1. 綠色建筑鋁合金模板型材模具特點與技術難度分析
1.1 概述
鋁合金建筑模板型材品種多達幾十種，而且規(guī)格范圍廣，有的型材是多塊形狀各異的中小型材組拼成的一個大型整體材，外接圓直徑大于?600mm。有空心型材、實心型材和半空心型材，成形難度大，尺寸和形位精度要求高，要求有高的力學性能，?b?330MPa），優(yōu)良的可焊性、耐磨、耐蝕等綜合性能。而且要求產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。因此，要求不同形式的特殊結構的模具，如特殊分流模、遮蔽式型材模、特種寬展模等才能保證不同型材的成形和尺寸精度，而且要求高的使用壽命（要求使用壽命要求較原用的提高2-3倍），確保其批量生產(chǎn)。以下僅從幾十種型材中選取兩種典型的、難度較大的型材模具為例來討論綠色建筑鋁合金模板型材模具的設計與制造技術，其中一種為寬度達400mm，寬厚比大于100的帶筋壁板型材WYY1237(見圖1)，另一種是舌比大于5、尺寸和形位為超高級精度的半空心型材WYY1125（見圖2）。
1.2 鋁合金模板鋁型材模具特點與技術難度分析
（1）模板鋁型材品種多、形狀復雜、尺寸變化大，因此要求設計制造不同規(guī)格、不同結構、不同形式的優(yōu)質(zhì)模具，才能保證成形和尺寸、形位精度，需要進行大量的試驗工作。
（2）模板要求產(chǎn)業(yè)化大批量生產(chǎn)，首要關鍵就是提高模具使用壽命，本研制課題要求擠壓模具的使用壽命在原有基礎上提高2-3倍，難度是十分大的。
（3）扁寬形模板型材的寬、厚比大于100以上，寬而薄的壁板部位尺寸精度和平面間隙都很難保證，需要一種特殊結構的寬展、分流模具合理地分配金屬流，才能保證型材的成形和高精度尺寸要求，特別是保證超高精度的形位公差，技術難度更大。
（4）模板鋁型材中半空心型材居多，其舌比大于5，尺寸與形位要求精度為超高精度，需要一種特殊結構的模具才能保證其型材成形，并達到高精度，而且要保證模具有足夠的強度，不變形、不開裂、不壓塌，保證高的使用壽命，難度是非常大的。
（5）模板鋁型材要求表面光潔、尺寸和形位精度高，因此需要采用高質(zhì)量的模具鋼及嚴格的模具熱處理工藝、機加工全部實施CNC工藝規(guī)程，才能獲得具有高強度、高韌性、高精度、低的表面粗糙度的優(yōu)質(zhì)模具。
2.WYY1237和WYY1125模板鋁型材模具的設計依據(jù)與技術要求
2.1 WYY1237模板鋁型材模具的設計依據(jù)及技術要點
（1）WYY1237鋁型材的合金狀態(tài)為6061ET6，擠壓材經(jīng)精密水霧、氣淬火+人工時效后交貨，要求型材的尺寸與形位精度達到超高精級水平，并具有良好的力學性能、耐磨、耐蝕、可焊等綜合性能的合理匹配。
（2）WYY1237鋁型材屬于扁寬薄壁型材（見圖1），其特點是容易發(fā)生嚴重的壁厚差和平面間隙，型材兩端面因充料不足而壁厚尺寸不夠，WYY1237型材的寬、厚比值高達 ，用普通平面模是達不到擠壓型材技術要求的，必須設計一種特殊的組合模才能保證成形和達到精度要求。
（3）WYY1237鋁型材外廓尺寸大，必須在7000噸以上的大擠壓機生產(chǎn)，擠壓筒直徑為?418mm，型材寬度幾乎與擠壓筒直徑相當，這就需要設計制作一種特殊的多級寬展擠壓模，才能保證型材成形及寬度精度與平面間隙。
（4）WYY1237型材的兩個支承腿與壁板角度為 ，形位公差值已高于GB5237高精級規(guī)定，需要反復計算與平衡金屬流量的分配才能保證角度精度。用戶要求保證該型材兩個角度精度是為了確保模板順利裝卸和整體的平直度，模具的設計制造有極大難度。
（5）要求選擇優(yōu)良的模具材料，先進的熱處理和表面處理工藝，確保模具的使用壽命提高2-3倍。
圖1 建筑鋁合金模板型材—WYY1237產(chǎn)品圖
