王文潔

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

隨著科學(xué)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋁合金型材被廣泛用于建筑、電子、交通運(yùn)輸、航空航天等行業(yè)，而且擠壓型材的種類(lèi)也越來(lái)越多，形狀也越來(lái)越復(fù)雜，除了實(shí)心及空心型材外，還有半空心型材。這些需求都對(duì)模具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提出了更高的要求。在型材擠壓過(guò)程中，模具是影響鋁合金型材產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素之一，大部分模具都需要經(jīng)過(guò)反復(fù)試模和優(yōu)化調(diào)整才能保證型材的成形、尺寸等符合要求。尤其是半空心型材模具在懸臂處易壓壞，模具壽命短且擠壓成形較差。

5A06半空心“草帽”型材是我公司重點(diǎn)產(chǎn)品之一，附加值高，需求量大。但該類(lèi)型材斷面尺寸較大、壁薄，擠壓難度大。因金屬流動(dòng)不均，采用按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的模具會(huì)導(dǎo)致擠出型材成形差，易出現(xiàn)擴(kuò)口、并口、平面間隙超差等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率及成品率。為此我們開(kāi)展了5A06鋁合金半空心型材模具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化攻關(guān)活動(dòng)，通過(guò)不斷改進(jìn)和優(yōu)化，最終較好地解決了該型材的擠壓成形問(wèn)題，為此類(lèi)型材的生產(chǎn)提供了經(jīng)驗(yàn)積累。

1 問(wèn)題分析

變形鋁合金的可擠壓性在一定程度上決定了生產(chǎn)難度。可擠壓性的涵義是指合金以高的流出速度與變形程度和低的壓力擠壓的相對(duì)能力，此值與合金的化學(xué)成分以及型材的外形有關(guān)[1]。通過(guò)可擠壓性Z 與擠壓過(guò)程基本因素?cái)?shù)值之間的關(guān)系式：可以計(jì)算出5A06合金的可擠壓性?xún)H為8［2］，屬于難壓合金（Z＜50），可擠壓性極差。且該型材斷面尺寸相對(duì)較大，壁薄，更是增加了其擠壓難度。

按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的模具因擠壓時(shí)金屬流動(dòng)不均衡、不平穩(wěn)，導(dǎo)致擠壓出來(lái)的型材成形差，出現(xiàn)前端擴(kuò)口、尾端并口、平面間隙超差等問(wèn)題。對(duì)于此類(lèi)型材模具的設(shè)計(jì)，必須打破常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，在現(xiàn)有條件下通過(guò)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)和優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)該類(lèi)型材的成功擠壓。

2 設(shè)計(jì)分析與方案實(shí)施

半空心“草帽”型材訂貨合金為5A06，其截面圖如圖1所示。此截面形狀雖不復(fù)雜，但其懸臂大、壁薄，擠壓過(guò)程中變形的不均勻性就越發(fā)顯著。該類(lèi)型材對(duì)懸臂根部模具的強(qiáng)度要求很高，如果設(shè)計(jì)不合理，擠壓時(shí)懸臂部分會(huì)變形、坍塌。

從圖1中技術(shù)要求計(jì)算可知，此截面面積為624cm2，半空心開(kāi)口處寬度為65mm，可在3#20MN 油壓機(jī)上采用φ170mm 擠壓筒進(jìn)行擠壓。擠壓系數(shù)λ=36.36，模具外形為φ240mm×140mm，單孔擠壓。

從上述截面分析中可知，該型材存在半空心部分，在擠壓過(guò)程中最危險(xiǎn)的部位就是半空心開(kāi)口處。在傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方案中，類(lèi)似這樣的半空心型材一般采用普通平模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（模具厚度為50mm，模墊厚度90mm），通過(guò)減少?？讘冶鄹康目盏读亢驮黾討冶鄄糠值闹魏穸葋?lái)提高模具懸臂處的強(qiáng)度[3]。因該類(lèi)型材在擠壓時(shí)極易變形，模具還需采用帶有預(yù)變形設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

此模具采用了以A點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2°的預(yù)變形設(shè)計(jì)。然而，試模結(jié)果表明，模具在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生了較大的彈性變形，型材前端擴(kuò)口、尾端并口且頭尾尺寸差異較大。分析原因是由于開(kāi)口寬度大，在擠壓生產(chǎn)時(shí)造成懸臂處不穩(wěn)定，金屬流速不均勻引起變形所致。由此可見(jiàn)圖2所示鋁型材的常規(guī)設(shè)計(jì)不適用。

3 工藝調(diào)整與優(yōu)化

3.1 方案1

為了解決圖2模具在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們決定對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。由于鋁錠通常為圓形，而制品的形狀千奇百怪，且圓形鋁錠突變?yōu)橹破沸螤畹倪^(guò)程又太劇烈，因此設(shè)定一個(gè)介于鋁錠與制品之間的過(guò)渡形狀，以減少變形過(guò)程的激烈程度。通常導(dǎo)流模的形狀都是接近制品的形狀，它可以很好地控制流速，讓金屬的流動(dòng)更均勻［4］。所以，方案調(diào)整的第一步嘗試是增加導(dǎo)流模，去除原來(lái)的預(yù)變形設(shè)計(jì)，如圖3所示。

