【正文】 ................................. 62 1 第一章 緒論 引言 擠壓工模具設(shè)計與制造是鋁合金擠壓材，特別是鋁合金型材生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和交貨周期，而且也是決定產(chǎn)品成本的重要因素之一。 2021 年，我國鋁合金擠壓材產(chǎn)銷量超過 660萬 t，工模具消耗達 80 萬套以上，價值高達 20億元以上，占擠壓加工成本的 25%～ 30%，大大制約了我國鋁合金擠壓工業(yè)的發(fā)展。因此，不斷提高擠壓工模具的質(zhì)量和使用壽命不僅是企業(yè)的強烈愿望，也是我國從事擠壓工作技術(shù)人員的責任 [1]。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各類產(chǎn)品零件廣泛采用沖壓、鍛壓成形、壓鑄成形、擠壓成形、塑料注射或其它成形加工方法，與成形模具相配套，使坯料成形加工成符合產(chǎn)品要求的零件。模具的質(zhì)量和先進程度，直接 影響產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、成本，影響新產(chǎn)品投產(chǎn)周期、企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整速度與市場競爭力。目前，模具生產(chǎn)的工藝水平及科技含量的高低，己成為衡量一個國家科技與產(chǎn)品制造水平的重要標志之一，決定著一個國家制造業(yè)的國際競爭力。按照一般公認的標準，模具產(chǎn)值與其帶動實現(xiàn)的工業(yè)產(chǎn)值之比為3:100。如今，模具因其生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、材料消耗低、生產(chǎn)成本低，而在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并且直接為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)，特別是在制造業(yè)中，它起著其它行業(yè)無可取替代的支撐作用，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著輻射性的影響。模具使用壽命是評價某一擠壓方法或擠壓工藝經(jīng)濟可行的決定因素之一，工模具的設(shè)計與制造質(zhì)量是實現(xiàn)擠壓生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效低成本的重要保證之一。 （ 2）模具是保證產(chǎn)品成形，具有正確形狀、尺寸和精度的基本工具。同時，合理的模具和工具（包括模墊、支承環(huán)和導(dǎo)路等）設(shè)計能保證產(chǎn)品具有最小的翹曲和扭曲，最小的縱向彎曲和橫向波浪度。 （ 4）合理的工模具結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產(chǎn)品的力學(xué)性能和內(nèi)部組織，特別是在控制空心制品 的焊縫組織和力學(xué)性能方面，分流孔的大小、數(shù)量和形狀及分布位置，焊合腔的形狀和尺寸，模芯的結(jié)構(gòu)等起著決定性的作用。 （ 5）工模具的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸對金屬的流變、擠壓溫度 速度場、應(yīng)力應(yīng)變場等有很大的影響，從而對提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和減少能耗有重大作用。 （ 7）新型的模具結(jié)構(gòu)，對于開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝，研制新 材料和新設(shè)備，不斷提高擠壓技術(shù)起著很大的作用。 （ 8）高比壓優(yōu)質(zhì)圓擠壓筒和扁擠壓筒及特種型材模和異形管材模的設(shè)計與制造技術(shù)是鋁合金擠壓生產(chǎn)的核心和關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)含量在整個擠壓 3 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)展實際上伴隨擠壓技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。當時的模具多用普通工具鋼，采用一般的機械加工方法制造。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 1500MPa 以上的高級耐熱高強度工模具材料，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，先進可靠，但結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，尺寸規(guī)格大，難于設(shè)計制造。 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。 4 表 11 國內(nèi)外擠壓模具設(shè)計制造的發(fā)展水平和主要差距 國際先進水平 國內(nèi)先進水平 設(shè)計理論和方法 普遍采用動態(tài)熱分析與熱模擬及有限元和電子計算機分析技術(shù)，研發(fā)了多種新結(jié)構(gòu)模具及設(shè)計軟件，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，同時開始開發(fā)新型模具材料和陶瓷材料 模具加工技術(shù) 機加工、電加工和熱加工水平很高，機床的 NC/CNC 程度達 95%以上，加工中心基本普及實現(xiàn)全線自動化生產(chǎn) 推行機 電 熱綜合加工方法，傳統(tǒng)的手工加工法仍占相當大的比重 ，機床的 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、真空和保護氣氛熱處理工藝。模具設(shè)計上的重點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)雜流動性，在保證模具強度的同時，盡量使得最終擠壓成型出口的每個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)計到模具各個結(jié)構(gòu)的設(shè)計一一作了詳細論述，同時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)計擠壓模具的必要和充分條 件。