幾種復(fù)雜工業(yè)鋁型材擠壓模具設(shè)計

陳勇慧

(瑞安江南鋁業(yè)有限公司,浙江 溫州 325000)

0 引言

隨著鋁型材行業(yè)的迅速發(fā)展，復(fù)雜鋁型材的市場需求不斷上升。復(fù)雜工業(yè)鋁型材生產(chǎn)難度系數(shù)大，市場投資大，這也是對擠壓模具設(shè)計師和制造者的嚴(yán)峻考驗。本文介紹幾種復(fù)雜工業(yè)鋁型材擠壓模具的設(shè)計、制造和試模的全過程。

1 復(fù)雜工業(yè)擠壓型材的特點

復(fù)雜工業(yè)擠壓型材一般是根據(jù)它的外形尺寸或斷面積大小來分類的，如:

1) 長寬比懸殊的大薄壁車體型材如圖1所示，型材的寬度或外接圓直徑大于600 mm。

圖1 長寬比懸殊大的薄壁車體型材(單位：mm)

2) 多小孔薄壁復(fù)雜型材如圖2所示，型材有16個小公頭，中間筋壁厚1.8 mm，上、下壁厚分別是2.0 mm和2.3 mm。

圖2 多小孔薄壁復(fù)雜型材(單位：mm)

3) 多孔、多長懸臂異型材大斷面型材如圖3所示，單位長度質(zhì)量(米重)為32.5 kg/m，米重中型材交貨長度大于10 m，即定尺長度為24.255 mm,因此選擇15 000 t擠壓機。

圖3 多孔、多長懸臂異型材大斷面型材(單位：mm)

4) 多孔薄壁異型材大斷面型材如圖4所示，筋壁最薄處為1.5 mm，并有一條厚為1.8 mm、長為110.0 mm的筋壁薄料,增加了開模的難度。

圖4 多孔薄壁異型材大斷面型材(單位：mm)

模具加工供料難是這類多孔薄壁異型材大斷面型材遇到的共同問題。

2 典型復(fù)雜型材的模具設(shè)計及舉例

2.1 長寬比懸殊大的薄壁車體型材的模具設(shè)計

2.1.1 型材特點

1) 該型材寬厚比：W=600 mm/50 mm。

2) 壁厚t=2.5 mm。常規(guī)條件下的薄壁扁寬型材，當(dāng)寬度為600 mm時，t一般不小于2.8 mm。

2.1.2 模具設(shè)計方案

長寬比懸殊大的薄壁車體型材采用大擴展式設(shè)計，11個小公頭大小不一，為保證各個分流比K基本一致、供料均勻，增強模具強度、出料穩(wěn)定性和保證模具使用壽命，采用圖5所示的模具設(shè)計方案。

圖5 長寬比懸殊的大車體型材模具分流孔設(shè)計圖

2.1.3 模具設(shè)計特點

1) 本例型材采用分流焊合擠壓法生產(chǎn)。復(fù)雜模具一般采用“多級分流橋”，即“階梯型”擠壓。根據(jù)“金屬流動性原理”“最小阻力定律”，擠壓過程中，金屬的流動分層幾級橋位擠壓到邊上，即擴展性大的分流擴孔內(nèi)，以滿足鋁水的供料平衡性，層層流進(jìn)邊緣的分流孔中。橋位也由原來的40 mm轉(zhuǎn)化成邊上20 mm，保證了模具強度較好，同時也達(dá)到寬展的目的。采用分流焊合擠壓法生產(chǎn)扁寬型材，?？滋幗饘倭鲃拥木鶆蛐?、穩(wěn)定性比直沖型腔孔更好。

2) 分流寬展模的各要素：擠壓比λ、擠壓系數(shù)L、分流孔寬展程度、橋位沉橋深度、橋位的寬、二級焊合質(zhì)量都決定著大模具焊合的質(zhì)量[1]。

3) ?？妆诤駎=2.5 mm+0.15 mm=2.65 mm(即名義尺寸+上偏差)，?？字谱骶确秶鸀?～0.05 mm。

2.1.4 試模生產(chǎn)

模具上機試生產(chǎn)結(jié)果表明，擠壓產(chǎn)品成型度良好，只是有多條筋電火花加工引流不夠深，導(dǎo)致筋部分偏薄，局部有偏壁現(xiàn)象產(chǎn)生。但由于橋位設(shè)計合理，?？孜闯霈F(xiàn)大的彈性形變，擠壓出的產(chǎn)品沒有明顯的波浪、彎曲、扭擰等缺陷。

