6063铝合金壳体系列毛坯冷挤压工艺研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
签名： 日
导师签名： 日 期：
期：
南昌航空大学硕士学位论文
第一章
绪论
第一章 绪论
１．１ 课题的来源和意义
某工厂的传感器成套壳体的原生产工艺， 采用的是铝合金棒料直接车削加工 的成形方法，材料利用率低，生产周期长，由于采用的 2024 铝合金材质问题， 生产出的产品在进行无色阳极氧化时候出现很多黑斑等缺陷。导致合格率不足 60％，针对以上情况，提出在不改变使用性能的前提下选用合适的替代材料，在 保证使用性能的前提下，采用新工艺降低制造成本，提高成品合格率。 针对厂家提出要求，结合市场情况和材料性能拟采用 6063 铝合金代替原 2024。由于 6063 的阳极氧化性能比 2024 好的多。而且挤压后的 6063 的切削性 能也有大幅度的提高。无色阳极氧化膜不仅能够起到绝缘的作用，同时也可以弥 补冷挤压后的抗腐蚀能力降低的缺陷。6063 铝合金冷挤压性能很好，采用冷挤 压不仅仅可以提高生产效率、原材料利用率也由原来的 38%提高到了 93%，同 时由于 2024 每吨超出了 6063 近 4000 元的价格，也在生产成本方面让企业提高 了市场竞争力。另外 6063 采用冷挤压后，产品的强度也比原有 2024 材料有所提 高，加工性能也有所提高。 利用理论分析、有限元模拟和试验研究，掌握铝合金 6063 和 6A02 的挤压 变形规律，优化工艺参数，指导冷挤压生产中的模具设计和工艺设计，对提高模 具寿命和挤压件成形质量将有重要的实际意义。
Keywords : Cold Extrusion; Aluminum Alloy; Orthogonal Experiment; Finite Element Simulation; Mold Design
IV
南昌航空大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明： 所呈交的硕士学位论文， 是我个人在导师指导下， 在南昌航空大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确地说明并表示了谢意。本声明的法律结果将完全由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期：
南昌航空大学 硕士学位论文 6063铝合金壳体系列毛坯冷挤压工艺研究 姓名：王孝文 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：王家宣 20070601
摘要
本文对铝合金 6063 的冷挤压工艺进行了研究，研究了模具表面粗糙度、冷 挤压速度、润滑剂种类、挤压材料状态四个工艺参数对冷挤压工艺的影响，通过 正交实验优化了铝合金 6063 的冷挤压工艺参数。此外利用有限元模拟软件 DEFORM 对铝合金 6063 冷挤压过程进行模拟，通过和实验结果相比较获得逼近 实际的边界条件参数， 利用验证的边界条件进一步对传感器壳体和螺塞盖的挤压 工艺进行模拟，分析成形过程中可能产生缺陷的因素，确定了成形工艺方案。 实验结果表明：铝合金 6063 冷挤压的最佳工艺方案为：快速退火的热处理 工艺方案，HB32 左右的挤压材料硬度，选用硬脂酸锌润滑剂，同时要求模具表 面硬度为 HRC60~62,表面粗糙度在 Ra0.4 。这种情况下冷挤压力最小，材料表面 润滑情况最好。 对于杯－杯状的具有阶梯孔的传感器壳体和杯－杆状的螺塞盖，利用实验所 得优化挤压参数等数据和有限元模拟相比较，得到合理的有限元分析边界条件， 分析出产品挤压力和挤压过程中可能出现的工艺问题，并找到解决方案。由模拟 数值和理论计算相比较分析理论计算出现误差的原因。 利用实验和有限元模拟为理论设计提供了更加符合实际工程应用的依据，测 得的挤压力和实际挤压力相差为 0.7%，保证了模具的经济性和安全性，采用通 用模具结构设计，简化了设计工作量，节约了模具成本。本研究结果可以用来指 导实际生产。
１．２ 挤压成形工艺的概述和发展现状
１．２．１ 挤压工艺概述 ［１～５］
挤压工艺，是指将金属毛坯放入预留有孔隙的模具模腔内，在强大的压力和 一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有 一定力学性能挤压件的一种压力加工成形方法。挤压技术作为一种高效、优质、 低消耗的少无切削加工工艺，在金属材料的塑性加工中获得了迅速发展，目前在
1
南昌航空大学硕士学位论文
第一章
绪论
机械、轻工、民用、宇航、军工、电器等部门中的应用日益广泛，己成为塑性加 工技术中不可缺少的重要加工手段之一。 挤压成形工艺有多种分类方法。按照毛坯温度的不同，可分为冷挤压、温挤 压和热挤压；按照毛坯材料种类的不同，可分为有色金属挤压和黑色金属挤压； 按照挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系的不同，可分为正挤压、反 挤压、复合挤压、墩挤、减径挤压和径向挤压。通常我们所说的挤压成形工艺是 指正挤压、反挤压和复合挤压三种方式。冷挤压与切削、热锻、粉末冶金及铸造 相比，一般认为具有以下主要优点[2]： （1） 节约原材料:冷挤压技术是一种先进的塑性成形工艺，它在不破坏金 属的前提下，使金属体积做出塑性转移，获得余量小或无余量的挤压件,利用率 可以达 70%～90%，这是一般的金属切削加工所无法比拟的。随着时代的发展， 不仅要求高质量、高生产效率、低成本，而且对节材、节能、环保提出了更高的 要求，还要求不断改善材料的加工性能，优化设计和分析改进设备及工艺。