1. 綠色建筑鋁合金結構擠壓型材模具特點與技術難度分析
1.1 概述
綠色建筑鋁合金結構擠壓材品種多達百余種，而且規(guī)格范圍廣，現代綠色建筑用鋁合金擠壓材大多是不需要機械加工，而直接作為零部件來與相關件配合使用的，所以尺寸精度和形位精度要求都很高。結構材包括管材（包括圓管材、方管材和異形管材，且都是厚壁管；各種異形型材（包括空心型材、實心型材和半空心型材，且壁厚差大），成形難度大；以及各種特殊棒材。結構材的合金牌號大多是6061、6005A、6082等中強度鋁合金，還有2xxx、5xxx和7xxx等高強度高韌性鋁合金。鋁合金建筑結構擠壓材要求有高的力學性能，sb?300MPa，優(yōu)良的可焊性、耐磨耐蝕性和可冷彎成形性等綜合性能。而且要求產業(yè)化批量生產。因此，要求不同形式的特殊結構的模具，如特殊導流模、特種寬展分流模才能確保不同產品的成形和尺寸精度，而且要求高的使用壽命（要求使用壽命提高2-3倍），確保其批量生產。以下僅從百余種擠壓材中選取一種外接圓尺寸大、有橫向加強筋、成形難度較大的雙孔厚壁管材WYY0770模具為例，來討論鋁合金建筑結構擠壓材模具的設計與制造技術特點， WYY0770雙孔管材斷面見圖1。
圖1 綠色建筑結構擠壓材—WYY0770產品圖
1.2 鋁合金結構擠壓材模具特點與技術難度分析
（1）綠色建筑結構鋁合金擠壓材品種多、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)質模具，才能實現鋁合金結構擠壓材產業(yè)化大批量生產，因此需要進行大量的試驗開發(fā)工作。
（2）綠色建筑鋁合金結構擠壓材要求產業(yè)化大批量生產，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要求在原有基礎上提高2-3倍，難度是十分大的。
（3）帶有橫向加強筋的雙孔厚壁管的橫向加強筋很難充料，需要一種特殊結構的寬展導流模與分流模經兩段擴展加大金屬流覆蓋?？缀秃侠淼姆峙浣饘倭髁?，以及優(yōu)化擠壓工藝才能保證雙管厚壁管的成形，技術難度很大，特別是大型的厚壁雙孔管的成形和同時要求保證焊合質量則更難。
（4）綠色建筑結構鋁合金擠壓材的尺寸與形位精度都要求達到高精級或超高精級水平，需要一種特殊結構的模具才能保證型材成形，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，有足夠使用壽命，難度是非常大的。
（5）綠色建筑結構鋁合金擠壓材要求表面光潔、尺寸和形位精度高，而且使用壽命長，因此需要采用高質量的模具鋼及嚴格的模具熱處理工藝和表面處理工藝，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)質模具。
2.WYY0770大型雙孔厚壁管材模具的設計依據與技術要求
（1）WYY0770大型雙孔厚壁管材的合金狀態(tài)為6005FT6，擠壓材經精密水、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，sb?300MPa，并具有良好的力學性能、耐磨、耐蝕、可焊、可冷彎成形性等綜合性能。
（2）WYY0770擠壓材為大型雙孔厚壁管（見圖1），雙孔厚壁管的特點是容易發(fā)生嚴重的壁厚差和平面間隙，雙孔管因充料不足而壁厚尺寸不夠，WYY0700雙孔管為寬450mm，高200mm的方管內有一條橫向加強筋。使單孔方管變成雙孔管，其難度就在于這條橫向加強筋的充料不足，而且要求有高的焊合質量，用普通的分流模是達不到擠壓雙孔管技術要求的，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）WYY0770大型雙孔管材在7000噸擠壓機生產，擠壓筒直徑為f418mm，型材的外接圓（f498mm）大于擠壓筒直徑(f418mm)，這就需要設計制作一種特殊的多級擴展擠壓模，擴大分流模焊合室的外接圓，才能保證型材成型及尺寸精度與平面間隙尺寸要求。如果選用f460mm擠壓筒生產，金屬流動與平衡會有所改善。
（4）WYY0770雙孔管的4個外角為90+/-30，8個內角同樣要求為90+/-30，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型材順利裝卸和整體的平直度，模具的設計制造的確有極大難度。
（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。
3. 綠色建筑鋁合金結構型材WYY0770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
WYY0770型材在7000t擠壓機上采用f418mm（方案Ⅰ）擠壓筒和f460mm擠壓筒（方案Ⅱ）進行擠壓生產，其模具設計、制作技術分析如下。
3.1 WYY0770大型雙孔管模具設計依據與設計方案參數見表1和表2表1 WY0700大型雙孔管的模具設計依據參數表
表2 WY0700大型雙孔管模子設計方案參數表
3.2 WYY0770模的設計方案（Ⅰ）示意圖，見圖2，方案（Ⅱ）示意圖，見圖3。
圖2 綠色建筑大型鋁合金結構擠壓材WYY0700特種擴展分流組合模示意圖（方案Ⅰ）
圖3 綠色建筑鋁合金大型雙孔管材WYY0770的平面分流組合模設計示意圖（方案Ⅱ）
模具規(guī)格f800500mm：
上模厚度：260mm，上模金屬入口部位車深20mm；下模厚度：240mm;
X(縱向)擴展量180mm，擴展角23度；Y橫向)擴展量100mm，擴展角12度.
