鋁合金擠壓模具的修正原理與修模實例分析

王海亮，王小兵，王澤航，龍奇敏，劉靜安

（1.河北力爾鋁業(yè)有限公司，河北 057650；2.湖北武漢市文華學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)，武漢 430074；3.廣東華昌集團(tuán)有限公司，佛山 528235；4.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限公司，重慶 401326）

0 前言

擠壓模具是保證擠壓產(chǎn)品的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵工具，也是提高產(chǎn)品產(chǎn)量、勞動生產(chǎn)率、成品率、擴(kuò)大品種、降低生產(chǎn)成本的主要因素之一[1]。但是，由于影響模具質(zhì)量的因素很多，盡管設(shè)計者和制造者都進(jìn)行了努力，要設(shè)計和制造出完美無缺、完全符合工藝要求的模具實際上是十分困難的。為了減少擠壓時制品因模具質(zhì)量而出現(xiàn)的各種缺陷（諸如彎曲、扭擰、擴(kuò)口、拼口、波浪、尺寸超公差、表面裂紋或撕裂、平直度超標(biāo)準(zhǔn)、焊合不良、不成形或堵模以及各模孔流速差過大等）以保證獲得符合技術(shù)條件要求的產(chǎn)品，必須在擠壓過程中對模具邊試擠邊修理，以及時解決問題[2]。

1 修模原則

鋁合金在擠壓過程中，由于受到擠壓筒壁、模具端面、分流孔、焊合腔、舌頭表面和?？坠ぷ鲙П砻娴膹?qiáng)烈摩擦，其流速是極不均勻的。當(dāng)擠壓形狀不對稱、各部分尺寸相差很大、形狀復(fù)雜的制品時，這種流動不均勻性更會顯著增加。加之，在設(shè)計時不可能完全合理地調(diào)整或消除這種差異，制作時又很難完全達(dá)到設(shè)計圖紙的要求。因此，用新制造的模具或用經(jīng)多次擠壓磨損的老模具進(jìn)行鋁合金擠壓時，會不可避免地產(chǎn)生各種缺陷或廢品。為了消除缺陷，使產(chǎn)品尺寸精度穩(wěn)定，不產(chǎn)生嚴(yán)重扭擰、彎曲、擦傷、裂紋，使各?？琢鞒霎a(chǎn)品長短基本一致，輪廓基本平直，必須力求使產(chǎn)品橫斷面上各質(zhì)點或各部分及多孔模的各?？组g的流出速度一致，或者說應(yīng)力求保證產(chǎn)品斷面上的各質(zhì)點同時流出?？坠ぷ鲙?，即各質(zhì)點的流動應(yīng)力均等。這是模具設(shè)計者應(yīng)遵循的基本原則，也是修模的基本原理。因此，修模的本質(zhì)就在于調(diào)整金屬的流速，使之均衡地流出?？?。

影響金屬流出?？姿俣鹊囊蛩厥嵌喾N多樣的，但可歸納成以下兩個方面[3]：

（1）供給產(chǎn)品斷面各部分的金屬分配量是否合理，即產(chǎn)品各部分?jǐn)嗝娣e之比與各相應(yīng)部分金屬供應(yīng)量之比是否相等，其中包括分流孔的大小、形狀、數(shù)目、數(shù)量與分布；型材在模子平面上的布置、型材各部分距離擠壓筒中心和擠壓筒邊緣的遠(yuǎn)近、多孔模的?？组g距離。

（2）金屬流動時所受摩擦阻力的大小，其中包括分流孔的形狀、大小、數(shù)目、位置和深度；焊合腔的形狀和深度；模芯與?？坠ぷ鲙У拈L度以及模孔與金屬直接接觸部分的表面狀態(tài)和潤滑情況等。

