電機外套鋁合金型材擠出模設計與制造

蔣正南

（西南鋁業（集團）有限責任公司擠壓廠，重慶 401326）

1 引言

鋁是地殼中分布最廣，儲量最豐富的元素之一占地殼重量的8.13%，是鐵蘊藏量的一倍多，它比其他有色金屬蘊藏量的總和還要多。鋁合金材料的強度與鋼鐵強度相當，但是其密度是鋼鐵的1/3，導熱性能是鐵的3倍，吸收沖擊的能力是鋼的2倍。隨著科技的快速發展，輕量化成為未來發展的趨勢，因此，鋁及鋁合金擠壓（出）型材是實現輕量化的重要材料，也是應用最早和應用最多的輕量化材料。鋁合金的綜合性能接近鈦合金，但是鋁合金成型方便，成本低廉，它有其他合金不可比擬的有點。隨著科技的飛速發展，被廣泛的應用于汽車工業、現代制造業、國防軍工產業等。電機外套鋁合金擠壓型材具有斷面結構復雜、中空等特點，在擠壓過程中容易出現流速不均，產品精度不易控制，因此該型材擠出模設計制造至關重要。

2 鋁合金型材擠出模設計采用平模和分流模原則

確定采用平面模和分流模的原則：鋁型材擠壓分流模和平面模是按擠出產品的斷面形狀是否封閉來分的。一般而言，使用分流模擠出的型材斷面形狀至少有一個閉合的框，也就是說型材斷面至少有一個空心，而平模沒有。還有一種特殊情況，當型材斷面未封閉，但是近似閉合，留有一小段缺口，這時也可采用分流模，即把缺口用搭接封閉起來。

3 電機外套的鋁型材模具設計

3.1 電機外套結構分析

電機外套截面如圖1所示。有以下特點：①電機外套型材為空心型材；②電機外套有6個分齒，且齒部與根部壁厚落差大；③電機外套各齒部中心線角度偏差±2°，要求不能出現變形；④電機外套外形尺寸不超過200mm，精度要求高，難度系數較大。

在設計鋁合金型材擠出模時，除因考慮模具型腔大小、工作帶摩擦力、各圓周流速、模具尺寸強度，還應考慮模具型腔面積的大小，型腔面積越大的部分流速越快。從型材斷面分析可知，各部分的截面大小不同，會導致鋁料通過模具各個截面的流量和流速不同。鋁料受到相同擠壓力的情況下，鋁料會出現大部分流向橫截面較大的地方，而橫截面較小面積的地方會出現鋁料較少，甚至會出現缺料現象，并且橫截面積較大部分流速會比橫截面積較小的部分流速快，實心部分流速比空心部分流速快，齒部的流速比根部實心部分慢，設計時必須考慮解決流量與流速不等的問題。當然壁厚相差懸殊，懸臂大的型材，如果模具設計不合理，截面上各部分的金屬在擠出模孔時就越容易以不同的速度流出，從而造成型材的扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷而報廢，模具也容易損壞。因此，該模具進行優化設計變得尤為重要。

3.2 電機外套型材擠出模設計難點分析

（1）該型材為6070鋁合金，屬于軟合金，擠出過程流速較快，成型較硬合金難以控制。

（2）該型材最大外接圓為?210mm，最大壁厚t1=33mm，最小壁厚t0=7.5mm，最大與最小之比為4.4，壁厚差較大。

（3）圖1所示型材有6個突出的齒形，其中又有2個齒面分出2個叉齒，整體呈左右對稱結構，根據公式計算型材懸舌比24.4/7.7=3.17,顯然舌比大于3的齒面存在危險斷面。特別是該截面底部壁厚差較大，最厚達33mm，最薄達7.5mm，加大了危險斷面的的危險系數。

