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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作建筑铝合金型材（窗用）的模具设计摘 要为了适应不同的地区、不同系列、不同用途的门窗结构以及其他的建筑结构需要，建筑铝合金型材的品种繁多，规格的范围也是十分的宽广。据不完全的统计，世界上已经出现了上万种建筑型材。建筑铝合金型材一般采用挤压的方法得到，而挤压工模具对于实现整个的挤压过程是有着十分重要意义的。 工具和模具结构的合理性是实现任何挤压的工艺过程的基础。因为工模具结构是传递挤压力以及使金属产生挤压变形的关键部件；模具是使产品成形，并保证正确的形状、尺寸以及精度的基本部分；同时模具是保证挤压产品的内外表面质量中最重要因素之一；并且在一定程
2、度上，模具可以控制产品的力学性能和内部组织。因此，合理的挤压模具设计可以说是实现挤压生产中高产、低耗、优质的最重要保证之一。本文论述了铝合金挤压模具设计的现状与发展趋势，介绍了挤压模具设计的步骤和关键点。结合型材的特点设计了模具的分流孔、分流桥、模芯、焊合室、模孔、工作带和空刀的结构与尺寸。关键词：建筑铝合金型材；挤压模具设计；平面分流模 Design of extrusion die for aluminum alloy section for windows of buildingsAbstractIn order to adapt to different regions, differ
3、ent series and different uses of doors ,windows and other architectural structures needs, architectural aluminum profiles and the range of specifications is very wide. According to incomplete statistics, the world has been out of the tens of thousands kind of building profiles. Architectural aluminu
4、m profiles generally are used by extrusion, and extrusion tooling is great significance to the whole of extrusion process. The consistency of tool and die structure is the basis of achieving any foundation extrusion process. Because the die structure is the key components of passing extrusion pressu
5、re and producing metal extrusion; Mold is the essential part of ensuring products correct shape, size and precision; The same time, mold is the most important factors to ensure the surface quality of the inner and outer of extrusion product ; The mold can control the mechanical properties and intern
6、al organization. Therefore, reasonable extrusion die design is one of the most important assurance of achieving extrusion production high yield, low cost and high quality.This paper discusses the situation and development trend of aluminum extrusion die design, and introduces the steps and key point
