铝合金边封型材挤压模具设计.docx

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铝合金边封型材挤压模具设计

摘要

铝合金因质轻、美观、良好的导热性和易加工成复杂的形状,而被广泛地用于工业生产的各种环节，尤其是散热，装饰门窗等方面。

铝合金型材涉及多种样式，多种功能。

与其他铝型材比，铝合金封边型材有其自身的特点：

卡位之间距离长，深宽比很大，中间部分为保证材料壁厚的均匀通常挖空处理，截面拐点多，且多呈直角分布并有受力需求。

这种型材复杂的截面形状给模具设计、制造和生产带来很大的难度。

本文以一种常用铝合金边封型材为实例，在总结大量型材模具设计制造经验的基础上，论述了铝合金边封型材挤压模具设计的步骤和关键点。

铝合金边封型材挤压模具设计既要保证模具有足够的强度又要平衡金属在模具中的流速。

根据产品图，将铝合金边封型材挤压模具设计成平摸，与导流模配合使用。

以保证在挤压时的金属流动更均匀，这也是铝合金边封型材模具设计的关键点。

文中选用4Cr5MoSiV1模具钢作为模具材料，讨论了铝合金边封型材挤压模具的热处理工艺和铝合金边封型材挤压工艺特点。

关键词：

铝合金、挤压模具设计、挤压工艺、铝型材

Aluminumalloyedgesealingprofileextrusiondiedesign

ABSTRACT

Aluminumalloybyqualitativelight,beautiful,goodthermalconductivityandeasyprocessingintocomplexshapes,andiswidelyusedinvariouslinksofindustrialproduction,especiallytheheatdissipation,decoratedoorsandWindows,etc.Aluminumprofileinvolvesavarietyofstyles,avarietyoffunctions.Withotherthanaluminum,aluminumalloysealingsideprofilehasitsowncharacteristics:

longdistancebetweenthescreens,deepthanthebig,wideinordertoensurethematerialofwallthicknessinthemiddleofhollowingoutevenlynormallyhandle,crosssectionofaturningpoint,andformedarectangulardistributionandmechanicalrequirements.Thisprofilecomplicatedcross-sectionshapetomolddesign,manufacturingandproductionofgreatdifficulty. 

Inthispaper,akindofcommonlyusedaluminumalloyedgesealingmaterialforinstance,onthebasisofsummarizingalargenumberofprofilemoulddesignandmanufacturingexperience,thispaperdiscussesthealuminumalloyedgesealingofprofileextrusiondiedesignstepsandkeypoints.Aluminumalloyedgesealingprofileextrusiondiedesignistoensurethatthemoldhasenoughstrengthandtobalancetheflowvelocityofmetalinthemold.Edgesealingaccordingtoproductfigure,thealuminumalloyprofileextrusiondiedesigncosttotouchpeople,usedwithdiversionmode.Toensurethatduringextrusionofmetalflowmoreeven,thisisalsoedgesealingaluminumshapedmolddesignkeypoints.Inthispaper,weuse4cr5mosiv1steelasmouldmaterial,aluminumalloyedgesealingprofileextrusiondiesisdiscussedtheedgesealingheattreatmentprocessandaluminumalloyprofileextrusionprocesscharacteristics.

Keywords:

Aluminumalloy,aluminumextrusiondiedesign,extrusionprocess,

铝合金边封型材挤压模具设计

XXXXXXXXXXX

1、绪论

1.1、引言

挤压模具设计与制造是铝合金挤压材料，特别是铝合金型材生产的关键技术，不仅影响产品的质量、生产效率和交货周期，而且也是决定产品成本的重要因素之一。

随着铝合金挤压材生产难度的增加和对产品个性化性要求的提高，这种作用更加明显。

2007年，我国铝合金挤压材产销量超过660万t，工模具消耗达80万套以上，价值高达20亿元以上，占挤压加工成本的25%～30%，大大制约了我国铝合金挤压工业的发展。

