5A06鋁合金半空心型材擠壓模具設計與優化

王文潔

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

隨著科學與經濟的發展，鋁合金型材被廣泛用于建筑、電子、交通運輸、航空航天等行業，而且擠壓型材的種類也越來越多，形狀也越來越復雜，除了實心及空心型材外，還有半空心型材。這些需求都對模具的設計與優化提出了更高的要求。在型材擠壓過程中，模具是影響鋁合金型材產品質量和生產效率的重要因素之一，大部分模具都需要經過反復試模和優化調整才能保證型材的成形、尺寸等符合要求。尤其是半空心型材模具在懸臂處易壓壞，模具壽命短且擠壓成形較差。

5A06半空心“草帽”型材是我公司重點產品之一，附加值高，需求量大。但該類型材斷面尺寸較大、壁薄，擠壓難度大。因金屬流動不均，采用按常規方法設計的模具會導致擠出型材成形差，易出現擴口、并口、平面間隙超差等問題，不能滿足用戶需求，嚴重影響了生產效率及成品率。為此我們開展了5A06鋁合金半空心型材模具的設計與優化攻關活動，通過不斷改進和優化，最終較好地解決了該型材的擠壓成形問題，為此類型材的生產提供了經驗積累。

1 問題分析

變形鋁合金的可擠壓性在一定程度上決定了生產難度。可擠壓性的涵義是指合金以高的流出速度與變形程度和低的壓力擠壓的相對能力，此值與合金的化學成分以及型材的外形有關[1]。通過可擠壓性Z 與擠壓過程基本因素數值之間的關系式：可以計算出5A06合金的可擠壓性僅為8［2］，屬于難壓合金（Z＜50），可擠壓性極差。且該型材斷面尺寸相對較大，壁薄，更是增加了其擠壓難度。

按常規方法設計的模具因擠壓時金屬流動不均衡、不平穩，導致擠壓出來的型材成形差，出現前端擴口、尾端并口、平面間隙超差等問題。對于此類型材模具的設計，必須打破常規的設計方法，在現有條件下通過不斷總結經驗，改進和優化模具設計，才能實現該類型材的成功擠壓。

2 設計分析與方案實施

半空心“草帽”型材訂貨合金為5A06，其截面圖如圖1所示。此截面形狀雖不復雜，但其懸臂大、壁薄，擠壓過程中變形的不均勻性就越發顯著。該類型材對懸臂根部模具的強度要求很高，如果設計不合理，擠壓時懸臂部分會變形、坍塌。

從圖1中技術要求計算可知，此截面面積為624cm2，半空心開口處寬度為65mm，可在3#20MN 油壓機上采用φ170mm 擠壓筒進行擠壓。擠壓系數λ=36.36，模具外形為φ240mm×140mm，單孔擠壓。

從上述截面分析中可知，該型材存在半空心部分，在擠壓過程中最危險的部位就是半空心開口處。在傳統的模具設計方案中，類似這樣的半空心型材一般采用普通平模設計結構（模具厚度為50mm，模墊厚度90mm），通過減少模孔懸臂根部的空刀量和增加懸臂部分的支撐厚度來提高模具懸臂處的強度[3]。因該類型材在擠壓時極易變形，模具還需采用帶有預變形設計的結構，如圖2所示。

此模具采用了以A點為旋轉中心、逆時針旋轉2°的預變形設計。然而，試模結果表明，模具在擠壓過程中產生了較大的彈性變形，型材前端擴口、尾端并口且頭尾尺寸差異較大。分析原因是由于開口寬度大，在擠壓生產時造成懸臂處不穩定，金屬流速不均勻引起變形所致。由此可見圖2所示鋁型材的常規設計不適用。

3 工藝調整與優化

3.1 方案1

為了解決圖2模具在生產中出現的問題，我們決定對其進行調整和優化。由于鋁錠通常為圓形，而制品的形狀千奇百怪，且圓形鋁錠突變為制品形狀的過程又太劇烈，因此設定一個介于鋁錠與制品之間的過渡形狀，以減少變形過程的激烈程度。通常導流模的形狀都是接近制品的形狀，它可以很好地控制流速，讓金屬的流動更均勻［4］。所以，方案調整的第一步嘗試是增加導流模，去除原來的預變形設計，如圖3所示。

