1 引言

近幾年來，隨著我國鋁加工技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金型材越來越廣泛地運用于軌道、橋梁、車輛、航空、集裝箱等重要領(lǐng)域，從而導(dǎo)致大量大型工業(yè)鋁型材的開發(fā)和運用。工業(yè)鋁型材具有厚度薄、尺寸大、斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，合理設(shè)計這類薄壁大斷面鋁型材擠壓模具是大型工業(yè)鋁型材生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是提高擠壓生產(chǎn)效率的非常重要的保證。本論文針對具有厚度薄、截面寬、擠壓系數(shù)大、需求量非常大、交貨周期非常短等特點的集裝箱側(cè)板鋁型材，本文提出了四種模具設(shè)計方案，通過實驗和對比分析，從中確定了該鋁型材合理的模具設(shè)計方案和模具工作帶長度，最后，通過生產(chǎn)實驗確定了合理的擠壓生產(chǎn)工藝控制方法和控制參數(shù)。 鋁合金集裝箱優(yōu)點是重量輕，外表美觀，防腐蝕，彈性好，加工方便以及加工費、修理費低，使用年限長。

 

2 鋁型材結(jié)構(gòu)與工藝分析

集裝箱是航海運輸業(yè)的重要裝備，集裝箱體上需要大量的不同規(guī)格和形狀的鋁型材，其中包括箱內(nèi)地板、連接件、門檻、導(dǎo)軌、支撐梁、箱門框架、側(cè)板，等等。圖1 所示為某集裝箱側(cè)板鋁型材產(chǎn)品的斷面圖，該型材產(chǎn)品具有如下特點：材料為6061（LD30）鋁合金。該產(chǎn)品在65MN擠壓機上擠壓生產(chǎn)，擠壓筒內(nèi)徑為φ395mm。

（1）斷面長度為450mm，壁厚最薄處只有2.8mm，型材寬度和型材厚度相差很大；

（2）型材結(jié)構(gòu)不是完全左右對稱；

（3）擠壓系數(shù)大，λ＝92 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常的擠壓系數(shù)，由此引起的擠壓力非常大、擠壓速度慢等擠壓工藝條件常常又會導(dǎo)致型材出口溫度無法保持在500℃以上；

（4）為了保證型材的硬度，減小擠壓力，需要加大分流孔面積和減小工作帶長度，即增大分流比（分流孔總面積與型材斷面總面積之比，k=S 分/S）。

圖1  薄壁大斷面集裝箱鋁側(cè)板斷面圖

3 模具設(shè)計方案分析

產(chǎn)品壁厚薄，擠壓系數(shù)大（λ=92），擠壓力大，擠壓速度慢而保證不了型材出口溫度在500℃以上，使型材硬度不足?？紤]到型材以上特點，采用了四個設(shè)計方案，如圖2、3、4和5所示。圖2的分流比為15， k值越小，即分流孔越小，金屬第一次變形阻力大，變形程度增大，從而擠壓力增大，金屬流動的不均勻性和紊流加劇，導(dǎo)致制品成形難度大容易塞模并且常出現(xiàn)悶車現(xiàn)象；同時擠壓力增大，模具承受壓力也將增加，從而降低模具壽命。

集裝箱鋁材模具設(shè)計方案圖2

圖3 的分流比24.5，k值越大分流孔就越大，一方面有利于金屬的流動，降低擠壓力，另一方面提高了擠壓速度，保證了出口溫度在500℃以上，從而降低了因硬度不足而產(chǎn)生的報廢，單機的產(chǎn)量得到一定的提高。

集裝箱鋁材模具設(shè)計方案圖3

方案3 和方案4 是在一出一模具設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，為了進一步提高單機產(chǎn)能，加快訂單的配套、縮短交貨期、提高經(jīng)濟效益等目的，而開發(fā)的一出二模具。

圖4的分流比14，圖4所示的是各自獨立的分流孔對應(yīng)提供型材的相應(yīng)的位置，是常見的設(shè)計結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由橫的大簡支梁作主要的支承，中間的四條橋輔助支承，模子受壓時中間剛性部分和兩邊下沉的程度不同，中間下沉多兩邊下沉少，導(dǎo)致模具穩(wěn)定性差，常塞模，同一跟鋁棒的棒頭跟棒尾的型材壁厚變化相差有0.5mm，把導(dǎo)流的厚度相對加厚，從而提高導(dǎo)流的剛度但另一方面擠壓力也隨著增大，金屬變形阻力加大。

集裝箱鋁材模具設(shè)計方案圖4

圖5的分流比20，圖5所示的這種新結(jié)構(gòu)的模子一方面分流比比圖4的要大，另一方面四橋成為一剛性整體，模子在受壓時，中間剛性部分只會因其它四橋構(gòu)成的柔性支座的變形而整休下沉，而其本身不會產(chǎn)生撓曲，并且有效地保護了中間部分的懸臂。同時因分流橋處于模圓周相同位置，變形均勻，所以模具的彈性變形不影響型材的壁厚精度，模子兩側(cè)的分流孔使金屬盡量流向模具兩端這樣不會引起流速不均，從而保證了型材的良好成形。由于這種結(jié)構(gòu)的四條橋?qū)挾缺葓D4的要短，從而可以把導(dǎo)流減薄，降低擠壓阻力，提高擠壓速度來增加單機產(chǎn)量。

集裝箱鋁材模具設(shè)計方案圖5

4 工作帶長度的設(shè)計

為了確定工作帶長度，首先考慮金屬流動速度，因為工作帶的長度金屬的流動非常敏感；其次考慮的是耐磨性。工作帶過薄，不耐磨損，對型材的表面質(zhì)量有好處但容易過早的導(dǎo)致模具報廢；工作帶過長，增加磨擦阻力，導(dǎo)致擠壓力升高，影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量，特別是這種型材更要慎重考慮，盡可能減少工作帶長度。此型材我司設(shè)計的最長工作帶長度為5.5mm，最短的工作帶長度為1.5mm，具體設(shè)計參數(shù)如圖6所示。

5 擠壓工藝參數(shù)

在擠壓工藝方面也作了調(diào)整，合理制訂了擠壓工藝，擠壓工藝參數(shù)見表1。

表1集裝箱鋁材擠壓工藝參數(shù)

（1）6061合金變形抗力大，所以鑄棒溫度應(yīng)偏上限480~500℃。

（2）模具溫度偏高。

（3）要使合金主要強化相完全固溶，須保證淬火溫度在500℃以上，因此型材擠壓出口溫度應(yīng)控制在500~530℃。

（4）6061合金淬火敏感性高。要求淬火冷卻強度大，冷卻速度快，必須通過水淬使其溫度迅速降到50℃以下。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了工業(yè)鋁型材薄壁大斷面擠壓模具的設(shè)計難點以及優(yōu)化設(shè)計方案，指出擠壓系數(shù)較大的型材模具如何設(shè)計才能夠降低擠壓力，增加模具壽命，提高生產(chǎn)效率。綜上所述，模具結(jié)構(gòu)對擠壓力的影響是比較敏感的，為了降低擠壓力，同時又要確保產(chǎn)品的質(zhì)量，一是要盡可能減小導(dǎo)流模的厚度；二是合理設(shè)計分流孔的形狀，盡可能增大分流比讓模面上的金屬能夠暢流；三是嚴(yán)格控制工作帶的長短，盡可能保證成形的同時減少工作帶長度。通過采用以上幾方面的措施，對擠壓薄壁大斷面型材降低擠壓力有較好的效果。