铝合金型材挤压模具设计与维修

铝合金型材挤压模具设计与维修第1页/共83页模具設計首要重點在〝流量控制〞。如何掌握鋁錠經高溫成固融狀態，再受高壓下的流動情形，就是設計者的功力所在。流量控制可藉由以下三項作調整變化：模罩Plate─初步的進料導流分配培林Bearing─控制鋁料擠出成形的關鍵修模Modify─調整快慢/偏轉的最後機會流量控制要素第2页/共83页出料平模介紹平模(實心模)由以下三種功能結構：模罩

(Plate)─承接擠錠配合料型作流量控制。2)模面

(Die)─由培林控制實際成型所在。3)墊模

(Backer)─節省Die

鋼料用量及加強模面的支撐強度。逃孔培林第3页/共83页PLBADie定位銷與模套固定Pin實心模圖示-有模套第4页/共83页模罩─控制進料流量第一關，模罩設計的優劣，決定能否順利擠出的先決條件，影響度30%流量控制要素-模罩

控制進料流量的模罩模罩的設計首重流量分配第5页/共83页流量控制要素-培林培林─取段設計控制鋁料能均勻平穩地擠出，也是模具設計的主要關鍵，影響度40%取段用碳極控制出料快慢的培林第6页/共83页修模─試模後依據料頭的快慢/偏轉程度，進行修改模罩/培林作最佳化細部微調，影響度30%。流量控制要素-修模

#5510試模料頭各種修模用銼刀第7页/共83页修正方法及原理介紹

A.促流(relievingbearing)

B.阻流(chocking)鋁流向鋁流向

最常見的修模方法如下:第8页/共83页修正方法及原理介紹-1

在圖的A和B中顯示如何去修正ㄇ形擠型在A中所看到的,我們所討論ㄇ形擠型是因為它的邊腳的速度較上端的快很多而擠出來的,為了要改正這種流速的不平衡,我們必須以圖B中所示用放快的方法來使流速慢的塑型面修短而使流速加快在通道邊腳的快流AB擠型模邊腳移動太快造成波浪塑型面Diebearing慢流塑型面修短而使流速加快第9页/共83页修正方法及原理介紹-2如果腳(legs)上金屬流速不對,不論是進去或出來,修模者將依他所想要那個腳(legs)所要運動的方向安排阻塞(choke)和釋放(relief)的位置.見圖A.B.

C.D.AB擠型腳向內CD擠型腳向外現象:對策:修為腳向內縮修為腳向外開第10页/共83页逃孔距离：放电电极未对准时造成逃孔距离不足，将导致型材出料后摩擦到逃孔壁，甚至造成拖料/塞模。需以滚刀加大逃孔距离。修模技巧1—逃孔距离第11页/共83页引流：当局部出现供料不足时使用，常见使用在螺丝孔/双空心中柱等部位。注意螺丝孔的工作带需抛光洁净，不是一味挖大引流。修模技巧2—引流第12页/共83页模具抛光过程是考究钳工平准能力，避免抛成导角修模技巧3—平工作带第13页/共83页阻流：局部减缓出料，或配合促流用在解决平面凹/凸形及开脚问题时用之。修模技巧4—阻流修成阻流后的工作带第14页/共83页促流：局部加快出料，或配合阻流用在解决平面凹/凸形及开脚问题时用之。修模技巧5—促流修成促流后的工作带第15页/共83页焊补档块：局部/大部位出现过度供料时使用，常见使用在解决大面波浪部位,或整面焊贴可解决凹/凸形问题。修模技巧6—焊补档块第16页/共83页扩大供料：大部位出现供料不足时使用,常见用在导流模扩孔用之。修模技巧7—扩大供料第17页/共83页点焊：局部出现过度供料时使用，常见使用在解决端部波浪

