铝合金门窗模具结构设计.doc

目目 录录 1 绪论绪论 1 2 选取铝合金门窗的材料选取铝合金门窗的材料 2 4 铝合金门窗截面分析铝合金门窗截面分析 3 4 1 挤压件的尺寸分析 3 5 模具结构设计模具结构设计 4 5 1 模孔的配置 4 5 2 模具的工作条件及其结构分析 7 5 3 制定挤压件截面图 8 5 4 确定挤压方式 9 5 5 确定挤压件的毛边形式的尺寸 9 5 6 确定挤压件所用的坯料的形状和尺寸 9 5 7 确定挤压时所需的挤压力 选择挤压设备 9 5 8 根据热挤压件的尺寸 设计挤压模具的工作部分 10 5 8 1 设计上模结构 10 5 8 2 设计下模结构 11 5 8 3 模孔尺寸的设计 13 5 8 5 模孔空刀结构设计 14 5 8 6 焊合室设计 16 5 9 强度校核 17 5 9 1 分流桥弯曲应力的校核 17 5 9 2 分流孔道抗剪应力的校核 17 5 9 3 模芯的强度校核 18 1 5 9 4 选择模具材料 18 5 9 5 模具材料的热处理 19 5 9 6 完成模具设计的实体图 21 5 9 7 设计紧固支撑上模和下模的零部件 21 5 9 8 设计挤压模具的定位机构和配合导向装置 21 5 9 9 选定合适的挤压速度和挤压温度 22 6 模具的合理使用模具的合理使用 22 7 结束语结束语 23 谢谢 辞辞 23 参考文献参考文献 24 2 1 1 绪论绪论 发展我国的模具工业 3日益受到人们的重视和关注 模具是工业生产的基 础工艺装备 也已经取得了共识 在电子 汽车 电机 电器 仪器 仪表 家 电和通信等产品中 60 80 的零部件都要依靠模具成形 用模具生产制件 所具备的高精度 高复杂程度 高一致性 高生产率和低消耗 是其他加工制 造方法所不能比拟的 模具又是 效益放大器 用模具生产的最终产品的价值 往往是模具自身价值的几十倍 上百倍 目前全世界模具年产值约为600亿美 元 日 美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业 从1997年开始 我国模具工业产值也超过了机床工业产值 模具行业的生产小而散乱 跨行业 投资密集 专业化 商品化和技术管理水平都比较低 现代工业的发展要求各行各业产品更新换代快 对模具的需求量加大 一 般模具国内可以自行制造 但很多大型复杂 精密和长寿命的多工位级进模大 型精密塑料模复杂压铸模和汽车覆盖件模等仍需依靠进口 近年来模具进口量 已超过国内生产的商品模具的总销售量 为了推进社会主义现代化建设 适应 国民经济各部门发展的需要 模具工业面临着进一步技术结构调整和加速国产 化的繁重任务 挤压成形是一种精密常用的工件成形技术 具有切削加工无可比拟的优点 如工件的力学性能好 生产率高和材料利用高 特别适合于大批量生产 近几年来 挤压设备发展迅猛 具体地说 挤压机台数急剧增加 压力不 断扩大 结构型式不断更新 自动化程度不断提高 液压挤压机得到广泛应用 在挤压机本体方面 近年来国外发展了钢板组合框架和预应力 T 型头板柱结构 机架和预应力混泥土机架 大量采用扁挤压筒 活动模架和内置式独立穿孔系 统 在传动形式方面发展了自给油传动系统 甚至72 96MN大型挤压机上也采 用了油泵直接传动装置 现代挤压机及其辅助系统的工作都采用了PLC 程序逻辑控制 系统 采 用了记忆磁带和带模拟曲线的卡片控制系统或穿孔卡片控制系统 即实现了速 度自动控制 实现了等温 等速挤压 工模具自动快速装卸 乃至全机自动控制 挤压机的机前设备 如长坯料自控加热炉 坯料热切装置和坯锭运送装置等 和机后设备 如牵引装置 淬火装置 前梁锯 活动工作台 冷床和横向运输 装置 拉伸矫直机 成品锯 人工时效炉等 已经实现了自动化和连续化生产 铝型材是挤压的主要产品 随着航空工业和其它工业部门的飞速发展 特 别是建筑工业及民用事业的发展 对铝合金型材的要求不仅数量增加 规格扩 3 大 品种增多 而且其形状日见复杂 并广泛用来制造承受重载的整体结构件 2 2 选取铝合金门窗的材料选取铝合金门窗的材料 目前 在挤压铝合金时 最常使用的热加工工模具钢有钼钢和钨钢两大类 钼钢具有较好的导热性 对热裂纹不太敏感 韧性较好 其典型代表5CrNiMo 钢 钨钢具有较好的耐高温性能 但韧性较低 其典型钢种为3CrW8V 3CrW8V钢广泛地用来制造重载荷模具 这种钢是含碳量为03 0 4 的 Cr W系的一种亚共析奥氏体合金钢 它的特点是具有很高的室温强度性能 当 温度为650 时 s仍可保持1100MPa HRC可达47 但超过650 时 强度 和硬度值则急剧下降 实验研究表明 3CrW8V钢的上述性能随钢材中的碳含 