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超寬型材鋁擠壓模具的設計方法

日期:2018年3月14日 21:35

國內鋁型材擠壓行業發展迅猛,市場對超寬鋁型材的需求量正逐年上升,但是,由于5000噸以上的大型鋁型材擠壓機投資較大,并且大型鋁型材擠壓機的擠壓生產成本較高,因此,國內目前只有少數大企業才裝備有5000噸以上的大型鋁型材擠壓機。而絕大多數鋁型材生產企業所裝備的擠壓機都是以4000噸以下的中小型擠壓機為主。用中小型擠壓機生產幾何尺寸較大的鋁型材時,由于受到擠壓筒直徑的限制,這類鋁型材的擠壓生產難度非常大,小機出大料問題一直是困擾鋁擠壓模具行業的技術難題。本文通過幾個具體的擠壓模具設計實例,談談超寬鋁擠壓模具的設計體會。

  2、寬展設計原理

  寬展模具就是在模具前端設置一個具有寬展功能的導流板,擠壓時使圓鑄錠產生一次預變形,變形后的鑄錠截面大致接近于寬厚比大的型材截面尺寸,使導流板的導流孔的寬度逐漸增大到接近或大于圓擠壓筒的內徑,金屬再經過二次變形流出模孔,以生產出外接圓尺寸超過圓擠壓筒直徑的大尺寸型材。在進行寬展模的設計過程中,要用到寬展率δB和寬展角β

  導流板的寬展率δB

  導流板的寬展角β為:

  式中:δ----導流板的寬展率(通常在15%35%范圍較合適);

  β----導流板的寬展角(一般β角小于30°);

  B2----為寬展直徑;

  B1----為進料直徑;

  HB----為導流板的厚度。

  寬展角在一般情況下都選擇在30度以內,如果寬展角過大,金屬將出現填充不良現象,但是,在特殊的情況下,采用特殊的模具結構,可以突破常規極限,使寬展角設計的更大。

  3、寬展模設計實例

  設計實例一:工程料大裝飾板(如圖1)

  模具設計基本參數:擠壓機噸位2500T,擠壓筒直徑φ236mm,擠壓系數18,模具直徑:φ460mm,合金牌號6063,擠壓筒溫度400430℃,鑄錠溫度,480510℃,模具溫度460-480℃,擠壓速度815m/min

  難點分析:該型材幾何尺寸較大,壁厚較薄,客戶對幾何尺寸公差和壁厚公差要求嚴格,型材外接圓超出了2500噸擠壓機模具進料孔極限,而且,該型材有兩個小模芯,由于受到分流孔進料直徑的限制,兩個小模芯的供料很難平衡,導致小模芯在上下方向上受力不均,小模芯容易發生嚴重偏移,從而影響出料成型,此外,由于型材中間的空腔較大,模具的擠壓死區面積過大,造成擠壓力大幅升高,因此,該型材在生產過程中極易出現斜角,波浪等缺陷,甚至會發生模具裂橋報廢。為了有效避免上述問題的產生,必須從改善模具的結構入手,使模具各部分的供料均勻,模芯受力平衡。為了達到良好的出料效果,我們在設計模具時采取導流板兩次分流的結構形式,導流板采取三孔沉橋的設計方案,如圖2所示,上模分流孔如圖3所示,模具結構如圖4所示。

  該型材的左右部分不對稱,右半部分由于兩個小公頭的存在,比左半部分難出料,因此,在設計導流板時,應充分考慮左右兩部分的供料比例。基于上述分析,我們將該模具導流板設計成三孔結構,右半部分由一個大分流孔供料,并將導流板設計成半月形如圖2,這種結構能有效增大模具外側邊緣的供料,同時減少中間直沖部分的供料,根據經驗公式計算,導流板右邊的分流孔進料面積與上下分流孔的進料面積比例,設計為1:1.3。為使遠離擠壓中心的邊緣部分的型材供料充分,導流板的分流橋采用斜面向外過渡,以減小邊緣部分的金屬流動阻力。

  經上機試模證明,這種結構能有效平衡兩個小模芯的受力,型材各處的金屬流量分配較為合理,模具上機出料平穩,料頭整齊,各處壁厚較為均勻,僅小公頭端面處出料略慢,兩個小模芯位置輕微收口,經一次修模調整后,生產的型材成型理想,完全滿足客戶要求。

  設計實例二:工業型材風車中空機翼(如圖5)

  模具設計基本參數:擠壓機噸位2500T,擠壓筒直徑φ236mm,擠壓系數23,模具直徑:φ460mm,合金牌號6063,擠壓筒溫度400430℃,鑄錠溫度,480510℃,模具溫度460-480℃,擠壓速度815m/min

  難點分析:該型材幾何尺寸較大,客戶對圓弧部分精度要求較高。該型材如果在3600噸擠壓機(擠壓筒直徑300mm—320mm)上生產的話,較為容易,但是由于受到設備條件的限制,2500噸擠壓機的擠壓筒直徑偏小(φ236mm),給生產造成了較大的難度,該型材兩邊遠離擠壓中心的位置供料較為困難,出料以后由于流速不均,容易造成圓弧部分變形,難以滿足客戶對圓弧部位尺寸精度的要求。同時,由于模具的橫向橋位跨度過大,模芯處的擠壓死區面積也較大,使模具橋位的抗彎強度大大下降,在擠壓生產過程中,當模具承受較大壓力載荷時,橋位的變形撓度增大,在橋位水滴處形成較大的拉應力,從而造成裂橋報廢。

  針對上述問題,我們通過采用導流板寬展結構,使型材邊緣部分的供料充足,同時,在導流板與上模之間預留變形間隙,對上模起到保護作用,這種結構能有效提高模具橋位的抗彎強度。