或开脚问题时用之。修模技巧8—点焊第18页/共83页存料坑:局部出现供料不足时使用，常见使用在端点部位用之。修模技巧9—存料坑第19页/共83页有切除未切除修模技巧10—切工作带切工作带：局部出现供料不足时使用，常见使用在端点部位用之。第20页/共83页返修加工：如需线割/电火花等精准加工,或大加工量时，可送回模具制造厂返修。修模技巧11—返修加工1第21页/共83页修模技巧11—返修加工2焊补螺孔局部放大放电加工后第22页/共83页修模技巧12—存料室打光面解决多孔料长短(5：4以内),或开脚问题第23页/共83页模具設計者固然要分配好流量控制，但應進一步了解各項影響模具性能表現的因素，以達到設計與實際擠出相符合的理想。影響擠型模性能表現的因素，可分以下4大項來說明：

設計者可控制的因素─模孔數目∕位置∕培林長度∕鋼種選用……

制造者可控制的因素─加工尺寸精度∕培林面光潔度∕鋼料硬度及韌性……

擠壓者可控制的因素─作業溫度∕錠長/擠壓速度∕拉直伸長量……

其它因素─鋁錠品質∕人員熟練度∕模具的維護保養……影響擠型模的因素第24页/共83页設計者可控制的因素-1模具設計雖有各種組合變化，但交互運用的基本方法仍有共通性，以下作逐一介紹：模孔數目

1-1)擠壓比=(理想值：20~60)

盛錠筒截面積出料擠型截面積1-2)擠型越小∕薄會造成擠壓比越高，模具所承受的相對壓力也就越大，容易造成金屬疲勞及擠速偏低情形。1-3)當擠壓比>90，可設計成多孔式出料來降低壓力，並提高倍數的產能。第25页/共83页2)進料孔形狀模罩控制進料的流量分配，因此形狀的設計應配合料型作出加大∕緊縮∕偏移等變化。NG─容易造成流量集中到料厚的底部快速出料；細薄的葉片供料不足無法出料，最後因不能同時擠出而導致塞模。嚴重時鋼料扭曲變形或斷裂。OK─底部及中間減少供料，兩端加大供料空間，可以調整流量往兩邊分佈，以取得整體均勻擠出的效果。設計者可控制的因素-2第26页/共83页3)擺放位置

模具擠壓的受力會由中心往外遞減，因此設計一開始就要考量擺放位置，使得供料流往細薄處，以取得均勻擠出。100%80%60%NG─料厚處太近中心造成立即擠出；料薄處供料不足易導致塞模。OK─料薄處先受力供料，易取得與料厚處同時出料的均衡。設計者可控制的因素-3第27页/共83页4)朝向方位

料型的朝向主要在考量擠出成形後，是否會磨損客戶需要的重要面而作轉向調整。4-1)底平面通常是接觸熱源的重要面，改為葉片朝下，可防止底面磨損∕碰傷。4-2)L型可順轉45°，靠兩支點來避免平面磨損∕碰傷。設計者可控制的因素-4第28页/共83页5)收縮裕度尺寸精度需考量型材熱擠出到冷卻後的縮水量，通常Al-6063

取1%為基本縮水量。6)培林長度

6-1)培林越長壓力越大，擠出就越慢且鋁料表面度越粗糙而暗；優點是尺寸穩定度越佳，且模具設計不良時，可以經由修模來達到補正效果。

6-2)培林越短壓力越輕，擠出也越快且鋁料表面度越細緻而有金屬光澤；缺點是尺寸穩定度變差，易受擠壓溫度及壓力而改變，且模具設計不良時，無修正培林的裕度。7)鋼種選用擠型模的鋼材要求高溫強度、耐熱疲勞、高軔性等特性。設計者可控制的因素-5第29页/共83页制造者可控制的因素-1模具設計完成便藉由車∕鑽∕銑∕磨∕EDM等加工步驟，制造出實際模具。以下介紹制造加工的影響：模具加工尺寸精度

1-1)中心線的變異一個模具往往因變換加工方式，在各種加工機間拿上拿下，每換一種加工機就要重新校定中心線，而產生精度變異

1-2)手動加工機∕生手熟練度也都影響尺寸精度的誤差。

1-3)CNC自動綜合加工機可有效實現設計者的流量控制。第30页/共83页2)模具表面的平行度∕垂直度

2-1)