7、s of extrusion die design. The paper design the structure and size of mold sections diversion hole, split bridge, mold cores, welding chamber, the die hole, working part and empty knife.Key Words: Architectural aluminum profile；Design of extrusion die；Planar porthole die目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 概
8、述11.2 模具在铝合金挤压生产中的重要作用与特殊地位11.3 国内外铝合金挤压模具技术的现状与发展趋势21.3.1铝合金挤压模具设计的现状2 1.3.2铝合金挤压模具技术的发展与趋势3 1.3.3国内外模具设计水平比较71.4 建筑型材的模具设计71.4.1铝合金民用建筑型材的特点81.4.2民用建筑型材模具设计特点81.4.3 建筑铝合金型材模具设计重点与难点8第二章 铝型材挤压工艺102.1 铝型材模具的设计原则102.1.1挤压模具设计时应考虑的因素102.1.2模具设计的原则与步骤102.1.3模具设计的技术条件及基本要求122.2 确定采用平面分流模的原则122.3 模具材料的选择
9、132.3.1产品性能分析132.3.2挤压模具的工作条件142.3.3模具材料的合理选择15第三章 铝型材挤压模具设计173.1 制品的分析173.1.1 制品尺寸分析173.1.2 制品结构分析173.2 挤压设备的选择183.2.1 挤压系数183.2.2 填充系数193.2.3 挤压力的计算193.3 型材模具结构193.3.1 模具外径203.3.2 模具厚度203.4 上模设计203.4.1分流孔的设计203.4.2 分流桥的设计223.4.3 模芯的设计223.5 下模设计233.5.1焊合室的设计233.5.2模孔尺寸的设计253.5.3模孔工作带的长度确定283.5.4模孔空
10、刀结构设计293.6 定位的设计293.6.1凸台的设计293.6.2定位销的选择303.6.3螺钉的选择303.7 强度校核303.7.1分流桥弯曲应力校核303.7.2分流孔道抗剪应力校核31第四章 零件图和装配图324.1上模324.2下模334.3装配图34结 论35致 谢36参考文献37第一章 绪论1.1 概述铝型材的挤压是指使铝合金的高温铸坯通过专用模具（机头），在挤压机提供的强大压力的作用以及给定速度下，将铝合金从模腔中挤出，来获得所需要的形状、尺寸和具有一定力学性能的铝合金挤压型材1。铝合金型材挤压的成型过程是非常复杂的，除圆形截面的铝型材挤压是属于二维轴对称的问题外，一般而言
11、，其它形状铝型材挤压是属于三维流动的大变形问题。因此，挤压模具设计制作的质量及其使用寿命就变成了挤压过程是否经济可行的关键之一。合理的设计和制造是能大大的延长模具寿命的，同时对提高生产效率、降低成本及能耗具有重要的意义。合理的模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础。目前，我国型材的挤压模具设计还基本上停留在依靠传统的工程类比及设计经验积累上，所设计制造的模具必需经过反复的试模与调整，才可以保证其投入使用的成功，造成了企业不定时的停工待模，影响正常的生产，与此同时会造成挤压产品的质量不高，模具的使用寿命不长等诸多的缺陷。因此，由于铝合金型材的产品不断的向着大型化、薄壁化、扁宽化、复杂化、高精化
12、和多功能、多用途、多品种、长寿命的方向发展，促使传统模具设计方法的改进成为了现在铝合金型材工业发展的需求。1.2 模具在铝合金挤压生产中的重要作用与特殊地位在现代化大生产中，工具和模具是对实现整个挤压的过程有十分重要意义的，工具和模具结构的合理性是实现任何挤压的工艺过程的基础，因为工模具结构是传递挤压力以及使金属产生挤压变形的关键部件；模具是使产品成形，并保证正确的形状、尺寸以及精度的基本部分；同时模具是保证挤压产品内外表面质量中最重要因素之一。工模具的结构、形状以及尺寸的合理性，可在一定程度上控制产品的内部组织和力学性能，尤其是在控制空心制品力学性能和焊缝组织的方面，分流孔大小、数量、形状以