目前，我国铝合金挤压工模具的平均使用寿命为5～10t/模，一次上机合格率为50%左右，大大落后于国际上15～20t/模和一次上机合格率为67%的先进水平，大有潜力可挖。

因此，不断提高挤压工模具的质量和使用寿命不仅是企业的强烈愿望，也是我国从事挤压工作技术人员的责任[1]。

1.2、挤压模具在铝型材挤压生产中的重要性

我国模具工业的发展，逐渐受到人们的重视和关注，在电子、汽车、电机、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60％～80％的零部件都要依靠模具成形（型），可以说模具是工业生产的基础工艺装备。

在现代工业生产中，各类产品零件广泛采用冲压、锻压成形、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其它成形加工方法，与成形模具相配套，使坯料成形加工成符合产品要求的零件。

与其它加工制造方法相比，用模具生产的产品具有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗等特点，因此，模具在工业生产中具有相当重要的地位。

模具的质量和先进程度，直接影响产品的质量、产量、成本，影响新产品投产周期、企业产品结构调整速度与市场竞争力。

模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品价值，往往是模具自身价值的几十倍以上。

目前，模具生产的工艺水平及科技含量的高低，己成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志之一，决定着一个国家制造业的国际竞争力。

现代模具行业是技术、资金密集型的行业，模具行业的发展，可以带动制造业的 蓬勃发展。

按照一般公认的标准，模具产值与其带动实现的工业产值之比为3:

100。

通过模具加工产品，可以大大提高生产效率，节约原材料、降低能耗和成本，产品的一致性好。

如今，模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低，而在各行各业得到了广泛应用，并且直接为高新技术产业服务，特别是在制造业中，它起着其它行业无可取替代的支撑作用，对国民经济的发展有着辐射性的影响。

在现代化的大生产中，模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义。

模具使用寿命是评价某一挤压方法或挤压工艺经济可行的决定因素之一，工模具的设计与制造质量是实现挤压生产高产、优质、低耗、高效低成本的重要保证之一。

具体来说，其重要地位和作用表现在以下几方面[2]:

（1）合理的工模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础，因为它是使金属产生挤压变形和传递挤压力的关键部件。

（2）模具是保证产品成形，具有正确形状、尺寸和精度的基本工具。

只有结构合理、精度和硬度合格的模具（包括针尖或模芯），才能实现产品的成形并具有精确的内外廓形状和断面尺寸。

同时，合理的模具和工具（包括模垫、支承环和导路等）设计能保证产品具有最小的翘曲和扭曲，最小的纵向弯曲和横向波浪度。

（3）模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一。

（4）合理的工模具结构、形状和尺寸，在一定程度上可控制产品的力学性能和内部组织，特别是在控制空心制品的焊缝组织和力学性能方面，分流孔的大小、数量和形状及分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等起着决定性的作用。

