1、前言

目前，國內(nèi)鋁擠壓行業(yè)發(fā)展迅猛，市場對大尺寸截面鋁型材的需求量正逐年上升，但是，由于5000噸以上的大型擠壓機(jī)的設(shè)備投資較大，并且，大型擠壓機(jī)的擠壓生產(chǎn)成本較高，因此，國內(nèi)目前只有少數(shù)大企業(yè)才裝備有5000噸以上的大型擠壓機(jī)。而絕大多數(shù)鋁型材生產(chǎn)企業(yè)所裝備的擠壓機(jī)都是以4000噸以下的中小型擠壓機(jī)為主。用中小型擠壓機(jī)生產(chǎn)幾何尺寸較大的鋁型材時(shí)，由于受到擠壓筒直徑的限制，這類鋁型材的擠壓生產(chǎn)難度非常大，小機(jī)出大料問題一直是困擾鋁擠壓模具行業(yè)的技術(shù)難題。本文通過幾個具體的模具設(shè)計(jì)實(shí)例，談?wù)剰?fù)雜鋁型材寬展模具的設(shè)計(jì)體會。

2、寬展設(shè)計(jì)原理

寬展模具就是在模具前端設(shè)置一個具有寬展功能的導(dǎo)流板，擠壓時(shí)使圓鑄錠產(chǎn)生一次預(yù)變形，變形后的鑄錠截面大致接近于寬厚比大的鋁型材截面尺寸，使導(dǎo)流板的導(dǎo)流孔的寬度逐漸增大到接近或大于圓擠壓筒的內(nèi)徑，金屬再經(jīng)過二次變形流出?？祝陨a(chǎn)出外接圓尺寸超過圓擠壓筒直徑的大尺寸鋁型材。在進(jìn)行寬展模的設(shè)計(jì)過程中，要用到寬展率δ_B和寬展角β。

導(dǎo)流板的寬展率δ_B：

×100%,δ_B。

導(dǎo)流板的寬展角β為：

式中：δ----導(dǎo)流板的寬展率（通常在15%～35%范圍較合適）；

β----導(dǎo)流板的寬展角（一般β角小于30°）；

B₂----為寬展直徑；

B₁----為進(jìn)料直徑；

H_B----為導(dǎo)流板的厚度。

寬展角在一般情況下都選擇在30度以內(nèi)，如果寬展角過大，金屬將出現(xiàn)填充不良現(xiàn)象，但是，在特殊的情況下，采用特殊的模具結(jié)構(gòu)，可以突破常規(guī)極限，使寬展角設(shè)計(jì)的更大。

3、寬展模設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)實(shí)例一：工程料大裝飾板（如圖1）

模具設(shè)計(jì)基本參數(shù)：擠壓機(jī)噸位2500T，擠壓筒直徑φ236mm，擠壓系數(shù)18，模具直徑：φ460mm，合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,480～510℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度8～15m/min。

難點(diǎn)分析：該鋁型材幾何尺寸較大，壁厚較薄，客戶對幾何尺寸公差和壁厚公差要求嚴(yán)格，鋁型材外接圓超出了2500噸擠壓機(jī)模具進(jìn)料孔極限，而且，該鋁型材有兩個小模芯，由于受到分流孔進(jìn)料直徑的限制，兩個小模芯的供料很難平衡，導(dǎo)致小模芯在上下方向上受力不均，小模芯容易發(fā)生嚴(yán)重偏移，從而影響出料成型，此外，由于鋁型材中間的空腔較大，模具的擠壓死區(qū)面積過大，造成擠壓力大幅升高，因此，該鋁型材在生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)斜角，波浪等缺陷，甚至?xí)l(fā)生模具裂橋報(bào)廢。為了有效避免上述問題的產(chǎn)生，必須從改善模具的結(jié)構(gòu)入手，使模具各部分的供料均勻，模芯受力平衡。為了達(dá)到良好的出料效果，我們在設(shè)計(jì)模具時(shí)采取導(dǎo)流板兩次分流的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)流板采取三孔沉橋的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示，上模分流孔如圖3所示，模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 

該鋁型材的左右部分不對稱，右半部分由于兩個小公頭的存在，比左半部分難出料，因此，在設(shè)計(jì)導(dǎo)流板時(shí)，應(yīng)充分考慮左右兩部分的供料比例。基于上述分析，我們將該模具導(dǎo)流板設(shè)計(jì)成三孔結(jié)構(gòu)，右半部分由一個大分流孔供料，并將導(dǎo)流板設(shè)計(jì)成“半月形”如圖2，這種結(jié)構(gòu)能有效增大模具外側(cè)邊緣的供料，同時(shí)減少中間直沖部分的供料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，導(dǎo)流板右邊的分流孔進(jìn)料面積與上下分流孔的進(jìn)料面積比例，設(shè)計(jì)為1:1.3。為使遠(yuǎn)離擠壓中心的邊緣部分的鋁型材供料充分，導(dǎo)流板的分流橋采用斜面向外過渡，以減小邊緣部分的金屬流動阻力。

