半空心鋁型材一模四孔保護(hù)式分流模結(jié)構(gòu)

黃雪梅，蔡浩欽，呂裕鋒

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣州510550）

0 前言

一模多孔擠壓工藝在我國(guó)方興未艾，特別近幾年來(lái)，廣大專(zhuān)家、學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究和探索。一模四孔擠壓模是針對(duì)半空心型材而設(shè)計(jì)的一款一模多孔擠壓結(jié)構(gòu)，可在一套模具中同時(shí)同步擠出4根相同型材。這種模具是在擠壓機(jī)裝備趨于大型化條件下充分利用和發(fā)揮擠壓機(jī)的潛能而大幅度提高擠壓機(jī)效率的一種結(jié)構(gòu)改良，更是一種節(jié)能、節(jié)地、節(jié)約成本的新型技術(shù)[1]。當(dāng)今行業(yè)的一模四孔擠壓模主要是針對(duì)空心型材，針對(duì)半空心型材的一模四孔擠壓模卻鮮見(jiàn)。而半空心型材是實(shí)踐中常見(jiàn)的產(chǎn)品，可有效緩解“小機(jī)吃不完，大機(jī)吃不飽”的結(jié)構(gòu)性矛盾，采用一模四孔甚至一模更多的孔數(shù)是有必要的。本文結(jié)合實(shí)際例子，介紹一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)半空心型材而采用的一模四孔保護(hù)式分流模結(jié)構(gòu)，供同行參考，同時(shí)也為企業(yè)淘汰產(chǎn)能落后的小型機(jī)臺(tái)提供思路和方法參考。

1 型材斷面分析與模具結(jié)構(gòu)

圖1所示為一款典型民用建筑門(mén)窗型材。其斷面面積為291 mm2，斷面形狀具有對(duì)稱(chēng)性，含有窄長(zhǎng)懸臂的半空心部位和完全閉合的空心部位。在擠壓中，半空心部位的懸臂是最危險(xiǎn)的，極容易發(fā)生斷裂，從而造成模具提前失效。因此，模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是針對(duì)半空心部位[1]。

圖1 型材斷面示意圖

采用一模多孔模是需要經(jīng)過(guò)計(jì)算和對(duì)比來(lái)確定的。一方面要綜合考慮實(shí)現(xiàn)擠壓的設(shè)備條件、設(shè)備的效率和成品率。這里要注意的是，采用的機(jī)型越大可采用的模孔數(shù)可以越多，設(shè)備的效率會(huì)越高，成本越低，但成品率會(huì)相應(yīng)降低；另一方面必須考慮模具設(shè)計(jì)與制造難度以確保擠壓的同步性和可操作性。綜合考慮，以擠壓系數(shù)在60～80 范圍內(nèi)、一模四孔較為合適。

在一模四孔中，由于模芯的增加，無(wú)法實(shí)現(xiàn)像單孔模一樣將模芯置于擠壓筒的中心區(qū)域并使模芯的受力在四周處于平衡狀態(tài)。因此，這種模具的模芯會(huì)受到壓力差形成的附加力的作用，在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生彈性偏移，因而容易產(chǎn)生拉絲、起筋、壁厚偏差嚴(yán)重等問(wèn)題[2]。同時(shí)，模芯的增加也增加了制造難度和誤差，給實(shí)現(xiàn)擠壓同步性增加了困難。為了消除這些擠壓缺陷，在一模四孔擠壓模中，針對(duì)危險(xiǎn)的懸臂部位采用一種模芯保護(hù)結(jié)構(gòu)，就是在上模設(shè)置一種“假模芯”，并借助分流橋?qū)冶郾Ｗo(hù)起來(lái)[3]。“假模芯”并不進(jìn)入下模的?？桌锱c下模形成配合。在擠壓過(guò)程中，由于“假模芯”，懸臂承受金屬壓力的面積將大幅減小，同時(shí)由于分流橋的遮擋保護(hù)，懸臂不直接承受金屬的沖擊壓力；即使在分流橋向下發(fā)生撓曲時(shí)，“假模芯”因?yàn)閼?yīng)力間隙也不會(huì)觸及下模的懸臂，因而改變了懸臂的受力狀態(tài)并降低了懸臂受力，從而提高了懸臂的強(qiáng)度。模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模具結(jié)構(gòu)示意圖