挤压垫片、挤压筒和模子的结构形状与尺寸及表面质量，对控制产品的粗晶环和缩尾、成层等缺陷也有一定的作用。

（5）工模具的结构形状与尺寸对金属的流变、挤压温度-速度场、应力-应变场等有很大的影响，从而对提高生产效率、产品质量和减少能耗有重大作用。

（6）合理的工模具设计对提高其装卸与更换速度，减少辅助时间，改善劳动条件和保证生产安全等方面意义重大。

（7）新型的模具结构，对于开发新产品、新工艺，研制新材料和新设备，不断提高挤压技术起着很大的作用。

如扁挤压筒、舌型模、组合模、多层预紧应力模、变断面模等。

（8）高比压优质圆挤压筒和扁挤压筒及特种型材模和异形管材模的设计与制造技术是铝合金挤压生产的核心和关键技术，其技术含量在整个挤压技术中占有很大的比例。

（9）对于中等批量的挤压产品，工模具的成本占总成本的 30%左右，如将其使用寿命提高 5～10 倍，则产品的成本可大幅度下降。

因此，在铝挤压界广泛流传的一句口号：

产品是生命，设备是基础，模具是关键，工艺是保证。

1.3、铝型材挤压模具技术发展概况

在金属压力加工中，决定某一挤压方法是否经济可行，主要取决于下列三个方面，即产品质量、生产效率和工模具寿命，而工模具往往是工艺决策的关键因素。

因此，挤压用工模具的发展实际上伴随挤压技术的发展而发展。

铝合金挤压技术发展的初期，由于挤压机能力小，结构简单，产品形状单一而且尺寸较小，所变形合金较软，所以模具一般为结构形状极为简单，尺寸较小的圆状平面模，工具的结构形状也较为简单。

当时的模具多用普通工具钢，采用一般的机械加工方法制造。

随着铝合金挤压材向大型化、复杂化、精密、多规格、多用途方面发展，对挤压工模具提出了越来越高的要求。

不仅出现了像平面分流组合模、宽展模具、保护模、变断面模等多种新型结构的模具，成功地研制出多种σb达1500MPa以上的高级耐热高强度工模具材料，而且开发了多种大型的基本挤压工具，这些工具便于装卸，先进可靠，但结构形状复杂，尺寸规格大，难于设计制造。

如200MN卧式挤压机上的大型特种组合型材模具，模具组尺寸为φ1800×500mm，重达10t,需15t高强而热合金钢坯，其设计、制造、使用和维修都十分复杂。

我国模具开发制造水平与国外相比仍存在很大的差距，比国际先进水平至少落后10年，特别是在大型、精密、复杂、长寿命模具的制造上存在很大困难，这也成为制约我国制造业发展的瓶颈。

表1-1列出了国内外挤压模具设计制造的发展水平和主要差距[3]。

国际先进水平

国内先进水平

设计理论和方法

普遍采用动态热分析与热模拟及有限元和电子计算机分析技术，研发了多种新结构模具及设计软件，建立了巨型数据库与专家库，正在研发零试模技术

基本采用传统方法，开始研究和开发新理论、新方法，开始重视新结构模具研发与软件开发

新结构大型工具

广泛采用高比压的优质圆、扁挤压筒，固定挤压垫，快速换模装置及高效反挤压工具

开始研发扁挤压工具和固定挤压垫及快速更换装置

模具材料

以H13钢及改进型钢为主，采用电渣重熔、炉外在线精炼，开始研制陶瓷高温和粉末合金等新型模具材料

以H13钢替代3Cr2W8V钢，H13钢的冶金质量逐步提高，同时开始开发新型模具材料和陶瓷材料

模具加工技术

机加工、电加工和热加工水平很高，机床的NC/CNC程度达95%以上，加工中心基本普及实现全线自动化生产

推行机-电-热综合加工方法，传统的手工加工法仍占相当大的比重，机床的NC/CNC程度为50%左右，加工中心开始应用

热处理技术

普遍推广预处理、真空和保护气氛热处理工艺。

开发出了等温淬火、多级淬火和多次回火等新工艺

传统热处理法占60%以上，开始采用真空、保护气氛热处理工艺，并开始研发新热处理工艺

表面处理技术

普遍采用各种表面处理技术，可处理窄缝（0.6mm）模孔，表面硬度可达2500～4000HV

开发并正在推广几种有效的表面处理技术，可处理0.76mm以上的窄缝，模表面硬度可达2000～2500HV

生产方式及专业化、标准化程度

高度专业化集约化生产，专业化标准化程度达85%～95%

多采用大而全、小而全生产方式，专业化、标准化程小于50%

模具平均使寿

命与质量

平面模：

30～50t/每模以上

组合模：

20～25t/每模以上

一次上机合格率：

70%左右

平面模：

8～20t/每模左右

组合模：

5～15t/每模左右

一次上机合格率：

50%左右

表1-1 国内外挤压模具设计制造的发展水平和主要差距

1.4、论文的主要研究内容

模具可以说是产品生产的心脏，其设计的好坏直接影响到挤压型材的质量及效率（外形尺寸、壁厚公差、强度、表面外观），为了得到稳定的质量，就必须使模具工作带的型材断面金属流速达到一致。

