁锭后迅速搅起铝液，将镁锭覆盖，然后反复将镁锭压入合金液，尽量不使镁锭泛起镁光，直至镁锭完全溶解，搅拌5,8 min。
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九温度调整
当Ti含量低于0.15%时，将铝液温度调整到660,690?;当Ti含量在0.15—0.2%时，将铝液温度调整到690,720?，当含Ti量高于0.2%或生产喊锑合金时，将铝液温度调到720,750?。
十除气精练
控制点:1、铝液温度:710---720摄氏度
2、氩气压力:0.25---0.3MPa
3、除气时间:针孔度<=2级时，除气的时间应大于20分钟>
针孔度<=3级时，除气的时间应大于15分钟>
在技术标准控制的温度下，向合金液内同入高纯氩气，将合金液内附着的气体尤其是氢气吹出，减小因气体的存在对铸件造成的缺陷的产生。铝液温度控制为710,720?，经研究表明，此温度下，氩气作用于合金液中氢气等气体容易冲破合金液的包裹，而被排除合金液减小铸造中的缺陷。氩气压力需要0.25,0.3MPa ;当针孔度<=2级时，除气的时间应大于20min，><=3级时，除气的时间应大于15 min。="">
十一炉前取样分析
控制点:1、铝液温度:680---700摄氏度
2、取样部位:炉中间部位，液面以下15—25cm
3、取样时机
4、检测项目:成分检测
5、产品标准要求
用小勺在炉内中间取出合金液注入专用模型中检验合金液的成分是否符合技术要求的标准。铝液温度为680,700?;取样部为炉中间部位，液面以下15,25cm，取样时机，在除气精炼过程即将结束时进行取样分析，检测合金液的成分以保证产品的成分合格 。
十二浇铸
控制点:1、浇铸温度:640----660摄氏度
2、浇铸速度:0.25----0.5块/秒
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燕山大学函授本(专)科毕业设计(论文)
在成分和温度都符合要求的状态下，在半连续浇注机中将合金液注入专用的金属模具中，完成从液态到产品的过程。浇铸温度为640,660?;速度为0.25,0.5块/秒[33]，在此速度范围内，可以保证成品的质量、重量等复合产品的技术要求，做出合格的产品;在浇注过程中用专用工具将浇铸的产品在凝固前将浮在表面的因浇铸时产生的氧化渣刮走，保证产品符合技术要求。
十三炉后检验
将最终的成品随机抽取按照规定的技术要求，取固定的部位检查其宏观组织和微观组织是否符合技术标准。在浇铸中随机抽取第一、三、六车中的一个铸件打上A、C、F标志，分别代表本炉次的前、中、后部分的产品质量;最后用金相显微镜观察金相组织，针孔和晶粒大小。
十四包装
规定将铝锭码放整齐并用钢带或高塑带打包，对有的客户特殊要求的进行套袋处理，然后登记入库。
第四章铸造工艺
由于在工厂的实习工种的不同，就在浇铸过程中的具体情况将铸造工艺在这里具体说明一下
现在铝锭铸造工艺一般采用浇铸工艺，就是把铝液直接浇到模子里，待其冷却后取出.产品质量的好坏主要在这一步骤，而且整个铸造工艺，也是以这一过程为主。铸造过程是一个由液态铝冷却、结晶成为固体铝锭的物理过程。
4.1铝合金铸模的分类
块式铁模(水冷模)铸锭是目前我国小型铝加工厂和铝制品厂铸锭的主要生产方式,占半铸锭的三分之二,其特点是:生产方便灵活,设备费少,利用余热加工,各向异性小,深冲性能好;劳动条件差
铝合金常用的铸铁模有两种:一种是对开的厚壁铁模;一种是对开的水
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关于A356铝合金铸造成型方法的论文
冷模,以水冷模多
一 对金属模的要求
有一定的吸热能力,保证凝固所需的冷却速度操作简便灵活,膜模方便热稳定性好,不易变形有足够的强度
二 铸模的冷却能力
铸锭的凝固是由于铸型 的吸热而进行,所以任何铸件的凝固速度都受铸型吸热能力支配 铸型吸热能力用蓄热系数b来衡量,铸型的蓄热系数越大,对铸锭的激冷能力越强
较为理想的铸模材料是紫铜,但是由于紫铜的价格贵,目前采用铸铁模.为减少铸模重量增加激冷能力,水冷模的应用比较普遍,调整冷却水的温度和压力可以改变铸型的冷却速度
三 水冷铸模构造
普通水冷模的构造多有对开的两侧模组成:两侧模分别通冷却水,为使模壁对铸锭冷却均匀在两侧的水套中流动均匀.有些工厂为了改善铸锭表面质量,减缓铸模表面加工成带有浅沟槽的表面
4.2浇铸方法的分类
一(连续浇铸
连续浇铸可分为混合炉浇铸和外铸两种方式。均使用连续铸造机。混合炉浇铸是将铝液装入混合炉后，由混合炉进行浇铸，主要用于生产重熔用铝锭和铸造合金。外铸是由抬包直接向铸造机浇铸，主要是在铸造设备不能满足生产，或来料质量太差不能直接入炉的情况下使用。由于无外加热源，所以要求抬包具有一定的温度，一般夏季在690,740?，冬季在700,760?，以保证铝锭获得较好的外观。
混合炉浇铸，首先要经过配料，然后倒人混合炉中，搅拌均匀，再加入熔剂进行精炼。浇铸合金锭必须澄清30min以上，澄清后扒渣即可浇铸。浇铸时，混合炉的炉眼对准铸造机的第二、第三个铸模，这样可保证液流发生变化和换模时有一定的机动性。炉眼和铸造机用流槽联接，流槽短一些较好，这样可以减少铝的氧化，避免造成涡旋和飞溅，铸造机停用48h
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燕山大学函授本(专)科毕业设计(论文) 以上时，重新启动前，要将铸模预热4h。铝液经流槽流入铸模中，用铁铲将铝液表面的氧化膜除去，称为扒渣。流满一模后，将流槽移向下一个铸模，铸造机是连续前进的。铸模依次前进，铝液逐渐冷却，到达铸造机中部时铝液已经凝固成铝锭，由打印机打上熔炼号。当铝锭到达铸造机顶端时，已经完全凝固成铝锭，此时铸模翻转，铝锭脱模而出，落在自动接锭小车上，由堆垛机自动堆垛、打捆即成为成品铝锭。铸造机由喷水冷却，但必须在铸造机开动转满一圈后方可给水。每吨铝液大约消耗8-10t水，夏季还需附吹风进行表面冷却。铸锭属于平模浇铸，铝液的凝固方向是自下而上的，上部中间最后凝固，留下一条沟形缩陷。铝锭各部位的凝固时间和条件不尽相同，因而其化学成分也将各异，但其整体上是符合标准的。
重熔用铝锭常见的缺陷有:?气孔。主要是由于浇铸温度过高，铝液中含气较多，铝锭表面气孔(针孔)多，表面发暗，严重时产生热裂纹。?夹渣。主要是由于一是打渣不净，造成表面夹渣;二是铝液温度过低，造成内部夹渣。?波纹和飞边。主要是操作不精细，铝锭做的太大，或者是浇铸机运行不平稳造成。?裂纹。冷裂纹主要是浇铸温度过低，致使铝锭结晶不致密，造成疏松甚而裂纹。热裂纹则由浇铸温度偏高引起。?成分偏析。主要是铸造合金时搅拌不均匀引起的。
二竖式半连续铸造
竖式半连续铸造主要用于铝线锭、板锭以及供加工型材用的各种变形合金的生产。铝液经配料后倒入混合炉，由于电线的特殊要求，铸造前需加入中间合盘Al-B脱出铝液中的钛、钒(线锭);板锭需加入Al-Ti--B合金(Ti5,B1,)进行细化处理。使表面组织细密化。高镁合金加2#精炼剂，用量5,，搅拌均匀，静置30min后扒去浮渣，即可浇铸。浇铸前先将铸造机底盘升起，用压缩空气吹净底盘上的水分。再把底盘上升入结晶器内，往结晶器内壁涂抹一层润滑油，向水套内放些冷却水，将干燥预热过的分配盘、自动调节塞和流槽放好，使分配盘每个口位于结晶器的中心。浇铸开始时，用手压住自动调节塞，堵住流嘴，切开混合炉炉眼，让铝液经流槽流入分配盘，待铝液在分配盘内达到2,5时，放开自动调节塞，使铝液流进结晶器中，铝液即在底盘上冷却。当铝液在结晶器内达到30mm高时即
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关于A356铝合金铸造成型方法的论文
可下降底盘，并开始送冷却水，自动调节塞控制铝液均衡地流入结晶器中，并保持结晶器内的铝液高度不变。对铝液表面的浮渣和氧化膜要及时清除。铝锭长度约为6m时，堵住炉眼，取走分配盘，待铝液全部凝固后停止送水，移走水套，用单轨吊车将铸成的铝锭取出，在锯床上按要求的尺寸锯断，然后准备下一次浇铸。
浇铸时，混合炉中铝液温度保持在690,7l0?，分配盘中的铝液温度保持在685-690?，铸造速度为190,21Omm,min，冷却水压为0.147,0.196MPa。铸造速度与截面为正方形的线锭成比例关系:
VD,K
式中 V为铸造速度，mm,min或m,h;D为锭截面边长，mm或m;K为常值，m2/h，一般为1.2,1.5。
竖式半连续铸造是顺序结晶法，铝液进入铸孔后，开始在底盘上及结晶器内壁上结晶，由于中心与边部冷却条件不同，因此结晶形成中间低、周边高的形式。底盘以不变速度下降。同时上部不断注入铝液，这样在固体铝与液体铝之间有一个半凝固区(由于铝液在冷凝时要收缩，加上结晶器内壁有一层润滑油，随着底盘的下降，凝固的铝退出结晶器，在结晶器下部还有一圈冷却水眼，冷却水可以喷到已脱出的铝锭表面，为二次冷却，一直到整根线锭铸完为止。
顺序结晶可以建立比较满意的凝固条件，对于结晶的粒度、机械性能和电导率都较有利。比种铸锭其高度方向上没有机械性能上的差别，偏析也较小，冷却速度较快，可以获得很细的结晶组织。
铝线锭表面应平整光滑，无夹渣、裂纹、气孔等，表面裂纹长度不大于1(5mm，表面的渣子和棱部皱纹裂痕深度不许超过2mm，断面不应有裂纹、气孔和夹渣，小于lmm的夹渣不多于5处。
铝线锭的缺陷主要有:?裂纹。产生的原因是铝液温度过高，速度过快，增加了残余应力;铝液中含硅大于0.8,，生成铝硅同熔体，再生成一定的游离硅，增加了金属的热裂性:或冷却水量不足。在结晶器表面粗糙或没有使用润滑油时，锭的表面和角部也会产生裂纹。?夹渣。铝线锭表面夹渣是由于铝液波动、铝液表面的氧化膜破裂、表面的浮渣进入铸锭的
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燕山大学函授本(专)科毕业设计(论文) 侧面造成。有时润滑油也可带入一些夹渣。内部夹渣是由于铝液温度过低、粘度较大、渣子不能及时浮起或浇铸时铝液面频繁变动造成。?冷隔。形成冷隔主要是由于结晶器内铝液水平波动过大，浇铸温度偏低，铸锭速度过慢或铸造机震动、下降不均而引起的?气孔。这里所说的气孔是指直径小于1mm的小气孔。其产生的原因是浇铸温度过高，冷凝过快，使铝液中所含气体不能及时逸出，凝固后聚集成小气泡留在铸锭中形成气孔。?表面粗糙。由于结晶器内壁不光滑，润滑效果不好，严重时形成晶体表面的铝瘤。或由于铁硅比太大，冷却不均产生的偏析现象。?漏铝和重析。主要是操作问题，严重的也造成瘤晶。
第五章A356铝锭常见的铸造缺陷及分析
在浇铸完后，成品的铝合金锭往往会发现有的带有缺陷，主要表现为熔渣家渣、霉斑、裂纹、冷隔等。
5.1熔渣
缺陷特征:铸锭表面或内部出现与基体不同的熔剂渣物。氧化夹渣多分布在铸件的上表面，在铸型不通气的转角部位。断口多呈灰白色或黄色，经x光透视或在机械加工时发现，也可在碱洗、酸洗或阳极化时发现
形成原因:
1、浇铸系统设计不合理，挡渣集渣能力差;
2、合金熔炼过程中除渣不干净;
3、模具涂料及浇铸过程中操作不当;
4、炉料不清洁，回炉料使用量过多;
5、精炼变质处理后静置时间不够;
6、浇注操作不当，带入夹渣。
防止办法及补救措施:
1、在浇铸系统中安放过滤网或集渣包;
2、选用适合该合金品种的高效精炼剂充分精炼合金液，精炼后至少静置5--10分钟，让熔渣上浮到液面，然后扒静浮渣，方可浇铸;
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关于A356铝合金铸造成型方法的论文
3、对含有Ti、Si、Sb等密度比铝合金大的元素，在浇铸前应缓慢的搅拌均匀，防止出现游离的TiAl3、Si、AlSb等硬质点熔渣;
4、炉料应经过吹砂，回炉料的使用量适当降低
5.2外来夹杂物
缺陷特征:铸锭表面或内部出现颜色与基体不同的非金属氧化物或夹杂物。
形成原因:
1、原材料不洁净，使用的炉子、工具不洁净，浇铸过程中外来夹杂物混入。
2、合金液精炼除渣不彻底。
3、浇铸时合金液的落差太大，增加氧化物并使氧化膜破碎而卷入合金液内。
防止办法及补救措施:
1、严禁使用不洁净的炉子、炉料和工具。
2、选择合适的精炼方法和精炼剂，对合金液进行充分的精炼和过滤，减少氧化夹渣物。
3、尽可能的缩短转注的距离，降低浇铸的落差，减少氧化。
4、防止浇铸过程中石棉、纤维、泥沙和涂料等掉入。 5.3霉斑
缺陷特征:铸锭表面出现不同于金属颜色的黑点或斑点。
形成原因:
1、铸锭长期暴露在大气中。
2、铸锭存放的环境潮湿。
防止办法及补救措施:
1、加强对铸锭的有效防护。
2、铸锭存放的环境要保持干燥通风。
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燕山大学函授本(专)科毕业设计(论文) 5.4裂纹
缺陷特征:铸锭表面出现的直形或波浪形的暗灰色的裂口，沿晶界发展，常伴有偏析，是一种在较高温度下形成的裂纹在体积收缩较大的合金和形状较复杂的铸件容易出现。
形成原因:
1、浇铸温度太高，速度太快。
2、合金液内的杂质超过了技术条件的规定，特别是低熔点合金。
3、铸件结构设计不合理，有尖角，壁的厚薄变化过于悬殊
4、铸型局部过热
5、自铸型中取出铸件过早
防止办法及补救措施:
1、适当的降低合金液的浇铸温度和浇铸时间。
2、严格控制合金液内杂质的含量(特别是低熔点合金)在技术条件的规定范围之内。
3、改进铸件结构设计，避免尖角，壁厚力求均匀，圆滑过渡
4、保证铸件各部分同时凝固或顺序凝固，改进浇注系统设计
5、控制铸型冷却出型时间
5.5冷隔
缺陷特征:铸锭上出现合金液未合拢的不规则的穿透或未穿透的沟，两侧呈圆角，加力后穿透的沟会拉长。铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力学性能严重受损。
形成原因:
1、浇铸系统设计不合理，使两股合金液流汇处集中在铸件的薄截面部位，因冷却凝固而未合拢。
2、模具排气能力差，型腔内气垫反压大，阻碍合金液充满铸件的角落、狭缝，或使两股合金液流不能汇合或融合。
3、合金液浇铸温度，模具温度都太低，或铸件薄壁处涂料涂得太薄，
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造成合金液流动性能差，冷却快，而使合金液不能汇合或融合成一体。
防止办法及补救措施:
1、在设计浇铸系统时，应考虑尽量使合金液流路不要太长，内浇道尽可能沿铸件周围分布。
2、适当的提高合金液的浇铸温度和模具的工作温度。
3、在浇铸前模具应烘干，以免合金液流入后产生气体形成气垫。 5.6油污
缺陷特征:铸件表面有油渍污染。
形成原因:
1、浇铸机润滑油污染。
2、在转运过程中天车漏油而污染。
防止办法及补救措施:对浇铸机和天车的润滑油的使用进行控制。 5.7浇不足
缺陷特征:铸锭未完全充型，重量小于标准或技术要求。(如A356.2
0.5Kg) 的标准重量为6.5?
