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摘要：模具是铝合金挤压生产的重要工艺装备，优良的模具设计方案与制造技术可保证模具可靠性，提高模具使用寿命，降低生产成本，对保证生产的经济、高效有重要意义。实际生产中广泛应用的挤压模具主要是平面分流组合模，现对这种模具的组成结构及其设计技术做一个介绍。
关键词：常用空心铝 挤压模具 设计技术
中图分类号：TG375+.41文献标识码：A
1 模具结构
平面分流组合模一般由上模、下模、定位销、连接螺钉四部分构成，如图所示。上模有分流孔、分流桥和模芯，分流孔是金属通往模孔的通道，分流桥用以支承模芯，而模芯用来成型型材内腔。下模上有焊合室、模孔、工作带和空刀，焊合室是把分流孔流出的金属汇集起来重新焊合的场所，金属流在焊合室中不断聚集，静压力不断增大，直至挤出模孔。工作带部分用于确定型材的外部尺寸和形状以调节金属流速，而空刀是为了减少摩擦，使制品顺利通过，避免划伤，保证型材表面质量。
图1 平面分流组合模的基本结构
1-上模 2-下模 3-销子 4-焊合室 5-模芯 6-工作带 7-空刀 8-螺钉 9-分流孔 10-分流桥
2 铝挤压模具设计技术
2.1分流比的设计
分流比（K）就是各分流孔的断面积（F分）与型材断面积（F型） 之比，即K=∑F分/ F型。分流比K的大小直接影响挤压力的大小，K值越大，越有利于金属流动和焊合，也可降低挤压力。在模具强度允许的情况下，应选较大的分流比，一般经验数据可取K=15-40。
为了分析挤压变形过程，反映二次变形的本质，可先求出分流孔的断面积（F分）与焊合室的断面积（F焊）之比K1、焊合室的断面积（F焊）与型材断面积（F型） 之比K2：
K= K1*K2=（F分/ F焊）*（F焊/ F型）
2.2分流孔的形状、数目及分布
分流孔的形状有圆形、腰子形、扇形及异形等，选用何种形状的分流孔主要视型材形状而定。对于管材和复杂形状型材多取扇形和异型分流孔，对于扁宽空心壁板型材多取矩形或弧形分流孔。分流孔数目通常有两孔、三孔、四孔和多孔等。为减少焊缝，降低挤压力，分流孔数目应尽可能少。分流孔的断面尺寸主要依据制品尺寸、面积以及所需要的分流比，并结合模具强度来确定。另外，为了保证模具强度和金属的合理流动，分流孔的布置既不能过于靠近挤压筒中心，也不能过于靠近挤压筒或模具的边缘。
2.3分流桥的设计
分流桥的宽度与模具强度和金属流量有关，其高度直接影响模具寿命、挤压力及焊缝质量。从增大分流比、增加金属流量、降低挤压力来考虑，分流桥应设计的窄些，但从减少焊缝数量、保证模具强度考虑，分流桥应设计的宽些。根据经验，桥宽取值公式为：
B=0.7D筒/n
式中：
B—分流桥宽度；
D筒—挤压筒内径；
n—分流孔数目。
2.4焊合室的设计
为保证金属的焊合质量、焊合室深度应当适中。过浅无法建立起足够的静压力，导致焊合不良；过深会对模芯的稳定性造成影响，焊合室高度一般取挤压筒内径的10-15%。
2.5模孔尺寸设计
考虑模具变形等因素，模孔尺寸有以下公式：
A=（1+K）A0+T
式中：
Ao为型材名义尺寸；
T为型材允许偏差；
K为经验系数，取值0.006-0.012。
2.6模孔工作带及空刀的设计
为了方便起见，在设计时根据型材断面各处壁厚的差异将其分成若干区段。根据型材各区段金属质点流速均等的原则，由补充应力法确定工作带长度公式：
H1/H2=F1*P2/（F2*P1）
式中：
H—模孔工作带长度；
F—模孔工作带面积；
P—模孔工作带周长。
由上式可见，型材模孔各区段工作带长度与其面积成正比，与其周长成反比。面积大小反映金属量分配情况，周长大小反映摩擦力分布情况，因此本方法的实质就是根据金属量的分配和摩擦力的大小均衡金属流速。
当制品厚度较大（大于2mm）时，模孔空刀可采用易于加工的直线式结构，当壁厚小于2mm或带有悬臂或危险断面时，为了降低阻力，增加模具强度，空刀应做1。～3。的斜度。
