一種半空心鋁型材一模雙出（孔）偽分流模結(jié)構(gòu)

黃雪梅，蔡浩欽，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣州 510550）

0 前言

由于鋁型材產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，因此鋁型材產(chǎn)品的種類及規(guī)格也越來(lái)越多，型材斷面形狀也越來(lái)越復(fù)雜。在這些種類和規(guī)格繁多的產(chǎn)品中，有相當(dāng)一部分是半空心型材。半空心型材模具的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度高，要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一是模具的強(qiáng)度。但在現(xiàn)代制造技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí)，特別是近幾年，隨著土地、勞動(dòng)力、能源供給趨緊以及資源環(huán)境約束矛盾日益突出等因素的影響，鋁型材企業(yè)的總成本明顯趨漲，人力資源成本也持續(xù)上升。因此，以增加設(shè)備數(shù)量、擴(kuò)建廠房、人力密集等傳統(tǒng)的投資驅(qū)動(dòng)方式來(lái)達(dá)到擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、提高產(chǎn)量的目的是不現(xiàn)實(shí)的，最好的方式應(yīng)當(dāng)是依靠技術(shù)創(chuàng)新。

“一模多孔”擠壓模技術(shù)[1]是一種采用各種有效的工藝措施、優(yōu)化各種工藝要素、在一套模具上同步擠出至少兩根以上相同的型材產(chǎn)品、擠壓生產(chǎn)出兩倍或多倍產(chǎn)量的技術(shù)[2]。這種技術(shù)在我國(guó)剛剛起步，方興未艾。本文通過(guò)實(shí)際案例，介紹了一種適用于半空心鋁型材的一模雙孔擠壓模結(jié)構(gòu)，供同行參考。

1 模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

1.1 模具結(jié)構(gòu)形式

所謂分割式假分流模結(jié)構(gòu)，就是將半空心型材的懸臂在一個(gè)合理的位置進(jìn)行“切割”，分割成兩部分，其中一部分作為一個(gè)“假”的模芯來(lái)設(shè)計(jì)成上模，此“假”的模芯在擠壓過(guò)程中代替了懸臂，而另外一部分則設(shè)計(jì)成下模的模孔。當(dāng)上、下模組成分流擠壓模裝配在一起時(shí)，“假”的模芯與?？自谇懈钐幹匦沦N合，重新形成懸臂的完整性，從而改善了懸臂的受力狀況，這樣由原來(lái)的懸臂直接受力變成為由上模分流橋來(lái)承受擠壓，大大提高了模具強(qiáng)度。但對(duì)于一模雙孔擠壓模，由于每個(gè)上模的模芯在模具中的位置不可能像單孔時(shí)可以處于模具的中間，使得模芯四周受力均衡，而不因產(chǎn)生的附加壓力差導(dǎo)致模芯發(fā)生彈性偏移，因此在設(shè)計(jì)雙孔模具中必須要考慮這個(gè)因素[3]。否則，模芯的偏移會(huì)使型材的壁厚發(fā)生變化。圖1所示為一典型半空心型材及將其懸臂進(jìn)行切割分成兩部分的示意圖。型材的斷面積為120 mm2，舌比為5.4。

圖1 型材斷面與懸臂分割示意圖

1.2 擠壓機(jī)能力的確定

確定擠壓機(jī)能力大小的目的是選擇合理的擠壓筒內(nèi)徑尺寸以及合適的擠壓機(jī)在擠壓筒斷面上的比壓。擠壓筒內(nèi)徑的大小將決定擠壓的變形程度[4]，即擠壓系數(shù)的大小。擠壓系數(shù)過(guò)大，擠壓力將增大，擠壓成型困難，模具承受的力也將增大，從而降低模具的強(qiáng)度；擠壓系數(shù)過(guò)小，又會(huì)影響型材的力學(xué)性能及表面質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)給生產(chǎn)定尺帶來(lái)影響，從而導(dǎo)致工藝廢料的增加。而擠壓機(jī)的比壓是以滿足擠壓成型所需要的工作壓。比壓過(guò)低，擠壓成型困難；比壓過(guò)高又將增加模具的承受力，降低模具的壽命。綜合考慮，從經(jīng)驗(yàn)而言，擠壓系數(shù)在40～80范圍最為合適，而比壓在650～800 MPa最為有利。基于這些考慮，針對(duì)圖1所示的型材選擇10 MN擠壓機(jī)，其擠壓筒內(nèi)徑為φ130 mm。經(jīng)計(jì)算，擠壓機(jī)比壓為753 MPa。若采用單孔擠壓時(shí)擠壓系數(shù)為110.6，明顯不合適；而采用一模雙孔擠壓時(shí)擠壓系數(shù)為55.3，是合適的。考慮模具成本及強(qiáng)度，模具尺寸規(guī)格選擇φ200 mm×130 mm（外徑×厚度）。

