尹傳龍，齊凱華，翟 軍，任文錦

（山東鋁業(yè)有限公司，淄博 255051）

0 前言

隨著能源危機和環(huán)保壓力的影響，國家大力推廣鋁材應用，使鋁制品的應用更加廣泛。同時，國家對鋁制品的生產(chǎn)加工標準越來越嚴格，制作合格穩(wěn)定的高質(zhì)量鋁制品是鋁加工行業(yè)的首要任務(wù)。

隨著鋁型材用戶生產(chǎn)加工工藝的改善，鋁制品斷面形狀越來越復雜，型材尺寸也越來越大（或局部尺寸越來越?。行┛蛻籼峁┑漠a(chǎn)品也不適用于鋁加工行業(yè)的生產(chǎn)工藝條件，產(chǎn)品的一致性差，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，產(chǎn)品的使用替換性差，客戶滿意度較低。為了滿足產(chǎn)品的使用屬性，有必要對難以擠壓成型產(chǎn)品的斷面形狀進行優(yōu)化處理。

對型材的斷面形狀進行確認以及對后續(xù)的生產(chǎn)質(zhì)量進行控制，以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。通過精細化質(zhì)量控制把產(chǎn)品的外形尺寸嚴格控制在新的國家標準（或客戶的使用標準）內(nèi)，以滿足客戶要求。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

型材擠壓生產(chǎn)屬于壓力加工范疇，其主要設(shè)備是擠壓機和模具。擠壓機的主壓力一般為23 MPa，有些擠壓機的主壓力可達35 MPa甚至更高。圖1是常用正向單動臥式擠壓機結(jié)構(gòu)示意圖[1]。在擠壓生產(chǎn)過程中，金屬鋁的流動像電工學中的短路現(xiàn)象一樣，金屬鋁沿著阻力小的方向到達工作帶前端，造成擠壓制品的斷面尺寸不穩(wěn)定。型材斷面尺寸的不穩(wěn)定就與它的這種“惰性”有關(guān)。擠壓工模具的結(jié)構(gòu)形狀、表面狀態(tài)、?？讛?shù)量和工頭的排列對金屬流動有很大的影響[2]。隨著多孔、寬厚比大、厚度差大、舌比大、形狀復雜的高難度新產(chǎn)品的出現(xiàn)，對生產(chǎn)前的圖紙斷面形狀進行確認就顯得十分必要[3]。

圖1 擠壓機結(jié)構(gòu)示意圖

鋁合金型材產(chǎn)品的質(zhì)量取決于模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理以及各種尺寸因素是否得當[4]。而在擠壓生產(chǎn)的前期，圖紙中斷面形狀的確定必須考慮鋁的“偷懶”特性，通過優(yōu)化斷面形狀等措施，保證型材的使用性。圖2示出了擠壓產(chǎn)品用的模具。

圖2 擠壓產(chǎn)品用的模具

2 擠壓型材斷面的優(yōu)化設(shè)計

2.1 型材斷面形狀設(shè)計優(yōu)化

由于大懸臂型材在擠壓生產(chǎn)過程中易堵模，邊壁厚的型材容易發(fā)生偏壁現(xiàn)象[5]，產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性和一致性差。同時擠壓模具容易在開口處發(fā)生失效疲勞斷裂，造成擠壓成本升高。為保證型材產(chǎn)品的穩(wěn)定性和型材生產(chǎn)的經(jīng)濟性，必須對擠壓型材斷面進行優(yōu)化。如圖3（a）所示，型材左側(cè)有個開口，舌比A=86/16.1=5.3，屬于有危險斷面的型材，同時開口尺寸16.1 mm處也無法制作適配的專用支撐墊來提高模具強度，模具在開口處容易發(fā)生彈性變形或者疲勞折斷，需要進行斷面優(yōu)化。

圖3 型材斷面形狀設(shè)計優(yōu)化對比

圖3（b）是優(yōu)化后的型材簡圖。優(yōu)化方案為：左側(cè)開口端封閉，制作成手撕模，模具類型為組合分流模。這樣優(yōu)化后，型材不存在危險斷面。另外模具在生產(chǎn)過程中受擠壓力沿著整個模具端面分布，模具受力均勻，擠壓型材尺寸穩(wěn)定。

2.2 型材斷面尺寸的優(yōu)化

由于模芯受到不平衡力的作用而產(chǎn)生偏移是導致型材斷面壁厚偏差的主要因素之一。若模芯受力均勻，不容易產(chǎn)生偏移，有利于提高模具使用壽命，減小和避免型材壁厚超差缺陷[6]。通過調(diào)整型材局部尺寸和（或）改變模具制作類型，便于金屬流動合理、模具壓力均衡、無危險斷面，從而提高型材尺寸的穩(wěn)定性。