13、及分布的位置，焊合腔形状及尺寸、模芯结构等等起着决定性作用；模子、挤压筒和挤压垫片的结构形状、尺寸和表面的质量，是对控制产品的缩尾和粗晶环、成层等等缺陷也会有一定作用；模具结构形状和尺寸是对金属的流变、应力一应变场、挤压温度一速度场等等都有很大的影响，从而对于提高生产效率、减少能耗以及产品质量是有重大作用的；工模具设计的合理性对于提高其装卸和更换速度，改善劳动条件，减少辅助时间以及保证生产的安全等方面有重大意义。新型的工模具结构，对开发新工艺、新产品，研制新设备和新材料，不断的提高挤压技术中起着很大作用。例如扁挤压筒、组合模、舌型模、变断面模、多层预紧应力模等，扁挤压筒，高比压的优质圆挤压筒以
14、及异形管材模、特种型材模设计与制造的技术等等是铝挤压生产中的关键技术和核心。其中的技术含量是在整个的挤压技术中占据有很大比例的。而对中等批量挤压产品来说，工模具的成本是占总成本30左右。如果将其使用的寿命提高510倍，则产品成本可以大幅度的下降。因此，模具是质量以及使用寿命可以说是评价某一种挤压方法或者挤压工艺的经济可行决定因素之一，合理的模具设计是实现铝合金挤压生产中高产、低耗、优质的最重要保证之一2。1.3 国内外铝合金挤压模具技术的现状与发展趋势1.3.1铝合金挤压模具设计的现状 工模具的设计一般是包括设计方法和设计理论的选择，模具的结构设计算以及尺寸确定，模具材料的选择，强度的校核和经
15、济的技术指标评价等等。模子、挤压垫片、挤压筒内衬、穿孔针等是直接参与到金属变形的工具，这种设计与一般的机械零件设计是不同，它是一种介于压力加工与机械加工之间的工艺性设计。不仅需要考虑机械设计应该遵循的原则，而且需要挤压条件下的各种工艺性因素。因此，模具的设计远远要比其它的工具设计复杂，要设计出经济并且合理的挤压工模具是一件非常困难的工作3。在挤压技术的发展初期，一般是根据机械的设计原理，采用古典的强度理论与设计者实践的经验结合来设计管材、棒材以及普通的实心型材的模子。随着挤压基础理论和弹性理论的发展,许多新的实践方法和理论已经开始用于挤压模具的设计及计算。例如工程计算法、光弹光塑法、金属流动的
16、坐标网络法、滑移线法、上限理论和密栅纹云法等都被广泛的用来确定工模具的工艺要素、结构以及强度的校核。近些年以来，计算机虚拟设计、热挤压模拟法以及有限元法等发展的很快，同时也取得了良好的效果。由于电子计算机技术发展，挤压工模具的计算机辅助设计(CAD)的技术已经开始进入实用的阶段，促使挤压工模具的设计来到了一个崭新时代。现在，在工业发达的国家，挤压工模具的设计已经不再是只凭经验的手工操作，而是变成了连续进行的电子计算机自动控制优化设计的过程。在我国对于铝合金的挤压工模具CAD技术方面的应用软件采用的是模块化的结构，图形的输入和二维变换来对工模具进行了优化设计。型材截面的几何性质计算，分流孔的个数
17、、形状、尺寸以及布置的设计，分流桥、模芯和焊合腔的尺寸、位置确定，模具的强度校核，上下模视图和剖面图的绘制，图形的剪裁，模垫的设计等等功能模块。同时也能完成组合模和平面模的全过程设计，显著的提高了复杂模具设计的效率及质量，操作简单，运行可靠，已经达到了国外的同类系统先进的水平。而且开发了铝合金型材导流模的设计手段，搞清楚了型材挤压的过程中金属的流动规律以及导流模在控制金属流速方面的机制，成功研制了三维的刚粘塑性方面有限元模拟以及建成导流模的模孔结构尺寸设计方面的数字模型。经过生产的考核，证明了所开发出导流模的设计办法是正确可靠的，对于增大模具设计的一次性成功率，在提高型材的质量以及模具的使用寿
18、命是具有积极的作用，同时也有了明显经济上的效益。淘-宝.店-铺搜索：“两个半学分”化方向发展根据统计，世界各国已经装备的不同结构、类型、压力、用途的挤压机达了7000台以上，而其中美国有600多台，日本有400多台，德国有200多台，俄罗斯有400多台，中国有3000余台，且大部分都是1525MN之间的中小型挤压机。随着大型轰炸机、运输机、舰艇、航母、导弹等军事工业以及地下铁道、高速列车等等现代化的交通运输业的发展，是需大量整体壁板等的结构部件，所以挤压机开始向着大型化方向发展。经过这几十年的发展，现在全世界已经正式投产使用万吨级以上的大型挤压机大约在20台以上，而拥有的国家是俄罗斯、美国、中