3.3 WYY0770大型雙孔管材模子設計方案要點及創(chuàng)新點分析
根據WYY0770大型雙孔厚壁管材的特點，模具設計了兩個方案：方案Ⅰ和方案Ⅱ。其特點與創(chuàng)新點分析如下.
（1）方案Ⅰ。1#模是根據f418mm擠壓筒設計制造的（見圖2）。因受擠壓筒直徑的限制，選擇導流模與分流模相結合的模具結構（三件套）。這種結構的模具金屬流需要進行兩級分流、寬展，導流模的分流孔對金屬進行第一階段分流、擴展，使圓錠逐漸變寬、變?。环至髂Ｉ夏５姆至骺讓碜詫Я髂５淖冃谓饘龠M行第二階段分流、寬展，使金屬逐漸變得更寬、更薄，與雙孔管材成相似形狀，而且焊合室外接圓直徑達到?618mm，這樣可供給?？走叢孔銐蚨嘟饘倭髁?。
該模具方案工作原理：是用較小的擠壓筒（f418mm）擠壓外接圓較大的（f498mm）雙孔管材，它利用兩階段分流、寬展增大金屬流量和焊合室面積，使雙孔管材獲得擠壓成形，達到尺寸精度要求和形位精度要求。
雙孔管材的加強筋金屬的供給是采用在導流模、分流模上模的中心部位開一亞鈴式的階梯形分流孔直接供流，確保加強筋部位?？缀侠淼慕饘俟┝?。
用導流模與分流模組合的WYY0700雙孔管材1#模已生產出合格擠壓材，并已交付用戶使用。
1#模雖然生產出合格擠壓材，但是，該結構模具存在一些具體問題：模具設計依據擠壓筒直徑（f418mm）偏小，擠壓筒截面積也較小，為提高金屬變形率，提高雙孔管材的力學性能，在不得已的情況下采用三件套（導流模+分流模）模具結構；
在擠壓過程中，金屬流經路線較長，摩擦力過大，消耗過多擠壓力，產品尺寸不夠穩(wěn)定，同時，由于擠壓筒直徑小，分流比也較小，會影響厚壁管的焊合質量。
在擠壓過程中導流模與分流模的分流孔中裝滿金屬，在繼續(xù)擠壓下一個鑄棒時，由于分流孔中過多的殘留金屬一方面降低產品成品率，另一方面增加了擠壓材的縮尾（或縮頭）缺陷料的長度，進一步降低了產品成品率，生產效率也低，成本提高。
針對該結構模具存在上述問題，所以設計了方案Ⅱ，方案Ⅱ采用大直徑的擠壓筒（f460mm），加大產品的擠壓比和擠壓材變形率，改善了產品的組織和力學性能，同時提高產品成品率。分流比也增大，這樣可提高管材的力學性能與焊合質量，同時也可提高生產率，降低生產成本。
（2）方案Ⅱ。2#模是根據f460mm擠壓筒設計制造的（見圖3）。這套模具的結構是特殊寬展分流模（兩件套）。
這種方案的工作原理是在擠壓力的作用下，圓鑄錠通過上模的分流孔的分流、寬展，逐漸變成與雙孔管材的形狀相似，焊合室的外接圓直徑達到f600mm,焊合室深度取40mm，足以使流動金屬在焊合室形成高的靜水壓力，保證管材的焊合質量。
雙孔管材的加強筋部分供流是在分流模上模的中心部位開兩個小型的階梯形分流孔直接供流，確保加強筋部位?？缀侠淼慕饘俟┝?，能保證橫筋充滿，尺寸和形位達到高精級的要求。
方案Ⅱ比較方案Ⅰ具有如下優(yōu)點：
從模具強度來說，模具的分流部分減薄，金屬流經路線減短，降低擠壓力，提高模具的整體強度；
從模具設計、制造難度來說，可大大降低模具制造成本；
使用大的擠壓筒，l和K都增大，既保證了力學性能又能提高焊合質量。而且能提高生產效率和產品成品率，降低生產成本。
實踐證明，在使用f460mm的擠壓筒后，按第Ⅱ方案模具制造廠設計制造了一套2#模（見圖3）用于生產WYY0770雙孔管材，新模具經2次試模及維修就擠壓出合格的雙孔管材，產品尺寸很穩(wěn)定，組織、力學性能和尺寸與形位精度都達到技術條件要求，而且模具使用壽命大大提高。
（3）模子設計尺寸及技術要求，見表3。
表3 WYY0770大型雙孔管模子尺寸設計及技術要求表
3.4 模子制作技術
