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鋁型材擠壓模具設計分析

     

中國鋁業網】近年來,隨著我國大規模的基建投資和工業化進程的快速推進,鋁型材全行業的產量和消費量迅猛增長,而我國也一躍成為世界上最大的鋁型材生產基地和消費市場。經過長達近10年的高速增長,我國鋁型材行業步入了新的發展階段,并展現出了諸多新的發展趨勢。
  
  而且,隨著建筑、交通、汽車以及太陽能和LED等產業的迅速發展,對鋁合金擠壓產品的高精度、高性能要求與日俱增,型材斷面形狀隨之復雜化、多樣化,按常規常見形式設計,存在許多不足。所以,要得到優質型材,就得在生產、生活中不斷地學習和積累、不斷地改造和創新。
  
  模具設計是重要環節,因此,須對擠壓型材模具設計進行系統分析,并通過生產實踐逐步解決問題。
  
  一.鋁型材模具設計的六大要點
  
  1.鋁擠壓件的尺寸分析
  
  擠壓件的尺寸及偏差是由模具、擠壓設備和其他有關工藝因素決定的。其中,受模具尺寸變化的影響很大,而影響模具尺寸變化的原因有:模具的彈性變形、模具的升溫、模具的材料及模具的制造精度和模具磨損等。
  
  (1)鋁型材擠壓機噸位的選擇
  
  擠壓比是以數值表示模具實現擠壓的難易,一般來說,擠壓比在10-150之間是可適用的。擠壓比低于10,產品機械性能低;反之,擠壓比過高,產品容易出現表面粗糙或角度偏差等缺陷。實心型材常推薦擠壓比在30左右,中空型材在45左右。
  
  (2)外形尺寸的確定
  
  擠壓模具的外形尺寸是指模具的外圓直徑和厚度。模具的外形尺寸由型材截面的大小、重量和強度來確定。
  
  2.擠壓模具尺寸的合理計算
  
  計算模孔尺寸時,主要考慮被擠壓鋁合金的化學成分、產品的形狀、公稱尺寸及其允許公差、擠壓溫度,以及在此溫度下模具材料與被擠壓合金的線膨脹系數,產品斷面上的幾何形狀的特點,及其在拉伸矯直時的變化,擠壓力的大小及模具的彈性變形等因素。
  
  對于壁厚差很大的型材,其難于成形的薄壁部分及邊緣尖角區應適當加大尺寸。
  
  對于寬厚比大的扁寬薄壁型材及壁板型材的模孔,桁條部分的尺寸可按一般型材設計,而腹板厚度的尺寸,除考慮公式所列的因素外,尚需考慮模具的彈性變形與塑性變形及整體彎曲、距離擠壓筒中心遠近等因素。此外,擠壓速度、有無牽引裝置等對模孔尺寸也有一定的影響。
  
  3.合理調整金屬的流動速度
  
  所謂合理調整,就是在理想狀態下,保證制品斷面上每一個質點應以相同的速度流出模孔。
  
  盡量采用多孔對稱排列,根據型材的形狀,各部分壁厚的差異和比周長的不同及距離擠壓筒中心的遠近,設計不等長的定徑帶。一般來說,型材某處的壁厚越薄,比周長越大,形狀越復雜,離擠壓筒中心越遠,則此處的定徑帶應越短。
  
  當用定徑帶仍難于控制流速時,對于形狀特別復雜、壁厚很薄、離中心很遠的部分可采用促流角或導料錐來加速金屬流動。相反,對于那些壁厚大得多的部分或離擠壓筒中心很近的地方,就應采用阻礙角進行補充阻礙,以減緩此處的流速。此外,還可以采用工藝平衡孔、工藝余量,或者采用前室模、導流模、改變分流孔的數目、大小、形狀和位置來調節金屬的流速。
  
  4.保證足夠的模具強度
  
  由于擠壓時模具的工作條件十分惡劣,所以,模具強度是模具設計中的一個非常重要的問題。除了合理布置模孔的位置、選擇合適的模具材料、設計合理的模具結構和外形之外,精確地計算擠壓力和校核各危險斷面的許用強度也是十分重要的。
  
  目前,計算擠壓力的公式很多,但經過修正的別爾林公式仍有工程價值。擠壓力的上限解法,也有較好的適用價值,用經驗系數法計算擠壓力比較簡便。
  
  至于模具強度的校核,應根據產品的類型、模具結構等分別進行。一般平面模具只需要校核剪切強度和抗彎強度;舌型模和平面分流模則需要校核抗剪、抗彎和抗壓強度,舌頭和針尖部分還需要考慮抗拉強度等。
  
  強度校核時的一個重要的基礎問題是,選擇合適的強度理論公式和比較精確的許用應力。近年來,對于特別復雜的模具,可用有限元法來分析其受力情況與校核強度。
  
  5.工作帶寬度尺寸
  
  確定分流組合模的工作帶要比確定半模工作帶復雜得多,不僅要考慮到型材壁厚差、距中心的遠近,而且必須考慮到模孔被分流橋遮蔽的情況。處于分流橋底下的模孔,由于金屬流進困難,工作帶必須考慮減薄些。
  
  在確定工作帶時,首先要找出在分流橋下型材壁厚最薄處即金屬流動阻力最大的地方,此處的最小工作帶定為壁厚的兩倍,壁厚較厚或金屬容易達到的地方,工作帶要適當考慮加厚,一般按一定的比例關系,再加上易流動的修正值。
  
  6.模孔空刀結構
  
  模孔空刀就是模孔工作帶出口端懸臂支承的結構。型材壁厚t≥2.0mm時,可采用加工容易的直空刀結構;當t<2mm時,或者帶有懸臂處,可用斜空刀。
  
  二.模具設計中的常見問題
  
  1.二級焊合室的作用
  
  擠壓模具在鋁型材擠壓生產中起到至關重要的作用,直接影響擠壓產品的質量。然而,在實際生產中,擠壓模具的設計更多依賴設計師的經驗,模具設計質量難以保證,需要多次試模和修模。
  
  根據模具設計的不足,提出在下模開設二級焊合室優化設計方案,彌補模具加工中打供料不到位的缺陷,避免了供料不足引起的開口、收口及出材前后形狀不一等缺陷,并有效地解決了設計中速度分布不均的問題。從而在優化方案中,型材截面上的溫度分布和應力分布更加均勻,對出材有較大改善。
  
  2.二級導流的作用
  
  在擠壓模具設計中,對于壁厚差很大的實心型材,采用二級導流。例:初始模具設計由普通的模子和模墊組成,第一次上機非常不理想,角度偏小、薄壁部分尺寸超薄、超小。模具返修即使加大薄壁部分、打低工作帶仍然不理想。
  
  針對初始模具設計的不足,第二次采用導流板設計,提出在模子開設二級導流優化設計方案,有效地解決了初始模具設計中速度分布不均的問題。
  
  具體通過對薄壁部導流直沖,厚壁部分在出料口寬展30度,并將厚壁部分模孔尺寸稍微加大尺寸,另將模孔尺寸90度角預收口開為91度,定徑工作帶也適當作了些修改。
  
  三.小結
  
  經過不斷地學習、積累,不斷地查詢相關的模具設計資料,經過改造、創新來優化模具設計,并通過生產實踐來驗證是否成功。

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