模具设计上的重点是要充分考虑到直接挤压的特性（材料流速不一致）和工具内的复杂流动性，在保证模具强度的同时，尽量使得最终挤压成型出口的每个位置金属流速保持一致。

本文通过对铝合金边封型材结构的分析，在分析和总结大量实践经验的基础上，详细探讨了实际挤压模具设计与制造的方法和关键点。

文章从铝合金边封型材挤压模具的整体设计到模具各个结构的设计一一作了详细论述，同时还讲述了挤压工艺和挤压模具材料热处理工艺。

2、型材挤压模具设计技术

2.1、型材模具的设计原则及步骤：

2.1.1、挤压模具设计时应考虑的因素：

在设计挤压模具时，除了应参考机械设计所需遵循的原则以外，尚需考虑热挤压条件下的各种工艺因素，其中包括由设计者本身确定的因素、模子制造者确定的因素和由挤压生产者确定的因素。

（1）由模子设计者确定的因素。

挤压机的结构，压型嘴的选择或设计，模子的结构和外形尺寸，模子材料，模孔数和挤压系数，制品的形状、尺寸及允许的公差，模孔的形状、方位和尺寸，模孔的收缩量、变形挠度、定径带与阻碍系统的确定，以及挤压时的应力应变状态等。

（2）由模子制造者确定的因素。

模子尺寸和形状的精度，定径带和阻碍系统的加工精度，表面粗糙度，热处理硬度，表面渗碳、脱碳及表面硬度变化情况，端面平行度等。

（3）由挤压生产者确定的因素。

模具的装配及支承情况，铸锭、模具和挤压筒的加热温度，挤压速度，工艺润滑情况，产品品种及批量，合金及铸锭质量，牵引情况，拉矫力及拉伸量，被挤压合金及铸锭规格，产品出模口的冷却情况，工模具的对中性，挤压机的控制与调整，导路的设置，输出工作台及矫直机的长度，挤压机的吨位和挤压筒的比压，挤压残料长度等。

在设计前，拟订合理的工艺流程和选择最佳的工艺参数，综合分析影响模具效果的各种因素，是合理设计挤压模具的必要和充分条件。

2.1.2、模具设计的原则与步骤：

在充分考虑了影响模具设计的各种因素之后，应根据产品的类型、工艺方法、设备与模具结构来设计模腔形状和尺寸，但是，在任何情况下，模腔的设计均应遵循如下的原则与步骤[1]:

（l）确定设计模腔参数 

设计正确的挤压型材图，拟订合理的挤压工艺，选择适当的挤压筒尺寸，挤压系数和挤压力，决定模孔数。

这一步是设计挤压模具的先决条件，可由挤压工艺人员和设计人员根据生产现场的设备条件、工艺规程和大型基本工具的配备情况共同研究决定。

（2）模孔在模子平面上的合理布置 

所谓合理布置就是将单个或多个模孔，合理地分布在模子平面上，使之在保证模子强度的前提下获得最佳金属流动均匀性。

单孔的棒材、管材和对称良好的型材模，均应将模孔的理论重心置于模子中心上，各部分壁厚相差悬殊和对称性很差的产品，应尽量保证模子平面x轴和y轴的上下左右的金属量大致相等，但也应考虑金属在挤压筒中流动特点，使薄壁部分或难成形处尽可能接近中心，多孔模的布置主要应考虑模孔的数目、模子强度（孔间距及模孔与模子边缘的距离等），制品的表面质量、金属流动的均匀性等问题。

