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冷挤压工艺智能设计中的压力计算
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未解决问题 已解决问题建材索引：1 前言 &&& 金属挤压成形是用压力机和模具对放置在模具腔内的金属坯料施加强大的压力使金属坯料产生定向塑性变形，从挤压模的模孔中挤出而获得所需断面形状、尺寸且具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。挤压成形的种类很多，例如按照金属塑变流动方向可分为正挤压、反挤压、复合挤压及径向挤压。按照金属坯料温度分冷挤压、温挤压和热挤压等。 2 挤压成形工艺优势及面临问题 &&& 挤压成形与其它的金属成形加工方法相比具有明显的优势，可以用少量的工序完成复杂零件的成形加工，例如各种形状复杂的深孔、薄壁和异形截面零。零件尺寸精度高，表面质量好，生产效率高，挤压零件不需要或仅需要少量的切削加工，大大节约材料。 &&& 不过由于挤压成形工艺特点，在生产过程中也有许多需要克服的难点。对模具的要求较高，要求模具要有较高的强度。对于冷挤压，坯料一般需要经过软化处理及表面润滑处理，挤压成形后，工件还需消除内应力才能使用；对于被挤压的金属材料要求有较高的塑性及低的屈服极限和冷硬性，目前常用于冷挤压的材料有：有色金属，低碳钢，低合金钢，不锈钢，钛和钛合金等。除此之外在挤压成形过程中工件经常会出现各种缺陷从而导致零件无法达到实际要求，常见的缺陷有：表面折叠、表面折缝、缩孔和裂纹等。目前国内企业在面临这些问题时大多采用试错法，也就是完全凭工程师经验进行大量的实际试验，这种方法的弊端在于对工程师经验依赖性大，经验又难以快速进行有效地积累和传承，通过多次的实际试验使得产品的生产周期长，成本增加，质量不高。因此相关企业需要一种有效地工具来面临挑战，专业金属成形工艺数值模拟工具DEFORM便可以为这些难题提供相应的解决方案。 3 金属成形工艺数值模拟工具DEFORM &&& DEFORM源自塑性有限元程序ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。在1980年代初期，美国Battelle研究室在美国空军基金的资助下开发了用于塑性加工过程模拟的有限元程序ALPID，后来开发人员对程序进行了逐渐完善，并采用Motif界面设计工具，将程序发展成为了商品化的软件DEFORM（Design Environment for Forming），经过三十余年的发展DEFORM已经成长为金属成形领域著名的工艺数值模拟软件。 &&& DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用。如图1所示，各种现象之间相互耦合。这些耦合效应将包括：由于塑性变形功引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响、含碳量对各种材料属性产生的影响及热与变形对微观组织的影响等。 & 图1 DEFORM技术体系 4 DEFORM挤压成形工艺方案的工业应用 &&& 首先传统的产品工艺流程制定过程简图如图2所示，大部分人力物力花费在寻找一个好的工艺方案上。而在探索过程中，传统方法需要不断地试模修模反复调整工艺直到找到满足要求的工艺方案，这个过程耗费了大量的人力物力和时间，给企业带来的损失不可估量。
图2 传统工艺方案制定流程