量的增加而提高 由于3CrW8V钢的化学成分和生产 使用条件在各国存在差 异 所以 其热处理工艺也不尽相同 因此所得到的性能也有区别 3CrW8V 钢的另一个特点是热处理后具有良好的耐磨性和符合模具使用要求的热疲劳强 度 4 铝的最大优势是质量轻 比重仅是铜的三分之一 铝资源远较铜丰富 成本 也远低于铜 铝散热器以其在材料轻量化上的明显优势 在轿车与轻型车领域 逐步成为首选材料 1 考虑到环保等因素 国外轿车配套的散热片多为铝制品 在欧洲新型的轿车中 铝散热器占有的比例平均为 64 因此 最终选择 6063 铝合金作为水箱散热片的材料 所设计的模具亦是针对挤压 6063 铝合金 型材而进行的 6063 铝合金挤压型材在退火状态下的抗拉强度为 98 117 6Mpa 在淬火和 自然时效后的抗拉强度可提高到 176 4 196Mpa 此时相对伸长率下降不大 由 23 25 下降到 15 20 合金在 160 170 下经过人工时效可 以得到更大的强化效果 2 此时 抗拉强度提高到 269 5 235 2Mpa 铝合金热 挤压时最大的挤压比为 1000 3 铝合金型材工艺流程图 图 1 铝合金型材加工工艺流程图 4 4 4 铝合金门窗截面分析铝合金门窗截面分析 挤压件的极限成形尺寸取决于被挤压材料是否破裂和失稳 模具的强度以及挤 压过程中的润滑和操作条件 给出必要的挤压斜度 即为热挤压件出模设置的 模壁斜度 若采用卸料装置 也可以不给出挤压斜度 由于有了挤压斜度 使挤压件在模腔内的摩擦阻力大大减少 从而能较方便地将挤压件从凹模型腔 内取出 热挤压件如果平面尺寸较大且不高 金属就容易压入或挤入热挤压模 的型腔 也容易从模具型腔内取出 挤压斜度就可以小些 但当下顶出装置顶 出行程不能将挤压件顶出模具型腔高度的2 3时 则还应给出10 30 的挤压斜 度 在保证质量的前提下 给出最小的机械加工余量和公差 对于要求不高的 一般机械零件 可以不给出加工余量 而直接挤压出符合要求的产品零件或部 分加工半成品 热挤压时 要将带通孔的空心挤压件一次挤压出来很困难 通常先将坯料 挤成杯形零件 留下一定厚度的挤压余量 待下一道工序将其冲下而制成带通 孔的空心挤压件 挤压余量厚度过薄 会使金属流动困难 挤压力提高 挤压 余量厚度过大 会使材料利用率降低 需要的冲孔力增大 且冲孔时易使挤压 件产生变形 挤压件截面过度处必须设计成圆角 并给出适当半径 圆角半径越小 金 属材料在此处的流动性就越差 也就越难充满模具型腔 还会使热挤压模型腔 的相应部位严重磨损 热挤压时在圆角半径过小处 由于应力集中会产生裂缝 以致热挤压模型腔破裂 所以 在保证产品零件要求的前提下 热挤压件的圆 角半径应尽量取大 金属坯料随着加热温度的升高 其强度极限降低 塑性提高 所以为了降 低挤压力 挤压温度总是越高越好 加热到1500C 2000C复合挤压时 挤压力 可比室温时减少10 加热到1000C 2000C反挤压时 挤压力可比室温时减少 20 40 一般情况下 低温温挤压可减少变形抗力15 中温及高温温挤 压的变形抗力可减少到室温时的0 25 0 5 有色金属温挤压时 加热温度对挤 压力的影响 也是很明显的 对纯铝 如将室温200C时的挤压力设为100 那么在1500C时的挤压力为59 2000C时的挤压力为41 2 5 4 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 模具的温升 模具的材料以及模具的制造精度和模具磨损等 而对于如图 2 所示的带有大悬臂的铝合金门窗 由于其舌比大于 3 采用 普通的平模设计结构 在型材挤压时极易造成模齿从齿根部断裂 致使模具报 废 因此 对于大悬臂的散热器型材 必须改变常用的设计方案 以避免上述 断裂现象的发生 图 3 铝合金门窗截面图 如图即为某带有大悬臂的铝合金门窗型材的截面设计图 从图中可以看出该 铝合金门窗型材截面外形长度为 76 92mm 高度为 61 7mm 共计有 5 个齿片 呈圆弧状分布 齿片高度相同 间距分别为 18 0mm 34 92mm 齿根部厚度 为 1 5mm 顶部厚度为 1 5mm 该悬臂较长 伸出量为 25 5mm 从图中标注 的尺寸可以计算出该铝合金门窗模具型材悬臂处舌比为 25 5 1 5 18 1 5 1 45 1 各齿间存在着危险断面 并且铝合金门窗底部臂厚亦较 小 只有 1 5mm 这也增大了危险断面的断裂系数 5 5 模具结构设计模具结构设计 5 5 1 1模孔的配置模孔的配置 根据型材的横断面形状和尺寸 我们合理的选择了模孔的配置方式 单孔 模配置 根据对于坐标轴的对称程度可将型材分为三类 