一種遮蓋約束式鋁型材分流擠壓模

翁佳銘，羅藝茹，郭俊馳，盤德文，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣州 510550）

0 前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高、現(xiàn)代科技的進步，特別是制造業(yè)的日益發(fā)展和現(xiàn)代加工技術(shù)的提高，人們對鋁合金有了越來越深的了解和認識。由于鋁合金具有良好的抗腐蝕性、輕量性、可焊接性等特點，使得鋁合金型材的應(yīng)用更加廣泛。如日常生活中隨處可見的監(jiān)控攝像儀器，其蓋板材料經(jīng)歷了從不銹鋼薄板鈑金、塑料到鋁合金型材的階段。采用不銹鋼薄板，材料貴、成形難，而且生產(chǎn)效率低，難以滿足市場的需求量；采用塑料，加工成形容易，材料成本低，但強度方面達不到經(jīng)久耐用，而且時間一長，會發(fā)生變色甚至于脆裂，發(fā)生安全事故；采用鋁合金型材則彌補了這些缺陷，而且采用擠壓成型，效率高、成本低。但在擠壓生產(chǎn)中，模具是關(guān)鍵。目前蓋板鋁型材的生產(chǎn)仍然采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模具，把蓋板這樣的型材歸類于普通的實心型材，從而采用傳統(tǒng)的平面模結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。采用這種結(jié)構(gòu)，模具的強度明顯不足，模具容易變形和斷裂，壽命低。這是因為在設(shè)計非空心鋁型材擠壓模時，通常都要進行強度上的舌比值計算，一般的設(shè)計原則是：當舌比值大于6時，型材就歸類為半空心型材，就不能采用普通的平面模結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇其他的模具結(jié)構(gòu)形式[1-2]。而像蓋板這樣的型材，從理論上計算，其舌比小于1，但是在擠壓理論還不十分完善的今天，容易誤導(dǎo)生產(chǎn)者和制造者而選擇傳統(tǒng)的平模結(jié)構(gòu)。通過舌比計算來確定模具的結(jié)構(gòu)，往往會忽略如攝像盒蓋板這類非空心型材懸臂包圍面積大這一要素，因此這種方法存在一定的缺陷。本文通過對攝像盒型材擠壓模的改進，提出一種遮蓋約束式分流模結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計思路，拓寬對半空心型材的認識，供同行參考。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征分析

圖1所示是一款常見的典型攝像盒蓋板型材斷面。其最大寬厚比為76.8，型材外部均為圓弧形狀，型材的壁厚為1.8 mm。若根據(jù)半空心型材的判定方法，由于該型材形成的懸臂危險部位開口尺寸為111.8 mm，經(jīng)計算，其舌比為0.6，則該型材不屬于半空心型材。另外，由于型材的斷面面積為566.3 mm2，從擠壓工藝優(yōu)化及成本方面考慮，選擇18 MN擠壓機較為合適，其擠壓筒內(nèi)徑為183 mm，經(jīng)計算，擠壓機的最大比壓為685 MPa，擠壓比46.4。假設(shè)采用傳統(tǒng)平模結(jié)構(gòu)中的一體式結(jié)構(gòu)[3]，即模具僅由一件模子組成，因為在傳統(tǒng)的平模結(jié)構(gòu)中，一體式結(jié)構(gòu)的模具強度最好。根據(jù)平模的模具強度計算公式進行核算，則模子的最小厚度為120.2 mm，模具的強度核算公式如下[4]：

圖1 型材斷面圖

式中：n為安全系數(shù)；w為型材開口寬度，mm；h為模子厚度，mm；P為擠壓機最大比壓，MPa；A為型材所包圍的面積，mm2；[]σb為模子材料的許用強度，1150 MPa。

但是，18 MN擠壓機的最大模具厚度為160 mm。經(jīng)驗表明，當模子厚度超過適用模具規(guī)格厚度的0.5倍時，即使型材從舌比方面不認為是半空心型材時也應(yīng)當視同半空心型材來進行模具結(jié)構(gòu)的選擇，否則，模具同樣會因強度不足而產(chǎn)生變形或塌裂。

2 傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)

針對圖1所示的蓋板型材，目前企業(yè)采用的傳統(tǒng)平模結(jié)構(gòu)，主要有2種結(jié)構(gòu)形式，分別是如圖2所示的二件式結(jié)構(gòu)和如圖3所示的一體式結(jié)構(gòu)。

圖2 二件式平模結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 一體式平模結(jié)構(gòu)示意圖