2.7模具强度校核
平面分流组合模的主要破坏形式是分流桥因弯曲应力而被破坏和分流孔在危险断面被剪断。模具设计过程中应进行剪切应力与弯曲应力校核。
2.7.1分流桥抗弯强度校核：
式中：Hmin——分流桥的最小高度；
L——分流桥两个危险断面之间的长度；
P——挤压筒内比压；
[σb]——模具材料的许用应力。
2.7.2分流孔道抗剪强度校核：
式中：
p——挤压机的公称压力；
n——分流孔数目；
F——分流孔间最短距离为长度，模子厚度为高度所形成的面积；
[τ]——模具材料的许用应力。
3 结论与建议
为保证模具设计制造质量，需从原材料质量、设计方案检验、加工质量把控等方面着手，提高模具的使用可靠性。
（1）合理选择工模具材料，改进材料质量和发展新型工模具材料。
（2）对模具设计方案采用虚拟验证技术进行检验，避免设计缺陷。国内外同行采用数值模拟（CAE）对优化铝挤压模具设计方案进行了探索和尝试，取得了不少具有實际应用价值的研究成果。
（3）保证加工质量，采用新的加工方法和加工工艺，采用电子计算机辅助制造（CAM）等措施。
结语
铝合金挤压模具在型材挤压生产过程中起着重要作用，模具设计的质量对挤压成型过程影响很大。本文以生产过程中广泛使用的平面分流组合模为例，介绍了其结构设计要素及设计过程。
参考文献：
[1] 刘智勇,祁向荣,林卓毅.铝型材挤压模超声水浸检测的设计与实现[J]. 轻工科技. 2013(09)
[2] 邓汝荣,李昌权.具有小模芯的铝型材挤压模的加工方法分析[J]. 轻合金加工技术. 2013(10)
[3] 张明哲,刘东.挤压工艺中组合凹模的设计[J]. 机械工程师. 2012(09)
[4] 梁美婵,何家金,刘正林,蒋万生.LED灯具散热铝型材的挤压模具设计[J]. 上海有色金属. 2012(03)
[5] 丁司懿,周照耀,潘健怡,曹文炅.ALE有限元法在铝型材挤压模具优化设计中的应用[J]. 热加工工艺. 2012(19)
[6] 李美求,吕志鹏,周思柱.基于DEFORM-3D的挤压组合凹模设计[J]. 热加工工艺. 2012(19)
关键词：常用空心铝 挤压模具 设计技术
中图分类号：TG375+.41文献标识码：A
1 模具结构
平面分流组合模一般由上模、下模、定位销、连接螺钉四部分构成，如图所示。上模有分流孔、分流桥和模芯，分流孔是金属通往模孔的通道，分流桥用以支承模芯，而模芯用来成型型材内腔。下模上有焊合室、模孔、工作带和空刀，焊合室是把分流孔流出的金属汇集起来重新焊合的场所，金属流在焊合室中不断聚集，静压力不断增大，直至挤出模孔。工作带部分用于确定型材的外部尺寸和形状以调节金属流速，而空刀是为了减少摩擦，使制品顺利通过，避免划伤，保证型材表面质量。
图1 平面分流组合模的基本结构
1-上模 2-下模 3-销子 4-焊合室 5-模芯 6-工作带 7-空刀 8-螺钉 9-分流孔 10-分流桥
2 铝挤压模具设计技术
2.1分流比的设计
分流比（K）就是各分流孔的断面积（F分）与型材断面积（F型） 之比，即K=∑F分/ F型。分流比K的大小直接影响挤压力的大小，K值越大，越有利于金属流动和焊合，也可降低挤压力。在模具强度允许的情况下，应选较大的分流比，一般经验数据可取K=15-40。
为了分析挤压变形过程，反映二次变形的本质，可先求出分流孔的断面积（F分）与焊合室的断面积（F焊）之比K1、焊合室的断面积（F焊）与型材断面积（F型） 之比K2：
K= K1*K2=（F分/ F焊）*（F焊/ F型）
2.2分流孔的形状、数目及分布
分流孔的形状有圆形、腰子形、扇形及异形等，选用何种形状的分流孔主要视型材形状而定。对于管材和复杂形状型材多取扇形和异型分流孔，对于扁宽空心壁板型材多取矩形或弧形分流孔。分流孔数目通常有两孔、三孔、四孔和多孔等。为减少焊缝，降低挤压力，分流孔数目应尽可能少。分流孔的断面尺寸主要依据制品尺寸、面积以及所需要的分流比，并结合模具强度来确定。另外，为了保证模具强度和金属的合理流动，分流孔的布置既不能过于靠近挤压筒中心，也不能过于靠近挤压筒或模具的边缘。