模具在各加工過程中產生的內應力，會經由熱處理釋放出來，而造成表面平行度變異。

2-2)線切割必需待熱處理後才進行加工，以避免因熱處理的平行度變異，而造成尺寸變異。

2-3)熱處理後應以磨床將模具上下表面加以磨平後，再進行

EDM加工，以增進培林尺寸精度。3)模具鋼料硬度及韌性

3-1)模具加工完成後，需經過熱處理過程，將鋼料硬度提升由HRC35到50±2度。

3-2)熱處理後在韌性方面也得到改善，強化了耐熱疲勞，及高溫強度。制造者可控制的因素-2第31页/共83页4)培林的表面光潔度

4-1)

正式上線試模前，必須將所有培林面加以砂光磨亮，以去除因各種加工液造成的氧化銹斑。

4-2)越光滑的培林面越能減輕擠壓磨擦力，越能快速擠出而提升產能，同時對模具的使用壽命也越長。培林銹斑光滑培林制造者可控制的因素-3第32页/共83页擠壓者可控制的因素-P1/3工作溫度

1-16000系鋁合金的熔點為660˚C左右，而在560˚C時便會出現軟化現象，此時黏性大增不利擠出成形。

1-2模具溫度：420˚C〜500˚C1-3擠錠溫度：450˚C〜510˚C1-4盛錠筒溫度：350˚C〜400˚C1-5空心模⁄實心模的溫度，分別控制在前述的上⁄下限值。2)擠壓速度

2-1追求高效產能前要先清楚其模具強度所能承受的速度。

2-2一般工業用料：15〜25M/min2-3高倍數散熱片：1〜3M/min2-4太陽花散熱片：2〜4M/min第33页/共83页擠壓者可控制的因素-P2/33)擠制條件的一致性

3-1在試模OK後，應詳細記錄擠制條件作為日後生產設定。

3-2一致性的生產條件，有利於問題分析及設計修改依據。4)牽引機之牽引力量

4-1

牽引機之拉力需配合擠壓機的擠出推力，以確保擠出尺寸與模具尺寸的一致性。

4-2牽引機之拉力過大，會造成尺寸因拉長而變小。

4-3擠壓機的推力過大，會造成尺寸因過實而增大。5)拉直伸長量

5-1料型呈凸形時，只要拉到抖直即可。

5-2料型呈凹形時，須在鋁料抖直後再多拉5〜10cm，應視實際尺寸判斷拉直量。第34页/共83页擠壓者可控制的因素-P3/36)錠長設定

6-1擠錠長度的設定應配合擠出長度的需求，以避免切除多餘長度的浪費，範圍在350mm〜800mm。

6-2工業擠型鋁料每支擠出總長度一般可達30〜40M/支。

6-3太陽花系列鋁料因考量拉直變形量，每支擠出總長度一般只能達3.5〜4.0M/支。7)錠尾殘料尺寸控制

7-1通常設定為1〞，以節省過多浪費。

7-2為了確保氧化鋁不會擠入模具，而造成鋁料表面粗糙，此時才會增加錠尾為1.5〞〜2〞。

7-3上述如進料孔設計到最大外接圓，或客戶特別要求表面精細度時會增加錠尾。第35页/共83页引起裙形的外洩

與模面接觸的盛錠筒若封閉的不適當,將會使得擠錠倒擠,或者是模子與盛錠筒之間及其周圍產生裙狀外洩(俗稱:開花)引起裙形的外洩(Causeofflare)裂縫擠型擠型墊模模子擠錠盛錠筒盛錠筒襯墊擠桿壓塊裙狀物第36页/共83页其它因素-P1/21)模具的維護及保養

