铝型材模具设计与制造

铝型材模具设计与制造

在铝型材生产企业中，模具成本在型材挤压生产成本中占到20%-40%。模具的好坏以及模具是否能够合理使用和维护，直接决定了企业是否能够正常、合格的生产出型材来。挤压模具在型材挤压生产中的工作条件是十分恶劣的，既需要在高温、高压下承受剧烈的摩擦、磨损作用，并且还需要承受周期性载荷作用。这都需要模具具有较高的热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性。为满足以上几项要求，目前在国内普遍采用优质H13合金钢，并采用真空热处理淬火等方式来制作模具，以满足铝型材生产中的各项要求。

由于型材产品结构各种各样，在实际生产中，模具的使用寿命差异也较大，有的无法使用达到预定产量，严重的甚至挤压不到20条棒或上机不到2次就提前报废，致使采用昂贵的模具钢制作的模具远远不能实现其应有的效益。所以针对不同型材产品，结构的优化，模具的设计至关重要。

1.铝型材模具设计与制造过程：

（1）铝型材结构的评审优化，尽量确保截面壁厚均匀，如果是多腔结构，腔体尺寸尽量至少3mm以上。

铝型材断面的设计原则：

第一，端面大小的选择。型材断面大小用外形来衡量，外接圆越大，所需的挤压压力就越大。一般来说，每台挤压机上能挤压的最大外接圆型材不是固定不变的，与挤压筒直径是有一定关系的，挤压型材的最大外接圆一般比挤压筒直径小25~50mm，挤压空心型材时则应更小一些。

第二，断面形状的复杂性。根据型材形状主要分成三大类，即实心型材、半空心型材及空心型材。形状不同，对模具以及工艺都有比较大的影响，。一般可以通过形状因素指数来初步判断型材挤压的难度，指数F=型材外接圆直径C*型材断面周长/型材断面面积，指数值F越大，则型材就越难挤压。

第三，挤压系数。合理的挤压系数对于型材能否正常加压是很重要的一个参数。一般来说，纯铝的挤压系数可达300,6063合金可达200，硬铝可选为20~60。

第四，型材壁厚。某一特定型材壁厚最小值取决于型材的外接圆直径的大小、合金成分和形状因素等。一般6063合金壁厚取1mm时，6061合金就取为1.5mm 左右，而7075合金则应取为2.0~2.5mm。壁厚选择除与材料有关外，还与外接圆直径、断面形状等有关。

型材外接圆尺寸或宽度尺寸越大，设计的壁厚也应越大。一般情况下，型材的宽厚比以小于30为宜；当宽厚比大于50时，就比较难挤压，当宽厚比大于100时，属特别难以挤压成形的型材，需要辅助一些特殊技术措施，才能保证挤压过程顺利进行。越难挤压的断面，要求有较大的壁厚，较小的宽厚比和较小挤压系数。常见一些型材挤压难易程度如下图所示：

第五，包围空间面积的设计。在型材的断面形状方面，凡有三面被包围，一面开口的部分，称之为空间面积。这个空间从模子方面来看是悬臂梁。当悬臂梁细而深时，模子破损率就大，甚至很难挤压出来，即使能挤压出来，也是难挤压出合格型材。

第六，直角间的圆角半径。凸出的直角上的过渡半径是很重要的，过小模子上会发生应力集中，而凹形的直角则在模孔入口处易于磨损，因此，应尽量避免尖角。一般6063合金挤压的型材，其最小圆角半径可取R=0.4mm，其他合金应

取0.6mm以上。

第七，型材的断面尺寸公差。断面尺寸公差应根据产品的加工余量、使用条件、型材挤压的难易程度、合金牌号和形状的部位来确定。

（2）结构评审完成后，进行模具设计。设计模具时，需用优质的模具钢材，确保模具使用寿命。模具设计中重点要关注流量的控制，流道设计必须顺畅，由大到小注意压力释放。流道设计时，要选择合理的模孔数量及形状，常用的挤压比是20-60。还需要注意结合机台选用，匹配合适的吨位机台进行挤出生产。

在挤压铝合金制品时，模具要承受长时间的高温高压、急冷急热、反复循环应力的作用，承受偏心载荷和冲击载荷作用，承受高温高压下的摩擦作用等恶劣工作条件，对挤压工模模具材料必须满足一些基本条件：

第一，高的强度和硬度值，模具材料在常温状态下抗拉强度要大于1500MPa;；

第二，高的耐热性。在高温500℃条件下，有抵抗机械负荷的能力，而不过早地产生退火和回火现象。在工作温度下，挤压工具材料的抗拉强度不应低于850MPa；模具材料的抗拉强度不应低于1200MPa。

第三，在常温和高温下具有高的冲击韧性和断裂韧性值，以防止模具在应力条件下或在冲击载荷作用下产生脆断。

第三，高的稳定性。即在高温下有高抗氧化稳定性，不易产生氧化皮。

第四，高的耐磨性。即在长时间的高温高压和润滑不良的情况下，表面有抵抗磨损的能力，特别是在挤压铝合金时，有抵抗金属的“粘结”和磨损模具表面

的能力。

第五，具有良好的淬透性。以确保工具的整个断面有高的均匀的力学性能。

第六，具有急冷急热的适应能力。抗高热应力和防止工具在连续、反复、长时间使用中产生热疲劳裂纹。

第七，高导热性。能迅速地从工具工作表面散发热量，防止被挤压工件和工模本身产生局部过烧或过多地损失其力学强度。

第八，具有一定的抗腐蚀性和良好的可氮化特性。

第九，具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性能。

第十，具有良好的加工性能，如易锻造、机加工、热处理等。

中国常用的挤压工模具材料有3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5MoSi1、4Cr5MoSiV 等。

（3）经过模具评审后，安排模具各部件进行出图，并按照图纸进行模具加工及处理。模具整体的加工过程及流程如下图所示：

对于新模具需要注意如下事项：1）模具氮化前需对工作带进行抛光至粗糙度Ra为0.4-08μm。2）模子氮化前要求清洗干净，不允许有油污装入炉内。3）氮化工艺要合理（以设备特性与模具材料而定），氮化后表面硬度为HV900-1200，氮化层厚度为0.18-0.2mm；应防氮化层过厚、过硬，引起氮化层剥落，每套模子一般氮化3-5次。4）新模试模合格后，最多挤压10个铸锭就应卸机进行氮化，避免将工作带拉出沟槽；两次氮化之间不可过量生产，一般以60-100块锭为宜，过多会将氮化层拉穿。由于氮化层组织尚不稳定，应该在挤压5-10条棒后再次氮化。第二次氮化后，可挤压40-80条棒。第三次氮化后以不超过100-120条棒为宜。氮化前工作带一定要抛光，模具腔内要清理干净，不可残留碱渣或异物颗粒。对于结构复杂型材，模具每次一定要注意每次生产量，及时进行氮化处理。4）使用后的模子抛光后应涂油进仓。

2.铝型材生产流程：