當(dāng)型材某一部分可供給的金屬量越多，所受到的摩擦力越小，則這部分型材流出?？椎乃俣染驮娇欤环粗驮铰?。

金屬供給量的分配比例主要是由模具設(shè)計者確定的。當(dāng)模具制造完成后，金屬的分配比例就固定下來了（對于平面分流模、舌型模和帶有導(dǎo)流模的平面模，其金屬供給量可通過改變分流孔、焊合室、導(dǎo)流孔的形狀和大小來調(diào)整），因此設(shè)計時由于?？撞贾貌缓侠碓斐傻母鞑糠至魉俨痪鶆颍瑫o修模帶來很大的困難。

流動金屬與模具之間的摩擦力由兩部分組成：一是流動金屬與擠壓筒壁、模具端面之間的摩擦力；二是金屬與?？坠ぷ鲙П砻嬷g的摩擦力。

當(dāng)模具與產(chǎn)品一定時，單位壓力P和型材各部分的周長l是一個定值，而當(dāng)各部分的表面狀態(tài)和潤滑條件相同時，摩擦系數(shù)μ也認(rèn)為是不變的，因此只要調(diào)整模孔工作帶的長度就可以調(diào)整金屬流出?？椎乃俣?。

擠壓模具的修理就是通過調(diào)整?？坠ぷ鲙У拈L度、金屬分配比例、模具的表面狀態(tài)以及金屬與?？椎哪Σ翝櫥瑮l件等方法或手段達(dá)到調(diào)整金屬流出?？椎乃俣?，從而提高擠壓產(chǎn)品質(zhì)量的一種現(xiàn)場處理過程。

修模的理論基礎(chǔ)用補(bǔ)充應(yīng)力法來加以解釋。為了建立模子的阻礙系統(tǒng)，在修模時，主要應(yīng)掌握以下兩個基本概念[3-4]。

（1）阻礙角：實質(zhì)上就是在模子平面的工作帶入口處，把原來平行于擠壓軸線的工作帶部分修成與擠壓軸線呈一定角度的阻礙斜面，這是阻礙金屬流動的一種十分有效的方法。

（2）縱向與橫向間隙：縱向和橫向間隙會使產(chǎn)品出現(xiàn)刀彎、波浪、扭擰、平面間隙超差等缺陷，其產(chǎn)生的主要原因是?？赘鞑糠值墓ぷ鲙чL度設(shè)計與制造不合理，導(dǎo)致金屬流速不均。從擠壓出的制品來看，哪一面凸起，就說明那一面的金屬流速快，需要附加阻礙。

現(xiàn)場修模的作用主要有：調(diào)整金屬流速，修正尺寸，矯正形位，改善模具的表面狀態(tài)，提高模具的使用壽命。為了達(dá)到上述目的，必須選用既簡單方便又經(jīng)濟(jì)實用的修模方法。修模的基本方法可分為阻礙、加快、擴(kuò)大或縮小模孔尺寸、珩磨與拋光以及表面氮化等。修模前應(yīng)對模子工作平面和工作帶等處進(jìn)行仔細(xì)觀察與檢測，并用不潤滑和正常溫度-速度規(guī)范進(jìn)行試擠壓，準(zhǔn)確判斷產(chǎn)生缺陷的原因，以利于確定修模方法。

原則上所有的修正工作應(yīng)在模具本身上進(jìn)行。因此，有一些操作是不允許進(jìn)行的，例如將模具滑座向右邊或向左邊移動，或者串動擠壓機(jī)中的模具。雖然在緊急情況下可能進(jìn)行這種操作是有效的，但是不能長期采用這種操作。因為這樣做會反復(fù)產(chǎn)生一些問題。為了改變金屬流動特性，必須從模具的后端進(jìn)行操作。為了加速或部分加速模具內(nèi)的金屬流量，只能從模具的后端減短工作帶的長度，不能在模具的前端進(jìn)行操作。在生產(chǎn)期間只使用修正過的合格模具，如果問題仍然出現(xiàn)，并將影響產(chǎn)品按時交貨，這時才可以直接在擠壓機(jī)上從模具前端修正。

