假芯頭在鋁擠壓分流模中的應用

胡 焱，朱鳴峰，馮佳美

（中鋁薩帕特種鋁材（重慶）有限公司，重慶401326）

0 前言

近年來，鋁合金型材在汽車、船舶、軌道交通、工業等領域應用廣泛。特殊的應用場景和功能要求促使型材不斷向大型、寬幅、薄壁、復雜、精密化方向發展，很多大懸臂、不對稱型材應運而生。為了提高模具懸臂強度，保證型材成型質量，人們通過深入研究和生產實踐，提出了偽分流模的設計結構和優化思路。王麗巍［1］針對一懸臂梁型材研究了偽分流模的結構，提出了優化設計的原則和具體措施；顏斌［2］對某一大懸臂型材采用了偽分流模設計并進行了強度校核，提出了新的模具結構設計方法；孫雪梅、趙國群［3］以及劉博［4］分別以某一大懸臂型材建立起常規平模與偽分流模模型并進行數值模擬，通過對比分析得出了偽分流模的模具強度及成形優勢。

上述偽分流模案例都采用了類似于芯頭的結構，業界俗稱為“假芯頭”。除偽分流模外，有些普通的分流模也會有一些假芯頭的結構。它本身不參與型材的空腔成型，但卻是許多模具設計人員在設計實踐中經常應用的手段，在保證型材總體成型質量、防止模具失效方面發揮了重要作用。本文重點討論了假芯頭在大懸臂型材偽分流模以及普通分流模上的應用，供同行參考。

1 假芯頭在偽分流模上的應用

1.1 假芯頭遮蓋半空心型材大懸臂

如果半空心型材懸臂太大，采用傳統的“導流模+平模”或者前置式平模結構容易導致的主要問題是平模強度差。通常型材的懸臂不對稱，即使加厚模具，仍存在因流速不均導致平模懸臂側向變形的風險。通常對這類半空心型材采用的是偽分流模結構形式。

偽分流模具有分流橋、芯頭、焊合室等分流模的基本特征。其設計理念是通過假芯頭遮蓋下模的懸臂，以減輕下模懸臂受到的正向壓力。據相關個案試驗研究表明，采用假芯頭遮蓋下模懸臂可使懸臂受到的載荷降低30%以上［5］。設計思路是：焊合室設計在上模上（即上焊合），下模焊合室可有可無。這種設計在增加下模懸臂強度的同時，也節省了模具材料。上模的假芯頭與半空心型材內側兩個平面相交形成的假想封閉空腔形狀幾何相似。此外，假芯頭端面與下模懸臂之間可保留0.5~1.5㎜的間隙，主要作用是在上模受壓產生撓曲變形時，位移的假芯頭剛好與下模懸臂平面吻合，避免上模撓曲變形把力傳遞至下模懸臂。需要注意的是，設計模具時，需進行強度校核（即抗彎校核和撓度計算）。下模懸臂的力學模型可簡化為受均布載荷的懸臂梁，見圖1。

圖1 懸臂梁模型

抗彎校核：

其中：q為擠壓筒單位面積壓力；A為懸臂受壓面積；L為懸臂長度；b為懸臂寬度；h為懸臂厚度。

在某些情況下，抗彎強度雖然保證了，但因模具的彈性變形及懸臂梁部分產生了撓度而影響了制品尺寸。因此，需同時對撓度δ最大值進行預校核，即按進行約束［2］。

其中：E為模具鋼4Cr5MoSiV1的彈性模量；J為截面慣性矩，

1.2 假芯頭與大懸臂套嵌配合

在假芯頭遮蓋懸臂的基礎上，工程技術人員針對大懸臂型材提出了假芯頭與下模懸臂采用定位銷進行中心定位的方案，以防止懸臂擠壓變形［6］。隨后，又有專家學者針對大懸臂半空心鋁型材（見圖2）提出了嵌入式的分流模結構［7-8］（見圖3）。后者在前者下模圓形定位銷的基礎上，升級為下模懸臂處凸起的異型假芯頭（與下模懸臂仿形），與上模的中空假芯頭形成插接的嵌入結構。采用上模中空的假芯頭與下模凸起的假芯頭套嵌配合，并使配合間隙控制在0.1~0.15 mm，以便保證擠壓過程中下模懸臂無論在哪個方向發生撓曲變形都將受到上模的約束。