即横断面对称于两个 坐标轴的型材 此种型材对称性最好 断面对称于一个坐标轴的型材 此种型 6 材的对称性次之 横断面不对称的型材 此种型材对称性差 在设计单孔模时 对于横断和两个坐标轴相对称 或近似对称 的型材 其合理的模孔配置是应使型材断面的重心和模子的中心相重合 如图 2 所示 在挤压横断面尺寸对于一个坐标轴相对称的型材时 如果其缘板的厚度相 等或彼此相差不大时 那么模孔的配置应使型材的对称轴通过模子的一个坐标 轴 而使型材断面的重心位于另一个坐标轴上 如图 3 所示 对于非对称性的型材和壁厚差别很大的型材 若采用上述原则配置模孔 将使型材断面的重心到模子中心的距离增大 而把模孔位置移到模子的边缘上 同时 很难保证型材各个部位的流动速度均匀 还要制造通道移位的专用工艺 装备 模垫 压型嘴 导向装置等 图 2 轴对称型材模孔的配置 图 3 对称于一个坐标轴而缘板厚度比不大的型材模模孔的布置 7 因此对于各部分壁厚不等的型材和不对称的型材 必须将型材的重心相对 于模子的中心作一定距离的移动 应尽可能地使难于流动的壁厚较薄的部位靠 近模子的中心 尽量使金属在变形时的单位静压力相等 如图 4 所示 对于缘板厚度比虽然不大 但截面形状十分复杂的型材应将型材截面外接 圆的中心布置在模子中心线上 图 5a 对于挤压系数很大 挤压有困难或流 动很不均匀的某些型材可采用平衡模孔 在适当的位置增加一个辅助模孔的方 法 图 5b 或增加工艺余料的方法 图 5c 或采用合理调整金属流速的其它 措施来改善挤压条件 保证薄壁缘板部分的拉力最小 改善金属流动的均匀性 以减少型材横向和纵向几何形状产生弯曲 扭曲 波浪及撕裂等现象 为了防 止型材由于自重而产生扭拧和弯曲 应将型材大面朝下 增加型材的稳定性 图 5d 总之 单孔型材模孔的布置 应尽量保证型材各部分金属流动均匀 在 x 轴上下方和 y 轴左右方的金属共给量应尽可能相近 以改善挤压条件 提高产 品的质量 同时 也应考虑模具的强度和流速 有时也采用多孔模挤压 图 4 不对称和缘板厚度比大的型材模孔的配置 8 5 25 2 模具的工作条件及其结构分析模具的工作条件及其结构分析 在挤压过程中 模具的工件条件是十分繁重的 挤压产品的规格大 形状 复杂 尺寸精度要求较高 下面简单分析一下铝合金挤压模具的工作条件 1 承受长时间高温作用 金属的热挤压是在高温下进行的 挤压前的铸 锭加热温度 铝合金为 400 450 加上在挤压过程中由于摩擦生热与变形功 热效应产生的温升 更提高了金属的变形温度 直接与高温铸锭接触 并参与 变形的模具的表面温度有时局部会高达 550 承受高温作用的时间一般为几 分钟到几十分钟 对于挤压速度慢的难变形铝合金来说 有时长达数小时以上 长时间的高温作用 大大地恶化了金属与工具之间的摩擦条件 降低了工模具 材料的强度 以至于产生塑性变形 加速其破损 2 承受长时间高压作用 为了实现挤压变形 金属和工具都需要承受很 高的压力 模具在挤压时需要承受很高的单位压力 加上高温和长时间的作用 有时甚至会超过模具材料的许用应力而损坏 3 承受高温高压下的高摩擦作用 铝合金在挤压时的主要特点之一是 极易与模具表面产生 粘结 作用 即在高温高压作用下 合金中的 Mn Si 等溶 质子渗透到模具表面层而产生焊合作用 在高温高压作用下 这些粘附的金属 层不断形成 又不断被破坏 经多次反复磨损 而引起模具失效 3 对于这种大悬臂的铝合金门窗型材模具 若采用普通平模的设计结构 其 底部壁厚与齿部壁厚相差悬殊 而悬臂又比较长 使叶片底部的挤压阻力极大 致使危险断面的断裂系数增大 使模具的挤压寿命极大地降低 挤压模具的设计原则 图 5 复杂不对称单孔型材模孔的配置 a 对称型材 b 增加工艺孔 c 增加工艺余料 d 增加型材稳定性 9 1 挤压模具的工作部分上 下模材料应具有较高的强韧性 耐磨性以及 热硬性 2 上 下底板一般不采用铸铁而采用有足够厚度和强度的钢材料制成 3 模具成形部分的两面交接处 应采用圆角过渡 避免应力集中而使模 具耐用度和寿命降低 4 模具下 上模与上 下底板之间一定要设计有足够大的支撑面和一定 厚度的淬硬压力垫板 挤压模具在挤压过程中 承受了很高的挤压力 单位挤压力可高达 2000Mpa 如此大的挤压力使模具的寿命受到严重的影响 为此 设计挤压模 具时应满足以下要求 1 上模 下模和顶出机构应具有相应的强度性能 2 模架应具有一定的通用性 3 各工作元件装卸要稳定 可靠和简便 4 导向系统要精确 并具有足够的刚度与强度 5 模具结构要便于实现机械化 自动化生产 6 模具制造要方便 成本要低 因此 必须合理解决模具结构设计 材料的选择 