大型复杂截面铝型材模具的宽展结构设计

　1、前言　　目前，国内铝挤压行业发展迅猛，市场对大尺寸截面铝型材的需求量正逐年上升，但是，由于5000吨以上的大型挤压机的设备投资较大，并且，大型挤压机的挤压生产成本较高，因此，国内目前只有少数大企业才装备有5000吨以上的大型挤压机。而绝大多数铝型材生产企业所装备的挤压机都是以4000吨以下的中小型挤压机为主。用中小型挤压机生产几何尺寸较大的型材时，由于受到挤压筒直径的限制，这类型材的挤压生产难度非常大，小机出大料问题一直是困扰铝挤压模具行业的技术难题。本文通过几个具体的模具设计实例，谈谈复杂型材宽展模具的设计体会。
　　2、宽展设计原理
　　宽展模具就是在模具前端设置一个具有宽展功能的导流板，挤压时使圆铸锭产生一次预变形，变形后的铸锭截面大致接近于宽厚比大的型材截面尺寸，使导流板的导流孔的宽度逐渐增大到接近或大于圆挤压筒的内径，金属再经过二次变形流出模孔，以生产出外接圆尺寸超过圆挤压筒直径的大尺寸型材。在进行宽展模的设计过程中，要用到宽展率δB和宽展角β。
　　导流板的宽展率δB：
　　导流板的宽展角β为：
　　式中：δ----导流板的宽展率(通常在15%～35%范围较合适);
　　β----导流板的宽展角(一般β角小于30°);
　　B2----为宽展直径;
　　B1----为进料直径;
　　HB----为导流板的厚度。
　　宽展角在一般情况下都选择在30度以内，如果宽展角过大，金属将出现填充不良现象，但是，在特殊的情况下，采用特殊的模具结构，可以突破常规极限，使宽展角设计的更大。
　　3、宽展模设计实例
　　设计实例一：工程料大装饰板(如图1)
　　模具设计基本参数：挤压机吨位2500T，挤压筒直径φ236mm，挤压系数18，模具直径：φ460mm，合金牌号6063，挤压筒温度400～430℃，铸锭温度,480～510℃，模具温度460-480℃，挤压速度8～15m/min。
　　难点分析：该型材几何尺寸较大，壁厚较薄，客户对几何尺寸公差和壁厚公差要求严格，型材外接圆超出了2500吨挤压机模具进料孔极限，而且，该型材有两个小模芯，由于受到分流孔进料直径的限制，两个小模芯的供料很难平衡，导致小模芯在上下方向上受力不均，小模芯容易发生严重偏移，从而影响出料成型，此外，由于型材中间的空腔较大，模具的挤压死区面积过大，造成挤压力大幅升高，因此，该型材在生产过程中极易出现斜角，波浪等缺陷，甚至会发生模具裂桥报废。为了有效避免上述问题的产生，必须从改善模具的结构入手，使模具各部分的供料均匀，模芯受力平衡。为了达到良好的出料效果，我们在设计模具时采取导流板两次分流的结构形式，导流板采取三孔沉桥的设计方案，如图2所示，上模分流孔如图3所示，模具结构如图4所示。
　　该型材的左右部分不对称，右半部分由于两个小公头的存在，比左半部分难出料，因此，在设计导流板时，应充分考虑左右两部分的供料比例。基于上述分析，我们将该模具导流板设计成三孔结构，右半部分由一个大分流孔供料，并将导流板设计成“半月形”如图2，这种结构能有效增大模具外侧边缘的供料，同时减少中间直冲部分的供料，根据经验公式计算，导流板右边的分流孔进料面积与上下分流孔的进料面积比例，设计为1:1.3。为使远离挤压中心的边缘部分的型材供料充分，导流板的分流桥采用斜面向外过渡，以减小边缘部分的金属流动阻力。
经上机试模证明，这种结构能有效平衡两个小模芯的受力，型材各处的金属流量分配较为合理，模具上机出料平稳，料头整齐，各处壁厚较为均匀，仅小公头端面处出料略慢，两个小模芯位置轻微收口，经一次修模调整后，生产的型材成型理想，完全满足客户要求。
　　设计实例二：工业型材风车中空机翼(如图5)
　　模具设计基本参数：挤压机吨位2500T，挤压筒直径φ236mm，挤压系数23，模具直径：φ460mm，合金牌号6063，挤压筒温度400～430℃，铸锭温度,480～510℃，模具温度460-480℃，挤压速度8～15m/min。
　　难点分析：该型材几何尺寸较大，客户对圆弧部分精度要求较高。该型材如果在3600吨挤压机(挤压筒直径300mm—320mm)上生产的话，较为容易，但是由于受到设备条件的限制，2500吨挤压机的挤压筒直径偏小(φ236mm)，给生产造成了较大的难度，该型材两边远离挤压中心的位置供料较为困难，出料以后由于流速不均，容易造成圆弧部分变形，难以满足客户对圆弧部位尺寸精度的要求。同时，由于模具的横向桥位跨度过大，模芯处的挤压死区面积也较大，使模具桥位的抗弯强度大大下降，在挤压生产过程中，当模具承受较大压力载荷时，桥位的变形挠度增大，在桥位水滴处形成较大的拉应力，从而造成裂桥报废。
　　针对上述问题，我们通过采用导流板宽展结构，使型材边缘部分的供料充足，同时，在导流板与上模之间预留变形间隙，对上模起到保护作用，这种结构能有效提高模具桥位的抗弯强度。