2 模具結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)上述分析以及針對(duì)最危險(xiǎn)的懸臂部位的保護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要包括?？椎牟贾?、前置分流板的結(jié)構(gòu)、分流孔參數(shù)的確定和下模焊合室的設(shè)計(jì)，具體分析如下。

2.1 模孔的布置

圖3 ?？撞贾檬疽鈭D

模孔的布置必須考慮能充分利用擠壓機(jī)的能力、發(fā)揮擠壓筒的潛能、盡可能避免使?？走^(guò)于靠近擠壓筒內(nèi)壁，因?yàn)檫@不利于金屬的成形同時(shí)將會(huì)使模具的尺寸增大[4]；同時(shí)盡可能使?？组g處于對(duì)稱(chēng)排列，這有利于擠壓過(guò)程中各處金屬流速容易趨于一致以及金屬流速易于調(diào)整和均衡。而對(duì)于半空心的窄長(zhǎng)懸臂，模孔也應(yīng)遠(yuǎn)離中心布置，以減小懸臂的受力。?？撞贾萌鐖D3所示。

2.2 前置分流板

傳統(tǒng)的分流模是由上模與下模組成。但對(duì)于在大機(jī)臺(tái)上的一模多孔模具，在強(qiáng)度足夠的條件下，上模厚度過(guò)大將增加模具的制造難度并降低模具熱處理時(shí)的淬透性。更重要的是，增設(shè)前置分流板可以使金屬在進(jìn)入上模前以較大的分流比對(duì)金屬進(jìn)行預(yù)分配，這將有利于實(shí)現(xiàn)擠壓的同步性和降低擠壓力。在?？撞贾么_定的前提下進(jìn)行前置分流板分流孔的設(shè)計(jì)，可使左右或上下各兩個(gè)?？椎慕饘俟?yīng)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 前置分流板結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 上模分流孔的確定

分流孔的確定包括分流孔的布置、面積的大小計(jì)算，更重要的是確定分流孔間的面積關(guān)系以及“假模芯”的尺寸[5]。分流孔的布置可以有多種形式。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可借助CAD 軟件根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)將相關(guān)方案初步設(shè)計(jì)出來(lái)，然后進(jìn)行分析和對(duì)比，選擇較為成熟的2至3個(gè)方案在UG軟件環(huán)境下建立三維模型，并將這些模型分別導(dǎo)入計(jì)算機(jī)模擬軟件中進(jìn)行模擬運(yùn)算、觀察和分析對(duì)比。在此過(guò)程中結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改或修正相關(guān)參數(shù)，然后再模擬和修正，直到確定最佳方案。分流孔的布置如圖5所示。

采用模擬軟件的好處在于可從模擬中發(fā)現(xiàn)分流孔的每一處修改對(duì)各處金屬流速的影響以及各部位金屬的流速是否趨于一致。本案例中的每個(gè)?？子蓛蓚€(gè)分流孔單獨(dú)供應(yīng)金屬，這樣可以使得模擬更易操作，也就是說(shuō)容易使各處金屬的流速趨于一致。由圖5可見(jiàn)，只要確定分流孔S1的面積，分流孔S2的面積則較易調(diào)整。而且即使可調(diào)整的空間大，也不需要對(duì)分流橋和模孔的布置進(jìn)行修正或改變。同時(shí)，這樣的布置考慮了懸臂保護(hù)，可使下模懸臂完全置于分流橋的保護(hù)之下，金屬不直接沖擊懸臂，特別是懸臂的端部，這樣懸臂承受的力是最小的，致使其強(qiáng)度最高。更重要的是，可從模擬中發(fā)現(xiàn)分流孔面積的變化不會(huì)造成懸臂變形。

