大型鋁合金矩形管分流模結構的優化改進

祝志榮，傅潔瓊，鄧汝榮

（1.廣州城建職業學院機電工程學院，廣州510925；（2.廣州科技職業技術大學自動化工程學院，廣州510550）

0 前言

大型鋁合金矩形管型材在民用和工業中的使用已十分常見。但擠壓生產這類大規格型材的關鍵是擠壓用模具。由于這類型材的空腔面積大而使得模具的模芯尺寸比較大，在擠壓過程中模具中心的承壓面積大，產生的擠壓剛性區域大，因此所產生的變形抗力和高溫下的金屬摩擦力也很大，模具在高溫、高壓、高摩擦阻力和交變應力的工作環境條件下會發生嚴重的變形，容易導致模具分流橋出現早期的斷裂，使模具過早失效而降低模具的壽命。另一方面，這類型材的壁厚通常比較薄，型材的最大寬厚比常常超過100，導致擠壓的變形程度增加，擠壓過程中的擠壓力偏高，模具承受的壓力增加從而降低模具的強度。因此，如何提高大型扁管型材的模具壽命引起了行業廣大工程技術人員的關注。本文通過具體例子，通過探究新的模具結構，達到降低擠壓過程中的擠壓力的目的，從而明顯提高模具的強度。而且新的模具結構具有加工簡便、適用范圍廣的特點，可供同行參考。

1 模具結構

1.1 傳統的模具結構

圖1 所示是斷面外形尺寸為215 mm×115 mm的大型扁管鋁型材，其壁厚為3.0 mm。這是一種常見的管類型材，其最大寬厚比為71.7。通常選用能力為40 MN的擠壓機進行生產，擠壓機的擠壓筒內徑尺寸為? 330 mm。經計算，擠壓比為44。

圖1 型材斷面圖

圖2 傳統的模具結構

傳統的模具結構如圖2所示。傳統的模具結構主要特點包括：

（1）模具是由通常的上下模兩件組成的分流組合模。

（2）上模采用了6 個分流孔的金屬進料方式，分流比為14.6。

（3）上模中間分流橋相對外側4 個角部的分流橋要窄，而且采用了出料端沉橋的方式。

（4）上下模厚度分別為280 mm 和140 mm，模具的外形尺寸規格為? 480 mm×420 mm。

（5）上模外側分流孔采用了寬展結構。

（6）上模6 個分流橋均采用了入料口倒橋的方式，其作用是為了改變分流橋斷面中心層位置，降低分流橋的拉應力。

（7）在擠壓過程中，實踐數據表明，擠壓力的最大峰值可達200 MPa，而且型材的壁厚與模具的上下模配合間隙存在較大的差異，特別是型材兩側邊的壁厚，最大差值達0.25 mm。這說明，在擠壓過程中模具發生了較大的彈性變形。

（8）模具的使用壽命短。通過對10套模具的使用統計，最大壽命為20×103kg，最小為16.3×103kg。

（9）模具失效的主要形式為分流橋發生斷裂。通過對擠壓過程和模具結構進行分析可知，該型材在能力為40 MN的擠壓機上進行生產，擠壓比為44，其變形程度并不大，是一個比較合適的擠壓系數。傳統模具采用的是分流孔和分流橋結構，雖然分流橋對鋁棒金屬有剪切的作用，使金屬分成幾股進入分流孔，但每個分流橋仍然受到金屬的作用力，而且每個分流橋受到的最大作用力在同一時間出現，這些力的疊加會使整個上模受到的壓力達到最大值。同時，由于模具的中心部位受壓面積大，會形成較大的金屬變形剛性區或死區，將極大提高金屬在擠壓變形過程中的變形抗力，導致擠壓力急劇上升。另外，為了保證模具的強度，傳統模具結構中上模的厚度取得相當厚。這樣的弊處在于：一方面，上模過厚，金屬的流道很長，使上模承受最大壓力的時間延長，產生的拉壓交變應力會大幅增加；另一方面，上模過厚，增加了模具的加工難度，形成局部應力集中的可能性增加。同時厚度過大，降低了模具在熱處理過程中的淬透性，會降低模具的韌性，特別是內部中心處的沖擊韌性值。其結果是擠壓力和模具承受力均增加而模具強度降低。