19、国、西欧和日本。最大的挤压机是位于前苏联的古比雪夫铝合金加工厂里200MN的挤压机，美国在2004年时把一个125MN的水压挤压机重装改造成为了世界上最大150MN的双动油压挤压机，日本在1967年已经把一台95MN的自给式油压机制造成功，德国的VAW波恩工厂于1999年投入生产了一台吨位为100MN双动油压式挤压机，意大利在2004年间投入生产了一台吨位为130MN的铜、铝油压式挤压机。而我国除在西南铝业的1970年间投入生产了一台吨位为125MN的水压式挤压机外，在2004年以及2007年里分别在山东的丛林及辽宁忠旺投入生产了一台吨位为100MN以及一台吨位为125MN油压机。据报道，国外
20、的几个工业发达国家都在研究制造形式更为新颖、压力更大的挤压机，例如270MN的卧式挤压机和400500MN级的挤压大直径管材的立式模锻挤压联合水压机等等，现在我国正在建造150MN以及拟建225MN的挤压机各一台。对于挤压机的本体方面，近些年来国外发展了预应力“T”型头板柱结构机架，预应力混凝土机架和钢板组合框架，并且大量的采用了扁挤压筒、活动模架、同定挤压垫片以及内置式的独立穿孔系统。而传动形式的方面也发展自给油机的传动系统，甚至在100150MN的挤压机上也同样采用油泵的直接传动装置，易知液压系统已经达到了一个高的水平里。现代的挤压机以及它的辅助系统采用了CADEX等的控制系统和程序逻辑控
21、制系统，也就是实现速度上的自动控制以及工模具自动的快速装卸、等温等速的挤压、甚至是全机的自动控制功能。而挤压机所需机前的设备(例如锭坯的运送装置、坯料的热切装置以及长坯料的自动控制加热炉等等)及机后的设备(例如精密的水雾气在线淬火的装置、牵引机、拉伸的矫直机、人工时效炉、前梁锯、活动工作台、冷床及横向的运输装置、成品锯等)已实现了连续化和自动化的生产。而且挤压的设备正向标准化、组装化和成套化的方向发展。(2)特种模具技术和大型优质扁、圆挤压筒突破性的进展从设计计算、装卸方法、结构选择、提高模具寿命、制模技术到新材料的研制等方面来看，挤压模具技术已经有了很大发展。例如研发出了平面分流组合模、舌型
22、模、前室模、叉架模、可卸模、导流模、水冷模、宽展模等，与此同时也出现多种形式的工具自动装卸机构和活动模架，这样不仅大大的简化了工模具的装卸操作，而且也节约了辅助的时间。为了生产薄壁、扁宽、大断面的铝合金型材，就需要优质的扁挤压筒和高比压的圆挤压筒，而其使用的寿命短，造成大型高比压扁挤压筒的设计与制造成为了世界性的技术难题。近些年来，由于有限元计算、淘-宝.店-铺搜索：“两个半学分”计算机、工模具的材料及热处理等技术的进步，大型扁挤压筒的设计与制造技术出现了突破性的进展，美、俄、德、日等国家已经研制出了850mmx330mm、1100mmx300mm等，比压达了600MPa以上大型扁挤压筒，据悉
23、使用的寿命大概在10000次左右，而我国已经研制出了670mm270mmxl600mm大型优质扁挤压筒。大型的挤压工具装卸快速化、自动化方面也取得了很大进展，为全机的自动化创造出了条件。在模具的材料方面，高合金化铬镍模具钢，例如德国的2779，美国的H11、H13，日本的SKD61，前苏联的4XMBqb，我国近些年来研制开发用于高温6000度以上，高温的强度要比H13钢还高一倍的YTRl8、YTR3A和SR+l等热挤压的工具钢出现以及新型的热处理方法，例如表面硬化处理、离子氮化处理和真空淬火等的应用，促使工模具的材料品质进步了。电火花线切割加工(快走丝和慢走丝)和电火花加工技术用于制模，这样不
24、仅提高模孔的硬度、精度，降低工作带的表面粗糙度，而且也大大的提高了制模的生产效率，为实现制模的自动化创造了良好的条件。挤压模具的设计与制造运用电子计算机及模拟的技术，为实现工模具的设计和制造的自动化，提高模具质量及寿命开辟了新的道路。(3)挤压工艺不断改进和完善近些年来，除完善和改进了正向及反向挤压方法和其工艺外，也出现了许多增强挤压过程的新方法和新工艺，同时也获得了实际应用。例如平面组合模挤压、舌型模挤压、水冷模挤压、变断面挤压、宽展挤压、扁挤压、半固态挤压、精密气水(雾)在淬火挤压、冷挤压、高速挤压、Conform连续挤压、高效反向挤压、等温挤压、连铸连挤、形变热处理、特种拉伸一辊矫等新的
