散热器用铝型材挤压工艺与模具设计

摘要铝合金因质轻、美观、良好的导热性和易加工成复杂的形状,而被广泛地用于生产散热器材。铝合金散热器型材主要有三种类型扁宽形,梳子形或鱼刺形；圆形或椭圆形以及树枝形。与其他铝型材比，散热器有其自身的特点散热片之间距离短,相邻两散热片之间形成一个槽形,其深宽比很大；壁厚差大,散热片的齿部很薄,而其根部的底板厚度大。散热器复杂的截面形状给模具设计、制造和生产带来很大的难度。本文以两种常用散热器为实例，在总结大量散热器模具设计制造经验的基础上，论述了散热片挤压模具设计的步骤和关键点。散热器型材挤压模具设计既要保证模具有足够的强度又要平衡金属在模具中的流速。根据散热器的产品图，将梳子型散热器挤压模具设计成平摸，与导流模配合使用。把太阳花散热器挤压模具设计成分假流模，以保证在挤压时的金属流动比平模更均匀，这也是太阳花散热器模具设计的关键点。文中选用4CR5MOSIV1模具钢作为模具材料，讨论了散热器挤压模具的热处理工艺和散热器的挤压工艺特点。关键词散热器挤压模具设计挤压工艺铝型材EXTRUSIONPROCESSANDDIEDESIGNFORRADIATORALUMINUMEXTRUDEDSECTIONSABSTRACTALUMINUMALLOY,FORITSLIGHTWEIGHT,BEAUTIFUL,GOODTHERMALCONDUCTIVITYANDEASYPROCESSINGINTOCOMPLEXSHAPES,ISWIDELYUSEDTOPRODUCECOOLINGEQUIPMENTALUMINUMRADIATORPROFILESAREMAINLYTHREETYPESGFLATWIDESHAPE,ORAFISHBONESHAPEDCOMBSHAPEDROUNDOROVALSHAPEDANDBRANCHINGSHAPECOMPAREDWITHTHEOTHERALUMINUMEXTRUDEDSECTIONSRADIATORHASITSOWNCHARACTERISTICSTHEDISTANCEBETWEENTHEHEATSINKISSHORT,BETWEENTWOADJACENTHEATSINKTOFORMATROUGH,ANDITSLARGEASPECTRATIODIFFERENTIALWALLTHICKNESS,HEATSINKTEETHTHIN,ANDITSROOTSINTHEBOTTOMTHICKTHEMOLDDESIGN,MANUFACTURINGANDPRODUCTIONAREVERYDIFFICULTYFORTHECOMPLEXITYOFTHESHAPEOFRADIATOREXTRUDEDSECTIONSINTHISPAPER,THEEXTRUDEDDIEDESIGNOFTWOCOMMONHEATSINKRADIATORSAREDISCUSSEDINDETAILONTHEBASISOFALOTOFEXPERIENCESINMOLDDESIGNANDMANUFACTUREFORTHERADIATOREXTRUDEDDIEDESIGNHASTWOKEYPARTS,THEFIRSTISSUFFICIENTSTRENGTHTOENSURETHATMOLDTHESECONDISTOBALANCETHEFLOWOFMETALINTHEMOLDBASEDONTHEPRODUCTPLANSOFRADIATORS,THERADIATORCOMBFLATEXTRUSIONDIEAREDESIGNEDTOTOUCH,USEDINCONJUNCTIONWITHTHEDIVERSIONMODETHEEXTRUSIONDIEISDESIGNEDRADIATORSUNFLOWERSSTREAMINGMODE,SPLITMODEWHENTHEMETALFLOWINTHEEXTRUSIONDIEISMORECOMPLEXTHANFLAT,SOHOWTOBALANCETHEFLOWRATEOFTHEMETALMOLDISKEYPOINTSFORTHEDESIGNOFRADIATORSUNFLOWERS4CR5MOSIV1DIESTEELISUSEDANDALSOTHERADIATORHEATTREATMENTPROCESSANDEXTRUDEDPROCESSAREDISCUSSEDKEYWORDSRADIATOREXTRUDEMOLDDESIGNEXTRUSIONPROCESSALUMINUMEXTRUDEDSECTIONS目录摘要IEXTRUSIONPROCESSANDDIEDESIGNFORRADIATORALUMINUMEXTRUDEDSECTIONSIIABSTRACTII第一章绪论111引言112挤压模具在铝型材挤压生产中的重要性113铝型材挤压模具技术发展概况314论文的主要研究内容5第二章型材挤压模具设计技术621型材模具的设计原则及步骤6211挤压模具设计时应考虑的因素6212模具设计的原则与步骤6213模具设计的技术条件及基本要求922挤压模典型结构要素的设计9221模角9222定径带长度和直径10223出口直径或出口喇叭锥10224入口圆角1123确定采用平面和分流模的原则1124平面分流组合模的特点与结构12241工作原理与特点12242分流组合模的结构1325模具外形尺寸的确定原则14第三章典型散热器挤压模具设计1631太阳花散热器的模具设计16311太阳花散热器产品结构分析16312太阳花散热器挤压模具整体结构设计方案17313太阳花散热器分流组合模结构设计1832梳子型散热器模具设计30321梳子型散热器产品结构分析30322梳子型散热器挤压模具整体结构设计方案32323梳子型散热器结构设计32第四章模具的选材与热处理及维护与保养4541模具材料的选择45411模具材料的使用条件45412模具材料的性能要求45413挤压工模具选材的特点46414模具材料的选择4842模具材料的热处理50421退火工艺50422淬火工艺50423回火工艺514244CR5MOSIV1钢的热处理工艺5243模具的维护与保养53431模具的修正53432模具的合理使用54第五章型材挤压工艺5551铝及铝合金材料挤压生产工艺流程5552挤压工艺的制定56521挤压方法的选择56522坯料形状尺寸的确定56523挤压温度范围57524流动速度和挤压速度58525挤压工具的结构58第六章结论59参考文献60致谢62第一章绪论11引言挤压工模具设计与制造是铝合金挤压材，特别是铝合金型材生产的关键技术，不仅影响产品的质量、生产效率和交货周期，而且也是决定产品成本的重要因素之一。随着铝合金挤压材生产难度的增加和对产品个性化性要求的提高，这种作用更加明显。2007年，我国铝合金挤压材产销量超过660万T，工模具消耗达80万套以上，价值高达20亿元以上，占挤压加工成本的2530，大大制约了我国铝合金挤压工业的发展。目前，我国铝合金挤压工模具的平均使用寿命为510T/模，一次上机合格率为50左右，大大落后于国际上1520T/模和一次上机合格率为67的先进水平，大有潜力可挖。因此，不断提高挤压工模具的质量和使用寿命不仅是企业的强烈愿望，也是我国从事挤压工作技术人员的责任1。12挤压模具在铝型材挤压生产中的重要性我国模具工业的发展，逐渐受到人们的重视和关注，在电子、汽车、电机、仪器、仪表、家电和通信等产品中，6080的零部件都要依靠模具成形型，可以说模具是工业生产的基础工艺装备。在现代工业生产中，各类产品零件广泛采用冲压、锻压成形、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其它成形加工方法，与成形模具相配套，使坯料成形加工成符合产品要求的零件。与其它加工制造方法相比，用模具生产的产品具有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗等特点，因此，模具在工业生产中具有相当重要的地位。模具的质量和先进程度，直接影响产品的质量、产量、成本，影响新产品投产周期、企业产品结构调整速度与市场竞争力。