模具的懸臂部分可以認為是一個受有均布載荷的懸臂梁，可按公式（1）校核其危險斷面處的模子最小厚度h[2]。

式中：hmin為模具的最小厚度；p是擠壓機最大比壓；l是懸臂梁的長度；σ彎是模具材料的許用彎曲應力，對H13鋼取600MPa。

由公式（1）計算得：hmin=120mm。

綜合以上計算及我廠模具材料規格考慮，確定導流模厚度為25mm，模具厚度50mm，模墊厚度為125mm。

試模后發現頭端頂面間隙呈凹形、底面兩個邊塌邊，這說明制品頭端還是存在擴口現象。制品的名義開口尺寸是（118±2.4）mm，但實際測量頭端開口尺寸達到128.9mm，超上限8.5mm，開口尺寸過大導致后期無法通過輥矯來修復。尾端頂面間隙比頭端相對要好，底面兩個邊是往中間靠，制品呈并口狀，實際測量尺寸為106.4mm，超下限9.2mm，經測量頭尾端尺寸最大相差22.5mm。這是因為使用導流模后擠壓時模具受力比較均勻，模具彈性變形減少，導致壁厚尺寸也超上限。

3.2 方案2

經過幾輪試驗和方案1的試模結果，總結出對于這類型材的模具需要解決兩個方面的問題：一是減小懸臂處的壓力；二是提高懸臂承壓的強度［5］。該類型材因擴口過于嚴重加大了后期輥矯難度，而并口狀的輥矯效果要優于擴口狀的。為了驗證采用預變形來控制擴口現象的方法是可行的，我們決定繼續引用預變形設計，如圖4所示。首先，采用4°的并口設計，擠壓后兩邊會回彈，可避免制品擴口現象的發生；其次，為了增加模具的穩定性，我們將模具和導流模設計成合二為一的結構（前置模模具厚度75mm，模墊厚度125mm），即一種帶有前置室的模具，如圖5所示。

在模子端面設計一定深度的導流槽，通過導流槽對金屬重新進行分配，改善因擠壓造成的金屬流動的不均勻性，同時也改善由于懸臂自身的模孔厚度差別所造成的金屬流動不均勻性，減輕模具懸臂所承受的壓力［4］。另外，為了提高模具強度，從模具的材質方面考慮，采用優質進口鋼，前置室采用加工中心加工以保證模具的精度，延長模具壽命。

由于此型材懸臂較大，在擠壓時容易產生彈性變形，因此還需設計專用環來預防模具、模墊的彈性變形，專用環厚度為130mm。除此之外考慮到拉伸時的變形，還需要配上專用拉伸墊塊，以減少拉伸變形。

4 效果分析

通過改進模具設計方案，5A06半空心型材的擠壓效果有了明顯的改善和提高，頭尾端尺寸差由之前的22.5mm 減少到2mm，型材開口呈并口狀態，大大減少了輥矯難度，生產效率較之前提高了許多。但是唯一不足的是開口尺寸稍微偏小，即預變形量偏大。隨后在該方案的基礎上再次進行精準優化，對開口尺寸、預變形進行調整，在金屬流速快的地方加阻礙塊，有效地減緩了金屬的流速［6］。

優化后的效果非常理想，制品的成型形、尺寸都得到了很好的改善。制品拉伸后頭尾端開口尺寸實測值見表1。

表1 半空心型材開口尺寸實測值/mm

5 結束語

打破傳統的平模設計結構，經過不斷的改進、優化模具設計，最終采用這種將模子與導流模二合一的設計方案，再加上適當的預變形量調整，不僅解決了半空心“草帽”型材的成形問題，大大提高了生產效率，而且成品率也顯著提高，實際成品率較優化前提高了22%。

本次模具優化為這類型材的生產打下了堅實的基礎，同時也提供了可靠的技術保證。