一般来说，多孔模应尽量布置在同心圆周上，尽量增大布置的对称性（相对于挤压筒的x轴和y轴），在保证模子强度的条件下（孔间距应大于20～50mm，模孔距模子边缘应大于20～50mm），模孔间应尽量紧凑和尽量靠近挤压筒中心（离挤压筒边缘应大于10～40mm）。

 （3）模孔尺寸的合理计算 

计算模孔尺寸时，主要考虑被挤压合金的化学成分，产品的形状，公称尺寸及其允许公差，挤压温度及在此温度下模具材料与被挤压合金的热膨胀系数，产品断面上的几何形状的特点及其在挤压和拉伸矫直时的变化，挤压力的大小及模具的弹性变形情况等因素。

对于型材来说，一般用以下公式进行计算：

A=A0+M+（Ky+Kp+Kt）A0（2.1）

式中Ao—型材的公称尺寸；

M—型材公称尺寸的允许偏差；

Ky—对于边缘较长的丁字形、槽型等型材，考虑由于拉力作用而使型材部分尺寸减少的系数；

Kp—考虑到拉伸矫直时尺寸缩减系数；

Kt—管材的热收缩量；

Kt由下式计算：

Kt=tα—t1α1（2.2）

式中t和t1—分别为坯料和模具的加热温度；

α和α1—分别为坯料和模具的线膨胀系数。

对于壁厚差很大的型材，其难于成形的薄壁部分及边缘尖角区应适当加大尺寸，对于宽厚比大的扁宽薄壁型材及壁板型材的模孔，折条部分的尺寸可按一般型材设计，而腹板厚度的尺寸，除考虑以上公式所列的因素外，尚需考虑模具的弹性变形与塑性变形及整体弯曲，距离挤压筒中心远近等因素。

此外，挤压速度，有无牵引装置对模孔尺寸也有一定的影响。

（4）合理调整金属的流动速度

所谓合理调整金属的流动速度就是在理想状态下，保证制品断面上的每一个质点应以相同的速度流出模孔。

合理调整金属流速的方法主要在模子平面上合理布置模孔，尽量采用多孔对称排列，根据型材的形状，各部分壁厚的差异和比周长的不同以及距离挤压筒中心的远近，设计不等长的定径带。

一般来说，型材某处的壁厚越薄，比周长越大，形状越复杂，离挤压筒中心越远，则此处的定径带应越短，当用定径带仍难于控制流速时，对于形状特别复杂，壁厚很薄，离中心很远的部分可采用促流角或采用导料锥来加速金属的流动。

相反，对于那些壁厚大得多的部分或离挤压筒很近的地方就应采用阻碍角进行补充阻碍，以减缓此处的流速。

此处，还可以采用工艺平衡孔，工艺余量或者采用前室模、导流模，改变分流孔的数目、大小、形状和位置来调节金属的流速。

（5）保证足够的模具强度

由于挤压时模具的工作条件是十分恶劣的，所以模具强度是模具设计中的一个非常重要的问题。

除了合理布置模孔的位置，选择合适的模具材料，设计合理的模具结构和外形之外，精确地计算挤压力和校核各危险断面的许用强度也是十分重要的。

目前计算挤压力的公式很多，经验公式、初等解析公式虽然精度较低，但由于简单，具有较好的工程价值：

挤压力的上限解法，由于可用于求解复杂断面型材的挤压变形问题，也有较好的实用价值：

对于某些重要的模具或十分复杂的模具可用有限元法求解。

2.1.3、模具设计的技术条件及基本要求：

模具的结构、形状和尺寸设计计算完毕以后，要对模具的加工质量、使用条件提出基本要求，这些要求主要是:

（1）有适中而均匀的硬度，模具经淬火、回火处理后，其硬度值为 HRC40～52（根据模具的尺寸而定，尺寸越大，要求的硬度越低）。

（2）有足够高的制造精度，模具的形位公差和尺寸公差应符合图纸的要求（一般负公差制造），配合尺寸具有良好的互换性。

（3）有足够高的表面粗糙度，配合表面应达Ra=3.2～1.6μm，工作带表面达Ra=1.6～0.4μm，表面应进行氮化处理、磷化处理或其它表面强化处理，如多元素共渗处理及化学热处理等。