采用二件式結(jié)構(gòu)，模具由模子和模墊組成[5]，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。但強度最弱，模具的變形大，實踐證明，模具的平均壽命小于3 t，且擠壓的型材存在嚴重的壁厚偏差現(xiàn)象。

而一體式結(jié)構(gòu)，也稱整體式結(jié)構(gòu)，模具僅由一件模子組成[6]。模具強度有所提高，但模具平均壽命仍不超過6 t，型材壁厚偏差的問題沒有完全得到解決，而且加工的周期長，所消耗的電極材料多，因而一體式結(jié)構(gòu)的模具成本較高。

3 改進后的模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)型材的結(jié)構(gòu)特點及上述計算，可以把蓋板型材視為半空心型材來進行模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計。而半空心型材模具，目前行業(yè)的技術(shù)人員進行了廣泛深入的研究，得出了一些較為成熟的結(jié)構(gòu)形式，如分割式分流模[7]、吊掛式分流模[8]、導(dǎo)流保護式分流模[9]等，但這些結(jié)構(gòu)對于蓋板型材并不合適。通過分析可以看出，這些結(jié)構(gòu)的原理都是從改善懸臂的受力狀態(tài)或轉(zhuǎn)移懸臂的受力構(gòu)成出發(fā)，從而降低懸臂的受力，達到提高模具強度的目的。因此，根據(jù)型材的特點和半空心型材模具的設(shè)計原理，確定采用一種約束式遮蓋分流模結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 約束式遮蓋分流模結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)的原理是，采用上模沒有模芯的分流模結(jié)構(gòu)，將懸臂的大部分置于分流模上模的中心部位的下方，上模并不接觸懸臂，而是將懸臂的大部分保護起來，上模中心部位將懸臂遮擋起來，擠壓時，原來由懸臂直接承受的正壓力由上模代之來承受，受力的主體發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從而大大改善了懸臂的受力狀況。因此，只要上模有足夠的強度，就可以保證懸臂的強度。而分流模上模的強度取決于分流橋及分流比等參數(shù)的確定，這就給了提高懸臂強度采用相關(guān)措施的空間，因為這些參數(shù)確定的方法和手段是多樣的和成熟的。所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量讓上模承受金屬擠壓時的正壓力，并確保上模的受力不傳遞到懸臂上。但是，實際上當金屬進入懸臂的?？鬃罱K成型時，會對懸臂產(chǎn)生與擠壓方向相同的摩擦力，以及上模沒有完全遮擋住懸臂的部位仍會伴隨一定的正壓力，這兩部分力會使懸臂發(fā)生向下的撓曲或彈性變形。這種變形的結(jié)果，一方面會使懸臂頭部的壁厚變??；另一方面會使頭部金屬流速變慢，嚴重時將發(fā)生堵?，F(xiàn)象造成擠壓力瞬時急劇上升而導(dǎo)致懸臂斷裂?；诖?，在懸臂的正面平面上設(shè)計一個向上凸起的圓形凸臺，而在上模對應(yīng)的位置設(shè)計一個內(nèi)凹的圓孔與之相配合，凸臺與圓孔采用上模與下模止口的配合方式，當懸臂向下發(fā)生撓曲時，凸臺也會隨著懸臂向下發(fā)生“傾斜”，就會觸及到上模的圓孔而受到約束，從而阻止了懸臂繼續(xù)向下發(fā)生撓曲變形，相當于將懸臂由懸臂梁結(jié)構(gòu)變成了簡支梁結(jié)構(gòu)，如圖5所示。這樣就消除了懸臂向下發(fā)生彈性變形或撓曲的可能性，既保證了壁厚的均勻性，也大大提高了懸臂的強度。

圖5 下模凸臺約束原理示意圖

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要點：

（1）上模的強度必須保證。設(shè)計時就進行必要的強度計算和核算。

（2）上模分流孔的布置如圖6所示。分流孔布置采用了與型材形狀相似性原則，設(shè)置了4個分流孔，各個分流孔的面積差異控制在10%以內(nèi)，分流比為23，取擠壓系數(shù)的25%～35%。由于懸臂頭部承受的對懸臂產(chǎn)生的彎矩最大，使懸臂產(chǎn)生的向下?lián)锨沧畲?，因此，在該處對?yīng)的上模應(yīng)設(shè)計一個分流橋進行遮擋，分流橋?qū)挾葹?6 mm，目的是減小該部位的受力。同時為了降低上模的受力，采用斜入式平等的分流孔通道，一方面減小了上模的受壓面積，另一方面分流孔適度的擴孔可降低整體的擠壓力。這些方法對上模強度的提高均是有利的。