　　我们将导流板(如图6所示)设计成四孔结构，导流板的中间架桥，分流桥采用斜面向外过渡，目的是为了减小分流孔边缘部分的金属流动阻力。上模分流孔设计成八孔结构(如图7所示)，每个导流板的进料孔分别为上模的两个分流孔供料，模具结构如图8所示
　　金属通过导流板后，进行了第一次预变形，通过调整导流板的进料结构，可使模具各部分的流速更加均匀，另外，在导流板与上模之间留出一定的预变形间隙，当模具受到压力作用时，导流板可承受大部分变形载荷，从而减少了上模的变形量，极大地改善了上模模桥的应力分布状态，上模在挤压过程中所产生的变形挠度大为减小，使模具桥位的抗弯强度大大增加，显著提高了模具的使用寿命。
　　在实际生产过程中，该模具出料平稳，料头整齐，型材各处壁厚均匀，各个圆弧位的尺寸精度较高，生产出的型材成型状况非常理想，模具上机一次合格，大大缩短了交货周期。
　　难点分析：该型材几何尺寸较大，形状复杂，型材两边的两个小公头已经超出了2500吨挤压机的挤压筒直径(如图9)，因此，在2500吨挤压机上生产的难度很大，为了充分发挥2500吨挤压机的工作潜能，我们经过详细的强度校核计算，设计了新结构的导流板，通过采用宽展导流模的结构，用2500吨挤压机成功生产出了满足客户需求的合格产品，大大降低了生产成本。
　　该型材虽然在结构上左右对称，但形状较为复杂，尤其在内侧有7个装配凹槽，这些凹槽处供料较为困难，在挤压过程中容易造成收口变形等成型缺陷，同时，由于左右两个小公头已经超出了挤压筒直径，容易发生严重偏壁，甚至导致模芯断裂报废，因此，在设计模具时，必须保证模具各部位供料平衡以及模芯的受力平衡。为了使模芯在左右方向上的受力达到平衡，我们设计了大宽展率的导流板，通过沉桥减少了边缘阻力，使导流板宽展角最大达到38°(如图10所示)。模具的上模分流孔采用扇面状均匀分布(如图11所示)。模具结构如图12所示。
　　在设计过程中通过经验公式计算，调整各分流孔的供料面积，使型材各个部位的流速更加均匀，模芯的受力情况得到极大改善，避免了偏壁现象。
　　该模具上机后，总体出料情况较为理想，料头整齐，壁厚较为均匀，但中横处偏快，左右凹槽偏慢，造成一定程度的收口变形，经过修模调整后，该模具成功生产出了合格产品。
　　设计实例四：大型工业用[size=1em]散热器(如图13所示)
　　模具设计基本参数：挤压机吨位2500T，挤压筒直径?236mm，挤压系数8，模具直径：￠460mm;合金牌号6063，挤压筒温度400～430℃，铸锭温度,490～520℃，模具温度460-480℃，挤压速度6～12m/min。
　　难点分析：该散热器型材有多处装配位，客户为了减少后续的机加工成本，对型材的尺寸精度和平面度要求很高，并且，该型材几何尺寸较大，大大超出了2500吨挤压机的挤压筒直径(如图13所示)，该散热器齿位壁厚2.0mm，中横处壁厚达13mm，由于较难出料的齿位处于远离挤压中心的边缘位置，而处于挤压中心的中横处的壁厚较厚，因此，该型材的齿位供料将极为困难，如采用普通模具设计方案，该型材中横部分的流速会很快，将难以控制，而齿位很可能因流速过慢而造成塞模，甚至偏齿。为了解决流速控制的难题，必须设计超大宽展角的导流板，我们在2500吨挤压机上采用了新颖的“两级复合导流板”结构。
　　一级导流板如图14所示，该导流板采用中间架桥的两孔结构，并向两侧进行大角度宽展，宽展角达41.3°。二级导流板如图15所示，该导流板采用10孔结构，型材流速过快的中横处被桥位完全遮挡，同时加大两端齿位处分流孔的供料面积，通过经验公式计算，我们将齿位处分流孔与中横处分流孔的面积比例设计为1.8：1。同时，齿位处分流孔采用直冲供料和沉桥的结构，如图15所示。模具结构如图16所示。
　　该模具的两级导流板结构，能最大限度的合理分配金属流量和流速，当金属进入一级导流板后，遇到二级导流板桥位的阻挡，金属将更多的向两端的齿位处分流，从而实现模具的流速和流量控制。
　　该模具加工完成后，上机一次合格，型材成型非常理想，齿位供料充足，中横处的流速得到有效控制，料头整齐，尺寸精度和平面精度较高，完全满足客户的要求。
　　4、小结：
　　对于宽厚比较大的扁宽型材，模具采用导流板宽展结构，能有效扩展金属在模具中的流动范围，金属在经过导流板进行第一次宽展预变形后，再进入上模分流孔进行第二次分流，模具的供料结构更为均匀合理，这种结构能显著改善型材出料的成型度，同时大大提高模具的强度和稳定性，在实际生产过程中，宽展模能够使挤压机的工作潜能发挥到最大程度，使“小机出大料”的生产难题在很大程度上得到有效解决。
　　设计实例三:工业型材结构立柱(如图9)
　　模具设计基本参数：挤压机吨位2500T，挤压筒直径φ236mm，挤压系数12，模具直径：φ460mm，合金牌号6063，挤压筒温度400～430℃，铸锭温度,480～510℃，模具温度460-480℃，挤压速度8～15m/min。