大型鋁合金矩形管分流模結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進

祝志榮，傅潔瓊，鄧汝榮

（1.廣州城建職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣州510925；（2.廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)自動化工程學(xué)院，廣州510550）

0 前言

大型鋁合金矩形管型材在民用和工業(yè)中的使用已十分常見。但擠壓生產(chǎn)這類大規(guī)格型材的關(guān)鍵是擠壓用模具。由于這類型材的空腔面積大而使得模具的模芯尺寸比較大，在擠壓過程中模具中心的承壓面積大，產(chǎn)生的擠壓剛性區(qū)域大，因此所產(chǎn)生的變形抗力和高溫下的金屬摩擦力也很大，模具在高溫、高壓、高摩擦阻力和交變應(yīng)力的工作環(huán)境條件下會發(fā)生嚴重的變形，容易導(dǎo)致模具分流橋出現(xiàn)早期的斷裂，使模具過早失效而降低模具的壽命。另一方面，這類型材的壁厚通常比較薄，型材的最大寬厚比常常超過100，導(dǎo)致擠壓的變形程度增加，擠壓過程中的擠壓力偏高，模具承受的壓力增加從而降低模具的強度。因此，如何提高大型扁管型材的模具壽命引起了行業(yè)廣大工程技術(shù)人員的關(guān)注。本文通過具體例子，通過探究新的模具結(jié)構(gòu)，達到降低擠壓過程中的擠壓力的目的，從而明顯提高模具的強度。而且新的模具結(jié)構(gòu)具有加工簡便、適用范圍廣的特點，可供同行參考。

1 模具結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)

圖1 所示是斷面外形尺寸為215 mm×115 mm的大型扁管鋁型材，其壁厚為3.0 mm。這是一種常見的管類型材，其最大寬厚比為71.7。通常選用能力為40 MN的擠壓機進行生產(chǎn)，擠壓機的擠壓筒內(nèi)徑尺寸為? 330 mm。經(jīng)計算，擠壓比為44。

圖1 型材斷面圖

圖2 傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)主要特點包括：

（1）模具是由通常的上下模兩件組成的分流組合模。

（2）上模采用了6 個分流孔的金屬進料方式，分流比為14.6。

（3）上模中間分流橋相對外側(cè)4 個角部的分流橋要窄，而且采用了出料端沉橋的方式。

（4）上下模厚度分別為280 mm 和140 mm，模具的外形尺寸規(guī)格為? 480 mm×420 mm。

（5）上模外側(cè)分流孔采用了寬展結(jié)構(gòu)。

（6）上模6 個分流橋均采用了入料口倒橋的方式，其作用是為了改變分流橋斷面中心層位置，降低分流橋的拉應(yīng)力。

（7）在擠壓過程中，實踐數(shù)據(jù)表明，擠壓力的最大峰值可達200 MPa，而且型材的壁厚與模具的上下模配合間隙存在較大的差異，特別是型材兩側(cè)邊的壁厚，最大差值達0.25 mm。這說明，在擠壓過程中模具發(fā)生了較大的彈性變形。

（8）模具的使用壽命短。通過對10套模具的使用統(tǒng)計，最大壽命為20×103kg，最小為16.3×103kg。

（9）模具失效的主要形式為分流橋發(fā)生斷裂。通過對擠壓過程和模具結(jié)構(gòu)進行分析可知，該型材在能力為40 MN的擠壓機上進行生產(chǎn)，擠壓比為44，其變形程度并不大，是一個比較合適的擠壓系數(shù)。傳統(tǒng)模具采用的是分流孔和分流橋結(jié)構(gòu)，雖然分流橋?qū)︿X棒金屬有剪切的作用，使金屬分成幾股進入分流孔，但每個分流橋仍然受到金屬的作用力，而且每個分流橋受到的最大作用力在同一時間出現(xiàn)，這些力的疊加會使整個上模受到的壓力達到最大值。同時，由于模具的中心部位受壓面積大，會形成較大的金屬變形剛性區(qū)或死區(qū)，將極大提高金屬在擠壓變形過程中的變形抗力，導(dǎo)致擠壓力急劇上升。另外，為了保證模具的強度，傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)中上模的厚度取得相當(dāng)厚。這樣的弊處在于：一方面，上模過厚，金屬的流道很長，使上模承受最大壓力的時間延長，產(chǎn)生的拉壓交變應(yīng)力會大幅增加；另一方面，上模過厚，增加了模具的加工難度，形成局部應(yīng)力集中的可能性增加。同時厚度過大，降低了模具在熱處理過程中的淬透性，會降低模具的韌性，特別是內(nèi)部中心處的沖擊韌性值。其結(jié)果是擠壓力和模具承受力均增加而模具強度降低。

1.2 改進和優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)的中心剛性區(qū)域面積大，使分流橋承受壓的峰值在同一時間出現(xiàn)而導(dǎo)致擠壓力偏高使得模具過早失效，因此對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

