一、模具在擠壓生產中的重要地位
在現(xiàn)代化的大生產中，模具和模具對實現(xiàn)整個擠壓過程有著十分重要的意義。模具使用壽命是評價某一擠壓方法或擠壓工藝經濟可行的決定因素，模具的設計與制造品質是實現(xiàn)擠壓生產高產、優(yōu)質、低耗、高效、低成本的重要保證之一。具體表現(xiàn)在以下幾方面。
(1)合理的模具結構是實現(xiàn)任何一種擠壓工藝過程的基礎，在目前的條件下，還不能想象無擠壓筒、無模具的擠壓工藝。
(2)模具是保證產品成形，具有正確形狀、尺寸和精度的基本模具。
(3)模具是保證產品內外表面質量最重要的因素之一。
(4)合理的模具結構、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產品的內部組織和力學性能，特別是在控制空心制品的焊縫組織和力學性能方面，分流孔的大小和形狀以及其分布位置，焊合腔的形狀和尺寸，模芯的結構等起著決定性的作用。擠壓墊片、擠壓筒和模子的結構形狀與尺寸，對控制產品的粗晶環(huán)和縮尾、成層等缺陷也有一定的作用。
(5)模具的結構形狀與尺寸對擠壓時金屬的流變、擠壓溫度一速度場、應力一應變場等有很大影響，從而對提高生產效率、產品品質和減少能耗有重大作用。
(6)合理的模具設計對提高其裝卸與更換速度，減少輔助時間，改善勞動條件和保證生產安全等方面意義重大。
(7)新型的模具結構，對于開發(fā)新產品、新工藝，研制新材料和新設備，不斷提高擠壓技術水平起著很大作用。如扁擠壓筒、舌型模、組合模、多層預緊應力模、變斷面模等。
(8)高比壓優(yōu)質圓擠壓筒和扁擠壓筒及特種型材模和異形管材模的設計與制造技術是鋁合金擠壓生產的核心和關鍵技術，其技術含量占整個擠壓技術的比例很高。
(9)對于中等批量的擠壓產品，模具的成本往往占擠壓總成本的30％以上。如將其使用壽命提高5～10倍，則產品的成本可大幅度下降。
二、鋁型材擠壓模具技術的發(fā)展水平與趨勢
1．鋁型材擠壓模具技術發(fā)展概況
隨著鋁合金擠壓材向大型化、復雜化、精密化、多品種、多規(guī)格、多用途方向發(fā)展，對擠壓模具提出了越來越高的要求。不僅出現(xiàn)了像平面分流組合模、寬展模、保護模、變斷面模等多種新型結構的模具，研制成功了多種抗拉強度(σb)達1500 MPa以上的高級耐熱高強度模具材料，而且發(fā)展了多種大型的基本擠壓模具，這些模具便于裝卸，先進可靠，但結構形狀復雜，尺寸規(guī)格大，難于設計和制造。如200 MN臥式擠壓機上配備的口300 mm×1600 mm×2500 mm扁擠壓筒，由三層襯套紅裝而成，外徑為Φ3000 mm，凈重達l40 t，需要250余噸高級合金鋼坯，采用先進的設計理論和計算方法，使用大型的專用設備和最先進的加工方法才能制造出來，而且設計加工周期往往長達一年，耗資l000萬元以上。與口300 mm×l600 mm扁擠壓筒配套的扁擠壓軸、扁擠壓墊片、扁壓套、扁壓型嘴等大型扁擠壓模具，也要求結構新穎、裝卸方便才能滿足生產形狀復雜的大型整體寬薄壁板型材的要求。
為了提高模具壽命，發(fā)展擠壓技術，各個國家對模具的設計、制造、使用和維修等方面都開展了廣泛的研究，并取得了可喜的進展。CAD/CAM技術已進入實用階段。
隨著科技的進步、電子計算機技術的飛速發(fā)展和擠壓理論與技術的提高，鋁合金擠壓模具設計與制造技術提高到了一個相當高的水平。表4—1—1列出了國內外擠壓模具技術的發(fā)展水平和主要差距。
表4—1—1 國內外擠壓模具技術的發(fā)展水平和主要差距表
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水平 指標 |
國際先進水平 |
國內目前水平 |
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設計理論和 方法 |
普遍采用動態(tài)熱分析，有限元和電子計算機分析計算，研發(fā)出了多種新結構模具 |
基本采用傳統(tǒng)方法，開始研究和開發(fā)新理論、新方法，開始重視新結構模具研發(fā) |
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CAD/CAM 技術 |
普遍推廣應用CAD/CAM技術，并以二維向三維發(fā)展，開發(fā)了大量的平面模和組合模及其他結構模具的應用軟件且商品化 |
已開發(fā)出簡單形狀的平面模和平面分流組合模的二維實用軟件及導流模的應用軟件，正向三維推進 |
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新結構大型 模具 |
廣泛采用高壓優(yōu)質圓、扁擠壓筒，固定擠壓墊、快速換模裝置及高效反擠壓模具 |
開始研發(fā)扁擠壓模具和固定擠壓墊及快速更換裝置 |
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模具材料 |
以Hl3及改進型鋼為主，采用電渣重熔、爐外在線精煉，冶金品質穩(wěn)定可靠，并開始研制陶瓷、高溫和粉末合金等新型模具材料 |
以4Cr5MoSiVl替代3Cr2W8V鋼，冶金品質正在逐步提高，同時開始開發(fā)新型模具材料和陶瓷材料 |
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模具加工技術 |