2.2 多小孔薄壁復(fù)雜型材的模具設(shè)計

2.2.1 型材特點

1) 該型材寬厚比大：W=500 mm/30 mm≈16。

2) 壁厚t為1.5～2.0 mm。常規(guī)條件下的薄壁扁寬型材，當(dāng)寬度為500 mm時，t一般不小于2.5 mm。

2.2.2 模具設(shè)計方案

多小孔薄壁模具的設(shè)計，各個小公頭采用留斜保護，確保強度。分流孔設(shè)計簡單，從而減少上模擠壓力，保證上模穩(wěn)定性，模具設(shè)計方案如圖6所示。

圖6 多小孔復(fù)雜壁厚異型材模具分流孔設(shè)計圖

2.2.3 模具設(shè)計特點

1) 孔分布及大小的確定。①型材外形特征，16個小分流?？自谛筒纳铣蕩缀蜗嗨菩苑植肌＂诹骺椎拇笮「鶕?jù)兩個原則確定：一是遵循“金屬流動供給量平衡原理”，越靠邊緣的填充料所受的壓力越低，填充量低于中間供給量，所以必須利用“二級分流法”“大橋套小橋”原理去設(shè)計；二是遵循“金屬流速圈原理”，金屬進(jìn)入各個分流孔的阻力不宜相差太大，一格等于鋁棒的十分之一，即每一格代表10%供給量，以此類推，各個分流孔面積之間不能相差太大。

2.2.4 試模生產(chǎn)

1) 模具經(jīng)過半個月的精密加工制造，出廠前對各個工序(原材料的選擇、引流加工、線割慢走絲加工、鏡面打磨處理、對模具各個尺寸的檢測)都經(jīng)過層層把關(guān)，才能出廠。

2) 在復(fù)雜的中空型材的生產(chǎn)中，單憑好的模具還不夠，合理的擠壓工藝和有經(jīng)驗的操作技工對生產(chǎn)至關(guān)重要。

3) 此型材的合金為6005A-T6，型材壁薄、斷截面較長，容易出現(xiàn)變形。由于使用了合理的擠壓工藝和檢測設(shè)備，冷卻速度均衡。特別注意：通過對中間15條薄壁筋的合理控制，可避免因中間壁厚超差而不成形。

2.3 多孔、加長強筋型材的模具設(shè)計

2.3.1 型材特點

1) 該型材屬扁形、中孔較大的空心型材，長308 mm，高88 mm，內(nèi)有3 條高80 mm、厚3.5 mm的加強筋，制品筋條的中心部位尺寸會產(chǎn)生偏小現(xiàn)象。

2) 型材為6061合金，該合金的可擠壓性是6063合金的60%左右，成型難度較大[2]。

2.3.2 模具設(shè)計方案

多孔多長懸臂異型材采用多孔背孔式設(shè)計，確保中間長筋供料均衡，流速平衡“一孔一橋位”設(shè)計，保證上模強度穩(wěn)定。模具設(shè)計方案如圖7所示。

圖7 多孔多長懸臂異型材模具分流孔設(shè)計圖

2.3.3 模具設(shè)計特點

1) 分流孔的分布。該型材由于結(jié)構(gòu)不同于其他復(fù)雜工業(yè)型材，而是類似“L”型，有8個小芯頭帶長筋，因此分流孔分布比較特殊，內(nèi)部筋成“米”字型。考慮開孔來增加內(nèi)部供料，達(dá)到內(nèi)外供料平衡。

2) 為了保證3條高110 mm×4.5 mm和5條高65 mm×4.5 mm的加強筋模孔有足夠的金屬填充，從模具的中心部位開3個階梯分流孔，金屬可直接進(jìn)入導(dǎo)流孔。確定引流孔尺寸的原則是：在保證模具芯頭強度及穩(wěn)定性的前提下，背孔的面積盡可能大一些；筋與筋之間必須有橋位連接，起到加強公頭之間強度的作用，使之不會發(fā)生偏心現(xiàn)象；中間“索橋”盡量窄，高度為上模厚度值的一半，并用圓弧過渡，從而減少模具壓力。另外，分流孔的橋位擺放在各個?？椎母?，其尺寸、角度要合適，過渡部位要圓滑。

3) 為使焊合室內(nèi)流動金屬有足夠大的靜水壓力，焊合室的深度h焊隨橋?qū)挾?，并增加二級焊合加工成梯形，增強其焊合質(zhì)量。對厚薄懸殊處，需增加擋料塊來達(dá)到流速平衡[3]。

2.3.4 試模生產(chǎn)

1) 第一次試模由于6005-T6材質(zhì)硬、內(nèi)部背孔小，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部筋破裂。

2) 第二次試模增大了背孔供給量，單邊擴孔5 mm,并將背孔深度再銑深30 mm，并倒圓弧過渡，使金屬能順利地流入分流孔中，被充分填滿。試模發(fā)現(xiàn)中間3 mm×110 mm×4.5 mm的加強筋尺寸小,產(chǎn)品成型良好。