2.3分流桥的设计
分流桥的宽度与模具强度和金属流量有关，其高度直接影响模具寿命、挤压力及焊缝质量。从增大分流比、增加金属流量、降低挤压力来考虑，分流桥应设计的窄些，但从减少焊缝数量、保证模具强度考虑，分流桥应设计的宽些。根据经验，桥宽取值公式为：
B=0.7D筒/n
式中：
B—分流桥宽度；
D筒—挤压筒内径；
n—分流孔数目。
2.4焊合室的设计
为保证金属的焊合质量、焊合室深度应当适中。过浅无法建立起足够的静压力，导致焊合不良；过深会对模芯的稳定性造成影响，焊合室高度一般取挤压筒内径的10-15%。
2.5模孔尺寸设计
考虑模具变形等因素，模孔尺寸有以下公式：
A=（1+K）A0+T
式中：
Ao为型材名义尺寸；
T为型材允许偏差；
K为经验系数，取值0.006-0.012。
2.6模孔工作带及空刀的设计
为了方便起见，在设计时根据型材断面各处壁厚的差异将其分成若干区段。根据型材各区段金属质点流速均等的原则，由补充应力法确定工作带长度公式：
H1/H2=F1*P2/（F2*P1）
式中：
H—模孔工作带长度；
F—模孔工作带面积；
P—模孔工作带周长。
由上式可见，型材模孔各区段工作带长度与其面积成正比，与其周长成反比。面积大小反映金属量分配情况，周长大小反映摩擦力分布情况，因此本方法的实质就是根据金属量的分配和摩擦力的大小均衡金属流速。
当制品厚度较大（大于2mm）时，模孔空刀可采用易于加工的直线式结构，当壁厚小于2mm或带有悬臂或危险断面时，为了降低阻力，增加模具强度，空刀应做1。～3。的斜度。
2.7模具强度校核
平面分流组合模的主要破坏形式是分流桥因弯曲应力而被破坏和分流孔在危险断面被剪断。模具设计过程中应进行剪切应力与弯曲应力校核。
2.7.1分流桥抗弯强度校核：
式中：Hmin——分流桥的最小高度；
L——分流桥两个危险断面之间的长度；
P——挤压筒内比压；
[σb]——模具材料的许用应力。
2.7.2分流孔道抗剪强度校核：
式中：
p——挤压机的公称压力；
n——分流孔数目；
F——分流孔间最短距离为长度，模子厚度为高度所形成的面积；
[τ]——模具材料的许用应力。
3 结论与建议
为保证模具设计制造质量，需从原材料质量、设计方案检验、加工质量把控等方面着手，提高模具的使用可靠性。
（1）合理选择工模具材料，改进材料质量和发展新型工模具材料。
（2）对模具设计方案采用虚拟验证技术进行检验，避免设计缺陷。国内外同行采用数值模拟（CAE）对优化铝挤压模具设计方案进行了探索和尝试，取得了不少具有實际应用价值的研究成果。
（3）保证加工质量，采用新的加工方法和加工工艺，采用电子计算机辅助制造（CAM）等措施。
结语
铝合金挤压模具在型材挤压生产过程中起着重要作用，模具设计的质量对挤压成型过程影响很大。本文以生产过程中广泛使用的平面分流组合模为例，介绍了其结构设计要素及设计过程。
参考文献：
[1] 刘智勇,祁向荣,林卓毅.铝型材挤压模超声水浸检测的设计与实现[J]. 轻工科技. 2013(09)
[2] 邓汝荣,李昌权.具有小模芯的铝型材挤压模的加工方法分析[J]. 轻合金加工技术. 2013(10)
[3] 张明哲,刘东.挤压工艺中组合凹模的设计[J]. 机械工程师. 2012(09)
[4] 梁美婵,何家金,刘正林,蒋万生.LED灯具散热铝型材的挤压模具设计[J]. 上海有色金属. 2012(03)
[5] 丁司懿,周照耀,潘健怡,曹文炅.ALE有限元法在铝型材挤压模具优化设计中的应用[J]. 热加工工艺. 2012(19)
[6] 李美求,吕志鹏,周思柱.基于DEFORM-3D的挤压组合凹模设计[J]. 热加工工艺. 2012(19)