國內(nèi)鋁型材擠壓行業(yè)發(fā)展迅猛，市場對超寬鋁型材的需求量正逐年上升，但是，由于5000噸以上的大型鋁型材擠壓機投資較大，并且大型鋁型材擠壓機的擠壓生產(chǎn)成本較高，因此，國內(nèi)目前只有少數(shù)大企業(yè)才裝備有5000噸以上的大型鋁型材擠壓機。而絕大多數(shù)鋁型材生產(chǎn)企業(yè)所裝備的擠壓機都是以4000噸以下的中小型擠壓機為主。用中小型擠壓機生產(chǎn)幾何尺寸較大的鋁型材時，由于受到擠壓筒直徑的限制，這類鋁型材的擠壓生產(chǎn)難度非常大，小機出大料問題一直是困擾鋁擠壓模具行業(yè)的技術(shù)難題。本文通過幾個具體的擠壓模具設計實例，談談超寬鋁擠壓模具的設計體會。
2、寬展設計原理
寬展模具就是在模具前端設置一個具有寬展功能的導流板，擠壓時使圓鑄錠產(chǎn)生一次預變形，變形后的鑄錠截面大致接近于寬厚比大的型材截面尺寸，使導流板的導流孔的寬度逐漸增大到接近或大于圓擠壓筒的內(nèi)徑，金屬再經(jīng)過二次變形流出模孔，以生產(chǎn)出外接圓尺寸超過圓擠壓筒直徑的大尺寸型材。在進行寬展模的設計過程中，要用到寬展率δB和寬展角β。
導流板的寬展率δB：
導流板的寬展角β為：
式中：δ----導流板的寬展率(通常在15%～35%范圍較合適);
β----導流板的寬展角(一般β角小于30°);
B2----為寬展直徑;
B1----為進料直徑;
HB----為導流板的厚度。
寬展角在一般情況下都選擇在30度以內(nèi)，如果寬展角過大，金屬將出現(xiàn)填充不良現(xiàn)象，但是，在特殊的情況下，采用特殊的模具結(jié)構(gòu)，可以突破常規(guī)極限，使寬展角設計的更大。
3、寬展模設計實例
設計實例一：工程料大裝飾板(如圖1)
模具設計基本參數(shù)：擠壓機噸位2500T，擠壓筒直徑φ236mm，擠壓系數(shù)18，模具直徑：φ460mm，合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,480～510℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度8～15m/min。
難點分析：該型材幾何尺寸較大，壁厚較薄，客戶對幾何尺寸公差和壁厚公差要求嚴格，型材外接圓超出了2500噸擠壓機模具進料孔極限，而且，該型材有兩個小模芯，由于受到分流孔進料直徑的限制，兩個小模芯的供料很難平衡，導致小模芯在上下方向上受力不均，小模芯容易發(fā)生嚴重偏移，從而影響出料成型，此外，由于型材中間的空腔較大，模具的擠壓死區(qū)面積過大，造成擠壓力大幅升高，因此，該型材在生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)斜角，波浪等缺陷，甚至會發(fā)生模具裂橋報廢。為了有效避免上述問題的產(chǎn)生，必須從改善模具的結(jié)構(gòu)入手，使模具各部分的供料均勻，模芯受力平衡。為了達到良好的出料效果，我們在設計模具時采取導流板兩次分流的結(jié)構(gòu)形式，導流板采取三孔沉橋的設計方案，如圖2所示，上模分流孔如圖3所示，模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。
該型材的左右部分不對稱，右半部分由于兩個小公頭的存在，比左半部分難出料，因此，在設計導流板時，應充分考慮左右兩部分的供料比例?；谏鲜龇治?，我們將該模具導流板設計成三孔結(jié)構(gòu)，右半部分由一個大分流孔供料，并將導流板設計成“半月形”如圖2，這種結(jié)構(gòu)能有效增大模具外側(cè)邊緣的供料，同時減少中間直沖部分的供料，根據(jù)經(jīng)驗公式計算，導流板右邊的分流孔進料面積與上下分流孔的進料面積比例，設計為1:1.3。為使遠離擠壓中心的邊緣部分的型材供料充分，導流板的分流橋采用斜面向外過渡，以減小邊緣部分的金屬流動阻力。
