鋁合金自行車車圈型材一模多孔擠壓模

黃艷麗，翁席雯，李梓豪

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣州 510550）

0 前言

1 產(chǎn)品斷面特征與成形分析

由于鋁合金材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、耐腐蝕和易于成形加工等特性，特別是其產(chǎn)品報廢后可再生利用，符合低碳與可持續(xù)發(fā)展的理念，因而得到了廣泛的應(yīng)用。同時，由于鋁合金材料的應(yīng)用開發(fā)，使得越來越多的結(jié)構(gòu)件由鋁替代鋼成為了一種趨勢或必然[1]。鋁合金在自行車上應(yīng)用越來越多，就是我們生活中一個典型案例，尤其是自行車車圈已完全由鋁合金材料所代替。隨著人們生活水平和生活質(zhì)量的提高，特別是人們生活理念的改變、環(huán)保意識的增強(qiáng)，追求低碳生活和綠色出行的人越來越多，自行車早已不再是單純的交通工具而變成了人們休閑運(yùn)動的時尚工具，自行車的市場需求量巨大，自行車的車圈用量也相應(yīng)增大。由于車圈型材的斷面小，以小機(jī)單孔模具生產(chǎn)車圈型材的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的班產(chǎn)量十分低，特別是在目前各種成本明顯趨漲的環(huán)境下，這種模式的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)量是無法適應(yīng)市場的。所以，為了提高單機(jī)日產(chǎn)量，通過技術(shù)創(chuàng)新而采用一模多孔技術(shù)無疑是一種最佳的途徑[2]。本文通過實(shí)例，介紹了一種一模六孔自行車車圈鋁型材擠壓模，供同行參考。

圖1 型材斷面示意圖

圖1 所示是一款典型的自行車車圈鋁型材斷面，其斷面面積為88 mm2。事實(shí)上，無論哪一款自行車車圈型材產(chǎn)品，其主要的功能尺寸均包括有兩個?3.86 mm的小孔及開口尺寸。小孔是用于型材后續(xù)深加工彎曲成形時插入對接的銷子，形成完整的車圈，因而型材的小孔內(nèi)徑與銷子的配合有嚴(yán)格的要求。由于其配合的方式為過盈配合，所以當(dāng)小孔孔徑過小時，對接時銷子插入所需要的力就大，容易引起對接時型材發(fā)生脹裂；孔徑過大時又容易造成對接不牢靠、有縫隙而影響車圈的強(qiáng)度和使用。在生產(chǎn)過程中，型材的兩個小孔主要是由模芯的尺寸來決定的。一方面，在高溫、高壓和高摩擦力作用的擠壓條件下，模具易發(fā)生磨損而使模芯尺寸逐漸變小，從而導(dǎo)致內(nèi)孔孔徑變小，使型材尺寸超差不能使用而致使模具提前失效；另一方面，由于型材的內(nèi)孔孔徑小，模芯的尺寸也就小，模芯在擠壓過程中的剛性和穩(wěn)定性差，模芯容易發(fā)生偏移甚至折斷的可能[3]。特別是對于選擇一模多孔時，由于選用的擠壓機(jī)能力較大，所要求的成形靜水壓力也較大，焊合室的深度也相應(yīng)增加，這對模芯的剛性與穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響，從而影響模具的壽命。因此，解決了模芯的問題就能延長模具的壽命。而對于型材的開口尺寸，是與自行車的輪胎相配合的，起固定輪胎的作用。由于型材具有對稱性，在單孔模中，容易在模具設(shè)計(jì)中使對稱的部位在模具結(jié)構(gòu)中同樣也處于對稱的位置，因而成形的條件與狀態(tài)是可以一致的，擠壓過程中的金屬流速也可以達(dá)到完全一致，所以該尺寸很容易得到保證。但對于多孔模具，由于選用的擠壓筒尺寸較大，而擠壓筒在徑向上存在的壓力梯度會使金屬流動變得更為復(fù)雜，易使對稱的型材部位處于模具不對稱的壓力部位，使流速難于趨于一致，使得型材的尺寸精度得不到保證。因此，這是模具設(shè)計(jì)中要考慮的重要因素之一。