1.2 改進和優化后的模具結構

由于傳統模具結構的中心剛性區域面積大，使分流橋承受壓的峰值在同一時間出現而導致擠壓力偏高使得模具過早失效，因此對傳統的結構進行改進和優化，其結構如圖3所示。

改進后模具結構的主要特征如下：

（1）采用有別于傳統的模具結構，采用三件式分流模結構，在上模的進料口前端加設一件分流板。金屬首先進入前置的分流板對金屬進行預分配，充分利用分流板對金屬的預分配功能，使金屬可以采用較大的分流比進入分流板并在分流板內經多次較大的分流比進行多次金屬預分配，形成階梯式的分流進料方式，這樣可以大大降低擠壓力。另外，可以使上模的厚度減小，降低模具的加工難度和提高模具在熱處理中的淬透性。這些都將有利于模具強度的提高。分流板上模及下模的外形尺寸規格分別為? 480 mm×160 mm、? 480 mm×140 mm、? 480 mm×120 mm。

圖3 改進后的模具結構

（2）采用階梯式的分流入料方式。金屬首先進入分流板，受到分流板的分流孔外邊緣的剪切后以一股金屬進入分流孔，金屬向前流動30 mm后接觸第一級分流橋，此分流橋對鋁流進行第二次剪切，金屬分成二股在分流板內繼續向前流動。這二股金屬向前流動60 mm后，將各自接觸第二級分流橋而受到第三次剪切后分別形成二股金屬。至此，經過二次分流后，金屬最終形成四股進入上模的分流孔中。

這樣的好處在于，從一股金屬變成四股金屬，相比傳統的僅采用上模而言，分流比可以依次取得較大并形成一定的梯度，使得分流橋承受的壓力同樣可形成一定的梯度，其結果是分流橋承受的最大擠壓力的峰值不同時出現，從而避免了擠壓力最大峰值的形成；另一方面，這樣的階梯式分流入料方式可有效減小模具中心部位的剛性區域從而降低擠壓過程中金屬的變形抗力。最終大大降低了分流橋的承壓力，提高了模具的強度。分流板金屬分流方式如圖4 所示，金屬依次由（a）、（b）、（c）、（d）分流。

圖4 分流板金屬分流方式

三次的分流比分別為32.6、26.3 和23.6，分別為擠壓比的74%、59.7%和53.6%。由此可見，分流比與傳統的設計相比有了很大的提高，因而可大大降低擠壓力。

（3）上模采用了6 個分流孔，這說明從分流板的四股金屬進入上模后又將形成6股金屬。從模具結構可以看出，分流板的二股金屬將各自變成上模的三股金屬，這一過程將使金屬發生重新焊合和熔合以及局部的重新分流。這樣的好處在于，一方面可以保證模孔中金屬難于成型部位的金屬供應充分，使各處的金屬流速容易趨于一致，從而確保型材的精度要求。同時，金屬由四股變成六股，更符合金屬分配后與型材形狀的相似性，使金屬的分配變得更加合理。另一方面，由于采用了分流板，增加了分流比，在上模6個分流孔的情況下，最終的分流比為23.5，為擠壓比的53.4%，比傳統的分流比有明顯的增加。

（4）為了減小上模在擠壓過程中的彈性變形，保持型材壁厚的均勻性，應盡可能減少上模中心部位的承壓力。因此，應當讓分流板承受大部分的擠壓力，同時分流板中心部位發生的撓曲或彈性變形盡可能小地傳遞到上模而影響上模。所以，在分流板和上模的接觸面設置應力間隙。經驗值表明，應力間隙取1.0～1.5 mm或型材壁厚的1/3 mm～1/2 mm 較合適，而且間隙取在分流板上也便于加工。分流板結構如圖5所示。

圖5 分流板結構示意圖

（5）分流板和上模的分流孔均采用了寬展方式。一方面可充分發揮擠壓機的潛能；另一方面可以保證下模焊合室具有足夠的金屬熔體，保證擠壓的焊合性能。同時為了提高模具在熱處理過程中的淬透性，在分流板中心部位和上模模芯上分別開設了1 個工藝孔，工藝孔的直徑為30 mm，深度為60 mm。上模結構如圖6所示。

圖6 上模結構示意圖

（6）下模工作帶的選擇沿用了傳統的方式，但由于型材的寬厚比較大，要考慮擠壓機在擠壓筒徑向上存在的壓力梯度。因此，為了保證各處金屬的流速趨于一致，在模孔的長度和寬度中心部位設置了阻流塊，阻流塊高度為5 mm，寬度為6 mm。下模焊合室及工作帶如圖7所示。

圖7 下模焊合室與工作帶示意圖

2 結束語

對規格為215 mm×115 mm×3.0 mmm 大型扁管鋁型材擠壓模具進行了結構改進與優化。實踐表明，模具壽命顯著提高，優化效果明顯。由此可以充分說明，對于大斷面型材的擠壓模具，模具結構的選擇、分流孔的結構、降低擠壓力方式等是相當關鍵的。這些結構參數是有效提高模具壽命的關鍵和重要環節。上述提出的結構對于其它大斷面型材具有借鑒和參考作用。