4.4模具应力分析 &&& 在挤压成形过程中，模具一般承受很大的载荷，由于模具结构设计造成强度不够而发生破坏或长时间生产发生疲劳断裂是比较常见的问题。DEFORM通过模具应力分析查找到模具发生破坏的原因并且通过修改模具圆角外形解决了模具破坏的问题。
图7 挤型模具应力分析 4.5模具磨损分析 &&& 由于挤压过程的特点，模具可能发生比较严重的磨损问题，DEFORM的模具磨损分析功能能够预测模具的磨损情况，根据磨损深度、磨损区域面积等帮助用户在模具设计时考虑磨损问题，下面便是一个模具磨损的案例，左上角为实际实验的结果对比图。
图8 模具磨损分析 5 结论 &&& 由以上对挤压成形特点的分析及DEFORM软件的针对挤压成形常见问题的工业应用可以得出以下结论： &&& （1）使用DEFORM的工艺数值模拟分析功能协助工艺工程师完成挤压成形工艺的制定，能够减少昂贵的现场试验成本； &&& （2）DEFORM可准确预测成形工艺缺陷，通过将大多数试模过程在计算机中通过模拟完成，能够减少实际试模修模次数，缩短新产品的研发周期； &&& （3）通过分析模拟结果帮助用户评估工艺方案优劣，选择较优的工艺方案，提高产品质量； &&& （4）帮助企业制造高效低成本的产品，使企业在市场上更有竞争力。(编辑：adminuggd &来源：安世亚太)
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主办：青华工作室出版：中国模具研究中心
启洲，从一个响0引言冷挤压工艺设计是一个复杂的过程,随着计算机软硬件技术和人工智能技术的快速发展,通过智能工艺设计代替传统的手工设计以及计算机辅助设计已是大势所趋。开发冷挤压工艺设计智能系统主要包括冷挤压工艺设计领域知识库和推理机的构建两个方面。构建领域知识库的首要问题就是研究和运用适当的知识表示方法来表示领域知识。冷挤压工艺设计领域知识所涉及的内容非常丰富,随机性和模糊性交错,彼此间的联系比较松散,存在异构性的特点,很难用统一的通用知识表示方法进行完美的表达。推理机是智能设计系统的另一重要组成部分,由于冷挤压工艺设计领域的知识存在随机性和模糊性,故采用传统单一的不确定性推理方法难以很好地解决系统的推理匹配问题。因此,研究和探索适合于冷挤压工艺设计领域的知识表示方法和推理机制是实现冷1冷挤压工艺设计领域知识的表示模糊知识表示是人工智能研究的重要领域,目前模糊专家系统...
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铝合金挤压铸造的工程实践
发布日期：&&来源：上海交通大学材料科学与工程学院
上海轻合金精密成型国家工程&&作者：刘六法 翟舂泉 王攀张 彩平&&浏览次数：452
核心提示：围绕当前最先进的挤压铸造设备，基于对铝合金挤压铸造的实践积累，从设备结构和产品特点等出发，分析了整个工艺流程中应该注意的若干重要因素，并提出了具有可操作性的技术方案。如浇注温度一般要高于普通压铸；要严格监控铝液中Si、Mg、Cu和Fe等元素的含量；内浇口截面通常都比较厚大，流道的长度尽量缩短；慎重设定由充填浇道到充填型腔阶段的冲头速度和向高速充填阶段的切换位置；采用通道较大的排气和集渣设计等。对国内挤压铸造所面临的若干瓶颈问题作了分析，并对未来发展进行了探讨。
挤压铸造在国内外都已经有很长的发展和应用历史。挤压铸造的理想状态是能够利用外部施加的压力，使铸件在整个凝固过程中保持型腔内的流体部分能够有效流动，充分补充金属液冷却和凝固带来的内部收缩，使铸件整体获得比高压铸造、重力铸造、低压铸造等铸造方法更加致密和均匀的组织，达到更优的综合性能。
目前，挤压铸造从装备能力、工艺控制、生产效率、产品性能和应用领域等方面都达到了较高的水平。先进的挤压铸造系统不仅能够生产性能等同于甚至优于重力铸造或低压铸造的产品，而且具备了跟普通压铸相媲美的规模生产效率和工艺控制能力。
