【正文】 心和關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)含量在整個(gè)擠壓技術(shù)中占有很大的比例。因此，在鋁擠壓界廣泛流傳的一句口號：產(chǎn)品是生命，設(shè)備是基礎(chǔ)，模具是關(guān)鍵，工藝是保證。因此，擠壓用工模具的發(fā)展實(shí)際上伴隨擠壓技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。當(dāng)時(shí)的模具多用普通工具鋼，采用一般的機(jī)械加工方法制造。不僅出現(xiàn)了像平面分流組合模、寬展模具、保護(hù)模、變斷面模等多種新型結(jié)構(gòu)的模具，成功地研制出多種σb達(dá)1500MPa 以上的高級耐熱高強(qiáng)度工模具材料，而且開發(fā)了多種大型的基本擠壓工具，這些工具便于裝卸，先進(jìn)可靠，但結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，尺寸規(guī)格大，難于設(shè)計(jì)制造。我國模具開發(fā)制造水平與國外相比仍存在很大的差距，比國際先進(jìn)水平至少落后10年，特別是在大型、精密、復(fù)雜、長壽命模具的制造上存在很大困難，這也成為制約我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。表11 國內(nèi)外擠壓模具設(shè)計(jì)制造的發(fā)展水平和主要差距國際先進(jìn)水平國內(nèi)先進(jìn)水平設(shè)計(jì)理論和方法普遍采用動(dòng)態(tài)熱分析與熱模擬及有限元和電子計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，研發(fā)了多種新結(jié)構(gòu)模具及設(shè)計(jì)軟件，建立了巨型數(shù)據(jù)庫與專家?guī)?，正在研發(fā)零試模技術(shù)基本采用傳統(tǒng)方法，開始研究和開發(fā)新理論、新方法，開始重視新結(jié)構(gòu)模具研發(fā)與軟件開發(fā)新結(jié)構(gòu)大型工具廣泛采用高比壓的優(yōu)質(zhì)圓、扁擠壓筒，固定擠壓墊，快速換模裝置及高效反擠壓工具開始研發(fā)扁擠壓工具和固定擠壓墊及快速更換裝置模具材料以 H13 鋼及改進(jìn)型鋼為主，采用電渣重熔、爐外在線精煉，開始研制陶瓷高溫和粉末合金等新型模具材料以H13鋼替代 3Cr2W8V 鋼，H13 鋼的冶金質(zhì)量逐步提高，同時(shí)開始開發(fā)新型模具材料和陶瓷材料模具加工技術(shù)機(jī)加工、電加工和熱加工水平很高，機(jī)床的 NC/CNC 程度達(dá) 95%以上，加工中心基本普及實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化生產(chǎn)推行機(jī)電熱綜合加工方法，傳統(tǒng)的手工加工法仍占相當(dāng)大的比重 ，機(jī)床的 NC/CNC程度為 50%左右，加工中心開始應(yīng)用熱處理技術(shù)普遍推廣預(yù)處理、真空和保護(hù)氣氛熱處理工藝。模具設(shè)計(jì)上的重點(diǎn)是要充分考慮到直接擠壓的特性（材料流速不一致）和工具內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)性，在保證模具強(qiáng)度的同時(shí)，盡量使得最終擠壓成型出口的每個(gè)位置金屬流速保持一致。文章從散熱器擠壓模具的整體設(shè)計(jì)到模具各個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一一作了詳細(xì)論述，同時(shí)還講述了擠壓工藝和擠壓模具材料熱處理工藝。