圖2 大懸臂型材截面圖

圖3 嵌入式模具結構圖

如果說采用假芯頭遮擋下模懸臂的做法是上模和下模相對獨立的個體的話，那么采用中空假芯頭與下模懸臂處凸起套嵌配合的結構，則是將上下模有機統一，上下模一體受力、一同變形。中空的假芯頭與下模凸臺嵌入式配合的方案對下模懸臂的支撐和穩定效果更好，適用于型材斷面較大、較為對稱、而舌比系數（舌頭長度/舌頭寬度）又遠遠大于安全系數（一般經驗而言，安全系數≤3）的半空心型材［9-10］。但缺點是該設計結構對模具的加工配合精度要求高，另外，對模具日常維護過程（堿洗、拆分、裝配）也提出了更高要求。

2 假芯頭在常規分流模上的應用

2.1 假芯頭遮蓋空心型材大懸臂

假芯頭遮蓋下模懸臂的原理與半空心型材設計成偽分流模的思路相似，目的均是避免下模懸臂直接受力。但在分流模本身就有芯頭的基礎上，采用假芯頭會使模具的設計與加工相比偽分流模稍顯復雜。假芯頭與分流模上的“真芯頭”互為依存、相互依托，重新分配了模具型腔內的金屬供給，有效調節了型材空腔與半空腔處金屬流動的不均衡性。

圖4 為成功運用假芯頭的空心型材。該型材具有多個大懸臂，其截面如圖中所示。其合金狀態為6082-T6，型材米重為5.25 kg，在40 MN擠壓機?275 mm筒上生產，擠壓比為29。

圖4 多懸臂空心型材圖

技術分析：該型材右側有三處懸臂，按照舌比系數計算，得出右側上方懸臂的舌比系數為：30÷6＝5，右側中間懸臂的舌比系數為：（18+3）÷7=3，按照安全舌比系數≤3的一般經驗而言，右上方和右下方的懸臂是最危險的，右側中間懸臂處于臨界值上［9-10］。考慮到型材右側上下方的懸臂相對對稱，結合擠壓比等參數評估利弊后，決定采用假芯頭遮蓋下模懸臂的分流模結構。

方案實施：該型材斷面圖上右側的三處懸臂分別布置三個與懸臂幾何相似的假芯頭。三個假芯頭與該空心型材的一個“真芯頭”形成4個芯頭的結構，以此布局上模分流孔。三個假芯頭與下模焊合室端面保留1.5 mm的間隙，形成對三處懸臂的保護。下模懸臂按照受均布載荷的懸臂梁模型進行抗彎和撓度校核。

最終模具結構如圖5所示。

圖5 采用假芯頭的分流模結構

該模具首次上機后未出現三個懸臂壓塌變形的情況，型材成型滿足圖紙要求。在后續量產過程，模具亦表現良好。

實踐證明，即使舌比系數大于安全舌比系數的經驗值，對于懸臂大、但懸臂處的開口相對對稱的空心型材來說，采用假芯頭遮蓋下模懸臂的設計方案仍值得推廣。

2.2 假芯頭搭接密封懸臂

在按常規舌比計算公式計算出舌比系數遠大于安全系數的情況下，采用假芯頭遮蓋法存在較大的模具失效風險，因此假芯頭搭接密封大懸臂側的分流模結構應運而生。其應用場合主要是針對懸臂長且極不對稱（一條腿長，一條腿短）的空心型材，型材截面如圖6所示。此種型材的模具設計理念是：視型材的上下2條腿為半封閉空腔的一個組成部分，打破長腿在下模成型的慣例，讓型材的2條腿在上模與下模形成的封閉型腔內成型，下模懸臂自然消除，即采用上模假芯頭與下模懸臂搭接式的設計結構。

圖6 懸臂不對稱型材截面圖

技術分析：此型材左側有較長懸臂且左側上下兩個腿不對稱。如果采用假芯頭遮擋左側懸臂的方法，會存在因流速不均導致懸臂側向變形的風險。如果換一種思路，以空心型材短腿這一側為基準，假想有一條“筋”與上下腿聯接。如此設想，即可消除下模懸臂。這條假想的“筋”與左側上下兩條腿形成了一個封閉空腔，即模具上新增1個芯頭。以前靠下模成型的腿，變為由上模芯頭和下模懸臂配合成型。上模芯頭和下模搭接配合封死（型腔一側被封住）后，這條假想的“筋”自然消失，問題迎刃而解。