1 挤压铸造的设备构造、工艺特点
1.1 设备构造
1.1.1 设备分类
目前国内的挤压铸造设备大多数是在普通油压机基础上进行改进的，尽管构造简单，成本堡廉，但生产效率低、工艺稳定性差，产品品质波动较大。此类机器一般采用立式合模垂直压射方式。
近年来，国内一些单位引进的日本宇部兴产株式会社、东芝机械株式会社等公司的专用挤压铸造机，是在普通压铸机的结构基础上进行改进的，具有效率高、工艺和产品品质稳定等优点。此类机器有立式和卧式合模两种形式，但都采用垂直压射方式。笔者使用的是日本宇部兴产株式会社的HVSC350和日本东芝机械株式会社的DXHV350JMS两种机型，锁模力均为3 500 kN，合模方式为卧式。
1.1.2 基本构造
与普通压铸类似，挤压铸造系统包括给料、合模与锁模、压射、开模等典型机构，特殊之处在于其压射系统既具有传统的给料和压射功能，又配备了充型完成后的加压和保压功能。挤压铸造机一般都采用立式压射系统，即料筒在压射时处于垂直方向，以保证高充填率和金属液流动平稳。HVSC350采用料筒摆动式给料系统，只需要配置普通的保温炉，结构简单，维修和维护比较方便，但在给料过程中容易发生卷气和氧化，而且由于料筒摆动过程需要较长的时间，容易引起料筒和料筒内金属液温度的下降，金属液容易在料筒内壁发生比较严重的凝固，可能导致金属皮卷入型腔，形成铸件内部组织割裂。DXHV350J&MS采用的定液面保温炉和电磁压射给料系统，具有给料速度快、定量性好、卷气和氧化少、料筒内壁凝固少、循环时间短等优点，但维护和维修较为复杂。在正常生产条件下，电磁泵压射给料比传统的机械手料勺取料缩短20-30 s的时间。
1.2 工艺特点
宇部兴产的HVSC和东芝机械的DXHV系列机器全都采用了压射和凝固加压时料筒垂直和自下而上的冲头作用方式，以保证压射过程中的液面平稳和冲头切换至高速充填速度时料筒的高充填率。作为一种追求具有致密组织和高性能的产品的特殊铸造工艺，挤压铸造特别注重以下几个方面：
①金属液在浇注前必须得到有效净化；
②采用厚大浇口和低速充填，避免金属液在进入型腔时发生剧烈喷溅、强烈紊流、对型腔壁或芯子形成直接冲击；
③阻止充型过程中气体和夹杂的卷入；
④采用大流量排气保证型腔内气体的有效排出，在必要时配备抽真空系统；
⑤在模具设计和模温控制上尽量保证凝固的顺序进行和有效补缩。
1.3 产品应用
挤压铸造的工艺和功能特点决定了其能够生产壁厚远大于压铸的铸件。文献中对适合于挤压铸造的铸件壁厚界定为10～50 mm，金属液充填方向最长不超过200 mm。实践中发现，最小壁厚与产品形状、金属液流动距离、模具温度、充型速度和浇注温度等都有直接联系。通过提高模具温度、浇注温度和充型速度等能够有效延长金属液的流动距离，并能生产壁厚较小的零件。
挤压铸件由于组织均匀、致密和性能优越等特点，特别适合于有一定强度、抗振性或气密性要求的结构。相对于重力和低压铸造的高效率和高稳定性，挤压铸造又能够满足产品的批量化要求。近年来，随着资源和环保问题的尖锐化，在汽车等动力机械中大量使用轻合金代替钢铁成为趋势，挤压铸造及其产品的特点为这种趋势的实现提供了可能。
除铝合金外，挤压铸造近来还被用于Cu、Mg、Zn等合金，以及金属基复合材料等的成形。
工艺和模具的控制