為達到模具最大的使用壽命，提供最高的生產效率，模具在入庫前應先清除殘鋁，將培林面磨光滑後塗上防銹油，確保下次生產時的使用狀況。2)理想的料頭外觀

2-1下方應比上方微快出料。

2-2料厚處應先出料以帶出料薄處。

2-3若料薄處先出料，將會因帶不動料厚處而導致塞模。

2-4扁寬料型兩邊易發生進料不足現象，料頭反要中間稍慢。第37页/共83页3)鋁錠品質

鋁擠棒須經過均質處理，使鋁棒中合金均勻分佈、結晶顆粒細緻、消除澆鑄熱應力，有利擠出成型及產能提升。4)人員熟練度及經驗判斷

4-1儘管上述已提出各種量化參數，人員的熟練度及經驗判斷，對於鋁擠型這項生產工藝，仍是具有相當重要的影響因素。

4-2例證1：一位經驗豐富的擠壓機維修師傅，可以從設備運轉的聲音，判斷出某個零件出問題，或即將損壞而預先調整∕訂零件，將維修停機時間減至最少。

4-3例證2：同一個擠型不會有唯一的設計方法，也不會有哪家擠型廠永遠是最快試模成功，或100%開模成功的保證。其它因素-P2/2第38页/共83页取段設計要領培林取段設計─控制尺寸及形狀。模面(Die)為實際承受擠壓力及培林所在，在整套模中應選用最好的鋼料。取段原則有下列主要5點：由培林最短處開始設計，一般在最薄料的端點處最小厚度(0.5mm)≦培林≦最大厚度*3(25mm↓)2)由外向中心設計最外圍因壓力最小通常進料不足，因此要先考慮外圍的取段3)配合模罩的流量控制

培林長短控制出料快慢，並與供料流量息息相關4)中間的取段最後決定

中間壓力最大容易滿足供料，因此留在最後決定5)每隔10mm〜15mm向內增加段差1mm

此為內外圈壓力差與培林的關係曲線第39页/共83页實心模設計範例1下圖為一基礎設計範例，首先探討模罩─進料流量控制。

縮口設計，減少供料，避免太快擠出距壓力中心最遠，作擴口設計，以增加供料來加快擠出兩邊轉角處因摩擦力增加而拖慢出料，需作擴口設計，以增加供料來加快擠出NGOK第40页/共83页實心模設計範例2以2.0mm等厚的ㄇ形料為例，取段說明如下：①最遠處端點先取段，與料厚等長為2.0mm②次遠處加1.5mm，與端部做明顯段差③斜度取段以平順遞增到轉角取段，避免出現模痕④轉角處取段3.5是刻意讓兩支邊腳加快出料，以推開邊腳⑤斜度取段以平順遞增到中央⑥中心部擠壓力最大，因此取最長培林7.0mm來減緩擠出.⑤⑥④①②③第41页/共83页實心模設計範例-P5/5墊模(Backer)設計─節省模具費及增加模具支撐強度鋁料經過培林面成型後擠出，因此墊模設計只要能讓整個料型通過模孔即可。通常取8mm〜10mm的等距設計。2)最小孔距要配合加工的銑刀Ø徑，避免中途手動換刀。3)常用銑刀規格為Ø8、Ø12、Ø16、Ø20mm。第42页/共83页散熱片設計範例P.1/41)模罩設計①料型中心移到模具中心之下，有利

Fin端點擠出。②左右兩邊作擴孔設計有利於鋁料流往兩側，彌補壓力減弱的進料不足情形。③下方料最厚，由模罩故意作蓋口設計來減少供料，以配合整體擠出。模罩培林蓋口設計第43页/共83页散熱片設計範例P.2/4模罩蓋口設計的流速變化1)正常模罩與培林關係模罩培林逃孔2)擴口模罩具導流作用，斜角≦30∘3)蓋口模罩因進料受阻，常用在減慢進料的設計正常模罩蓋口模罩進料進料進料第44页/共83页①Fin端點最難出料故先取段，由外向中心取0.5mm〜0.8mm②次薄端點取1.0mm，料厚也是1.0mm③最遠端點取2.0mm

與Fin端部做明顯段差④此處為底部厚度的一半取3.5mm以免拖慢擠出⑤底部厚料最遠處取5.0mm⑥中心部擠壓力最大又最厚，因此取最長培林8.0mm來配合整體擠出。散熱片設計範例P.3/4⑤⑥④①②③2)培林取段①②⑤⑥④③第45页/共83页散熱片設計範例P.4/43)墊模設計