2.2 WYY1125模板鋁型材模具的設計依據(jù)與技術要求
（1）WYY1125模板型材的合金狀態(tài)為6061ET6，擠壓材經(jīng)精密水、霧、氣淬火+人工時效后交貨，要求型材尺寸與形位精度達到超高級水平，并具有良好的力學性能、耐磨、耐蝕、可焊等綜合性能的合理匹配。
（2）WYY1125模板型材屬典型的高舌比半空心型材（見圖2）。該型材從形狀來看是從三個半方面包圍，一方面有一部分開口，被包圍部分為空間面積，這個面積從模子方面看是個懸臂梁，這個懸臂梁細而深，懸臂梁極易下塌，模子也很容易損壞，是很難擠壓出合格型材的，也難以保證型材尺寸精度和形位精度。
（3）該型材有三個90?轉角，其中兩個角為 ，一個角為 ，這三個角度的公差值都已超出《國標》的任何等級規(guī)定。用戶要求保證該型材三個角度精度是為了確保模板裝配整體的平直度，這給模具的設計制造帶來極大難度。
（4）要求選擇優(yōu)良的模具材料，先進的熱處理和表面處理工藝，確保模具的使用壽命提高2-3倍。
圖2 建筑鋁合金模板鋁型材—WYY125產(chǎn)品圖
3.模板型材模具的設計制造技術方案與提高使用壽命的措施與創(chuàng)新點分析3.1 WYY1237鋁型材模具
（1）WYY1237鋁型材模具設計依據(jù)與設計方案參數(shù)見表1和表2。
表1 WY1237鋁型材的模具設計參數(shù)表
表2 模子設計方案參數(shù)表
（2） WYY1237模的設計方案示意圖，見圖3。
圖3 建筑鋁合金模板型材WYY1237特種寬展分流組合模示意圖
（3）WYY1237型材模子設計方案要點及創(chuàng)新點分析
根據(jù)該扁寬薄壁鋁型材的寬厚比值高達 ，屬于高難度擠壓型材，對其模具設計方案需要經(jīng)過反復計算和對比分析，才能確定最佳方案。最終選擇分流寬展模與型材模相組合的特殊模具結構。
WYY1237-1# 模在初始并未設置吊橋，但該模經(jīng)上機試擠壓時，發(fā)現(xiàn)模子彈性變形較大，擠壓材尺寸不夠穩(wěn)定，有的尺寸超下偏差，平面間隙也超差，由此，在維修-1#模時在寬展模型孔內(nèi)安裝上了兩個吊橋，使其寬展模變成了分流寬展模，維修改進后的模具經(jīng)上機試擠壓，取試驗檢測結果，擠壓材的尺寸精度和形位精度完全滿足WYY1237型材的技術要求，實驗證明修改后的方案是合理的。
在設計、制造-2#模、3#模、4#模時均采用寬展分流模的設計方案，其設計特點與創(chuàng)新點是：
直接在寬展?？變?nèi)設計兩個吊橋，形成三個分流孔，分流比K分=13，焊合腔深度40mm，焊合室采用特殊形狀并設有4個橋墩以平衡金屬流量和提高模具的整體強度，從而使流動金屬在焊合室內(nèi)具有足夠高的靜水壓力。
在?？浊懊嬖O有金屬導流導槽，按型材形狀進行第一次金屬分配，提高型材的成形效果；
寬展分流模的金屬入口處下沉20mm，可均衡金屬流動并降低擠壓力；
寬展分流模的分流孔布置與型材形狀相似，金屬流經(jīng)寬展分流孔的過程中逐漸由圓形鑄錠變成與型材形狀相似的金屬流，合理控制了金屬分配與調(diào)節(jié)了金屬流速。；
兩側的分流孔向外成兩級寬展角，寬展角分別為25?、5?，以增大兩端模孔處的金屬流量和壓力，便于填充。
模子設計尺寸及技術要求，見表3。
表3 WYY1237—1#模設計尺寸及技術要求表
（4）模子制作要點
模具制造廠擁有國內(nèi)外最先進的模具加工設備，數(shù)控車床、數(shù)控銑床、CNC加工中心、數(shù)控電火花機床、數(shù)控雕銑機、低速線切割機等現(xiàn)代化機床，在模具制作的全過程中已實現(xiàn)CAD/CAM/CAE全自動加工,可確保模具加工質(zhì)量。
