多模芯擠壓模的設(shè)計(jì)與制造分析

黃翠婷，廖偉達(dá)，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510550）

多模芯擠壓模的設(shè)計(jì)與制造分析

黃翠婷，廖偉達(dá)，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510550）

生產(chǎn)具有多個(gè)模芯的空心鋁型材的關(guān)鍵因素在于模具的設(shè)計(jì)與制造，合理的設(shè)計(jì)及制造工藝是保證空腔間連接部位成形良好的關(guān)鍵。通過(guò)實(shí)例，對(duì)具有多個(gè)模芯的空心鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素作了具體分析，并對(duì)該類模具在制造中的要點(diǎn)作了介紹。實(shí)踐表明，采用這些方法很有效，能很好地解決這類型材的成型問(wèn)題。

空心鋁型材；多模芯擠壓模；模芯；導(dǎo)流；設(shè)計(jì)

0 前言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展，鋁型材的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，形成的品種和規(guī)格越來(lái)越多。斷面形狀越來(lái)越復(fù)雜，一方面是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的需要，另一方面也是強(qiáng)度方面的需要。在眾多品種、規(guī)格中，空心型材占主導(dǎo)。而在此類型材中具有兩個(gè)或多個(gè)異型孔（空腔）的空心型材又占很大部分，這樣在模具中就形成了多個(gè)模芯。而這類型材的擠壓和生產(chǎn)，在實(shí)際中又極不容易控制，出現(xiàn)的問(wèn)題較多，其主要原因是此類型材模具的設(shè)計(jì)和制造都較為復(fù)雜[1]。本文通過(guò)有關(guān)案例，就設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行探究，供同行參考。

1 具有多個(gè)空腔的空心型材的特點(diǎn)

有資料介紹，變形鋁合金的擠壓能力可用可擠壓性來(lái)表示，但在實(shí)際中要確定型材的復(fù)雜程度系數(shù)往往很困難，型材的復(fù)雜程度一般可以由型材的周長(zhǎng)與斷面積之比來(lái)表示，此比值也稱形狀系數(shù)[2]。但是，事實(shí)上此比值有不科學(xué)的一面，它不能反映真實(shí)的復(fù)雜程度。在實(shí)際中，多空腔型材都是較為復(fù)雜的，而這種復(fù)雜程度，人們之前僅憑經(jīng)驗(yàn)去判斷。當(dāng)型材某處有制造難度或金屬流動(dòng)難以達(dá)到或供應(yīng)時(shí)，我們就認(rèn)為它是復(fù)雜的。對(duì)于多個(gè)模芯的空心鋁型材模具來(lái)說(shuō)，模芯與模芯的連接部分往往都是金屬流動(dòng)難以達(dá)到的地方，在擠壓過(guò)程中是最難成型的地方。因而，模具的合理設(shè)計(jì)與制造就顯得特別重要。

2 多個(gè)模芯的模具設(shè)計(jì)

多個(gè)模芯模具設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，就是保證模芯與模芯間的金屬流動(dòng)能設(shè)計(jì)成金屬直接供料給連接處。因?yàn)檫@些部位都是金屬流速較慢的部位。同時(shí)要考慮金屬流動(dòng)對(duì)連接筋形狀帶來(lái)的變化。對(duì)于如圖1所示的一款暖氣片型材面言，其模具分流孔布置及下模與模芯工作帶如圖2所示。這樣的布置使得連接筋處的金屬可以直接從分流孔兩側(cè)分別進(jìn)料。

圖1 暖氣片型材示意圖

圖2 暖氣片模具設(shè)計(jì)示意圖

但是，如果采用如圖3所示設(shè)計(jì)，則有一處筋（中間C處）分布在分流橋之間，而分流橋橋底是金屬剛性區(qū)部位，金屬流動(dòng)阻力較大，因而金屬通過(guò)焊合后再進(jìn)入該處的連接筋就顯得更為困難。該處就會(huì)因金屬供應(yīng)不足而流速很慢，造成型材質(zhì)量不合格。這樣的設(shè)計(jì)給修模也帶來(lái)很大困難。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)這類模具時(shí)，分流孔要正對(duì)向這些連接筋。