鋁料經過培林面成型後擠出，因此墊模設計只要能讓整個料型通過模孔即可，通常取8mm〜10mm的等距設計，並注意配合銑刀Ø徑。第46页/共83页1)流料孔的最大外接圓，取鋁擠錠面積90%左右，以免鋁擠錠的氧化皮擠入流料孔，造成擠出料的表面粗糙。2)小型料無須設計到最大外接圓，易造成分流橋過長的強度不足3)下表列出常用設計參數：鋁擠錠面積流料孔最大外接圓最大外接圓第47页/共83页實心鋁合金擠錠將擠錠分流鋁料重新融合擠出成型培林塑型由以下圖示說明實心圓擠錠如何變成空心圓管空心料的成型原理第48页/共83页1.公模各部功能解說：空心模的構造P.1/2

流料孔─將擠錠分流作流量分配

分流橋─破壞鋁錠中心的高壓、支撐公模頭的強度，避免受壓塌陷。

頸部─改變流向、調整流速、支撐公模的培林面。

公模頭─形成空心的主因、公模培林所在第49页/共83页2.母模各部功能解說：

存料室─重新溶合先前被分割的鋁流，作更加符合料型的流量分配

橋墩─增強分流橋肋的支撐強度、改善鋁流經分流後再溶合的死角

逃孔─支撐母模培林強度

培林─將鋁流重新塑型並控制出料快慢空心模的構造P.2/2第50页/共83页空心模設計要領P.1/12流料孔的設計─配合料型，適孔適量

1-1)主要功能是將鋁擠錠分流，並配合料型作初步流量分配也可調整流速及改變流向。

1-2)增多流料孔—流量越穩定，但兩料孔之間會形成合模線也越多，壓力會增大。

1-3)減少流料孔—穩定性越差，鋁料重新溶合的合模線就少壓力也相對減輕。

1-4)以下介紹幾種常見的流料孔應用：雙孔入料—扁長料型適合上下兩孔，取其簡易對稱性。第51页/共83页b)三孔入料—圓管料型適合三孔入料，以減少外觀的合模線。c)四孔入料—方管料型適合四孔入料，造成合模線移往邊角，使四個平面更加美觀。d)五孔入料—大/厚圓管料型

適合增為五孔入料，以增加鋁流的穩定性，因每一孔的影響度只有1/5。空心模設計要領P.2/12第52页/共83页空心模設計要領P.3/12e)六孔入料—大/寬長管料型

適合增為六孔入料，要點是加大左右流料孔，促使鋁料流往兩側；若設計成四孔則上下兩孔勢必太大，加上直接貫料的加成效果，易造成兩側無法跟上出料而塞模。NGOK第53页/共83页空心模設計要領P.4/12f)多孔規則及不規則入料

不管料型如何奇形怪狀，總以其流量分配為首要思考方向；

不規則的流料孔還是為了出料的整體協調性。

※

萬變不離其宗：配合料型，適孔適量第54页/共83页空心模設計要領P.5/12合模線的產生鋁流通過分流橋後，會在母模的存料室進行溶合，然後擠出成型因此在分流橋部位的鋁流，會因較慢溶合而形成合模線。溶合處合模痕跡溶合不良產生裂口第55页/共83页1-5)調整流速及改變流向

為了要更準確地掌控鋁流，會使用阻流角/促流角的設計技巧，達到減緩/加速的效果。

a)增加阻流角的深度，以擾流來達到減緩鋁流的效果

b)促流角的作用即擴口設計，以增加鋁流量達到加速的作用正常設計阻流角設計促流角設計空心模設計要領P.6/12第56页/共83页1-6)調整流料孔深度的影響

在模具優化設計時，可以運用調整流料孔深度達到以下目的：

a)流料孔越深，則公模頭強度越佳，但摩擦時間加長壓力增大

b)流料孔越短，則壓力越輕，但公模頭強度變差容易塌陷斷裂

c)減輕壓力是為了快速擠出增加產能；增加模具強度是要提高使用壽命。

d)若無法取得設計平衡可以稍偏向模具強度─模具壞了，什麼都免談！空心模設計要領P.7/12第57页/共83页2.分流橋的設計─取得流量充足及支撐強度的平衡點2-1)兩個流料孔之間就會形成分流橋，因此有兩個主要功能：a)

