幾種典型鋁擠壓型材模具的結構設計方案

龍奇敏，劉靜安

（1.廣東華昌集團有限公司，佛山 528225；2.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁擠壓模具是確保產品尺寸形位和精度的關鍵工具，也是實現產品高產、優質、低成本、高效益的重要因素之一，因此，對一個現代化鋁加工企業來說，是必不可少的重要組成部分[1-2]。

要制作一套合格的鋁擠壓模具，特別是形狀復雜的大斷面型材模具，并非一件容易的事，因它的影響因素太多，必須各個環節緊密配合才能完成。如選擇耐高溫的優質模具材料，應嚴格按規程進行熱處理和表面處理，以獲得優良的組織和性能；根據產品形狀、尺寸、工藝條件和技術要求，選擇合理的模面布置并確定模具結構設計方案；根據CAD、CAM進行電加工、機加工和鉗裝加工；制定使用、維護修理和保養計劃等等。這些因素雖多，而且錯綜復雜，但大多數已在相關領域的研究中有規可循，只要嚴格按規程辦事，總可找到解決問題的辦法。唯獨模面布局和結構設計難于控制，因為產品形狀、尺寸和工藝條件及技術要求變化多，要求模面布置、分流孔的多少、大小、位置和形狀等結構和尺寸作相應的改變，以適應金屬（鑄錠）量分配合理和金屬流速平衡，從而滿足整個型材能同時平穩平直地流出模孔[3-4]。所以模面布局和結構設計方案是關鍵，被稱為是模具設計的靈魂。只有掌握了正確的方法，才能設計出達成各種平衡的結構方案，生產出完全符合技術要求的產品。本文擬對幾種典型的鋁擠壓型材的模具結構設計方案進行對比和剖析，結合現場經驗和金屬分配及流動規律來說明設計方案的合理性和優缺點，并簡要介紹經修正最終獲得成功的過程，供同行參考。

1 機箱外殼型材模具設計

機箱外殼型材的斷面簡圖如圖1所示。

圖1 機箱外殼產品簡圖

1.1 基本工藝參數

型材適用擠壓機噸位5 000 t，擠壓筒?370 mm，合金狀態6063-T5，擠壓比λ為32，采用的模具規格為?530 mm×350 mm。

1.2 設計難點分析

此款型材有4個模芯，帶有23 mm深的螺絲孔，小模芯分布在型材斷面的最左側，如果金屬流量分配不均衡，很容易造成偏壁、螺絲孔供料不足等一系列問題。此外，壁厚落差位置容易產生筋感。

1.3 模具結構設計優化方案剖析

采用7個分流孔的設計（如圖2），將左右兩側分流孔和中間分流孔的面積比例設計在1.15～1.2，將右側23 mm深的螺絲孔用分流孔直沖，同時將左側小模芯朝里做偏壁量，以補償模芯的偏擺，并且把小模芯銑短做護坡來保證它的強度，從而達到出料壁厚均勻的目的。下模設計了5 mm高的阻流臺，使流量盡可能往模芯難供料的地方流動。

圖2 機箱外殼型材模具結構設計優化方案

此方案模具第一次上機試模，料頭比較整齊，壁厚也比較均勻，螺絲孔處尺寸偏小，經過修模一次即生產出合格產品，按此方案生產的模具壽命達80 t以上。

2 大型扇葉型材模具設計

大型扇葉型材的斷面簡圖如圖3所示。

圖3 大型扇葉產品簡圖

2.1 基本工藝參數

大型扇葉型材適用擠壓機噸位2 500 t，擠壓筒?240 mm，合金狀態6063-T5，擠壓比λ為36。采用的模具規格為?460 mm×280 mm。

2.2 設計難點分析

該型材外接圓達到?257 mm，擠壓筒?240 mm，屬于典型的小機擠大料，壁厚只有1.7 mm。壁厚落差大的位置處容易出現骨影，左邊平模部位如果控制不好也很容易產生波浪。