所有的修正都應(yīng)為進(jìn)一步修模保留足夠的選擇余地。因為有時一處修正會引起別的問題出現(xiàn)（例如槽鋁模修正后，“腿”超出了角度，而在修模之前并沒有出現(xiàn)這種情況）。此外，還應(yīng)該檢查模墊和支承墊的支承牢靠情況。

2 修模車間的設(shè)備和工具

模具修正主要是一種手工作業(yè)，適用于修模工的典型工具有：細(xì)銼（金屬的或涂有金剛石砂）；砂紙和細(xì)砂布（可以涂有金剛石砂）；卡尺、千分尺、手動磨具（帶有各種金剛砂）、修模錘、塞尺、錐度規(guī)、組合角尺、萬能角度尺、圓角規(guī)、可調(diào)平墊鐵、虎鉗等[5]。

修模所需要的設(shè)備有：噴砂（丸）機(jī)、銑床、鉆床、輔助模具拋光的鏜磨床和電火花機(jī)床等。

在修模車間附近，必須有一個便于修模工用于清洗模具的加熱火堿池，其NaOH溶液和水的體積比例為1∶1（NaOH溶液的濃度為50%），溫度為80～90℃。

可供模具制造者和修模工使用的裝備有：模具表面硬度處理設(shè)備（氮化爐）和模具焊接設(shè)備（直流電焊機(jī)和氬弧焊機(jī)）。

3 平面模修正實例及其分析

3.1 實心型材立筋尺寸?。ǔ洳粷M）

如圖1所示，帶筋型材的立筋1尺寸短，出現(xiàn)凹坑，可能是因在“立筋”區(qū)域模孔工作帶過長、金屬流動阻力過大、流速較慢造成的。

圖1 平面模修模實例1

修模方法：

從模孔的后端將“立筋”區(qū)域的定徑帶減短。雖然從前端進(jìn)行減短定徑帶更容易些。但這并不是一個好的辦法，特別是對帶有進(jìn)料腔的平模，會使金屬供料不平衡，也會降低模具使用壽命。

可使用手動研磨工具、磨削機(jī)和金剛石銼刀完成[5]。

3.2 實心型材立筋產(chǎn)生波浪

如圖2所示，帶筋型材立筋產(chǎn)生波浪的原因可能是因“槽底”區(qū)域的?？坠ぷ鲙н^長或立筋區(qū)域的工作帶過短造成的。

圖2 平面模修模實例2

修模方法：減短“槽底”區(qū)域的工作帶尺寸，用銼刀打磨“槽底”區(qū)域的出口腔，或用刀銼打磨“立筋”區(qū)域的入口導(dǎo)角（加阻流角）。

可使用手動研磨工具、磨削機(jī)和金剛石銼刀完成。

3.3 立筋的角度超出規(guī)定范圍

造成如圖3所示的這種缺陷有多種原因，但無論原因如何，其修模方法基本一致。

圖3 平模修模實例3

修模方法：用銼刀將Ⅰ處沿著合適角度方向打磨立筋區(qū)域的工作帶。如果角度過大，需要打磨出口腔的內(nèi)工作帶以及入口腔的外工作帶；如果角度過小，需要打磨入口腔的外工作帶以及出口腔的內(nèi)工作帶。

修正角度原則上是采用這種方法。但是，這不是唯一的修模方法，在多數(shù)情況下，還常常伴隨著尺寸減小和波浪等問題。因此，修模工首先應(yīng)修正?？坠ぷ鲙У拈L度然后再解決所有與金屬流動有關(guān)的問題。在初步修正完成后，再通過打磨出口腔和入口腔的導(dǎo)角進(jìn)行精修。