尽管挤压铸造为保证金属液流动的平衡和平稳，强调采用厚大浇口和慢速充填，但充填速度太慢容易导致充型不良、料筒内壁的凝固皮膜卷入和冷隔等缺陷，太快则会引起紊流，发生气孔、气泡、冷隔等缺陷。另一方面，由于充填速度慢，挤压铸造一般需要比普通压铸更高的浇注温度和更精确、均衡的模温控制，以保证充型质量和凝固过程中外加压力的有效性。浇注温度过高容易带来飞料、披缝和铸件缩孔等问题，并增大粘模的可能性，影响生产效率和模具使用。因此，在工艺和模具的设计阶段乃至铸造过程中，需要根据产品的形状、尺寸、组织、性能和热处理等方面的要求，对各种因素进行综合平衡、合理控制。
2.1 工艺方面
2.1.1 合金液控制
对同一合金，挤压铸造的浇注温度一般高于普通压铸，如ADCl2采用670～720℃，A356采用680～740℃。此外，浇注温度的设定还需要综合考虑铸件的形状和复杂程度、给料方式和给料循环时间、料筒和模具的温度控制等因素。当铸件结构复杂、壁厚较小、金属液流程较长、给料过程保温性差、给料循环时间长、料筒和模具温度控制差时，宜采用较高的浇注温度，反之则适当降低浇注温度。
挤压铸件的组织和性能要求合金液必须具有较高的品质，包括合格的化学成分、较低的气体和夹杂含量等。在生产实践中，一定不能使用保温时间超过精炼时效的合金液。保温炉内下部1/4左右的铝液由于含有较多的铝锰中间化合物等会对铸件品质产生较大影响，因此不要使用，也不要在保温炉内的残留金属液接近下限时再加料，否则可能使底部的铝液被搅起后影响上部的铝液品质。在保温炉连续使用1周后应该将残留在炉底的金属液彻底清理一次，清理出的合金液不能再作为回炉料使用。在生产中发现，连续生产若干天以后，所生产的铸件强度会有10%左右的下降。
此外，生产实践表明，要严格监控铝液中Si、Mg、Cu和Fe等元素的含量，在其含量超出规定范围后，要立即进行成份调整，否则可能导致产品的性能不合格。
2.1.2 充型与排气排渣
相对于普通压铸而言，挤压铸造的内浇口截面通常都比较厚大，流道的长度尽量缩短。尽管有资料介绍内浇口速度范围为0.03～1.50 m/s，但大量生产实践表明，比较合理的内浇口速度范围是0.25～0.80 m/s。一般情况下，在金属液开始通过内浇口进入型腔并充填至整个型腔(包括集渣包和排气槽)80％～100％(该比例的确定与对象产品有关)的阶段，可以采用相同的内浇口速度，最后阶段可以适当加快冲头速度。但是当铸件在垂直于压射方向的断面积有比较大的波动时，最佳方案是按断面积的变化采用多段速度控制方式。
另一方面，必须慎重设定由充填浇道到充填型腔阶段的冲头速度和向高速充填阶段的切换位置。冲头速度过慢，可能使金属液在料筒内壁上形成较厚的凝固皮膜，这些皮膜如不能被有效阻挡在型腔之外而又不能在型腔内完全重熔，将在铸件内形成层片状夹杂(见图1)，导致组织不连续，成为产品受载时潜在的失效源；但过快，则可能引起少量金属液在冲头加速充填型腔前已经飞人型腔，碰到型腔壁而发生先期凝固，最终形成片状或粒状的冷隔。充填浇道至充填型腔的冲头速度切换位置的设定原则一般是考虑完全封闭内浇口，当出现内浇口的切线方向与浇道不垂直并且在内浇口底端以下有铸件形状时，或内浇口临近的型腔局部有型芯等情况时，则需要按实际情况灵活设计，一般需要将冲头的速度切换位置下移，以避免金属液在高速充型前进入型腔或接触到型芯，见图2。图2a所示情况下由于速度切换位置不当，会引起速度切换前后两段进入的金属液与内浇口下端平行的部位无法熔合，导致严重冷隔，见图3a。图2b所示情况下，由于速度切换位置不当，会引起铸件上与内浇口相连的局部形成热节，导致铸件内壁形成缩孔，见图3b。
为有效排出型腔内的气体、夹杂和前端较冷的金属液，一般需要采用通道较大的排气和集渣设计。在远离内浇口处，通常需要开设较大的集渣包和较厚的溢流槽。当需要某些集渣包具有补缩功能时，则需要采取一些工艺手段或通过实践确定一些特殊的生产过程控制方法，如提高该局部的模具温度、强化脱模剂喷涂等。