因此 少、无切削加工工艺获得了很大的发展，锻压技术也突破了生产毛坯的范畴，净 成形和近净成形技术得到了很快的发展。 （2） 提高生产效率：冷挤压是在压力机上进行的，压力机的一次行程就可 以完成一道甚至多道工序，因此与切削加工相比，生产率可以大幅度提高，生产 成本可大幅度降低。 （3） 提高零件的力学性能： 在冷挤压中， 金属材料处于三向压应力作用下， 挤压后金属材料的组织更加密实，金属流线沿着挤压件轮廓连续分布；同时，由 于冷挤压 产生加工硬化的特性，使冷挤压件的强度大为提高，从而提供了用低 强度钢代替高强度钢的可能性。 （4） 可以获得较高尺寸精度和较低表面粗糙度的零件：在冷塑性成形过程 中，金属表面在高压下受到形腔光滑表面的熨平，零件的表面粗糙度很小。冷挤 压零件的精度可达到 IT7～ IT8 级，冷挤压批量生产模数为 4 左右的行星齿轮， 齿形精度达到 7 级以上，表面粗糙度可达 Ra0.2～1.6。因此，冷挤压件成形面一 般很少再需切削加工，只对要求特别高之处进行精磨。冷锻成形工艺生产效率比 切削加工要提高几倍到几十倍，如花键轴一次冷挤压时间只需 5～10s 。 （5） 可以降低零件的制造成本：由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生 产率、减少零件的切削加工量、可利用材料的加工硬化特性提高其使用性能，从 而使零件总体成本大大降低。 冷挤压技术的难点也是公认的： （1） 对模具要求高。冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显
2
［２］
南昌航空大学硕士学位论文
第一章
绪论
著增大，这使模具所受的应力远远比一般冲压模大。冷挤压钢时，模具所受的应 力常达 2000MPa～2500MPa。模具除需要具有高强度以外，还需有足够的冲击韧 性和耐磨性。此外，金属毛坯在模具中强烈的塑性变形，会使模具温度升高至 250º C～300º C 左右，因而模具材料需有一定的回火稳定性。且通常都将凹模设 计成二到三层的预应力组合凹模。由于上述情况，冷挤压模具的寿命远低于冲压 模。要使冷挤压工艺进一步推广，必须从模具结构设计，模具材料选用及模具制 造工艺等方面提高模具的寿命。 （2） 单位挤压力大，需有大吨位的压力机。冷挤压时单位挤压力达到毛坯 材料强度极限的 4～6 倍甚至更高，变形程度更大，有的可达到 80%～90%.需用 数百吨甚至几千吨的压力机。 （3） 由于冷挤压的模具成本高，更适用于大批量的生产零件。 （4） 对于硬度较高的毛坯在挤压前需进行软化退火和表面磷化等表面处 理。这不但增加了工序，需占用较大的生产面积，而且难于使生产自动化。 （5） 难适用于高强度材料加工。 （6） 冷挤压零件的塑性、冲击韧性差，而且零件的残余应力大，这会引起 零件的变形和耐腐蚀性降低（产生应力腐蚀） 。
关键词 ：冷挤压；铝合金；正交实验；有限元模拟；模具设计
III
ABSTRACT
This paper has studied cold extrusion process of aluminum alloy 6063 in factors of mold surfa ce roughness, extrusion speed, lubricant type, and materials heat treatment. Optimized Al-6063 cold extrusions process parameter through the orthogonal experiment. Moreover simulated the course of Al-6063 cold extrusion using finite element simulation software DEFORM, obtains the actual boundary condition parameter through comparison with the outcome of test by the result of simulation. Further more carried the simulation on the sensor shell and the thread plug cold extrusion, analyzed influence factor in the process of shaping, finally determined the process plan. The orthogonal experiment indicated that: Al-6063 cold extrusion’ s best heat treatment way is rapid annealing, degree of hardness is HB32, and the mold surface roughness is better in the Ra0.4 in case of lubrication. Using the experiment and the finite element simulation obtained the data that even more approach the actual project or theoretical design. As can be proved by the 0.7% difference between the actual press and the simulation result .Which guaranteed the mold efficiency and the security.