改進后模具結(jié)構(gòu)的主要特征如下：

（1）采用有別于傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)，采用三件式分流模結(jié)構(gòu)，在上模的進料口前端加設(shè)一件分流板。金屬首先進入前置的分流板對金屬進行預(yù)分配，充分利用分流板對金屬的預(yù)分配功能，使金屬可以采用較大的分流比進入分流板并在分流板內(nèi)經(jīng)多次較大的分流比進行多次金屬預(yù)分配，形成階梯式的分流進料方式，這樣可以大大降低擠壓力。另外，可以使上模的厚度減小，降低模具的加工難度和提高模具在熱處理中的淬透性。這些都將有利于模具強度的提高。分流板上模及下模的外形尺寸規(guī)格分別為? 480 mm×160 mm、? 480 mm×140 mm、? 480 mm×120 mm。

圖3 改進后的模具結(jié)構(gòu)

（2）采用階梯式的分流入料方式。金屬首先進入分流板，受到分流板的分流孔外邊緣的剪切后以一股金屬進入分流孔，金屬向前流動30 mm后接觸第一級分流橋，此分流橋?qū)︿X流進行第二次剪切，金屬分成二股在分流板內(nèi)繼續(xù)向前流動。這二股金屬向前流動60 mm后，將各自接觸第二級分流橋而受到第三次剪切后分別形成二股金屬。至此，經(jīng)過二次分流后，金屬最終形成四股進入上模的分流孔中。

這樣的好處在于，從一股金屬變成四股金屬，相比傳統(tǒng)的僅采用上模而言，分流比可以依次取得較大并形成一定的梯度，使得分流橋承受的壓力同樣可形成一定的梯度，其結(jié)果是分流橋承受的最大擠壓力的峰值不同時出現(xiàn)，從而避免了擠壓力最大峰值的形成；另一方面，這樣的階梯式分流入料方式可有效減小模具中心部位的剛性區(qū)域從而降低擠壓過程中金屬的變形抗力。最終大大降低了分流橋的承壓力，提高了模具的強度。分流板金屬分流方式如圖4 所示，金屬依次由（a）、（b）、（c）、（d）分流。

圖4 分流板金屬分流方式

三次的分流比分別為32.6、26.3 和23.6，分別為擠壓比的74%、59.7%和53.6%。由此可見，分流比與傳統(tǒng)的設(shè)計相比有了很大的提高，因而可大大降低擠壓力。

（3）上模采用了6 個分流孔，這說明從分流板的四股金屬進入上模后又將形成6股金屬。從模具結(jié)構(gòu)可以看出，分流板的二股金屬將各自變成上模的三股金屬，這一過程將使金屬發(fā)生重新焊合和熔合以及局部的重新分流。這樣的好處在于，一方面可以保證模孔中金屬難于成型部位的金屬供應(yīng)充分，使各處的金屬流速容易趨于一致，從而確保型材的精度要求。同時，金屬由四股變成六股，更符合金屬分配后與型材形狀的相似性，使金屬的分配變得更加合理。另一方面，由于采用了分流板，增加了分流比，在上模6個分流孔的情況下，最終的分流比為23.5，為擠壓比的53.4%，比傳統(tǒng)的分流比有明顯的增加。

（4）為了減小上模在擠壓過程中的彈性變形，保持型材壁厚的均勻性，應(yīng)盡可能減少上模中心部位的承壓力。因此，應(yīng)當(dāng)讓分流板承受大部分的擠壓力，同時分流板中心部位發(fā)生的撓曲或彈性變形盡可能小地傳遞到上模而影響上模。所以，在分流板和上模的接觸面設(shè)置應(yīng)力間隙。經(jīng)驗值表明，應(yīng)力間隙取1.0～1.5 mm或型材壁厚的1/3 mm～1/2 mm 較合適，而且間隙取在分流板上也便于加工。分流板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分流板結(jié)構(gòu)示意圖

（5）分流板和上模的分流孔均采用了寬展方式。一方面可充分發(fā)揮擠壓機的潛能；另一方面可以保證下模焊合室具有足夠的金屬熔體，保證擠壓的焊合性能。同時為了提高模具在熱處理過程中的淬透性，在分流板中心部位和上模模芯上分別開設(shè)了1 個工藝孔，工藝孔的直徑為30 mm，深度為60 mm。上模結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 上模結(jié)構(gòu)示意圖

（6）下模工作帶的選擇沿用了傳統(tǒng)的方式，但由于型材的寬厚比較大，要考慮擠壓機在擠壓筒徑向上存在的壓力梯度。因此，為了保證各處金屬的流速趨于一致，在?？椎拈L度和寬度中心部位設(shè)置了阻流塊，阻流塊高度為5 mm，寬度為6 mm。下模焊合室及工作帶如圖7所示。

圖7 下模焊合室與工作帶示意圖

2 結(jié)束語

對規(guī)格為215 mm×115 mm×3.0 mmm 大型扁管鋁型材擠壓模具進行了結(jié)構(gòu)改進與優(yōu)化。實踐表明，模具壽命顯著提高，優(yōu)化效果明顯。由此可以充分說明，對于大斷面型材的擠壓模具，模具結(jié)構(gòu)的選擇、分流孔的結(jié)構(gòu)、降低擠壓力方式等是相當(dāng)關(guān)鍵的。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)是有效提高模具壽命的關(guān)鍵和重要環(huán)節(jié)。上述提出的結(jié)構(gòu)對于其它大斷面型材具有借鑒和參考作用。