蔣正南

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

1 引言

鋁是地殼中分布最廣，儲(chǔ)量最豐富的元素之一占地殼重量的8.13%，是鐵蘊(yùn)藏量的一倍多，它比其他有色金屬蘊(yùn)藏量的總和還要多。鋁合金材料的強(qiáng)度與鋼鐵強(qiáng)度相當(dāng)，但是其密度是鋼鐵的1/3，導(dǎo)熱性能是鐵的3倍，吸收沖擊的能力是鋼的2倍。隨著科技的快速發(fā)展，輕量化成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，因此，鋁及鋁合金擠壓（出）型材是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要材料，也是應(yīng)用最早和應(yīng)用最多的輕量化材料。鋁合金的綜合性能接近鈦合金，但是鋁合金成型方便，成本低廉，它有其他合金不可比擬的有點(diǎn)。隨著科技的飛速發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用于汽車工業(yè)、現(xiàn)代制造業(yè)、國(guó)防軍工產(chǎn)業(yè)等。電機(jī)外套鋁合金擠壓型材具有斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、中空等特點(diǎn)，在擠壓過(guò)程中容易出現(xiàn)流速不均，產(chǎn)品精度不易控制，因此該型材擠出模設(shè)計(jì)制造至關(guān)重要。

2 鋁合金型材擠出模設(shè)計(jì)采用平模和分流模原則

確定采用平面模和分流模的原則：鋁型材擠壓分流模和平面模是按擠出產(chǎn)品的斷面形狀是否封閉來(lái)分的。一般而言，使用分流模擠出的型材斷面形狀至少有一個(gè)閉合的框，也就是說(shuō)型材斷面至少有一個(gè)空心，而平模沒(méi)有。還有一種特殊情況，當(dāng)型材斷面未封閉，但是近似閉合，留有一小段缺口，這時(shí)也可采用分流模，即把缺口用搭接封閉起來(lái)。

3 電機(jī)外套的鋁型材模具設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)外套結(jié)構(gòu)分析

電機(jī)外套截面如圖1所示。有以下特點(diǎn)：①電機(jī)外套型材為空心型材；②電機(jī)外套有6個(gè)分齒，且齒部與根部壁厚落差大；③電機(jī)外套各齒部中心線角度偏差±2°，要求不能出現(xiàn)變形；④電機(jī)外套外形尺寸不超過(guò)200mm，精度要求高，難度系數(shù)較大。

在設(shè)計(jì)鋁合金型材擠出模時(shí)，除因考慮模具型腔大小、工作帶摩擦力、各圓周流速、模具尺寸強(qiáng)度，還應(yīng)考慮模具型腔面積的大小，型腔面積越大的部分流速越快。從型材斷面分析可知，各部分的截面大小不同，會(huì)導(dǎo)致鋁料通過(guò)模具各個(gè)截面的流量和流速不同。鋁料受到相同擠壓力的情況下，鋁料會(huì)出現(xiàn)大部分流向橫截面較大的地方，而橫截面較小面積的地方會(huì)出現(xiàn)鋁料較少，甚至?xí)霈F(xiàn)缺料現(xiàn)象，并且橫截面積較大部分流速會(huì)比橫截面積較小的部分流速快，實(shí)心部分流速比空心部分流速快，齒部的流速比根部實(shí)心部分慢，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮解決流量與流速不等的問(wèn)題。當(dāng)然壁厚相差懸殊，懸臂大的型材，如果模具設(shè)計(jì)不合理，截面上各部分的金屬在擠出?？讜r(shí)就越容易以不同的速度流出，從而造成型材的扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷而報(bào)廢，模具也容易損壞。因此，該模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)變得尤為重要。

3.2 電機(jī)外套型材擠出模設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

（1）該型材為6070鋁合金，屬于軟合金，擠出過(guò)程流速較快，成型較硬合金難以控制。

（2）該型材最大外接圓為?210mm，最大壁厚t1=33mm，最小壁厚t0=7.5mm，最大與最小之比為4.4，壁厚差較大。

（3）圖1所示型材有6個(gè)突出的齒形，其中又有2個(gè)齒面分出2個(gè)叉齒，整體呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)公式計(jì)算型材懸舌比24.4/7.7=3.17,顯然舌比大于3的齒面存在危險(xiǎn)斷面。特別是該截面底部壁厚差較大，最厚達(dá)33mm，最薄達(dá)7.5mm，加大了危險(xiǎn)斷面的的危險(xiǎn)系數(shù)。