25、技术新的工艺对扩大铝合金型材品种，提高挤压的速度及总生产效率、提高产品的品质、减少挤压力、发掘铝合金型材潜力、节能节资、降低成本、环保卫生等方面都具有积极意义。(4)铝合金挤压材产品的结构有很大改进据不完全的统计，现在全世界的铝合金挤压材年产能已经达到2000万吨以上，2008年产量已经达1380万吨。因为民用铝合金型材应用的大增，而军用的挤压材在铝合金挤压材总量比例已经下降到了5以下，这样使得软合金的比重大大的增加，而硬合金的比重大大的减少。20世纪的90年代，美国的铝合金挤压材中的软合金与硬合金的比为10：1，日本的为20：l。其中铝合金的型材发展的最快，产量约占总体挤压材85左右。因为铝
26、合金挤压材正向着大型化、整体化及扁宽化的方向发展，大型材比重也就日益的上升，现已达到总体型材产量10。现在铝型材的品种已经有了50000多个品种，而其中的大型材有1000多个品种，包括了逐渐变断面的型材以及阶段变断的型材、各类拥有复杂截面型材、异形空心型材及大型整体的带筋壁板。目前，挤压型材最大的宽度可达到2500mm，最大的断面积可达到1500cm2，最大的长度可达到2530m，最大重量可达到2t。而薄壁的宽型材宽厚比可达到150300，带孔的空心型材孔数可达到数十个，高精特薄多孔扁管壁厚可达017mm，精度0.01mm。铝合金的管材及棒材最大外径可达800mm，管材最小壁厚可达0.1mm，
27、长度可达1000m，反挤压管材外径可达1500mm。因为铝合金挤压材品种、产量及规格不断地扩大，其应用的范围也越来越广泛，同时在人民生活和国民经济中的地位也就越来越重要了。虽然铝合金挤压加工的发展在很多方面都有待于基础理论的研究进展，但是最重要的是要把这种基础理论的研究与实际的应用相结合起来，来达到增产、节能、降耗、提高生产效率、环保、降低成本、改善品质、扩大品种的共同目标。在发展金属挤压加工理论与技术的同时需重点考虑的几点有：节能降耗，少功耗量；提高变形效率，减少外部摩擦；提高精度；利用变形热处理、内部应力、各向异性等方法来提高产品的综合性能；开发综合利用的技术及有效利用废料，提高成品率和回
28、收率；利用缺陷或防止产生缺陷；提高工模具的使用寿命及品质；减少工序；增加单位时间产量及节省劳动力，实现连续化、自动化、高速化；降低劳动强度，改善环境，清洁生产。随着国民经济的高速发展、科学技术的进步和人民生活水准的提高，对各类产品需求量也就越来越大了。各种各样新产品也会层出不穷，因此要求最快速度的生产出更好的模具。同样为了适应这种形式发展，许多的专家、学者和工程技术人员也进行了大量的开发及研究工作。2挤压模具设计的发展与趋势（1）新型的模具结构开发为提高产品的形位精度、尺寸精度，开发出形状非常复杂的产品，并进一步的提高模具使用寿命，世界各国现在正在寻找新结构模具设计。各类模具新结构，如镶嵌模、
29、新型的组合模、预应力模、多型多孔模、复合模等都将会出现新突破4。（2）热模拟、虚拟设计 和CADCAMCAE技术的开发随着电子计算机技术发展，模具生产的各个领域已经应用到了计算机，其中就包括模具设计、制造、检测、使用、维修和管理等方面，根据初步的测算，工业发达国家的模具已经全部由计算机自动的绘图以及由CNC机床自动的加工制造，而作为设计与制造之间联系纽带的图纸已经失去了主要的作用。CADCAMCAE技术的发展使得软件技术在模具的设计与制造中的地位也越来越高。二维模具的CAD系统已经有了单元图形软件和一定模具设计的软件，但是还有待进一步的发展。三维的模具CAD系统，因为软件设计的难度大，三维的单
30、元图形软件也就比较的复杂，目前还是不能够满足实际的设计技术上的要求。因此，进一步的发展软件，增强设计上自动化的程度依旧是今后主攻的方向。CAM应用在二维模具上的加工，已经具备了相对完善的编程系统，但是对于三维上的自由曲面编程还不完善，在许多的场合下，工件模型的制备是CAM编程所需要的。于是应该继续的研究和开发不需要制作产品模型、具有自由曲面的模具CADCAMCAE系统。同时也应该进一步的研究基础性软件及应用软件，并通过虚拟设计、模拟挤压各种复杂的组合模在挤压过程中的温度场和金属流变场，应力一应变场真实的情况，来提高模具设计的质量及使用寿命，逐渐的实现零试模4。1.3.3国内外模具设计水平比较在
