寸海燕，黃雪梅，林智康，廖嘉杰，鄧汝榮

(廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)自動化工程學(xué)院，廣州510550)

0 前言

隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，鋁合金型材產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用，其品種和規(guī)格越來越多，型材斷面的形狀也越來越復(fù)雜。在這些種類和規(guī)格繁多的鋁型材產(chǎn)品中，過往的經(jīng)驗(yàn)是，根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可歸納為空心型材和實(shí)心型材（非空心型材）兩大類型。這兩類型材分別采用傳統(tǒng)的分流模和平面模進(jìn)行生產(chǎn)。但在實(shí)踐中，有相當(dāng)一部分實(shí)心型材卻不能采用平面模生產(chǎn)。因?yàn)檫@些型材都具有懸臂較長、舌比較大的特點(diǎn)。這類型材，行業(yè)統(tǒng)稱為“半空心型材”[1]。若采用傳統(tǒng)的平面模或平面導(dǎo)流模結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，則會出現(xiàn)模具強(qiáng)度不足，其懸臂部分極易壓塌[2]、折斷等使模具過早報廢的現(xiàn)象，模具達(dá)不到正常的使用壽命。近年來，工業(yè)領(lǐng)域的半空心型材需求日益增多，而半空心型材模具的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度高，要解決的關(guān)鍵是模具的強(qiáng)度。因此，對于這類型材，迫切需要特殊的模具結(jié)構(gòu)。為了解決這類型材的模具結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的學(xué)者、專家和工程技術(shù)人員，從對具有懸臂的型材到半空心型材、從理論上的模擬到實(shí)踐中的研制與試制進(jìn)行了廣泛的探索和研究，取得了豐碩的成果。本文通過實(shí)際的例子，以常見的90門窗的下方型材為例，介紹一種已成熟用于實(shí)踐中、針對半空心型材的稱為分割式的分流模結(jié)構(gòu)，供行業(yè)相關(guān)人員參考。

1 傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)

圖1所示為我們常見的90門窗系列的下方型材斷面。

圖1 型材斷面示意圖

該型材的斷面面積為279.5mm2，通常選擇在11MN擠壓機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)。11MN擠壓機(jī)擠壓筒內(nèi)徑為φ130mm，經(jīng)計(jì)算，擠壓系數(shù)為47.4，舌比為5.5，是典型的半空心型材。在擠壓生產(chǎn)中，傳統(tǒng)采用的模具結(jié)構(gòu)分別為二件式平模、整體式平模和遮蓋式分流模結(jié)構(gòu)，但這三種結(jié)構(gòu)都存在模具壽命不足的特點(diǎn)，而且必須配合專用支承墊進(jìn)行使用，增加了換模的操作量，影響生產(chǎn)效率。

1.1 二件式平模結(jié)構(gòu)

二件式的平模結(jié)構(gòu)是實(shí)心型材最常用的一種結(jié)構(gòu)。90門窗下方型材使用這種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)與制造都簡單，雖然配合專用支承墊，但實(shí)踐表明，模具的壽命不超過2t，而且型材的壁厚在某些部位變薄嚴(yán)重。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 二件式平模結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 整體式平模結(jié)構(gòu)

如圖3所示，將兩件式變成一件式的平模結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)成二級或三級空刀。

圖3 整體式平模結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際中，結(jié)合模具的材料考慮，采用優(yōu)質(zhì)的電渣鋼并經(jīng)鍛造后使用[3]，可以保證模具的強(qiáng)度，達(dá)到較好的效果。這種結(jié)構(gòu)的模具壽命要比二件式結(jié)構(gòu)高。但是，采用這種結(jié)構(gòu)時，當(dāng)模具失效后則整套模具都將報廢，對比二件式結(jié)構(gòu)的模墊可重復(fù)使用而言，這種整體式結(jié)構(gòu)的模具耗材又相對較大，同時這種結(jié)構(gòu)雖然簡單方便，但增加了電加工的電極材料，故模具的加工成本與加工周期有一定程度的增加。

1.3 遮蓋式分流模結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)是將模具設(shè)計(jì)成“偽分流模”結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)，并沒有像通常的分流模一樣，具有一個或多個完整的模芯，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 遮蓋式分流模結(jié)構(gòu)示意圖