經(jīng)上機試模證明，這種結(jié)構(gòu)能有效平衡兩個小模芯的受力，型材各處的金屬流量分配較為合理，模具上機出料平穩(wěn)，料頭整齊，各處壁厚較為均勻，僅小公頭端面處出料略慢，兩個小模芯位置輕微收口，經(jīng)一次修模調(diào)整后，生產(chǎn)的型材成型理想，完全滿足客戶要求。
設計實例二：工業(yè)型材風車中空機翼(如圖5)
模具設計基本參數(shù)：擠壓機噸位2500T，擠壓筒直徑φ236mm，擠壓系數(shù)23，模具直徑：φ460mm，合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,480～510℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度8～15m/min。
難點分析：該型材幾何尺寸較大，客戶對圓弧部分精度要求較高。該型材如果在3600噸擠壓機(擠壓筒直徑300mm—320mm)上生產(chǎn)的話，較為容易，但是由于受到設備條件的限制，2500噸擠壓機的擠壓筒直徑偏小(φ236mm)，給生產(chǎn)造成了較大的難度，該型材兩邊遠離擠壓中心的位置供料較為困難，出料以后由于流速不均，容易造成圓弧部分變形，難以滿足客戶對圓弧部位尺寸精度的要求。同時，由于模具的橫向橋位跨度過大，模芯處的擠壓死區(qū)面積也較大，使模具橋位的抗彎強度大大下降，在擠壓生產(chǎn)過程中，當模具承受較大壓力載荷時，橋位的變形撓度增大，在橋位水滴處形成較大的拉應力，從而造成裂橋報廢。
針對上述問題，我們通過采用導流板寬展結(jié)構(gòu)，使型材邊緣部分的供料充足，同時，在導流板與上模之間預留變形間隙，對上模起到保護作用，這種結(jié)構(gòu)能有效提高模具橋位的抗彎強度。
我們將導流板(如圖6所示)設計成四孔結(jié)構(gòu)，導流板的中間架橋，分流橋采用斜面向外過渡，目的是為了減小分流孔邊緣部分的金屬流動阻力。上模分流孔設計成八孔結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，每個導流板的進料孔分別為上模的兩個分流孔供料，模具結(jié)構(gòu)如圖8所示
金屬通過導流板后，進行了第一次預變形，通過調(diào)整導流板的進料結(jié)構(gòu)，可使模具各部分的流速更加均勻，另外，在導流板與上模之間留出一定的預變形間隙，當模具受到壓力作用時，導流板可承受大部分變形載荷，從而減少了上模的變形量，極大地改善了上模模橋的應力分布狀態(tài)，上模在擠壓過程中所產(chǎn)生的變形撓度大為減小，使模具橋位的抗彎強度大大增加，顯著提高了模具的使用壽命。
在實際生產(chǎn)過程中，該模具出料平穩(wěn)，料頭整齊，型材各處壁厚均勻，各個圓弧位的尺寸精度較高，生產(chǎn)出的型材成型狀況非常理想，模具上機一次合格，大大縮短了交貨周期。
難點分析：該型材幾何尺寸較大，形狀復雜，型材兩邊的兩個小公頭已經(jīng)超出了2500噸擠壓機的擠壓筒直徑(如圖9)，因此，在2500噸擠壓機上生產(chǎn)的難度很大，為了充分發(fā)揮2500噸擠壓機的工作潛能，我們經(jīng)過詳細的強度校核計算，設計了新結(jié)構(gòu)的導流板，通過采用寬展導流模的結(jié)構(gòu)，用2500噸擠壓機成功生產(chǎn)出了滿足客戶需求的合格產(chǎn)品，大大降低了生產(chǎn)成本。