經(jīng)上機(jī)試模證明，這種結(jié)構(gòu)能有效平衡兩個小模芯的受力，鋁型材各處的金屬流量分配較為合理，模具上機(jī)出料平穩(wěn)，料頭整齊，各處壁厚較為均勻，僅小公頭端面處出料略慢，兩個小模芯位置輕微收口，經(jīng)一次修模調(diào)整后，生產(chǎn)的鋁型材成型理想，完全滿足客戶要求。

設(shè)計(jì)實(shí)例二：工業(yè)鋁型材風(fēng)車中空機(jī)翼（如圖5）

模具設(shè)計(jì)基本參數(shù)：擠壓機(jī)噸位2500T，擠壓筒直徑φ236mm，擠壓系數(shù)23，模具直徑：φ460mm，合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,480～510℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度8～15m/min。

難點(diǎn)分析：該鋁型材幾何尺寸較大，客戶對圓弧部分精度要求較高。該鋁型材如果在3600噸擠壓機(jī)（擠壓筒直徑300mm—320mm）上生產(chǎn)的話，較為容易，但是由于受到設(shè)備條件的限制，2500噸擠壓機(jī)的擠壓筒直徑偏小（φ236mm），給生產(chǎn)造成了較大的難度，該鋁型材兩邊遠(yuǎn)離擠壓中心的位置供料較為困難，出料以后由于流速不均，容易造成圓弧部分變形，難以滿足客戶對圓弧部位尺寸精度的要求。同時(shí)，由于模具的橫向橋位跨度過大，模芯處的擠壓死區(qū)面積也較大，使模具橋位的抗彎強(qiáng)度大大下降，在擠壓生產(chǎn)過程中，當(dāng)模具承受較大壓力載荷時(shí)，橋位的變形撓度增大，在橋位水滴處形成較大的拉應(yīng)力，從而造成裂橋報(bào)廢。

針對上述問題，我們通過采用導(dǎo)流板寬展結(jié)構(gòu)，使鋁型材邊緣部分的供料充足，同時(shí)，在導(dǎo)流板與上模之間預(yù)留變形間隙，對上模起到保護(hù)作用，這種結(jié)構(gòu)能有效提高模具橋位的抗彎強(qiáng)度。

我們將導(dǎo)流板（如圖6所示）設(shè)計(jì)成四孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流板的中間架橋，分流橋采用斜面向外過渡，目的是為了減小分流孔邊緣部分的金屬流動阻力。上模分流孔設(shè)計(jì)成八孔結(jié)構(gòu)（如圖7所示），每個導(dǎo)流板的進(jìn)料孔分別為上模的兩個分流孔供料，模具結(jié)構(gòu)如圖8所示

 

金屬通過導(dǎo)流板后，進(jìn)行了第一次預(yù)變形，通過調(diào)整導(dǎo)流板的進(jìn)料結(jié)構(gòu)，可使模具各部分的流速更加均勻，另外，在導(dǎo)流板與上模之間留出一定的預(yù)變形間隙，當(dāng)模具受到壓力作用時(shí)，導(dǎo)流板可承受大部分變形載荷，從而減少了上模的變形量，極大地改善了上模模橋的應(yīng)力分布狀態(tài)，上模在擠壓過程中所產(chǎn)生的變形撓度大為減小，使模具橋位的抗彎強(qiáng)度大大增加，顯著提高了模具的使用壽命。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該模具出料平穩(wěn)，料頭整齊，鋁型材各處壁厚均勻，各個圓弧位的尺寸精度較高，生產(chǎn)出的鋁型材成型狀況非常理想，模具上機(jī)一次合格，大大縮短了交貨周期。

設(shè)計(jì)實(shí)例三:工業(yè)鋁型材結(jié)構(gòu)立柱（如圖9）

模具設(shè)計(jì)基本參數(shù)：擠壓機(jī)噸位2500T，擠壓筒直徑φ236mm，擠壓系數(shù)12，模具直徑：φ460mm，合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,480～510℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度8～15m/min。

難點(diǎn)分析：該鋁型材幾何尺寸較大，形狀復(fù)雜，鋁型材兩邊的兩個小公頭已經(jīng)超出了2500噸擠壓機(jī)的擠壓筒直徑（如圖9），因此，在2500噸擠壓機(jī)上生產(chǎn)的難度很大，為了充分發(fā)揮2500噸擠壓機(jī)的工作潛能，我們經(jīng)過詳細(xì)的強(qiáng)度校核計(jì)算，設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板，通過采用寬展導(dǎo)流模的結(jié)構(gòu)，用2500噸擠壓機(jī)成功生產(chǎn)出了滿足客戶需求的合格產(chǎn)品，大大降低了生產(chǎn)成本。