3.4 實心型材壁厚超差的問題

造成型材壁厚超差的原因在于?？壮叽邕^大或過小，有時候?？自跀D壓力的作用下會彎曲變形，或懸臂撓曲使型材壁厚出現(xiàn)偏差。

修模方法：

（1）如果型材壁厚超薄，解決方法是要么將模具退回模具制造廠，要么用銼刀對具體的?？壮叽邕M(jìn)行修正，即擴(kuò)大其尺寸。

（2）如果型材壁厚超厚，其產(chǎn)生原因可能是因模具在擠壓大量的產(chǎn)品之后出現(xiàn)破損致使?？准哟?。遇到這種情況時的處理方法：假如產(chǎn)品生產(chǎn)量還很大，就必須做新模具；如果只剩下少量的生產(chǎn)任務(wù)時，修模工應(yīng)通過錘擊的方法努力縮小?？壮叽?，然后銼磨。

具體做法見圖4：修模工應(yīng)盡可能從工作帶外側(cè)開始，然后向前移，對著?？壮梢欢ń嵌儒N擊。在錘擊縮孔期間，將模具加熱到250～260℃，以防出現(xiàn)裂紋[5]。

圖4 平面模修模實例4

也可使用圓頭錘對模具表面進(jìn)行快速打擊修正，以加快金屬流速，且不需要將模子從擠壓機(jī)上卸下。

3.5 型材邊角部位出現(xiàn)尖銳小毛刺

產(chǎn)生如圖5所示的小毛刺的原因有以下幾種：

（1）這種小毛刺是由?？走吔遣课坏牧鸭y在壓力作用下彎曲產(chǎn)生的。

（2）?？走吔橇鸭y是由于模具過硬或由于模具過于頻繁的氮化而產(chǎn)生的。

（3）因模孔懸臂產(chǎn)生偏斜引起的。

圖5 平修模實例5

修模方法：

（1）最好的辦法是用氬弧焊焊接邊角部位的裂紋，然后將焊接的邊角部位進(jìn)行電火花電蝕并拋光，待恢復(fù)?？自瓉頎顟B(tài)后再使用。

（2）如果要求在很短的時間內(nèi)修好模，可以用沖子沖擊模孔棱邊部位。

（3）在模具氮化處理過程中將?？椎倪吔遣课弧捌帘巍?，不讓邊角部位氮化。這樣，邊角部位仍保持一定的柔韌性，延緩裂紋的出現(xiàn)。

（4）加大邊角的半徑尺寸。

3.6 撕裂修正

在中空型材上帶有內(nèi)螺紋孔的地方，在擠壓過程中一切看起來都很順利，但在切割型材的斷面上，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有撕裂出現(xiàn)。這是因為這些區(qū)域供料不足或因螺紋孔、枝杈部位阻礙金屬流速引起的。

修模方法：

（1）加寬、加深金屬引流槽，以加大金屬供流。

（2）適當(dāng)降低擠壓速度。

（3）打磨好螺紋孔、枝杈部位的模孔工作帶。

3.7 彎曲或扭擰的擠壓件的修正

擠型材出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲或扭擰，多數(shù)情況還伴有其他問題。這類問題多出現(xiàn)在型材的壁厚相等、定徑帶不等的情況下。在這種情況下，型材一側(cè)流速慢，一側(cè)流速快引起型材彎曲、扭擰或者兩種情況兼有；另外，擠壓機(jī)的對中性不好也會導(dǎo)致出現(xiàn)彎曲或扭擰。這時，必須檢查一下擠壓機(jī)的對中情況。如果模具滑動模架或者整套模具組件定位不好也會引起型材彎曲或扭擰。

4 空心型材模的修正實例及分析

空心型材模具的修正稍復(fù)雜些，但是修正方法也略多一些。從原則上講，所有用來修正平面模內(nèi)金屬流動的方法都可用于修正空心型材模[5-6]。

在實際修模過程中，可以通過改變模具定徑帶長度來避免型材出現(xiàn)波浪。

與槽形型材相比，空心型材各個角均在空心型材的內(nèi)部，則無角的“側(cè)邊”并不很重要。如果真有外部側(cè)邊（見圖6），則這種模具就必須結(jié)合“扁平型材”模具修正方法進(jìn)行修模。