制造工艺及热处理等问 题 图 4 模具装配图 1 上模 2 下模 5 35 3 制定挤压件截面图制定挤压件截面图 铝合金门窗模具的截面图如下所示 10 型材的总长为 313 5mm 总高为 60mm 共有 24 个悬臂 且每个悬臂的 伸出长度不同 总体呈圆弧形分布 图 5 铝合金门窗模具截面图 5 45 4 确定挤压方式确定挤压方式 挤压成形的过程中 挤压设备通过挤压模具对挤压坯料施加挤压力使其变 形 而被挤压材料对模具施以反作用力以反抗变形 如果模具的承载能力大于 挤压力 就可以顺利地挤压出工件 如果模具的承载能力小于挤压力 将会使 模具损坏 因此 为了挤压能够顺利进行 必须合理地选择挤压方法 合理地 安排挤压工艺 合理地设计挤压模具结构 铝合金门窗模具的外表面即为工件表面 为了达到更好效果 要求不能过 于粗糙 各悬臂之间应有均等的尺寸 以避免造成局部温度过高 影响汽车的 正常工件 有色金属采用热正挤压所能够达到的表面粗糙度为 Ra2 5 这样的 精度能够满足铝合金门窗模具的使用要求 生产实践证明 热挤压是一种生产效率高 劳动强度低 加工质量好 省 料 省工和成本低的金属压力加工方法 在生产实践中 采用热挤压模具 只 需要调换上模和下模便可以生产同类型的不同挤压件 节省了模具设计 制造 安装和调整的时间 提高了生产效率 降低了生产成本 铝合金门窗模具的材 料为 6063 铝合金 采用热正挤压能够满足产品的尺寸精度和表面粗糙度的要 求 5 55 5 确定挤压件的毛边形式的尺寸确定挤压件的毛边形式的尺寸 铝合金门窗模具挤压件形状比较复杂 须开设适当的横向飞边槽 该挤压 11 件的径向公差为 0 60mm 高度方向的公差为 0 50mm 挤压件横向飞边的宽 度和厚度的取值分别为 c 12mm t 2 5mm 挤压比 r A A 10 A 为坯料 面积 A 为挤压件面积 当挤压比 7 8 r 15 挤压件容易出现端部飞边 5 65 6 确定挤压件所用的坯料的形状和尺寸确定挤压件所用的坯料的形状和尺寸 该挤压件的外接圆直径为314 5mm 因此可选用230mm 800mm 的 6063 铝合金铝棒作为挤压件的坯料 要求铝棒的直径不能过大 因为如果直径 太大材料过多对挤压时的流通不利 严重时会模具造成损坏 降低模具的寿命 直径过小又会影响到生产效率 圆形的铝棒更方便进行装填 挤压 5 75 7 确定挤压时所需的挤压力 选择挤压确定挤压时所需的挤压力 选择挤压设备设备 铝合金门窗模具挤压件的材料为 6063 铝合金 终止挤压温度不低于 480 6063 铝合金材料的屈服点 90Mpa 则有 1 MnDdDP23 8 0 775 11 2 P 正挤压力 Mn D 正挤压模上模的工作直径 mm d 正挤压模下模的工件直径 mm 挤压终了温度时金属材料的抗拉强度 Mpa 为了选择合适的设备 拟订合理的工艺 设计先进而合理的模具和工具等 都必须精确的计算挤压比的大小 根据下面的公式计算出挤压比r为 2 65 19 91 4090 2230 14 3 2 1 0 A A r 挤压比r 15 其中A0是铸锭的截面积 A1是挤压件的总面积 对于某一特定型材来说 其截面积是一定的 也就是说 对某一型材 其挤 压比是正比于挤压筒的截面积 实际生产中 型材截面积越大 就要选用越大挤 压筒根据挤压力的大小和挤压比的数值 根据所计算的数据选择挤压机为 2600UST的液压挤压机 油压 5 85 8 根据热挤压件的尺寸 设计挤压模具的工作部分根据热挤压件的尺寸 设计挤压模具的工作部分 5 8 15 8 1 设计上模结构设计上模结构 考虑到挤压工件的直径比较大 因此上模采用适合的导流孔结构 这样更 12 有利于挤压时金属的流入 这种导流模的设计结构 将型孔壁厚较厚的部分设 计在上模导流桥的遮挡之下 使其起到阻碍金属流动的作用 从而降低此处金 属的流动 使型材挤出时趋于平稳 这种设计结构 可以有效地减小大悬臂型 材模具危险断面的断裂系数 增强模具的强度 由于挤压型材的截面积较大 在设计上模时 为了使金属能够充分填充到 模孔的各处 将上模的导流口设计成带有斜度的扩展形式 1 挤压上模在最后加工后 工作部分应加工出光滑的圆角过渡 其直径 大小变化程度要小 以防止在使用时由于压力集中而使上模被挤裂破坏 2 上模经最后磨削加工后 工作部分与紧固部位应保持同轴 工作部位 的形状也应严格保持对称 否则不仅会使被挤出的制件壁厚不均 而且上模本 身也易于单边受力过大而被折断 3 上 下模在磨削加工前 表面粗糙度值 Ra 值应小于 3 2um 表面不 允许有下 上不平现象 上 下模留磨余量应 0 1mm 磨削后应进行研磨抛光 研磨量应小于 0 01 0 