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大型铝合金型材的挤压模具设计、制作及试模与修理 大型铝合金型材的挤压模具设计、制作及试模与修理 谭炽东 1 曾杰 1 邵莲芬 2 (1-兴顺精密模具有限公司 佛山 528061 2-广东豪美铝业有限公司 清远 518540) 内容摘要:本文在介绍了大型铝合金型材的特点之后,着重讨论各种大型材 的模具结构、尺寸设计以及模具制造与试模修理等方面的核心问题。根据相关生产实 践并结合作者本人长期生产经验与研究成果,分析了几种典型复杂铝合金型材模 具的设计和试生产情况,有较好的实用价值。 关键词:大型铝合金型材、模具设计、制造与修理、分流孔、导流槽...
大型铝合金型材的挤压模具设计、制作及试模与修理 谭炽东 1 曾杰 1 邵莲芬 2 (1-兴顺精密模具有限公司 佛山 528061 2-广东豪美铝业有限公司 清远 518540) 内容摘要:本文在介绍了大型铝合金型材的特点之后,着重讨论各种大型材 的模具结构、尺寸设计以及模具制造与试模修理等方面的核心问题。根据相关生产实 践并结合作者本人长期生产经验与研究成果,分析了几种典型复杂铝合金型材模 具的设计和试生产情况,有较好的实用价值。 关键词:大型铝合金型材、模具设计、制造与修理、分流孔、导流槽、阻流 块 随着现代化经济的快速地发展,铝合金型材正向着大型化、薄壁扁宽化、尺寸 高精度化、形状复杂化的方向发展。由于铝型材本身具备诸多优点,它的应用范 围已拓展到航空航天、交通运输、机械制造和电子电力等各个部门。也由于大型 型材可带来非常大的经济和社会效益,各大铝业公司都争先恐后地购进大型挤压机 和加大资金投人生产大型铝合金型材。 1 大型铝合金挤压型材的特点 界定大型型材一般是根据它的外观尺寸或断面积大小:(1)型材的宽度或外 接圆直径大于 250mm;(2)型材的断面积大于 20cm2;(3)型材交货长度大于 10m 。 诸如薄壁扁宽且宽厚比W=L/t 2B1B>130 的型材,见图 1-a ;多孔中空复杂断面型材, 见图 1-b ; 加强筋高度H>80mm的中空型材,见图 1-C ;壁厚差较大、中空带实 心的大断面型材,见图 1-d ;空心部分位于型材边缘的型材,见图 1-e 等。类 似这些典型型材的模具模腔形状和相关尺寸都相当繁杂,挤压时的温度场、速度 场和应力应变场难于控制,所以模具的设计、制作和维修都具有一定的难度。 2 典型大型材的模具设计及举例 2.1 薄壁扁宽型材(图 1-a)的模具设计 2.1.1 图 1-a 型材的工艺特点 ①该型材宽厚比较大:W=360/2.4=160; ②薄壁 t0=2.4mm 常规条件下的薄壁扁宽型材,当宽度为 360mm 时,壁厚 t0 一般不小于 2.8mm。 ③该型材材料为 6063 合金,选用 36MN 挤压机,在 Ø330mm 挤压筒上生产, 其挤压比λ=83。 2.1.2 画 1-a 型材的模具设计的具体方案,见图 2。 2.1.3 本例模子设计的具体方案的特点 ① 本例型材采用分流焊合挤压法生产。在型材模子的前面加一个分流宽展 模(3孔两桥),将金属分成 3 股金属流,然后在分流宽展模的桥下与型材模前 面的导流槽组成的上下焊合室内重新焊合。特点是金属得到合理分配、可均衡金 属流动的不均匀性,由于两个桥的存在,模子强度较好、同时也达到宽展的目的。 采用分流焊合挤压法生产扁宽型材,模孔处金属流动的均匀性比导流板平模挤压 法为好。 ② 分流宽展模的各要素设计。为改善金属焊合质量,分流孔的大小及分布、 分流比 K 分与的取值、焊合室的深度 h 焊、宽展角β,都应与一般分流模的设计相 同。不同之处是分流桥设计窄而短(宽 23mm,高 50 mm) ,这可大幅度的降低挤压力。 ③ 模孔壁厚尺寸 t=2.4+0.2=2.6mm(即名义尺寸+上偏差),模孔制作精 度为 0~0.05mm。 2.1.4 上机试模使用效果 模子上机试生产,型材成形较好,由于两个桥的作用,模孔未出现大的弹性 变形量,挤压出的制品也无大的波浪、弯曲、扭拧等缺陷,只有轻微的平面间隙。 经辊压矫形后平面间隙即合乎技术