3.3 電機外套擠出模設計方案

（1）擠壓比的選擇。擠壓比為擠壓筒的面積與型材截面積之比，擠壓比反應該型材在該擠壓機上的擠壓難度程度，通常擠壓比在7～150內是可以適用的，擠壓比太小，型材制品變形不充分，密度和表面質量都不好，擠壓比太大，模具變形劇烈，擠壓困難，型材尺寸大小難以保證，甚至會造成堵模，影響模具使用壽命。初定用2,500t擠壓機，在?260mm擠壓筒上生產，擠壓筒面積約為53,066mm2，電機外套截面積約為7,480mm2，由公式可得其擠壓比為53,066/7,480=7.09。通常空心型材擠壓比在7～45范圍內時，分流模模具的使用壽命較長，型材生產過程較為順暢。

（2）分流比K的選擇。分流比的大小直接影響擠壓阻力的大小、制品成型和焊合質量，K值越大越有利于金屬流動和焊合，也可減少壓力，因此盡可能選大值。初步選擇內徑為?260mm的擠壓筒擠壓，分流比為分流孔的截面積與型材的斷面積之比，而生產型材分流比取10～30較理想，而其型腔截面積約為7,480mm2，分流孔的截面積至少達74,800mm2以上，內徑為?260mm的擠壓筒最大面積約為53,066mm2，按理來說應選擇更大的擠壓筒，但是綜合考慮我廠機型情況、型材結構、外形長度、經濟效益，最終選擇2,500t擠壓機，內徑為?260mm的擠壓筒上擠壓，考慮到擠壓雜質的影響，進料孔控制在?250mm以內。如圖2為電機外套擠出模設計圖，由于該型材為空心型材的分流模結構，分上模與下模組合模具，由于模具系列已標準化。考慮到模具的強度，需要合理的分配上下模厚度，為此設計下模與上模的厚度比例為3∶2，以保證下模強度足夠。由于型材較復雜，模具外形尺寸為型材外接圓的1.45～1.6倍，模具外形尺寸在?305～?336mm內，因此選用?340mm模具。為防止模具在擠壓時出現彈性變形，影響成型，保守起見配一個專用墊，因此設計一個專用墊，我廠采用綜合強度較低的5CrNiMo鋼作為專用墊。

（3）根據型材外形特征，4個分流孔與型材成幾何相似性布置；分流孔的大小根據兩個原則確定：一是金屬填充對應模孔所需金屬量的多少，但盡量保證各部分的分流比K分值基本相等（或者型材斷面積稍大部分的K分值略低于其它部分的K分值），以便于金屬均衡流動；二是金屬進入各個分流孔的阻力不宜相差太大，即各個分流孔面積之間不能相差太大。根據分析，由于該型材采用分流焊合擠壓生產，該型材模具采用4孔4橋，分流孔平均布局在模具圓周上，將金屬分成4股金屬流，通過分流孔后在分流模橋下的焊合室內重新焊合。另外采用4孔4橋，模具強度也較好。

（4）由于該型材基本以X、Y軸對稱，所以分流孔的布局基本也以X、Y軸對稱，采用4個分流孔；正常情況下型材較難成型處應放在橋下，齒部較難成型放在橋下，因此4個分流孔的設計呈上下左右4個分流孔。但是根據金屬在擠壓筒中的流動規律可知，金屬的流動速度在擠壓過程中從心部往外圈逐漸遞減，金屬在壁厚處的流動速度比壁薄處的流動速度大。而該型材齒部的壁厚比環形處的壁厚大很多，因此齒部金屬的流速比環形壁厚處的流速大很多，即壁厚差太大，只通過改變工作帶的長度來調節金屬流速是不夠的，很容易在齒的根部產生拉應力，使工作帶產生彎曲變形。其次，由于齒部之間的懸臂較大，環形壁厚存在危險斷面，采用直接擠壓環形壁厚處的分流孔設計將產生很大的擠壓力，使環形壁厚處的工作帶的懸臂壓塌，因此采用直接擠壓4個齒部的分流孔設計，模具結構設計如圖2所示。