02mm 研磨后的表面粗糙度为 Ra0 2um 从增大导流比 降低挤压力来考虑 导流桥宽度B应选择得小些 但从改 善金属流动均匀性来考虑 模孔最好受到分流桥的遮蔽 则B应选得宽些 一 般取 3 mmmmmmmmbB5054520 3 其中B是分流桥宽度 b是形腔宽度 分流桥的斜度 对焊缝质量有直接的 影响 一般取 45 对难挤压的型材取 30 桥底圆角R 2 5mm 焊合高 度h焊在 1 2 2 3 B的范围 均小于45 根据下面的公式计算出本模具的分 流桥斜度 为 4 7 44 45 50 2 1 arctan 2 1 arctan h B 取 值为 45 设计的上模如下图所示 13 图 6 上模结构 上模结构采用了保护式带扩展的分流模 这样设计的目的是 消除模具在 挤压过程中 分流桥由于发生弹性变形而弯曲 从而产生较大的变形应力 为 了能更好地消除这种应力 提高各分流桥的强度 在保护模与上模相配合的端 面上 设计成一个梯形面 从而对下模起到有效的保护作用 提高了模具的使 用寿命 同时也有利于金属的流动与焊合 5 8 25 8 2 设计下模结构设计下模结构 考虑到挤压件的截面积较大 在下模上应设计有焊合室 焊合室的形状 入口方式 尺寸大小 对于金属流动 焊接质量 挤压力的大小有很大的影响 常用的焊合室截面形状有圆形和蝶形两种 当采用圆形焊合室时 在在两 分流孔之间会产生一个十分明显的死区 不仅增大挤压阻力 而且会影响焊缝 质量 蝶形焊合室有利于消除这种死区 提高焊缝质量 为了消除焊合室边缘 与模孔平面之间的接合处的死区 可采用大圆角 R 5 20mm 不同壁厚和断面形状的型材对挤压力的影响不同 型材壁薄时 挤压力必 然升高 即达到一定挤压力时金属才能焊合 在这种情况下焊合室不宜过高 但当型材壁厚较厚时 不能形成高的挤压力 金属就难以焊合 这时焊合室要 高一些 合理的模桥结构与焊合室高度 可以保证在一定的静压力下 使金属 焊合时间尽量延长 金属流对工作带的冲击相对减少 避免金属以很快的速度 在短时间内焊合 形成尖锐界面 除了焊合室的高度以外 焊合室的外形尺寸也是一个很重要的因素 焊合 室过小 容易影响金属流动 导致金属流动不均匀 但外形尺寸过大 超出型 孔尺寸时 既不利于边部金属流动 又容易在边部形成死区 这两种情况都不 利于金属流动的稳定性 14 为了获得高强度的焊缝 在焊合室中必须建立一个超过挤压金属屈服强度 10 20倍高的静水压力 随着管材壁厚的增加和空心型材断面积增大 焊接腔 的高度也应增大 一般情况下 焊合室高度应大于分流桥宽度的一半 在很多 情况下 可根据挤压简的直径来确定焊合室的高度 4 由于模具的齿顶部是最不易填充的部位 为了使此处填充充分 需要注意 此处的流速 另外 假分流模下模焊合室的设计结构不同于常规形式的导流模 结构 与上模的导流口尺寸不是完成对应的 在焊合室上 下宽度的取值上 依据散热器型材宽度 按平模导流口的设计形式取值 这样有利于齿顶部不易 填充部分的充分填充 在下模工作带高度的选取上 为了使刑材挤出时各部流动的速度均匀 挤 出乎稳 将被模体遮盖住部分原齿部工作带设计为最小 其余模孔各部的工作 带 按其所处模孔的位置 形状 壁厚等做相应的调整和选择 确保其挤压速 度趋于一致 工作零件上 下模工作部分形状对挤压影响极大 合适的工作部位及形状 可以改善金属的流动 减少挤压力 提高模具的使用寿命 因此 设计时必须 合理选用其形状和尺寸 上 下模除保证其设计精度外 还应注意到其工作部 位尽量采用圆角过渡 以防由于直径的剧烈变化使应力集中 导致模具在工作 时破损 为了减少挤压力和摩擦力 并且便于取出制品同时不影响精度 在设 计时 上 下模应设有一定的脱模斜度 图 7 下模结构 合理设计工作带也是模具设计的一个关键环节 工作带长度是设计型材模 孔最重要的几何参数之一 它直接影响着制品的质量 如暗纹 刀弯 扭拧 波浪 麻点等缺陷几乎都是由工作带的设计与制造不合理所引起的 根据过去 挤压产品的经验 挤压时金属在挤压筒中心流动是非常容易的 但是越接近挤压 筒内壁处 金属的流动性逐渐降低 工作带对金属流动起阻碍作用 增加工作 带长度可以增大摩擦阻力 使向该处流动的供应体积中的流动静压力增大 迫 15 使金属向阻力小的部位流动 从而使型材整个断面上金属流童趋于均匀 对于 外形尺寸较小 对称性较好 各部分壁厚相等或近似相等的简单型材来说 模 孔各部分的工作带可取相等或基本相等的长度 依金属种类 型材品种和形状 不同 由于散热片的截面积较大 要求较高 为了保证挤压产品的质量 下模 工作带长度取110mm 下模焊合室采用了二次焊合的结构 即在第一个焊合室的出口平面挖下去5mm的小坑 