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品价值，往往是模具自身价值的几十倍以上。目前，模具生产的工艺水平及科技含量的高低，己成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志之一，决定着一个国家制造业的国际竞争力。现代模具行业是技术、资金密集型的行业，模具行业的发展，可以带动制造业的蓬勃发展。按照一般公认的标准，模具产值与其带动实现的工业产值之比为3100。通过模具加工产品，可以大大提高生产效率，节约原材料、降低能耗和成本，产品的一致性好。如今，模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低，而在各行各业得到了广泛应用，并且直接为高新技术产业服务，特别是在制造业中，它起着其它行业无可取替代的支撑作用，对国民经济的发展有着辐射性的影响。在现代化的大生产中，模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义。模具使用寿命是评价某一挤压方法或挤压工艺经济可行的决定因素之一，工模具的设计与制造质量是实现挤压生产高产、优质、低耗、高效低成本的重要保证之一。具体来说，其重要地位和作用表现在以下几方面2（1）合理的工模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础，因为它是使金属产生挤压变形和传递挤压力的关键部件。（2）模具是保证产品成形，具有正确形状、尺寸和精度的基本工具。只有结构合理、精度和硬度合格的模具（包括针尖或模芯），才能实现产品的成形并具有精确的内外廓形状和断面尺寸。同时，合理的模具和工具（包括模垫、支承环和导路等）设计能保证产品具有最小的翘曲和扭曲，最小的纵向弯曲和横向波浪度。（3）模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一。（4）合理的工模具结构、形状和尺寸，在一定程度上可控制产品的力学性能和内部组织，特别是在控制空心制品的焊缝组织和力学性能方面，分流孔的大小、数量和形状及分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等起着决定性的作用。挤压垫片、挤压筒和模子的结构形状与尺寸及表面质量，对控制产品的粗晶环和缩尾、成层等缺陷也有一定的作用。（5）工模具的结构形状与尺寸对金属的流变、挤压温度速度场、应力应变场等有很大的影响，从而对提高生产效率、产品质量和减少能耗有重大作用。（6）合理的工模具设计对提高其装卸与更换速度，减少辅助时间，改善劳动条件和保证生产安全等方面意义重大。（7）新型的模具结构，对于开发新产品、新工艺，研制新材料和新设备，不断提高挤压技术起着很大的作用。如扁挤压筒、舌型模、组合模、多层预紧应力模、变断面模等。（8）高比压优质圆挤压筒和扁挤压筒及特种型材模和异形管材模的设计与制造技术是铝合金挤压生产的核心和关键技术，其技术含量在整个挤压技术中占有很大的比例。（9）对于中等批量的挤压产品，工模具的成本占总成本的30左右，如将其使用寿命提高510倍，则产品的成本可大幅度下降。因此，在铝挤压界广泛流传的一句口号产品是生命，设备是基础，模具是关键，工艺是保证。13铝型材挤压模具技术发展概况在金属压力加工中，决定某一挤压方法是否经济可行，主要取决于下列三个方面，即产品质量、生产效率和工模具寿命，而工模具往往是工艺决策的关键因素。因此，挤压用工模具的发展实际上伴随挤压技术的发展而发展。铝合金挤压技术发展的初期，由于挤压机能力小，结构简单，产品形状单一而且尺寸较小，所变形合金较软，所以模具一般为结构形状极为简单，尺寸较小的圆状平面模，工具的结构形状也较为简单。当时的模具多用普通工具钢，采用一般的机械加工方法制造。随着铝合金挤压材向大型化、复杂化、精密、多规格、多用途方面发展，对挤压工模具提出了越来越高的要求。