WYY1237型材模選用國內(nèi)名牌廠家生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1熱作模具鋼，電渣重熔鋼坯經(jīng)再鍛造、退火后使用，模子熱處理經(jīng)1035?C高溫淬火+2次充分回火，模體硬度值在48-49HRC，模具表面強化處理采用二階段氮化工藝，確保模子表面硬度值在HV950-1150，氮化層厚度100-160?m，從而提高模具使用壽命。
（5）成品模檢測驗收記錄見表4。
表4 WYY1237—1# 成品模檢測記錄表
表5 WYY1237 鋁型材模（第1、2次）試模的型材尺寸檢測記錄
3.2 WY1125模板鋁型材的模具
（1）模具設計依據(jù)與設計參數(shù)，見表6和表7。
表6 WYY1125鋁型材的模具設計依據(jù)表
表7 WYY1125—2# 模設計參數(shù)表
(2) 遮蔽式模子設計結構示意圖，見圖4。
圖4 建筑鋁合金模板鋁型材—WYY1125特殊半空心型材（遮蔽式）擠壓模（2#模）示意圖
(3) 模子設計方案要點及創(chuàng)新點分析
根據(jù)WYY1125模板鋁型材的大舌比特點，對這種擠壓難度較大的半空心鋁型材，對3個模具設計方案進行分析對比：
第一方案是常規(guī)的平面模，這種模具易于制作，但由于模子的懸臂部位直接承受變形金屬的作用力而使懸臂下彎，不能保證擠壓材尺寸精度和形位公差值，同時模具使用壽命很短。
第二方案是在鋁型材的開口處加一連接條，使半空心鋁型材變成封閉的空心鋁型材（見圖5），這樣就可以按普通分流模設計制作，這種結構的模具雖然能夠保證產(chǎn)品尺寸精度和形位公差值，但是擠壓型材的連接條需要在經(jīng)淬火、時效后撕掉，當撕掉連接條后型材的連接處粗糙度很高，需要人工長時間打磨，擠壓材成品率很低而且成本高。
模具制造廠擁有國內(nèi)外最先進的模具加工設備，數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控電火花機床、數(shù)控雕銑機、慢走絲線切割機等現(xiàn)代化機床，在模具制作的全過程中已實現(xiàn)CAD/CAM/CAE全自動加工,可確保模具加工質(zhì)量。
WYY1125型材模選用國內(nèi)名牌廠家生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼，電渣重熔鋼坯經(jīng)再鍛造、退火后使用，模子經(jīng)1035?C高溫淬火+2次充分回火熱處理，模體硬度值確保48-49HRC。表面強化處理采用二階段氣體氮化工藝，確保模子表面硬度值在HV950-1150，氮化層厚度100-160?m，以提高模具使用壽命。
(5) 成品模檢測驗收記錄見表9。
表9 WYY1125-2#模檢測記錄表
（6）試模記錄見表10。經(jīng)二次修模與改進，2#模完全達到技術要求，生產(chǎn)出合格型材。
表10 WYY1125-2#模 兩次（第一次，第二次）試模的擠壓材檢測記錄
4.模板鋁型材模具批量擠壓生產(chǎn)效果分析
4.1 WYY1237型材一共投做4套模，有3套模投入生產(chǎn)，有一套在待生產(chǎn)?，F(xiàn)已經(jīng)交出產(chǎn)品800多噸。其中，WYY1237-1#模因最初未設置吊橋，在擠壓過程中，模具彈性變形較大，型材的壁板中心部位尺寸偏小，且平面間隙超差。經(jīng)研究決定在寬展模的孔腔內(nèi)安裝上了兩個吊橋，這樣既提高了模具的抗彎強度，也均衡了金屬的流動。經(jīng)修改、維修后的WYY1237-1#模上機擠壓出的型材尺寸合格。這套模在擠壓出200多噸型材后因出現(xiàn)疲勞裂紋報廢。模具使用壽命較原來25噸/每模提高了4倍以上。
在生產(chǎn)線上的-2#模、-3#模、-4#模都按-1# 修改模的結構設計制造的?，F(xiàn)在-2#模、-3#模正在生產(chǎn)線服役， 試模合格的-4#模在生產(chǎn)線待用。