（1）由模子設(shè)計(jì)者確定的因素。（2）由模子制造者確定的因素。（3）由擠壓生產(chǎn)者確定的因素。在設(shè)計(jì)前，擬訂合理的工藝流程和選擇最佳的工藝參數(shù)，綜合分析影響模具效果的各種因素，是合理設(shè)計(jì)擠壓模具的必要和充分條件。這一步是設(shè)計(jì)擠壓模具的先決條件，可由擠壓工藝人員和設(shè)計(jì)人員根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備條件、工藝規(guī)程和大型基本工具的配備情況共同研究決定。單孔的棒材、管材和對稱良好的型材模，均應(yīng)將?？椎睦碚撝匦闹糜谀Ｗ又行纳?，各部分壁厚相差懸殊和對稱性很差的產(chǎn)品，應(yīng)盡量保證模子平面x軸和y軸的上下左右的金屬量大致相等，但也應(yīng)考慮金屬在擠壓筒中流動(dòng)特點(diǎn)，使薄壁部分或難成形處盡可能接近中心，多孔模的布置主要應(yīng)考慮?？椎臄?shù)目、模子強(qiáng)度(孔間距及?？着c模子邊緣的距離等)，制品的表面質(zhì)量、金屬流動(dòng)的均勻性等問題。（3）模孔尺寸的合理計(jì)算計(jì)算?？壮叽鐣r(shí)，主要考慮被擠壓合金的化學(xué)成分，產(chǎn)品的形狀，公稱尺寸及其允許公差，擠壓溫度及在此溫度下模具材料與被擠壓合金的熱膨脹系數(shù)，產(chǎn)品斷面上的幾何形狀的特點(diǎn)及其在擠壓和拉伸矯直時(shí)的變化，擠壓力的大小及模具的彈性變形情況等因素。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(qū)應(yīng)適當(dāng)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，折條部分的尺寸可按一般型材設(shè)計(jì)，而腹板厚度的尺寸，除考慮以上公式所列的因素外，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(yuǎn)近等因素。 (4)合理調(diào)整金屬的流動(dòng)速度所謂合理調(diào)整金屬的流動(dòng)速度就是在理想狀態(tài)下，保證制品斷面上的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)應(yīng)以相同的速度流出?？?。一般來說，型材某處的壁厚越薄，比周長越大，形狀越復(fù)雜，離擠壓筒中心越遠(yuǎn)，則此處的定徑帶應(yīng)越短，當(dāng)用定徑帶仍難于控制流速時(shí)，對于形狀特別復(fù)雜，壁厚很薄，離中心很遠(yuǎn)的部分可采用促流角或采用導(dǎo)料錐來加速金屬的流動(dòng)。此處，還可以采用工藝平衡孔，工藝余量或者采用前室模、導(dǎo)流模，改變分流孔的數(shù)目、大小、形狀和位置來調(diào)節(jié)金屬的流速。除了合理布置?？椎奈恢?，選擇合適的模具材料，設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)和外形之外，精確地計(jì)算擠壓力和校核各危險(xiǎn)斷面的許用強(qiáng)度也是十分重要的。模具的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算完畢以后，要對模具的加工質(zhì)量、使用條件提出基本要求，這些要求主要是:（1）有適中而均勻的硬度，模具經(jīng)淬火、回火處理后，其硬度值為 HRC40～52(根據(jù)模具的尺寸而定，尺寸越大，要求的硬度越低)。（3）有足夠高的表面粗糙度，配合表面應(yīng)達(dá)Ra=～，工作帶表面達(dá)Ra=～，表面應(yīng)進(jìn)行氮化處理、磷化處理或其它表面強(qiáng)化處理，如多元素共滲處理及化學(xué)熱處理等。