浅谈挤压模具设计中的要点及常见问题

浅谈挤压模具设计中的要点及常见问题
广东坚美铝型材厂有限公司黎启华江素平
摘要：本文通过对挤压型材模具设计的系统分析，找出型材模具设计的规律，合理布置模孔，增加平衡模孔，并结合实际生产，解决金属流动不均匀性和模具强度两大问题，挤压出断面几何尺寸符合用户要求的产品，实践证明，设计的模具结构合理才能获得首检合格、寿命长等，因为只有通过对所设计的模具图经过系统分析，才能确定其性能是否满足设计要求。

另外根据在模具设计中经常遇见的问题总结了二级焊合、二级导流的作用。

1前言
近年来，随着我国大规模的基建投资和工业化进程的快速推进，铝型材全行业的产量和消费量迅猛增长，而我国也一跃成为世界上最大的铝型材生产基地和消费市场。

经过长达近10年的高速增长，我国铝型材行业步入了新的发展阶段，并展现出了诸多新的发展趋势。

而且随着建筑，交通、工业、汽车以及太阳能和LED等产业的迅速发展，对铝合金挤压产品的高精度、高性能要求与日俱增，型材断面形状随之复杂化、多样化，按常规常见形式设计，存在许多不足，所以要得到优质型材，就得在生产、生活中不断地学习、积累、不断地改造和创新，模具设计是重要环节，因此须对挤压型材模具设计的进行系统分析，并通过生产实践逐步解决问题。

2 模具设计的六大要点
2.1 挤压件的尺寸分析
挤压件的尺寸及偏差是由模具、挤压设备和其他有关工艺因素决定的。

其中受模具尺寸变化的影响很大，而影响模具尺寸变化的原因有模具的弹性变形、模具的升温、模具的材料及模具的制造精度和模具磨损等。

2.1.1挤压机吨位的选择
挤压比是以数值表示模具实现挤压的难易，一般来说挤压比在10～150之间是可适用的。

挤压比低于10，产品机械性能低；反之挤压比过高，产品容易出现表面粗糙或角度偏差等缺陷。

实心型材常推荐挤压比在30左右，中空型材在45左右。

2.1.2外形尺寸的确定
模具的外形尺寸是指模具的外圆直径和厚度。

模具的外形尺寸由型材截面的大小、重量和强度来确定。

2.2 模具尺寸的合理计算
计算模孔尺寸时，主要考虑被挤压铝合金的化学成分、产品的形状、公称尺寸及其允许公差、挤压温度以及在此温度下模具材料与被挤压合金的线膨胀系数，产品断面上的几何形状的特点及其在拉伸矫直时的变化，挤压力的大小及模具的弹性变形等因素。

对于壁厚差很大的型材，其难于成形的薄壁部分及边缘尖角区应适当加大尺寸。

对于宽厚比大的扁宽薄壁型材及壁板型材的模孔，桁条部分的尺寸可按一般型材设计，而腹板厚度的尺寸，除考虑公式所列的因素外，尚需考虑模具的弹性变形与塑性变形及整体弯曲，距离挤压筒中心远近等因素。

此外，挤压速度，有无牵引装置等对模孔尺寸也有一定的影响。

2.3 , ]" z M* e; R g9 B+ r333 合理调整金属的流动速度三
所谓合理调整就是在理想状态下，保证制品断面上每一个质点应以相同的速度流出模孔。