1.3 ?？椎牟贾?/h3>

確定一模雙孔的模孔布置方式的實(shí)質(zhì)是確定擠壓時(shí)的出料方式。選擇出料方式的原則有幾點(diǎn)：一是保證擠壓過(guò)程中兩個(gè)?？组g不發(fā)生交織、錯(cuò)亂、扭擰或嚴(yán)重的擦碰；二是要考慮在選擇模具參數(shù)時(shí)能充分發(fā)揮擠壓筒的潛能；三是考慮模具的強(qiáng)度和剛性[5]。對(duì)于替代式一模雙孔模具，由于模芯是“假”的，因此必須考慮到切割面在模具中的方向或位置，盡可能使切割面遠(yuǎn)離模具中心一端。?？椎牟贾梅绞饺鐖D2所示。

圖2示出了4種方式，其中方式1最為合理。這種方式選擇了將型材的大面與滑出臺(tái)相接觸的方式，有利于實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)擠壓；型材間不會(huì)發(fā)生交織、錯(cuò)亂和擦碰，重心較低，不會(huì)發(fā)生傾倒和扭擰，而且將分割面置于遠(yuǎn)離中心的外端。這樣當(dāng)上、下模重新組合成懸臂時(shí)，模芯的彈性偏移將使分割面的貼合間隙變得更小，根據(jù)塑性成形最小阻力定律，金屬進(jìn)入貼合面間隙的可能性也更小。這樣可以避免型材出現(xiàn)拉絲或起筋。而圖2（b）則恰恰相反。對(duì)于多孔模，模芯在擠壓過(guò)程中由于擠壓筒在徑向上存在壓力梯度，使模芯受到一個(gè)附加壓力差的作用而發(fā)生彈性偏移，如圖3所示。圖中力F1大于力F2，而力F3與力F4相等。

圖2 模孔布置示意圖

圖3 模芯受力彈性偏移示意圖

1.4 上模設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

上模參數(shù)主要包括分流孔的設(shè)計(jì)、分流比的確定、分流橋的尺寸選擇等。

分流孔的設(shè)計(jì)確定了分流孔的數(shù)量、大小及布置方式，這是一模多孔擠壓模成功與否的關(guān)鍵。這對(duì)于充分利用擠壓筒的潛能、平衡金屬的流速、降低擠壓力、改善金屬的焊合質(zhì)量、提高模具的強(qiáng)度和壽命都具有決定性的作用。分流孔的布置可以多種形式。以往的方法是依據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，更多是采用“試錯(cuò)法”[6]，但這樣的成本和代價(jià)是很大的。采用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力進(jìn)行擠壓過(guò)程模擬，優(yōu)化工藝參數(shù)并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，可以大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)效果以及準(zhǔn)確率，減少試模或試驗(yàn)環(huán)節(jié)的次數(shù)。在本案中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用CAD設(shè)計(jì)出多個(gè)分流孔布置方案，每個(gè)方案均采用在UG軟件環(huán)境中建立三維模型，并將模型導(dǎo)入HperXtrude軟件中，對(duì)鋁棒、上模、下模、分流孔區(qū)域、焊合室進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)與劃分，最終保留表面模型即金屬流經(jīng)模具的內(nèi)表面，利用軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算和觀察，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，包括金屬流動(dòng)的分析、變形程度的分析、溫度差異分析以及焊合質(zhì)量的分析等，在分析和對(duì)比過(guò)程中，結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，最終確定的分流孔布置如圖4所示。

圖4 分流孔設(shè)計(jì)示意圖

在模具中心設(shè)計(jì)一個(gè)公共的分流孔，主要是考慮模芯螺孔處是金屬成形較困難的部位，必須保證該處有足夠的金屬流量供應(yīng)。

主要參數(shù)如下：

（1）分流比為14.5?？紤]型材的表面質(zhì)量和擠壓過(guò)程中的擠壓力，經(jīng)驗(yàn)表明，分流比取擠壓比的（25～35）%最為合適。因此，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件并結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)最終得出的分流比數(shù)值是合適的。

（2）分流橋?qū)挾确謩e為20 mm和16 mm。

（3）分流橋高度（上模厚度）取65 mm。在保證強(qiáng)度的前提下，上模厚度不宜過(guò)大，否則會(huì)引起擠壓的升高，反而對(duì)成形和強(qiáng)度不利。

（4）分流孔之間的關(guān)系：S1=S2=1.35S3。通過(guò)軟件模擬發(fā)現(xiàn)，S1、S2、S3三者滿足S1=S2=（1.2～1.4）S3時(shí)各處流速容易趨于一致，S3數(shù)值增大，金屬流動(dòng)越劇烈，變形程度越大，模芯往徑向彈性偏移的程度增大。

（5）分流孔入料最大外徑為φ110 mm。

（6）分流孔出料端采用了10.5°的擴(kuò)孔形式。這主要是為了降低擠壓力，采用5°～15°擴(kuò)孔方式可降低約5%的擠壓力。

（7）在分割面一側(cè)不設(shè)分流孔，這是半空心型材一模雙孔與一模一孔的顯明區(qū)別。若在分割面一側(cè)設(shè)置分流孔，會(huì)出現(xiàn)金屬難以趨于一致的現(xiàn)象。

