反向擠壓模具設計技術探討

與正向擠壓相比，反向擠壓可降低擠壓力30～40 (有些資料介紹達50 )，提高擠壓速度0,5～1倍，提高成品率10~20，制品的尺寸精度高，組織和性能均勻口 ]。對于航空、航天、兵器以及機械制造等工業部門要求組織和性能均勻，嚴格控制粗晶環映陷的產品來說，反向擠壓具有非常大的優勢，日益受到各國擠壓界的重視。然而，眾所周知，反向擠壓也有其明顯的不足 。在擠壓過程中，錠坯與擠壓筒之間無摩擦形成的死區很小，難以對錠坯表面上的雜質、臟物及缺陷等起阻滯作用，導致制品表面出現起皮、氣泡等缺陷，降低了擠壓制品的表面質量。

本文分析了反向擠壓時金屬變形流動的特點，從模具設計角度探討了如何增大“死 區”，改善制品的表面質量。

在正向擠壓時，位于模子與擠壓筒交界的環形區域的金屬，由于受到擠壓筒和模子端面的摩擦及冷卻作用，變形抗力增高，承受的摩擦阻力大，在基本擠壓階段不參與流動，形成了一個前端難變形區，即所謂的“死 區” (如 圖 1中 S：所示 )。死區的存在，能夠阻礙錠坯表面的雜質、臟物及缺陷等進入變形區壓縮錐，有利于提高擠壓制品的表面質量，死區越大，效果越好。圖 1 正向擠壓死區 (S )示意圖

但在反向擠壓時 (如圖 2所示)，模子及模子軸固定不動，連接在主柱塞前端的堵頭緊靠在擠壓筒的后面，通過擠壓墊推動錠坯與擠壓筒同步前進 。由于錠坯與擠壓筒之間無相對運動，故錠坯表面與擠壓簡壁間不存在摩擦，塑性變形區很小 (壓縮錐高度小 )且集中在模孔附近，變形區后面的金屬不發生任何變形。變形區形狀近似于圓筒形，筒底為曲面且曲率半徑很大。錠坯邊部無激烈摩擦而產生的剪切變形層，不存在錠坯中心層與周邊層區域間的相對位移，金屬流動較正向擠壓時均勻得多。在塑性變形區中，模子對金屬作用的力使得金屬表面層承受擠壓筒壁作用的摩擦力，其方向與金屬流出模孔的方向一致，只有模面的摩擦阻力及冷卻作用而產生了一個薄層的“死 區”(如圖2中S所示 )由于反向擠壓形成的死區很小，難以對 錠坯表面層的雜質 、臟物及缺陷等起到阻滯作用，使其流出模孔進入制品表面，形成起皮和氣泡，在低倍組織上出現成層 。根據在5OMN擠壓機的 ?420 mm 擠壓筒上，用平模 (如圖2所示 )反向擠壓2Al1、2A12、2A50、7A04臺金棒材的實踐，單孔反擠? 95～160mm棒材 。成層深度為0．1～1．0 mm：多孔反擠如 ?55～90 mm棒材 ，成層深度為0．2～0．6 mm。

通常反向擠壓使用的模子均為平模，其死區的形成主要是由于模子端面有限的摩擦和冷卻作用，死區很小。且模子端面越光滑，死區就越小，如圖3所示，模具設計時在其工作端面上。

設計一個凸臺。由于這個凸臺的阻擋作用，擠壓過程中、在模子端面處就 會形成一個較大的死區，從而增大了死區的體積。凸臺就象大壩一樣，將從邊部流向模孔方向來的錠坯表面層的雜質、臟物及缺陷等擋在下邊，能有教的阻滯其流出模孔進人制品表面，在擠壓結束時，隨著壓余被切除。根據實驗，采用這種結構形式的模子，單孔反擠2A12合金，? l2O mm棒 材．其表面質量良好，低倍組織設有發現成層 。但這種結構的模子分離殘料較平模困難 (特別是利用沖頭分離殘料時 )，殘料也多。

如圖4所示，模具設計時將模子工作端面設計成帶有一定錐角的斜面。這個斜面對金屬產生的摩擦阻力可分解為兩個方向的分力：一個是垂直于金屬從模孔流出的方向，指向擠壓筒壁；另一個與金屬從模孔流出方向平行，方向相同。由于沿擠壓方向的分力，其方向與金屬流出模孔的方向相同，迫使金屬不能沿著模面向后產生倒流 。從而在模子端面上也 可以形成一個較大的死區，阻滯錠坯表面層的雜質、臟物及缺陷等進入模孔流向制品表面 。這種結構的模子分離殘料較帶凸臺模子容易，但是也由于這個分力的作用，在擠壓過程中金屬易從模子與擠壓筒內孔的間隙中流出，擠壓結束后，不利于模子從擠壓筒中退出(實際為模子不動，擠壓筒后退 )，且需增加清筒操作次數，影響生產效率 。

如圖5所示，模具設計時，將其工作端面的邊部設計成碗形，也可以形成一個較大的死區。擠壓時，將錠坯表面層的雜質、臟物及缺陷等裝入其 中，防止流出模孔進入制品表面。擠壓結束后，髓壓余被切除。而且擠壓時，在變形金屬的作用下，模子端面邊部受壓力后會 向外產生彈性變形，并將擠壓筒內孔密封，防止金屬從模子與擠壓筒的間隙中流出，可減少較為麻煩的清筒操作次數，提高生產效率 。擠壓結束后，作用在模 子端面上的壓力消失，模子端面形狀又得以恢復，模子與擠壓筒的間隙也得到恢復，有利于模子從擠壓簡中退出 。另外，在模子彈性恢復力的作用下，也有利于擠壓殘料的分離但是，這種結構的模子，易將氣體封閉在模子端面上，對制品表面又會帶來不利影響，需采取專門的排氣措施 。除上述之外，在模具設計時，采取其它一些措施也可以增大死區，阻滯錠坯表面層的雜質、臟物及缺陷等進入變形區壓縮錐而流向制品表面，改善反向擠壓制品的表面質量。如 ：增大模子工作端面的粗糙度，增大摩擦，從而可增大死區的體積。對模子進行降溫處理 (如通循環水進行冷卻 )，可使與模子端面接觸部分的金屬的溫度降低，變形抗力提高，不易產生塑性流動。同時，在降低模面溫度的時候，也會使出模孔的溫度降低，有利于提高擠壓速度 。

與正向擠壓相比，反向擠壓具有許多優點，但反向擠壓制品的表面質量 比正向擠壓的差是其主要缺點之一。以上提出的反向擠壓模具設計方法，均能增大反向擠壓時的死區體積，阻礙錠坯表面的雜質、臟物及缺陷等進入變形區而流向制品表面，提高反向擠壓制品的表面質量 。

鋁加工編輯部：CJM

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