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新用户7793A0ll 2023-05-20 发布于广东

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摘要：针对一种给定的复杂空心铝合金型材（BL-准76-1）进行平面分流组合模的设计。结合型材的特点设计了模具的分流孔、分流桥、焊合室、模芯、工作带、模孔、空刀的结构与尺寸。实践证明，模具设计合理，可以应用于实际生产。关键词： BL-准76-1 铝合金型材；平面分流组合模；模具设计

1 BL-准76-1 铝合金型材工艺分析

图 1 所示 BL-准76-1 铝合金型材即为一种海船上使用的空心结构型材，该型材属于近似的圆形结构，对称性较好，厚薄差距大（最大壁厚有 8.5mm，而最小壁厚只有 1.9mm），截面形状复杂，整个断面结构呈连续状，并且型材的外部既有凸起又有凹陷，内部为空心圆，型材成型困难，属于空心型材Ⅰ级。

BL-准76-1 铝合金型材的外接圆直径是 93mm，型材周长 L 为 489.15mm，型材截面积 A 为 1091.4mm2，提供的供挤压铝棒直径为 197mm。根据公司所拥有挤压机吨位及计算得挤压力选择 20MN 挤压机，并确定挤压筒直径为 210 mm。

2 模具种类选择

由于所要挤出的是空心型材，且断面形状比较复杂，壁厚差较大，所以本设计采用了平面分流组合模。平面分流组合模一般由阳模（上模）、阴模（下模）、定位销、联结螺钉四部分组成。在上模上有分流孔、分流桥和模芯；在下模上有焊合室、模孔型腔、工作带和空刀[1]。

3 平面分流组合模结构设计

3.1 分流孔的设计

分流孔在模子平面上的合理布局，对于平衡金属流速，减小挤压力，促进金属的流动与焊合，提高模具寿命都有一定影响。此外，分流孔的布置应尽量与制品保持几何相似性。为了保证模具强度和产品质量，分流孔不能过于靠近挤压筒或模具边缘；为了保证金属的合理流动及模具寿命，分流孔也不宜过于靠近挤压筒中心。而分流孔的个数要根据零件的外形尺寸、截面形状和模孔的排列位置来确定[1]。

由于 BL-准76-1 铝合金型材是对称型材，为了简化工艺，减少设计、加工与修模的难度，增大试模和修模的可操作性，设计中采用了等分流孔设计方法。根据型材形状选用 6 个对称的扇形分流孔，每个分流孔到模具中心的距离基本相等，而且其截面积和形状基本相同。为了降低挤压力，提高焊合质量，采用了外锥度为 3.6°，内锥度为 5°的斜分流孔。结合各种因素设计出分流孔如图 2 所示。

分流孔采取这样的布置，将四个角上壁厚较薄且带有凸起的部位稍露出在分流口下可以使得这些部位的金属挤出速度加快，填充容易；而将壁厚较厚金属流入容易的部位安置在分流桥下，则可适当降低这些部位的金属流速从而利于金属的均衡流动。另一方面，采取这样的布置，金属焊合时所产生的焊缝将出现在壁厚较厚的部位，从而保证了挤出型材的强度和表面质量，防止薄壁部分被焊缝穿过而破坏。采用 6 孔分流，增加了分流桥的数量，同时也增加了模具的抗剪强度；而 6 孔对称分布，则使得模芯受各向均匀的力，其刚度校核也可忽略不计。

3.2 分流桥的设计

分流桥的宽窄与模具强度和金属的流量有关，从增大分流比、降低挤压力来考虑，分流桥宽度 B 应选择得小些；但从改善金属流动的均匀性来考虑，模孔最好能被分流桥遮蔽，B 应大些。一般用式 B= b+(3～20)mm 进行参数设计，式中 b 为模孔型腔宽度[2]。在保证模具具有足够强度的条件下，分流桥应尽量设计的短而宽。在此设计分流桥宽 22mm。

分流桥的高度 h 桥直接影响挤压力的大小和模具强度，一般在保证模具强度的前提下，h 桥越小越好，这样可以降低挤压力。在此对桥高进行了粗略的强度校核，同时为了加工的方便，桥高就取上模的高度。

分流桥截面形状主要有矩形、矩形倒角和水滴形 3 种，如图 3 所示[1]。矩形倒角截面和水滴形（或近似水滴形）截面的分流桥有利于金属的流动和焊合，而且便于模具加工。现采用水滴形截面，分流桥斜度（即焊合角）取为 30°，桥底圆角 3mm。