方案實施：在上模芯頭做一個臺階配合面，用于搭接在下模焊合室的端面，與下模焊合室的端面保持0.5～1㎜的間隙，使上模在擠壓過程中產生彈變或芯頭位移時芯頭的臺階面剛好與下模焊合室端面吻合，見圖7；再做一個錐度配合面（該面與擠壓方向呈10°~15°夾角，如圖8所示），用于與下模的密封，同時錐度配合起到支撐芯頭的作用。

圖7 模具裝配圖

圖8 局部放大圖

采用以上手段后，大懸臂的金屬流速得到有效控制，減少了型材成型的不確定因素，縮短了型材開發周期。但其缺點是：搭接密封式的結構對模具加工精度要求極高，上下模之間的搭接處需要無縫配合，否則會造成擠出的型材有飛邊。

2.3 假芯頭支撐長跨距分流橋

出于出料方式的考慮和高效率生產的需要，有的型材模具分流橋的跨距太長。如果能減小分流橋的跨距，就能減小上模彈變或撓曲變形、增大模芯的穩定性，避免壁厚差或者其他成型問題發生。在一些并排布置的雙孔模設計實踐中，“假芯頭”作為輔助支撐，對減小跨距、保證正常芯頭的穩定性發揮了重要作用。

圖9 所示為一種并排布置的雙孔模方案。

圖9 一模雙孔結構

技術分析：該模具為一模雙孔的結構，有別于常規的模具設計方案。為了避免型材的左下側和右下側有分流橋，減小流動死區，把型材兩個直角的位置暴露在分流孔中。這樣的設計可以提高擠壓效率，但問題是雙十字橋的設計會造成中心部位的分流橋跨距長，模芯不穩定，擠出型材的壁厚容易超差。

利用假芯頭的修改方案：在上模中心部位設置一個假芯頭，使芯頭端面與下模焊合室有0.5 mm的間隙。擠壓過程中上模若存在彈變，假芯頭剛好與分流橋吻合，使得上模中心具有較長跨距的水平分流橋的彈變控制在設計范圍內。

如此修改后，假芯頭發揮了類似于“橋墩”的作用，減少了分流橋的跨距，使型材的壁厚更容易控制在圖紙公差范圍內，較好地解決了因分流橋跨距長導致“真芯頭”偏移而引起的壁厚超差問題。

3 結論

綜上所述，假芯頭無論是在具有大懸臂的半空心型材偽分流模還是在一些具有大懸臂的空心型材分流模中都有廣泛應用。其模具設計的核心主要有以下幾點：

（1）采用假芯頭對下模懸臂處進行遮蓋，以減輕懸臂受到鋁金屬的正向擠壓力，提高懸臂處的強度。這種方案中的模具加工簡單且維護方便，因而應用范圍最廣。

（2）假芯頭與下模懸臂套嵌配合定位，使下模懸臂無論在哪個方向發生撓曲變形都將受到上模的約束，減輕了懸臂變形甚至斷裂的風險，但缺點是模具加工復雜、拆裝不便。

（3）假芯頭通過搭接密封下模懸臂并作為下模懸臂的一部分參與成型，是對舌比系數遠遠大于經驗值、采用假芯頭遮蓋下模懸臂法存在較大風險的一種有益補充，模具的使用及維護均方便、快捷，但對模具加工精度要求高，如果加工不到位，型材易產生飛邊。

（4）假芯頭作為長跨距分流橋的支撐，減小了上模彈變或撓曲變形、增大了芯頭的穩定性，解決了因分流橋跨距長導致“真芯頭”偏移而引起的壁厚超差問題。在該方法中模具加工簡單且維護方便，在雙孔及多孔模中應用較廣。

生產實踐證明，針對不同型材的模具設計，只要精準分析，科學研判，假芯頭就能在提高模具強度、減少模具變形、提高型材尺寸精度和生產效率等方面發揮巨大作用。