3.3 電機(jī)外套擠出模設(shè)計(jì)方案

（1）擠壓比的選擇。擠壓比為擠壓筒的面積與型材截面積之比，擠壓比反應(yīng)該型材在該擠壓機(jī)上的擠壓難度程度，通常擠壓比在7～150內(nèi)是可以適用的，擠壓比太小，型材制品變形不充分，密度和表面質(zhì)量都不好，擠壓比太大，模具變形劇烈，擠壓困難，型材尺寸大小難以保證，甚至?xí)斐啥履?，影響模具使用壽命。初定?,500t擠壓機(jī)，在?260mm擠壓筒上生產(chǎn)，擠壓筒面積約為53,066mm2，電機(jī)外套截面積約為7,480mm2，由公式可得其擠壓比為53,066/7,480=7.09。通?？招男筒臄D壓比在7～45范圍內(nèi)時(shí)，分流模模具的使用壽命較長(zhǎng)，型材生產(chǎn)過(guò)程較為順暢。

（2）分流比K的選擇。分流比的大小直接影響擠壓阻力的大小、制品成型和焊合質(zhì)量，K值越大越有利于金屬流動(dòng)和焊合，也可減少壓力，因此盡可能選大值。初步選擇內(nèi)徑為?260mm的擠壓筒擠壓，分流比為分流孔的截面積與型材的斷面積之比，而生產(chǎn)型材分流比取10～30較理想，而其型腔截面積約為7,480mm2，分流孔的截面積至少達(dá)74,800mm2以上，內(nèi)徑為?260mm的擠壓筒最大面積約為53,066mm2，按理來(lái)說(shuō)應(yīng)選擇更大的擠壓筒，但是綜合考慮我廠機(jī)型情況、型材結(jié)構(gòu)、外形長(zhǎng)度、經(jīng)濟(jì)效益，最終選擇2,500t擠壓機(jī)，內(nèi)徑為?260mm的擠壓筒上擠壓，考慮到擠壓雜質(zhì)的影響，進(jìn)料孔控制在?250mm以內(nèi)。如圖2為電機(jī)外套擠出模設(shè)計(jì)圖，由于該型材為空心型材的分流模結(jié)構(gòu)，分上模與下模組合模具，由于模具系列已標(biāo)準(zhǔn)化?？紤]到模具的強(qiáng)度，需要合理的分配上下模厚度，為此設(shè)計(jì)下模與上模的厚度比例為3∶2，以保證下模強(qiáng)度足夠。由于型材較復(fù)雜，模具外形尺寸為型材外接圓的1.45～1.6倍，模具外形尺寸在?305～?336mm內(nèi)，因此選用?340mm模具。為防止模具在擠壓時(shí)出現(xiàn)彈性變形，影響成型，保守起見(jiàn)配一個(gè)專用墊，因此設(shè)計(jì)一個(gè)專用墊，我廠采用綜合強(qiáng)度較低的5CrNiMo鋼作為專用墊。

（3）根據(jù)型材外形特征，4個(gè)分流孔與型材成幾何相似性布置；分流孔的大小根據(jù)兩個(gè)原則確定：一是金屬填充對(duì)應(yīng)?？姿杞饘倭康亩嗌伲M量保證各部分的分流比K分值基本相等（或者型材斷面積稍大部分的K分值略低于其它部分的K分值），以便于金屬均衡流動(dòng)；二是金屬進(jìn)入各個(gè)分流孔的阻力不宜相差太大，即各個(gè)分流孔面積之間不能相差太大。根據(jù)分析，由于該型材采用分流焊合擠壓生產(chǎn)，該型材模具采用4孔4橋，分流孔平均布局在模具圓周上，將金屬分成4股金屬流，通過(guò)分流孔后在分流模橋下的焊合室內(nèi)重新焊合。另外采用4孔4橋，模具強(qiáng)度也較好。

（4）由于該型材基本以X、Y軸對(duì)稱，所以分流孔的布局基本也以X、Y軸對(duì)稱，采用4個(gè)分流孔；正常情況下型材較難成型處應(yīng)放在橋下，齒部較難成型放在橋下，因此4個(gè)分流孔的設(shè)計(jì)呈上下左右4個(gè)分流孔。但是根據(jù)金屬在擠壓筒中的流動(dòng)規(guī)律可知，金屬的流動(dòng)速度在擠壓過(guò)程中從心部往外圈逐漸遞減，金屬在壁厚處的流動(dòng)速度比壁薄處的流動(dòng)速度大。而該型材齒部的壁厚比環(huán)形處的壁厚大很多，因此齒部金屬的流速比環(huán)形壁厚處的流速大很多，即壁厚差太大，只通過(guò)改變工作帶的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)金屬流速是不夠的，很容易在齒的根部產(chǎn)生拉應(yīng)力，使工作帶產(chǎn)生彎曲變形。其次，由于齒部之間的懸臂較大，環(huán)形壁厚存在危險(xiǎn)斷面，采用直接擠壓環(huán)形壁厚處的分流孔設(shè)計(jì)將產(chǎn)生很大的擠壓力，使環(huán)形壁厚處的工作帶的懸臂壓塌，因此采用直接擠壓4個(gè)齒部的分流孔設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電機(jī)外套擠出模結(jié)構(gòu)