2.1.3 组织均一性控制
由于挤压铸件的壁厚一般远大于普通压铸件，为防止铸件内部关键部位出现收缩性缺陷、氧化皮或先期凝固金属皮膜等割裂性缺陷、铸件表层与内部的组织不均一等缺陷，在工艺方面需要给予特别关注。为防止内部缩孔，在工艺设计、方案制订时，应尽量加大内浇口的截面积，缩短流道长度，尽量保证由铸件内部向外部、由组织性能要求高的局部向要求较低局部的凝固顺序，以实现对重要部位的有效补缩。模具温度场的控制应尽可能保证冲头的压力在整个凝固过程中能够有效传递到型腔内部各个位置。对于因铸件形状特别复杂、型腔内各处壁厚差异较大等因素导致局部热节难以避免时，则考虑采取控制模具温度场的方法将其转移至流道、料柄、渣包等非铸件位置或铸件上的非重要部位。在挤压铸造设备和模具条件允许时，也可以考虑采用局部增压的方法。
为防止氧化皮或料筒内壁上先期凝固皮膜卷入型腔，需要将料柄设计成具有特殊的阶梯形和一定的进料角度，在直浇道和横浇道上设置集渣包。另外，也可以考虑在直浇道处设置捕渣环或挡渣网等方法，但可能会引起生产效率低、料柄回收困难和模具结构复杂等问题。从生产工艺控制方面，可以综合考虑使用较高的浇注温度、保温性良好的脱模剂和料筒润滑剂、料筒保温装置、具有良好保温性能的料勺、缩短给料循环时间等方法。
在挤压铸造中，工艺设计不当、使用的脱模剂保温性能差、模具温度和浇注温度低、金属液充型速度不连续、金属液在型腔内的流动有强烈的紊流或喷溅时，前端接触到型腔壁的少量金属液冷却后迅速凝固，与后续充填并凝固的组织无法有效熔合，导致铸件的局部或整体形成与内部组织补连续的表层，这种表层在铸件局部发生碰撞时，甚至会发生剥落，形成图4所示的表面状况。为避免此类缺陷的发生，可以综合考虑提高浇注温度和模具温度，以保证金属液的平稳连续充型等。
2.1.4凝固过程中的压力确定
挤压铸造型腔内的金属液在外加压力下凝固，挤压铸件的力学性能一般随挤压压力的增大而提高[7]。然而，压力过高会带来设备和模具损耗大、能源消耗高和分型面披缝严重、容易飞料等问题。而且，性能随压力增大而提高也有一定限度，达到此限度后，无论压力如何提高，性能都不会再有改善。因此在生产中应该根据产品特点，在满足其性能要求的前提下尽可能设定较低的压力。一般而言，在铸件形状复杂、壁厚较小、金属液流程较长时，需要采用较大的压力，反之则尽量采用较小的压力。
2.1.5充型过程的多段调速和金属液流动连续性控制
如前所述，当铸件沿充型流动方向的横截面积变化较大时，需要根据各段横截面积的不同，适当调整冲头速度，保证金属液在型腔内主要部位具有基本相同的流速。为适应这一要求，目前先进的挤压铸造机一般都配备了多段调速的功能。
图5是一个简单的挤压铸造型腔示意图，以I、Ⅱ、Ⅲ标出了沿型腔内金属液主流向的3个位置，以VⅠ、VⅡ和VⅢ分别表示3个位置上金属液穿过各截面的流动速度，AⅠ、AⅡ和AⅢ分别表示3个位置上的型腔截面积。以Vs1、Vs2、Vs3分别表示对应位置时冲头的速度，以A&表示料筒的截面积。
同样基于流量守恒，可以计算出金属液面分别到达位置Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ时冲头在料筒内的位置。如此可以确定金属液充填过程中冲头的不同速度及相应的速度切换位置。
实际生产中能否完全采用式(6)和式(7)计算出的冲头速度需要根据具体的产品和机器进行评判。需要综合考虑内浇口位置、形状及其断面大小，挤压铸造机的工作能力等因素进行合理控制。
尽管在实际生产中无法做到(多数情况下不需要)根据沿金属液流向的型腔截面积连续变换冲头速度，但有些状况下根据型腔的实际情况灵活设定冲头速度，对避免铸件远端发生缩孔、缩松、提高其组织致密度具有非常重要的作用。