形成的原因:
1、浇铸速度过快，铝液供流量少。
2、浇铸起始模具，铝液温度偏低，铝液流速慢。
3、浇铸末期，铝液两供给不足。
防止办法及补救措施:
1、将浇铸机的运行速度和铝液的供流量调节到最佳状态(如A356.2的平均浇铸速度为24块/分钟)。
2、浇铸时，将铝液的温度控制在最佳的状态(A356.2的最佳浇铸温度为:640--660摄氏度)。
5.8缩孔
缺陷特征:铸锭上有呈暗色，形状不规则的集中的孔洞。
形成的原因:
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1、浇铸温度高浇铸速度过快。
2、模具涂料的厚度和模具的工作温度不符合顺序凝固和同时凝固的原则要求。
防止办法及补救措施:
1、适当降低合金液的浇铸温度和浇铸速度。
2、按有利于顺序凝固和同时凝固的原则，对模具型腔的不同部位喷刷不同的涂料，并且要求均匀;涂料剥落后，补涂的涂料不得有堆积的现象。 5.9飞边
缺陷特征:铸锭边缘有突出的不规则的形状。
形成的原因:
1、在铸造过程中铸锭表面刮脸处理不当。
2、铸造速度过慢，铝液供流量较大而溢出模具表面。
防止办法及补救措施:
1、刮脸操作标准化。
2、将浇铸机的运行速度和铝液的供流量调节到最佳状态(如A356.2的平均浇铸速度为24块/分钟)。
5.10呛孔
缺陷特征:铸件表面出现较大的凹坑且边缘较光滑。
形成的原因:
1、浇铸系统设计不正确，在浇铸合金液时极容易带入气体。
2、模具内壁潮湿或沾有有机物。
防止办法及补救措施:
1、设计合理的浇铸系统，防止在浇铸过程中华产生涡流。
2、对模具内壁进行清理，并保持干燥。
5.11气泡
缺陷特征:铸锭表面有因气体而形成凸起的泡。在铸件壁内气孔一般
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呈圆形或椭圆形，具有光滑的表面，一般是发亮的氧化皮，有时呈油黄色。表面气孔、气泡可通过喷砂发现，内部气孔 气泡可通过X光透视或机械加工发现气孔 气泡在X光底片上呈黑色
形成的原因:
1、炉体、模具不干燥，产生气体 2、浇注合金不平稳，卷入气体 3、浇注系统设计不良
防止办法及补救措施:
1、炉体、模具在生产前进行烘烤，干燥彻底。 2、正确掌握浇注速度，避免卷入气体。
3、改进浇注系统设计
5.12缩松
缺陷特征:铝铸件缩松一般产生在内浇道附近飞冒口根部厚大部位、壁的厚薄转接处和具有大平面的薄壁处。在铸态时断口为灰色，浅黄色经热处理后为灰白浅黄或灰黑色在x光底片上呈云雾状严重的呈丝状缩松可通过X光、荧光低倍 断口等检查方法发现
产生原因:
1冒口补缩作用差
2炉料含气量太多
3内浇道附近过热
4砂型水分过多，砂芯未烘干
5合金晶粒粗大
6铸件在铸型中的位置不当
7浇注温度过高，浇注速度太快
防止方法及补救措施:
1从冒口补浇金属液，改进冒口设计
2炉料应清洁无腐蚀
3铸件缩松处设置冒口，安放冷铁或冷铁与冒口联用
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燕山大学函授本(专)科毕业设计(论文) 4控制型砂水分，和砂芯干燥
5采取细化晶粒的措施
6改进铸件在铸型中的位置降低浇注温度和浇注速度
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结 论
首先要感谢在百忙之中帮助我的知道老师及同学们。
通过此次的毕业设计能够熟练的掌握铝合金铸造的工艺流程，铸造缺陷及其对铸锭质量的影响，熟悉缺陷分析检验方法、原理及其了解汽车用铸造铝合金及其发展过程、铸造工艺，国内外铸造技术的现状、发展概况。并能在实际的生产实践中得到应用，使理论与实践相结合，让我能够更好的将理论用于实际生产之中，切实的减少缺陷防止缺陷的发生，提高产品
质量，提高生产效率，减小工人的劳动强度，提高利润等等。
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参考文献
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10易正伦( 轻合金文集(第二集)( 中国有色金属加工工业协会轻金属分会( 1986( p13-18。
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附录1
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附录2
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致谢
感谢燕山大学函授站老师在毕业设计中对我的指导和帮助，感谢燕山大学函授站全体导师在教学中的谆谆教诲。
您们辛苦了～
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燕山大学毕业设计(论文)评审意见表 指导教师评语:
成绩:
指导教师签字:
年 月 日 评阅人评语:
成绩:
评阅人签字:
年 月 日
28
燕山大学毕业设计(论文)答辩委员会评语表
答辩委员会评语:
总成绩:
答辩委员会主席签字:
年 月 日
29
个人简介
姓 名:解小宝
性 别:男 此处粘贴
本人2寸政治面貌:贫农
像片(或复
出生年月:1985.6.29 印像片)
班级系别:
本人性格开朗与人处事融洽，对待工作善始善终能承受日益严峻的竞争压力，并能在成功与失败中完善积累自己。
态度诚恳认真，富有责任感和集体主义精神。接受能力强，有较高的求知欲与社
交能力，脚踏实地，能吃苦耐劳。酷爱乒乓球、网毽等 体育运动，是位羽毛球健将。低调做人 ，高调做事。爱岗敬业～实事求是，谦虚上进，有理想，并执着追求～
专业知识:优良
英语水平:一般
计算机水平:一般
社会实践:河北立中有色金属集团有限公司车间实习
曾任职:
获奖情况:
毕业走向:生产技术
范文三：铝合金 的成型 方 法
变形铝及铝合金的挤压生产
第一节:挤压方法
挤压成形是对在挤压筒内的金属锭坯施加外力，使之从设定的模孔中流出，从而获得所需要
1-1) 的形状和尺寸的产品，这样一种塑性加工方法称挤压。(图
图1-1 金属挤压原理示意图
1.挤压轴 2.挤压垫片 3.挤压筒 4.锭坯 5.挤压模 6.挤压制品
从200多年前，英国人S.Braman设计出世界上第一台机械式铝挤压机开始,经历了一百多
,这中间产生了水压机、油压机。特别是近40多年来铝挤压工业和技术获得了飞速发展，年的发展
出现了润滑挤压，复合坯料挤压，在线淬火挤压，反向挤压，变断面挤压，组合模挤压，固定垫片
Conform连续挤压，扁挤压筒挤压?? 挤压，
带穿孔 正向挤压法 不带穿孔
(见图1-2) 最基本分类: 反向挤压法 带穿孔
侧向挤压法 不带穿孔
图1-2 铝挤压最基本方法 a. 正向挤压法 b.型、棒材反向挤压法
c.管材正向挤压法 d.管材反向挤压法
第二节:铝合金挤压技术的发展现状
1、设备:
据资料介绍，世界各国已装备不同类别、结构、用途、压力的挤压机6000台以上。(其中美600多台，日本400多台，法国200多台，俄罗斯400多台，中国2800多台，其他国家1400国
多台)，绝大部分为15—25MN的中小型挤压机。
80MN20目前，世界上已正式投产使用的以上的大型挤压机台以上，拥有的国家是美国、
270MN,挤压机。(全机自动控制)主机、俄罗斯、中国、日本和西欧。最大的是美国雷诺公司的
PLC 系统。辅机均用
2 、工具:大型优质圆、扁挤压筒与特种模具技术
如固定挤压垫片、舌型模、平面分流组合模、叉架模、前室模、导流模、宽展模、可卸模、
水冷模等。
3、 挤压工艺不断改进和完善
舌型模挤压、平面组合模挤压、变断面挤压、水冷模挤压、扁挤压、宽展挤压，精密气、水(雾)冷却在线淬火挤压，高效反向挤压，等温挤压技术??扩大了铝材的品种，提高了挤压速度
和生产效率，产品质量??