31、设计的理论及方法上，国外普遍采用了热模拟、有限元、电子计算机分析与动态热分析技术，研发出多种先进的结构模具(例如子母模、多孔空心模、蝶形模等)以及设计软件，并建立了专家库和巨型数据库，同时现在正研发零试模的技术。国内基本采用传统的方法，开始研究与开发新方法、新理论，同时开始重视软件开发与新结构模具的研发，并且有限元也开始应用于模具结构的优化，正在准备建立专家库与数据库，开发蓄力设计软件6。在CADCAM/CAE技术上，国外普遍应用了CADCAM技术从二维向三维发展，开发了大量的平面模和组合模及其他结构模具的应用软件且商品化。而国内已开发出平面模和平面分流模的二维实用软件及导流模应用软件，正向三
32、维推进。但适用性和实用程度不高4。1.4 建筑型材的模具设计1.4.1铝合金民用建筑型材的特点经济发展，人民生活水平日益提高，民用建筑铝合金型材也不断发展，其品种和数量快速增长。目前，铝合金型材发展之迅猛，而民用建筑型材是铝合金型材加工的一大分支，世界上已建成上千条民用建筑型材生产线，其生产有着一系列的特点3：民用建筑铝合金型材多采用6063铝合金生产，6063铝合金质轻，塑性好，工艺成形性好，表面处理性能也较好。铝合金民用建筑型材品种多，应用范围广，现在世界上的民用建筑型材可以适用不同的用途、不同的规格的门窗系列和其他建筑，其横截面面积、外接圆直径等均尺度范围广。生产出的民用建筑铝合金型材壁
33、薄，型材的壁厚范围从0.6mm到2mm不等，断面形状十分复杂，变化多样，相关尺寸精度要求高，加工难度大，多为超高精度的薄壁型材。建筑铝型材中大多数为空心制件，空心型材与实心型材的比例大约为1:1，其中以异形孔为多，甚至为多孔异形簿壁空心制品。建筑铝合金型材通常要求可以通用、互换，并且具有一定的装饰性，这样有助于减少型材的品种，便于提高型材的精度要求和表面光洁度要求等。究其原因，即一组建筑型材配合面多，装配尺寸多，装饰面多，进而可以组装成不同的门窗系列或其他的建筑结构。1.4.2民用建筑型材模具设计特点6063铝合金民用建筑型材模具设计除了遵循普通模具的设计原则外，尚具有如下特点：（1） 挤压机
34、（挤压筒）的最佳比压范围为450-700MPa；（2） 挤压系数的最佳范围为50-90；（3） 最佳比压和系数可通过挤压机、挤压筒、挤压工艺参数、铸锭长度以及模孔孔数来调节。1.4.3 建筑铝合金型材模具设计重点与难点挤压模具设计不同于一般的机械零件设计，而是介于机械加工与压力加工之间的一种工艺性设计。对于模具设计者需确定的因素是挤压机的结构，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等7。铝合金门窗系列型材，因为它的宽度比较的宽而壁厚比较薄，宽厚比大，尺寸精
35、度及形位尺寸精度的要求严格，截面形状越复杂，其挤压过程中变形的不均匀性就越显著，加之截面上各部分的金属在挤出模孔时流速不同等特点，使得挤压成型有着极大的困难。如果不具备扁挤压筒，而选择圆挤压筒进行生产时，每种规格的产品模子需宽展很大的角度，在产品挤压的生产中，不时的会出现平面间隙大、中间波浪、周期性的停止痕、两端面尺寸超负差等缺陷。既影响产品质量，也影响模具寿命8。为解决这些问题，在设计前，拟定合理的工艺流程和选择最佳的工艺参数，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。只有工模具的设计合理，才可以充分地发挥材料应该具有的效能。如果模具的设计本身不能保证具有足够的刚度
36、和强度，则必然会导致模具因为过载而早期的失效。正确设计模具结构，应该保证在正常的使用条件下，没有产生应力集中和冲击破裂的可能。在设计模具时，应尽量使各部分受力均匀，注意避免尖角、内凹角、壁厚差悬殊等，以免产生过大的应力集中，引起热处理变形、开裂和使用过程中脆性破裂或早期热裂。此外，还应考虑工模具的刚性。解决中间波浪、平面间隙大、两端面尺寸超负差、周期性的停止痕等缺陷的关键取决于模具的结构设计、金属供流的合理分配、模子强度等等一系列问题。同时为了便于互换、保管和维修，标准化设计也是十分重要的9。 提高铝型材挤压模具的设计与制造水平是改善产品质量和增强市场竞争力的关键所在。挤压工模具对实现整个挤压