圖5 分流孔布置示意圖

分流孔主要參數(shù)如下：

（1）分流孔比為17.4。

（2）分流橋尺寸為寬度24 mm，厚度85 mm。

（3）分流孔的面積關(guān)系為：S1=0.81S2。

從模擬中看出，當(dāng)分流孔間面積關(guān)系為S1=（0.75～0.85）S2時(shí)，各處金屬更容易趨于一致。

（4）分流孔進(jìn)料口最大外接圓直徑為φ270mm。

（5）應(yīng)力間隙取在“假模芯”上，應(yīng)力間隙依經(jīng)驗(yàn)取1.0 mm，所以“假模芯”高度為24 mm。

（6）分流橋采用通常的水滴形。

在上模結(jié)構(gòu)參數(shù)中，“假模芯”尺寸的確定是十分關(guān)鍵的[5]。經(jīng)驗(yàn)和模擬運(yùn)算表明，“假模芯”尺寸以距離模孔邊緣2～3 mm作為模芯邊界確定，從成形和減小懸臂的受力和變形角度來(lái)看是最為合適[6]。保護(hù)式“假模芯”尺寸如圖6所示。

圖6 保護(hù)式模芯示意圖

2.4 下模焊合室與工作帶

下模焊合室與工作帶如圖7所示。

圖7 焊合室與工作帶示意圖

為了使各個(gè)?？椎某尚位ゲ桓缮婧陀绊?，并降低制造誤差對(duì)擠壓同步的敏感性，每個(gè)?？锥家O(shè)置獨(dú)立的焊合室，采用隔墻的方式將每個(gè)焊合室進(jìn)行分隔，隔墻寬度取8 mm[6]。焊合室的深度根據(jù)擠壓機(jī)的能力相應(yīng)取25 mm。由于焊合室是獨(dú)立的，各個(gè)?？椎某尚位ゲ桓缮?，因此，工作帶的選擇也是獨(dú)立的。所以，只要選定一個(gè)?？椎墓ぷ鲙?，其它模孔與之相同即可。

2.5 模具強(qiáng)度的校核

對(duì)于一模四孔分流模結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度校核同樣是針對(duì)分流橋進(jìn)行的。由于每個(gè)?？锥际仟?dú)立的，因此，只需針對(duì)一個(gè)?？讓?duì)應(yīng)的分流橋進(jìn)行強(qiáng)度校核即可。

3 擠壓結(jié)果對(duì)比

對(duì)圖1所示型材分別采用傳統(tǒng)的單孔普通分流模、單孔切割式分流模結(jié)構(gòu)、一模雙孔切割式分流模和保護(hù)式一模四孔結(jié)構(gòu)的模具進(jìn)行試模與擠壓生產(chǎn)跟蹤，并對(duì)不同模具所得型材進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。

表1 模具結(jié)構(gòu)與擠壓結(jié)果對(duì)比

從結(jié)果可以看出，針對(duì)半空心型材采用保護(hù)式一模四孔分流模具進(jìn)行擠壓有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

一模四孔保護(hù)式分流模結(jié)構(gòu)的使用結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)的模具壽命可達(dá)73.2 t，可見(jiàn)這種結(jié)構(gòu)是可以大幅提高擠壓機(jī)的效率和降低成本的。如果在大機(jī)上采用更多的一模多孔模具進(jìn)行多規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)，則完全可以解決“小機(jī)吃不完，大機(jī)吃不飽”的問(wèn)題，并大幅提高生產(chǎn)效率。在半空心型材的一模四孔分流模結(jié)構(gòu)中，擠壓機(jī)能力的選擇、分流孔的確定、下模焊合室結(jié)構(gòu)的確定和工作帶的選擇等是十分重要的。但更關(guān)鍵的是選擇合理和有效的模具結(jié)構(gòu)以降低擠壓力和保證懸臂的強(qiáng)度并使加工簡(jiǎn)單化。這種結(jié)構(gòu)是值得推廣的，為半空心型材的一模多孔分流模結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和可靠的實(shí)踐數(shù)據(jù)。