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工业铝型材挤压模具设计思路与步骤

时间:2018-09-05 作者:上海哲朔模型设计有限公司


一、工业铝型材挤压模具设计时应考虑的因素




   工业铝型材挤压模具设计是介于机械加工与压力加工之间的一种工艺性设计。除了应参考机械设计所需遵循的原则以外,尚需考虑热挤压条件下的各种工艺因素。




   (1)由模子设计者确定的因素


   工业铝型材挤压机的结构,压型嘴或模架的选择或设计,模子的结构和外形尺寸,模子材料,模孔数和挤压系数,制品的形状、尺寸及允许的公差,模孔的形状、方位和尺寸,模孔的收缩量、变形挠度、定径带与阻碍系统的确定,以及挤压时的应力应变状态等。


   (2)由模子制造者确定的因素


   模子尺寸和形状的精度,定径带和阻碍系统的加工精度,表面光洁度,热处理硬度,表面渗碳、脱碳及表面硬度变化情况,端面平行度等。


   (3)由挤压生产者确定的因素


   模具的装配及支承情况,铸锭、模具和挤压筒的加热温度,挤压速度,工艺润滑情况,产品品种及批量,合金及铸锭品质,牵引情况,拉矫力及拉伸量,被挤压合金铸锭规格,产品出模口的冷却情况,工模具的对中性,工业铝型材挤压机的控制与调整,导路的设置,输出工作台及矫直机的长度,工业铝型材挤压机的能力和挤压筒的比压,挤压残料长度等。




   在设计前,拟订合理的工艺流程和选择工艺参数,综合分析影响模具效果的各种因素,是合理设计挤压模具的必要和充分条件。




二、铝型材模具设计的原则与步骤




   在充分考虑了影响设计的各种因素之后,应根据产品的类型、工艺方法、设备与模具结构来设计模腔形状和尺寸,但是,在任何情况下,模腔的设计均应遵守如下的原则与步骤。




   (1)确定设计模腔参数


   设计正确的挤压型材图,拟订合理的挤压工艺,选择适当的挤压筒尺寸,挤压系数和工业铝型材挤压机的挤压力,决定模孔数。这一步是设计挤压模具的先决条件,可由挤压工艺人员和设计人员根据生产现场的设备条件、工艺规程和大型基本工具的配备情况共同研究决定。


   (2)模孔在铝型材模子平面上的合理布置


   所谓合理的布置就是将单个或多个模孔,合理地分布在模子平面上,使之在保证模子强度的前提下获得金属流动均匀性。单孔的棒材、管材和对称良好的型材模,均应将模孔的理论重心置于模子中心上,各部分壁厚相差悬殊和对称性很差的产品,应尽量保证模子平面x轴和l,轴的上下左右的金属量大致相等,但也应考虑金属在挤压筒中流动特点,使薄壁部分或难成形部分尽可能接近中心,多孔模的布置主要应考虑模孔数目、模子强度(孔间距及模孔与模子边缘的距离等),制品的表面品质、金属流动的均匀性等问题。一般来说,多孔模应尽量布置在同心圆周上,尽量增大布置的对称性(相对于挤压筒的X、Y轴),在保证模子强度的条件(孔间距应大于30~50 mm,模孔距模子边缘应大于25~50 mm),模孔间应尽量紧凑和尽量靠近挤压筒中心(离挤压筒边缘大于20~40 mm)。


   (3)模孔尺寸的合理计算


   计算模孔尺寸时,主要考虑被挤压合金的化学成分、产品的形状和公称尺寸及其允许公差,挤压温度及在此温度下模具材料与被挤压合金的热膨胀系数,产品断面上的几何形状的特点及其在挤压和拉伸矫直时的变化,挤压力的大小及模具的弹塑性变形情况等因素。对于型材来说,一般用以下公式进行计算:


A=A0 + M + (KY + KP + KT ) A0             (4—3—1)


式中  A0——型材的公称尺寸;


   M——型材公称尺寸的允许偏差;


   KY——对于边缘较长的丁字形、槽形等型材来说,考虑由于拉力作用而使型材部分尺寸减少的系数;


   KP——考虑到拉伸矫直时尺寸缩减的系数;


   KT——管材的热收缩量。


KT =t·(α- t1)·α1          (4—3—2)


式中  t和t1——分别为坯料和模具的加热温度;


   α和α1——分别为坯料和模具的线膨胀系数。


  对于壁厚差很大的型材,其难于成形的薄壁部分及边缘尖角区应适当加大尺寸。对于宽厚比大的扁宽薄壁型材及壁板型材的模孔,桁条部分的尺寸可按一般型材设计,而腹板厚度的尺寸,除考虑公式(4—3—1)所列的因素外,尚需考虑模具的弹性变形与塑性变形及整体弯曲,距离挤压筒中心远近等因素。此外,挤压速度,有无牵引装置等对模孔尺寸也有一定的影响。


   (4)合理调整金属的流动速度


   所谓合理调整就是在理想状态下,保证制品断面上每一个质点应以相同的速度流出模孔。尽量采用多孔对称排列,根据型材的形状,各部分壁厚的差异和比周长的不同及距离挤压筒中心的远近,设计不等长的定径带。一般来说,型材某处的壁厚越薄,比周长越大,形状越复杂,离挤压筒中心越远,则此处的定径带应越短。当用定径带仍难于控制流速时,对于形状特别复杂,壁厚很薄,离中心很远的部分可采用促流角或导料锥来加速金属流动。相反,对于那些壁厚大得多的部分或离挤压筒中心很近的地方,就应采用阻碍角进行补充阻碍,以减缓此处的流速。此外,还可以采用工艺平衡孔,工艺余量或者采用前室模、导流模、改变分流孔的数目、大小、形状和位置来调节金属的流速。


   (5)保证足够的模具强度


   由于铝型材挤压时模具的工作条件十分恶劣,所以模具强度是模具设计中的一个非常重要的问题。除了合理布置模孔的位置,选择合适的模具材料,设计合理的铝型材模具结构和外形之外,精确地计算挤压力和校核各危险断面的许用强度也是十分重要的。目前计算挤压力的公式很多,但经过修正的别尔林公式仍有工程价值。挤压力的上限解法,也有较好的适用价值,用经验系数法计算挤压力比较简便。至于模具强度的校核,应根据产品的类型、模具结构等分别进行。一般平面模具只需要校核剪切强度和抗弯强度。舌型模和平面分流模则需要校核抗剪、抗弯和抗压强度,舌头和针尖部分还需要考虑抗拉强度等。强度校核时的一个重要的基础问题是选择合适的强度理论公式和比较精确的许用应力。近年来,对于特别复杂的模具可用有限元法来分析其受力情况与校核强度。




三、铝型材模具设计的技术条件及基本要求




   模具的结构、形状和尺寸设计计算完毕之后,要对模具的加工品质、使用条件提出基本要求。这些要求主要是:


   (1)有适中而均匀的硬度,模具经淬火、回火处理后,其硬度值为40~52HRC(根据模具的尺寸而定,尺寸越大,要求的硬度越低)。


   (2)有足够高的制造精度,模具的形位公差和尺寸公差符合图纸的要求(一般按负公差制造),配合尺寸具有良好的互换性。




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