。 2.2 多孔复杂断面空心型材的模子设计(见图 1-b ) 2.2.1 图 1-b 型材的特点 ① 本例型材有大小不等、形状各异的 9 个孔; ② 型材有 8 条斜形加强筋,筋条的壁厚(2.4mm)小于周边壁厚(2.7 mm ) , 斜筋处的模孔金属流动阻力较大、难以填充均匀; ③(型材的外接圆较大(Ø36 mm) ,且整体断面较复杂。 2.2.2 图 1-b 型材模子设计的具体方案,见图 3 2.2.3 本例型材的模子设计特点 ①分流孔布置及大小的确定 1)依据型材外形特征,10 个分流孔与型材成几何相似性布置; 2)分流孔的大小依据两个原则确定:一是金属填充对应模孔所需金属量的 多少,但尽量保证各部分的分流比 K 分值基本相等(或者型材断面积稍大部分的 K 分值略低于其它部分的 K 分值),以便于金属均衡流动;二是金属进人各个分流 孔的阻力不宜相差太大,即各个分流孔面积之间不能相差太大。 ②焊合室深度 h 焊选择的主要原则:一是要保证焊缝质量及模孔斜筋厚度的 均匀填充;二是要保证芯头的强度和稳定能力,所以,焊合室深度要选择正真适合。因 为本例型材外接圆较大(φ436mm) ,需在 80MN 挤压机上采用φ500mm 挤压筒、 φ900mm 的模子生产,所以焊合室深度选择 h 焊=400mm。 ③焊合室的断面形状:下模焊合室内沿各桥墩划线加工成梯形,形成二级焊 合室,以增加金属的焊合强度。 2.2.4 上机试模使用效果 ① 本型材模具是从国外购进,由于模具的材料选择及设计、制作都很到位, 所以模子上机挤压出的制品合格率很高。 ② 众所周知,任何一个好的作品都是由所有的环节努力合作的产物。挤压技 术本是一项集体作业,特别是对一个外形形状较复杂的中空型材的生产,单凭好 的模子还不够,还特别需要合理的挤压工艺和有经验的操作技工配合,本例型材 的合金状态为 6005AT6,制品流出模孔后需经喷水雾冷却固溶,由于型材多孔且 壁厚不等,冷却速度出现不同步,有可能会出现变形。由于挤压技工根据制品的出料 情况及时调节水阀和风阀的压力,使制品冷却速度均衡,减小制品各部位的冷却 速度差,避免了制品弯曲、波浪等缺陷的产生。 2.3 多孔、高加强筋型材的模子设计(图 1-C ) 2.3.1 图 1-C 型材的特点 ① 本例型材属扁形、中孔较大的空心型材,长 308mm,高 88 mm,内有 3 条 高 80 mm,厚 3.5 mm 的加强筋,制品筋条的中心部位会产生尺寸偏小现象; ② 型材为 6061 合金,该合金的可挤压性是 6063 合金的 60 %左右,成形 难度较大。 2.3.2 图 1-c 型材模子设计的具体方案,见图 4。 2.3.3 图 2-c 模子设计特点 ① 分流孔的布置。由于本例型材基本以 X 、Y 轴成对称形,所以分流孔的 布置也以 X、Y 轴为对称形;由于该型材属外观尺寸较大的扁宽形状(宽=308mm、 高 87mm) ,两端头的分流孔的宽展角β=18.4°,宽展率 35 %。 ② 为使 3 条高 80×3.5mm 的加强筋的模孔有足够的金属填充,从模子的中 心部位开 3 个阶梯分流孔,金属可直接进人导流孔,引流孔尺寸的确定原则是: 在保证模子芯头强度及稳定性的前提下,导流孔的面积尽可能大一些;另外,导 流槽的尺寸、角度要合适,过渡部位要圆滑。 ③ 为使焊合室内流动金属有足够大的静水压力,焊合室的深度 h 焊取 33mm,并加工成梯形,逐渐增强其焊合质量。 ④ 模孔尺寸的确定:由于该型材属外观尺寸较大的扁宽形状,宽向收缩较 大,因此其宽向收缩系数取值要大于 1 % ,高向收缩系数值取 1 %。 2.3.4 上机试模使用效果 ① 第一次试模是使用 6063 合金挤压,出料很好。 ② 第二次试模用 6061 合金发现中间 3 条加强筋尺寸偏小,而且加强筋出 现撕裂现象,分析原因后将中心部位分流孔的第二阶层由原来的深 50mm 改为深 70mm;模芯的导流孔由原来的高 10×10 mm 改为 20×l6 mm,使金属填充充足; 导流孔两端头的导流槽加宽、过度区打磨圆滑,使金属很顺利的流人导流孔。 ③ 第三次上机试压,发现制品尺寸仍偏小,于是再从设计图纸上寻找原因。 经计算,发现分流比 4B3BK分=9.8 ,偏小。分流比过小会引起制品尺寸偏小,必须 加大各个分流孔尺寸,使分流比(K分=15.2)足够大。然后再上机试模,制品尺 寸精度合乎图纸设计的基本要求。 3 大型铝合金挤压模的加工制作 就质量而言,铝型材挤压模具需达到三高一低,即高的热处理硬度值和高的 表面硬度值、高的尺寸精度、高的强度和低的表面粗糙度。 模具的制作主要由机械加工、电加工成型;经热处理提高模子整个基体的硬 度;再经过钳工研磨、抛光后组装完成。一套模具要经过十几道工序,多个优秀 技工的精雕细啄才能做成。