用铝合金5056热挤压导体零件

GXF360 2017-12-24

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摘要：介绍了用铝合金5056热挤压导体零件及其模具设计和工艺制订试验过程，最终所制挤压件用材仅为原工艺40%，力学性能及显微组织都大幅超过相关标准。

关键词：热挤压；铝合金；导体

导体零件如图1所示，该零件是国外某客户用于电力系统上的重要零件。以前客户采用规格尺寸φ110mm×310mm的5056铝棒直接机械加工而成。

5056铝合金名义成分为含5%Mg的防锈铝合金，不可热处理强化，其密度为2.64g/cm3，原用φ110mm×310mm重量为7.8kg铝棒车削而成，成品导体零件重量为2.20kg。由此可知，用铝棒通过机械加工而成的方法既浪费大量的原材料，又需花费大量的加工时间，而且质量又不好，总体制作成本极为高昂，必须寻求新的工艺方法降低制作成本。

用铸造加机械加工的方法成形容易，并可节约用料和机械加工时间，但气孔、夹杂、组织疏松等铸造缺陷难以避免。而采用锻造成形加机械加工的方法既可避免铸造缺陷又能有效降低总体制作成本，并获得满意的纤维流线和等轴细晶组织。

1. 锻造工艺分析

导体零件锻件设计如图2所示，该锻件理论重量为2.8kg，头部与杆部的截面相差7.3倍、体积相差3倍（杆部重量仅0.7kg），用≥φ110mm的铝棒难以拔长锻造，用φ45mm左右的铝棒又由于长径比太大而无法聚料镦粗头部，因此，考虑采用热挤压锻造成形工艺。

2. 热挤压锻造工艺验证

考虑到热挤压锻造时坯料容易定位，选取φ92mm铝棒，另外为防止因挤压成形时杆部端面不易平整造成加工余量不足而报废，铝棒的下料重量选取2.9kg。

5056铝合金的（锻造）热加工温度为315～480℃，实际选取（475±5）℃，锻压设备为10MN电动螺旋压力机。

图1 导体零件

（1）初始验证由于锻件截面差异巨大，热挤压时摩擦阻力很大，成形难度较大。为减少摩擦阻力便于成形，设计了如图3所示的热挤压工艺试验模具结构。

坯料按规定的加热温度加热并保温2.5h，模具预热温度为400℃，设备打击能量设定为35%，上下模具打击行程为540mm。实际试锻导体尺寸符合锻件图样要求，表面无裂纹或折叠等锻造缺陷。

试验结果表明该导体锻件的热挤压成形工艺方案可行，但由于导体锻件的杆部大部分伸出模具成自由状态而无法顶出模具取出锻件，因此，必须解决导体锻件从模具中取出和可能出现挤压时杆部弯曲的问题。

（2）量产锻造验证重新设计的热挤压工艺模具结构如图4所示，下模采用可分结构的内模和套筒式顶杆。热挤压成形时孔径略大于杆部（可分模底部）直径的套筒式顶杆既可使导体锻件的杆部易于挤入套筒式顶杆内，又可起导向作用，防止挤压时杆部弯曲现象的发生。导体热挤压成形结束后由套筒式顶杆将可分内模顶出分离，便于专用夹钳将导体锻件从下模取出。

上述工艺顺利地进行了小批量热挤压导体锻件的生产，但发现部分导体锻件的杆部有纵向裂纹，最大深度4～5mm，个别导体锻件的杆部还有横向撕裂纹。因这两种缺陷而报废的导体锻件比例约15%，因此该热挤压工艺模具结构未获得完全成功，必须进行改进，消除这两种缺陷。

（3）模具结构改进及实践验证导体锻件杆部纵向裂纹和横向撕裂纹产生的主要原因是，在热挤压过程中因可分内模底部的分模面未完全贴合而形成的类似刀口切割和坯料挤出杆部时截面变化过大、变形剧烈两个因素共同作用的结果。为消除这两个缺陷，分别从两方面进行了改进设计。

首先对导体锻件形状进行了修正，加大了导体头部到杆部的过渡圆弧，使热挤压时截面变化趋缓、变形顺畅，如图5所示。新设计导体锻件的理论重量为3.05kg，下料重量定为3.15kg。

其次，再次重新设计了热挤压工艺模具结构，如图6所示，下模改为整体式，热挤压成形后的导体锻件通过普通顶杆直接顶出模具，取出锻件。

由于整体式下模完全包裹住成形后的导体锻件杆部，一方面造成热挤压成形时摩擦阻力剧增，另一方面因合模高度增加造成上下模打击行程缩短，因此改进后的热挤压成形工艺参数做如下调整：设备打击能量改为60%，打击行程改为420mm。