（5）模具無內(nèi)部缺陷和表面缺陷，一般應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷和表面質(zhì)量檢查后才使用。模角α是擠壓模設(shè)計(jì)中的一個(gè)最基本的參數(shù)，它是指模子的軸線與模面之間所構(gòu)成的夾角。平模的模角α等于90176。采用平模擠壓時(shí)，消耗的擠壓力較大，模具容易產(chǎn)生變形，使?？鬃冃』蛘邔⒛＞邏簤模貏e是擠壓某些高溫高強(qiáng)的難變形合金時(shí)，上述現(xiàn)象更為明顯。根據(jù)模角α與擠壓力的關(guān)系，當(dāng)α=45176。時(shí)，擠壓力出現(xiàn)最小值。～50176。因此，擠壓鋁合金用錐形模的模角應(yīng)大于50176?！?5176。為了兼顧平面模和錐形模的優(yōu)點(diǎn)，出現(xiàn)了平錐模和雙錐模?！?5176?！?5176?！?3176。定徑帶又稱工作帶，是模子中垂直模子工作端面并用以保證擠壓制品的形狀、尺寸和表面質(zhì)量的區(qū)段。影響制品尺寸的因素很多，如溫度、模具材料和被擠壓金屬的材料，制品的形狀和尺寸，拉伸矯直量以及模具變形情況等，在設(shè)計(jì)模具定徑帶直徑時(shí)，通常用一裕量系數(shù)C1來考慮各種因素對制品尺寸的影響。定徑帶長h定度過短，制品尺寸難于穩(wěn)定，易產(chǎn)生波紋、橢圓度、壓痕壓傷等廢品，同時(shí)，模子易磨損，會(huì)大大降低模具的使用壽命。模子的出口部分是保證制品能順利通過模子并保證高表面質(zhì)量的重要參數(shù)。因此，在一般情況下，出口帶尺寸應(yīng)比定徑帶尺寸大3～6mm，對于薄壁管或變外徑管材的模子此值可適當(dāng)增大。出口喇叭角（從擠壓型材離開定徑帶開始）可取1176。（此值受錐形端銑刀角度的限制）。有時(shí)為了便于加工，也可設(shè)計(jì)成階梯形的多級喇叭錐?！?5176。模子的入口圓角是指被擠壓金屬進(jìn)入定徑帶的部分，即模子工作端面與定徑帶形成的端面角。但是，圓角增大了接觸摩擦面積，事能引起擠壓力增高。擠壓鋁及其合金時(shí)，端面入口角應(yīng)取銳角，但近來也有些廠家，在平面模入口處做成r入=～；在平面分流組合模的入口做成r入=～5mm的圓角。使用分流模擠壓的型材斷面形狀至少含有一個(gè)比閉合的框，而平模卻沒有。半分流模的導(dǎo)流模采用分流孔，模墊則采用平模模墊[4]。舌型比是指在懸臂梁部分的懸臂梁的長度L1與懸臂梁的寬度L2之比，A是指懸臂梁的面積，在模具強(qiáng)度計(jì)算和校核中主要對這部分進(jìn)行計(jì)算。平面分流組合模是在橋式舌型模的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，實(shí)質(zhì)是橋式舌型模的一個(gè)變種，即把突橋改成為平面橋，所以又稱為刀式舌型模。平面分流組合模的主要優(yōu)點(diǎn)是:（1）可以擠壓雙孔或多孔的內(nèi)腔十分復(fù)雜的空心型材或管材，也可以同時(shí)生產(chǎn)幾根空心制品，所以生產(chǎn)效率高，這一特點(diǎn)是橋式舌型模很難實(shí)現(xiàn)的。（3）模具易于組合，互換性高，成本較低。擠壓周期短，同時(shí)殘料短，成品率高。（6）可以改變分流孔的數(shù)目、大小和形狀，使斷面形狀比較復(fù)雜、壁厚差較大，難以用工作帶、阻礙角和促流角等調(diào)節(jié)流速的空心型材很好成形。但是，平面分流組合模也有一定的缺點(diǎn)：（1）制品表面焊縫較多，可能會(huì)影響制品的組織和力學(xué)性能，不適宜內(nèi)部受壓的軍工用部件。