铝型材挤压模具知识.docx

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铝型材挤压模具知识

所谓挤压，就是对放在容器（挤压筒）中的锭坯一端加以压力，使之通过模孔成型的一种压力加工方法。

1.1.1沿型材长度方向断面不变的实心型材挤压

按金属制品相对于挤压杆运动方向可分为：

1）金属正向流动的挤压

2）金属反向流动的挤压

通过挤压筒传递压力

通过坯料传递压力

同上图，运动构件不同

3）正向和反向的联合挤压

挤压筒、坯料、模具都参与先后运动形成挤压

1.1.2空心型材挤压可分为：

1）固定针挤压

2）随动针挤压

无缝管材正向热挤压

（a）固定针挤压；（b）随动针挤压

1－挤压杆；2－挤压垫；3－挤压筒；4－挤压模；5－锭坯；6－挤压制品；7－挤压针

3）焊合挤压

焊合管材、空心型材正向热挤压

1－挤压杆；2－挤压垫；3－挤压筒；4－上模；5－下模；6－锭坯；7－挤压制品

1.1.3阶段变断面实心型材的挤压

用三个可拆卸模挤压阶段变断面型材的示意图

a－挤压基本型材部分；b－挤压过渡区；c－挤压大头部分

优点：

1）具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性。

因此可以加工用轧制或锻造加工有困难甚至无法加工的金属材料。

也可以用挤压法先对锭坯进行开坯。

2）还可以生产断面极其复杂的，以及变断面的管材和型材。

3）具有极大的灵活性。

在同一台设备上能够生产出很多的产品品种和规格。

只需要更换相应的模具就可。

4）产品尺寸精确，表面质量高。

缺点：

1）金属的固定废料损失较大，要留压余和有挤压缩尾。

2）加工速度低。

3）工具消耗较大。

挤压法非常适合于生产品种、规格和批数繁多的有色金属管、棒、型材，以及线坯等。

在生产断面复杂或壁薄的管材和型材，直径与壁厚之比趋近于2的超厚壁管材，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面，挤压法是唯一可行的压力加工方法。

发展概况：

目前的型材品种已经达到50000多种，其中包括各种具有复杂外形的型材、逐渐变断面型材和阶段变断面型材、大型整体带筋壁板及异形空心型材。

挤压型材的最大宽度可达2500mm，最大断面积可达1500平方厘米，最大长度可达25～30m，最重可达2t左右。

超高精度的型材，最薄壁厚已达0.5mm，最精公差可达±0.0127mm。

薄壁宽型材的宽厚比可达150～300以上，带孔空心型材的孔数可达数十个之多。

2.1不同挤压阶段金属流动特点

挤压时金属流动情况可分为3个阶段。

a阶段为开始挤压阶段（填充挤压阶段）

b阶段为基本挤压阶段（平流挤压阶段）

c阶段为终了挤压阶段（紊流挤压阶段）

挤压时坐标网格变化示意图

A处为缩尾

a－开始挤压阶段；b－基本挤压阶段；c－终了挤压阶段；d－压缩锥出口处主延伸变形图；e－制品断面上主延伸变形图；f－主延伸变形沿制品轴向上的分布：

Ⅰ-中心层；Ⅱ－外层

简要说明：

在挤压金属流动的过程中，由于受到外摩擦、锭横截面温度分布、金属强度、变形程度、挤压设备等因素的影响，挤压时金属流动不均匀总是绝对的。

为便于分析，用网格线的流动来模拟金属流动，并利用网格线状态来说明金属流动的不均匀性。

金属挤压过程中，可以进行以下分析：

1）网格线顶点间的距离关系L89>L78>L67......

