在擠壓過(guò)程中，擠壓工、模具的工作條件是十分繁重的。隨著擠壓產(chǎn)品品種的增加和規(guī)格大型化、形狀復(fù)雜化、尺寸精密化、材料高強(qiáng)化以及大型的高比壓擠壓筒和新的擠壓方法的不斷出現(xiàn)，擠壓工模具的工作條件變得更為惡劣了，對(duì)它們的要求也越來(lái)越高了。下面概括地分析一下鋁合金擠壓工模具的使用條件及其損壞原因：
(1)承受長(zhǎng)時(shí)高溫作用。在擠壓過(guò)程中，直接與高溫鑄錠接觸并參與變形的擠壓工具(擠壓筒、擠壓墊片、針后端、沖針等)和模具(模子、模墊、針尖、舌模套、模支承等)的表面溫度有時(shí)局部可高達(dá)550℃以上。承受高溫作用的時(shí)間一般為幾分鐘到幾十分鐘，對(duì)于擠壓速度慢的難變形鋁合金來(lái)說(shuō)，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)以上。長(zhǎng)時(shí)間的高溫作用，大大地惡化了金屬與工具之間的摩擦條件，降低了工模具材料的強(qiáng)度，以至于產(chǎn)生塑性變形，加速其破損。(2)承受長(zhǎng)時(shí)高壓作用。表4—1—2列出了鋁合金擠壓成形時(shí)所需的最小單位壓力。為了獲得不同的比壓以滿足不同合金和品種變形的要求，設(shè)計(jì)和制造了具有不同比壓的擠壓機(jī)和擠壓筒。表4—1—3列出了部分?jǐn)D壓筒的比壓。
(1)承受長(zhǎng)時(shí)高溫作用。在擠壓過(guò)程中，直接與高溫鑄錠接觸并參與變形的擠壓工具(擠壓筒、擠壓墊片、針后端、沖針等)和模具(模子、模墊、針尖、舌模套、模支承等)的表面溫度有時(shí)局部可高達(dá)550℃以上。承受高溫作用的時(shí)間一般為幾分鐘到幾十分鐘，對(duì)于擠壓速度慢的難變形鋁合金來(lái)說(shuō)，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)以上。長(zhǎng)時(shí)間的高溫作用，大大地惡化了金屬與工具之間的摩擦條件，降低了工模具材料的強(qiáng)度，以至于產(chǎn)生塑性變形，加速其破損。(2)承受長(zhǎng)時(shí)高壓作用。表4—1—2列出了鋁合金擠壓成形時(shí)所需的最小單位壓力。為了獲得不同的比壓以滿足不同合金和品種變形的要求，設(shè)計(jì)和制造了具有不同比壓的擠壓機(jī)和擠壓筒。表4—1—3列出了部分?jǐn)D壓筒的比壓。
表4—1—2鋁合金擠壓成形所需單位壓力表
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合金與品種
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所需的最小單位壓力/MPa
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合金與品種
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所需的最小單位壓力/MPa
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純鋁產(chǎn)品
鋁合金普通型、棒材
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100～150
200～450
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鋁合金壁板和空心型材
冷擠壓產(chǎn)品
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450～l000
600～1200
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表4—1—3部分?jǐn)D壓筒可能的比壓范圍表
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擠壓機(jī)能力/MN
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擠壓筒規(guī)格/mm
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比壓/MPa
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3.5
4
5
6
6.3
7.5
8
12
15
16.3
20
25
31.5
35
50
72
80
90
100
125
200
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60、80、100
85、100
85、95、105
85、100、120、135
95、125、140
100、125、140
105、120、140
115、130、150
130～180
140～200
150、170、200
200、230、260
200～300
200～370
300～420
360～520
360～560
385～600
400～650
420～800
650～1100
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1296、697、446
705、510
881、706、578
1057、764、530、419
889、514
955、611、487
924、708、510
1155、904、679
1130～590
1059～519
1132、882、637
796、602、471
1003～446
1145～325
708～361
708～340
786～325
825～318
796～301
903～249
603～210