4 、铝挤压材的产品结构有了很大的改进
1000目前，全世界铝合金挤压材的年产量已超过万吨，民用铝型材应用大增，军用挤压材
5%以下。铝合金型材发展最快，其产量约占整个挤压材一年产量占挤压材产量的比例已下降到
80%左右。由于铝挤压材正向大型化、扁宽化、整体化方向发展，大型材的比重日益上升，已的
10% 左右。达整个型材产量的
我国的铝合金挤压生产也有了很大发展，已建立起完整的大、中、小配套的挤压工业体系。
2003年我国铝合金型材产量为220万吨以上，占铝材总产量的55%以上，品种已超据初步统计，
28000种，壁板的最大宽度为800MM左右，型材的最大断面积达400?，长度达10-20m，同过
680mm的16孔空心壁板型材和938mm大型特种型材。目前，我们生产时可用宽展法挤压宽度为
Ф620mm，管材尺寸可达φ620×15 mm。 的棒材最大外径可达
第三节:挤压成形的优缺点
1、 优点:?提高金属的变形能力。金属在挤压变形区中处于强烈的三向压缩应力状态，可以充分发挥其塑性，获得大变形量。?制品综合质量高。挤压变形可以改善金属材料的组织、性能，特别是具有挤压效应的铝合金，可以获得较高的纵向(挤压方向)力学性能。?产品范围广。不仅可
生产形状简单的管、棒、带材产品，还可以生产断面形状非常复杂的实心和空心型材，以及阶段变
断面和逐渐变断面型材。?生产灵活性大。可以在同一台设备上通过换工模具生产多品种产品。操
作简单，效率高，适于多品种，多规模、小批量材料生产。?工艺流程简单。2、 缺点:?制品组织性能不均匀。由于挤压时金属的流动不均匀(无润滑正向挤压时尤为严重)，
6A02、2A50、2A10、2A12等合使制品存在表层与中心，头部与尾部组织性能不均匀现象，特别是
金挤压制品，在热处理后形成粗晶环。?挤压工模具工作条件恶劣，工模具耗损大(据某厂统计，
15%以上)。?生产效率相对较低，常规的多种挤压法不能实现连续生产。?与其它成占总成本的
10%—20%。 形法相比，几何废料损失较大。(切头、尾、留残料??)几何废料可达铸锭重量的
第四节:铝合金正向挤压的基本变形条件和特点
一、 挤压时的金属的应力应变状态
图示4-1为单孔平模挤压圆棒材的外力、应力和变形状态。挤压金属所受外力有:挤压轴的
PPT正向压力;挤压筒壁和模孔壁的作用力′;在金属与垫片，挤压筒及模孔接触面上的摩擦力，
其作用方向与金属的流动方向相反。
4-1 图挤压时的外力、应力和应变状态
1- 2- 3- 4- 挤压筒挤压垫片填充挤压前垫片的原始位置模子
P- - - - 挤压力?填充挤压阶段?平流阶段?紊流阶段
这些外力的作用就决定了挤压时的基本应力状态是三向压应力状态。这种应力状态对利用和发挥金
ζ径向压力为ζr,周向或环形压属的塑性是极其有利的。与此相应，在金属内产生轴向压应力为e ,
ζ挤压的变形状态为:一维延伸变形即轴向变形ε二维压缩变形，即径向变形ε及周向应力为θ,e,rε根据塑性变型理论在轴对称条件下(挤压和拉伸)其圆周向与径向的应力和压变可以认为变形θ，
是相等的。
二、 正向挤压时金属的变型过程和特点
一般认为，挤压过程的三个阶段，即充填，平流和紊流(倒流)阶段。(图4-2)
图4-2 正挤压时铸锭的填充挤压过程(平模)
1、第一阶段为开始挤压阶段，金属受挤压轴的压力后，首先充满挤压筒和模孔，充填阶段应缓慢，以逐步充满挤压筒，此时挤压力直线上升直至最大。第二阶段为平流阶段，即基本挤压阶段。资料介绍当挤压达到突破压力(高峰压力)，金属开始从模孔流出即进入此阶段，金属流出模孔500?时，平流阶段也建立，此时金属已经达到了平稳的层状流动，第三阶段为挤压终止阶段或称紊流挤
压阶段。在此阶段中，随着挤压垫片(已进入变形区内)与模子间距离的缩小，由于中心金属供给
不足和金属受力状态的改变，迫使尾端金属沿着挤压垫片倒流，发生横向流动。同时两个死区的金
属也向模孔流动，形成挤压加工特有的“挤压缩尾”。挤压力增加，此时应结束挤压操作过程。
2 、平流压出阶段的变形特点
金属在平流压出阶段中的流动特点随着挤压条件的变化而不同，在一般情况下，其主要变形特点是金属的流动相似于无数同心薄壁圆管的流动。即铸绽的内外层金属在此阶段内不发生交错或反向的紊乱流动，原来处于铸绽中心或边部的金属，在变形后仍处于挤压出制品中心或边部，图4-3
为单孔锥形模不润滑正向挤压圆棒时平流阶段中的变形过程坐标网格变化图形。
图4-3 单孔锥形模不润滑正挤压圆棒时的典型座标网格图
变形区压缩锥的开始点 2-变形区压缩锥的终了点 3-弹性区 4-由于堆挤现象形成了周1-
边层的加厚
金属流动坐标网格变形分析:
?— 原坐标网格所有平行于挤压轴线的各条平行直线，除了前端部分外，基本上仍保持为直线，
说明金属作近的平流运动。
?— 这些纵向线在进入和流出变形压缩锥时，都发生两次方向相反的弯曲变形，为图4-3 ?-A-
?和?-B-?的两条虚线所示，形成两个均匀的轴对称曲面，这两个曲面朝着与金属流动方
向相反的方向凸出，由这两个曲面和模子附近的死区(即弹性区)所形成的回转曲面所包围
的体积就是金属正挤压时的变形区压缩锥。?— 在变形区内，各条纵向线的弯曲程度从周边向中心逐渐减小，说明距离中心层越远其相对变
形程度越大，即变形不均匀性增加。
?— 原坐标所有横向线，在变形后都朝着金属流出方向发生轴对称形的弯曲凸出。这是由于周边
层的金属受到挤压筒内壁摩擦力的作用而使其流动比中心层滞后所造成的。?— 在正常挤压条件下，除了少数密集在制品前端的横向线外，其他横向线都变成为近似于双曲
2222x/a-y/b=1 线的形状 。 (有的资料认为是抛物线)前端横向线成了折线。
?— 横向线朝金属运动相反的方向越来越尖。这说明这些横向线在进入变形压之前由于挤压筒壁
摩擦已使其发生弯曲。距离变形区越远的横向线，在挤压筒内的移动距离越长，所受摩擦力
的影响越大，则其弯曲程度越大。
?— 这些曲线顶点之间的距离，在前端较小，在中间大部分位置上大致相同，而在尾端其距离明
显增大，这说明在挤压制品的长度方向上，金属的变形也是不均匀的。
?— 从横向线的弯曲程度可知，在挤压制品的所有环形层上，除了要发生剪切变形外，金属还要
发生基本的延伸和压缩变形。
?— 正向挤压时，金属与挤压筒内壁等的接触摩擦是死区，缩尾，成层产生的根本原因。 ?— 前端头的变形特点:制品头部横向线弯曲程度较小，说明前端头部金属的变形量较小。例如:在挤压大截面的制品时，由于前端变形量太小，常保留着一定程度的铸造组织，故在生产工艺规程
中都规定在挤压制品的前端一律剪切一定长度的几何废料，再取力学性能试样。在相同条件下，采
用锥模比平模前端变形量要大。
3、紊流挤压阶段的变形特点:
挤压过程的最后阶段属于紊流压出阶段。在此阶段内，随着挤压垫片已进入变形区内，与模子距离缩小，迫使变形区内的金属朝着挤压轴线方向，由周边向中心发生剧烈的横向流动，使外层金属沿着挤压垫片，从周边向中心回转交错的紊乱流动，形成挤压缩尾等缺陷。
挤压缩尾是挤压生产中特有的一种废品类型，它是在挤压过程的末期，即紊流压出阶段形成4、
的。
在我国生产实践中，按缩尾形成原因和分布特点分为三类:第一类是中空缩尾，第二类是环形缩尾，第三类是边部缩尾。第一类缩尾呈漏斗状，它是由于挤压大直径棒材时，在垫片上抹油或
者留的挤压残料过薄，造成金属严重不足等原因所造成的。第二类(环形缩尾)是挤压生产中最常
见的一种缩尾，它的形状和分布随挤压条件，合金种类，制品形状及模孔排列情况而不同，单孔模
挤压圆棒材时，环形缩尾一般分布在挤压棒材尾端中部,顺着压出方向逐渐收缩而消失,在制品尾端
的断面上多呈连续或不连续的圆环状。采用多孔模挤压圆棒时，其环形缩尾多分布在靠挤压中心线
一侧，呈月牙状，带状或点状，从后向前，逐渐缩小消失。
环形缩尾分布特点大致是:正挤压比反挤压长，不润滑挤压比润滑挤压长，软合金的比硬合
金的长，挤压垫片表面光滑或抹油的比表面粗糙或不抹油的长等等。
环形缩尾形成原因主要是由于在挤压过程的末期，变形区内的金属供应不足，迫使金属沿着
挤压垫片周边发生横向紊乱流动，把边部及侧表面较冷或粘有油污的金属回流而卷入到制品之中所
造成的(如图4-4)
图4-4 环形缩尾形成过程示意图
a.开始形成缩尾时的流动情况 b.缩尾形成后的流动情况
第三类是边部缩尾，形状和分布都无固定规律，大多分布在挤压制品尾部的边缘部分，其形状多呈不连续的圆环形或圆孤形的线状薄层。在低倍试片上的边缘上可见到明显的壳状分层，形成
的主要原因是当进入挤压过程的末期，那些被阻滞堆积在前端死角处的铸锭表面上的脏物，被迫沿
着死角边缘滑动流入挤压制品而形成的。
5、 挤压残料
挤压时把一部分金属残留在挤压筒内而不压出，通常这部分为挤压残料或压余。主要目的，其一是把形成挤压缩尾的这部分金属保留在挤压筒中作为几何废料消除，从而节约了挤压能量，工
时和随后的人力消耗，保证产品质量，其二是使挤压垫与模子不发生接触而保护挤压工具。
残料的大小随挤压方法和工艺条件而不同，正挤压比反挤压残料长，不润滑挤压比润滑挤
压时长;软合金比硬合金残料长，挤压筒直径大的比挤压筒直径小的要长等等。
在工厂中为节约挤压工时和能量，常采用增大残料挤压工艺。
4-5 死区:是在平流阶段挤压时金属不发生流动的区域。死区分为前死区和后死区(图)。
图4-5 平模正挤压时的弹性区形成示意图
1—前弹性区 2、4、5—接触摩擦阻力 3—金属沿弹性区内表面流动的方
αmax --金属流动半锥角 向
—棒材直径 6—由于周边金属的堆积而形成的缩颈区。 DK
h弹—前端弹性区高度 7—尾端弹性区
7ˊ--在平流压出阶段末期，被剧烈缩小后的尾端弹性区。
前死区的形成及影响因素:前死区(1)的形成是由于金属沿abc面流动的阻力较沿ac面流
动的阻力大得多造成的。挤压时铸锭表面的脏物都被堆集在死区内，因而保证了挤压制品的表面质
αmax为金属流动半锥角，亦称自然流量。死区与金属流动金属接触区为金属内部激烈摩擦区。角
α的增大而增大，当α=90?时，(平模)时死区最动角。影响死区大小和形状的因素，随着模锥角
α等于自然流动角时，死区为零;当被加热金属温度高于模具温度时，由于摩擦力增加，死大，当
α加大，死区减小，软合金死区较硬合金的小。图中区剧烈增加;挤压系数增加，金属流动半锥角
的7和7ˊ为尾端死区，它的形成一是由于挤压垫片的摩擦力阻止了金属流动;二是由于挤压筒和挤压垫片对金属的冷却作用，使此区域内金属变形抗力增加。尾端死区与挤压垫片间摩擦力4的方向上阻止了靠挤压筒内壁的由于挤压筒摩擦力而移动的金属运动，就形成了弯曲区6(金属由边部向中心凸起)，形成了圆形死区。尾端死区形状取决于挤压条件且随挤压过程进行而变化。平流阶段终了时，为了补充中心金属不足靠近挤压垫片区域剧烈缩到7ˊ并成为尖形。
6、 变形不均匀性与残余应力:挤压结束后后制品中会产生残余应力，这种残余应力主要是由于
不均匀性变形引起的。一般，从模孔中流出来的挤压制品，其中心层产生了纵向压缩应力，周边层
则产生残余拉伸应力(如图4-6)
图4-6 挤压棒材中残余应力分布图
a 纵向 b径向 c切向
制品的随后冷却往往改变上述应力状态，这种改变有时十分明显，如当缓慢冷却时，可导致类似于低温退火的结果，可能使残余应力几乎完全消除。在比表面积不大的型材中由于热惯性大，出现这种缓慢冷却形式的可能较大。挤压大直径棒材，除了因组织转变所引起的应力状态改变外，
由于周边层和中心层冷却不均也可能产生新的残余应力。
不对称形残余应力的直接结果是使挤压制品产生翘曲。
三、铝合金挤压制品的组织和性能
1、 挤压制品的组织不均匀性
金属学指出，金属材料的组织特性主要取决于材料成分、加工方法和热处理状态。
挤压制品的组织特征与挤压方法和挤压条件有很大关系，在不润滑正向挤压下，整个挤压过程中都存在着变形的不均匀性。其不均匀变形程度从制品的前端向尾端，从中心向周边逐渐增大，因此挤压制品的组织和性能造成了很大的不均匀性。为挤压制品的前端，由于变程度较小，其力学
λ,50)，在前端中心处，性能比其他部分低，其内外层的组织也不均匀。尤其是挤压系数很小时(
由于变形量过小，常常保持着一定程度的铸造组织，因此，在实际生产中，按照型材壁厚和棒材直径不同，规定在前端切去100-300?的几何废料。
λ?10-12)其组织和性别能基本上是一在挤压制品的中间部分，当变形程度较大时(一般
λ?6-10)，其中心和周边的组织特征和力学性能也是不均匀的，变形致的。当变形程度较小时(
程度越小，这种不均匀性越大。
在制品尾端，由于变形十分剧烈，又处于紊流阶段，金属发生回卷紊乱流动，形成了挤压缩尾，故在生产中规定尾端应切去一定长度的几何废料。
粗晶环 2、
铝合金挤压制品经过热处理后，在尾部的周边上形成环状的粗大晶相区，一般称为粗晶环，
ζb这是挤压制品的一种组织缺陷，也是挤压制品组织和性能不均匀性的特征之一。粗晶区的纵向和ζ比其中心细晶区低,伸长率较细晶区高。 0.2
粗晶环的深度由制品尾端向前端逐渐减少。(如图4-7)
图4-7 制品中粗晶环分布图
粗晶环形成机理:从金属学的观点来分析 是十分复杂的，至今仍无统一的意思，也无有效的防止措施。只有通过成分，工艺规范等进行适当调整以达到一定程度加以控制的目的。(军工材料
标准最严格的这程缺陷控制在3?以下，一般为5?以内。)
最易出现粗晶环的合金为6061，6A02??2A12，7A04??
挤压效应 3、
许多高合金化并含有过渡元素的铝合金如6A02，2A11，2A12，2A14，7A04，3A21，5A02等，热处理后(淬火+时效或退火)纵向强度较采用其他方法诸如轧制、拉伸等所获的制品(其他条件相同时)的高，而伸长率却低;长横向及短横向性能低，这种挤压制品所特有的现象称为挤压效应。
其本质到目前尚无统一的结论，但多数学者认为:
? 均发现有沿挤压方向的强烈的<111>取向变形结构。这种晶向在具有面心立方结构的金属铝
中，由于原子排列密度在<111>方向最大，因而具有最大强度。
? 均含有过度族金属，如Mn、Cr、Zr等，铸造时这些过渡族金属以过饱和形式固溶于铝中，在以后的挤压，加工及热处理过程中，在晶界大量地呈弥散状态析出，阻止被拉长了的多边化变形
织构发生再结晶。
4、 挤压制品的力学性能
在挤压过程中，由于不均匀变形结果，不仅造成了挤压制品组织上的不均匀性，也造成了其力学性能的不均匀性。图4-8为变形程度大小对挤压制品沿长度方向上的影响示意图。
图4-8 变形程度对制品长度方向上力学性能影响示意图(挤压状态)
1-周边部分 2-中心部分 3-挤压制品 4-残料
λ,5)，制品中心和周边力学性能相差很大。当变形程度较小时(λ=6,当挤压系数很小时(
8)，中心部分和周边部分可能不同，但中后部可基本一致。
λ?10-12)力学性能不均匀性大大减少，可达到基本一致(除前端一小部分当多形程度较大时(
外)。沿挤压制品的纵向(即压出方向)、横向和高度方向上，其力学性能也不均匀，纵向较其他两向略高。
四、挤压力的计算方法
使金属从挤压筒中流出模孔所需的力量称为挤压力。挤压力的确定对于合理制定挤压工艺，
选择和设计挤压工具和挤压设备都有很大关系。确定挤压力的方法主要有实验测量方法和理论计算
方法两种。
挤压力的实验测量法 1、
? 直接观测法。这是一种最简单最实用的方法，它通过挤压机主缸高压管路上的压力表来直接
ζ,直接计算出所需的挤压力 D 观测出缸中高压介质的单位压力
?ζ=η?F?ζ P=FDDGG
ζ、ζ—主柱塞和挤压垫片上的单位压力，Mpa P—总挤压力，DG
，F—主柱塞和挤压垫片的横截面积，mm2 FDG
η—主缸的工作效率，η=0.95,0.98
? 测量张力柱的弹性变形
利用应变仪测量挤压过程中挤压机张力柱的弹性变形量,由于张力柱的横截面积及其材料的弹性模量都已知,则可按照虎克定律计算出总挤压力.