3) 第三次試模中間3 mm×110 mm×4.5 mm的加強筋尺寸預(yù)留了形變量(薄處單邊預(yù)留0.15 mm),其他出料滿足客戶需求。

2.4 多孔薄壁異型材大斷面型材模具設(shè)計

2.4.1 型材特點

1) 本例型材屬扁形、中孔較大的空心型材，長318 mm，高50～81 mm，內(nèi)有7條高60～95 mm、厚1.5～1.8 mm的薄加強筋，制品筋條的中心部位尺寸會產(chǎn)生偏小現(xiàn)象。

2) 型材為6005-T6合金，該合金的可擠壓性是6063合金的60%左右，成型難度較大。

2.4.2 模具設(shè)計方案

多孔薄壁異型材的生產(chǎn)需保證多孔壁的厚度，中間筋供料均勻，每個孔分布均勻。根據(jù)力學(xué)金屬平衡性原理，上、下分流孔傾斜對稱，故采用如圖8所示的模具設(shè)計方案。

圖8 多孔薄壁異型材擠壓模具分流孔設(shè)計圖

2.4.3 模具設(shè)計特點

1) 分流孔的分布。由于長寬比較大、壁較薄，分流孔分布必須采取階梯型分布，以起到分級流向作用；由于型材為寬扁形，且外形尺寸大(寬318 mm，高50～81 mm) ，因此兩端分流孔的寬展角β=25°、寬展率為29%。

2) 為使高100 mm×1.8 mm的加強筋的?？子凶銐虻慕饘偬畛?，從模具的中心部位開3個階梯分布的分流孔，金屬可直接進(jìn)入分流孔。分流孔尺寸分布的原則是：在保證模具芯頭強度及穩(wěn)定性的前提下，在每個孔外設(shè)計1個橋墩。另外為保證各個模孔的穩(wěn)定性，過渡部位要圓滑。

3) 為使焊合室內(nèi)流動金屬有足夠大的靜水壓力，焊合室的深度h焊取33 mm，并加工成梯形，進(jìn)一步提高其焊合質(zhì)量。

4) ?？壮叽绲拇_定：由于型材為寬扁形，外形尺寸大，寬向收縮較大，其寬向收縮系數(shù)要大于1 % +公差值，高向收縮系數(shù)值取1%[4]。

2.4.4 試模生產(chǎn)

1) 第一次試模，使用材料為6005-T6合金，擠壓速度相對比較慢，這樣可以防止出料筋位置供料不足，模具壁面產(chǎn)生偏差，模具擠壓報廢，為維修做好準(zhǔn)備。

2) 第一次試模后，通過料頭得知，通過修模來保證型材尺寸和壁厚，在供料困難的地方還需要加工擴大其分流孔面積，以保證合金的供料和成型性，避免模具多次上機，減少上機成本，并把生產(chǎn)難度降低。

3 復(fù)雜鋁型材模具的制造加工工藝注意事項[5]

將鍛打坯料(H13)應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)鋁型材模具中，通過探傷檢測內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在粗晶環(huán)、裂紋等缺陷。加工后分流孔上無機械加工刀具的痕跡。為了避免熱處理引起局部應(yīng)力集中，造成擠壓開裂，影響模具的使用壽命，熱處理前必須用粗磨去除應(yīng)力，熱處理后需對模具進(jìn)行拋光處理，模具硬度控制在48～52 HRC。電加工成型應(yīng)保證各芯頭之間的供料平衡和芯頭強度，加工無死角。上、下模壁厚公差控制在±0.02 mm,上、下模工作帶配合齊平，使上模整體落差比上、下模高1 mm，例如，下模工作帶為4 mm,則上模工作帶為6 mm。經(jīng)過十余道工序和各位技工師傅精心雕琢，模具經(jīng)檢驗后符合圖紙設(shè)計要求，并做好檢測記錄，確保上機合格率大大提高，降低模具試模和維護成本，節(jié)省時間。

4 結(jié)論

通過對幾種復(fù)雜工業(yè)鋁型材擠壓模具設(shè)計分析與制造、試模，得出結(jié)論：在保證模具強度的前提下，模具兩側(cè)的金屬流量應(yīng)填充均勻，各個分流比需基本相等，各個分流孔阻力不宜相差太大；遵循“金屬流動性原理”“最小阻力定律原則”，克服了此類多模芯模具原有的壁面偏差、焊合差、薄筋供料不足、表面質(zhì)量差、力學(xué)性能差等問題，減少了試模次數(shù)，滿足了客戶對型材質(zhì)量和力學(xué)性能的要求。量產(chǎn)后做好模具維護保養(yǎng)，并進(jìn)行了多次氮化處理，保證模具在正常生產(chǎn)過程中出料穩(wěn)定，為企業(yè)獲得了良好的效益。