2 擠壓機(jī)能力的選擇與?？椎牟贾?/h2>

2.1 確定擠壓機(jī)的能力

關(guān)于擠壓機(jī)能力的確定，一方面是確定擠壓機(jī)在擠壓筒斷面上的最大比壓，以滿足金屬成形時的壓力；另一方面是確定擠壓系數(shù)。擠壓系數(shù)的大小反映擠壓過程中的變形程度和擠壓力的大小，并影響型材的最終力學(xué)性能和成品率。經(jīng)驗(yàn)表明，擠壓系數(shù)在40～80范圍內(nèi)最為合適。針對圖1所示的型材，選擇能力為18.0 MN的擠壓機(jī)，其擠壓筒內(nèi)徑為?185 mm。經(jīng)計(jì)算，擠壓機(jī)的最大比壓為670 MPa，是一個較為合適的數(shù)值。比壓過大，模具承受的壓力就大，對模具的壽命不利；比壓過低又不能滿足擠壓成形的要求。經(jīng)驗(yàn)顯示，比壓在600～750 MPa范圍可較好兼顧各種工藝要求。采用一模六孔的形式，經(jīng)計(jì)算，擠壓系數(shù)為51，該產(chǎn)品的擠壓工藝參數(shù)如表1所示。

表1 6061鋁合金自行車車圈型材一模六孔擠壓工藝參數(shù)

2.2 模孔的布置

?？椎牟贾檬且荒６嗫啄＞叩年P(guān)鍵[4]。一方面要充分利用和發(fā)揮擠壓筒的能力，保證擠壓成形過程中各部位的金屬供應(yīng)和各部位的金屬流速易于趨于一致，盡可能避免因擠壓筒斷面徑向上存在的壓力梯度造成模芯偏移以及對稱部位出現(xiàn)流速不均衡而產(chǎn)生成形困難使產(chǎn)品的尺寸精度得不到保證的情況；另一方面，要保證和提高模具的強(qiáng)度與壽命。根據(jù)自行車車圈型材呈對稱性而模芯小的特點(diǎn)，選擇的?？撞贾萌鐖D2所示。這種布置方式可使對稱部位均處在同一個“壓力圓”區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對稱部位具有相同的成形條件與狀態(tài)，容易實(shí)現(xiàn)各部位的金屬流速趨于一致。

圖2 ?？撞贾檬疽鈭D

3 模具結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的確定與優(yōu)化

3.1 模具結(jié)構(gòu)分析

由于自行車車圈型材的2個內(nèi)孔孔徑小，使得模芯尺寸小。實(shí)際數(shù)值表明，在傳統(tǒng)的單孔模生產(chǎn)中，模芯的折斷與磨損是模具的主要失效形式[5]。采用一模六孔模具結(jié)構(gòu)，模具中有12個模芯。由于選擇的擠壓機(jī)能力較大，焊合室的深度要增加，對模具剛性與穩(wěn)定性的影響也就更大，因此，模具的主要失效形式同樣是模芯的折斷與磨損。同時由于擠壓的復(fù)雜性，會出現(xiàn)個別模芯折斷的情況，所以模具結(jié)構(gòu)采用鑲嵌式模芯，這樣在模芯折斷和磨損后可以得到更換。另外，為了提高模芯的耐磨性，模芯的材料采用有別于模具基體材料的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金。該材料具有與基體材料H13相近的熱膨脹系數(shù)，易于加工與安裝，而且可以達(dá)到更高的硬度，耐磨性明顯提高。同時為了對鑲嵌式模芯進(jìn)行保護(hù)，防止在擠壓終了時因壓余剪切而使模芯抽出或移動及偏移致使模芯折斷并且降低擠壓力，從平面模結(jié)構(gòu)得到啟示，最終確定采用三件式模具結(jié)構(gòu)，并增設(shè)前導(dǎo)分流板。模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 上模分流孔的確定

分流孔的布置可以有多種形式。分流孔的確定主要包括分流孔的布置、面積的大小以及分流孔間的面積關(guān)系。在設(shè)計(jì)過程中，依據(jù)個人經(jīng)驗(yàn)確定2～3個初步方案，借助CAD、UG等軟件進(jìn)行三維建模，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行模擬分析，然后對各個方案的結(jié)果進(jìn)行分析和對比，并結(jié)合個人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改或修正，直到確定最佳方案。這樣可以提高設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確性。分流孔的布置如圖4所示。其主要參數(shù)如下：