?ζ=n?F?E?ε2222 P=n?f
ΔL ε = 2ζ=E?ε L 22
2 —每根张力柱的横断面积,? n—张力柱根数,F2
ζ—张力柱横断面上的应力, Mpa 2
ε –张力柱的弹性应变量, ? 2
–张力柱的计算长度, ? L2
ΔL—张力柱受力后的绝对弹性伸长量, ?
E—张力柱材料的弹性模量, Mpa
影响挤压力的主要因素 2、
? 金属的变形抗力
? 挤压时的温度和速度
? 变形程度
? 铸锭长度
? 挤压工具的影响
3、挤压力计算
挤压力计算公式: 1、
+T+T+T 彼尔林公式:P=RMM定筒
--不考虑摩擦时，实现金属基本变形所需的力，MN。 式中:RM
—用于克服金属变形压缩锥滑动面上的摩擦力所需的力，MN TM
—用于克服模孔工作带表面摩擦所属的力，MN T定
—用于克服挤压筒内表面上摩擦所属的力，MN T筒
上述公式的解析式比较复杂，此处不需介绍 推荐采用以下经验公式进行计算，使用方便且可行。 P=β?Aб?λ +μб?(D+d)L 000
式中—P挤压力/N
D—挤压筒直径/? d-穿孔针直径(?)
L—铸锭镦粗后长度 在单动挤压机中,d=0
2 —挤压筒面积或挤压筒减挤压针(双动挤压机)面积, ?0A
б—与金属材料,强度和变形速度有关的变形抗力/MPA 0
λ—挤压系数,μ—与摩擦有关系数,1/?3=0.5774 β—修正系数(1.3,1.5),硬合金取下限,软合金取上限. 平面模正向挤压型棒材时:
β?A?б?λ+1.814?бDL 00 0P=
一般经验值:平面分流模比平面模挤压力高30-40%
宽展模比平面模挤压力高20-30%
正常前置室模比平面模挤压力高5-10%
η=0.95-0.98 设备动力传送效益
第五节:铝及铝合金挤压工艺与挤压生产
一、 几个主要变形指数及工艺参数的计算
几个常用变形指数的计算F 筒1、
? 挤压系数(挤压比)
F 筒
λ=
F制
22F—筒断面积? F—挤压制品的断面积(?) 筒制
? 变形程度
-F F筒制
ε= ×100%
F筒
λε与之间的关系式
F F 1 1 筒制
ε= , = 1- λ而=
F λ 1-ε F筒筒
在用空心铸锭挤压管材时
F (D-S)S 锭000
λ= =
(D-S)S F 制111
2式中F、F—空心锭和制品断面积(?) 锭制
、S——空心锭的外径和壁厚 D00
、S——管材的外径和壁厚 D11
/F ? 填充(又称镦粗)系数:K=F筒锭
一般K=1.02,1.12 (清远豪美为1.06,1.09) ? 分流比K:对平面分流模，通常把各分流孔的断面积与型材断面积之比称分流比。
ΣF分 ΣF分 ΣF焊 K= [ K=K1?K2= ? ]
ΣF型 ΣF焊 ΣF型
这反映分流组合模挤压二次变形.
分流比K的大小直接影响到金属流动阻力的大小,制品的成形和焊合质量。K 值越小,则挤压时变
形阻力越大,这对模具的使用和挤压生产都是不利的。一般认为,在保证模具有足够强度前提下,K
值应尽量选取大一些,这样有利于金属的流动与焊合。
对于空心型材K=10,35
对于挤压管材K=5,10
? 有关宽展模的几个变形指数(图5-1)
图5-1 宽展模示意图
宽展量ΔB=B-D a、2H
---宽展模出口宽度(?) B2
---挤压筒直径(?) DH
ΔB=-5,180(?) 80MN以上挤压机取上限
主要受金属流动,压力的角度传递损失和模强度的影响,不宜过大.
B-B 21
δ宽展变形率:= ×100% 取15%,35%
B 1
β宽展角由宽展量和模子厚度来确定
-B 2B1
β=arctgβ = /H B
B2
一般β?30?
尺寸确定:
一般比挤压筒直径小10?,过大会影响产品质量,过小则发挥不了宽展挤压的作用. 1? 入口宽度B
根据挤压型材尺寸,宽展量,宽展模子,径和厚度等因素来选择,一般应大于型材宽度20,30? B2
?.
,应根据型材高度,第一次变形量的大小μ()和模子强度来确定,一般μ应保证B11? 宽展孔的高宽h
?3,5
,应根据挤压机压型嘴(模子滑架模位孔)的尺寸即模子外径和宽展模强度来决H? 宽展模的外径D
最好能够通用)。 定,(DH
取决于模子强度,宽展角以及挤压力等因素。 ? 宽展模厚度HB
二、挤压生产常用的主要工艺技术参数
?挤压系数 ?挤压温度
?挤压速度 ?挤压力(比压)
?工艺润滑 ?模具孔数
?挤压筒和铸锭尺寸 ?工模具的加热温度(包括筒温)
?残料(压余)长度
铝及铝合金的可挤压性指数 三、
衡量铝及铝合金的挤压难易程度的指数称为挤压性指数。它包括:挤压力、制品流出速度、
模具寿命、制品形状及尺寸精度、制品的表面质量、成品率等
影响可挤压性的主要因素有:挤压坯料、挤压工艺、模具等。坯料包括合金成份、铸造组织、
均匀化处理、变形抗力等。
挤压工艺包括坯料温度、润滑条件、挤压温度、速度控制等。模具包括模具结构、工作带尺
5-1列出常见铝合金可挤压性指数寸及表面质量、金属的流动控制(如分流及导流结构等)。下表
与挤压条件(供参考)。不同厂家有不同的挤压条件，如型材断面形状与尺寸、模具设计、牵引挤
压等，可挤压指数的大小有差异。
5-1 表
可挤压性制品流出速 λ 合金挤压温度?分流模挤压 指数度
1100 150 350~500 约500 25~100 可 2011 25 370~480 8~40 1.5~6 不可 2014 20
3003，3004 100 400~480 8~80 10~80 可 3203
5052 60 400~500 1.5~20 8~40 不可 5056 20 420~480 1.5~8
6061，6151，6005 65 1.5~30 可 6N01,6082 70 430~520 8~80 15~80 可 6063,6101 100 15~80 可 7001,7178 9 430~500 8~30 1.5~5 不可 7075 10 360~440 1.5~5 不可 8~30 7079 10 430~450 1.5~5 不可
以6063的可挤压指数为100的相对性
挤压指数主要看挤压力(俗称比压)的大小、生产率以及设备的能力而定，大多数场合往往
受工具的强度和寿命的限制。
挤压速度与合金的可挤压性有密切的关系。挤压速度增加时挤压力上升。软合金挤压速度一
20米/min或以上，部分型材挤压速度可达80米/min。中高强铝合金速度过快时，制品的表般可达
20米/min(甚至10米/ min)以下。 面质量显著恶化，故其挤压速度常设定在
为确保制品的表面质量，铝及铝合金通常采用无润滑挤压。无润滑与平模相结合，可以在挤
压模与挤压筒相接触的角落处形成较大的流动死区，阻止坯料表面层流入制品表面。
对表面质量要求特别高的场合，除了对铸锭熔炼铸造工艺进行严格控制外，可将加热好的坯料在挤压前进行脱皮，以消除氧化表皮及油污流入制品的可能性，反向挤压由于锭坯内外层流速均
匀，要求锭坯进行车皮或脱皮处理。
四、铝及铝合金挤压生产工艺编制与生产要求
1、 原则——首先质量原则与效益原则。其次考虑配套需要，即在保证产品质量的前提下，尽量
兼顾成品率、材料和能源消耗并有利于合理分配设备负荷量等。如在保证质量的前提下，为
保证军工产品需要，企业牺牲一点效益(在工厂现在情况下)也应考虑。
2 、普通型材和棒材的工艺编制程序要点说明:
? 、根据产品合同，图纸和技术要求，选择合理的挤压机(能力)和配套设施，确定合理的
。挤压筒
?、根据制品的外形和有关技术要求，确定采用多孔模挤压的可能性，并预选模孔数。对棒材以及形状简单面积很小，外接圆较小，采用多孔模挤压，以降低挤压系数，增大铸锭长度，以
,是否选用导路和牵引提高成品率和效率。但对软合金，应考虑制品间的磨擦对表面质量的影响
等。对形状复杂、质量要求高的型材，宁可牺牲一些几何成品率，也要采用单孔大挤压系数挤
压，以减少大量的技术废料和缩短挤压时的调整时间。
?、根据预选的模孔数和制品断面积，在挤压工艺参数表(工艺规程列出)，预选和初算挤压系数，
尽量接近合理。
?、最终的确定挤压筒，模孔数并准确计算出挤压系数。
说明:对某一产品选择哪个工艺最合理，在多种情况下应选出几个方案分析对比，并通过生产
实际考验，才能确定下来所谓工艺的合理性，对一个工厂来说，完全是相对的可变的。
3 、铸锭长度的计算
铸锭尺寸及铸锭质量是决定制品质量的主要工艺因素之一，对挤压生产的经济指标也影响很
大。对给定产品，挤压工艺方案制定之后，铸锭的直径已确定了。下边讨论如何计算铸锭长度，由
于各工厂条件不一样，确定长度的方案也不一样。
?、 对按重量交货的定尺产品，铸锭长度计算。
国内交货的产品，一般按产品实际重量交货。为了保证成品的交货长度，挤压长度应比成品交货长度长(即应留定尺余量)，如果计算的定尺余量过大时，浪费工时并增加几何废料，降
低生产效率和成品率。若定尺余量留的太小时，由于压出制品不足定尺，将会造成更大的浪费。
定尺制品压出长度按下式计算:
L=L+L+L+L+L定头，尾试速余
后几项在工艺规程中都有详细说明。简单介绍如下:L是与制品的合金、规格有关。头，尾
5-2: 规程规定了铝及铝合金挤压型、棒材的切头、切尾长度见表
表5-2
尾端切去的最小长度 型材壁厚和棒材前端切去的最小制品种类 MM) MM) 硬合金 软合金 直径(长度(
?4.0 100 500 500
型材 4.1~10.0 100 600 600
>10 300 800 800
?26 100 900 1000
27~38 100 800 900
棒材 40~105 150 700 800
100~125 λ=7 220 600 700
130~150 220 500 600
注:硬合金指7A04、2A11、2A14、2A80、2A50、5A05、5A06等。
软合金指1100、5A02、3A02、6063、6061等。
,豪美厂为在线淬火，主要生产软合金，由于引流孔作用，流速不均性增加。
100~200MM 其切头尾长度相应增加
LLL 其它、、作一般介绍试速余
定尺长度和定尺个数:为了获得高的成品率和高的生产效率，应尽可能压出最长的尺寸，但也要考虑后部工
序(如立式淬火炉，拉伸矫直设备)的能力和操作方便。通常尽可能挤出较多的定尺个数。
铸锭长度的计算:
L
L=( ?Km+H)k 0
λ
式中Km为正公差面积系数，考虑制品正偏差对λ的影响，H为增大残料长度，K为镦粗系数。(由
工艺参数表查出)
? 对按负偏差交货的产品
Kg/,,出口产品多按理论重量(米)计算产品多控制在负偏差范围因此铸锭长度的计算非常简单
(). 不考虑产品正公差影响
L
L= +Hk L. ()——为考虑切头尾及合适的工艺余量即可0
λ
目前豪美现场多用 L(米)?ρ/P+H?K= L 0
ρ——制品理论重量(Kg/米)
P——铸锭单位长度重量，(0.217 Kg/?——365MNΦ320铸锭)
二者是一样的，但前者更为简单准确，更便于掌握，但必须在卡片上说明。
4.挤压对铸锭的质量要求:
?合金成分,铸锭的化学成分不仅要完全符合国家和国际上有关技术标准要求,而且还要符合
,允许个别值超内标,但必需在外标范围之内。为保证成分合格,除严格熔铸工厂内部标准的有关规定
,还应有准确的化学与光谱定量分析予以保证。 工艺外
?铸锭内部组织。铸绽内部组织的好坏对挤压产品的质量影响很大，检查内部组织包括低倍组织和断口(按国家标准)。对军工产品还采用超声波探伤方法来检查铸绽内部不允许存在的缺陷、裂纹、大的夹渣和气孔等。经过挤压变形也不能消除的一般属于绝对废品。而疏松、氧化膜、晶粒
粗大等缺陷，经过挤压变形后其缺陷可能被消除或存在形态发生改变，对产品最终性能一般影响也
不大，可根据变形情况，产品用途(非军工或其他重要用途)，这些缺陷在一定程度内允许存在。
?铸锭的表面质量
铸锭表面质量直接影响挤压制品表面质量和缩尾的分布长度。表面质量不好会使制品表面产
生擦伤(特别穿孔挤压管材，脏物可以流到制品内部而加大缩尾长度。
对某些铝合金铸锭和质量要求严格的挤压产品的铸锭都要进行车皮。反挤压铸锭必须进行车
皮和镗孔(空心)，有时可采用挤压前热脱皮挤压。
?铸锭尺寸及偏差，应符合工厂内部规定要求。
?铸锭均匀化处理
