難以擠壓成型的鋁型材斷面形狀的局部優化

尹傳龍，齊凱華，翟 軍，任文錦

（山東鋁業有限公司，淄博 255051）

0 前言

隨著能源危機和環保壓力的影響，國家大力推廣鋁材應用，使鋁制品的應用更加廣泛。同時，國家對鋁制品的生產加工標準越來越嚴格，制作合格穩定的高質量鋁制品是鋁加工行業的首要任務。

隨著鋁型材用戶生產加工工藝的改善，鋁制品斷面形狀越來越復雜，型材尺寸也越來越大（或局部尺寸越來越?。行┛蛻籼峁┑漠a品也不適用于鋁加工行業的生產工藝條件，產品的一致性差，產品質量難以保證，產品的使用替換性差，客戶滿意度較低。為了滿足產品的使用屬性，有必要對難以擠壓成型產品的斷面形狀進行優化處理。

對型材的斷面形狀進行確認以及對后續的生產質量進行控制，以穩定產品質量。通過精細化質量控制把產品的外形尺寸嚴格控制在新的國家標準（或客戶的使用標準）內，以滿足客戶要求。

1 生產現狀

型材擠壓生產屬于壓力加工范疇，其主要設備是擠壓機和模具。擠壓機的主壓力一般為23 MPa，有些擠壓機的主壓力可達35 MPa甚至更高。圖1是常用正向單動臥式擠壓機結構示意圖[1]。在擠壓生產過程中，金屬鋁的流動像電工學中的短路現象一樣，金屬鋁沿著阻力小的方向到達工作帶前端，造成擠壓制品的斷面尺寸不穩定。型材斷面尺寸的不穩定就與它的這種“惰性”有關。擠壓工模具的結構形狀、表面狀態、?？讛盗亢凸ゎ^的排列對金屬流動有很大的影響[2]。隨著多孔、寬厚比大、厚度差大、舌比大、形狀復雜的高難度新產品的出現，對生產前的圖紙斷面形狀進行確認就顯得十分必要[3]。

圖1 擠壓機結構示意圖

鋁合金型材產品的質量取決于模具結構的設計是否合理以及各種尺寸因素是否得當[4]。而在擠壓生產的前期，圖紙中斷面形狀的確定必須考慮鋁的“偷懶”特性，通過優化斷面形狀等措施，保證型材的使用性。圖2示出了擠壓產品用的模具。

圖2 擠壓產品用的模具

2 擠壓型材斷面的優化設計

2.1 型材斷面形狀設計優化

由于大懸臂型材在擠壓生產過程中易堵模，邊壁厚的型材容易發生偏壁現象[5]，產品尺寸的穩定性和一致性差。同時擠壓模具容易在開口處發生失效疲勞斷裂，造成擠壓成本升高。為保證型材產品的穩定性和型材生產的經濟性，必須對擠壓型材斷面進行優化。如圖3（a）所示，型材左側有個開口，舌比A=86/16.1=5.3，屬于有危險斷面的型材，同時開口尺寸16.1 mm處也無法制作適配的專用支撐墊來提高模具強度，模具在開口處容易發生彈性變形或者疲勞折斷，需要進行斷面優化。

圖3 型材斷面形狀設計優化對比

圖3（b）是優化后的型材簡圖。優化方案為：左側開口端封閉，制作成手撕模，模具類型為組合分流模。這樣優化后，型材不存在危險斷面。另外模具在生產過程中受擠壓力沿著整個模具端面分布，模具受力均勻，擠壓型材尺寸穩定。

2.2 型材斷面尺寸的優化

由于模芯受到不平衡力的作用而產生偏移是導致型材斷面壁厚偏差的主要因素之一。若模芯受力均勻，不容易產生偏移，有利于提高模具使用壽命，減小和避免型材壁厚超差缺陷[6]。通過調整型材局部尺寸和（或）改變模具制作類型，便于金屬流動合理、模具壓力均衡、無危險斷面，從而提高型材尺寸的穩定性。