圖6 分流孔布置

（3）在設(shè)計分流孔時，既要考慮到對懸臂的遮擋，同時也應(yīng)兼顧到上模的受壓面積以及下模?？椎慕饘倭魉僬{(diào)整和金屬供應(yīng)。因此，上模對懸臂的遮擋并不是遮擋面積越大越好。經(jīng)驗表明，遮擋面積占懸臂的75%～85%較為合適，以分流孔內(nèi)側(cè)到下模?？走吘壘嚯x6～8 mm為計算依據(jù)進行設(shè)計。如圖7所示，圖中陰影部分表示未被上模遮擋的部位，b表示分流孔內(nèi)側(cè)到?？椎木嚯x。

圖7 懸臂受力面積示意圖

（4）采用應(yīng)力間隙。雖然上模承擔了懸臂的大部分受力，但在擠壓過程中，上模受到力的作用后同樣會發(fā)生彈性變形，向下發(fā)生撓曲，這樣上模就會接觸懸臂并對懸臂施加力的作用。因此，為了防止上模將力傳遞到懸臂，通過設(shè)計應(yīng)力間隙，在上模與下模之間在擠壓方向上就有個空間距離，可避免上模與懸臂接觸。應(yīng)力間隙取在下模上，此間隙值的經(jīng)驗值為0.8 mm。在實際中，懸臂所包圍的面積越大或上模的受壓面積越大，則應(yīng)力間隙的取值也大一些，經(jīng)驗數(shù)據(jù)為0.51～2 mm，或取型材壁厚的0.5～0.6倍。

（5）設(shè)計約束凸臺。金屬進入下模?？讛D壓成型時，金屬對模孔的內(nèi)側(cè)壁會產(chǎn)生與擠壓方向相同的摩擦力，同時懸臂中還有部分未被上模遮擋的部位仍受到金屬的正壓力，這兩個力之和雖然不會對懸臂造成破壞，但會導(dǎo)致懸臂向下發(fā)生彈性變形，從而造成壁厚發(fā)生變化和金屬流速出現(xiàn)變化。所以在下模懸臂處設(shè)計一個向上凸起的凸臺，而在上模則設(shè)計與之相配合的內(nèi)孔，兩者的配合間隙取上模與下模在止口處的配合間隙即可。為便于加工，凸臺及內(nèi)孔可選擇在模具的中心位置，凸臺的直徑取12～30 mm，懸臂面積越大凸臺直徑越大，而高度以不高出下模止口高度為宜，如圖8所示。當懸臂受力向下發(fā)生彈性變形時，凸臺將受到上模內(nèi)孔的約束，而內(nèi)孔則成為懸臂的一個支點，阻止了彈性撓曲的發(fā)生。

圖8 約束凸臺示意圖

（6）下模焊合室與工作帶。下模焊合室輪廓按照分流孔進入下模外緣的輪廓來確定，在分流橋?qū)?yīng)部位設(shè)計成橋墩來縮小分流橋的跨度以提高分流橋的強度和剛性。而?？坠ぷ鲙Э砂凑諅鹘y(tǒng)分流模設(shè)計的原則進行。不同的是，需在下模懸臂處取應(yīng)力間隙值。應(yīng)力間隙的確定是懸臂平面比下模止口平面低一個數(shù)值即可。下模結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 下模焊合室與工作帶示意圖

4 結(jié)果對比

對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改進后的新結(jié)構(gòu)模具進行擠壓跟蹤，所得結(jié)果如表1所示。

表1 模具結(jié)構(gòu)與擠壓結(jié)果對比

從結(jié)果可以看出，改進后的模具有明顯的優(yōu)勢，模具壽命大大提高，型材的尺寸精度及表面質(zhì)量均大大提高。

5 結(jié)束語

對于具有懸臂、寬厚比較大的非空心型材，盡管舌比較小，但并不適合采用傳統(tǒng)的平模結(jié)構(gòu)，從攝像盒蓋板用鋁型材的例子可以看出，判定半空心型材的原則應(yīng)當是滿足兩方面條件，一是傳統(tǒng)的舌比計算，二是強度的校驗。采用約束式遮蓋分流模結(jié)構(gòu)，一方面可以改善半空心型材模具懸臂的受力狀態(tài)，將懸臂的受力進行轉(zhuǎn)嫁，降低懸臂的受力；另一方面可以改變懸臂受力的支撐結(jié)構(gòu)，懸臂由一端支撐的懸臂梁變成兩端支撐的簡支梁，從而使模具的強度得到大幅提高。通過對攝像盒蓋板用鋁型材傳統(tǒng)模具的改進，可以認為，這種約束式遮蓋分流模結(jié)構(gòu)是有效的，是值得推廣和復(fù)制的。