圖3 連接筋有金屬供料困難的分流孔設(shè)計(jì)

根據(jù)本人長(zhǎng)期從事擠壓模設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，空腔間的連接筋的供料設(shè)計(jì)是很關(guān)健和重要的。其設(shè)計(jì)的原則是，從分流孔一個(gè)方向因金屬流動(dòng)供料可與其他部位保持一致的最大距離為Bmax=H（焊合室的高度），即當(dāng)B≤H時(shí)，可由分流孔單方向供料。而當(dāng)B＞H時(shí)，若從單方向供料，就會(huì)出現(xiàn)連接筋處流速過(guò)慢難以調(diào)整的情況，因此要考慮從雙方向或多方向供應(yīng)金屬。當(dāng)然，當(dāng)B＜H時(shí)采用雙向供應(yīng)金屬方式效果會(huì)更好。這種由兩側(cè)雙方向金屬流動(dòng)的供料方式在實(shí)際中應(yīng)用的較多。當(dāng)B＞2H時(shí)則應(yīng)考慮多分流孔的供料方式。金屬流動(dòng)供料方式的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 連接筋處金屬供料方式

正確設(shè)計(jì)供料方式后，從分流孔進(jìn)入連接筋處的導(dǎo)流槽與導(dǎo)流孔的設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵，要分兩種情況考慮：

（1）當(dāng)連接筋的金屬由分流孔經(jīng)導(dǎo)流槽供給時(shí)，在保證強(qiáng)度的情況下，導(dǎo)流槽盡可能深些，經(jīng)驗(yàn)數(shù)值一般在20～40范圍，可見(jiàn)圖2中剖面B-B部分。而導(dǎo)流孔的截面積盡可能大，同時(shí)也要顧及模芯的強(qiáng)度。導(dǎo)流孔常見(jiàn)形狀如圖5所示（圖中H為焊合室深度）。模芯寬度越大，模芯長(zhǎng)度越大，可取大些。

圖5 導(dǎo)流孔的形狀示意圖

（2）當(dāng)連接筋處的金屬由分流孔直接供應(yīng)，則該處分流孔的面積S2與它外部分流孔的面積S1不能相差過(guò)大。以如圖6所示的分流孔設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明兩處分流孔面積關(guān)系應(yīng)當(dāng)選擇的范圍，經(jīng)驗(yàn)值如下：S2=(0.6～1.1)S1，這樣模具成功率較高。設(shè)計(jì)時(shí)可在滿足總的分流比的情況下調(diào)整S1與S2。當(dāng)S2過(guò)小時(shí)，可以使幾處的內(nèi)筋供應(yīng)的分流孔連成一體來(lái)調(diào)整“S1”與“S2”的關(guān)系，這樣，連接筋處的金屬就相當(dāng)于由二次分流供應(yīng)，效果也是很好的。

圖6 連接筋的金屬由分流孔直接供應(yīng)示意圖

在設(shè)計(jì)具有多個(gè)模芯的擠壓模時(shí)，既要考慮合理的分流與導(dǎo)流，還要考慮金屬供料方式是否能保持模芯的受力是否均衡。當(dāng)某個(gè)模芯斷面積較小時(shí)，會(huì)影響模芯的剛性，造成壁厚的偏差，這時(shí)應(yīng)當(dāng)通過(guò)分流孔的合理布置和改善金屬流動(dòng)的狀況來(lái)減小模芯的受力偏差，如圖7所示設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)，一方面，可使連接筋稍偏離中心，使導(dǎo)流槽也偏離模具中心，如果連接筋位于壓力中心部位，導(dǎo)流槽也將位于中心，降低了模具的強(qiáng)度與剛性，導(dǎo)流孔的大小對(duì)金屬流速的影響很敏感，不易把握。而C腔對(duì)應(yīng)的模芯斷面較小、剛性差，因而易出現(xiàn)成型不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)連接筋處流速稍快，則其壁厚增大，應(yīng)當(dāng)稍加調(diào)整；如其流速稍慢，則其壁厚有變薄現(xiàn)象。另一方面，也可因金屬的流動(dòng)使C腔的模芯受力均衡，而D腔由于對(duì)應(yīng)的模芯斷面積較大，剛性較好，則不會(huì)發(fā)生壁厚偏差的問(wèn)題。對(duì)于連接筋處在模芯相應(yīng)部位的工作帶的選擇，應(yīng)以立足該處流速最快為基準(zhǔn)來(lái)選擇，因?yàn)檫B接筋處若流速較快要變慢在修模上容易處理，反之則要困難很多。