該鋁型材雖然在結(jié)構(gòu)上左右對稱，但形狀較為復(fù)雜，尤其在內(nèi)側(cè)有7個裝配凹槽，這些凹槽處供料較為困難，在擠壓過程中容易造成收口變形等成型缺陷，同時(shí)，由于左右兩個小公頭已經(jīng)超出了擠壓筒直徑，容易發(fā)生嚴(yán)重偏壁，甚至導(dǎo)致模芯斷裂報(bào)廢，因此，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，必須保證模具各部位供料平衡以及模芯的受力平衡。為了使模芯在左右方向上的受力達(dá)到平衡，我們設(shè)計(jì)了大寬展率的導(dǎo)流板，通過沉橋減少了邊緣阻力，使導(dǎo)流板寬展角最大達(dá)到38°（如圖10所示）。模具的上模分流孔采用扇面狀均勻分布（如圖11所示）。模具結(jié)構(gòu)如圖12所示。

在設(shè)計(jì)過程中通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，調(diào)整各分流孔的供料面積，使鋁型材各個部位的流速更加均勻，模芯的受力情況得到極大改善，避免了偏壁現(xiàn)象。

該模具上機(jī)后，總體出料情況較為理想，料頭整齊，壁厚較為均勻，但中橫處偏快，左右凹槽偏慢，造成一定程度的收口變形，經(jīng)過修模調(diào)整后，該模具成功生產(chǎn)出了合格產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)實(shí)例四：大型工業(yè)用散熱器鋁型材（如圖13所示）

模具設(shè)計(jì)基本參數(shù)：擠壓機(jī)噸位2500T，擠壓筒直徑?236mm，擠壓系數(shù)8，模具直徑：￠460mm;合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,490～520℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度6～12m/min。

難點(diǎn)分析：該散熱器鋁型材有多處裝配位，客戶為了減少后續(xù)的機(jī)加工成本，對鋁型材的尺寸精度和平面度要求很高，并且，該鋁型材幾何尺寸較大，大大超出了2500噸擠壓機(jī)的擠壓筒直徑（如圖13所示），該散熱器齒位壁厚2.0mm，中橫處壁厚達(dá)13mm，由于較難出料的齒位處于遠(yuǎn)離擠壓中心的邊緣位置，而處于擠壓中心的中橫處的壁厚較厚，因此，該鋁型材的齒位供料將極為困難，如采用普通模具設(shè)計(jì)方案，該鋁型材中橫部分的流速會很快，將難以控制，而齒位很可能因流速過慢而造成塞模，甚至偏齒。為了解決流速控制的難題，必須設(shè)計(jì)超大寬展角的導(dǎo)流板，我們在2500噸擠壓機(jī)上采用了新穎的“兩級復(fù)合導(dǎo)流板”結(jié)構(gòu)。

一級導(dǎo)流板如圖14所示，該導(dǎo)流板采用中間架橋的兩孔結(jié)構(gòu)，并向兩側(cè)進(jìn)行大角度寬展，寬展角達(dá)41.3°。二級導(dǎo)流板如圖15所示，該導(dǎo)流板采用10孔結(jié)構(gòu)，鋁型材流速過快的中橫處被橋位完全遮擋，同時(shí)加大兩端齒位處分流孔的供料面積，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，我們將齒位處分流孔與中橫處分流孔的面積比例設(shè)計(jì)為1.8：1。同時(shí)，齒位處分流孔采用直沖供料和沉橋的結(jié)構(gòu)，如圖15所示。模具結(jié)構(gòu)如圖16所示。

該模具的兩級導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，能最大限度的合理分配金屬流量和流速，當(dāng)金屬進(jìn)入一級導(dǎo)流板后，遇到二級導(dǎo)流板橋位的阻擋，金屬將更多的向兩端的齒位處分流，從而實(shí)現(xiàn)模具的流速和流量控制。

該模具加工完成后，上機(jī)一次合格，鋁型材成型非常理想，齒位供料充足，中橫處的流速得到有效控制，料頭整齊，尺寸精度和平面精度較高，完全滿足客戶的要求。

4、小結(jié)：

本文通過實(shí)際例子說明了鋁合金鋁型材擠壓寬展模具設(shè)計(jì)原理的應(yīng)用，采用寬展結(jié)構(gòu)的模具可以使擠壓機(jī)的工作潛能發(fā)揮到最大程度，較好的解決了“小機(jī)出大料”的生產(chǎn)難題。對于寬厚比較大的扁寬鋁型材，模具采用導(dǎo)流板寬展結(jié)構(gòu)，能有效擴(kuò)展金屬在模具中的流動范圍，金屬在經(jīng)過導(dǎo)流板進(jìn)行第一次寬展預(yù)變形后，再進(jìn)入上模分流孔進(jìn)行第二次分流，模具的供料結(jié)構(gòu)更為均勻合理，這種結(jié)構(gòu)能顯著改善鋁型材出料的成型度，同時(shí)大大提高模具的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，寬展模能夠使擠壓機(jī)的工作潛能發(fā)揮到最大程度，使“小機(jī)出大料”的生產(chǎn)難題在很大程度上得到有效解決。