它比型孔各边均大6mm且与型孔相似 目的是保证挤压充填时具有良好的焊合质量 合理 控制金属的流速 避免发生挤压产品的悬臂边缘处有暇疵 而造成产品报废 5 8 35 8 3 模孔尺寸的设计模孔尺寸的设计 由于本设计工件的形状复杂 外部尺寸大 壁厚很薄 并要求在保证强度 的情况下尽量减轻重量 减少用材和降低成本 因此 外形和壁厚尺寸可按下 偏差考虑 在模具设计时 主要考虑工件冷却后的收缩量和拉矫后的缩减量 模具外形的模孔尺寸A可由下试计算得出 15 66427 656012 011 000 AKKAAA 6 其中A0是工件外形的工称尺寸 K为经验系数 对铝合金一般取 0 007 0 015 常用的6063合金 可取K 0 012 工件壁厚的模孔尺寸B可由 下式计算得出 mmBB3 11 02 1 0 7 其中B0是工件壁厚的公称尺寸 是壁厚模孔尺寸增量 当B0 3mm时 0 1mm 当B0 3mm时 0 2mm 5 5 8 4 模孔工作带长度的确定 确定平面分流组合模的模腔工作带要比平面模要复杂的多 根据过去挤压 产品的经验 挤压时金属在挤压筒中心流动是非常容易的 但是越接近挤压筒内 壁处 金属的流动性逐渐降低 同样地 当模口与模具中心距离相同 金属经过 模口的流动性几乎没有例外地与模口的相关尺寸成正比 当采用单孔模挤压时 可按单一同心圆规则来确定模孔工作带的长度 确 定模孔工作带长度时 先以整个型材断面上金属最难流出处为基准点 该处的 工作带长度一般为该处型材的1 5 2倍 与基准点相邻区段的工作带长度可为基 准点的工作带长度加上1mm 当型材壁厚相同时 与模子中心 与挤压筒中心 16 重合 距离相等处其工作带长度相同 由模子中心起 每相距10mm 同心圆 半径 工作带长度的增减数值可按表1所列数值进行确定 当型材壁厚不相同时 模孔工作带长度的确定除应遵循上述规则外 还要依据设计者的经验进行恰当 确定 计算模具工作带时 首先按上述基本原理考虑 模口布局 然后按照模口尺 寸和模具中心的距离确定工作带 平面分流组合模的工作带长度应较平面模的大些 这对金属的焊合有好处 5 8 55 8 5 模孔空刀结构设计模孔空刀结构设计 因用平面分流组合模挤压的制品壁厚都比较薄 故空刀结构应合理选择 当制品壁厚大于2mm 时可采用容易加工的空刀结构 如图a b示 当壁厚小 于2 mm 时或带有悬臂处和危险断面处可用图 c d 型空刀结构 为降低工作阻 力 增加其强度 工作带出口处应作1 3 的斜角 由以上所述 我们在进行模具设计时应注意以下几点 1 模桥结构 焊合室高度 以及焊合室处形尺寸的设计要充分考虑型材 壁厚和断面形状对金属流动性的影响 保证金属焊合充分 流动均匀 2 工作带的设计要尽量短 并在保证平滑 逐渐过渡的前提下 尽量减 少落差 另外 工作带出口处形成一小半径弧形 有助于金属在模孔表面和工 作带之间的过渡处流动 并可减少工作带出口处的毛刺 从而减少产生型材表 面暗纹缺陷的机会 3 对某些实心型材 采用假组合模设计 阳模 阴模 比平模设计效果 好一些 表 1 模孔工作带长度增减值 17 4 设计模具出口带时 可采取一定锥度 以保证不擦伤型材 a 直线切 口 e 工作带有斜度的圆弧切口 c 斜度切口d 圆弧与斜度组合切口 18 5 8 65 8 6 焊合室设计焊合室设计 焊合室的形状 入口方式 尺寸大小 对于金属流动 焊接质量 挤压力 的大小很大的影响 常用的焊合室截面形状有圆形和蝶形两种 当采用圆形焊合室时 在两分 流孔之间会产生一个十分明显的死区 不仅增大挤压阻力 而且会影响焊缝质 量 蝶形焊合室有利于消除这种死区 提高焊缝质量 为了消除焊合室边缘与 模孔平面之间的接合出的死区 可采用大圆角 R 5 20mm 或将焊合室的 入口处作成15 左右的角度 同时 在与蝶形焊合室对应的分流桥根部也作成相 应的凸台 这样就改善了金属的流动 减少了挤压阻力 因此 这里我们选用 蝶形截面的焊合室 本设计把焊合室设计在下模上 焊合室是金属聚集并焊合的地方 焊合腔 的容积越大 焊合腔的截面积与工件断面之比越大 则焊合腔所建立起来的静 水压力就越大 金属在焊合腔中停留的时间就越长 因此 焊接的质量就越高 可能采用的挤压速度就越大 合理的设计焊合室的高度具有重大的意义 当焊 合室太浅时 由于摩擦力太小不能建立起足够的反压力 而使焊合压力不足 导致焊合不良 同时 还限制了挤压速度的提高 但太深又会影响模芯的稳定 性 易出现空心工件壁厚不均匀的现象 同时分离残料后 积存金属过多 会 降低工件的成品率 为了获得高强度的焊缝 在焊合室中心必须建立一个超过 挤压金属屈服强度10 20倍高的静水压力 随着管材壁厚的增加和空心型材断 