圖7 提高模具剛性的分流孔設(shè)計(jì)示意圖

3 模具制造分析

對(duì)于多腔模具的加工，與常規(guī)模具不同的是增加了加工工序，即要將連接筋的形狀、壁厚以及金屬流動(dòng)供料部分加工出來(lái)（包括導(dǎo)流槽、導(dǎo)流孔、工作帶），這些部位的加工通常都是在模具熱處理后進(jìn)行的。

圖8 型材斷面示意圖

（1）當(dāng)連接筋與模具中心平行時(shí)，如圖8(a)所示的型材，可以直接將模具立于CNC線切割機(jī)上，采用線切割一次性割出壁厚及導(dǎo)流孔，由電火花打出工作帶及導(dǎo)流槽。

（2）當(dāng)不能直接采用線切割直接加工時(shí)，可以用電火花機(jī)進(jìn)行加工，用銅電極打出連接筋尺寸、工作帶、導(dǎo)流槽或?qū)Я骺祝鐖D8（b）所示的型材。這類型材的模具模芯有兩個(gè)或兩個(gè)以上方向的定位基準(zhǔn)，在這些方向上可通過(guò)工具磨加工，配出壁厚，再用電極找已磨出的模芯的邊作定位基準(zhǔn)，對(duì)其它的連接筋部位進(jìn)行加工。對(duì)于無(wú)定位基準(zhǔn)的型材模具，則采用銅電極，上、下模裝在一起，以下模外形為基準(zhǔn)進(jìn)行套打加工，才可以加工出連接筋部位，如圖8（c）所示的型材。

（3）當(dāng)型材具有小模芯或圓形模芯時(shí)，如圖8（c）所示的型材，為了減少加工難度，我們可以采用鑲嵌式模芯。這樣，處于這些模芯部位的導(dǎo)流孔及導(dǎo)流槽，一方面，在粗加工時(shí)（熱處理前）就可以用機(jī)加工進(jìn)行加工。另一方面，如配合CNC線切割及電火花加工，這樣加工出來(lái)的導(dǎo)流孔及導(dǎo)流槽對(duì)增加該處金屬流速是大有好處的。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于具有多個(gè)模芯的模具設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)連接筋處的金屬供應(yīng)方式，并以該處的金屬流速較快為原則來(lái)選擇模芯工作帶、導(dǎo)流孔及導(dǎo)流槽。而在制造方面，主要是合理地選擇電加工的方式。

[1]劉靜安.鋁合金擠壓模設(shè)計(jì)、制造、使用及維修[M].北京:冶金工業(yè)出版社

[2]謝建新，劉靜安.金屬擠壓理論與技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社

[3]葉治平.鋁型材擠壓模的分流結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度校核[J].輕合金加工技術(shù)，2010（9）:12-17

Design and Manufacture of Extrusion Die with Mandrels

HUANG Cui-ting，LIAO Wei-da，DENG Ru-rong
（Guangzhou Vocational College of Science and Technology，Guangzhou 510550，China）

Through some examples from practice，the key factors in the designing of extrusion die for aluminum profiles with more mandrels were analyzed in the concrete；and the cruces of manufacture for those mold are introduced as well.Practice indicates that the methods are effective.

aluminum profiles；extrusion die；mandrel；feeding；design

TG275＋.41

B

1005-4898(2017)03-0054-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.12

2017年廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金項(xiàng)目（“攀登計(jì)劃”專項(xiàng)資金，pdjh2017b0867)。

黃翠婷（1997－），女，廣東惠州人，在校學(xué)生。

2016－11－20