這一步是設(shè)計擠壓模具的先決條件，可由擠壓工藝人員和設(shè)計人員根據(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又行纳希鞑糠直诤裣嗖顟沂夂蛯ΨQ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特點，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、金屬流動的均勻性等問題。 （ 3）?？壮叽绲暮侠碛嬎? 計算?？壮叽鐣r，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及其在擠壓和拉伸矯直時的變化，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)適當加大尺寸，對于寬厚比大的扁寬薄壁型材及壁板型材的?？?，折條部分的尺寸可按一般型材設(shè)計，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，距離擠壓筒中心遠近等因素。 (4)合理調(diào)整金屬的流動速度 所謂合理調(diào)整金屬的流動速度就是在理想狀態(tài)下，保證制品斷面上的每一個質(zhì)點應(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，則此處的定徑帶應(yīng)越短，當用定徑帶仍難于控制流速時，對于形狀特別復(fù)雜，壁厚很薄，離中心很遠的部分可采用促流角或采用導(dǎo)料錐來加速金屬的流動。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)計合理的模具結(jié)構(gòu)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。 9 模具設(shè)計的技術(shù)條件及基本要求 模具的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸設(shè)計計算完畢以后，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 Ra=～ m，工作帶表面達 Ra=～ m，表面應(yīng)進行氮化處理、磷化處理或其它表面強化處理，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)進行超聲波探傷和表面質(zhì)量檢查后才使用。 擠壓模典型結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計 模角 模角α是擠壓模設(shè)計中的一個最基本的參數(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，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的難變形合金時，上述現(xiàn)象更為明顯。根據(jù)模角α與擠壓力的 10 關(guān)系，當α =45176。時，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?！?65176。 為了兼顧平面模和錐形模的優(yōu)點，出現(xiàn)了平錐模和雙錐模?！?65176?！?45176?！?13176。 定徑帶長度和直徑 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)計模具定徑帶直徑時，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，模子易磨損，會大大降低模具的使用壽命。 出口直徑或出口喇叭錐 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增大。出口喇叭 11 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）。有時為了便于加工，也可設(shè)計成階梯形的多級喇叭錐。～ 45176。 入口圓角 模子的入口圓角是指被擠壓金 屬進入定徑帶的部分，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，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 =～ 的入口圓角；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，在模具強度計算和校核中主要對這部分進行計算。平面分流組合模是在橋式舌型模的基礎(chǔ)發(fā)展起來的，實質(zhì)是橋式舌型模的一個變種，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，也可以同時生產(chǎn)幾根空心制品，所以生產(chǎn)效率高，這一特點是橋式舌型模很難實現(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 13 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： （ 1）制品 表面焊縫較多，可能會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度較高的鋁合金，可在陽模上加一個保護模，以減少模橋的承壓力。 分流組合模的結(jié)構(gòu) 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，直至擠出模孔?？盏兜男问讲煌?，可直接影響到模具工作帶的強度。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。 14 圖 2— 1分流組合模結(jié)構(gòu) 1— 陽模； 2— 定位銷； 3— 陰模 模 具外形尺寸的確定原則 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度的因素等來選擇模具外形尺寸。 15 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 H 摸可取 25～ 80mm，對于 80MN 以上的大型擠壓機， H ?？扇?80～ 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，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，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，這使其成為生產(chǎn)鋁合金型材主要加工方式。 太陽花散熱器的模具設(shè)計 太陽花散熱器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析 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)計不合理，截面上各部分的金屬在擠出?？讜r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