2.3 模具結構設計優化方案剖析

在模具結構的設計上進行反復對比和優化，最終采取上下共8個分流孔的設計方案（如圖4）：將較容易出料的平模部位和右側的圓滑小面采用橋位遮擋來控制流速，同時加大兩邊分流孔的面積，將左右兩側分流孔和中間分流孔的面積比例設計在1.2～1.3；下模平模和螺絲孔、壁厚落差大的位置加不同高度的阻流臺。

圖4 大型扇葉型材模具結構設計優化方案

此模第一次上機即生產出合格產品，料頭整齊，出料也非常平穩。擠壓速度可達10 m/min以上，目前已生產出成品。

3 大模芯散熱器型材模具設計

大模芯散熱器型材的斷面簡圖如圖5所示。

圖5 大模芯散熱器型材產品簡圖

3.1 基本工藝參數

大模芯散熱器型材適用擠壓機噸位5 000 t，擠壓筒?370 mm，合金狀態6063-T5，擠壓比λ為10。采用的模具規格為?700 mm×480 mm。

3.2 設計難點分析

該斷面外接圓達到410 mm，在5 000 t擠壓機上使用?370 mm擠壓筒生產，屬于典型的小機擠大料，且型材不對稱，型材中心位置與分流孔比例設置不合理容易導致出料扭擰、斜角、尺寸超差等。

3.3 模具結構設計優化方案剖析

由于型材外接圓超出擠壓筒直徑較多，需要做較大的擴展，所以在設計時采用“前置導流+上模+下模”三件套結構（如圖6）。該結構使加工簡單化，從而大大縮短了交貨周期。而且模具中心的設計不能以模芯上下對稱分中，否則型材左右下方的兩條腿過不了出料口。在設計時，以模芯中心往下偏移25～26 mm作為X軸，左右對稱中心作為Y軸作為型材的中心來設計。為了減輕壓力，進料面設計采用前置導流孔結構，并擴孔40 mm以加大分流孔面積（如圖7（a））；為了減少導流板在擠壓過程中的彈性變形作用到上模上面，在導流板和上模的貼合面預留了2.7 mm間隙。上模同樣采取6個分流孔的方案（如圖7（b）），確保了上模的強度。為了保證下面多齒的位置供料充足而且靠近擠壓中心，上下分流孔的面積可以一樣大小，左側分流孔和上下面分流孔的面積比例設計為1.2～1.25。經反復對比計算后確定此結構設計方案。

圖6 分流孔布置和總裝圖

圖7 導流板和上模設計簡圖

模具第一次上機情況比較理想，下面平面有點凹，但在公差允許范圍內。經現場修模處理一次以后生產出合格產品，產品穩定擠出速度達6 m/min，目前已穩定產出成品。

4 討論與分析

從以上實例來看，當產品的種類、形狀、尺寸、工藝條件以及技術要求發生變化時，模具設計的平面布局、分流孔的大小和分布、是否需要導流、寬展，是否需要扁擠壓筒或異形擠壓筒，是否需要阻礙臺或促流角等結構要求也隨之改變，以適應金屬的分配合理和金屬流動速度的均衡，保證整個型材每個質點能平穩、平直地同時流出模具。這就是擠壓模具的主要任務，至于其他條件，可嚴格按各領域的研究成果滿足要求。要設計成功一套模具，不是一件容易的事，其設計不是抄圖，而是要參考已成功的設計方案設計出多種有意義的方案進行對比、計算，最終確定最理想、最精準的方案，爭取一次上機成功，減少修模，節約成本和保證交貨周期。

5 結論

鋁擠壓模具不同于一般的機械模具（如沖壓模），它是與產品的生產工藝過程密不可分的，所以鋁擠壓模具設計也可稱為工藝設計。在整個擠壓過程中，模具要承受高溫、高壓、高摩擦、高真空、長時間的作用，當產品的種類、形狀、尺寸、工藝條件、技術要求發生改變時，模具的結構參數也應相應變化，使整個擠壓過程的復雜應力變化、金屬分配、流動速度等的物理學達到平衡。因此，擠壓模具特別是模具結構設計方面應反復對比和計算、精準確定各結構參數才能減少修模次數，實現高產、優質、低成本、高效益的目的。