尽量采用多孔对称排列，根据型材的形状，各部分壁厚的差异和比周长的不同及距离挤压筒中心的远近，设计不等长的定径带。

一般来说，型材某处的壁厚越薄，比周长越大，形状越复杂，离挤压筒中心越远，则此处的定径带应越短。

当用定径带仍难于控制流速时，对于形状特别复杂，壁厚很薄，离中心很远的部分可采用促流角或导料锥来加速金属流动。

相反，对于那些壁厚大得多的部分或离挤压筒中心很近的地方，就应采用阻碍角进行补充阻碍，以减缓此处的流速。

此外，还可以采用工艺平衡孔，工艺余量或者采用前室模、导流模、改变分流孔的数目、大小、形状和位置来调节金属的流速。

2.4 保证足够的模具强度
由于挤压时模具的工作条件十分恶劣，所以模具强度是模具设计中的一个非常重要的问题。

除了合理布置模孔的位置，选择合适的模具材料，设计合理的模具结构和外形之外，精确地计算挤压力和校核各危险断面的许用强度也是十分重要的。

目前计算挤压力的公式很多，但经过修正的别尔林公式仍有工程价值。

挤压力的上限解法，也有较好的适用价值，用经验系数法计算挤压力比较简便。

至于模具强度的校核，应根据产品的类型、模具结构等分别进行。

一般平面模具只需要校核剪切强度和抗弯强度。

舌型模和平面分流模则需要校核抗剪、抗弯和抗压强度，舌头和针尖部分还需要考虑抗拉强度等。

强度校核时的一个重要的基础问题是选择合适的强度理论公式和比较精确的许用应力。

近年来，对于特别复杂的模具可用有限元法来分析其受力情况与校核强度。

2.5 工作带宽度尺寸
确定分流组合模的工作带要比确定半模工作带复杂得多，不仅要考虑到型材壁厚差，距中心的远近，面且必须考虑到模孔被分流桥遮蔽的情况。

处于分流桥底下的模孔，由于金属
流进困难，工作带必须考虑减薄些。

在确定工作带时，首先要找出在分流桥下型材壁厚最薄处即金属流动阻力最大的地方，此处的最小工作带定为壁厚的两倍，壁厚较厚或金属容易达到的地方，工作带要适当考虑加厚，一般按一定的比例关系，再加上易流动的修正值。

2.6 模孔空刀结构
模孔空刀就是模孔工作带出口端悬臂支承的结构。

型材壁厚t≥2.0mm时，可采用加工容易的直空刀结构；当t<2mm时，或者带有悬臂处可用斜空刀。

3 模具设计中常见问题及实例
3.1 二级焊合室的作用
挤压模具在铝型材挤压生产中起到至关重要的作用，直接影响挤压产品的质量。

然而在实际生产中，挤压模具的设计更多依赖设计师的经验，模具设计质量难以保证,需要多次试模和修模。

根据模具设计的不足，提出在下模开设二级焊合室优化设计方案，弥补模具加工中打供料不到位的缺陷，避免了供料不足引起的开口、收口及出材前后形状不一等缺陷，并有效地解决了设计中速度分布不均的问题。

从而在优化方案中，型材截面上的温度分布和应力分布更加均匀，对了出材有较大改善。

模具设计如图1所示：
3.2 二级导流的作用
在挤压模具设计中，对于壁厚差很大的实心型材，二级导流。

例：初始模具设计由普通的模子和模垫组成，设计如图2所示：第一次上机非常不理想，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、打低工作带仍然不理想。

针对初始模具设计的不足，第二次采用导流板设计，提出在模子开设二级导流优化设计方案，有效地解决了初始模具设计中速度分布不均的问题。

具体通过对薄壁部导流直冲，厚壁部分在出料口宽展30度，并将厚壁部分模孔尺寸稍微加大尺寸，另将模孔尺寸90度角预收口开为91度，定径工作带也适当作了些修改。

设计如图3所示：功夫不负有心人，取得可喜的成绩，2号模第一次上机基本合格！
4 小结
经过不断的学习、积累，不断的查询相关的模具设计资料，经过改造、创新来优化模具设计，并通过生产实践来验证是否成功。

5 致谢
在本次设计中，得到本办公室工程师们的鼎力支持和热忱帮助。

在此，对给予我指导帮助的工程师们表示最衷心的感谢！
参考文献：
[1] 赵云路,刘静安,王纲,唐志玉.铝型材挤压模设计[J].中国机械工程学会，中国模具设计大典编委会。

[2] 南磊层,设计因素对铝型材表面质量的影响[J].2004 第154 期
[3] 我国建筑铝型材行业发展趋势及应用前景.日生意社。