面积增大 焊接腔的高度也应增大 一般情况下 焊合室高度应大于分流桥宽 度的一半 对于中小型挤压机来说 焊合室高度可取10 20mm或等于管理厚 度的6 10倍 在很多情况下 可根据挤压筒的直径来确定焊合室的高度 这 里我们取焊合室的高度为30mm 图 6 平面分流模空刀结构图 1 分流孔 2 焊合室 3 死区 图 5 焊合室形状 a 圆形焊合室b 蝶形焊合室c 焊合室剖面面 19 5 9 强度校核 5 9 15 9 1 分流桥弯曲应力的校核分流桥弯曲应力的校核 按两端固定 均匀载荷的简支梁计算 校对模具厚度H mm p lH b 3 26 10002 24 63 148 2 min 8 其中Hmin是分流桥的最小高度 l是分流桥的宽度 两危险断面之间的距离 p是挤压机最大的比压 b 是模具材料在工作温度下的许用应力 在 450 500 下 对3CrW8V钢取 b 1000Mpa 6 5 9 25 9 2 分流孔道抗剪应力的校核分流孔道抗剪应力的校核 a MP nF p 94 275 90208 10907185 01460 3 0 4 9 20 10 aab MPMP50010005 06 0 5 0 因而满足要求 其中p是挤压机的公称压力 n是分流孔的数目 F是以分流孔间最短距离 为长度 以模具厚度为高度所形成的面积 是模具材料在工作温度下的许用 剪切应力 0 5 0 6 b 对3CrW8V钢在450 500 时取 b 1000Mpa 6 5 9 35 9 3 模芯的强度校核模芯的强度校核 1 桥梁受弯曲应力 循环 的数值很大 是主要的作用应力 2 将刀桥看作固定梁 受均布载荷的作用 桥的工作跨度为 L 3 在计算外力时 一般按挤压机的最大吨位 如 12500t 来考虑 但实际上受的外力 即实际挤压力 有时低于全压力 而且有一部分挤压 力不直接传递给模子 因此 有时也可按挤压机全压力的 80 来考虑 模芯的实体部分可分三段进行 A 与空心边接处工作带长度 h1 B 三面受阻部位工作带长度 h2 C 中间部分工作带 h3 h3 1 5 3 h1 若中间部分为分流孔直对部位 可选上限 6 校核 mm p HL b 36 21 10002 1460 25 2 2 1 2 1 11 在模具设计中 L 取 70mm 5 9 45 9 4 选择模具材料选择模具材料 在挤压时 模具在压力作用下强迫金属流动 所需压力较大 所以使用的 21 材料应具有相当的韧性及耐高温能力 还应具备较好的抗弯强度及切削性能 热挤压模具钢的性能要求如下所示 1 高强度 冲击韧度及断裂韧度 以保证模具钢具有较高的断裂抗力 防止模具发生脆性断裂 2 室温及高温硬度高 耐磨性能好 以减缓模具的磨损失效发生 3 高温强度及回火抗力高 拉伸及压缩屈服点高 防止模具产生塑性变 形及堆塌 4 模具钢的相变点及高温强度高 并具有高的导热性及较低的热胀系数 有利于热疲劳抗力的提高 推迟热疲劳开裂的发生 5 较高的抗氧化能力 以减少氧化物对磨损及热疲劳的不利影响 在挤压模具制作中 我国早期使用的热作模具钢 3Cr2W8V 现已被 4Cr5MoSiV 代替 要求制模坯必须严格执行科学的铸造工艺及锻造工艺 成分 坯锭内部不得有气孔 夹渣 裂纹等任何缺陷存在 只有合格的坯锭 才能为 充分发挥热作模具钢优良的热处理性能奠定基础 4Cr5MoSiV 钢是一种空冷硬化的铬系热作模具钢 是国际上广泛应用的一 种空冷硬化模具钢 该钢具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能 不易产生裂纹 即使产生裂纹也不易扩展 是一种强韧兼备的优质廉价钢种 与 3Cr2W8V 相 比 具有良好的中温红硬性 耐磨性和冲击韧性 同时比 3Cr2W8V 具有更好 的氮化性能 5 在淬火前必须进行预热处理 温度 800 850 保温时间以 0 5min mm 计 算 淬火温度 1000 1050 保温时间以 0 25min mm 计 算 可采用油淬或空冷 由热挤压模具材料选取表查得挤压铝合金所用的模具材料为 表 1 挤压模具选材 挤压材料铝合金 模具零件名称 模具材料 硬度 HRC 下模4Cr5MoSiV48 51 上模与芯棒4Cr3Mo3SiV48 51 下模内套4Cr5MoSiV42 47 垫块顶杆4Cr5MoSiV40 44 22 5 9 55 9 5 模具材料的热处理模具材料的热处理 模具的材料一方面为了便于加工 另一方面也为了满足以后使用的要求 需要进行热 处理加工 改变其硬度 韧性 疲劳强度等 退火工艺 热挤压模具钢通常采用等温球化退火工艺 退火的目的是为了消除应力 降低硬度 便于切削加工 