南昌航空大学硕士学位论文使用授权书
本论文的研究成果归南昌航空工业学院所有， 本论文的研究内容 不得以其它单位的名义发表。本人完全了解南昌航空大学关于保存、 使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。
１．２．２ 挤压工艺的发展趋势
（1） 冷挤压技术的发展概况 挤压技术的发展由来己久。冷挤压技术开始于 18 世纪末,法、英、美、德等 国家在软质有色金属零部件生产中的应用。第一次世界大战时，黑色金属冷挤压 技术的研究尚未走出实验室。第二次世界大战时，德国人成功地采用冷挤压方法 大批量生产钢弹壳，将冷挤压技术应用于战场， 引起了整个世界战场的极大的 震惊。二战一结束，美国就聘用德国专家更加深入的研究钢的冷挤压，并大规模 的开办了用冷挤压法生产弹壳和弹体的军工厂。战后较长的和平时期内，冷挤压 术的应用开始由军事工业转向民用工业。1957 年，日本引进第一台专用冷挤压 力机，首先将冷挤压加工应用于钟表等精密仪器工业。由于这种技术的经济效益 极其显著， 不久， 便在大批量生产的汽车和电器等工业部门中得到了广泛的应用。 现在已成为一种极其重要的加工手段遍及于各个工业部门
导师签名： 日 期：
期：
南昌航空大学硕士学位论文
第一章
绪论
第一章 绪论
１．１ 课题的来源和意义
某工厂的传感器成套壳体的原生产工艺， 采用的是铝合金棒料直接车削加工 的成形方法，材料利用率低，生产周期长，由于采用的 2024 铝合金材质问题， 生产出的产品在进行无色阳极氧化时候出现很多黑斑等缺陷。导致合格率不足 60％，针对以上情况，提出在不改变使用性能的前提下选用合适的替代材料，在 保证使用性能的前提下，采用新工艺降低制造成本，提高成品合格率。 针对厂家提出要求，结合市场情况和材料性能拟采用 6063 铝合金代替原 2024。由于 6063 的阳极氧化性能比 2024 好的多。而且挤压后的 6063 的切削性 能也有大幅度的提高。无色阳极氧化膜不仅能够起到绝缘的作用，同时也可以弥 补冷挤压后的抗腐蚀能力降低的缺陷。6063 铝合金冷挤压性能很好，采用冷挤 压不仅仅可以提高生产效率、原材料利用率也由原来的 38%提高到了 93%，同 时由于 2024 每吨超出了 6063 近 4000 元的价格，也在生产成本方面让企业提高 了市场竞争力。另外 6063 采用冷挤压后，产品的强度也比原有 2024 材料有所提 高，加工性能也有所提高。 利用理论分析、有限元模拟和试验研究，掌握铝合金 6063 和 6A02 的挤压 变形规律，优化工艺参数，指导冷挤压生产中的模具设计和工艺设计，对提高模 具寿命和挤压件成形质量将有重要的实际意义。
Keywords : Cold Extrusion; Aluminum Alloy; Orthogonal Experiment; Finite Element Simulation; Mold Design
IV
南昌航空大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明： 所呈交的硕士学位论文， 是我个人在导师指导下， 在南昌航空大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确地说明并表示了谢意。本声明的法律结果将完全由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期：
南昌航空大学 硕士学位论文 6063铝合金壳体系列毛坯冷挤压工艺研究 姓名：王孝文 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：王家宣 20070601
摘要
本文对铝合金 6063 的冷挤压工艺进行了研究，研究了模具表面粗糙度、冷 挤压速度、润滑剂种类、挤压材料状态四个工艺参数对冷挤压工艺的影响，通过 正交实验优化了铝合金 6063 的冷挤压工艺参数。此外利用有限元模拟软件 DEFORM 对铝合金 6063 冷挤压过程进行模拟，通过和实验结果相比较获得逼近 实际的边界条件参数， 利用验证的边界条件进一步对传感器壳体和螺塞盖的挤压 工艺进行模拟，分析成形过程中可能产生缺陷的因素，确定了成形工艺方案。 实验结果表明：铝合金 6063 冷挤压的最佳工艺方案为：快速退火的热处理 工艺方案，HB32 左右的挤压材料硬度，选用硬脂酸锌润滑剂，同时要求模具表 面硬度为 HRC60~62,表面粗糙度在 Ra0.4 。这种情况下冷挤压力最小，材料表面 润滑情况最好。 对于杯－杯状的具有阶梯孔的传感器壳体和杯－杆状的螺塞盖，利用实验所 得优化挤压参数等数据和有限元模拟相比较，得到合理的有限元分析边界条件， 分析出产品挤压力和挤压过程中可能出现的工艺问题，并找到解决方案。由模拟 数值和理论计算相比较分析理论计算出现误差的原因。 利用实验和有限元模拟为理论设计提供了更加符合实际工程应用的依据，测 得的挤压力和实际挤压力相差为 0.7%，保证了模具的经济性和安全性，采用通 用模具结构设计，简化了设计工作量，节约了模具成本。本研究结果可以用来指 导实际生产。
