大型工业铝型材模具设计与制造

大型工业铝型材模具设计与制造

李明环

（辽宁忠旺模具有限公司 辽阳市 111003）

前言

随着我国经济的飞速发展，城市化和工业化进程加快，铝合金挤压型材在国民经济各个领域中的应用越来越广泛。型材截面向大型化，异型化方向发展，对尺寸精度和形位尺寸精度的要求也越来越高。为了提高企业的核心竞争力，实现产品的技术升级，辽宁忠旺集团近年来相继投入巨资引进了55MN 、75MN 、125MN 等具有国际先进技术水平的大型挤压机及相关配套设备，承接了大量的国内外定单，产品受到了客户的广泛赞誉，同时也给企业带来了良好的经济效益。

在铝合金型材挤压加工过程中，模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义。合理的工模具结构是实现挤压工艺过程的基础，因为模具是使金属产生挤压变形的关键部件，是产品成形和尺寸精度的重要保证，同时模具也是保证产品内外质量的重要因素之一。合理的工模具结构在一定程度上可控制产品的力学性能和内部组织，特别是在控制空心铝型材的焊缝组织和型材力学性能方面尤为重要。模具外圆和厚度，分流孔的大小、数量、形状、分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等技术参数是我们在设计模具时所要考虑的重要部分。为此，我公司在生产实践中，不断更新模具设计理念，采用国内外最先进的制模设备和加工技术，制作出高质量的挤压模具，使铝挤压型材的质量和成品率不断提高。在此，我以某轻体列车TFX-3铝型材模具的设计、加工为例，谈谈个人的一点浅见。

1 TFX-3 型材

1.1 TFX-3 型材的特点

图1 为轻体列车车厢用空心型材TFX-3截面图，其特点：外接圆尺寸较大，达到482mm；壁厚差大，最小壁厚t=3mm，最大壁厚为t=10mm；截面积F=73.1cm2；中空有8 条加强筋，其中最长的一条斜筋长度达145.2mm。

型材的合金牌号和供应状态为6005A-T6 。

为了降低挤压力，提高模具强度，模具采用了导流孔与分流孔整体设计的方案，增加了上模的厚度，用导流孔林代导流板。这种结构能够提高模具的整体强度，减小模具在挤压过程中的弹性变形量，提高了模具使用的稳定性，见（图2 ）。

1.2 TFX-3 型材模具设计、制造难点：

1) TFX-3 型材外接圆尺寸为?480mm, 75MN 挤压机的挤压筒直径=?460mm，因此，模具的供料孔（分流孔）需要大角度宽展，宽展角＝39.8 度。

2) TFX-3 型材的8 条加强筋将模芯分割成9 个芯头，最长的斜筋长145mm，挤压时金属流很难充满芯头之间的间隙。

3）上模模芯有九个芯头，在巨大的挤压力作用下，模具会产生弹性变形，挤出的型材容易造成偏壁现象，因此，在设计时要求模子具备足够的强度。

4）由于型材形状复杂，空腔多，给模具的制造加工带来了极大困难，因此，在设计模具时应充分考虑模具的加工工艺性。

2 模具设计

2.1 挤压参数

挤压筒直径F= ?460mm 挤压系数λ=22.8 分流比K=∑F

分/F

型

=13.2 。

2.2 模具材料选择

模具材料选用4Cr5MoSiV1电渣钢，该模具钢材料具有良好的红硬性，耐磨性、韧性以及良好的氮化性能。由于模具的外径尺廓较大，要求模具坯料无内部组织缺陷，无中心裂纹，模具毛坯件要求采取横向锻造，并且在粗加工前需进行超声波探伤检测。