同时为了改善模具钢的组织 为下一步的淬火工序 提供良好的显微组织 表 2 模具用钢的退火工艺 钢号退火工艺 退火后的硬度 HBS 4Cr5MoSiV860 890 炉冷至 500 出炉 223 4Cr3Mo3SiV 860 720 炉冷至 500 出炉 220 淬火工艺 淬火加热时间的选择原则是使合金元素充分固溶 完成组织转变 淬火冷 却可在油中进行 表 3 模具用钢的淬火工艺 回火工艺 淬火后立即回火 温度为 530 650 保温 2h 左右 其目的是获得模具 所要求的强韧性 即调节硬度及韧性 表 4 模具用钢的回火工艺 钢号淬火加热温度 淬火介质淬火后硬度 HRC 4Cr5MoSiV1000 1050油 空56 58 4Cr3Mo3SiV1090 1120油 空56 58 钢号 加热温 度 冷却方式回火次数 每次保温 时间 h 硬度 HRC 4Cr5MoSiV 530 560 空冷 22 48 50 4Cr3Mo3SiV 540 570 空冷 22 53 55 23 回火温度的选择原则是在不影响模具抗热疲劳能力的前提下 尽可能提高 模具的硬度 每一种模具都有一个较宽的回火温度区间 可以参照模具的主要 失效形式 依据实际应用效果 选定合适的回火温度 热挤压模具的回火次数 以两次为宜 每次回火后应冷到室温 一般情况第二次回火温度应稍低于第一 次回火温度 由于铝合金门窗模具模具有其自身的特点 在生产实践中 并不需要在修 模后进行淬火和回火处理 模具表面硬度不可过高 高的表面硬度固然会使模 具寿命延长 但是高硬度的模具挤压出的工作表面质量不高 所以通常对于铝 合金门窗模具并不进行渗氮处理加工 5 9 65 9 6 完成模具设计的实体图完成模具设计的实体图 图 8 上模和下模立体图 5 9 75 9 7 设计紧固支撑上模和下模的零部件设计紧固支撑上模和下模的零部件 热挤压模利用紧固零件 支撑零件 上模和下等工作零件的配合面来定位 对中 一般不采用定位销定位 为了实现固态挤压成形 在上座板和上模压板之间需要设置有垫板 通过 液压缸的动作 垫板的低表面和高表面分别在液态和固态挤压成形时与垫板进 出板接触 起到传递压力的作用 挤压加工时的单位挤压力可达 2000 2500Mpa 故在设计模具时 为减轻上 下模对上 下模模板的冲击力 应加装垫板 来分散压力 垫板厚度要适宜 必要时可设计成多层相同厚度垫 板 效果会更好 垫板必须采用工具钢经淬火后成形 多采用中碳钢板制成 上 下模座常用 45 钢制成 上模截面面积较大时 可用螺钉紧固到上模座上 24 预应力圈下模的预应力圈既可以是单层 也可以是两层以上 其中内圈应采用 5CrNiMo40Cr 导材料制成 而外圈最好采用 45 40Cr35CrMoA 材料制成 热 处理后硬度一般为 HRC42 44 组合下模的预应力 一般是由预应力圈的过 盈配合获得的 所以加工时 应特别注意其尺寸配合精度及过盈量 故在装配 时 应给予充分的保证 5 9 85 9 8 设计挤压模具的定位机构和配合导向装置设计挤压模具的定位机构和配合导向装置 设计热挤压模具的模架 并且设置良好的导向装置 以保证热挤压模具有 良好的导向 保证上模和下模准确对中 根据过去的经验 挤压时金属在挤压 筒中心流动是非常容易的 但是逾接近挤压筒内壁处 金属的流动性逐渐降低 同样地 当模口与模子中心距离相同 金属经过模口的流动性几乎没有例外地 与模口的相关尺寸成正比 计算模子工作带时 首先按上述基本原理考虑 模 口布局 然后按照模口尺寸和模子中心的距离确定工作带 5 9 95 9 9 选定合适的挤压速度和挤压温度选定合适的挤压速度和挤压温度 在挤压过程中 当挤压速度过快时 会造成金属流动不均匀 模具温度较 高等现象 如果此时金属变形产生的余热不能及时带走 模具就可能因局部过 热而失效 当挤压速度较适宜时就避免了不良后果的发生 合适的挤压速度与 模具的寿命有着极为密切的关系 理想的挤压速度是 挤压开始时 即上模刚 接触坯料时速度要低 以防止冲击而损坏模具 挤压开始后 速度适当提高并 保持稳定 保证挤压力均恒 使挤压出来的产品能够达到较高的尺寸精度和表 面粗糙度 挤压结束后 滑块以较高的速度回程 减少空行程时间 以提高生 产率 6 在散热片的整个挤压过程中 挤压速度应控制在 25mm s 以下 在挤压生产时 保持恒定的挤压温度能够使挤压出的产品表面质量更高 不会发生粘结 提高生产率和模具使用寿命 理想的挤压温度应在 450 520 6 6 模具的合理使用模具的合理使用 首先 模具预热要充分 对于中型挤压机所用的模具 应确保模具预热保 温 3 4h 否则由于模具热焓不足 变形温度过低而增大金属变形抗力最终导致 模具断裂或脆裂