一種保護式半空心鋁型材分流模結構*

鄧汝榮

(廣州科技職業技術學院，廣東 廣州 510550)

一種保護式半空心鋁型材分流模結構*

鄧汝榮

(廣州科技職業技術學院，廣東 廣州 510550)

半空心型材擠壓模具的強度不足和不容易保證是生產中的一個難點。介紹了半空心型材的判定方法。通過實際例子，提出了一種保護式分流模結構，介紹了這種結構的設計原理，闡述了這種結構的各個參數選擇的方法，包括分流孔的設計、應力間隙的選擇、彈性變形的預補償量、定位凸臺的設計以及工作帶的選擇。并對新舊模具結構的使用結果進行了分析和對比。結果表明，保護式分流模結構具有明顯的優勢，更具有針對性，適用范圍廣，可以大大減小模具的正向受力，使模具壽命大大提高。同時，結構簡單便于加工。

半空心；鋁型材；保護；結構；分流模

在鋁型材的生產過程中，模具是關鍵和重要因素。在眾多的鋁型材品種中，根據它們的結構特點可以歸納為兩大類，即空心鋁型材和非空心鋁型材。而鋁型材擠壓模具一般分為分流組合模和平面模兩大類。前者主要用于空心型材的擠壓，后者則用于實心型材的擠壓，但在實踐中有相當一部分實心型材是不能用平面模擠壓的，若采用常規的平面模結構，則模具的強度將不足，會出現上機壓塌、折斷等使模具過早失效的情況，模具壽命達不到正常水平。這類型材，行業稱之為“半空心型材”。半空心型材擠壓模具設計要解決的重要問題就是模具的強度。為解決這類模具強度問題，國內外有關工程技術人員進行了廣泛的研究，提出了一些新的模具結構，如整體式平模、碰穿式分流模結構和吊掛式分流模結構。采用整體式平模是將傳統的由模子與模墊組成的二件式平模結構變成單一的模子結構，以增加模子厚度的方式提高模具的強度，提高的是模具懸臂的抗剪和抗彎強度，但沒有改善模具懸臂部位的受力狀況，模具承受的正向壓力沒有減小。因此，采用這種方式有一定的局限性，同時，模子厚度的增加也會給模具的加工帶來困難。采用碰穿式分流模結構，是在型材半空心的某一個位置上進行“切割”，切割出一個模芯用來設計一個分流模的上模，而余下的部位就作為設計分流模下模的模孔。上、下模裝配時，在“切割”部位的配合間隙理論上為零。擠壓時金屬不流入該部位。采用這種結構，減少了懸臂的長度，因而降低了舌比，從而大大提高了模具的強度。但是，由于制造上誤差，會使這種結構在“切割”部位處不可避免要形成微小的間隙，導致在擠壓時型材在該部位出現拉剌或起筋現象而影響產品的質量。同時，對于一些不對稱或形狀不規則的半空心型材，采用“切割”的方法會有一定的難度或限制，特別是對于一些大斷面的半空心工業型材。而采用吊掛式擠壓模結構，就是將懸臂的底端(非開口部位)像吊橋一樣吊掛在上模上，這將改變懸臂的受力結構，使懸臂的受力狀況由相當于一端固定的懸臂梁變成了兩端固定的簡支梁，這將大大提高模具的強度。但這種結構在制造方面的難度將增加。本文通過實際的型材例子，介紹一種針對半空心型材的保護式分流擠壓模結構，它具有適用范圍廣和易于加工的特點，供同行參考。

1 半空心型材的判定方法

1.1 舌比計算法

如圖1所示，型材所包圍的面積A與型材開口寬度W的平方之比稱之為舌比R。當舌比大于表1所示的數值的型材則稱之為半空心型材。

表1 型材寬度(W)與舌比許可值(Rmax)

W/mmRmax1.0～1.521.6～3.133.2～6.346.4～12.6512.7以上6

1.2 強度計算法

在實際中,雖然有的非空心型材,其開口寬度在12.7 mm以上,但舌比卻小于6,其懸臂面積卻很大,在設計模具時,用平面模強度校核公式進行強度計算,以常規由模子與模墊結成的平面模的最大裝配厚度作為單一模子的厚度進行強度校核，當計算的安全系數小于3時,就可判定其為半空心型材，強度校核公式如下：