圖6 有外側(cè)邊的空心型材

前面說過，修正空心型材模還有多種可用方法，下面舉例介紹。

4.1 各部分金屬流速不均空心模的修模

如果型材的某些部分的金屬流動較快，而另外一些部分較慢，則呈現(xiàn)出橫向波浪。這是模具定徑帶長度沒有調(diào)整好，或者說在更多情況下是因模具內(nèi)的金屬流動受到阻礙引起的。

這類空心模的修模圖示見圖7，具體修模方法如下：

圖7 空心型材模修模實例1

（1）如果?？坠ぷ鲙н^長，可銼修減短?？坠ぷ鲙У拈L度。

（2）如果?？坠ぷ鲙Р皇呛荛L，又很均勻?qū)ΨQ，可銼修模具分流孔阻塞的地方，參見圖7的圖解。

（3）如果是由于供給型材各部位料的分流比值差大，引起金屬流速不一致，那就修正分流孔。

（4）要檢查?？着c模芯的裝配是否固定牢靠，如果模芯是游動的，那么擠壓材就會產(chǎn)生壁厚不均勻。此時需將模子拆開重新裝配一次，使?？着c模芯的裝配固定牢靠。

（5）如果是由于上下模配合不合理引起型材壁厚不均，按要求，裝配后的上下模模芯的工作帶在金屬入口部位應(yīng)比下模的定徑帶超前1 mm。這是因為，上模在受壓力的狀態(tài)下，模具產(chǎn)生徑向彎曲，使模芯的定徑帶沿金屬流動方向運(yùn)動。此時應(yīng)該使模芯在壓力的作用下與下模定徑帶等高，這樣才能正常地擠壓出合格型材。

4.2 型材壁出現(xiàn)下凹或上凸弓形面時的修正

（1）空心型材壁下凹弓形面產(chǎn)生原因。這是因為模芯工作帶低于下模?？坠ぷ鲙?，模芯工作帶的有效長度過短引起的。

這種情況的補(bǔ)救辦法見圖8的圖解。具體做法是在模芯和下模之間放置隔環(huán)，使模芯工作帶在受力狀態(tài)下與下模?？锥◤綆У雀摺Ｍ瑫r，在下模的出口部位減掉同一厚度。

圖8 空心型材模修模實例2

（2）空心型材壁外凸產(chǎn)生的原因。由于模具使用時間過長之后，模芯工作帶嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)溝槽，加大了摩擦阻力，金屬流動緩慢引起空心型材壁外凸。

修正方法：如果型材壁厚公差值允許的話，可銼修或打磨模芯的工作帶表面，降低摩擦阻力。

如果模芯工作帶磨損程度很嚴(yán)重，而且型材壁厚已達(dá)到上偏差時，可將模子預(yù)熱到300℃左右，補(bǔ)焊模芯外形，再銼修到要求尺寸并拋光后使用。

如果模芯工作帶沒有被磨壞，則銼一銼模芯工作帶外側(cè)阻礙處和內(nèi)側(cè)的滯留處即可。

4.3 有縫角或焊合不良的擠壓材空心模的修正

空心型材采用平面分流組合模擠壓，金屬經(jīng)過分流、焊合的過程，所以空心擠壓材是存在焊合線的。如果金屬焊合不好出現(xiàn)縫隙，就是一種缺陷，見圖9所示。

圖9 空心型材的焊合不良或縫角

產(chǎn)生原因及解決方法：

（1）分流孔、焊合室狹小，金屬供流不足，金屬在焊合室內(nèi)沒有形成足夠的靜水壓力，出現(xiàn)未焊合好而流出?？?，所以制品存在焊合縫隙。

解決辦法：采用研磨或銑削來擴(kuò)大分流孔和焊合室面積，加大金屬供流，使金屬在焊合室內(nèi)能夠形成足夠的靜水壓力。

（2）過量潤滑和不良潤滑均會引起空心型材焊合不良。用分流組合模生產(chǎn)空心型材應(yīng)屬于無潤滑擠壓工藝，修模工有時為了降低擠壓力加油潤滑，這是不允許的。