這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是，可以將懸臂的大部分面積置于分流模中心部位，由上模的分流橋遮蓋著懸臂，而下模的懸臂部分向上突起，突起部分的頂面與上模模面留有間隙，即“應(yīng)力間隙”，用以消除上模在擠壓過程因彈性變形下壓后對懸臂產(chǎn)生壓力，從而起到保護(hù)懸臂的作用。應(yīng)力間隙值依經(jīng)驗(yàn)值一般為0.15～0.35mm，型材懸空面積越大，則應(yīng)力間隙值相應(yīng)加大[4]。采用遮蓋式分流模還應(yīng)在下模懸臂突起部分中心處（易于加工）設(shè)置向上的定位凸臺，而上模在該位置挖空，兩者留有一定的間隙，當(dāng)下模由于內(nèi)側(cè)摩擦力作用懸臂向下壓陷時，凸臺就受到上模的約束，可有效減輕下模的下陷。這種結(jié)構(gòu)的上下模如圖5所示。

圖5 遮蓋式分流模上模與下模結(jié)構(gòu)示意圖

采用這種方式，大大改善了懸臂的受力狀態(tài)，使模具的壽命有較大的提高，模具壽命可達(dá)8t以上[5]。但是由于要考慮內(nèi)側(cè)金屬的供應(yīng)，懸臂突起部分內(nèi)側(cè)相應(yīng)增加了金屬的摩擦面積，懸臂承受的摩擦力增加，懸臂仍有一定的壓縮或在擠壓過程產(chǎn)生較大的彈性變形，懸臂底部仍然要考慮預(yù)留變形量，一般為0.15～0.20mm。同時，這種結(jié)構(gòu)的分流橋?qū)挾炔豢赡苋〉眠^大，因此實(shí)際上，懸臂并沒有完全被遮蓋，而且凸臺的大小也受到限制。模具的使用也必須結(jié)合專用支承墊才能使用。

2 分割式分流模結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)的提出

分割式偽分流模結(jié)構(gòu)，是將半空心型材的懸臂在某一個合適的位置進(jìn)行“分割”，將懸臂分割成兩部分，如圖6所示，陰影部分分別表示為分割后的上模模芯與下模實(shí)體。其中，一部分作為一個模芯用來設(shè)計(jì)分流模的上模；另一部分仍留在原來的懸臂根部而形成了一個封閉的完全具有空心部分的形狀，作為下模的?？卓涨?。當(dāng)上、下模組合時，上模模芯與下模?？自凇胺指睢碧幓ハ啻罱淤N合，完成懸臂的完整性，只不過在搭接貼合處的配合間隙從理論上來說是為零。這種形式與分流模完全相同，所以也稱為“偽分流?！薄．?dāng)采用這種切割式分流模時，完全可以不需要專用支承模墊。

因此，這種結(jié)構(gòu)完全改變了懸臂的受力狀態(tài)，同時具有模具加工簡便、使用壽命高的特點(diǎn)。

圖6 懸臂切割示意圖

這種結(jié)構(gòu)，懸臂的分割位置選擇，也即上、下模搭接貼合面的選擇是關(guān)鍵。應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：

（1）懸臂分割成二部分后，留在下模的部分應(yīng)當(dāng)不產(chǎn)生新的懸臂危險斷面。另外，若無法避免或削除形成新的懸臂，則應(yīng)盡可能保證新形成的懸臂開口寬度至少在5mm以上。這可以對照半空心型材的舌比最大允許值進(jìn)行[6]。

（2）分割成模芯的部分，應(yīng)盡可能在其分割面上不要出現(xiàn)凸臺或凹槽，這將有利于模具的制造加工和金屬的供應(yīng)與成形時流速的調(diào)整[7]。

（3）要有利于模具加工。

2.2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對懸臂進(jìn)行分割后，分成了可分別留在上、下模上的兩部分，這兩部分形成模具后在上、下模組合時，以什么方式再形成一個懸臂的整體是很關(guān)鍵的，也就是選擇上、下?；ハ啻罱淤N合的方式是關(guān)鍵。經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)，可以選擇兩種結(jié)構(gòu)，分別是直面式結(jié)構(gòu)和斜面式結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖7 上下模的貼合方式

