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分析模具受力不均勻造成鋁型材變形、焊合線、偏壁等缺陷

   日期:2016-03-10     來源:鳳鋁鋁業(yè)    作者:葛杰,黃志其,梁榮校,賴德立    瀏覽:4415    評(píng)論:0    

前言

在擠壓生產(chǎn)中,由于主缸的推進(jìn)運(yùn)動(dòng),再藉由模具對(duì)鋁棒限定形變做功,成型工序才得以完成。由于主缸的推進(jìn)與模具發(fā)生作用,推進(jìn)力就由模具吸收轉(zhuǎn)變成形變能,體現(xiàn)在模具的變形上面。一般而言,正向擠壓制品的實(shí)際斷面尺寸與模具尺寸是不一致的,且沿制品長度方向也往往是不均勻的,特別是尾部變化特別大,嚴(yán)重影響擠壓成品率,通過具體實(shí)例分析,找出變形的原因,并系統(tǒng)的提出解決方案。

產(chǎn)生尺寸偏差的幾個(gè)原因和解決方法

1.模具受力發(fā)生彈性形變?cè)斐傻某叽缱兓?/strong>

1.1 擠壓過程中,模具設(shè)計(jì)壁厚尺寸和實(shí)際擠壓鋁型材尺寸差異的原因主要有如下兩個(gè)方面:

1)制品出??缀蟮睦鋮s收縮,其線收縮量與制品的尺寸和合金性能以及擠壓鋁型材溫度有關(guān),收縮量基本上保持不變。

2)擠壓時(shí),很高的靜水壓力使模具的‘U’和‘L’鋁型材的懸臂位置產(chǎn)生彈性變形,該變化量可通過撓曲的計(jì)算得出,該變化量與施加的外力、模具彈性模量和受力面積有關(guān),撓度公式為W=FL/8EI,藉由公式計(jì)出??壮叽缱兓?,再通過金屬收縮率求得鋁型材尺寸。在擠壓溫度高、變形抗力大的合金擠壓時(shí),模具甚至產(chǎn)生塑性變形,使??壮叽缱冃』蜃兇螅瑥亩斐芍破繁诤癯叽绯?,這種現(xiàn)象俗稱“縮水”或“脹水”,形成原因如下圖所示:

因模具受圖不均導(dǎo)致鋁型材尺寸縮水缺陷示意圖

圖1 縮水

因模具受圖不均導(dǎo)致鋁型材尺寸脹水缺陷示意圖

圖1b 脹水

在設(shè)計(jì)中需要尤其注意這一變形,實(shí)際上這個(gè)影響不僅僅是壁厚尺寸,對(duì)于成型也會(huì)產(chǎn)生很大的影響,如圖2a所示,懸臂下沉工作帶錯(cuò)位,造成槽內(nèi)工作帶變短,生產(chǎn)出來的鋁型材地面嚴(yán)重凸起,變化如圖2b。

大懸臂鋁型材正常截面圖

圖2a  大懸臂鋁型材

大懸臂鋁型材擠出后變形截面圖

圖2b 變形圖

大懸臂鋁型材上下模設(shè)計(jì)

圖2c 上下模1.5mm

大懸臂鋁型材上下模加強(qiáng)橋的設(shè)置

圖2d 加強(qiáng)橋的設(shè)置

解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)在于:對(duì)于’U’和‘L’鋁型材位置,設(shè)計(jì)時(shí)注意懸臂變形選擇合理的厚度尺寸,生產(chǎn)時(shí)盡量使用專用墊,導(dǎo)流板與下模都可以做懸空1.5mm處理(圖2c),在不影響表面(不限焊合線)的條件下也可以做加強(qiáng)橋(圖2d)防止懸臂下沉。

1.2 由于芯頭所受的側(cè)彎力造成的偏壁

因?yàn)镚B/T5237.1-2008中規(guī)定:壁厚差不能超過公差之半。對(duì)于帶芯頭的模具生產(chǎn)時(shí),因芯頭的幾個(gè)方向之間的供料不平衡,造成芯頭受到一個(gè)方向的側(cè)彎力,造成偏向一邊,極容易引起批量報(bào)廢,長久的回復(fù)受力甚至?xí)斐赡>邠p壞(如圖3),所以保證每個(gè)進(jìn)料孔的流量與所對(duì)鋁型材面積保持一致至關(guān)重要,在修復(fù)這類模具是,在焊合室內(nèi)進(jìn)行阻礙和加快能起到一定的作用,但在鋁型材的尾部會(huì)造成局部變形,下文中再詳細(xì)描述。