破壞鋁錠中心高壓─如同將實心鋁擠錠切成4等份.b)支撐公模頭─分流橋的強度，直接影響公模頭受壓塌陷程度空心模設計要領P.8/12第58页/共83页2-2)由於分流橋是將鋁擠錠切開分流，因此其中心面積不宜過大以避免造成阻檔現象反而增大壓力。2-3)分流橋越長/窄，則強度越差但流料孔越大。2-4)分流橋越短/寬，則強度越好但流料孔越小。2-5)分流橋要夠強壯又要阻力小，以減輕壓力提高產能。空心模設計要領P.9/12NG─壓力大增OK─容易分流第59页/共83页3.存料室的設計─等同模罩的思考模式

3-1)重新溶合各流料孔中的鋁流空心模設計要領P.10/12被分割的鋁流被分割的鋁流公模母模公模頭頸部溶合區擠出成型頭部成型區第60页/共83页3-2)作更加符合料型的流量分配3-3)存料室的深度尺寸如下：空心模設計要領P.11/12擠錠外徑存料室深度4”~5”10~15mm5”~6”12~18mm7”~9”15~25mm3-4)

存料室越深則鋁流有更多空間進行溶合，可改善合模線問題，但增加了摩擦時間因此模具所受壓力也越大。3-5)反之縮短存料室深度可減輕壓力，但溶合情形會變差。第61页/共83页4.橋墩的作用

增強分流橋肋的支撐強度、改善鋁流經分流後再溶合的死角空心模設計要領P.12/12母模存料室公模流料孔橋墩協助鋁流往中心溶合第62页/共83页高密齿散热片设计1.中心定位2.导流设计3.缩水参数4.工作带参数第63页/共83页中心定位X轴的确定为产品的中心Y轴的确定为齿部的中心第64页/共83页导流设计1)底板壁厚较厚,故只留8mm的引流存料量。2)齿尖的引流存料量为底板引流存料量的1.5倍3)边齿的引流存料量为底板引流存料量的2倍.4)底板的壁厚太大,故用遮挡法设计导流。第65页/共83页结构图范例导流厚60mm模面厚50mm存料室深5mm模垫厚30mm第66页/共83页缩水参数1)底板高度与齿高取千分之十三2)其余取千分之十第67页/共83页工作带参数1）齿中工作带的确定参数为壁厚的0.8倍至1倍取值。2）齿根工作带的取值为齿中工作带的0.5倍。3）边齿工作带的取值为齿中工作带的1.6倍。4）底板工作带的取值为该处壁厚与齿中壁厚之比的三倍。5）底板边角的工作带取值为该处壁厚与齿中壁厚之比的两倍。第68页/共83页模孔工作带的确定原则和方法工作带厚薄是调整金属流动速度的关键因素，工作带设计不当，型材各部分流出模孔的速度就不均匀，挤压出的制品就会产生扭拧、弯曲、平面间隙大等缺陷。第69页/共83页理想的料頭外觀1)下方應比上方微快出料。(散热片相反）2)料厚處應先出料以帶出料薄處。尤其是太阳花类型。3)

若料薄處先出料，將會因帶不動

料厚處而導致塞模。4)

扁寬料型兩邊易發生進料不足現象，

料頭反要中間稍慢。两侧与中间等快易造成头尾棒尺寸变异大第70页/共83页影响工作带长度的两个主要因素1）模孔排列位置:

靠近挤压筒中心部位的金属流动快，远离中心逐渐减慢。如要使金属流动均匀，必须把中心部位的模孔工作带做厚一些，远离中心处逐渐减薄。模孔工作带变化值与挤压筒直径有关。2）型材壁厚：壁厚越大即模孔尺寸越大，则金属流动就越快。因此为了调整流速，此处的工作带就应做厚一些。第71页/共83页根据上述两个因素，模孔工作带可按如下公式计算：

L=t•K1•K2

L-----工作带长度/mm;t------型材壁厚名义尺寸/mm;K1---模子材质强度系数（≈1.5~2.0）；K2---模孔位置流速差之比。第72页/共83页挤压筒与工作带长度的关系示意第73页/共83页平面模工作带长度的确定方法①设计工作带长度时，以整个型材最难出挤出（成形）部分为基准点，取该处工作带长度为成品壁厚的1.5~2倍。②与基准