由于模板型材模選用了優(yōu)質(zhì)模具鋼，并實施了合理的熱處理制度，模具設計制造的全過程都采用CAD/CAM/CAE全自動生產(chǎn)，每套模具都具有很高的制造質(zhì)量；擠壓廠同時嚴格模子使用制度，因此，每套模僅試模1-2次擠壓材就合格，修模量也比較小，使用壽命也比較高，達到了項目提高2-3倍的目標。
4.2 WYY1125模板鋁型材一共設計制造4套模，其中—1#模是按全封閉空心鋁型材設計制造的，由于這種結構的模具雖然能夠保證產(chǎn)品尺寸精度和形位公差值，但是，擠壓型材的連接條需要在經(jīng)淬火、時效后撕掉，在撕掉連接條后的連接處粗糙度很高，需要人工長時間打磨，這樣以來，擠壓材成品率很低，且費時費工，使產(chǎn)品成本提高，不能形成批量生產(chǎn)，所以經(jīng)研究后放棄1#模。-2#模選用遮蔽式模具結構，遮蔽式模具的特點是用相當于分流模的模芯部位遮蔽下模?？椎膽冶鄄课?，使模具的懸臂部分不直接承受變形金屬的作用力。-2#模經(jīng)兩次試模后擠壓材尺寸精度合格、形位精度也合格，在此基礎上又設計制造了2套遮蔽式模（-3#模 和-4#模），其中-2#、-3#模投入生產(chǎn)，試模合格的 —4#模在生產(chǎn)線待生產(chǎn)?，F(xiàn)已經(jīng)交出產(chǎn)品120噸，使用壽命已超過原有模具的4倍以上。—2#模生產(chǎn)擠壓材30多噸仍在使用中。而—3# 模也在擠壓生產(chǎn)線服役，還有試模合格的—4# 模在擠壓生產(chǎn)線待用。
由于模板型材模選用了優(yōu)質(zhì)模具鋼，并實施了合理的熱處理制度，每套模具都具有很高的強度和韌性，模子尺寸制作精確，擠壓生產(chǎn)廠嚴格遵守模子使用制度，因此，每套模試模次數(shù)少，修模量小，使用壽命也比較高。達到或超過項目提高2倍的目標。
4.3 擠壓出型材證明，WYY1237鋁合金模板型材模、WYY1125鋁合金模板型材模的設計制造質(zhì)量是可靠的，擠壓出的型材完全滿足用戶對鋁合金模板型材的技術要求，模具使用壽命高，大大超過原有模具使用壽命的2-3倍以上，并能滿足鋁合金模板型材產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)的要求。
5.小結
綠色建筑鋁合金模板型材的品種多，規(guī)格范圍廣，形狀復雜，模具設計制造技術含量高，生產(chǎn)技術難度大。本文僅選兩種典型的難度較大的型材為例，對其模具的設計方案、制造工藝和創(chuàng)新點進行分析討論，對模具的擠壓效果與使用壽命進行對比，可見優(yōu)質(zhì)模具在綠色建筑鋁合金模板型材產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)中起著重大的作用。
（1）綠色建筑鋁合金模板型材品種多，技術要求高，形狀復雜，生產(chǎn)技術難度大，需要設計與制造多種特殊結構模具才能保證擠壓材成形和各種技術指標。
（2）擠壓模具是一個復雜的系統(tǒng)工程，要求從模具材料、模具設計與制造、模具熱處理和表面處理、模具使用與維護等各個環(huán)節(jié)緊密結合，環(huán)環(huán)相扣才能制造出優(yōu)質(zhì)模具。
（3）本項目設計與制造出了特殊的二階段寬展分流組合模，保證了寬厚比大于100的高難度型材的成型及超高精度要求。設計制造了特殊的舌比大的半空心型材（遮蔽式）模具，保證了超高精度舌比大于5的半空心型材的成型與超高精度，而且使用壽命大幅度提高，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。
（4）由于選用了優(yōu)質(zhì)模具材料的設計、制造工藝合理、熱處理和表面處理先進，使模具使用壽命提高了2-3倍以上，達到了項目的要求。