37、过程有着十分重要的意义。模具的质量和使用寿命是实现铝合金挤压生产、高产、低耗、高效、优质、低成本的重要保证与关键技术之一，在铝合金型材的挤压生产占有十分特殊的重要地位。随着科学技术的进步和国民经济的高速发展，铝合金挤压工模具产业和技术有了很大的发展，达到了相当高的水平。我国的铝挤压工模具技术也有了长足进步，但与国际先进水平仍有一定差距。挤压模具设计涉及的范围很广，需多方面考虑10。第二章 铝型材挤压工艺2.1 铝型材模具的设计原则2.1.1 挤压模具设计时应考虑的因素3在设计挤压模具时，除应该参考的机械设计中需要遵守原则外，还需要考虑在热挤压的条件下产生工艺的因素，而其中包括有由设计者的本身确
38、定因素、模子制造者的确定因素以及挤压生产者的确定因素。（1）从模子的设计者的角度看，挤压机结构，模具结构及其外形尺寸，模子材料，模孔数以及挤压比，制品形状和尺寸，模孔形状、位置及其尺寸，模孔收缩量、变形的挠度、定径带的确定，及挤压时应力应变的状态等是模具设计者确定的。（2）从模子的制造者的角度看，模具的尺寸及形状精度，定径带以及阻碍系统加工精度，表面的粗糙度，热处理的硬度，表面的渗碳、脱碳和表面硬度的变化情况，端面的平行度等等。（3）从挤压的生产者的角度看，模具装配和支承的情况，铸锭、模子及挤压筒加热的温度，挤压的速度，工艺润滑的情况，产品品种和批量，合金和铸锭的质量，牵引的情况，拉矫力和拉伸
39、量，被挤压的合金及其铸锭的规格，产品的出模口冷却的情况，工模具对中性，挤压机控制，输出的工作台和矫直机长度，挤压机吨位及挤压筒比压，挤压残料的长度等等。在设计前，合理的拟订工艺的流程以及选择最佳工艺参数，综合的分析各种影响模具的效果的因素，是设计挤压模具的合理性所必要及充分条件。2.1.2 模具设计的原则与步骤3在充分分析了影响模具的设计各种因素后，还应该根据产品类型、工艺的方法、设备及模具的结构，设计模腔的形状及尺寸，但是，在任何的情况下，模腔设计都应该遵循如下的原则及步骤:（l)确定设计的模腔参数设计正确挤压型材的截面图，确定挤压工艺的合理性，选择适当挤压筒的尺寸、挤压比及挤压力，决定模孔
40、的数目。这一步骤是设计挤压模具的首要条件，可以由挤压的工艺人员及设计的人员，根据生产现场设备的条件、工艺的规程及配备的大型基本工具情况来共同的研究决定。（2）模孔在模具平面上合理的布置所谓合理的布置就是指将单个或者多个模孔，在模具平面上合理地分布，并在保证模具强度前提下获得最佳的金属流动的均匀。单孔管棒材及对称好的型材的模具，都应该将模孔理论的重心放在模子的中心上，各个部分的壁厚相差大及对称性非常差的产品，应该尽量的保证模子的平面在坐标轴之间的金属流量大致的相等，但是也应该考虑到金属挤压筒的流动特点，应该使薄壁的部分或者难于成形处接近挤压筒的中心，多孔模的分布主要是应该考虑到模孔数目、模具强度
41、，制品表面的质量、金属的流动均匀性等等问题。（3）模孔尺寸的合理计算计算模孔的尺寸时，主要应该考虑到被挤压合金化学成分，产品形状，公称尺寸以及允许的公差，挤压的温度和在这个温度下模子的材料和合金热膨胀的系数，产品的断面上几何形状特点以及挤压及拉伸矫直时的尺寸变化，挤压力大小和模具弹性变形的情况等。 (4)合理的调整金属流动的速度所谓合理的控制金属流动的速度就是指在理想的状态下，保证制品的断面上每个质点都应该以同样速度下流出模孔的。在模子的平面合理的分布模孔是可以控制金属流速方面的合理性，尽可能的采用多孔的对称排列，并根据型材形状，各个部分的壁厚差异，不同的比周长和距挤压筒的中心距离，设计出不相
42、同长度的定径带。通常，型材的某处壁厚越薄，比周长就越大，形状也就越复杂，距挤压筒的中心也就越远，所以定径带应该越短，当运用定径带还不能控制流速的时候，即对形状特别的复杂，壁厚非常的薄，距离中心非常远的部分是可以促流角或者导料锥加快金属流动。而对那些壁厚非常大的部分或者距挤压筒非常近的地方，应该用阻碍角来进行补充的阻碍，减缓这部分的金属流栋。此外，还可以工艺的平衡孔，及工艺的余量或者前室模及导流模，也可以改变了分流孔的数目、大小和形状及分布调节了金属流动性。 (5)保证模具具有足够的强度因为挤压时的模具工作条件非常恶劣的，所以模具的强度也就是模具的设计中一个很重要的问题。除合理的分布模孔位置，选