（4）有良好的对中性、平行度、直线度和垂直度，配合面的接触率应大于80%。

（5）模具无内部缺陷和表面缺陷，一般应进行超声波探伤和表面质量检查后才使用。

（6）工作带变化处及模腔分流孔过渡区、焊合腔中的拐接处应圆滑均匀过渡不得出现棱角。

2.2、挤压模典型结构要素的设计：

2.2.1、模角：

模角α是挤压模设计中的一个最基本的参数，它是指模子的轴线与模面之间所构成的夹角。

模角α在挤压过程中起着十分重要的作用，其大小对挤压制品的表面质量与挤压力都有很大的影响。

平模的模角α等于90°，其特点是在挤压时形成较大的死区，可阻止铸锭表面的杂质、缺陷、氧化皮等流到制品的表面上，可获得良好制品表面，但在挤压某些易于在死区产生断裂的金属与合金时，会引起制品表面上出现分层、起皮和小裂纹。

采用平模挤 压时，消耗的挤压力较大，模具容易产生变形，使模孔变小或者将模具压坏，特别是挤压某些高温高强的难变形合金时，上述现象更为明显。

从减少挤压力，提高模具使用寿命的角度来看，应使用锥形模。

根据模角α与挤压力的关系，当α=45°～60°时，挤压力出现最小值。

但当α=45°～50°时，由于死区变小，铸锭表面的杂质和脏物可能被挤出模孔而恶化制品的表面质量。

因此，挤压铝合金用锥形模的模角应大于50°，一般可取55°～65°。

应该指出，随着挤压条件的改变，合理模角也会发生变化。

为了兼顾平面模和锥形模的优点，出现了平锥模和双锥模。

双锥模的模角为：

α1=60°～65°，α2=10°～45°，但在挤压铝合金时，为了提高挤压速度，最好取α2=10°～13°。

此外，还采用流线模、平流线模和碗形模等，这些模子的模角是连续变化的。

2.2.2、定径带长度和直径：

定径带又称工作带，是模子中垂直模子工作端面并用以保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段。

定径带直径d定与实际所挤压的制品直径并不相等，设计d定大小时，其基本原则是：

在保证挤压出的制品在冷却状态下不超出图纸规定的制品公差范围的条件下，尽量最大限度地延长模具的使用期限。

影响制品尺寸的因素很多，如温度、模具材料和被挤压金属的材 料，制品的形状和尺寸，拉伸矫直量以及模具变形情况等，在设计模具定径带直径时，通常用一裕量系数C1来考虑各种因素对制品尺寸的影响。

 定径带长度h定也是模具设计中的重要基本参数之一。

定径带长h定度过短，制品尺寸难于稳定，易产生波纹、椭圆度、压痕压伤等废品，同时，模子易磨损，会大大降低模具的使用寿命。

定径带长度h定过长时，会增大金属的摩擦阻力，从而增大挤压力，且易于粘结金属，使制品的表面出现划伤、毛刺、麻面、波浪等缺陷。

2.2.3、出口直径或出口喇叭锥：

模子的出口部分是保证制品能顺利通过模子并保证高表面质量的重要参数。

若模子出口直径d出过小，则易划伤制品表面，甚至会引起堵模，但出口直径d出过大，则会大大削弱定径带的强度，引起定径带过早地变形、压塌，明显地降低模具的使用寿命。

因此，在一般情况下，出口带尺寸应比定径带尺寸大3～6mm，对于薄壁管或变外径管材的模子此值可适当增大。

为了增大模子的强度和延长模具的使用寿命，出口带可做成喇叭锥。

出口喇叭角（从挤压型材离开定径带开始）可取1°