挤压模具结构及设计原则

第三节铝型材挤压模具的结构要素与设计原则

一、模具结构要素的设计

模具的典型结构要素是指挤压模的外形结构和截面形状。下面仅以铝合金挤压中最基本和使用最广泛的平面模和锥形模为例，对其典型结构要素，如模角!、定径带长度!、入口圆角"、出口直径#、外形尺寸进行简要分析。

!"模角模角!是指模具轴线与其工作端面之间所构

成的夹角，见图#$#$%平模的模角!等于&’(，其特点是

在挤压时形成较大的死区，阻止铸锭表面的杂质、缺陷、氧

化皮等流到制品的表面上，可获得良好的制品表面，但在挤

压某些易在死区产生断裂的金属与合金时，会引起制品表

面分层、起皮和小裂纹。采用平模挤压时，消耗的挤压力较

大，模具容易产生变形，使模孔变小或者将模具压塌，特别

是在挤压某些高温、高强的难变形合金时，上述现象更明

显。从减少挤压力，提高模具使用寿命的角度来看，应使用锥形模。根据模角!与挤压力的关系，当!)*+(,-’(时，挤压力出现最小值。但是当!)*+(,+’(时，由于死区变小，铸锭表面的杂质和脏物可能被挤出模孔而恶化制品的表面质量。因此，挤压铝合金用锥形模的模角应大于+’(，一般可取++(,-+(。应该指出，随着挤压条件的改变，合理模角也会发生变化。如在静液挤压时，随着挤压系数的变化，模角可在!+(（小挤压系数）到*’(（大挤压系数）之间波动。静液挤压时，模具的模角比正常挤压时要小的主要原因是工具与金属之间的摩擦力较小。不同工作介质的摩擦应力也不一样，因此，其合理模角也会发生变化。

为了兼顾平面模和锥形模的优点，出现了平锥模和双锥模。双锥模的模角为!! )-’(,-+(，!.)!’(,*+(。但在挤压铝合金时，为了提高挤压速度，最好取!.)!’(, !%(。

此外，还采用流线模、平流线模和碗形模等，这些模具的模角是连续变化的。

挤压铝合金型材大多采用平面模，因其加工比较简单。锥模主要用来挤压铝、镁合金管材。碗形模主要用于润滑挤压和无残料挤压。

."定径带长度!和直径#定径带又称工作带，是模具中垂直模具工作端面并用以保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段。

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设计!的基本原则是，在保证挤压制品不超出图样规定公差的条件下，尽量延长模具的使用寿命。影响制品尺寸的因素很多，如温度、模具材料、被挤压金属材料、制品形状和尺寸、拉伸矫直量以及模具变形情况等，在确定模具定径带直径时，一般应根据具体情况着重考虑其中的一个或几个影响因素。

定径带长度"过短，制品尺寸难于稳定，易产生波纹、椭圆等废品，同时，模具易磨损，会大大降低模具的使用寿命；但"过长，会增大与金属的摩擦，增加挤压力，易粘结金属，使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷。

"应根据挤压机的结构（立式或卧式）、被挤压金属材料、产品的形状和尺寸等因素来确定。在立式挤压机上挤压管材时，一般"!"#$%%；挤压镁合金时，一般"的最小值为&’(#))%%，最大值依产品的尺寸和形状确定。

)’出口自径!*或出门喇叭锥模具出口直径!*过小，则易划伤制品表面，甚至过大，会大大削弱定径带的强度，引起定径带过早地变形、压蹋，会引起堵模。但!

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明显地降低模具使用寿命。因此，在一般情况下，出口带尺寸应比定径带尺寸大)# $%%，对于薄壁管或变外径管材的模具，其值可适当增大。为厂增大模具的强度和延长模具的使用寿命，出口带可做成喇叭锥。出口喇叭锥角（从挤压型材离开定径带开始）可取&+),-#&,+（此值受锥刀角度的限制）。特别是对于壁厚小于"%%而外形十分复杂的型材模具，为了保证模具的强度，必须做成喇叭出口。有时为了便于加工，也可设计成阶梯形的多级喇叭锥。