  我們將導流板(如圖6所示)設計成四孔結構,導流板的中間架橋,分流橋采用斜面向外過渡,目的是為了減小分流孔邊緣部分的金屬流動阻力。上模分流孔設計成八孔結構(如圖7所示),每個導流板的進料孔分別為上模的兩個分流孔供料,模具結構如圖8所示

  金屬通過導流板后,進行了第一次預變形,通過調整導流板的進料結構,可使模具各部分的流速更加均勻,另外,在導流板與上模之間留出一定的預變形間隙,當模具受到壓力作用時,導流板可承受大部分變形載荷,從而減少了上模的變形量,極大地改善了上模模橋的應力分布狀態,上模在擠壓過程中所產生的變形撓度大為減小,使模具橋位的抗彎強度大大增加,顯著提高了模具的使用壽命。

  在實際生產過程中,該模具出料平穩,料頭整齊,型材各處壁厚均勻,各個圓弧位的尺寸精度較高,生產出的型材成型狀況非常理想,模具上機一次合格,大大縮短了交貨周期。

  難點分析:該型材幾何尺寸較大,形狀復雜,型材兩邊的兩個小公頭已經超出了2500噸擠壓機的擠壓筒直徑(如圖9),因此,在2500噸擠壓機上生產的難度很大,為了充分發揮2500噸擠壓機的工作潛能,我們經過詳細的強度校核計算,設計了新結構的導流板,通過采用寬展導流模的結構,用2500噸擠壓機成功生產出了滿足客戶需求的合格產品,大大降低了生產成本。

  該型材雖然在結構上左右對稱,但形狀較為復雜,尤其在內側有7個裝配凹槽,這些凹槽處供料較為困難,在擠壓過程中容易造成收口變形等成型缺陷,同時,由于左右兩個小公頭已經超出了擠壓筒直徑,容易發生嚴重偏壁,甚至導致模芯斷裂報廢,因此,在設計模具時,必須保證模具各部位供料平衡以及模芯的受力平衡。為了使模芯在左右方向上的受力達到平衡,我們設計了大寬展率的導流板,通過沉橋減少了邊緣阻力,使導流板寬展角最大達到38°(如圖10所示)。模具的上模分流孔采用扇面狀均勻分布(如圖11所示)。模具結構如圖12所示。

  在設計過程中通過經驗公式計算,調整各分流孔的供料面積,使型材各個部位的流速更加均勻,模芯的受力情況得到極大改善,避免了偏壁現象。

  該模具上機后,總體出料情況較為理想,料頭整齊,壁厚較為均勻,但中橫處偏快,左右凹槽偏慢,造成一定程度的收口變形,經過修模調整后,該模具成功生產出了合格產品。

  設計實例四:大型工業用散熱器(如圖13所示)

  模具設計基本參數:擠壓機噸位2500T,擠壓筒直徑?236mm,擠壓系數8,模具直徑:¢460mm;合金牌號6063,擠壓筒溫度400430℃,鑄錠溫度,490520℃,模具溫度460-480℃,擠壓速度612m/min

  難點分析:該散熱器型材有多處裝配位,客戶為了減少后續的機加工成本,對型材的尺寸精度和平面度要求很高,并且,該型材幾何尺寸較大,大大超出了2500噸擠壓機的擠壓筒直徑(如圖13所示),該散熱器齒位壁厚2.0mm,中橫處壁厚達13mm,由于較難出料的齒位處于遠離擠壓中心的邊緣位置,而處于擠壓中心的中橫處的壁厚較厚,因此,該型材的齒位供料將極為困難,如采用普通模具設計方案,該型材中橫部分的流速會很快,將難以控制,而齒位很可能因流速過慢而造成塞模,甚至偏齒。為了解決流速控制的難題,必須設計超大寬展角的導流板,我們在2500噸擠壓機上采用了新穎的兩級復合導流板結構。

  一級導流板如圖14所示,該導流板采用中間架橋的兩孔結構,并向兩側進行大角度寬展,寬展角達41.3°。二級導流板如圖15所示,該導流板采用10孔結構,型材流速過快的中橫處被橋位完全遮擋,同時加大兩端齒位處分流孔的供料面積,通過經驗公式計算,我們將齒位處分流孔與中橫處分流孔的面積比例設計為1.81。同時,齒位處分流孔采用直沖供料和沉橋的結構,如圖15所示。模具結構如圖16所示。

  該模具的兩級導流板結構,能最大限度的合理分配金屬流量和流速,當金屬進入一級導流板后,遇到二級導流板橋位的阻擋,金屬將更多的向兩端的齒位處分流,從而實現模具的流速和流量控制。

  該模具加工完成后,上機一次合格,型材成型非常理想,齒位供料充足,中橫處的流速得到有效控制,料頭整齊,尺寸精度和平面精度較高,完全滿足客戶的要求。

  4、小結:

  對于寬厚比較大的扁寬型材,模具采用導流板寬展結構,能有效擴展金屬在模具中的流動范圍,金屬在經過導流板進行第一次寬展預變形后,再進入上模分流孔進行第二次分流,模具的供料結構更為均勻合理,這種結構能顯著改善型材出料的成型度,同時大大提高模具的強度和穩定性,在實際生產過程中,寬展模能夠使擠壓機的工作潛能發揮到最大程度,使小機出大料的生產難題在很大程度上得到有效解決。

  設計實例三:工業型材結構立柱(如圖9)

  模具設計基本參數:擠壓機噸位2500T,擠壓筒直徑φ236mm,擠壓系數12,模具直徑:φ460mm,合金牌號6063,擠壓筒溫度400430℃,鑄錠溫度,480510℃,模具溫度460-480℃,擠壓速度815m/min

 

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