2）挤压终了时，产生缩尾；

3）锭纵剖面上，纵向线进入变形区压缩锥时，发生方向相反的两次变形，其弯角由外层向内逐渐减少，而中心线的纵向线不发生变形；

4）在变形区内，横向线弯曲，中心部分超前，越接近出口面其弯曲越大。

5）存在两个难变形区，一般称为死区。

2.2影响金属流动因素

a挤压方法

a－正向挤压；b－反向挤压；c－活性摩擦挤压

一般来说，反向挤压比正向挤压流动均匀，润滑挤压比不润滑挤压流动均匀，冷挤压比热挤压流动均匀，有效摩擦挤压比其它挤压方法流动均匀。

b接触摩擦与润滑

正向法挤压铝合金时铸锭中的金属的变形

a－润滑挤压（平面模）；b、d－无润滑挤压（平面模）；c－无润滑挤压（锥形模）

挤压时流动的金属与工具间存在接触摩擦力，其中以挤压筒壁上的摩擦力对金属流动的影响最大。

接触摩擦力对金属的流动均匀性起不良的影响。

但是，在某种情况下，可以有效地利用金属与工具之间接触摩擦作用来改善金属的流动。

在设计模孔时利用不同的工作带长度对金属产生不同的摩擦作用来调节型材断面上的各部分的流速。

c挤压工模具

同模角对金属流的影响

a-α=90°;b-α=75°;c-α=60°;d-α=45°;e-α=30°

挤压工模具的结构形状，表面状态、模孔排列、加热温度对金属的流动有很大的影响，设法提高金属流动的均匀性，是设计、制造和使用挤压工模具的一个非常重要的问题。

其中包括了：

1）模子结构和形状的影响

2）模孔排列的影响

3）表面状态的影响

4）加热温度的影响

4.1挤压工模具组成及工模具装配形式

卧式正向挤压机的工模具装配形式

（a）模座平面密封的热挤压；（b）模座锥面密封的热挤压

1－挤压杆；2－挤压筒；3－挤压垫；4－前置模（如导流模、宽度模、保护模等）；5－挤压模；6－模垫；7－模支承；8－前支承环；9－后支承环；10－模座；11－挤压针。

立式挤压机的工模具装配形式

（a）立式正向挤压机；（b）立式反向挤压机

由上几图可知，挤压工模具一般包括：

模子、穿孔针或芯棒、挤压垫、挤压杆和挤压筒。

穿孔针基本结构形式

a－圆柱式针；b－瓶式针；c－立式挤压机用的固定针；d－异型针；e－变断面型材针；f－立式挤压机用的活动针

挤压杆基本结构形式

挤压垫基本结构形式

a－棒、型材挤压垫；b－管材挤压垫；c－铝合金用挤压垫；d－立式挤压机用挤压垫

模子按模孔压缩区断面形状可分为以下几类

a－锥形模；b－平模；c－平锥模；d－流线型模；e－双锥模

4.2挤压工艺及模具设计

1挤压工艺设计

挤压工艺流程为：

铸锭加热→挤压→切压余→淬火→冷却→切头、尾（→切定尺）→时效→表面处理→包装......

铸锭加热：

一般材料为6063的铸锭应加热到430～510°C，而挤压筒应相应加热到400～480°C

切压余：

压余厚度一般与挤压机吨位有关，可在确定挤压机吨位后确定。

为了防止缩尾缺陷的出现，可进行不完全挤压。

即是在挤压过程中，在可能出现缩尾时。

便中止挤压的操作。

此时，留在挤压筒内的锭坯部分称为压余。

所以应该切压余。

压余厚度如上所述与挤压机的吨位有关。

淬火：

目的是为了在挤压后可以得到淬火组织，保证一定的组织性能，具体操作可让挤压温度高于6063的淬火温度，然后空冷，以便于达到淬火目的。

6063系列铝合金采用较高挤压温度，是由于大部分场合下采用直接风冷淬火的需要，500摄氏度以上的6063合金材料经自然冷却后，其延展性有较明显降低，其主要原因是由于晶界析出物的增加和晶粒的过分粗大化。

冷却：

在挤压机的冷床上实现，冷床长度因挤压机吨位而变。

切头、尾：

由于挤压制品的头部会保持原来的铸造组织而挤压制品的尾部则容易出现缩尾的缺陷，因此，头、尾部分制品的组织并不能符合要求，所以要切掉；一般来讲，制品头部应切掉100～300mm。

而制品尾部应切掉300～500mm；切尾长度具体视是否去除缩尾现象（制品截面上有肉眼都可见的小孔）而有所不同。

时效：

是指制品的强度和硬度随时间而增大的现象，出现这种现象是由于室温保持或加热以使过饱和固溶体分解的缘故。

时效分自然失效和人工时效，以温度来划分，温度高于100摄氏度的叫做人工时效。

相反，温度低于100摄氏度的叫自然时效。

时效一般维持2～3小时。

表面处理：

它是用物理、化学和机械等方法，改变固体表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所要求的表面性能的各种技术的总称。

主要目的是为了提高挤压制品的一般性能或得到一些特殊性能。

挤压工艺条件：

应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类、形状、尺寸等）、切压余、淬火、冷却、切头切尾等多方面的因素。