（5）焊合室深度的選擇。焊合室是金屬匯集并焊合的地方，焊合室太淺時(shí)，靜水壓力太小導(dǎo)致焊合不良，焊合室太深，又會(huì)影響芯頭的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此焊合室深度要選擇要合適，一般情況下，焊合室的高度為分流橋?qū)挾鹊?/2～2/3，為使金屬在焊合室內(nèi)有足夠大的靜水壓力，焊合室的深度取30mm，進(jìn)一步增強(qiáng)焊縫質(zhì)量。

（6）該型材圓形芯頭外圓尺寸為?128.2mm，芯頭較大，模具熱處理時(shí)不易充分，所以采用?50mm深50mm的圓形工藝孔。

（7）?？壮叽绲拇_定。上?？壮叽?，由于上模芯頭為?127mm的圓，且上下左右對(duì)稱，取收縮率為1%。下?？壮叽纾捎谙履Ｓ卸鄠€(gè)小懸臂，且壁厚差較大，在1%的收縮率上再加上彈性裕量。

（8）模具工作帶設(shè)計(jì)。模具分流孔的布局是各個(gè)分流孔的金屬流速的主要調(diào)節(jié)方式，而工作帶的設(shè)計(jì)是對(duì)金屬流速起到輔助調(diào)節(jié)作用。圖3所示為下模工作帶設(shè)計(jì)圖。考慮到齒部壁厚較環(huán)形壁厚更大，為了對(duì)流速起到調(diào)節(jié)作用，該處工作帶從上到下順時(shí)針?lè)謩e為12mm、22mm、19mm、15mm。環(huán)形部分呈中心對(duì)稱，考慮到環(huán)形部分摩擦力大，且壁厚較小，工作帶設(shè)計(jì)短一些，該處為5mm。

圖3 下模工作帶設(shè)計(jì)圖

4 電機(jī)外套擠出模加工工藝

上模、下模及專用模墊加工工藝流程：上模加工工藝：粗車外圓→在車槽內(nèi)打印→鏜起吊孔→檢查尺寸→劃模具中心線、分流孔、螺銷孔定位線、打印記號(hào)→車芯頭→鉆螺紋孔、銷子孔及分流孔工藝孔→精銑分流孔、芯頭頸部→檢查尺寸→熱處理→磨分流模上下端面及芯頭表面→成品檢查。下模加工工藝：粗車外圓、端面、止口，焊合室工藝圓→劃模具中心線、焊合室型腔線、螺銷孔、鉬孔定位線→鏜起吊孔→檢查尺寸→粗銑焊合室→鉆螺紋孔、銷子孔→熱處理→磨上下端面→精銑焊合室→劃模具中心線→線切割型孔→加工電極→電火花加工空刀、工作帶。專用模墊加工工藝：粗車外圓、端面→劃模具中心線、型腔尺寸線、螺孔定位線、銷孔定位線→鉆起吊孔→銑型腔→銑鍵槽→鉆螺紋孔、銷子孔→熱處理→磨上下斷面，精車外圓。模具裝配：拋光→上、下模配合確定型腔壁厚→用螺栓、銷子連接上模、下?！嚿?、下模止口→拋光→組裝→檢查尺寸→交貨。

5 試模及修模

5.1 試模效果

（1）第一次試模使用6070合金擠壓，兩個(gè)圓弧半徑為R0.5～1.5mm，不合格，由線切割進(jìn)行修改R尺寸。

（2）第二次試模還是使用6070合金，擠壓出的制品無(wú)大的波浪、彎曲、扭擰等缺陷，精度合乎圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

5.2 模具氮化

試模合格后的模具要及時(shí)進(jìn)行氮化處理，提高其表面的光潔度和抗磨能力。把握模具的氮化程度，一般情況下要求氮化層厚度達(dá)0.15mm左右，模具氮化次數(shù)不宜超過(guò)4～5次，氮化次數(shù)過(guò)多會(huì)把模具工作帶的氮化層拉掉或拉成溝槽，影響擠壓件表面質(zhì)量，氮化次數(shù)過(guò)少，工作帶會(huì)產(chǎn)生脫皮。

6 結(jié)論

與其它鋁型材相比，電機(jī)外套型材擠壓時(shí)很難成型，更容易偏齒，從而導(dǎo)致模具壽命短、產(chǎn)量低，所以擠出模的設(shè)計(jì)與制造成為復(fù)雜截面形狀的電機(jī)外套制造的難點(diǎn)和重點(diǎn)，而模具的精密制造是保證得到合格電機(jī)外套擠出件的關(guān)鍵。采用先進(jìn)的高精密數(shù)控加工中心，配合良好的加工工藝，可以提高精度減少誤差，使模具壁厚均勻，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。CNC數(shù)控設(shè)備很好地解決了手工銑床加工精度不高、易偏差等問(wèn)題，為提高模具質(zhì)量和成品率奠定良好的基礎(chǔ)。