１．２ 挤压成形工艺的概述和发展现状
１．２．１ 挤压工艺概述 ［１～５］
挤压工艺，是指将金属毛坯放入预留有孔隙的模具模腔内，在强大的压力和 一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有 一定力学性能挤压件的一种压力加工成形方法。挤压技术作为一种高效、优质、 低消耗的少无切削加工工艺，在金属材料的塑性加工中获得了迅速发展，目前在
1
南昌航空大学硕士学位论文
第一章
绪论
机械、轻工、民用、宇航、军工、电器等部门中的应用日益广泛，己成为塑性加 工技术中不可缺少的重要加工手段之一。 挤压成形工艺有多种分类方法。按照毛坯温度的不同，可分为冷挤压、温挤 压和热挤压；按照毛坯材料种类的不同，可分为有色金属挤压和黑色金属挤压； 按照挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系的不同，可分为正挤压、反 挤压、复合挤压、墩挤、减径挤压和径向挤压。通常我们所说的挤压成形工艺是 指正挤压、反挤压和复合挤压三种方式。冷挤压与切削、热锻、粉末冶金及铸造 相比，一般认为具有以下主要优点[2]： （1） 节约原材料:冷挤压技术是一种先进的塑性成形工艺，它在不破坏金 属的前提下，使金属体积做出塑性转移，获得余量小或无余量的挤压件,利用率 可以达 70%～90%，这是一般的金属切削加工所无法比拟的。随着时代的发展， 不仅要求高质量、高生产效率、低成本，而且对节材、节能、环保提出了更高的 要求，还要求不断改善材料的加工性能，优化设计和分析改进设备及工艺。因此 少、无切削加工工艺获得了很大的发展，锻压技术也突破了生产毛坯的范畴，净 成形和近净成形技术得到了很快的发展。 （2） 提高生产效率：冷挤压是在压力机上进行的，压力机的一次行程就可 以完成一道甚至多道工序，因此与切削加工相比，生产率可以大幅度提高，生产 成本可大幅度降低。 （3） 提高零件的力学性能： 在冷挤压中， 金属材料处于三向压应力作用下， 挤压后金属材料的组织更加密实，金属流线沿着挤压件轮廓连续分布；同时，由 于冷挤压 产生加工硬化的特性，使冷挤压件的强度大为提高，从而提供了用低 强度钢代替高强度钢的可能性。 （4） 可以获得较高尺寸精度和较低表面粗糙度的零件：在冷塑性成形过程 中，金属表面在高压下受到形腔光滑表面的熨平，零件的表面粗糙度很小。冷挤 压零件的精度可达到 IT7～ IT8 级，冷挤压批量生产模数为 4 左右的行星齿轮， 齿形精度达到 7 级以上，表面粗糙度可达 Ra0.2～1.6。因此，冷挤压件成形面一 般很少再需切削加工，只对要求特别高之处进行精磨。冷锻成形工艺生产效率比 切削加工要提高几倍到几十倍，如花键轴一次冷挤压时间只需 5～10s 。 （5） 可以降低零件的制造成本：由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生 产率、减少零件的切削加工量、可利用材料的加工硬化特性提高其使用性能，从 而使零件总体成本大大降低。 冷挤压技术的难点也是公认的： （1） 对模具要求高。冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显
2
［２］
南昌航空大学硕士学位论文
第一章
绪论
著增大，这使模具所受的应力远远比一般冲压模大。冷挤压钢时，模具所受的应 力常达 2000MPa～2500MPa。模具除需要具有高强度以外，还需有足够的冲击韧 性和耐磨性。此外，金属毛坯在模具中强烈的塑性变形，会使模具温度升高至 250º C～300º C 左右，因而模具材料需有一定的回火稳定性。且通常都将凹模设 计成二到三层的预应力组合凹模。由于上述情况，冷挤压模具的寿命远低于冲压 模。要使冷挤压工艺进一步推广，必须从模具结构设计，模具材料选用及模具制 造工艺等方面提高模具的寿命。 （2） 单位挤压力大，需有大吨位的压力机。冷挤压时单位挤压力达到毛坯 材料强度极限的 4～6 倍甚至更高，变形程度更大，有的可达到 80%～90%.需用 数百吨甚至几千吨的压力机。 （3） 由于冷挤压的模具成本高，更适用于大批量的生产零件。 （4） 对于硬度较高的毛坯在挤压前需进行软化退火和表面磷化等表面处 理。这不但增加了工序，需占用较大的生产面积，而且难于使生产自动化。 （5） 难适用于高强度材料加工。 （6） 冷挤压零件的塑性、冲击韧性差，而且零件的残余应力大，这会引起 零件的变形和耐腐蚀性降低（产生应力腐蚀） 。