圖4（a）是客戶的原圖紙，由于結構原因，右側開口有個7 mm×66 mm長懸臂結構，有三個芯頭；同時由于模具的懸臂比較大，A=66/7=9.42，遠大于模具設計要求的A＜2.2的取值范圍，造成模具懸臂部分受力力臂較大，容易造成模具下模變形或者折斷，無法保證型材正常生產；同時由于兩側模具芯頭和左側模具芯頭間距較小，金屬鋁在芯頭結合處的分配嚴重不足，進而影響型材外形尺寸的穩定。

圖4 型材斷面尺寸優化圖

根據客戶需求和安裝使用需求，調整圖紙如圖4（b）。圖紙修改后，原模具下模開口處變成一個實體工頭，原開口部分成為獨立的芯頭，模具受力狀況大大改善，金屬流動穩定，金屬鋁的流動分配比例容易控制；同時右側上下兩個開口尺寸由16.9 mm調整為61.7 mm，便于與配套扣蓋的扣合，方便后期的安裝施工。

2.3 型材斷面結構優化

型材斷面結構的優化就是根據客戶圖紙的斷面特點，再根據客戶生產使用需求，根據鋁型材加工工藝特點，把型材的斷面結構稍作改變，使得金屬鋁在擠壓過程的三個階段的分配流動合理且穩定。

根據原圖紙設計（見圖5（a）），模具需要制作9個工頭，其中有8個工頭尺寸偏小，4個φ5.2 mm，4個φ8.5 mm。工頭強度不夠，容易造成工頭的位置不確定而產生移動。兩個小工頭間的間距為3.9 mm，小工頭與φ59 mm工頭間距為4.5 mm，造成模具加工困難。同時，由于型材的擠壓比較小，金屬鋁不能完全填充到各個導流槽，容易造成8個小圓直徑不穩定，各圓之間的定位尺寸也難以保證。

圖5 型材斷面結構優化

根據型材結構和客戶使用要求來調整客戶圖紙斷面形狀，如圖5（b）所示。將相近的兩個工頭連在一起，只制作5個工頭，這樣模具的強度和穩定性得到提高，金屬的流動穩定性得到改善，使型材外形尺寸穩定性加強[7]，有效地克服了鋁的“偷懶”特性。圖6、圖7分別是該型材模具的加工圖和利用該模具生產制作出的型材。

圖6 優化后的模具加工圖

圖7 優化后生產出的型材

型材斷面形狀、尺寸、結構的變化歸根到底是模具結構和類型的變化，就是改善模具的金屬分配，通過模腔對金屬的流動分配進行控制，以獲得出口速度均勻的型材[7]。通過型材斷面的優化，讓金屬鋁按照金屬分配的比例到達模具工作帶的前端，進而擠壓成型，滿足客戶對產品的需求。

2.4 有限元模擬

通過采用Deform-3D有限元計算軟件，模擬金屬鋁在擠壓狀態下的金屬流動情況，進而分析圖紙斷面形狀和模具制作中存在的問題，進一步優化圖形斷面形狀。模具在制作過程中由于存在機械加工工藝、加工不到位、型材斷面特點等因素的制約，還需要模具制作商和模具維修人員對模具進行再次或多次疏導處理，目的就是要打通通道，解決鋁的“偷懶”特性。

同時，型材斷面尺寸的優化還要考慮設備與模具的匹配性以及生產的精細化管理和精細化過程控制等因素。

3 結論

通過對型材斷面的優化設計，在不改變型材使用的前提下解決了模具制作困難、型材尺寸不穩定甚至無法生產的難題，進而達到穩定產品質量的目的。

鋁型材產品由于使用廣泛，型材間的配合使用形式具有多樣性。這就需要在中間環節掌握一些基本材料學知識、鋁合金擠壓型材生產工藝參數、模具制作和后續型材的安裝使用裝配情況等，全流程參與到產品的研發和后期的安裝施工的所有工序。型材斷面優化的方法已推廣至長懸臂型材、散熱板型材和有特殊使用要求的型材生產中，所出產品完全滿足客戶的需求。型材斷面優化工作架起了鋁制品單位與設計院、使用方的橋梁，對推進鋁加工行業的產品質量穩定和產品升級起到了重要作用。