該型材雖然在結(jié)構(gòu)上左右對稱，但形狀較為復雜，尤其在內(nèi)側(cè)有7個裝配凹槽，這些凹槽處供料較為困難，在擠壓過程中容易造成收口變形等成型缺陷，同時，由于左右兩個小公頭已經(jīng)超出了擠壓筒直徑，容易發(fā)生嚴重偏壁，甚至導致模芯斷裂報廢，因此，在設計模具時，必須保證模具各部位供料平衡以及模芯的受力平衡。為了使模芯在左右方向上的受力達到平衡，我們設計了大寬展率的導流板，通過沉橋減少了邊緣阻力，使導流板寬展角最大達到38°(如圖10所示)。模具的上模分流孔采用扇面狀均勻分布(如圖11所示)。模具結(jié)構(gòu)如圖12所示。
在設計過程中通過經(jīng)驗公式計算，調(diào)整各分流孔的供料面積，使型材各個部位的流速更加均勻，模芯的受力情況得到極大改善，避免了偏壁現(xiàn)象。
該模具上機后，總體出料情況較為理想，料頭整齊，壁厚較為均勻，但中橫處偏快，左右凹槽偏慢，造成一定程度的收口變形，經(jīng)過修模調(diào)整后，該模具成功生產(chǎn)出了合格產(chǎn)品。
設計實例四：大型工業(yè)用散熱器(如圖13所示)
模具設計基本參數(shù)：擠壓機噸位2500T，擠壓筒直徑?236mm，擠壓系數(shù)8，模具直徑：￠460mm;合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,490～520℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度6～12m/min。
難點分析：該散熱器型材有多處裝配位，客戶為了減少后續(xù)的機加工成本，對型材的尺寸精度和平面度要求很高，并且，該型材幾何尺寸較大，大大超出了2500噸擠壓機的擠壓筒直徑(如圖13所示)，該散熱器齒位壁厚2.0mm，中橫處壁厚達13mm，由于較難出料的齒位處于遠離擠壓中心的邊緣位置，而處于擠壓中心的中橫處的壁厚較厚，因此，該型材的齒位供料將極為困難，如采用普通模具設計方案，該型材中橫部分的流速會很快，將難以控制，而齒位很可能因流速過慢而造成塞模，甚至偏齒。為了解決流速控制的難題，必須設計超大寬展角的導流板，我們在2500噸擠壓機上采用了新穎的“兩級復合導流板”結(jié)構(gòu)。
一級導流板如圖14所示，該導流板采用中間架橋的兩孔結(jié)構(gòu)，并向兩側(cè)進行大角度寬展，寬展角達41.3°。二級導流板如圖15所示，該導流板采用10孔結(jié)構(gòu)，型材流速過快的中橫處被橋位完全遮擋，同時加大兩端齒位處分流孔的供料面積，通過經(jīng)驗公式計算，我們將齒位處分流孔與中橫處分流孔的面積比例設計為1.8：1。同時，齒位處分流孔采用直沖供料和沉橋的結(jié)構(gòu)，如圖15所示。模具結(jié)構(gòu)如圖16所示。
該模具的兩級導流板結(jié)構(gòu)，能最大限度的合理分配金屬流量和流速，當金屬進入一級導流板后，遇到二級導流板橋位的阻擋，金屬將更多的向兩端的齒位處分流，從而實現(xiàn)模具的流速和流量控制。
該模具加工完成后，上機一次合格，型材成型非常理想，齒位供料充足，中橫處的流速得到有效控制，料頭整齊，尺寸精度和平面精度較高，完全滿足客戶的要求。
4、小結(jié)：
對于寬厚比較大的扁寬型材，模具采用導流板寬展結(jié)構(gòu)，能有效擴展金屬在模具中的流動范圍，金屬在經(jīng)過導流板進行第一次寬展預變形后，再進入上模分流孔進行第二次分流，模具的供料結(jié)構(gòu)更為均勻合理，這種結(jié)構(gòu)能顯著改善型材出料的成型度，同時大大提高模具的強度和穩(wěn)定性，在實際生產(chǎn)過程中，寬展模能夠使擠壓機的工作潛能發(fā)揮到最大程度，使“小機出大料”的生產(chǎn)難題在很大程度上得到有效解決。
設計實例三:工業(yè)型材結(jié)構(gòu)立柱(如圖9)
模具設計基本參數(shù)：擠壓機噸位2500T，擠壓筒直徑φ236mm，擠壓系數(shù)12，模具直徑：φ460mm，合金牌號6063，擠壓筒溫度400～430℃，鑄錠溫度,480～510℃，模具溫度460-480℃，擠壓速度8～15m/min。