其中，选择挤压筒直径D0是一个最核心的问题，有以下的选择原则：

1）保证产品表面质量原则

2）保证挤压模强度的原则

3）保证产品内在质量的原则

4）经济上的优化原则－生产成本最低；成材率最大；产量最高。

由1、2、3基本上可找到一定范围内的D0，然后用经济上优化中的成材率最大的原则确定，而后确定设备吨位。

实心型材挤压工艺设计实例一

已知材料的牌号为LD31（6063）现有设备如下表，欲进行实心型材的挤压工艺设计：

设备吨位

500T

800T

1630T

挤压筒内直径D0

φ95

φ125

φ187

挤压筒截面积F0（

）

7085

12266

27451

锭坯尺寸Dd×Ld

冷床长

26m

32m

44m

填充系数

1.114

1.085

1.104

压余厚

最大挤压比

97.4

73.6

加工范围

最大外接圆直径（模孔孔形）

φ65

φ95

φ147

挤一根最小制品断面积F制min

150

372

工艺设计的成品断面形状、尺寸如下表：

型材成品断面示意图

25±0.45mm

40±0.60mm

2±0.20mm

2mm

r1,r2

1mm

经计算或通过参数的选择得到下表：

工艺参数

材料牌号

LD31（6063）

该型材最高成材率（％）

78.3

注释

挤压机吨位（吨）

500

注释

锭坯尺寸（mm）

φ90×320

注释

挤压筒直径（mm）

87.2

注释

挤压比（％）

49.68

注释

平均流出速度

8～20m/min

注释

挤压筒加热温度

400～480°C

注释

锭坯加热温度

480～500°C

注释

实心型材成材率列表

序号

D0/F0

Dd（mm）

Ld（mm）

单重Wd（kg/根）

填充系数

填充后的长度

压余厚（mm）

切压余后有效长度

积压比

制品长（m）

成品数（n×6m）

成品重（kg）

成材率（%）

φ95/7085

φ90

270

4.62

1.114

243

223

49.68

11.08

1×6m

2.14

46.3

φ95/7085

φ90

270

5.47

1.114

288

268

49.68

13.32

2×6m

4.28

78.3

最后选取成材率最高（78.3％），对应方案2。

对应已知设备选择表：

设备吨位

500T

800T

1630T

挤压筒内直径D0

φ95

φ125

φ187

挤压筒截面积F0（

）

7085

12266

27451

锭坯尺寸Dd×Ld

冷床长

26m

32m

44m

填充系数

1.114

1.085

1.104

压余厚

最大挤压比

97.4

73.6

加工范围

最大外接圆直径（模孔孔形）

φ65

φ95

φ147

挤一根最小制品断面积F制min

150

372

选择500T的挤压机。

空心型材挤压工艺设计实例一

已知材料的牌号为LD31（6063）现有设备如下表，欲进行空心型材的挤压工艺设计：

设备吨位

500T

800T

1630T

挤压筒内直径D0

φ95

φ125

φ187

挤压筒截面积F0（

）

7085

12266

27451

锭坯尺寸Dd×Ld

冷床长

26m

32m

44m

填充系数

1.114

1.085

1.104

压余厚

最大挤压比

97.4

73.6

加工范围

最大外接圆直径（模孔孔形）

φ65

φ95

φ147

挤一根最小制品断面积F制min

150

372

工艺设计的成品断面形状、尺寸如下表：

型材成品断面示意图

经计算或通过参数的选择得到下表：

工艺参数

材料牌号

LD31（6063）

该型材最高成材率（％）

75.8

注释

挤压机吨位（吨）

500

注释

锭坯尺寸（mm）

φ90×270

注释

挤压筒直径（mm）

87.2

注释

挤压比（％）

88.3

注释

平均流出速度

8～20m/min

注释

挤压筒加热温度

400～480°C

注释

锭坯加热温度

480～500°C

注释

注释：

空心型材成材率列表

序号

D0/F0

Dd（mm）

Ld（mm）

单重Wd（kg/根）

填充系数

填充后的长度

压余厚（mm）

切压余后有效长度

积压比

制品长（m）

成品数（n×6m）