均匀化的处理有以下几点:a.消除晶内偏折，提高金属塑性，如硬铝铸锭经充分均匀化后，
20%,30%，挤压力可以减少10%以上;b.提高制品的横向力学性能。如对挤压挤压速度可以提高
c.效应较强的合金制品经铸锭充分均匀化后，可大大减少其各向异性，大大提高制品横向性能;消除金属内部存在的铸造反应。
表5-3列出部分铝合金挤压铸锭的均匀化制度
表5-3
合金 均匀化温度? 保温时间h 冷却条件 备注 5A02、5A03、5A04、5A05、5A06 460~475 24 空气 所有 2A11、2A12 480~495 8~12 炉冷 所有 6063、6A02、2A30、2B50 530~560 8~12 空气 所有 2A70~2A80 485~500 12 炉冷 所有 7A04 450~460 12~24 炉冷所有7A09、2A14 455~470 24 炉冷 所有
注:炉冷却按工艺规程进行炉内冷却速度控制。
5. 挤压产品的成品率:
型材的挤压定尺长度、规格、废料长度和孔数等对几何废料影响较大，一般几何废料为10%左右，技术废料与型材种类、产量等有关，为3%~5%，精整部分为1%~3%，大量生产统计数字表
60%~80%。 明，铝合金型材总成品率为
6. 挤压设备与工具的准备
?按“设备使用和维护规程”要求对设备进行全面检查，包括铸锭的加热、挤压机和辅机，包括设备本体、液压系统、电控系统、润滑系统的几何参数、力学参数等是否符合要求，运行平稳、
设备对中，试运行若干次，一切正常后才能投入正常生产。
?工模具的准备
a.合理设计与制造工模具，制造合格的工模具经严格检查和试模合格后才能入库保存待用。
不合格的工模具要进行修理，确认不合格者应予以报废。
b.挤压工具的加热和上机装配。挤压前，为了防止铸锭降温引起闷车和损坏工具以及改善制品的组织性能和表面质量，与铸锭直接接触的工模具都要充分预热(按“挤压工艺操作规程”)，挤
压垫的预热，一般情况下不严格。
c.为防止制品扭曲，还要安装合适的导路
d.型材模的安装应遵守以下原则:保证挤出的型材在出料台上能平稳地向前移动，不发生堵模和擦伤，不发生由于自重的原因而产生扭曲。分流组合模上下模要严格对中和锁紧，防止松动和
产生壁厚偏差。要求严格的装饰面朝上，不与出料台接触。多孔制品不相互叠压和擦伤。
e. 试模、修模与氮化
首料挤压温度应取上限，以免闷车和损坏工具。充填时速度要慢，待挤出一段(出模架或导
路)后，再转入正常速度挤压，以免塞模。
对试模挤压的制品，彻底冷却后，头、尾尺寸都要全面认真地测量检查。不合图纸公差要求的，应根据具体情况进行模孔修理和调整。旧模经过一定的挤压后会出现工作带磨损或变形，也必须进行模子修正。一般来说，经过修正合格的模子必须经过氮化处理后才能投入使用。因此:试模+修模+氮化是现代修模技术很重要的一环。
五. 广东清远市美高新型合金型材有限公司各台挤压机生产技术参数,详见17~20页的附表和说明。
第六节:挤压制品的缺陷和废品
在挤压生产过程中，产生的各种缺陷和废品主要可分为三类:即挤压制品的表面缺陷，挤压制品的形位和尺寸缺陷，挤压制品的内部组织缺陷。各类缺陷的名称，主要特征和产生原因及消除
办法在“挤压分厂工艺操作规程”中都作了详细地说明。下边介绍几种常见的缺陷和废品。
一、 挤压制品的表面缺陷和废品
1、 挤压裂纹
挤压裂纹是挤压中的一种常见废品，尤其在硬合金中经常出现，裂纹应绝对禁止出厂。其主要特征是裂纹呈周期性出现，深入到金属内部，严重破坏了金属连续性。其形成原因是由于摩擦力而引起，由于金属变形不均匀，使表层金属受附加拉应力作用，当拉应力积累到超过金属破断强度
时就产生裂纹。温度高时金属抵抗破坏能力下降，变形速度快时附加拉应力增加，所以在高温高速
条件下使裂纹倾向性增加。产生挤压裂纹的工艺条件是:
? 温度速度控制不当，温度高，速度过快;
? 速度控制系统失灵;
? 变换合金时没有及时调整挤压速度;
? 挤压开始闷车，挤出后没及时调整速度;
? 挤压到后期，产生温升而降速不够;
? 炉子温控失常，金属实际温度过高;
? 工艺圆角不合理，及过小;
防止产生挤压裂纹的办法
? 根据制品、合金的特点，合理控制温度速度;
? 经常检查维护设备正常;
? 精心操作，仔细观察制品表面，发现异常应及时合理调整流速;
? 经常检修测温仪表，防止加热温度过高;
2、 擦伤、划伤
擦伤、划伤也是挤压制品中常见的缺陷，严重时将使制品报废。主要特征是:通长的或局部的，仅限于表皮上，破坏了金属连续性。擦伤的面积较宽而短，划伤的面积较窄而长。产生的原因
是制品从模孔流出过程中，与工具或与设备，或与制品本身(多孔)相互接触而使之表面损坏。
产生擦伤、划伤的工艺条件是:
? 挤压模垫，导路不光滑，粘金属或装配不当;
? 工作台、料筐，料架不光滑;
? 多孔挤压时没装多孔导路，制品之间未分开;
? 搬运时产生擦、划伤。
消除擦、划伤的主要办法是:
? 及时调理模垫，安装好导路，并打光，涂好润滑剂，最好安装石墨导路。
? 工作台，料架上的耐温尼龙垫(辊)是否破损，发现应及时更换。多孔可否改为单孔工
艺。
? 搬运过程中精心操作，轻合金轻放，合理吊运。
3 、麻面(金属豆、小划道、毛刺)和表面粗糙。
这类缺陷的主要特征是:因呈大片的金属豆(毛刺)，小划道而使制品表面不光和粗糙。在每个金属豆(沿挤压方向)的前面有一个小划道，划道的末尾积累成金属豆。其形成原因是挤压模工作带以分散点状的形态粘金属，且粘积在工作带出口处(称粘结豆)，金属从模孔流出被粘结豆划
伤，金属粘结积累的金属豆到一定程度时，被流动的金属带出来，划道也会终止。产生这类缺陷的工艺条件是:
? 模子工作带过宽或光洁度不够，或硬度不够;
? 模子工作带空刀尺寸过小
? 模子工作带粘金属没及时抛光;
? 挤压温度过高或流出速度过快;
其防止办法是:
? 合理设计和制造挤压模;
? 及时检查，勤光模孔，搞好润滑;
? 适当控制挤压温度和速度;
4、 起皮、气泡
这种缺陷的主要特征是表皮金属与基体金属呈连续或断续的分离，表现为圆形单个凸起的叫气泡，表现为大块撕破的叫起皮，在起皮下面往往可以看到外来脏物。形成起皮或气泡的原因是铸锭表面金属参与挤压流动，沿前端弹性区流出，形成起皮或气泡。因此铸锭表面不清洁或挤压筒内有残留物和使表层金属易于流动的因素都将促使起皮或气泡的形成。另一个原因是铸锭墩粗后高温高压下气体压入金属表层，在随后流出中产生气泡。
产生这种缺陷的工艺条件是:
? 挤压筒(特别是有效工作区)或挤压垫磨损过大;
? 挤压筒和挤压垫的尺寸配合不好或轮流使用的两个挤压垫尺寸不一样;? 挤压筒和挤压垫不清洁，有油污等;挤压筒内衬长期不清理;
? 铸锭本身有气泡、针孔或表面不清洁;
? 铸锭加热不均匀或挤压筒与铸锭温度配合不当;
? 残料分离不净，易在下根制品的前端造成起皮;
? 在铸锭镦粗后，加入排气程序(现代挤压机都设计有该程序)包括梯度加热和顺次排气工
艺。
防止起皮、气泡的办法是:
? 合理选择、配备挤压工具并及时检查和更换;
? 定期用清理垫清理挤压筒;
? 保持工具清洁;
? 合理控制挤压温度;
? 提高铸锭质量，保持表面清洁，加强对铸锭的检查;
? 残料分离好。
5、 挤压横纹及假停车痕
这种缺陷在软合金扁宽型材挤压过程中有时出现，横纹表现为垂直于挤压方向的宽向上，呈周期性条纹状，似爬行状流出，手摸无手感，特别是越近边部越明显。在宽展挤压扁宽薄壁型材在腹板上常见这种挤压横纹，在非装饰面对使用无影响，但对装饰面和进行阳极氧化表面处理制品则不
—假停车痕。这种缺陷表现为似挤压停止后允许存在。伴随这种缺陷出现，经常还出现另一种缺陷
留下的模孔停车印痕故现场称假停车痕。
产生这种缺陷的原因:目前说法不一，真正原因尚在探讨之中，但不外乎以下几种原因:
? 模具设计不合适，各部位流速有不均匀现象;
? 相同部位上、下工作带不等长;
? 挤压速度控制不当;
? 挤压机运行不平稳。
防止办法如下:
? 合理设计宽展模，特别是近边部的金属供给量基本应与中部金属流速一致; ? 检查和调整条纹或假停车痕上、下工作带长度;
? 平稳地控制挤压流速;
? 仔细检查挤压机运行是否有爬行现象。
二、 挤压制品的尺寸缺陷和废品
挤压制品的尺寸缺陷和废品主要有下列几种:
1、 尺寸不合格
主要特征是制品断面的几何尺寸不符合图纸要求，造成原因是:模孔尺寸本身不合格或因流速
不均造成。具体工艺条件如下:
? 工具设计错误，或修模时修错了;
? 检查时错检或漏检(检查错误);
? 挤压过程中模孔变形;
? 对复杂断面型材，其挤压温度、速度条件控制不当;
其防止办法:
? 修正模具设计;
? 正确修模;
? 注意首料的检查和中间抽查;
? 对特殊制品应控制合适的挤压温度和速度。
2、 弯曲、波浪、扭拧、扩(并)口、间隙超标等:
这类缺陷的特征是:制品的外形沿长度方向呈现的不平、不直、不规则等。 制品绕其纵轴发生一定角度的旋转是扭拧，沿其纵轴发生全截面的偏离是弯曲;沿其纵轴发生(连续或不连续)局部偏离是波浪;槽形型材两侧往外(扩口)或往内(并口);型材平面出现不平(上
凸或下凹)的间隙超过标准允许要求。
力偶型流速不均形成扭拧。非对称性流速不均形成造成弯曲或波浪;总是向流速慢的一侧弯曲，流速快的一侧当不能够使整个截面弯曲时就堆积成波浪(轻微时就成条纹)。如截面刚性不够会使
整个截面弯曲，就造成内凸或外凸，致使平面间隙不合格。
产生具体工艺条件是:
? 模具设计不当，或工作带宽度分配不合理;
? 模孔加工精度差;
? 未安装必要的导路;
? 修模不当;
? 挤压温度、速度控制不当。
防止办法:
? 提高模具设计和制造水平;
? 根据需要设计和安装必要的导路;
? 提高模具加工和修模质量;
? 控制合适的挤压温度、速度。
三、 挤压制品的组织缺陷和废品
挤压制品的组织缺陷和废品主要有缩尾、成层和焊合不良。这些缺陷往往使整根、整批挤压
制品报废，必须注意防止。
1、 缩尾
缩尾是一种最终废品，必须切除。
前面已经叙述，缩尾主要特征是在挤压制品的尾端，深入制品组织内部的严重破坏金属连续性的缺陷。对铝合金正向挤压制品多表现为环形缩尾，对反向挤压制品多表现为中心漏斗状(空穴)
6-1) 缩尾。(图
图6-1 缩尾
挤压缩尾的形成原因是在金属挤压流动后期，铸锭表皮金属沿挤压垫表面和后端弹性区界面流入制品内部，形成环形缩尾。反挤压流动后期金属补充不足形成中心漏斗状缩尾。具体产生的工艺条件
是:
? 挤压残料留得过小;
? 挤压垫不清洁，有油污;
? 挤压后期，挤压速度过快;
? 挤压温度偏高;
? 挤压筒、挤压垫超差;
? 挤压筒、挤压轴不对中心，破坏了挤压筒铝套的完整性 ? 铸锭表面不光滑、不清洁，有灰尘、油污等。 防止办法是:
? 按工艺规定长度留挤压残料;
? 挤压垫保持清洁，不涂油;
? 合理控制挤压温度、速度;
? 及时交换合适的挤压筒、挤压垫;
? 调整好设备中心;
? 提高铸锭表面质量，保证清洁。
2、 成层
成层的主要特征是在制品表皮层内的层状分离(深度0.1~0.3mm处)，横断面观察为不连续的
无规律的点状或弧形状，其间夹入有脏物或氧化物、油污，破坏了金属连续性的缺陷，成层在制品
2/3以上。 纵向上分布较长，有时达全根的
形成成层的原因是铸锭表皮层金属沿挤压模和前弹性区界面流入制品形成成层，与表面缺陷产生的
(图6-2) 原因极其相近。
图6-2 成层
形成的具体工艺条件是:
? 铸锭表面脏，有油污、锯屑等;
? 挤压筒或挤压垫磨损过大;
? 挤压筒或挤压垫尺寸配合不好，或轮流使用的两个挤压垫尺寸不一样;
? 挤压筒或挤压垫不清洁，有油污、水分、残留有别种金属; ? 模孔排列不合理，距离挤压筒内壁太近。
防止办法是:
? 提高铸锭的表面质量，保持清洁;
? 合理选择配备挤压工具，及时检查和更换;
? 及时清理挤压筒，保持铝内套的清洁;
? 合理设计模具(合理安排挤压工艺)。
3、 焊合不良
采用桥舌模或平面分流模等结构的模子的挤压制品存在有焊缝，若焊缝处分层或没有焊合称为
焊合不良。
形成的原因是铝焊合时的温度、压力、时间不够，没有焊合或焊缝区被异物隔开了，造成了分
层。
产生的具体工艺条件是;
? 残料清理不干净或有脏物;