鋁型材模具芯頭受側(cè)彎力

圖3 芯頭受側(cè)彎力

鋁型材橋下焊合線偏移示意圖

圖4a 橋下焊合線偏移示意圖

1.2.1 焊合線的產(chǎn)生

鋁棒經(jīng)過分流模后,金屬經(jīng)裁剪在橋位中線正下方的鋁型材上出現(xiàn)了明顯分界,這就是焊合線。但橋位正下方的金屬變形程度最大,靜水壓力低,若馬上進(jìn)入工作帶,會(huì)造成氧化后,表面出現(xiàn)明顯黑線的缺陷。焊合線的產(chǎn)生原因有很多種,油污、速度過快、棒溫低等可能造成焊合線。如果分流孔流量不均勻,橋位兩邊靜水壓力差距大,造成焊合線位置偏移橋下倒角位置(如圖4a),造成焊合嚴(yán)重不良,橋下作的導(dǎo)角反而對(duì)鋁流產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙,兩邊的金屬因?yàn)樽冃尾町惔?,鋁型材還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重分色。   

1.2.2 焊合線模具的修理

棒溫、速度、油污、鋁棒表面質(zhì)量等原因需要現(xiàn)場(chǎng)管理來控制,模具方面改善方法有以下幾種:

1)銑導(dǎo)流槽、調(diào)整進(jìn)料孔大小。

2)減少橋位下部高度,等于加深了焊合室,提高相鄰鋁流接觸的時(shí)間,減低的橋位下部倒角對(duì)鋁流的焊合的方向影響減弱可以減少。

3)對(duì)于焊合線不出現(xiàn)在橋底的模具(如圖4b),銑開焊合室中對(duì)鋁流起鉗制作用,如圖4c。

鋁型材擠壓模具 設(shè)計(jì)橋位

圖4b 設(shè)計(jì)橋位

鋁型材擠壓模具銑開鉗流位置

圖4c 銑開鉗流位置

1.3 由于擠壓過程模具所受應(yīng)力變化,發(fā)生尺寸連續(xù)的變化。

模具的受到應(yīng)力使模具??壮叽绺淖?,鋁型材尺寸亦發(fā)生了改變。但是,在擠壓過程中隨著鋁棒長度慢慢變短,雖然擠壓力在不停下降,鋁棒與料膽的摩擦力也一直在下降,對(duì)模具的作用力等于總擠壓力減去鋁棒與料膽的摩擦力,反而在上升,焊合室內(nèi)靜水壓力隨擠壓力變化逐漸變大,懸臂為連續(xù)變化如上圖1a所述,尺寸產(chǎn)生“頭大尾小”的現(xiàn)象,特別是懸臂比較長的平面模具尤其明顯。

如果想要減少鋁型材的尾部變形,可(1)改變擠壓機(jī)性能與擠壓工藝,通過尾部減速減少尾部壓力,用程序進(jìn)行連續(xù)曲線減速防止速度突變;(2)使用強(qiáng)度更高的模具鋼生產(chǎn)模具或提高模具熱處理質(zhì)量,使用更好的支撐墊。合理調(diào)整模具結(jié)構(gòu),使載荷發(fā)散均勻。(3)使用梯度加熱鑄錠提高頭部壓力

2 擠壓紊流階段發(fā)生的變形

2.1 尾部發(fā)生變形的原因 

擠壓平流階段,鋁棒通過壓力錐(形狀也在連續(xù)發(fā)生變化)發(fā)生預(yù)變形,平穩(wěn)有序的變化流出??祝瑝毫π」┝喜蛔愕牡胤?,通過長距離的微小的橫流進(jìn)行補(bǔ)充。但當(dāng)擠壓末尾時(shí),隨著擠壓墊片與模子間距離的縮小,變形區(qū)內(nèi)的金屬橫向流動(dòng)非常困難,只有在強(qiáng)大的壓力差克服熱金屬的屈服強(qiáng)度時(shí),才向著擠壓軸線方向由周圍向中心發(fā)生橫向流動(dòng),總擠壓力上升。因?yàn)槲膊康臋M流困難,正對(duì)進(jìn)料區(qū)供料嚴(yán)重不足,遠(yuǎn)離進(jìn)料口壓力大;流量大的進(jìn)料孔供料不足壓力小,流量小的進(jìn)料孔供料足壓力大。這是造成擠壓尾部變形的直接原因。變形的程度受進(jìn)料孔和導(dǎo)流坑的影響。