以下,阐明一下模具加工的要点。 3.1 模具的热处理工序 ① 好的模具钢是决定模子常规使用的寿命的重要的因素,而热处理将是模具制作中 的关键工序。铝合金挤压模多采用H13 钢,因为这种钢材具有高的抗回火能力和 高温使用的稳定性。模具热处理是高温淬火“+”多次回火的过程。大型材模子 的热处理硬度应稍低于中、小型模子的硬度(>Ø450mm的模子硬度达到HRC465B~ 50 即可),对大型材模具来说,淬火的高温温度保温时间不可太长(一般按 0.5~ 0.7 分/mm计算),时间长了容易产生过热,晶粒粗大,降低模子强度。回火保 温时间需适当加长(一般按 2 分/mm) ,可使组织充分稳定并提高其韧性,成品 模具应增加一道去应力回火工序,消除电加工、机加工产生的应力。 ② 大型模具在热处理前需经手工打磨由机加工产生的棱角,使各过渡部位 圆滑些,避免高温淬火时产生应力集中开裂。 ③ 为确保材料的品质和避免加工风险,模块钢在粗车两平面后需经超声波探 伤检测,在未发现夹杂、裂纹、疏松、气孔和偏析瘤等缺陷后再继续加工。 3.2 模子抛光、装配是模子制作的收尾工序,尤为重要。它的工作包括: ① 锉平、抛光模孔工作带; ② 打磨、抛光分流孔、分流桥、焊合室、导流孔表面; ③ 配装模子组件,保证模孔尺寸精度,并确保型材流出模孔后畅通。 一些国内老企业和国外的模具制造业很注重这道工序,从事这项工作的工人 技师大都有几年的钳工“功力”和一定程度的制模理论知识,他们每拿到一套模 子后都当作一件艺术品进行雕琢,经他们的手抛制出的模子工作带平整、光洁、 平行度和垂直度水平很高,看上去模子很完美,只要模子设计方案不错,一般一 次上机合格率都较高。相对于那些“多做快装”的粗糙品来说,节约了大量的试 模费、修模费和时间。 4 模子的修理与氮化 ① 对于较大型材的模子来讲,影响制品成型的因素绝大部分是由金属的供 流情况决定的。修模技工一般从调节金属的供流着手,如分流孔大小、焊合室的 级数和焊合室的形状。其修模手段是电火花机和铣床,然后辅以钳工修整。加阻、 减阻工作带一般只对中、小型模子和型材局部的不成型起作用。 ② 修理大型材模子的顺序:应该先修平工作带,在修平工作带无效果的情 况下再对分流孔加阻或减阻,尽量不要在焊合室内烧焊,因为烧焊会降低模孔周 围工作区的硬度,且焊疤也会对流动金属造成应力,制品表面产生变形条纹。 ③ 试模合格后的模子要及时进行表面强化处理(氮化后的表面硬度达到 HV900-1100 之间),提高其表面的光洁度和抗磨能力。值得注意的是两次氮化 之间需定量生产,如出材过多,会把模子定径带的氮化层拉掉或拉成沟槽,影响 制品表面质量;如出材过少连续氮化,会产生过氮化(定径带产生脱皮),所以 要求模子管理员要掌握模子的使用全过程和把握模子的氮化适度。 5 小结 (l)对于 6061、6082 、6351 、6005A 等合金型材的挤压,因它们的可挤 压性较以拓 3 合金差些,它们的挤压比(λ)仅取 6063 合金的 60%左右,因此 模孔工作带的长度(h 带)相对要取短些;分流模的分流比(K 分)相对要取大些; (2)大型模子的制造成本较高,模块钢在粗车后需经超声波探伤检验测试,只有 未发现夹杂、裂纹、疏松、气孔等缺陷后再继续加工; (3)为了降低挤压力、扩大分流比、提高焊合质量,分流孔随金属流动方向 可做成内斜 2°~4°,外锥度 3°~6°,这样可降低挤压力 10%左右; (4)设计一分流模时,在保证金属供流充足的情况下,尽量设计桥墩,来减 短桥的跨度;在保证模子强度的条件下,尽量使模子减薄,降低挤压力。 (5)铝型材挤压模的设计、制作、使用、维修是一个集体作业过程,是一项 系统工程,需要各方面的人员很好地相互配合操作才能得到良好的效果。 参考文献: 1.刘静安,铝型材挤压模具设计、制造、使用与维修,M .北京.冶金工业 出版社,20002 . 2 .刘静安、谢建新,大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计,M .北 京.冶金工业出版社,2003 . 3 .刘静安、赵云录,铝型材工模具设计与生产的基本工艺优化,M .北京.冶金 工业出版社,1998 . 4 .肖亚庆等编著,铝加工技术实用手册,M ,北京.冶金工业出版社,2 005 .
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