关键词 ：冷挤压；铝合金；正交实验；有限元模拟；模具设计
III
ABSTRACT
This paper has studied cold extrusion process of aluminum alloy 6063 in factors of mold surfa ce roughness, extrusion speed, lubricant type, and materials heat treatment. Optimized Al-6063 cold extrusions process parameter through the orthogonal experiment. Moreover simulated the course of Al-6063 cold extrusion using finite element simulation software DEFORM, obtains the actual boundary condition parameter through comparison with the outcome of test by the result of simulation. Further more carried the simulation on the sensor shell and the thread plug cold extrusion, analyzed influence factor in the process of shaping, finally determined the process plan. The orthogonal experiment indicated that: Al-6063 cold extrusion’ s best heat treatment way is rapid annealing, degree of hardness is HB32, and the mold surface roughness is better in the Ra0.4 in case of lubrication. Using the experiment and the finite element simulation obtained the data that even more approach the actual project or theoretical design. As can be proved by the 0.7% difference between the actual press and the simulation result .Which guaranteed the mold efficiency and the security.
南昌航空大学硕士学位论文使用授权书
本论文的研究成果归南昌航空工业学院所有， 本论文的研究内容 不得以其它单位的名义发表。本人完全了解南昌航空大学关于保存、 使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。
１．２．２ 挤压工艺的发展趋势
（1） 冷挤压技术的发展概况 挤压技术的发展由来己久。冷挤压技术开始于 18 世纪末,法、英、美、德等 国家在软质有色金属零部件生产中的应用。第一次世界大战时，黑色金属冷挤压 技术的研究尚未走出实验室。第二次世界大战时，德国人成功地采用冷挤压方法 大批量生产钢弹壳，将冷挤压技术应用于战场， 引起了整个世界战场的极大的 震惊。二战一结束，美国就聘用德国专家更加深入的研究钢的冷挤压，并大规模 的开办了用冷挤压法生产弹壳和弹体的军工厂。战后较长的和平时期内，冷挤压 术的应用开始由军事工业转向民用工业。1957 年，日本引进第一台专用冷挤压 力机，首先将冷挤压加工应用于钟表等精密仪器工业。由于这种技术的经济效益 极其显著， 不久， 便在大批量生产的汽车和电器等工业部门中得到了广泛的应用。 现在已成为一种极其重要的加工手段遍及于各个工业部门