43、择合适模具材料，模具结构设计的合理及外形外，准确的得到挤压力及校核各个危险断面许用的强度是十分重要的。现在用来得到挤压力公式有很多，例如经验公式和初等的解析公式等虽然精度不高，但是简单，且具有一定工程价值。而挤压力上限解法，是用在求解复杂的断面型材挤压变形的问题，同样也具有较好实用价值。2.1.3模具设计的技术条件及基本要求3模具结构、形状及尺寸的设计和计算完毕后，应该要对模子加工的质量、使用的条件提出一些基本的要求，这些要求主要有:（1）具有适中并且均匀的硬度，模具经过淬火、回火处理以后，硬度值是HRC4052(模具的尺寸越大，所要求硬度也就越低)。（2）具有足够制造的精度，模子形位的公差及
44、尺寸的公差应该符合图纸要求(一般是为负公差)，并且配合尺寸应该具有互换性。（3）具有适当的表面粗糙度，配合的表面应该达到Ra=3.21.6m，工作带的表面应该达到Ra=1.60.4m，表面应该进行了氮化处理、磷化处理或者其它的表面强化处理，例如多元素的共渗处理和化学热处理等。（4）具有一定的对中性、平行度、直线度及垂直度，配合面接触率应该大于80%。（5）模具无缺陷，一般应该进行超声波探伤及表面质量的检查以后才能使用。（6）工作带的变化处和模腔的分流孔中过渡区、焊合腔中拐接处应该圆滑过渡，不能出现棱角。2.2确定采用平面分流模的原则铝型材挤压分流模和平模是按照被挤压产品的品种来区分的。使用分流
45、模挤压的型材断面形状至少含有一个比闭合的框，而平模却没有。此外，还有一种办分流模，此种摸挤压的型材断面形状近似闭合，但留有一个小断口。半分流模的导流模采用分流孔，模垫则采用平模模垫。确定平模还是分流模需要计算舌型比。舌型比是指在悬臂梁部分的悬臂梁的长度L1与悬臂梁的宽度L2之比，A是指悬臂梁的面积，在模具强度计算和校核中主要对这部分进行计算。长型比的大小直接影响模具的寿命，所以在悬臂处如果A/L12（即L2/L1）的值超过表2.1数值时，为了保证模具的强度将这半空型材做成分流模：表2.1 半空型材做成分流模时A/L12的值L1/mmA/L120.91.521.63.133.26.346.412
46、.6512.7以上62.3模具材料的选择2.3.1产品性能分析6063合金是Al-Mg-Si系合金中典型的代表，是具有良好的可挤压性及可焊接性，是建筑门窗型材首选的材料。6063的特点是在压力加工温度-速度条件下，塑形的性能及抗蚀性很高，而且没应力的腐蚀倾向。同样在焊接时，它的抗蚀性也不会降低。6063合金可产生剧烈的热处理强化，而且合金中主要的强化相是Mg2Si及AlSiFe。如果在退火状态下6063合金挤压型材的抗拉强度可以从98 MPa到117.6MPa,那在淬火及自然时效以后的抗拉强度也可从176.4 MPa到196MPa,并且此时的相对伸长率的下降是不大的。合金在160到170摄氏度
47、下经过人工时效是可得到更加大的强化效果，此时的抗拉强度从269.5 MPa到235.2 MPa。但是，人工时效中塑形的性能更加剧烈的下降了。淬火于人工时效的间隔时间是对与6063合金强化的程度有着显著的影响，随着间隔的时间由15min增加到4h，抗拉强度及屈服强度从29.4 MPa到39.2 MPa.但是人工时效保温时间对于6063合金半成品的力学性能是没有重大的影响11。表2.2 6063铝合金成分牌号SiFeCuMnMgCrZnTi其它元素每种总量60630.20.60.350.100.100.450.90.100.100.100.050.15本设计选用6063铝合金,由于其强度高，质量轻，加工性能好，在退火状态下，该合金有优良的耐蚀性及物理机械性能，是一种可以时效强化的Al-Mg-Si系合金，广泛应用于建筑型材、灌溉管材、供车辆、台架、家具、升降机、栅栏等用的管、棒、型材。表2.3 6063室温下的机械性能合金状态弹性模量E/剪切模量G/抗拉强度/屈服强度/伸长率/%泊松系数u布氏硬度HB密度/6063淬火自然时效7100270012455.2120.3160732.69表2.4 6063铝合金随温度变化的力学性能合金状态温度T/抗拉强度