2.2 模具制作及正确使用
2.2.1 模具制作
挤压铸造由于合金液浇注温度高、粘模倾向大、型腔高温保温时间长和凝固过程所受压力大等原因，要求模具必须具有优良的高温强度、表面硬度和抗热裂性能。根据国内外的生产经验，挤压铸造模具可以选用高温强度和韧性优良的5Cr-Mo-V钢等系列合金钢，淬火后表面硬度控制在HRC46～50。
与普通压铸件类似，挤压铸件在厚大部位容易发生缩孔、缩松，因此在设计铸造工艺和模具温度场控制工艺时，应该尽量保证由铸件内部朝向浇口和集渣包的正温度梯度，以实现顺序凝固和有效补缩。
在设计排气系统时，应该尽可能做到排气充分、顺畅和均匀，防止充型过程中型腔内发生憋气和金属液流
动不平衡。
2.2.2 模具的使用和维护
挤压铸造模具的使用和维护方法除可以参照普通压铸模之外，在下述三方面需要特别的关注：首先是模具需要提高消除应力处理的频度；其次需要更有效的冷却和温度场平衡控制；第三是对型芯的表面硬度和粗糙度有更高的要求，尽可能在型芯中使用水冷。
3 我国挤压铸造应用普及的制约因素
3.1 设备方面的制约
在先进挤压铸造设备的制造方面，我国目前仍是空白。设备制造厂所能制造的和铸造厂所采用的挤压铸造设备基本上都是基于普通液压机改造而成，具有自动化程度和生产效率低、铸件品质难以控制等缺点[4]。这类设备一般难以用于性能、稳定性要求较高的汽车零部件的生产。
近年来，尽管国内通过引进一些国外的挤压铸造设备，使挤压铸造工艺水平有了长足进步，但其价格和维护上的成本仍是很大的制约因素。挤压铸造机的价格一般比较昂贵，是同一厂家同吨位普通压铸机的2～3倍。不管是哪个品牌的机器，在使用时间较长以后，都会碰到维护和维修方面的问题。
3.2 市场方面的制约
挤压铸件在国内市场上面临着两个方面的制约因素，即制造成本、市场认知和接受程度的制约。由于设备昂贵、维护成本高、工艺收得率低和工艺周期长等原因，挤压铸件的成本往往比类似的普通压铸件高出20％～100％。
3.3 工艺技术和人才方面的制约
尽管我国很早就开始研究挤压铸造，但批量化生产的水平一直比较低，导致在规模化生产的工艺方案设计、生产控制和质量保证等方面存在技术水平低、经验不足和人才匮乏等系列问题。
4 挤压铸造在我国的未来发展及应用
挤压铸造由于其产品在组织和性能方面的优势，未来一段时期内将会得到越来越多的应用，包括同种类型产品的普及，也包括在新材料和新产品等方面的应用开发。目前，从事挤压铸造相关的科研人员和工程技术人员需要尽可能推动该工艺在市场上的认知和接受程度的提高。
在复合材料的制备及复合材料制品的成形方面，挤压铸造也将会取得更广泛的应用。在基础理论方面，需要更加深入地进行挤压铸造对材料组织演变方面的研究，探讨挤压铸造在提高材料性能方面的深层机制和发展潜力。
在工艺方面，需要通过数学计算和计算机模拟等方法，全面地掌握挤压铸造工艺过程，为工艺设计和生产控制提供理论依据。同时，梳理实践经验，形成工艺理论体系，提升行业内工程技术人员对挤压铸造工艺技术的理解和把握水平，切实提高在规模化生产中的工艺设计和工艺控制能力，提高产品品质保证水平，降低制造成本。
在设备方面，我国的铸造机生产企业应该尽快研发具有自主知识产权的高性能挤压铸造设备，以降低设备成本。
在成形技术方面，国内外已经开始进行半固态的挤压铸造。该工艺是在目前的挤压铸造基础上，使用预制的半固态浆料为原料的铸造过程，具有含气量更低、夹杂更少，表面粗糙度低、组织致密度和性能更高的优点。缺点是工艺环节复杂、成本高、效率低。
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