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(3)承受激冷激熱作用。穿孔針、模子和擠壓墊片等工具，工作時(shí)間和非工作時(shí)間的溫差，擠壓鋁合金時(shí)可達(dá)200～300℃以上。而在水冷模擠壓、穿孔擠壓時(shí)，工模具中的溫度梯度更大，變化更激烈。加之，工模具材料的傳熱能力較低，很可能在工模具中產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，使其工作條件更為惡化。在激冷激熱作用下，工模具極易產(chǎn)生微裂或熱疲勞裂紋。
(4)承受反復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用。在工作時(shí)間，工模具要承受很高的壓力，而在非工作時(shí)間里則突然卸載，應(yīng)力下降到零，而且，有的工具(如穿孔系統(tǒng)的工具)在擠壓過(guò)程中有時(shí)受壓，有時(shí)受拉，因此，工模具部件中的應(yīng)力狀態(tài)是極其復(fù)雜和極不穩(wěn)定的。在這種反復(fù)循環(huán)，拉壓交變的應(yīng)力作用下，工模具極易產(chǎn)生疲勞破壞。
(5)承受偏心載荷和沖擊載荷作用。在穿孔和擠壓時(shí)，特別在擠壓復(fù)雜斷面型材、空心型材、大直徑小內(nèi)孔的厚壁管材時(shí)，工模具內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，或引起很高的應(yīng)力集中。在細(xì)長(zhǎng)件、薄壁空心件(如實(shí)心和空心擠壓軸，穿孔針組件等)中，還會(huì)受到偏心載荷、沖擊載荷、扭曲和橫向彎曲應(yīng)力的作用。主應(yīng)力和這些附加應(yīng)力迭加，會(huì)形成很高的工作應(yīng)力。在這種復(fù)合應(yīng)力的作用下，工模具最易喪失其穩(wěn)定性、產(chǎn)生彎曲、扭斷或折斷。
(6)承受高溫高壓下的高摩擦作用。鋁合金在擠壓時(shí)的主要特點(diǎn)之一是極易與工模具表面產(chǎn)生“粘結(jié)”作用，即在高溫高壓作用下，合金中的V、Fe、Si等溶質(zhì)原子滲透到工模具表面層而產(chǎn)生焊合作用，在與高溫金屬直接接觸的擠壓筒內(nèi)套、穿孔針和模子等的表面粘附一層金屬。在高溫高壓作用下，這些粘附的金屬層不斷形成，又不斷被破壞，經(jīng)多次反復(fù)磨損，而引起工模具失效。
(7)承受局部應(yīng)力集中的作用。由于新產(chǎn)品形狀比較復(fù)雜，相應(yīng)的模具和工具(如扁擠壓筒、軸、舌模和平面分流組合模等)的形狀和結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因而在高溫高壓下容易產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，從而引起局部變形或局部壓塌。
總之，在穿孔或擠壓時(shí)，工模具的工作條件是十分惡劣的，引起其變形和損壞的因素也是錯(cuò)綜復(fù)雜的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮各種不利因素的影響，選擇合理的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行可靠的強(qiáng)度校核，規(guī)定合理的加工工藝和熱處理工藝，選擇合適的材料。
(4)承受反復(fù)循環(huán)應(yīng)力作用。在工作時(shí)間，工模具要承受很高的壓力，而在非工作時(shí)間里則突然卸載，應(yīng)力下降到零，而且，有的工具(如穿孔系統(tǒng)的工具)在擠壓過(guò)程中有時(shí)受壓，有時(shí)受拉，因此，工模具部件中的應(yīng)力狀態(tài)是極其復(fù)雜和極不穩(wěn)定的。在這種反復(fù)循環(huán)，拉壓交變的應(yīng)力作用下，工模具極易產(chǎn)生疲勞破壞。
(5)承受偏心載荷和沖擊載荷作用。在穿孔和擠壓時(shí)，特別在擠壓復(fù)雜斷面型材、空心型材、大直徑小內(nèi)孔的厚壁管材時(shí)，工模具內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，或引起很高的應(yīng)力集中。在細(xì)長(zhǎng)件、薄壁空心件(如實(shí)心和空心擠壓軸，穿孔針組件等)中，還會(huì)受到偏心載荷、沖擊載荷、扭曲和橫向彎曲應(yīng)力的作用。主應(yīng)力和這些附加應(yīng)力迭加，會(huì)形成很高的工作應(yīng)力。在這種復(fù)合應(yīng)力的作用下，工模具最易喪失其穩(wěn)定性、產(chǎn)生彎曲、扭斷或折斷。
(6)承受高溫高壓下的高摩擦作用。鋁合金在擠壓時(shí)的主要特點(diǎn)之一是極易與工模具表面產(chǎn)生“粘結(jié)”作用，即在高溫高壓作用下，合金中的V、Fe、Si等溶質(zhì)原子滲透到工模具表面層而產(chǎn)生焊合作用，在與高溫金屬直接接觸的擠壓筒內(nèi)套、穿孔針和模子等的表面粘附一層金屬。在高溫高壓作用下，這些粘附的金屬層不斷形成，又不斷被破壞，經(jīng)多次反復(fù)磨損，而引起工模具失效。
(7)承受局部應(yīng)力集中的作用。由于新產(chǎn)品形狀比較復(fù)雜，相應(yīng)的模具和工具(如扁擠壓筒、軸、舌模和平面分流組合模等)的形狀和結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因而在高溫高壓下容易產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，從而引起局部變形或局部壓塌。
總之，在穿孔或擠壓時(shí)，工模具的工作條件是十分惡劣的，引起其變形和損壞的因素也是錯(cuò)綜復(fù)雜的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮各種不利因素的影響，選擇合理的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行可靠的強(qiáng)度校核，規(guī)定合理的加工工藝和熱處理工藝，選擇合適的材料。