模具的懸臂部分可以認(rèn)為是一個(gè)受有均布載荷的懸臂梁，可按公式（1）校核其危險(xiǎn)斷面處的模子最小厚度h[2]。

式中：hmin為模具的最小厚度；p是擠壓機(jī)最大比壓；l是懸臂梁的長(zhǎng)度；σ彎是模具材料的許用彎曲應(yīng)力，對(duì)H13鋼取600MPa。

由公式（1）計(jì)算得：hmin=120mm。

綜合以上計(jì)算及我廠模具材料規(guī)格考慮，確定導(dǎo)流模厚度為25mm，模具厚度50mm，模墊厚度為125mm。

試模后發(fā)現(xiàn)頭端頂面間隙呈凹形、底面兩個(gè)邊塌邊，這說(shuō)明制品頭端還是存在擴(kuò)口現(xiàn)象。制品的名義開(kāi)口尺寸是（118±2.4）mm，但實(shí)際測(cè)量頭端開(kāi)口尺寸達(dá)到128.9mm，超上限8.5mm，開(kāi)口尺寸過(guò)大導(dǎo)致后期無(wú)法通過(guò)輥矯來(lái)修復(fù)。尾端頂面間隙比頭端相對(duì)要好，底面兩個(gè)邊是往中間靠，制品呈并口狀，實(shí)際測(cè)量尺寸為106.4mm，超下限9.2mm，經(jīng)測(cè)量頭尾端尺寸最大相差22.5mm。這是因?yàn)槭褂脤?dǎo)流模后擠壓時(shí)模具受力比較均勻，模具彈性變形減少，導(dǎo)致壁厚尺寸也超上限。

3.2 方案2

經(jīng)過(guò)幾輪試驗(yàn)和方案1的試模結(jié)果，總結(jié)出對(duì)于這類(lèi)型材的模具需要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是減小懸臂處的壓力；二是提高懸臂承壓的強(qiáng)度［5］。該類(lèi)型材因擴(kuò)口過(guò)于嚴(yán)重加大了后期輥矯難度，而并口狀的輥矯效果要優(yōu)于擴(kuò)口狀的。為了驗(yàn)證采用預(yù)變形來(lái)控制擴(kuò)口現(xiàn)象的方法是可行的，我們決定繼續(xù)引用預(yù)變形設(shè)計(jì)，如圖4所示。首先，采用4°的并口設(shè)計(jì)，擠壓后兩邊會(huì)回彈，可避免制品擴(kuò)口現(xiàn)象的發(fā)生；其次，為了增加模具的穩(wěn)定性，我們將模具和導(dǎo)流模設(shè)計(jì)成合二為一的結(jié)構(gòu)（前置模模具厚度75mm，模墊厚度125mm），即一種帶有前置室的模具，如圖5所示。

在模子端面設(shè)計(jì)一定深度的導(dǎo)流槽，通過(guò)導(dǎo)流槽對(duì)金屬重新進(jìn)行分配，改善因擠壓造成的金屬流動(dòng)的不均勻性，同時(shí)也改善由于懸臂自身的?？缀穸炔顒e所造成的金屬流動(dòng)不均勻性，減輕模具懸臂所承受的壓力［4］。另外，為了提高模具強(qiáng)度，從模具的材質(zhì)方面考慮，采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口鋼，前置室采用加工中心加工以保證模具的精度，延長(zhǎng)模具壽命。

由于此型材懸臂較大，在擠壓時(shí)容易產(chǎn)生彈性變形，因此還需設(shè)計(jì)專(zhuān)用環(huán)來(lái)預(yù)防模具、模墊的彈性變形，專(zhuān)用環(huán)厚度為130mm。除此之外考慮到拉伸時(shí)的變形，還需要配上專(zhuān)用拉伸墊塊，以減少拉伸變形。

4 效果分析

通過(guò)改進(jìn)模具設(shè)計(jì)方案，5A06半空心型材的擠壓效果有了明顯的改善和提高，頭尾端尺寸差由之前的22.5mm 減少到2mm，型材開(kāi)口呈并口狀態(tài)，大大減少了輥矯難度，生產(chǎn)效率較之前提高了許多。但是唯一不足的是開(kāi)口尺寸稍微偏小，即預(yù)變形量偏大。隨后在該方案的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化，對(duì)開(kāi)口尺寸、預(yù)變形進(jìn)行調(diào)整，在金屬流速快的地方加阻礙塊，有效地減緩了金屬的流速［6］。

優(yōu)化后的效果非常理想，制品的成型形、尺寸都得到了很好的改善。制品拉伸后頭尾端開(kāi)口尺寸實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1 半空心型材開(kāi)口尺寸實(shí)測(cè)值/mm

5 結(jié)束語(yǔ)

打破傳統(tǒng)的平模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)、優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，最終采用這種將模子與導(dǎo)流模二合一的設(shè)計(jì)方案，再加上適當(dāng)?shù)念A(yù)變形量調(diào)整，不僅解決了半空心“草帽”型材的成形問(wèn)題，大大提高了生產(chǎn)效率，而且成品率也顯著提高，實(shí)際成品率較優(yōu)化前提高了22%。

本次模具優(yōu)化為這類(lèi)型材的生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也提供了可靠的技術(shù)保證。