圖4 分流孔布置示意圖

（1）分流比為K=23.3。

（2）分流橋的寬度分別為16 mm和12 mm。

（3）分流孔間面積關(guān)系為：S1=S2；S2=1.18S3，如圖5所示。

模擬與經(jīng)驗(yàn)均表明，S2=（1.1～1.25）S3時，各部位金屬更容易調(diào)整趨于一致。

（4）分流孔進(jìn)料口最大外徑為?170 mm。

（5）分流橋采用通常的水滴形結(jié)構(gòu)，但根據(jù)與前導(dǎo)分流板的銜接，其中3個分流橋采用了入料口20°的倒橋形式。

圖5 分流孔間面積關(guān)系示意圖

3.3 前導(dǎo)分流板

傳統(tǒng)的平面分流模是由上模與下模組成的。但對于一模六孔自行車車圈型材模具，由于模芯小而采用了鑲嵌式模芯，同時為了對模芯進(jìn)行保護(hù)而增設(shè)了前導(dǎo)分流板。這樣可以使金屬進(jìn)入上模分流孔前以較大的分流比進(jìn)行一次預(yù)分配，有利于降低擠壓力，提高模具的壽命。經(jīng)計(jì)算，分流比為26.7。前導(dǎo)分流板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 前導(dǎo)分流板結(jié)構(gòu)示意圖

模擬與經(jīng)驗(yàn)均表明，前導(dǎo)板分流孔滿足下列關(guān)系時，各部位金屬更容易調(diào)整趨于一致：S4=（1.30～1.40）S5。

3.4 下模焊合室與工作帶

盡管前導(dǎo)分流板與上模的分流孔均設(shè)計(jì)成?？组g有公共的分流孔，但為了使?？组g的成型互不干涉或影響，同時降低擠壓過程中各個?？椎耐叫詫χ圃煺`差的敏感性[6]，更重要的是防止?？组g形成擠壓的剛性區(qū)或死區(qū)而影響型材的表面質(zhì)量和力學(xué)性能，必須采用隔墻的方法將各個模孔分隔出有獨(dú)立的焊合室，隔墻的寬度為6～8 mm，高度為6～10 mm?？紤]模芯較小，對于18 MN擠壓機(jī)，焊合室深度采用下限，取18 mm。由于各個?？椎暮负鲜沂仟?dú)立的，因此各個?？椎某尚突ゲ桓缮?，所以工作帶的選擇也可以是獨(dú)立的。因此按照單孔模工作帶選擇的原則，選定一個模孔的工作帶，其余?？着c之相同，這樣就保證了各個?？椎臄D壓同步性。下模焊合室與工作帶如圖7所示。

圖7 下模焊合室結(jié)構(gòu)與工作帶示意圖

3.5 模芯結(jié)構(gòu)

由于模具結(jié)構(gòu)的改變而采用鑲嵌式模芯，所以模芯單獨(dú)制作，材料采用GT35鋼質(zhì)硬質(zhì)合金，硬度為68～70 HRC，其尺寸如圖8所示。

圖8 模芯結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 擠壓結(jié)果對比

對圖1所示的自行車車圈型材采用傳統(tǒng)的單孔模與本案的一模六孔模具進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，并跟蹤統(tǒng)計(jì)，得到的對比結(jié)果如表2所示。

表2 模具結(jié)果與擠壓結(jié)果對比

對比結(jié)果表明，采用一模多孔模具進(jìn)行生產(chǎn)時，模具一次試模成功，通過對失效模芯的更換，模具共上機(jī)30次，實(shí)際擠壓合格產(chǎn)品為67.2 t。由此可見，采用一模六孔結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的型材同樣可以達(dá)到單孔模結(jié)構(gòu)的型材質(zhì)量要求，而且生產(chǎn)效率大大提高，生產(chǎn)成本明顯下降。

4 結(jié)束語

采用一模多孔擠壓技術(shù)，模具設(shè)計(jì)與制造是關(guān)鍵。本文結(jié)合自行車車圈型材的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了一模六孔模具結(jié)構(gòu)的具體運(yùn)用及其參數(shù)的確定與優(yōu)化。實(shí)際生產(chǎn)證明，?？椎牟贾谩⒛＞呓Y(jié)構(gòu)的確定、分流孔的設(shè)計(jì)、焊合室與工作帶以及鑲嵌式模芯結(jié)構(gòu)對于自行車車圈型材的一模六孔模具是非常重要和關(guān)鍵的。在實(shí)踐中，一套模具中如何選擇模孔的數(shù)量，要考慮企業(yè)現(xiàn)有的設(shè)備條件?？椎臄?shù)量少，效率低、能耗大；孔的數(shù)量過多，擠壓過程的控制難度增加，廢料將增加，當(dāng)然模具的設(shè)計(jì)與制造難度也將增加，建議采用CAE數(shù)字化設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬，這樣會更加有利于最終方案的確定。