2 保護式分流模的結構

以圖2所示的型材為例。該型材的舌比為0.6，懸臂開口最小寬度W為111.84 mm,型材斷面面積為566.5 mm2。根據型材特點及考慮擠壓比和成本等因素，選擇能力為18 MN的擠壓機，擠壓筒內徑為185 mm,經計算，擠壓比為47.4，這是一個合適擠壓的數值。該擠壓機可供選擇的模具尺寸規格有φ250×160 mm(外徑×厚度)和φ300×200 mm。采用整體式平模，經強度校核計算,則模子厚度至少要170.5 mm，這將給加工帶來很大困難。而采用碰穿式分流模結構，則難于選擇合適的“切割”位置。采用一種保護式分流模結構,則這種結構可以將懸臂的大部分置于分流模的中心部分，由分流模的上模將大部分懸臂保護起來，避免了懸臂受到分層擠壓時直接的正壓力，從而改善了懸臂的受力狀況，這樣提高了模具的強度而模子型孔中懸臂的有效厚度則可減小，從而有利于加工。而在下模焊合室中的懸臂部位，在金屬進入焊合室的一面，懸臂低于上下模貼合的止口平面一定的數據，則當上下模裝配貼合在一起時，就形成了一個間隙。雖然在擠壓時上模在承受金屬正向壓力的作用會向下發生一定的撓曲，但由于這一間隙的存在，上模向下發生撓曲時并不會接觸到懸臂的表面，因而不會對懸臂傳遞力的作用，相當于對懸臂起到保護的作用，大大減小懸臂所受的正向壓力。這一間隙，可以稱之為“應力間隙”。另外，由于改善了懸臂的受力狀況，所以可以選用最小的模具尺寸規格φ250×160 mm。模具結構如圖3所示。

3 保護式分流模設計要點

(1)金屬擠壓時的正壓力主要由分流模上模承擔。因此，上模的強度要確保。為了保證上模的強度，除了合理地選用優質的模具材質及熱處理規范，在模具設計上，可采用的方法較多，如采用入料口倒角、斜入料端面以及較大的分流比等，因此，采用遮蓋式分流模結構，模具的強度是較容易得到保證的。

(2)在分流孔布置設計時,要注意的是在懸臂支撐邊(懸臂根部)一端原則上不應設置分流孔。各個分流孔的面積差異控制在10%左右,分流比可取擠壓比的30%～40%,以降低擠壓力,提高模具的強度。同時盡可能減小懸臂頭部的受力，因為頭部的作用力對懸臂產生的彎矩最大，使懸臂發生的撓曲最大?；谶@一原理，可以在懸臂的頭部設置一寬度為(10～16)mm的分流橋，這樣就可以減小頭部的受力面積，從而減小了懸臂頭部的受力。另外，為了減小上模的受壓面積,可以采用平行的斜進料方式,即分流孔擴孔角度與分流孔近模具中心的進料角度一致,或稍大1°～2°,以及對分流孔入料端面進行倒角,這將有效地降低擠壓力。上模分流孔及分流橋結構如圖4所示。

這樣的設計，懸臂直接受到擠壓時金屬的正向壓力將大幅減小，如圖5所示。圖中陰影部分為懸臂承受的正向壓力面積，相比傳統的平?；蛘w式平模結構，懸臂承受的正向壓力面積減小了85.2%，因而模具的強度得到了很大的提高。但在模具設計時，還應考慮下模型孔的金屬供應與流速，陰影的面積并不是越小越好。經驗表明，以分流孔內側邊緣進入下模焊合室至?？走吘壘嚯x(圖中a值)取(5～8)mm為宜。

(3)采用這種結構必須設計應力間隙。否則，當上模受力向下發生彈性撓曲時，會對懸臂施加力的作用，從而使懸臂也會發生彈性變形甚至塑性變形。經驗數值表明，應力間隙取(0.5～1.2)mm最佳，懸臂的面積越大或擠壓比越大，應力間隙取得相對大一些，但以不大于型材的最小壁厚為原則。保證在擠壓過程中上模在彈性變形過程不將正向壓力傳遞到下模懸臂。

(4)雖然由于上模承受了大部分的正向壓力，上模對懸臂起有保護作用。但由于受金屬進入?？壮尚偷哪Σ亮ψ饔?，懸臂同樣會受到與擠壓方向相同的拉應力作用。實踐表明，這一拉應力的作用不會對懸臂的強度產生致命的影響，但同樣會使其發生彈性變形或彈性撓曲，從而使底部間隙變小。因此，在模具設計時要考慮這間隙的彈性預留補償量。否則，該底部型材壁厚將變小，同時將影響該處金屬的流速，嚴重時可能會發生擠不出而睹模的現象，使擠壓力急劇上升，導致懸臂折斷。彈性預留補償量一般按經驗取(0.10～0.20)mm。型材壁厚小于1.0 mm時取上限。

(5)下模焊合室的設計依據分流孔進入焊合室的輪廓而定，在分流橋對應位置盡可能設置橋墩，而焊合室中懸臂部位凸出處要低于止口平面一個應力間隙值，同時凸出的懸臂邊緣與?？椎木嚯x以(5～8)mm為宜(圖5所示的b值)。工作帶的選擇按常規分流模工作帶選擇的原則。下模焊合室與工作帶如圖6所示。