由于直面式結(jié)構(gòu)的貼合面與擠壓方向平行，同時由于貼合面的轉(zhuǎn)角與金屬會發(fā)生摩擦而出現(xiàn)磨損，因而模具使用一段時間后，型材容易在貼合處出現(xiàn)拉絲或起線現(xiàn)象，影響型材的質(zhì)量。

而貼合面選擇為斜面，貼合面與金屬流動的方向形成一個角度，對金屬形成剪切，所以金屬不會進(jìn)入貼合面，這樣貼合面的間隙可取得大一些，有利于加工。但是貼合面選擇斜面式結(jié)構(gòu)，上模必須有足夠強(qiáng)度是關(guān)鍵，否則，上模發(fā)生撓曲時會通過貼合面壓迫下模的懸臂。當(dāng)然在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，直面式與斜面式貼合面各有優(yōu)勢，直面式結(jié)構(gòu)適用于懸臂面積較大的型材，而斜面式結(jié)構(gòu)適用于懸臂面積較小的型材。

圖8 分割式模具結(jié)構(gòu)示意圖

而對于90門窗下方型材，選擇斜面式貼合面較合適，模具結(jié)構(gòu)如圖8所示。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）貼合面選擇（1.0～2.0）mm×10°的斜面。

（2）貼合面的間隙控制在0.12～0.20mm范圍。

（3）分流孔布置時，盡可能在懸臂切割對應(yīng)處不設(shè)置分流孔，避免擠壓時金屬對下模懸臂的直接沖擊而施加力的作用。

（4）分流比可取擠壓比的30%～40%；同時必須保證上模有足夠的強(qiáng)度，使得在擠壓過程中上模發(fā)生極小的向下?lián)锨鶾8]，避免上模向下?lián)锨鷷r上模的貼合面不觸及下模而對下模的懸臂施加力的作用。

（5）下模的貼合面不進(jìn)行研磨拋光；貼合面也不做出工作帶。同樣，貼合面的轉(zhuǎn)角不能為圓角。其工作帶的選擇按常規(guī)分流模設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行[9]。上模分流孔布置與下模焊合室及工作帶如圖9所示。

圖9 切割式分流模上模與下模結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果分析與對比

對90門窗下方型材分別采用傳統(tǒng)二件式平面模、整體式平模、遮蓋式分流模和分割式分流模進(jìn)行制造與擠壓跟蹤，所得結(jié)果如表1所示。從結(jié)果可知，分割式偽分流模更具有優(yōu)勢，模具的壽命最高。

表1 模具結(jié)構(gòu)與使用結(jié)果比較

4 結(jié)束語

針對90門窗下方型材的分割式偽分流模結(jié)構(gòu)，要點(diǎn)是改變懸臂的結(jié)構(gòu)，減小懸臂的舌比，達(dá)到提高模具的強(qiáng)度。結(jié)果表明：

（1）分割式偽分流模結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是選擇合理的懸臂分割位置及上下模互相搭接貼合的方式。貼合的方式有直面式和斜面式，而選擇斜面式更適合90門窗下方型材。

（2）分割式偽分流模，改變了懸臂的結(jié)構(gòu)，使懸臂的危險斷面消失了，大大減小了懸臂的舌比，從而大大提高了模具的強(qiáng)度。

（3）分割式偽分流模相比傳統(tǒng)的二件式平面模、整體式平模、遮蓋式分流模模具的壽命明顯提高，可達(dá)15t以上，同時型材的質(zhì)量可以得到更好的保證。

（4）分割式偽分流模結(jié)構(gòu)，同樣可以復(fù)制應(yīng)用其它半空心型材，更具有針對性，其適用的范圍更廣。

（5）分割式偽分流模結(jié)構(gòu)，具有制造簡單，制造周期短和模具材料消耗小的特點(diǎn)。采用這種結(jié)構(gòu)，若能充分利用金屬流動和特點(diǎn)，更加合理的運(yùn)用分流模的設(shè)計(jì)原理，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，則可達(dá)到更好的效果，是一種值得推廣的模具結(jié)構(gòu)。