? 挤压模设计不合理(如焊合室高度不合适)、模腔压力不够;
? 挤压温度低，挤压速度过快;
? 铸锭表面不好。
防止办法:
? 改进操作，要把残料分离干净;
? 合理设计挤压模;
? 控制合适的挤压温度和速度;
? 提高铸锭的表面质量。
第七节 修模
一、 挤压模具修正的基本原则:
金属在挤压过程中，由于受到挤压筒壁、模具表面、死区以及模孔工作带的摩擦作用产生很不均匀的流动。在型材挤压，特别是复杂断面型材金属流动不均匀现象更严重，这是因为型材断面本身常常失去对称性，与铸绽断面的形状失去了相似性而造成非对称流动。此外，型材各部位壁厚常常不同，薄壁处的比表面大于厚壁处的比表面，金属冷却速度快，金属变形程度大，流动速度小于
厚壁处的流动速度。
金属的不均匀流动会导致制品中产生很大的附加应力，从而产生多种缺陷，如尺寸不稳定、扭拧、弯曲、波浪等，严重时会产生裂纹。为了克服流动不均匀而产生的影响，必须研究如何使型材断面上各部位的金属流出均匀，这是模具设计和制造应该遵循的基本原则，也是模具修正的基本原
则。
影响金属流出模孔速度的因素较多，但基本因素有两个:一是供给型材断面各部分的金属是否合适，即型材各部份金属供给量与型材各部分断面积之比是否趋于一致。二是各部分金属流动时所受摩擦阻力大小是否一致。当供给型材某一部分的金属量越多，而所受的阻力越小时，该部分模孔
的流出速度就越快，反之就越慢。
金属供给量的分配比例，主要是由模具设计和制造来确定，当模具制造出来后，这一分配比例就基本稳定了。当然，对平面分流模及带有多种用途的前置模(包括宽层模)。其金属供给量可以
调整。就多数模具而言，金属与模具之间的摩擦阻力是可以改变的，从而达到调整金属流速的目的。
摩擦阻力由三部分组成:一是金属与模子相接触的各表面的摩擦力,;金属与模孔工作带之,
;金属与金属之间的相对运动的摩擦力,。即,,,，,，,。 间的摩擦力,,,,,,
模具修正主要侧重调整金属分配比例，接触摩擦条件及从模孔工作带长度等多种行之有效的方
法，使金属能均匀的流出模孔，生产出合格的产品。
二、 正确修模的基本方法:
,、 修模前的检查。
这是修模很重要的一环，对正确分析和判断缺陷产生原因，以利有成效地修模。
1( 1 对设备的检查:首先必须充分了解使用模具的挤压机的工作情况和性能。
? 挤压中心偏离否。中心偏离会使制品产生扭拧、波浪、尺寸不稳定和长短不齐等缺陷。
? 支承垫是否不平。如果支承垫不平或中心孔太大，将会出现工具变形过大的问题，使工
作带失效或模孔变小，是否配有专用支承垫等。
? 挤压筒衬套与挤压垫磨损。在制品上会产生起皮、气泡、成层等缺陷。挤压垫磨损过大，
会在挤压筒衬套上留下较多的铝，待挤压下一个制品时，又被刮掉一些，因而会在制品上
成层起皮等缺陷，挤压筒内衬工作区严重磨损超差时，也会产生这些缺陷。挤压筒内衬端
面磨损严重时还会产生“大帽”。
,、 关于模子的检查:
? 修模前必须仔细测量模孔各部位尺寸，修模人员应保证修正后能挤出尺寸偏差最小的制
品，修完模孔工作带后一定要光一下模孔，以保证制品表面上不出现凹凸痕迹。
? 工作带的检查:修模前必须检查模孔工作带是否与模面相垂
直，若工作带内斜，则使金属流速加快;若外斜，金属流动受阻(相当有个阻碍角)。
? 检查模孔的摆放:当模孔放置不正确时，制品可能由于自身
质量引起扭拧。壁厚相差悬殊的型材，若薄壁处离挤压筒中心较远，可能造成充填不满尺
寸变小(,处不满有可能变大)。
? 分流模应仔细检查分流孔、分流桥:在挤压类似矩形管时，由于分流孔加工的不对称，
或分流桥偏离中心线，都会制品流速失去平衡而产生一侧出现波浪。
? 检查模芯:模芯过渡处对空心型材的内孔尺寸控制起着决定性作用。若此处加工不对称
或不合理，将使型腔的尺寸发生改变，角度歪斜，尺寸超差。
,( , 模子验收和试模:模具制作完工进入挤压现场后，修模人员在试模前，必须进行检查验收。主要项目:模具外型尺寸，与模套的配合尺寸，销钉孔位置，型孔的外型尺寸和壁厚，工作带
1~2个铸锭进行尺寸，空刀量等。模具经验收合格后方可加热投入使用。在正式生产之前，先用
试挤，不要涂油。仔细观察制品出模孔情况，然后在制品前、中、尾取样，测量尺寸，用前端料头可以判断型材断面上哪部分流得过快或过慢。一般是首先把壁厚修正到符合要求，然后再做其他修正。试模时，挤压温度、挤压速度，操作方法等工艺条件应尽量和生产时相同。在试模中若发现挤
压中心偏移，尤其对多孔模修正更为复杂。
如果挤压中心经常偏离而且不好调正，可做个偏心模套。
2. 正确判断与修模
经过上述检查与试模后，对金属的流动情况，以及制品缺陷进行分析和研究，对模具修正做出
正确判断:
在修模时修模人员应该注意以下几点:要正确判断修模部位，采取正确的修模方法;阻碍角时一定要平直，切不可产生成圆弧状，圆弧状工作带反而起加快作用;工作带阻碍之后，一般不得再进行加快，反之，对已经加快的工作带也不得再进行阻碍。因为在同一工作带处进行阻碍和加快，
容易使模孔尺寸超差;在进行模孔尺寸修正时，要综合考虑，例如，有两个以上的尺寸不合格时，
要考虑其相互是否有影响，争取做到修一处尺寸到达到满足两处尺寸的要求。4( 模子修正的基本方法:
通常采用的方法有阻碍、加快和尺寸修理。
4(1 阻碍 降低金属流出模孔速度的修模方法称为阻碍。
阻碍方法有四种:作阻碍角、工作带补焊、堆焊、打麻点。
? 阻碍角 在模子工作带入口处，修成一定角度(一般用锉刀锉成,?, ,,?的角)称为阻
碍角。当此角,,,?时，不再起阻碍作用。
? 工作带补焊 在模子工作带的出口端，根据需要再焊上一段工作带，其目的是增加这部份工作
带的长度，以加大金属流动的阻力。
? 堆焊 在模子端面上，模孔需要阻碍的部分周围焊起一道凸台，形如一堵墙，以增加金属的流
动阻力。
0.3~1mm1~3mm? 打麻点 在模子端面上需要降低金属流速部位的模孔周围打上深，直径密集小
坑，借以增加金属与模端面的摩擦阻力。
,(, 加快 使金属流出模孔速度提高的修模方法称之为加快。
加快方法有:减薄工作带、作促流角、扩大模孔、做促流坑、改变舌头形状、调整分流孔大
小和加导流模等。
? 前加快 在横端面上将需要加快部位的工作带用砂轮磨掉一部分以减短工作带长度，
7-1 a) 从而加快金属流速，这种方法称之为前加速，但这种方法会偏短模子寿命。(图? 后加快 用风动砂轮或小锉刀，从模出口端伸入到工作带处，通过打磨缩短工作带的
7-1 b )长度，从而使流动速度加快。(图
? 作促流角 促流角,促是指倾斜于模子端面与模子轴线垂直面之间的夹角，一般可取
3,10?。用砂轮在模具工作带入口端打一斜角，此角称促流角，一般与模面夹角不超
7-1 c )过10?，此角增加了金属流向模孔的合应力，使金属流速加快。(图
? 扩大模孔 在多孔挤压时，把流速慢的一孔或两孔，在壁厚公差允许的前提下，把模
孔开大一点会显著提高型材流速。)
图7-1 平面模的加快修模法
a-前加快 b-后加快 1-前减薄 2-后减薄 c-加快角
,(, 尺寸修理
挤压型材的尺寸(壁厚和外形)不符合挤压公差要求时，应对模孔尺寸进行修理，尺寸小的部位需要扩大模孔，反之要缩小模孔。通常扩大模孔尺寸时，用锉刀将需扩孔的工作带锉掉一部分。扩孔时锉刀一定要与模面垂直，确保工作带表面不内斜或外斜。扩大模孔时要准确掌握扩大量，扩大量较小时，可凭经验掌握，扩大量在0.5mm及以上时应该使用量具(块规)，准确地测量修模
前后的模孔尺寸。缩小模孔尺寸要比扩大模孔尺寸困难，采用的方法有打击法和补焊。打击法就是
使用打模锤，在距模孔工作带3,5mm处敲打。在敲打之前必须先将模子加热到300,400?，打击
时，锤的刃部要与工作带平行，一遍又一遍地敲，在敲打部位形成一个一个小沟。要掌握好沟的深
浅和宽度必须一致，这样挤出的工作带才能均匀，然后将突出尖部锉平，达到所要求的尺寸。
,、实心型材挤压模的修正:
以下均为平面模的修正方法，对于有引料孔的模具(包括平面分流模),宽展模等结构，等结构，
只有从原理上参照进行，不好以生搬硬套，要综合判断。
,(, 扭拧
在挤压铝型材时型材断面沿长度方向，以某一轴心而转动，称为扭拧。扭拧度在技术标准中有
严格要求。扭拧主要有两种:麻花状扭拧和螺旋状扭拧。
,(,(, 麻花状扭拧
当型材在挤压过程中受到与挤压方向垂直的力矩作用时产生转动，产生扭拧。型材端头流速差
不明显，有一纵向对称轴，型材扭拧绕此轴旋转，同时型材平面间隙不好，流速快的一侧凹下。修
模时流速快的一侧(凹下一侧)工作带上作阻碍，将另一侧作加快处理，使之产生一个反向力矩(图
7-2)。
图7-2 型材扭拧 a.麻花扭拧 b.螺旋扭拧
,(,(, 螺旋状扭拧
当型材一个壁的流速大于其它壁的流速时，流速快的壁越来越比其它的壁长，致使流速快的壁绕流速慢的壁旋转，从而产生螺旋扭拧，图7-2 ,壁长度越来越比,壁长，从而使,壁绕,
壁旋转产生螺旋扭拧。判断方法:型材端头不齐，流速快的壁先流出模孔，,壁端头比,壁突出，
槽底板会出现侧弯。沿纵向看，可以看出型材一壁沿另一壁旋转。判断准确之后将型材流速快的部
位加以阻碍。
5(2 波浪
型材总体上平直，但型材个别壁上出现或大或小的波纹状不平现象，称波浪。原因是当型材
某壁流速较快，但因刚性较小形不成扭拧时，此壁便受到因变形不均而产生的压制应力作用，结果
产生纵向性弯曲，即波浪(图7-3)。修正方法:在流速快的部位工作带做阻碍或慢的部位工作带做
成加快。
图7-3 型材波浪
5(3 侧弯
侧弯又称刀形弯曲，在扁条及刃尾型材挤压中时有发生，在扁条形型材断面上的两端部位流速不一致，不形成扭拧和波浪时便产生侧弯(图7-4)。修正方法:慢处加快，快处阻碍。
图7-4 型材侧弯
5(4 扩口和并口
扩口或并口主要发生在槽形型材上。产生原因:由于槽形或类似槽形型材的两个“腿”部(或者一个腿部)工作带两侧流速不一致,使得腿向外(扩口)或向内(并口);此外，由于槽底板的两侧工
作带流速不一样，造成向外凸起(并口)或凹下(扩口)。
图7-5 槽形型材扩口和并口
图7-5出了槽形型材修正方法之一。腿部流速比槽板快，这时需将流速慢的槽板部分工作带作加快处理。如果腿与槽板的角度过大和过小时，修正的方法是应该同时进行阻碍和加快，以使腿向着需要方向偏移。例如，当腿向外(角度过大)时，应将腿部位模孔工作带内侧加快，外侧工作带阻碍;腿向内(角度过小)时，将腿部位内侧工作带加快。
5(5 平面间隙
型材沿纵向和横向产生的不平度称为间隙。间隙产生的原因:型材某部分工作带两侧流速不
一致就会产生间隙。沿纵向的弯曲即产生纵向间隙，沿横向的弯曲即产生横向间隙(如7-6)。
图7-6 型材的平面间隙
修正方法:将流速快的一侧(凹下去的一侧)工作带加以阻碍。由于模具弹性变形而引起的尺寸变小及表面间隙不好，可将悬臂部端面工作带作一外斜角，且面对悬臂的工作带作得较正常情况稍长一些，这样当悬臂部分受力下弯时，其工作带出口处仍能与对面的工作带保持平行，如图7-7。
图7-7 深槽形型材模子的修正
5(6 金属充填不足的尺寸修理。
挤压如图7-8所示的扁条状型材时，常常是宽度L超负公差，两端的壁厚(a处和b处)超负公差。这是由于a、b处靠近模子边缘，距筒边缘近，金属流动
图7-8 扁条状型材尺寸修正
阻力大，易造成金属充填不满的现象。另一方面，由于型材中间部位较厚，金属流速快，使a、b处受拉力较大，将其拉薄，同时L尺寸变小，处理时可将a、b两处工作带减短或增大模孔尺寸以及采取局部润滑等方法。
6( 空心型材挤压模的修正:
生产空心型材的模具大体有三种形式:即平面分流组合模、舌型模和叉架模。分流模主要用于挤压焊合性较好的软合金6063、6061、6A02、5A02及纯铝等。舌型模主要用于生产挤压系数较大，变形抗力高的硬合金空心型材(多为航空用折页型材)，如2A11、2A12等。叉架模主要用于多孔挤压的小空心型材，在使用上基本与分流模相同。
平面分流组合模是在桥式舌型模的基础上发展起来的，把突桥改成平面桥(称平刀或舌形模)，主要用于生产6063合金建筑型材和纯铝和软铝合金(含6063)型材及管材等，主要优点:
? 可以挤压双孔，或多孔的内腔十分复杂的空心型材或管材，也可以同时生产多样空心
制品，生产效率高。