（3）與平面模和橋式舌型模相比，變形阻力較大，所以擠壓力一般比平面模高30%～40%，比橋式舌型模高15%～20%。為了用平面分流組合模擠壓強(qiáng)度較高的鋁合金，可在陽模上加一個(gè)保護(hù)模，以減少模橋的承壓力。分流組合模是由陽模（上模）、陰模（下模）、定位銷、連接螺釘四部分組成，如圖2—1所示。在陽模上有分流孔、分流橋和模芯。分流孔是入口小、出口大的喇叭形，以減少金屬流動(dòng)阻力。模芯用來成形型材內(nèi)腔。焊合室是把分流孔流出來的金屬匯集在一起重新焊合起來形成以模芯為中心的整體坯料，由于金屬不斷聚集，靜壓力不斷增大，直至擠出?？住？盏兜男问讲煌?，可直接影響到模具工作帶的強(qiáng)度。此外，按分流橋的結(jié)構(gòu)不同，平面分流組合模又可分為固定式和可拆式的兩種。圖2—1分流組合模結(jié)構(gòu)1—陽模；2—定位銷；3—陰模模具的外形尺寸是指模子的外接圓直徑D模和H模以及外形錐角。具體來說，應(yīng)根據(jù)擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)形式擠壓力、擠壓筒的直徑、型材在模子工作平面上的布置、?？淄饨訄A的直徑、型材斷面上是否有影響模具和整套工具強(qiáng)度的因素等來選擇模具外形尺寸。模具的H模取決于制品的形狀、尺寸和擠壓力，擠壓筒的直徑以及模具和模架的結(jié)構(gòu)等。一般情況下，對于中小型擠壓機(jī)H摸可取25～80mm，對于80MN以上的大型擠壓機(jī)，H?？扇?0～150mm。以便于裝卸，錐度不能太小，但錐度過大澤模架靠緊擠壓筒時(shí)，模子容易從模支承中掉出來，因此一般取1176。帶倒錐體模子在操作時(shí)，逆著擠壓方向裝到模支承中，器外圓錐度為3176。一般情況下可取6176。為了便于加工，在椎體的尾部一般加工出10mm左右的止口部分。擠壓模對擠壓制品的質(zhì)量、產(chǎn)量及成品率等有重要意義。這對于擠壓形狀較復(fù)雜的鋁合金散熱器來說尤為重要。由于擠壓加工突出的優(yōu)點(diǎn)，這使其成為生產(chǎn)鋁合金型材主要加工方式。 太陽花散熱器是一款常用的電腦散熱器，如圖3—1所示。如此壁厚相差懸殊，齒距小，懸臂大的散熱器，如果模具設(shè)計(jì)不合理，截面上各部分的金屬在擠出模孔時(shí)就越容易以不同的速度流出，從而造成型材的扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷而報(bào)廢，模具也極容易損壞。根據(jù)對此散熱器的分析，得知生產(chǎn)該散熱器所選用擠壓機(jī)噸位應(yīng)不宜太大、擠壓筒比壓應(yīng)適中，否則工作帶的懸臂容易，壓塌模具極容易破損。擠壓筒內(nèi)徑為180mm。根據(jù)金屬在擠壓筒中的流動(dòng)規(guī)律可知，金屬在心部的流動(dòng)速度比旁邊的流動(dòng)速度大，在厚壁處的流動(dòng)速度比薄壁處的流動(dòng)速度大[5][6]。只通過改變工作帶的長度來調(diào)節(jié)擠壓時(shí)金屬的流速是不夠的，極易在齒片的根部產(chǎn)生拉應(yīng)力，使工作帶產(chǎn)生彎曲變形。根據(jù)上述分析結(jié)果，將模具設(shè)計(jì)成分流組合模結(jié)構(gòu)[7]。擴(kuò)大靠近擠壓筒邊緣的分流面積，使之呈扇形按一定的范圍向中心縮小過渡，以適應(yīng)中心部分金屬重新焊合速度的需要。（2）上模的中心部位對下?？讘冶鄄糠值恼谏w，能夠減少金屬流出?？字皩δ？椎臎_擊力及在模端面上形成的拉應(yīng)力，從而改善了模具懸臂部分的受力條件，懸臂根部危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力減小，提高了模具的強(qiáng)度。