模具制造廠擁有國內外最先進的模具加工設備，數控車床、數控銑床、CNC加工中心、數控電火花機床、數控雕銑機、低速線切割機等現代化機床，在模具制作的全過程中已實現CAD/CAM/CAE全自動加工,可確保模具加工質量。
WYY0700型材模選用國內名牌廠家生產的4Cr5MoSiV1熱作模具鋼，經在鍛造、退火后使用，模子熱處理經1035攝氏度高溫淬火+2次充分回火，模體硬度值在48-49HRC，表面處理采用二階段氣體氮化工藝，確保模子表面硬度值在HV1000-1250，氮化層厚度100-160μｍ，以提高模具使用壽命。
3.5 成品模檢測驗收記錄見表4
表4 WYY0700大型雙孔管材成品模檢測記錄表
3.6 擠壓試模記錄見表5
表5 WYY0700 大型雙孔管材模（第1、2、3次）試模的產品尺寸檢測記錄
4.大型雙孔管材模具批量擠壓生產效果分析
4.1 WYY0770大型雙孔厚壁管材共投做2套模，方案Ⅰ1#模，方案Ⅱ2#模各一套
1#模是在使用?418mm擠壓筒的基礎上設計制造的，已擠壓出合格擠壓材，交付用戶使用，到目前已交付 500噸。2#模是在使用?460mm擠壓筒的基礎上設計制造的，已生產合格的雙孔管材 600多噸。兩套模具生產的雙孔管材的尺寸精度、形位精度都合乎GB5237高精級標準。單模使用壽命都超過100噸，2#模壽命高于1#模，1#模和2#模的使用壽命都超過原有模具壽命的3倍以上。
由于WYY0770雙孔管材模選用了優(yōu)質模具鋼，并實施了先進的熱處理制度，全過程都采用CAD/CAM/CAE全自動生產，每套模具都具有很高的制造質量，型材擠壓廠嚴格遵循模子使用制度，因此，1#模試模3次，2#模試模2次就合格，修模量比較小，使用壽命比較高，達到了項目提高2-3倍的目標。
4.2 擠壓生產證明，使用 ?418mm擠壓筒設計制造1#模的方案Ⅰ是可以生產出合格擠壓材的，但相對比較使用?460mm擠壓筒設計制造2#模的方案Ⅱ更合理些，產品尺寸精度和形位精度更穩(wěn)定，產品的組織和性能更好，模具的使用壽命也更高。能滿足綠色建筑結構材的產業(yè)化、大批量生產的要求。
5.小結
綠色建筑鋁合金結構型材的品種多，規(guī)格范圍廣，形狀復雜，模具設計制造技術含量高，生產技術難度大。本文僅選一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?？梢妰?yōu)質模具在鋁合金結構擠壓型材產業(yè)化批量生產中起著重大的作用。
（1）綠色建筑鋁合金結構擠壓材品種多，形狀復雜，技術要求高，基本上不經機械加工，但有時要冷彎成形后使用，生產技術難度大，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，大型的擠壓材需要大型擠壓機上用大直徑擠壓筒生產，對工模具要求是很高的。
（2）結構用鋁合金擠壓材大都采用6061T6、6082T6、6005AT6、7003、7005等中硬鋁合金生產，有時還用2xxx合金、5xxx合金、7xxx等高強、高韌鋁合金生產，合金元素含量都比較高，可擠壓性都較6063合金小得多，擠壓阻力大，成形很困難，所以在設計制造擠壓模時，一定要嚴格遵循鋁合金擠壓時金屬流動規(guī)律，設計特種結構模具合理分配金屬量和控制流速，盡量減少擠壓阻力和平衡流速。研究和生產實踐證明，在f460mm擠壓筒上采用2#模擠壓大型雙孔厚壁管材才效果比在?418mm擠壓筒上采用1#模好得多。
（3）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)緊密結合才能制造出優(yōu)質模具。
（4）由于選用了優(yōu)質模具材料，設計特殊結構的模具、制造工藝合理、熱處理和表面處理先進，不僅保證了產品的成形和尺寸、形位精度與表面質量及焊合質量，而且使模具使用壽命提高了3倍以上，達到了項目的要求。