機加工、電加工和熱加工水平很高，機床的NC/CNC程度達95%以上，實現(xiàn)全線自動化生產 |
推行機一電一熱綜合加工方法，傳統(tǒng)的手工加工法仍占有一定比重，機床的NC/CNC程度為50％左右 |
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熱處理技術 |
普遍推廣預處理、真空和保持氣氛熱處理。開發(fā)出了等溫淬火、多次回火等新工藝 |
傳統(tǒng)熱處理方法占60%以上，開始采用真空、保持氣氛熱處理工藝，并開始研發(fā)新熱 處理工藝 |
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表面處理技術 |
普遍采用各種表面處理技術，可處理窄縫(0.6 mm)模孔，表面硬度可達2500～4000HV |
開發(fā)并正在推廣幾種有效的表面處理技術，可處理0.76 mm以上的窄縫?？?，表面硬度可達2000～2500HV |
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生產方式及專 業(yè)化標準化程度 |
高度專業(yè)化集約化生產，專業(yè)化標準化程度達85%～95% |
多采用大而全、小而全生產方式，專業(yè)化、 標準化程度僅40%～50% |
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模具平均使用 壽命 |
平面模：30～50噸/每模以上 組合模：20～25噸/每模以上 |
平面模：l0～20噸/每模 組合模：5～15噸/每模 |
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擠壓材成品率 |
85%～90% |
75%～82% |
2．鋁型材擠壓模具技術的發(fā)展趨勢
近年來，模具技術作為鋁合金擠壓技術的一個重要方面得到了全世界的普遍重視，不少科學家、專家和工程技術人員對模具技術的各個領域進行了全面的系統(tǒng)的深入的分析研究，并獲得了重大的進展。歸納起來，鋁合金模具技術正向以下幾個方面發(fā)展。
1)開始創(chuàng)立一門獨立的模具學科，形成了一套完整的模具技術體系。
2)研制新的模具材料與改善熔煉、鑄造、鍛造、加工和熱處理工藝結合起來，仍然是改進模具材料發(fā)展的方向。如離子氮化處理和表面硬化處理等技術的出現(xiàn)，使一些普通的模具材料獲得了新的發(fā)展。
3)新結構模具的設計與研制是發(fā)展擠壓模具技術中的最有生命力的因素，因此，也是世界各國研究最活躍的課題，如減少應力集中的分瓣扁擠壓筒的研制，大型擠壓軸的鑲拼結構和組合結構，自動裝卸和自動調心的穿孔系統(tǒng)的設計，TAC反擠壓模具的設計，各種平面分流組合模新型結構的研究等，都被列為許多國家的重要研究課題。
4)隨著擠壓機的大型化，各國對模具的大型化也正在開展廣泛的研究。
5)簡化模具的裝配結構，實現(xiàn)自動化更換與裝卸，縮短輔助時間是實現(xiàn)全機自動化和生產線自動化連續(xù)化的重要方面，正越來越得到擠壓工作者的重視。
6)改善模具的使用條件、加強模具的維護和提高模具的修理技術也是目前提高模具技術的發(fā)展趨勢之一。如尋求良好的潤滑劑和工藝潤滑條件，用水和液態(tài)氮等降低模溫、補焊和機械拋光等技術在各國獲得了發(fā)展。
7)應用模擬試驗方法和最新的理論方法來分析擠壓加工中的應力應變狀態(tài)和溫度分布規(guī)律，尋求新的模具結構和校核模具強度也是模具技術上的重要發(fā)展方向之一。
8)電子計算機技術普遍用于擠壓模具技術是最重要最有前途的發(fā)展趨向之一。擠壓模具的電子計算機輔助設計(CAD)是模具優(yōu)化設計的關鍵技術，是使模具設計工作由單個的手工的作業(yè)變成連續(xù)的自動化作業(yè)的唯一可靠的途徑，而且能保證設計的模具合理而經濟。擠壓模具的電子計算機輔助制造(CAM)是將數(shù)控機床的機加工、數(shù)控電火花一線切割加工、離子氮化處理等工序連續(xù)地自動地進行作業(yè)，是目前最先進最有發(fā)展前途的制模技術，可以預料，在不久的將來，擠壓模具的電子計算機輔助設計和制造(CAD/CAM)將在鋁合金擠壓技術中獲得最廣泛的應用。
鋁材擠壓模具的設計制造是一個由產品模型到生產工藝裝備的逆向過程，一副模具制造完畢后往往還需要經過多次的試模過程，才能符合成形工藝的需要，達到產品的尺寸和質量要求。試模、修模的次數(shù)直接影響模具的生產成本和生產周期，如何及早發(fā)現(xiàn)設計方案的不合理處，減少試模的次數(shù)，以滿足市場對模具質量和交貨期日益苛刻的要求，成為了一個非常突出的問題。 數(shù)字模擬CAE技術的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了有力的技術支持。通過減少實際的試模次數(shù)，將會大大縮短模具的交貨期。在模具設計過程中加強前期的分析仿真，將會提高成形工藝和模具結構設計的水平，減少試模的工作量，降低模具制造成本，縮短模具新產品的設計制造周期。 我國模具行業(yè)現(xiàn)己廣泛地采用了CAD／CAM技術，在應用中取得了顯著效益。目前，較有規(guī)模的模具企業(yè)都已采用了CAD／CAM技術，在模具設計中甩掉了圖板，采用CAM技術加工復雜模具型面。經濟實力較強的模具企業(yè)已開始應用高速加工機床加工模具。