分流孔的形狀有很多種，主要有圓形、腰子形、扇形及異形等。通常情況下，方管、矩形或斷面復(fù)雜的型材取扇形或異形孔；管材和斷面形狀簡單的型材取圓形或腰子形；而扁、寬型材或空心壁板多取矩形或弧形分流孔。一般來說分流孔的數(shù)量越多，金屬的流速越均勻，但同時(shí)也會(huì)增大擠壓力，增加焊合線的數(shù)量[9]。分流孔在模子平面上的合理布置，對于平衡金屬流速，減少擠壓力，促進(jìn)金屬的流焊合，提高模具壽命等都有一定的影響。為了保證金屬的合理流動(dòng)及模具強(qiáng)度和產(chǎn)品質(zhì)量，分流孔不能布置的過于靠近擠壓筒或模具的邊緣，但是為了保證金屬的合理流動(dòng)及模具的壽命，分流孔也不宜布置的過于靠近擠壓筒附近。角均勻分布，如圖3—2所示。圖 3—2 太陽花散熱器模具分流孔尺寸及布置圖（2）分流比分流比是指各分流孔的斷面積（ΣF分）與擠出制品斷面積（ΣF型）之比，一般用 K 表示:K=ΣF分/ΣF型 （）分流比的大小直接影響金屬流動(dòng)阻力的大小、制品的成型和焊合質(zhì)量。在一般情況下，對于生產(chǎn)空心型材，取K=10～30；對于管材，取K=5～15.散熱器橫斷面積：F型=單個(gè)分流孔面積：F分=分流孔總面積：ΣF分=4=擠壓模分流比：K=ΣF分/F型=（3）分流橋分流橋的結(jié)構(gòu)和尺寸對金屬的流動(dòng)速度、焊合質(zhì)量、擠壓力大小和模子強(qiáng)度等都有明顯的影響。分流橋的高度太大(即上模厚度)則金屬通過分流道時(shí)間過長，磨擦阻力增加，擠壓力明顯增大。分流橋?qū)挾菳的確定，從加大分流比，降低擠壓力方面來考慮，B應(yīng)小些；但從改善金屬流動(dòng)的均勻性來考慮，B應(yīng)大些；?？滓鼙环至鳂蛘诒巍＃?）分流橋的形狀分流橋的截面形狀主要有矩形，矩形倒角的和水滴形的三種。矩形倒角截面和水滴形（或近似水滴形）截面的分流橋有利于金屬的流動(dòng)與焊合，而且便于模具加工，因此，在強(qiáng)度允許的條件下，應(yīng)盡量采用這兩種截面的分流橋。圖 3—3 太陽花散熱器模具分流橋的尺寸及截面形狀圖（5）分流橋高度的確定保證模具強(qiáng)度條件下越小越好，以降低擠壓力和節(jié)約模具鋼材，一般在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算確定：應(yīng)該按照兩端固定的均布載荷梁校核其彎曲強(qiáng)度。（6）模芯這款太陽花散熱片是實(shí)心型材，所以分流橋下的模芯不起成型作用。只通過增加工作帶的長度不足以阻礙金屬的流速，所以在這里設(shè)計(jì)一個(gè)假模芯用來調(diào)節(jié)金屬的流速。左右的角度。為使金屬能在此處很好的焊合，模芯與下模模面之間相距 15mm。只有當(dāng)焊合室橫斷面面積與制品斷面積之比較大時(shí)，才能保證建立起足夠大的靜壓力使焊縫牢固[14]。常用的焊合室截面形狀有圓形和蝶形兩種，當(dāng)采用圓形焊合室時(shí)，在兩分流孔之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)十分明顯的死區(qū)，這不但會(huì)增大擠壓阻力，而且會(huì)影響焊縫質(zhì)量。為了消除焊合室邊緣與模孔平面之間的接合處的死區(qū)，可采用大圓角(R=5～20mm)，或?qū)⒑负鲜业娜肟谔幾龀?～15176。因此，應(yīng)盡量采用這種蝶形截面的焊合室。為了獲得高強(qiáng)度的焊縫，在焊合室中必須建立一個(gè)超過擠壓金屬屈服強(qiáng)度 10～20 倍高的靜水壓力[15][14]。 圖 3—5太陽花散熱器模具焊合室形狀及尺寸通常焊合室斷面積如果太小，則擠壓力增加，擠壓成形穩(wěn)定性也差。焊合室太淺，焊合力不足易導(dǎo)致焊合不良，同時(shí)也會(huì)限制擠壓速度的提高；