1.5 上下模裝配總成和懸臂貼合方式

上、下模裝配總成和懸臂貼合方式如圖5所示。

圖5 模具裝配與懸臂貼合示意圖

在單孔模中，半空心型材模具中懸臂的貼合方式通常是采用垂直平面的方式，這容易使流動(dòng)的金屬進(jìn)入到貼合面的間隙里，造成型材出現(xiàn)拉絲或起筋的現(xiàn)象。為了消除這一現(xiàn)象，同時(shí)防止在一模雙孔中因模芯的增多而容易造成模芯在裝配過(guò)程中與下模懸臂在貼合部位發(fā)生碰撞，因此將其設(shè)計(jì)成斜面貼合。這種貼合面與金屬流動(dòng)方向不平行，形成對(duì)金屬的剪切，從而杜絕了金屬進(jìn)入貼合面間隙中的可能性。經(jīng)實(shí)踐表明，效果是良好的。

1.6 下模的設(shè)計(jì)

下模的設(shè)計(jì)主要包括焊合室的形狀、高度、結(jié)構(gòu)和工作帶的選擇等。

焊合室結(jié)構(gòu)與工作帶如圖6所示。

圖6 下模焊合室結(jié)構(gòu)與工作帶尺寸示意圖

主要參數(shù)如下：

（1）焊合室形狀。焊合室形狀以分流孔最大邊緣作為輪廓依據(jù)，并保證金屬在從分流孔進(jìn)入焊合室時(shí)在邊界上不被阻擋。通常焊合室輪廓要比分流孔邊緣大1～2 mm，并盡可能在分流孔根部形成橋墩，以增加模具的強(qiáng)度。

（2）焊合室高度為16 mm。

（3）焊合室結(jié)構(gòu)。采用獨(dú)立焊合室是多孔模設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。在焊合室之間設(shè)置分隔墻，寬度為6 mm。若不設(shè)置隔墻，會(huì)在?？字g的中心部位形成金屬流動(dòng)的剛性區(qū)，容易使型材在該處對(duì)應(yīng)的部位出現(xiàn)粗晶現(xiàn)象，導(dǎo)致型材出現(xiàn)嚴(yán)重色差。

（4）工作帶的選擇。對(duì)于雙孔模，按照單孔模工作帶選擇的原則進(jìn)行，選定一個(gè)?？椎墓ぷ鲙?，另一個(gè)?？椎墓ぷ鲙c之相同。

2 模具強(qiáng)度的校核

在實(shí)際生產(chǎn)中分流模強(qiáng)度的校核主要是對(duì)上模的分流橋進(jìn)行強(qiáng)度校核，把分流橋看成一個(gè)受均勻載荷的簡(jiǎn)支梁，校核其抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度[7]。這一原則同樣適用于雙孔模。但在實(shí)際過(guò)程中，擠壓是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，模具承受的是循環(huán)應(yīng)力的作用。所以，在實(shí)際中采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行強(qiáng)度校核更為有效。而在雙孔模中，以一個(gè)模芯的分流橋進(jìn)行校核即可。

式中：n為安全系數(shù)（分流模大于3，平模大于2）；h為上模分流橋厚度，mm；b為上模分流橋最小寬度，mm；m為分流橋數(shù)量；S為上模分流橋受壓總面積，mm2；P為擠壓機(jī)最大比壓，MPa；[σ彎]為模具材料在工作強(qiáng)度下的彎曲應(yīng)力，模具材料為H13，取值為1 150 MPa。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)計(jì)算：

從結(jié)果中可以看出安全系數(shù)大于3，表明模具有足夠的強(qiáng)度。但是，對(duì)于一模多孔模具，在實(shí)際生產(chǎn)中必須有專用支承墊配合使用，否則，模具的壽命將大大降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述模具經(jīng)試模和使用跟蹤表明，該模具可一次成功。模具擠壓產(chǎn)量壽命達(dá)28.3×103kg，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。這說(shuō)明，本方案針對(duì)半空心型材所采用的結(jié)構(gòu)是有效、合理的。同樣也可得出，若在相同擠壓機(jī)上采用單孔擠壓，擠壓系數(shù)達(dá)111.6時(shí)，這將是難以再進(jìn)行擠壓的，此時(shí)必須選擇能力較小的擠壓機(jī)。這充分說(shuō)明，一模雙孔擠壓模結(jié)構(gòu)可以提高生產(chǎn)效率、降低成本。因而，一模多孔是一種值得推廣和深入研究與開發(fā)的技術(shù)。

半空心型材的一模雙孔擠壓模分流孔的設(shè)計(jì)、下模焊合室及工作帶的選擇無(wú)疑是關(guān)鍵，但更重要的是，要充分考慮半空心型材的特點(diǎn)，采用合理的方法保證懸臂的強(qiáng)度。采用模芯替代式并在?？椎牟贾弥锌紤]懸臂在模具中的位置是一種可行和有效的方法。而在相關(guān)參數(shù)的選擇和優(yōu)化過(guò)程中能借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬和分析與對(duì)比將更為有效。