为了增大定径带的抗剪强度，定径带与出口带之间可以",+#.(+的斜面以圆角半径为&’(#)’,%%的圆弧连接。

.’入口圆角模具的入口圆角#是模具工作端面与定径带形成的端面角。它可防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减少会属在流入定径带时的非接触变形，同时也减少在高温下挤压时模具棱角的压塌变形。但是，圆角增大了接触摩擦面积，可能引起挤压力增高。

#值的选取与金属强度、挤压温度和制品尺寸、模具结构等有关。挤压铝及其合金时，端面入口角应取锐角。但近年来也有些厂家在平面模入口入做成#!,’"# ,’/(%%的入口圆角，在平面分流组合模的入口处做成#!,’(#(%%的圆角。

(’其它结构要素除了上述几个最基本的结构要素之外，铝合金挤压模具设计结构要素还包括：阻碍角，止推角（或促流角），阶段变截面型材模中的“料兜”、过渡区，组合模的凸脊结构、分流孔和焊合腔的形状、结构和尺寸，以及穿孔针的锥度和过渡形式，模具的外廓形状与尺寸等。

二、模具外形尺寸及其标准化

此处主要论述常用棒材模、管材模以及实心截面型材模的外形结构、尺寸及其标准化。

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!"外形结构目前广泛采用以下几种不同外形结构的挤压模。

（!）带倒锥体的锥形模，它与模垫一起安装在模支承内（图#$#$%），广泛用于#"&’()*+卧式挤压机上挤压各种截面形状的型材，其优点是有足够的强度，可节省模具材料。

（(）带凸台圆锥形模具。它与模垫一起

安装在模支承内（图#$#$%,），主要用于挤

压横截面形状不太复杂的型材。虽然制造时

消耗的钢材略有增加，但因在模具、模垫和压

型嘴端面之间建立了可靠的支承，故使用寿

命可大大延长。

（-）带正锥体的锥形模具。它直接安装

在压型嘴内而不需使用模垫（图#$#$%.），

用来挤压横截面上带有凸出部分的形状复杂的型材。为了增大支承面，需要制造专用的异形压型嘴，主要缺点是在压型嘴内装配时，需要专有自锁锥体（约%/的锥度），这会使得模孔的修理和挤压后由压型嘴内取出模具的操作变得复杂化。

（%）带倒锥体的锥形模具。它与中间锥形环一起安装在模支承内（图#$#$%0），主要用于挤压横截面积相当大的简单型材。因为不带模垫，模具直接安放在普通的非异形压型嘴内，大大增加了模具的弯曲和压缩应力，可能导致模具损坏。这种结构的模具应用范围较窄。

（&）带倒锥的圆柱$锥形模具。模具与模垫做成一个整体（图#$#$%1），主要用来挤压截面带有悬臂部分（悬臂的高度比由-2!到32!）的型材。由于悬臂较长，型材截面的外接圆不超过挤压筒直径的)"3倍，在#"&’()*+卧式挤压机上，这种结构的模具与专用的异形压型嘴配套使用。在&)’())*+挤压机上，则与专用异形垫环或专用的异形压嘴配套使用。

（3）按模支承的外形尺寸制造的加强式整体模具（图#$#$%4）。它主要用来挤压带有长悬臂部分的型材。它与专用异形压型嘴或专用垫、环配合使用，因为加工复杂，成本较高，所以这种结构的模具只有在特殊需要的情况下使用。

("外形尺寸的确定原则模具的外形尺寸是指模具的外圆直径!、厚度"和外形锥角。它们主要由模具的强度确定，同时，还应考虑系列化和标准化。具体来说，应根据挤压机的结构形式和能力、挤压筒的直径、型材在模具工作平面上的布置、模孔外接圆的直径、型材截面是否会影响模具和整套工具强度的因素等，来选择模具外形尺寸。推荐用以下公式来确定模具外圆直径：

当挤压简直径小于())55时，!6)"3!

7，!

7

为经过模孔最远点所划的外接圆

直径。为了简化起见，可以直接取!8（)"9’!）!

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在保证模具组件（模具;模垫;垫环）有足够的强度的条件下，模具的厚度"应·

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