? 可以挤压悬臂梁很大，用平面模很难生产的半空心型材。
? 可拆换，易加工，成本较低。
? 易于分离残料，操作简单，辅助时间短，可在普通型棒机上用普通的工具完成挤压，
同时残料短，成品率高。
? 可实现连续挤压，根据需要截取任意长度的制品。
? 可以改变分流孔的数目、大小、形状与位置，使断面形状比较复杂，壁厚差较大，难
以用工作带、阻碍角等调节流速的空心型材很好成形。
? 可以用带锥度的分流孔，实现小挤压上挤压外形较大的空心制品，而且能保证有足够
的变形量。
主要缺点:
? 焊缝较多，可能会影响制品的组织和力学性能。
? 要求模子的加工精度较高，特别是对于多孔空心型材，上下模要求严格对中。
? 与平面模和桥式模相比，变形阻力较大，一般比平面模提高30%,40%，比桥式模提高15%,
20%，因此只适合于生产软铝合金，为了用平面分流组合模挤压强度较高的铝合金，可在
阳模上加一个保护模，以减少模桥承压力。
? 残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修模。
下面主要介绍平面分流模的修模方法:
6(1 分流模的阻碍与加快
分流模的阻碍与加快可分为两部分进行。如果判断出空心型材内腔流速快，多在上模下功夫。
一是可在模桥上作阻碍角(图7-9);二是在模芯上距工作带10,20mm处，堆焊一道凸台，或在模
桥与模芯连接处堆焊凸台。
图7-9 分流模上模阻碍
分流模的加快需要判断是需要加快上模还是下模。若加快上模(扩大进流)，可用风动砂轮把模芯和模桥的连接处的突起磨掉一部分 ，以增加金属的流量(图7-10)。电脑型材中心孔的桥下开引流槽就是成功例子。
图7-10 分流模上模的加快
若需要加快下模，就和加快平模一样，采用前后加快的办法来增加金属流动。
另一种方法就是通过调整分流孔的大小来改变金属的流量和流动趋势，从而达到调整金属流速的目的(图7-11)。
图7-11 分流孔的加快
分流孔的修正:
一个毛病不太大的分流模，在许多情况下通过对分流孔的正确加工和磨去或改善金属的流动就可以得到修正。根本用不着修正工作带。修正分流模的金属流动必须首先检查分流孔。弄清某一分流孔的供给金属是否与相对应的分流孔供给是相平衡(图7-12)。
图7-12 分流孔的修正
可对任何断面的型材，通过扩大或限制分流孔金属流量的方法，使金属流动加快或减慢。 6(2 塌腔
空心型材塌腔常见的原因是模芯过于伸出。当分流模刚性不强时，模芯在压力作用下发生弹性变形，使模芯工作带向前移动并超过下模孔工作带的入口位置，造成腔壁内侧流速快而产生塌腔
(图7-13)。
图7-13 空心型材塌腔及其修理
如果仅是一壁或两壁凹下，可能是模芯工作带和模孔工作带配合不合适所引起。模芯工作带要比模孔工作带略高一些，这样的设计是合理的。如果挤压时能保持这种状态便可得到合格的产品。如因模芯弹性变形使模芯工作带过于前伸并造成塌腔，一般可在上、下模结合面上加入适当的垫片来解
决(图7-13)。应注意保持模具总高度不变，必须将下模的端面去掉与垫片相同的厚度。对仅一个
腔壁内凹情况，可将此外模芯工作带作阻碍处理。
6(3 鼓肚
。 空心型材产生鼓肚的原因之一是模芯工作带的磨损(如图7-14)
图7-14 空心型材鼓肚及其原理
由于多次挤压或其它原因，模芯工作带磨损而凹凸不平，阻碍金属沿模芯表面流动，使腔壁外侧金属流动快，便会产生腔壁鼓肚现象。如果仅是一壁或两壁外起，可能是由于模芯工作带与模孔工作带配合不合适或模芯局部磨损所致。修模时，在壁厚尺寸尚偏小时，可将模芯工作磨损处锉平，减少磨擦阻力，或将模孔工作带作阻碍。如果模孔尺寸不允许扩大，只好交换新模。如属于个别壁外
凸，则应阻碍相应壁的工作带。
6(4 角变形
挤压类似矩形管的空心型材时，有时会产生角部变形。这主要是由于模孔工作带不合适造成
流速不均所致(图7-15)。
图7-15 角部变形修理示意图
由于两侧的流速不一致，有一侧流速稍快于另一侧，便造成角度不合适。修模时，要准确判断属于哪一侧的问题，采用阻碍或加速的办法都可以消除。
6(5 焊合不良
在挤压外形较大的空心型材时，有时因金属充填不足，或因料温低，挤压速度快，或因料中
有夹渣(铸绽质量不好)，不正确的润滑等都可以造成焊合不良而开裂(图7-16)。在挤压空心型
材时，模具上是绝对禁止涂油的。因为模表面过脏或铸绽表面过脏都可造成焊合不良而裂开。更重
要的是模具方面的因素，主要是焊合室过小金属补充不足。修正方法:如果模子尺寸允许，可以向
高向和宽向扩大焊合室，还应注意焊合角，使之有利于金属流动与焊合。
a.正常焊合室 b.焊合室过小 c.角裂的方管
图7-16 空心型材焊合不良
6(6 扭拧与弯曲
挤压时发生扭拧和弯曲的原因很多，如金属流动不均匀，工作带设计不合理，铸绽温度不均匀以及模孔排列不当等。在图7-17中分流孔供应金属不平衡，造成弯曲和扭拧，左边分流孔比右边大，右边分流孔小，阻碍了金属的流动，挤压时型材便向流速慢的一侧弯曲(a)，下部的分流孔的
侧面与模孔不平行，这时将产生扭转(b)。修正方法:前一种情况，扩大右边分流孔面积;后一种
情况时，用研磨方法使分流孔侧面与模孔平行。通过对模芯周围金属流动的调整可以消除弯曲和扭
拧。
图7-17 空心型材的弯曲和扭拧
此外，工作带不合理也可产生弯曲和扭拧。如型材壁厚相同，但工作带长度不同，或者工作带产生内(外)斜的情况，都会因流速不均而形成弯曲和扭拧。
范文四：用损伤理论方法预测铝合金薄板成型极限
3
用损伤理论方法预测铝合金薄板成型极限
樊建平
( ) 华中科技大学土木工程不力学学院 ,武汉 ,430074
邓泽贤 崔智邦
( ) 香港理工大学工业及系统工程学系 ,香港
摘 要 应用各向异性损伤理论研究 20242T3 铝合金薄板的成形极限 ,通过构造有限元单胞模型预测薄板结
构的极限应变. 单胞模型由两相材料组成 :铝合金基体和金属强化物. 基体采用全耦合弹塑性2损伤本构方程描述 ,
而金属强化物则规为弹脆性材料. 采用所提出的缩颈准则 ,得到了双轴拉伸状态下铝合金薄板的极限应变 ,和实验
结果比较两者吻合较好. 研究结果揭示有限元单胞模型可以提供铝合金的细观损伤机理信息 ,当忽略材料的损伤
影响 ,采用金属薄板成型理论的研究结果将过高估计薄板的极限应变.
关键词 成形极限图 ,各向异性损伤 ,有限元方法 ,极限应变 ,局部缩颈 ,弹塑性变形
情况下 ,采用修正的 M2 K 模型对铝合金板材的成型
极限进行预测 ,得到一种基于各向异性损伤方法用 0 引言
以 判 断 材 料 的 断 裂 极 限 , 并 将 此 方 法 应 用 于
[ 18 ] [ 19 ] 目前应用广泛的预测金属板材成型极限的方法 Al2024 T3, H S23 钢和 A2 K 钢材料. 尽管已有 [ 1 ] 是由 Ma rci nia k 和 Kuczyn ski提出的 ,这个方法通 研究金属材料织构演变和微缺陷存在的损伤机理以
[ 20 ] 常被称为 M2 K 模型. 实际材料往往会存在一些非理 及损伤对成型极限应变的影响,但各向异性损伤 想性因素 ,如 :孔洞 、微裂纹和夹杂 ,从而表现出几何 机理并没有应用到预测金属板材的成型极限图.或材料非线性. 在 M2 K 模型中 ,这些非理想因素被 本文采用各向异性损伤本构理论研究 20242T3 当作厚度略小于合金板本身的凹槽来处理. 双轴拉 铝合金板材的成型极限图 ,为了能够预测材料的极 伸情况下 ,由 M2 K 模型得到的极限应变大于实验 限应变 ,构建了三维有限元单胞模型. 运用所提出的 [ 2 ,3 ] 值. 为 了 弥 补 M2 K 模 型 的 不 足 , So we r by 和 缩颈标准 ,在双向拉伸条件下 ,通过改变双拉伸拉载 [ 4 ] [ 5 ] D unca n, Pa r ma r 和 Mello r 等对 M2 K 模型做了 荷比测得铝合金板的极限应变 ,并将预测不实验的 一些修正. 原始 M2 K 模型采用 Hill 二次屈服准则 , 结果进行了比较. 这正是导致极限应变相对于屈服曲面曲率估计值偏
大的原因之一. 改进的 M2 K 模型采用了更新的屈 各向异性损伤演化[ 5 ] 1 服准则 ,如 Pa r ma r 和 Mello r 采用新的 Hill 非二
[ 6 ] 次屈服准则 , Nee dle ma n 和 Tria nt af ylli di s对于内
为简单起见 , 规损伤势能 Fd 为应变能释放率 Y 部多孔塑性材料选用 Gur so n 本构模型. Pa dwal 和
[ 8 ] 的线性函数 , 故有Chat ur vedi则采用 Ho sfo r d 屈服准则来处理平面
( )Fd = V ?Y 1 各向异性问题.
式中 V 反映损伤演化的各向异性特性 , 按照 Cho w 材料从微观缺陷形核 、长大 、相互贯通直至最[ 15 ] 和 Wa ng的分析 ,V 依赖于主应变张量的方向. 假 终破坏 都 可 以 用 连 续 介 质 损 伤 力 学 的 方 法 来 描
[ 13～16 ] 设损伤由两部分组成 :各向同性部分和各向异性部 述. 对金属板材进行比例或非比例加载 ,并应
分 , 各向同性损伤部分依赖于损伤的平均值和体积 用损伤力学的方法可以预测其成型极限图 ,并可以
应变 , 而各向异性损伤部分正比于主应变方向的损 采用统一的方法描述材料的弥散缩颈 、局部缩颈和
最终的断裂破坏. 最近 ,文[ 17 ]考虑了材料损伤扩展 伤量和应变分量 , 损伤演化方程可用下式表示为
3 2005206221 收到第 1 稿 ,2005211230 收到修改稿.
? ? 并而形成宏观裂缝 , 在进一步加载条件下 , 裂纹扩展5 F d? ( )λ2 D == V pp 5Y 最终导致材料破坏.
其中 文[ 21 ]研究了单轴拉伸条件下 , 材料的塑性应
[ 21 ] ( α)ε V = C1 - D I +1 1 m m 变造成的 Al20242T3 试样的损伤演化觃律. 为了 3 v v 评价材料塑性变形和损伤演化特性 , 在单向往复加( αε) ( ( ) 3 C2 1 - 2 D vi 0v) i i i 6 i = 1 载 2卸载条件下 , 记录拉伸试样的应力 2应变曲线 , 用
αα式中 C、C、和是材料参数 , v是应变张量主 1 2 1 2 i 以测量加载和卸载过程中某些表观工程弹性系数 , v v ( εε方向的单位矢量. D 、、D 和为 D = D+ i i m m m 11如 :有效杨氏模量 、有效剪切模量和有效泊桑系数 , v [ 22 ]) ε(εεε) D+ D/ 3 ,= ++/ 3 , D = v?D ? i 22 33 m 11 22 33 i 这样可以得到两个主要的损伤参数 D和 D . 运1 2 v [ 21 , 22 ] ε( ) i v,是主应变方向的单位应变. 在公式 3中 , 右边 i 用早先的研究结论, 确定损伤演化参数为 : C 1
的第一项反映了各向同性损伤演化 , 而第二项体现 αα= 7 . 5 , C= 8 . 0 ,= 6 . 0 和= 9 . 0 . 2 1 2
各向异性损伤演化. 总损伤 D 定义如下T
v v v v v vD = D D + D D + D D ( )T 1 1 2 2 3 3 4 3 有限元单胞模型
上式中对指标 v 没有求和约定.
Al20242T3 由纯铝和粗颗粒金属强化物组成 ,
可以规为一种结构 , 用构造三维单胞的方式来分析 材料和物理特性2
( ) 它的成型极限应变. 如图 2 a 所示 , 用重复的单胞
阵列来模拟这种在双轴拉伸作用下的结构 , 并假设 材料 Al20242T3 的伸 拉特 性和 化学 成 分都 能
[ 21 ] 金属强化物微粒在单胞内部形成一聚集体. 单胞包 在相关资料查到, 真实应力 2应变关系可表示为
含铝合金基体和金属强化物聚集体 , 其三维有限元 σε( )σσ= E, 当?5 s
n ( ) 单胞如图 2 b所示. 铝合金基体材料用弹塑性本 σεσσ = A,当>( )s6
构关系来描述 , 而假设金属强化物聚集体为弹 2脆 这里 A 是应力系数.