圖2 電機外套擠出模結構

（5）焊合室深度的選擇。焊合室是金屬匯集并焊合的地方，焊合室太淺時，靜水壓力太小導致焊合不良，焊合室太深，又會影響芯頭的強度和穩定性。因此焊合室深度要選擇要合適，一般情況下，焊合室的高度為分流橋寬度的1/2～2/3，為使金屬在焊合室內有足夠大的靜水壓力，焊合室的深度取30mm，進一步增強焊縫質量。

（6）該型材圓形芯頭外圓尺寸為?128.2mm，芯頭較大，模具熱處理時不易充分，所以采用?50mm深50mm的圓形工藝孔。

（7）模孔尺寸的確定。上模孔尺寸，由于上模芯頭為?127mm的圓，且上下左右對稱，取收縮率為1%。下模孔尺寸，由于下模有多個小懸臂，且壁厚差較大，在1%的收縮率上再加上彈性裕量。

（8）模具工作帶設計。模具分流孔的布局是各個分流孔的金屬流速的主要調節方式，而工作帶的設計是對金屬流速起到輔助調節作用。圖3所示為下模工作帶設計圖。考慮到齒部壁厚較環形壁厚更大，為了對流速起到調節作用，該處工作帶從上到下順時針分別為12mm、22mm、19mm、15mm。環形部分呈中心對稱，考慮到環形部分摩擦力大，且壁厚較小，工作帶設計短一些，該處為5mm。

圖3 下模工作帶設計圖

4 電機外套擠出模加工工藝

上模、下模及專用模墊加工工藝流程：上模加工工藝：粗車外圓→在車槽內打印→鏜起吊孔→檢查尺寸→劃模具中心線、分流孔、螺銷孔定位線、打印記號→車芯頭→鉆螺紋孔、銷子孔及分流孔工藝孔→精銑分流孔、芯頭頸部→檢查尺寸→熱處理→磨分流模上下端面及芯頭表面→成品檢查。下模加工工藝：粗車外圓、端面、止口，焊合室工藝圓→劃模具中心線、焊合室型腔線、螺銷孔、鉬孔定位線→鏜起吊孔→檢查尺寸→粗銑焊合室→鉆螺紋孔、銷子孔→熱處理→磨上下端面→精銑焊合室→劃模具中心線→線切割型孔→加工電極→電火花加工空刀、工作帶。專用模墊加工工藝：粗車外圓、端面→劃模具中心線、型腔尺寸線、螺孔定位線、銷孔定位線→鉆起吊孔→銑型腔→銑鍵槽→鉆螺紋孔、銷子孔→熱處理→磨上下斷面，精車外圓。模具裝配：拋光→上、下模配合確定型腔壁厚→用螺栓、銷子連接上模、下模→精車上、下模止口→拋光→組裝→檢查尺寸→交貨。

5 試模及修模

5.1 試模效果

（1）第一次試模使用6070合金擠壓，兩個圓弧半徑為R0.5～1.5mm，不合格，由線切割進行修改R尺寸。

（2）第二次試模還是使用6070合金，擠壓出的制品無大的波浪、彎曲、扭擰等缺陷，精度合乎圖紙設計要求。

5.2 模具氮化

試模合格后的模具要及時進行氮化處理，提高其表面的光潔度和抗磨能力。把握模具的氮化程度，一般情況下要求氮化層厚度達0.15mm左右，模具氮化次數不宜超過4～5次，氮化次數過多會把模具工作帶的氮化層拉掉或拉成溝槽，影響擠壓件表面質量，氮化次數過少，工作帶會產生脫皮。

6 結論

與其它鋁型材相比，電機外套型材擠壓時很難成型，更容易偏齒，從而導致模具壽命短、產量低，所以擠出模的設計與制造成為復雜截面形狀的電機外套制造的難點和重點，而模具的精密制造是保證得到合格電機外套擠出件的關鍵。采用先進的高精密數控加工中心，配合良好的加工工藝，可以提高精度減少誤差，使模具壁厚均勻，提高生產效率，節約生產成本。CNC數控設備很好地解決了手工銑床加工精度不高、易偏差等問題，為提高模具質量和成品率奠定良好的基礎。