雖然?？椎牡撞勘诤窨紤]了彈性預留補償量，但這補償量是無法精確計算的。所以實踐中為了保證壁厚的均勻性，可以在下模懸臂上設計一個凸臺,即在下模懸臂突起部位的中心處(這樣易于加工)或在稍偏離中心位置處設置向上的定位凸臺，而上模則設計與凸臺相配合的孔。反之，也是可行的。另外，設計這樣一個凸臺，還可以改變懸臂的受力結構。當下模由于內側摩擦力作用向下壓陷時，凸臺就受到上模的約束，可有效消除下模的下陷，從而緩解懸臂的變形，同時改善了懸臂的受力狀態。懸臂的受力狀況相當于由懸臂梁變成了簡支梁。其原理如圖7所示。這將大大提高了模具的強度。兩者采用間隙配合，保證間隙小于0.06 mm。且凸臺盡可能設置在模具的中心部位,以便于加工和保證上下模凸臺定位的精度。凸臺的直徑不宜過小和過大,應當保證凸臺有足夠的剛性。經驗值表明,凸臺直徑以φ12～40 mm為宜,高度以6～12 mm為宜。懸臂的面積越大,則凸臺直徑取得越大。

(6)采用保護式分流模結構，最好的效果是搭配專用支承墊,專用支承墊的設計以墊的內孔單邊至?？拙嚯x(8～10)mm為宜，如圖8所示。即所謂的“前遮后頂”方式。實踐表明，使用專用支承墊后，模具壽命將提高近一倍。

4 擠壓結果對比

根據對圖2所示型材采用傳統的平面模和新的保護式分流模結構進行擠壓跟蹤,所得結果對比如表2所示。

從結果可以看出,新的遮蓋式分流模具有明顯的優勢,大大提高了模具壽命,降低了型材擠壓的模具成本。

5 結語

采用保護式分流擠壓模結構，目的是改善懸臂的受力狀況，減小擠壓過程中流動的金屬對懸臂的作用力，從而達到提高懸臂處模具的剛度與強度。結果表明：

表2 模具結構與擠壓結果對比

模具結構模具壽命/t壁厚偏差/mm表面質量尺寸精度懸臂受力狀態傳統平面模<1>0.2擠壓痕深,表面粗糙開口易小,端面壁厚變薄嚴重全部承受正壓力保護式分流模>10無擠壓痕輕,表面光亮高,符合技術要求受力部分可減小80%以上

(1)保護式分流模結構，作為針對半空心型材，更具有針對性，適用范圍更廣，適合各類半空心型材。

(2)保護式分流模結構，在擠壓過程中可以減小半空心部位形成的懸臂的受力面積，減幅可達80%以上。從而大大減小金屬擠壓時對懸臂的作用力，大大提高了模具的強度。

(3)采用保護式分流模結構，可以改變懸臂的受力狀況，使懸臂的受力結構由懸臂梁變成簡支梁，減小模具的應力，提高模具的強度。

(4)采用保護式分流模結構，模具的壽命相比傳統的模具可大幅提高，壽命可達10 t以上；同時，型材的質量可以得到更好的保證，可以避免型材出現壁厚變薄和表面擠壓痕粗糙的現象。

采用這種結構若能充分利用擠壓過程中金屬流動的特點，對有關設計參數進行調整、布置，則可以達到更加好的效果，更有利于提高模具的強度、延長模具的壽命、降低成本。

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A protection type hollow extrusion die for the semi-hollow Al-profiles

DENG Rurong

(Guangzhou Vocational College of Science and Technology，Guangzhou 510550,CHN)

The serni-hollow profiles extrusion die strength net enough and not easy to ensure in production is a difficulty. The determination methods of semi-hollow profiles were introduced.Through the practical example,a new type of hollow die structure of protection type was presented.The design principle for the new structure was introduced,and the method of choosing the parameters for the structure was described,including the design of portholes,the choice of the stress gap,the pre-compensation amount of the elastic deformation,the design of the positioning boss and the selection of bearing.And the results of use were analyzed and compared with old and new die structure.It was shown that the new structure has obvious advantages,but also has advantages of wide application range,it can greatly reduce the positive force of die and improve the die life.At the same time,the new structure is simple and easy to process.This is a kind of die structure which is worth promoting.

semi-hollow；Al-profiles；protection；structure；hollow die

*廣東省高等職業技術教育研究會2015年一般課題(GDGZ15Y084)；廣州科技職業技術學院資助科研項目(2016ZR02)

TG76

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.031

鄧汝榮，男，1964年生，高級工程師，主要研究方向為鋁型材擠壓模設計與制造。

?穎) (

2016-02-23)

160936