3.3 模芯（或舌头）设计

模芯相当于穿孔针，其定径区决定制品的内腔现状和尺寸，其结构直接影响模具的强度、金属焊合质量和模具的加工方式。模芯的结构形式，常见的有3 种：圆柱形模芯，双锥体模芯和锥体模芯。而模芯的定径带又有凸台式、锥台式和锥式 3 种，模芯宽度在 b<10mm 时多采用锥式，在 10mm<b<20mm 时多采用锥台式，在 b>20mm 时多采用凸台式。如图 4 所示[1]。在本设计中 b=76.2>20mm，因此采用锥体模芯凸台式。

一般来说，为了保护下模的工作带及其有效长度，在确定模芯工作带时，总要比下模工作带上部分长出 1～2mm；如果型材壁厚很薄，小于 0.6mm 时，可以持平；而且一般情况下，也要比下模工作带下部分长出 1.5～2.0mm，但当工作带长度悬殊很大时，可以只考虑超出短工作带部分 1.5～2.0mm。

3.4 焊合室的设计

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，在两个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。碟形焊合室则有利于消除这种死区，提高焊缝质量，同时，在碟形焊合室相对应的分流桥根部也可做成凸台，改善金属流动，减少挤压阻力。所以，通常选蝶形焊合室。在此即选择蝶形焊合室，如图 5 所示。

焊合室高度是指分流桥底部与模孔入口平面之间的距离。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，但太深又影响模芯的稳定性，易出现空心制品壁厚不均匀现象，同时分离残料后，积存金属过多，会降低制品的成品率。对于中小型挤压机，一般可取h 焊 =10～20mm 或等于管材壁厚的 6～10 倍[1]。因为选择的挤压机为 20MN，在此确定焊合室深度为 15mm。

3.5 模孔尺寸设计

BL-准76-1 铝合金型材的形状复杂，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质量，减少用材和降低成本。因此，外形和壁厚尺寸

可按下平偏差考虑。在模具设计时，主要考虑制品冷却后的收缩量和拉伸后的缩减量。在实际设计中，虽然不同材料的挤压收缩量有少许区别，但通常对所有尺寸均按 1%计算，即，模孔尺寸是型材尺寸的

1.01 倍。模孔尺寸如图 6 所示。

3.6 模孔工作带设计

确定平面分流组合模的模腔工作带长度要比平面模复杂得多，因为它不仅要考虑型材的壁厚差，距挤压简中心的远近，而且还必须考虑模孔被分流桥遮敞的情况以及分流孔的大小和分布。

型材壁厚如果悬殊比较大，在挤压时厚壁部分的金属因为通道宽敞较薄壁部位先流出模孔，为限制它的流动，一般从工作带上来调整，加长厚壁部位工作带长度，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，迫使金属向阻力小的部位流动，从而使型材整个断面上的金属流动趋于均匀[4]。同时，处于分流桥下的模孔由于金属流进困难，工作带必须减薄。选取分流桥下壁厚最薄而流动阻力最大的地方作为模腔工作带长度最短处，此处工作带的长度为壁厚的两倍。壁厚较厚或金属容易流动和供料较充分的地方，工作带长度可参考上述最小值适当加长。

在设计时，先找出那些在分流桥下、远离分流孔、处于挤压轴中心部分、最窄的模孔，选择其中最难进料的部分作为工作带最低部位，其长取为壁厚的 2 倍，再以此做为基准，其它部位视具体情况可以依据上面的原则来确定。为了使工作带长悬殊不大，一般也会把分流桥设置在那些壁厚比较大的部位。在相邻的两个不同长度的工作带之间最好取斜过渡，这样不至于突然转变影响制品质量。

3.7 模孔空刀结构设计

模孔空刀，即模口工作带出口端悬梁支承结构。BL-准76-1 铝合金型材比较薄，空刀结构更应合理设计。空刀量应适中，即可以保证模具强度，又不至于划伤制品和造成堵模现象。空刀量过大，工作带支承薄弱，在受挤压力的作用下可能把工作带挤压变形甚至挤掉；空刀量过小，挤压出的铝会粘着在空刀部位，造成堵模。所以在此设计了二级空刀，因为铝制品在挤出时越长越容易偏，越容易粘在空刀部位，选择二级空刀既可以保证模具强度又能防止堵模。如图 8。