圖4（a）是客戶的原圖紙，由于結(jié)構(gòu)原因，右側(cè)開口有個7 mm×66 mm長懸臂結(jié)構(gòu)，有三個芯頭；同時由于模具的懸臂比較大，A=66/7=9.42，遠大于模具設(shè)計要求的A＜2.2的取值范圍，造成模具懸臂部分受力力臂較大，容易造成模具下模變形或者折斷，無法保證型材正常生產(chǎn)；同時由于兩側(cè)模具芯頭和左側(cè)模具芯頭間距較小，金屬鋁在芯頭結(jié)合處的分配嚴重不足，進而影響型材外形尺寸的穩(wěn)定。

圖4 型材斷面尺寸優(yōu)化圖

根據(jù)客戶需求和安裝使用需求，調(diào)整圖紙如圖4（b）。圖紙修改后，原模具下模開口處變成一個實體工頭，原開口部分成為獨立的芯頭，模具受力狀況大大改善，金屬流動穩(wěn)定，金屬鋁的流動分配比例容易控制；同時右側(cè)上下兩個開口尺寸由16.9 mm調(diào)整為61.7 mm，便于與配套扣蓋的扣合，方便后期的安裝施工。

2.3 型材斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

型材斷面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化就是根據(jù)客戶圖紙的斷面特點，再根據(jù)客戶生產(chǎn)使用需求，根據(jù)鋁型材加工工藝特點，把型材的斷面結(jié)構(gòu)稍作改變，使得金屬鋁在擠壓過程的三個階段的分配流動合理且穩(wěn)定。

根據(jù)原圖紙設(shè)計（見圖5（a）），模具需要制作9個工頭，其中有8個工頭尺寸偏小，4個φ5.2 mm，4個φ8.5 mm。工頭強度不夠，容易造成工頭的位置不確定而產(chǎn)生移動。兩個小工頭間的間距為3.9 mm，小工頭與φ59 mm工頭間距為4.5 mm，造成模具加工困難。同時，由于型材的擠壓比較小，金屬鋁不能完全填充到各個導流槽，容易造成8個小圓直徑不穩(wěn)定，各圓之間的定位尺寸也難以保證。

圖5 型材斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)型材結(jié)構(gòu)和客戶使用要求來調(diào)整客戶圖紙斷面形狀，如圖5（b）所示。將相近的兩個工頭連在一起，只制作5個工頭，這樣模具的強度和穩(wěn)定性得到提高，金屬的流動穩(wěn)定性得到改善，使型材外形尺寸穩(wěn)定性加強[7]，有效地克服了鋁的“偷懶”特性。圖6、圖7分別是該型材模具的加工圖和利用該模具生產(chǎn)制作出的型材。

圖6 優(yōu)化后的模具加工圖

圖7 優(yōu)化后生產(chǎn)出的型材

型材斷面形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)的變化歸根到底是模具結(jié)構(gòu)和類型的變化，就是改善模具的金屬分配，通過模腔對金屬的流動分配進行控制，以獲得出口速度均勻的型材[7]。通過型材斷面的優(yōu)化，讓金屬鋁按照金屬分配的比例到達模具工作帶的前端，進而擠壓成型，滿足客戶對產(chǎn)品的需求。

2.4 有限元模擬

通過采用Deform-3D有限元計算軟件，模擬金屬鋁在擠壓狀態(tài)下的金屬流動情況，進而分析圖紙斷面形狀和模具制作中存在的問題，進一步優(yōu)化圖形斷面形狀。模具在制作過程中由于存在機械加工工藝、加工不到位、型材斷面特點等因素的制約，還需要模具制作商和模具維修人員對模具進行再次或多次疏導處理，目的就是要打通通道，解決鋁的“偷懶”特性。

同時，型材斷面尺寸的優(yōu)化還要考慮設(shè)備與模具的匹配性以及生產(chǎn)的精細化管理和精細化過程控制等因素。

3 結(jié)論

通過對型材斷面的優(yōu)化設(shè)計，在不改變型材使用的前提下解決了模具制作困難、型材尺寸不穩(wěn)定甚至無法生產(chǎn)的難題，進而達到穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

鋁型材產(chǎn)品由于使用廣泛，型材間的配合使用形式具有多樣性。這就需要在中間環(huán)節(jié)掌握一些基本材料學知識、鋁合金擠壓型材生產(chǎn)工藝參數(shù)、模具制作和后續(xù)型材的安裝使用裝配情況等，全流程參與到產(chǎn)品的研發(fā)和后期的安裝施工的所有工序。型材斷面優(yōu)化的方法已推廣至長懸臂型材、散熱板型材和有特殊使用要求的型材生產(chǎn)中，所出產(chǎn)品完全滿足客戶的需求。型材斷面優(yōu)化工作架起了鋁制品單位與設(shè)計院、使用方的橋梁，對推進鋁加工行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和產(chǎn)品升級起到了重要作用。