2.3 模具规格

根据型材的外接圆尺寸、分流孔布置及模具的强度要求，经计算确定：

模具直径＝φ780mm；

模具总厚度H=425mm，上模厚度为190mm，下模厚度为115mm，模具垫厚度为120mm。

2.4 模具分流孔的布置和分流比K

比

模具分流孔的布置、大小、形状直接关系到金属供流的均衡性和制品的成形。由于该型材形状具有较好的对称性，因此，将分流孔布置成仁下排列的十孔结构；

中间的分流孔因靠近挤压筒中心，两端的分流孔远离挤压中心并且受到挤压筒壁摩擦力的影响，因此，需调整各个分流孔进料面积的大小，通过计算并结合生产实际经验，我们将中间和两侧的分流孔进料面积设计成1 : 1.3 ，如（图2 ）所示。由于该型材的加强筋较长，供料困难，必须在模具中间部位再另开进料孔，中间进料孔设计成阶梯形，使金属直接流人斜筋，如（图2 ）和（图3 ）所示。根据该型材铝合金的可挤压性指数，模具需要选择适当的分流比K 比，分流比的大小直接影响到挤压力的大小，并且对制品的成形和焊合质量也有直接的影

比响，在保证模具强度的前提下，按照经验公式以及生产实践，我们将分流K

比

确定为13.2 。

为了提高上模芯的刚度，模具中间的进料孔设计成斜稍式（见图6 ）。上模模芯增设引流槽。中间的阶梯分流孔由CNC 数控加工中心加工成型；横向的导流孔和引流槽采用线切割机床和电火花机床联合加工成型，上模模芯在电火花机床上用铜电极整体套打。

2.5 TFX-3型材模孔及焊合室的尺寸设计

① 在挤压过程中，模具在挤压力的作用下会产生弹性变形，模具的弹性变形将导致挤出的型材产生“偏壁现象”，产品尺寸不稳定。因此，在计算模孔尺寸时应加人“预变形量”，根据其所处的位置不同，中间部位的加强筋的壁厚尺寸减小，左右两端的壁厚尺寸适当加厚。

② 为了便于型材挤压成型，焊合室采用下焊合与前室相结合的结构，下焊合室深度为32mm，前室深度为8mm，如（图3 ）和（图7 ）所示，焊合室和前室均采用CNC 数控加工中心加工成型。为了提高模孔加工质量，采用慢走丝线切割机床加工。

（根据模孔所处的位置和金属供料情况，计算出模孔各部位工作带长度，如、（图8 ) 所示。上模工作带比下模工作带长出1～3mm，这样，在出料过程中上模芯会起到一定的整形作用。避免型材的大面出现凹凸缺陷。

3 模具制造

3.1 挤压模具的制作流程。4Cr5MoSiv1钢锻造毛坯→粗加工→热处理→精加工→模孔成形加工→配装→检验→试模→维修→氮化→试生产。

3.2 由于模具在挤压过程中要承受高温、高压、高摩擦的作用，为此，对模具钢材料、模具热处理工艺以及表面强化处理工艺都作了严格规定，特别是这种大型模具的外廓尺寸比较大（包括直径、厚度），模具各个部位的厚度落差大，在制定生产工艺时要预防模具淬火开裂和淬火后应力集中等问题，要求模具各部位的过渡区均为“R”状。模具在热处理过程中应严格控制真空淬火炉的加热温度、

升温速度和保温时间，模具出炉后要先进行强制空冷然后再人油，人油和出油温度要严格执行工艺标准。

4 试模，制品尺寸测量结果

TFX-3型材模具加工完成后在75MN 挤压机上试模，铝棒温度为520℃ ，模具加热温度为490℃ ，挤压速度达4m/min。

挤压机挤出的型材料头齐整，测量出的型材断面尺寸绝大部分在客户图纸要求的公差范围内。仅有个别部位的壁厚出现一定程度的超差，通过修模调整、重新氮化，再次上机后挤出的型材壁厚均匀，表面质量良好，断面尺寸完全符合图纸要求，整体试模情况理想。将挤出的型材取样后，进行力学性能及内部组织检测，结果表明，该型材的各项指标均符合技术标准的要求。

结束语

大型铝合金挤压模具同中小型铝合金挤压模具相比，其设计和加工的难度都大大增加。模具材料的选用、机电加工过程以及热处理工艺、修模等各个生产环节都有严格的技术要求。在生产实践中必须不断总结经验，更新设计理念，不断探索新型的模具结构，采用新技术和新工艺，降低模具制作成本，提高模具使用寿命。