性材料 , 杨 氏 模 量 和 泊 桑 系 数 分 别 为 300 GPa 和 从图 1 可以看到在铝合金板材中有很多粗颗粒 [ 21 ] 0 . 33 . 金属强化物 , 如 CuM gAl, CuM nAl和 CuFeAl2 2 20 2 7
在进行有限元分析时 , 单胞模型的边界条件如 等 , 这些强化物通过一定的化学原理聚集在一起 , 其
图 3 , 在变形过程中 , A B , B C , CD 和 D A 四条边保 μ平均晶粒尺寸为 40m . 采用 L EICA DML M 图像
持直线 , 并平行于其初始方向 , 且一直保持互相垂 处理分析仪可以得知微粒的体积分数为 1/ 25 . 当外
直. 单胞模型划分为 800 个三维块单元 , 1498 个节 部加载达到临界值时 , 强化物颗粒破裂并形成微空
()点 , 通过改变双向加载的比值 其范围是 - 1 到 + 1 洞 , 随着塑性应变的进一步增加 , 微空洞将长大 、合
α ( )= F/ F7 x y
得到双轴拉伸条件 , 从而得到不同的加载组合结果.
单轴拉伸下的颈缩4
采用 AB A Q U S/ St a nda r d 软件 , 模拟承受单轴
( α) 拉力作用下 即 = 0单胞模型的变形和颈缩过程
的有限元分析 , 完全耦合的弹塑性 2损伤本构关系可
通过定义用户材料子程序 U MA T 写入有限元代码
中. 分析过程的一般算法如下 :
( ) 1预测节点位秱及其增量 ; ( ) 2使用预测的增量更新单元积分点的状态 ; 图 1 2024 T3 铝合金板的细观结构 ( ) 3每个增量步结束时 , 系统需满足动量和能 ( ) 黑色颗粒为金属强化物量平衡 ;
第 2 期樊建平等 : 用损伤理论方法预测铝合金薄板成型极限 ?111?
图 2 Al20242T3 材料双向受拉区域及三维单细模型
图 3 单胞模型的边界条件
( )采用有限元方法分析得到的颈缩如图 4 , 用单4 使用 New to n2Rap h so n 迭代校正预测的位
秱增量 ;胞模型的位秱量除以它本身的长度 , 得到一个无量
( ) ξξ5反复迭代直到满足收敛要求.纲位秱变量, 用来描述单胞模型的变形状态. 可
图 4 单向载荷作用下 Al20242T3 的变形不颈缩
以看出首先在金属强化物聚集体间发生颈缩 , 然后十分接近. 不预期的那样 , 忽略材料的损伤影响 , 从
依次在材料的每个侧面形成凹槽 , 这不 M2 K 模型的 理论上获得偏高极限应变预测值.假定不同 , 这些凹槽是在变形过程中形成的.
在变形过程中 , 单轴拉伸力可以由 CD 边界上
的应力积分得到. 图 5 是典型的单轴拉伸条件下的
应力 2位秱图 , 在这个过程中拉力逐渐增加到最大然
后下降 , 颈缩现象发生在应力达到最大之后的‘ N ’
阶段. 考虑材料损伤时 , 拉力值略微有所减少.
( )图 6 杯状深拉延 单位为 mm
图 5 单向拉伸情况下的载荷 2位秱图
5 成型极限预测 图 7 成型极限图
文[ 17 ] 通过实验的方法 得到 了 Al20242T3 薄 一般来说 , 在纯剪切条件下极限应变是最大的. 板的成型极限图 , 实验采用了两组试样. 一组为单轴 本文提出的有限元单胞模型能得出同样的结果. 如 拉伸测试设计的 , 在 100 kN M TS 通用拉伸试验机 图 8 所示 , 在高水平的纯剪切条件下 , 缩颈不明显. 上进行 ; 另一组为杯状深拉延试样 , 如图 6 所示 , 在
Hille 20/ 40 吨通用深拉机上进行. 测量应变时 , 采
用了底片打印技术 , 在每个样本表面标记直径都为
2 mm 的圆阵列 , 测量靠近破裂区域且沿着主应变方
向的圆的变形 , 从而获得极限应变.
有限元结果表明 , 当单胞的载荷达到阶段‘ N ’
的临界值时 , 发生缩颈 , 因此 , 成型极限准则变为 :
5 F5 Fx yχ( )- mi n 8 ,> 5 x 5 y
χ这里是缩颈发生的临界值. 基于单轴拉伸的结果 ,
χ 测得 Al20242T3 的值为 65 kN .
( ) ( α通过改变加载比从 - 1 纯剪切到 + 1 均匀
) 单轴拉伸重复前面的有限元分析过程 , 再引入方程
( ) 8的缩颈准则 , 就可预测 Al20242T3 金属薄板的 (ξ)图 8 纯剪切状态下材料颈缩 = 0 . 4
成型极限图. 图 7 给出预测结果和实验结果 , 两者
第 2 期樊建平等 : 用损伤理论方法预测铝合金薄板成型极限 ?113 ?
有塑性流动 , 此处的初始损伤最大. 进一步变形时 ,
损伤沿着不拉伸方向成 ?45?的方向发展 , 这正是剪 6 损伤细观分析 [ 23 ] 切流方向. 和早期剪切试验的结果比较, Al20242
图 9 给出了在纯剪切条件下 , 单胞模型内的损T3 的剪切损伤本质上可解释为微剪切带的形成和
( ) 伤变化. 此图中 , 秱去金属强化物聚集体 , 以便看清 扩展 如图 10. 由于金属强化物颗粒的破裂 , 空洞
( ) 铝合金基体的损伤位置. 在金属强化物聚集体附近 , 在剪切带中间形成 如图 10 b.
图 9 纯剪切条件下损伤演化
图 10 纯剪切状态预测不实验结果比较
2 Yamaguchi K , Mello r P B . Thickne ss and grain size de11
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略材料的损伤影响 ,可能导致偏高的估极. 单胞模型 Cho w C L , Wang J . A n a ni so t ropic t heo r y of co ntinu2 14
um damage mechanic s fo r ductile f ract ure . Engng Fract 同时也给出了材料在双轴拉伸时的损伤演化信息 ,
Mech ,1987 ,27 :547～558它有助于理解铝合金板的细观损伤机制.
15 Cho w C L , Wang J . A n ani so t ropic co ntinuum damage
t heo r y and it s applicatio n to ductile crack initiatio n. 参 考 文 献 Damage Mech Co mpo s A SM E AD ,1987 ,12 :1～10
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第 2 期樊建平等 : 用损伤理论方法预测铝合金薄板成型极限 ?115 ?
P RED ICTIO N FO R FO RM I NG L IM IT OF AL2024 T3 S HEET
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( )S c hool o f Ci v i l En g i nee ri n g a n d M ec h a nics , H u az hon g U ni ve rs i t y o f S cie nce a n d Tec hnol o g y , W u h a n , 430074
Ta ng C Y Tsui C P
( )De p a rt ment o f I n d us t ri al an d S y stems En g i nee ri n g , T he H on g Kon g Pol y tec h nic U ni ve rs i t y , H on g Kon g
Abstract Thi s p ap er p re se nt s app licatio n of a ni so t ropic da ma ge t heo r y i n st udyi ng t he fo r mi ng li mit dia gra m of Al20242T3 al u mi n um allo y sheet . In t he p redictio n of li miti ng st rai n s of t he al umi num sheet st r uct ure , a fi nit e ele me nt cell mo del ha s bee n co n st r uct ed. The cell mo del co n si st s of t wo p ha se s : t he al u2 mi n um allo y mat ri x a nd t he i nt er met allic cl u st er . The mat e rial be ha vio r of t he al u mi nu m allo y mat ri x i s de2 scri be d by a f ully co up led ela sto2p la stic da ma ge co n stit utive equatio n . The i nt er met allic cl u st e r i s a ssumed to be ela stic a nd brit tle . B y va r yi ng t he st ret chi ng ratio , t he li miti ng st rai n s of t he sheet under bia xial st ret chi ng ha ve bee n p re dict ed by u si ng o ur p ropo se d necki ng crit erio n . The p re dictio n i s i n goo d a gree2 me nt wit h t he e xp eri me nt al fi ndi ngs. Mo reo ver , t he fi nit e ele me nt cell mo del ca n p ro vi de i nfo r matio n fo r under st a ndi ng micro scopic da ma ge mec ha ni sm of t he al umi nu m allo y. Over2e sti matio n of t he li mit st rai n s ma y be ma de if t he eff ect of mat erial da ma ge i s i gno re d i n sheet met al fo r mi ng st udy.
( ) ( ) Key words fo r mi ng li mit dia gra m FL D,a ni so t ropic da ma ge , fi nit e ele me nt met ho d F EM , li mit st rai n , localized necki ng , ela sto2p la stic defo r matio n
范文五：铝及铝合金的焊接工艺方法
铝及铝合金材料密度低，强度高，热电导率高，耐腐蚀能力强，具有良好的物理特性和力学性能，因而广泛应用于工业产品的焊接结构上。长期以来，由于焊接方法及焊接工艺参数的选取不当，造成铝合金零件焊接后因应力过于集中产生严重变形，或因为焊缝气孔、夹渣、未焊透等缺陷，导致焊缝金属裂纹或材质疏松，严重影响了产品质量及性能。
铝合金材料特点 铝是银白色的轻金属，具有良好的塑性、较高的导电性和导热性，同时还具有抗氧化和抗腐蚀的能力。铝极易氧化产生三氧化二铝薄膜，在焊缝中容易产生夹杂物，从而破坏金属的连续性和均匀性，降低其机械性能和耐腐蚀性能。常见铝合金母材和焊丝的化学成分及机械性能见表1。
铝合金材料的焊接难点 （1）极易氧化。在空气中，铝容易同氧化合，生成致密的三氧化二铝薄膜（厚度约0．1－0．2μm），熔点高（约2050℃），远远超过铝及铝合金的熔点（约600℃左右）。氧化铝的密度3．95－4．10g/cm3，约为铝的1．4倍，氧化铝薄膜的表面易吸附水分，焊接时，它阻碍基本金属的熔合，极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷，引起焊缝性能下降。
（2）易产生气孔。铝和铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢，由于液态铝可溶解大量的氢，而固态铝几乎不溶解氢，因此当熔池温度快速冷却与凝固时，氢来不及逸出，容易在焊缝中聚集形成气孔。氢气孔目前难于完全避免，氢的来源很多，有电弧焊气氛中的氢，铝板、焊丝表面吸附空气中的水分等。实践证明，即使氩气按GB/T4842标准要求，纯度达到99．99% 以上，但当水分含量达到20ppm时，也会出现大量的致密气孔，当空气相对湿度超过80%时，焊缝就会明显出现气孔。
（3）焊缝变形和形成裂纹倾向大。铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍，易产生较大的焊接变形的内应力，对刚性较大的结构将促使热裂纹的产生。
（4）铝的导热系数大（纯铝0．538卡/Cm．s．℃）。约为钢的4倍，因此，焊接铝和铝合金时，比焊钢要消耗更多的热量。
（5）合金元素的蒸发的烧损。铝合金中含有低沸点的元素（如镁、锌、锰等），在高温电弧作用下，极易蒸发烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降。
（6）高温强度和塑性低。高温时铝的强度和塑性很低，破坏了焊缝金属的成形，有时还容易造成焊缝金属塌落和焊穿现象。
（7）无色彩变化。铝及铝合金从固态转为液态时，无明显的颜色变化，使操作者难以掌握加热温度。
铝合金材料焊接的工艺方法 （1）焊前准备
采用化学或机械方法，严格清理焊缝坡口两侧的表面氧化膜。
化学清洗是使用碱或酸清洗工件表面，该法既可去除氧化膜，还可除油污，具体工艺过程如下：体积分数为6%～10%的氢氧化钠溶液，在70℃左右浸泡0．5min→水洗→体积分数为15%的硝酸在常温下浸泡1min进行中和处理→水洗→温水洗→干燥。洗好后的铝合金表面为无光泽的银白色。
机械清理可采用风动或电动铣刀，还可采用刮刀、锉刀等工具，对于较薄的氧化膜也可用0．25mm的铜丝刷打磨清除氧化膜。
清理好后立即施焊，如果放置时间超过4h，应重新清理。
（2）确定装配间隙及定位焊间距
施焊过程中，铝板受热膨胀，致使焊缝坡口间隙减少，焊前装配间隙如果留得太小，焊接过程中就会引起两板的坡口重叠，增加焊后板面不平度和变形量；相反，装配间隙过大，则施焊困难，并有烧穿的可能。合适的定位焊间距能保证所需的定位焊间隙，因此，选择合适的装配间隙及定位焊间距，是减少变形的一项有效措施。根据经验，不同板厚对接缝较合理的装配工艺参数如表2。
（3）选择焊接设备
目前市场上焊接产品种类较多，一般情况下宜采用交流钨极氩弧焊（即TIG焊）。它是在氩气的保护下，利用钨电极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。该焊机工作时，由于交流电流的极性是在周期性的变换，在每个周期里半波为直流正接，半波为直流反接。正接的半波期间钨极可以发射足够的电子而又不致于过热，有利于电弧的稳定。反接的半波期间工件表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面光亮美观、成形良好的焊缝。
（4）选择焊丝
一般选用301纯铝焊丝及311铝硅焊丝。
（5）选取焊接方法和参数
一般以左焊法进行，焊炬和工件成60°角。焊接厚度15mm以上时，以右焊法进行，焊炬和工件成90°角。
焊接壁厚在3mm以上时，开V形坡口，夹角为60°～70°，间隙不得大于1mm，以多层焊完成。壁厚在1．5mm以下时，不开坡口，不留间隙，不加填充丝。焊固定管子对接接头时，当管径为200mm，壁厚为6mm时，应采用直径为3～4mm的钨极，以220～240A的焊接电流，直径为4mm的填充焊丝，以1～2层焊完。