4.4 彎曲和扭擰擠壓材模具的修正

空心擠壓材彎曲和扭擰的成因是多方面的，如：

（1）模芯和下模孔的工作帶配合不合理，引起型材各部位金屬流速不均勻。

（2）對稱空心型材模的分流孔大小和位置加工不對稱，金屬供流不均衡（見圖10），引起金屬流速不均勻。

圖10 型材模修模實例3

（3）分流孔加工不規(guī)整或者在模芯上有阻礙物阻礙金屬流動。

修模方法：

（1）用適當(dāng)?shù)姆椒ù蚰ツＰ净蚍至骺椎某隹诓课?，有必要時可擴(kuò)大這些分流孔使分流孔供料均衡。

（2）用打磨方法去掉阻礙物。

4.5 角度改變的空心型材模的修正

如果空心型材出現(xiàn)角度改變問題，則同時會出現(xiàn)扭擰或彎曲的問題，其原因是金屬供流不均引起。因此，應(yīng)首先解決供料的均衡問題，使模孔各部位受壓均衡，使型材同一截面各部位的的質(zhì)點流速一致。

4.6 型材表面條紋的修正

若擠壓型材外表面出現(xiàn)如圖11所示的條紋，在后續(xù)陽極氧化處理之后會更加明顯。該缺陷多見于型材壁厚差大的部位、分流橋下金屬的焊合部位和內(nèi)側(cè)帶有“枝杈”處及螺紋孔處的背面上。

圖11 空心型材外表面出現(xiàn)條紋

產(chǎn)生原因：

（1）型材內(nèi)側(cè)的“枝杈”和螺紋孔部位因金屬供流不足或過量引起表面條紋。

（2）模具分流橋下的焊合區(qū)部位也會引起型材表面條紋。

（3）因型材斷面圖設(shè)計存在問題，當(dāng)型材的壁厚差大，工作帶長度突變處的部位會在陽極化后產(chǎn)生條紋狀色差。

（4）因型材冷卻設(shè)施能力不夠造成陽極化后出現(xiàn)黑色斑紋區(qū)域。

（5）錠坯本身的質(zhì)地不好影響到擠壓材陽極化后出現(xiàn)條紋色差。

修模方法：

（1）對于設(shè)計圖紙中存在型材裝飾面壁厚差大、枝杈和螺紋孔等隱患的，應(yīng)與客戶溝通，及時修改型材結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）分流橋應(yīng)設(shè)計在型材的非裝飾面上；在保證模子強(qiáng)度的同時，焊合室應(yīng)盡可能大一些，使金屬能夠形成足夠的靜水壓力。

（3）大直徑管材或大尺寸空心型材模，在陽模上可設(shè)有上焊合室。

（4）對于型材內(nèi)側(cè)的“枝杈”或螺紋孔處條紋，其修模方法是拋光這些部位的模孔工作帶、打磨光滑，或者修改或減小這些部位的連接過渡半徑。

（5）當(dāng)條紋是因錠坯材質(zhì)本身的原因而形成的時候，應(yīng)要求錠坯的加熱溫度均勻，使均勻化退火完成徹底。

（6）擠壓材出?？字螅渚Я６热Q于冷卻溫度和冷卻速度。如果冷卻溫度過低、冷卻速度不均勻會造成大的晶?；蚓Я４笮〔坏龋陉枠O化后色差會更加明顯。此時應(yīng)及時調(diào)整冷卻系統(tǒng)的風(fēng)壓和冷卻水壓的大小。

5 總結(jié)

模具修正是一道十分重要的工序，對于提高模具使用壽命、保證擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低能耗和物耗，進(jìn)而降成本、保證交貨期等都有著重大作用。因此，一定要培養(yǎng)合格的修模工人，精通修模原理，根據(jù)型材和產(chǎn)品擠壓的特點，針對產(chǎn)品缺陷產(chǎn)生的原因，采用合理的修模方法，以確保獲得合格產(chǎn)品。