2.2 擠壓末端分流模偏壁及解決方法

2.2.1 擠壓末端分流模偏壁得原因

擠壓殘料時(shí),分流模進(jìn)料孔分布均勻,分流模與料膽的接觸面上鋁流不會(huì)產(chǎn)生長距離橫向流動(dòng),鋁流均勻通過上模具,不會(huì)形成縮尾。但是不同等分進(jìn)料孔之間如果所對(duì)的出料面積不一致,就會(huì)造成流速不均勻發(fā)生變形,并且芯頭上產(chǎn)生的側(cè)壓力。焊合室如果足夠高和寬,模孔進(jìn)料、壓力不平衡,壓力差可以通過焊合室內(nèi)的橫流來釋放。如果生產(chǎn)硬合金,焊合室內(nèi)的橫流基本上不能實(shí)現(xiàn),越接近擠壓末端,模面的鋁橫流越來越困難,芯頭的受到一個(gè)方向的側(cè)向力并且越來越大,積累的壓力很容易造成芯頭變形發(fā)生偏壁,并引造成裂橋(如下圖5a)。

容易偏壁裂橋的鋁材模具原設(shè)計(jì)圖

圖5a 容易偏壁裂橋的原設(shè)計(jì)

鋁材模具偏移中心位優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5b 偏移中心位設(shè)計(jì)


2.2.2 分流鋁型材排布的解決方法

圖5a中,因?yàn)?個(gè)帶釘位進(jìn)料孔流量大,鋁流供給不足,其他2個(gè)進(jìn)料孔所對(duì)鋁流少,故壓力大。因此該模具生產(chǎn)7003硬合金,產(chǎn)能極低,每套模具產(chǎn)能在1噸以下就會(huì)發(fā)生偏壁和裂橋。如果按照?qǐng)D5b的方法,將中心位置偏移,則可達(dá)到量產(chǎn)。所以為了防止分流模具尾部變形和裂橋,在布孔的過程中,必須對(duì)比每個(gè)孔所對(duì)的鋁材的面積,充分考慮鋁流比例,進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)要注意硬合金生產(chǎn)時(shí),因尾端殘料影響,鋁流比例并不單純等于進(jìn)料口面積比例,而是等于進(jìn)料孔和相鄰流入面積的比例,設(shè)計(jì)時(shí)要考慮比例平衡。

2.3 平面模尾部變形及解決方法

2.3.1 導(dǎo)流坑的作用

設(shè)計(jì)平面模具時(shí),考慮到提高鋁型材表面質(zhì)量,提高成型度,一般都考慮設(shè)計(jì)倒流坑,通過導(dǎo)流坑設(shè)計(jì)調(diào)整坑內(nèi)鋁流的壓力差,使壓力趨向均勻,減少變形。另外倒流坑的仿形設(shè)計(jì)減少鋁流的變形不均勻性,減少分色。

2.3.2 導(dǎo)流坑的改進(jìn)

導(dǎo)流坑設(shè)計(jì)過大,會(huì)使導(dǎo)流效果減弱,死區(qū)鉗制造不足,造成成型差,夾渣等缺陷,導(dǎo)流坑設(shè)計(jì)小,會(huì)使死區(qū)面積過大,過早進(jìn)入紊流階段。

下圖為一出二的平面模具,導(dǎo)流坑小,中間流速快。結(jié)果生產(chǎn)過程中,中間靠著的面出現(xiàn)嚴(yán)重黑線,因?yàn)槲捕斯┧畤?yán)重不足,金屬橫流,鋁型材產(chǎn)生縮尾然后又分成兩股出料,表面形成的縮尾界面所致。調(diào)整如圖6,增加導(dǎo)流坑大小和深度增加壓余厚度,做鉤型邊防止剪空,則表面質(zhì)量得到保障。

鋁型材擠壓模具做做鉤形邊

圖6 做鉤形邊

增加導(dǎo)流坑深度

增加導(dǎo)流坑深度 

導(dǎo)流坑形狀必須平滑過渡,如果出現(xiàn)尖角上圖7,就會(huì)形成明顯的黑/亮線,因?yàn)殇X流在滑入時(shí),在尖角位劇烈變形晶粒度差異明顯所致。

去引起亮線的位置銑掉尖角位

圖7 去引起亮線的位置

結(jié)論

鋁合金擠壓整個(gè)過程中,模具受到的應(yīng)力在發(fā)生變化,鋁型材行位尺寸也在發(fā)生變化,通過對(duì)模具內(nèi)應(yīng)力變化情況定性分析,找出解決鋁型材行位尺寸變化的原因,并提出改進(jìn)。
        1、鋁型材在擠壓過程中壁厚尺寸變化主要由于模具受力變化引起。

2、鋁型材在擠壓過程中,壓力也是連續(xù)變化的。

3、兩進(jìn)料孔的壓力、流量差會(huì)導(dǎo)致焊合線明顯。

4、擠壓殘料時(shí),由于進(jìn)料孔或?qū)Я骺舆M(jìn)料不均勻是引起尾部變形的主要原因。

 
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