成品重（kg）

成材率（%）

φ95/7085

φ90

270

4.62

1.114

243

223

88.3

19.7

6×6m

3.50

75.8

φ95/7085

φ90

320

5.47

1.114

288

268

88.3

23.7

6×6m

3.50

64.0

最后选取成材率最高（75.8％），对应方案1。

对应已知设备选择表：

设备吨位

500T

800T

1630T

挤压筒内直径D0

φ95

φ125

φ187

挤压筒截面积F0（

）

7085

12266

27451

锭坯尺寸Dd×Ld

冷床长

26m

32m

44m

填充系数

1.114

1.085

1.104

压余厚

最大挤压比

97.4

73.6

加工范围

最大外接圆直径（模孔孔形）

φ65

φ95

φ147

挤一根最小制品断面积F制min

150

372

选择500T的挤压机。

2挤压模具结构设计

挤压模结构要素有：

1）模角α

2）定径带长度h定和直径d定

3）出口直径d出或出口喇叭锥

4）入口圆角r入等

模具的外形是实现了标准化和系列化的。

下面分两项说明：

A普通型材模具的设计

B平面分流组合模设计

A.普通型材模具的设计

1）模孔在模子平面上的合理配置

可分为单孔挤压型材时模孔配置、多孔挤压型材时的模孔配置。

轴对称型材模孔的配置

对称于一个坐标轴而缘板厚度比不大的型材模模孔的布置

不对称和缘板厚度比大的型材模孔的配置

多孔型材模的配置方案

多孔还有模孔数目选择原则，要保证足够大的挤压系数和保证模子的强度，一般取1、2、3、4、6个模孔。

2）型材模孔形状与加工尺寸的设计

角形型材及其模孔的尺寸图

对称型材模孔的外型尺寸：

A=M+（1+K）A0

式中

A－模孔的外形尺寸

A0－型材的公称尺寸

M－型材尺寸的正偏差

K－综合经验系数，铝合金取0.007～0.01

对型材模孔的壁厚尺寸：

δ=δ0+M1

式中

δ0－型材壁厚的公称尺寸

M1－型材壁厚的正偏差

3）控制型材各部分流速均匀性的方法

工作带长度：

计算公式为

式中

hF1、hF2－分别为F1、F2区段上工作带长度；

SF1、SF2－分别为F1、F2区段上的型材之周长；

fF1、fF2－分别为F1、F2区段上型材之面积。

型材模孔工作带分布图

阻碍角：

带有阻碍角的型材模子举例

促流角：

用促流角控制金属的流速

其他方法：

有平衡孔的模子示意图

用增加工艺余量的方法来均衡金属流速的例子

4）型材模具强度校核型材模子强度校核示意图

模具的最小厚度为

式中

hmin－模具（包括模子和模支承的总厚度）的最小厚度；

l－槽形模子悬臂梁的长度，即槽形型材的槽深尺寸，mm；

P－挤压筒的比压，MPa；

a－模孔悬臂梁根部断面宽度，mm；

b－模孔悬臂梁根部断面出口处的宽度，mm；

c－模孔悬臂梁根部出口空刀尺寸（一般取1.5～3mm）

[δ弯]－模具材料的许用弯曲应力，其值一般许用抗拉应力的（0.4～0.5）倍左右，在温度为450～500摄氏度的条件下，对3Cr2W8V钢，取[δ弯]＝600～700MPa，对4Cr5MoSiV1钢，取[δ弯]＝600MPa是安全的。

B.平流分流组合模设计

平面分流组合模有称为焊合挤压

1）结构

平面分流模的一般结构图

1-阳（上）模；2-阴（下）模；3-定位销；4-联结螺钉

2）结构要素设计

分流比：

分流比K就是分流孔的断面积（∑F分）与型材断面积（F型）之比，即

生产空心型材时，取K＝10～30，

对于生产管材时，取K＝8～15。

分流孔形状、断面尺寸、数目及分布：

由图可看出，各分流孔的中心圆直径应大致等于0.7D筒

分流桥设计：

分流桥桥宽B

从增大分流比、降低挤压力来考虑，分流桥宽度B应选择得小些，但从改善金属流动均匀性来考虑，模孔最好受到分流桥的遮蔽，则B应该选择宽些，一般：

B=b+（3～20）mm

式中B－分流桥宽度；b－型腔宽度；3～20mm－经验系数，制品外形及内腔尺寸大的取下限，反之取上限。

在保证模具有足够强度的条件下，分流桥应尽量设计得短而窄。

分流桥的截面形状

a－矩形截面；b－矩形倒角截面；c－焊合角

模芯设计：

模芯定带的结构形式

a－凸台式；b－锥台式；c－锥式

焊合室设计：

焊合室形状

a－圆形的；b－蝶形的；c－焊合室剖面图

1－分流孔；2－焊合室；3－死区