不仅出现了像平面分流组合模、宽展模具、保护模、变断面模等多种新型结构的模具，成功地研制出多种B达1500MPA以上的高级耐热高强度工模具材料，而且开发了多种大型的基本挤压工具，这些工具便于装卸，先进可靠，但结构形状复杂，尺寸规格大，难于设计制造。如200MN卧式挤压机上的大型特种组合型材模具，模具组尺寸为1800500MM，重达10T,需15T高强而热合金钢坯，其设计、制造、使用和维修都十分复杂。我国模具开发制造水平与国外相比仍存在很大的差距，比国际先进水平至少落后10年，特别是在大型、精密、复杂、长寿命模具的制造上存在很大困难，这也成为制约我国制造业发展的瓶颈。表11列出了国内外挤压模具设计制造的发展水平和主要差距3。表11国内外挤压模具设计制造的发展水平和主要差距国际先进水平国内先进水平设计理论和方法普遍采用动态热分析与热模拟及有限元和电子计算机分析技术，研发了多种新结构模具及设计软件，建立了巨型数据库与专家库，正在研发零试模技术基本采用传统方法，开始研究和开发新理论、新方法，开始重视新结构模具研发与软件开发新结构大型工具广泛采用高比压的优质圆、扁挤压筒，固定挤压垫，快速换模装置及高效反挤压工具开始研发扁挤压工具和固定挤压垫及快速更换装置模具材料以H13钢及改进型钢为主，采用电渣重熔、炉外在线精炼，开始研制陶瓷高温和粉末合金等新型模具材料以H13钢替代3CR2W8V钢，H13钢的冶金质量逐步提高，同时开始开发新型模具材料和陶瓷材料模具加工技术机加工、电加工和热加工水平很高，机床的NC/CNC程度达95以上，加工中心基本普及实现全线自动化生产推行机电热综合加工方法，传统的手工加工法仍占相当大的比重，机床的NC/CNC程度为50左右，加工中心开始应用热处理技术普遍推广预处理、真空和保护气氛热处理工艺。开发出了等温淬火、多级淬火和多次回火等新工艺传统热处理法占60以上，开始采用真空、保护气氛热处理工艺，并开始研发新热处理工艺表面处理技术普遍采用各种表面处理技术，可处理窄缝（06MM）模孔，表面硬度可达25004000HV开发并正在推广几种有效的表面处理技术，可处理076MM以上的窄缝，模表面硬度可达20002500HV生产方式及专业化、标准化高度专业化集约化生产，专业化标准化程度达8595多采用大而全、小而全生产方式，专业化、标准化程小于50程度模具平均使寿命与质量平面模3050T/每模以上组合模2025T/每模以上一次上机合格率70左右平面模820T/每模左右组合模515T/每模左右一次上机合格率50左右14论文的主要研究内容模具可以说是产品生产的心脏，其设计的好坏直接影响到挤压型材的质量及效率（外形尺寸、壁厚公差、强度、表面外观），为了得到稳定的质量，就必须使模具工作带的型材断面金属流速达到一致。模具设计上的重点是要充分考虑到直接挤压的特性（材料流速不一致）和工具内的复杂流动性，在保证模具强度的同时，尽量使得最终挤压成型出口的每个位置金属流速保持一致。本文通过对散热器结构的分析，在分析和总结大量实践经验的基础上，详细探讨了实际挤压模具设计与制造的方法和关键点。文章从散热器挤压模具的整体设计到模具各个结构的设计一一作了详细论述，同时还讲述了挤压工艺和挤压模具材料热处理工艺。第二章型材挤压模具设计技术21型材模具的设计原则及步骤211挤压模具设计时应考虑的因素在设计挤压模具时，除了应参考机械设计所需遵循的原则以外，尚需考虑热挤压条件下的各种工艺因素，其中包括由设计者本身确定的因素、模子制造者确定的因素和由挤压生产者确定的因素。（1）由模子设计者确定的因素。挤压机的结构，压型嘴的选择或设计，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。（2）由模子制造者确定的因素。模子尺寸和形状的精度，定径带和阻碍系统的加工精度，表面粗糙度，热处理硬度，表面渗碳、脱碳及表面硬度变化情况，端面平行度等。（3）由挤压生产者确定的因素。模具的装配及支承情况，铸锭、模具和挤压筒的加热温度，挤压速度，工艺润滑情况，产品品种及批量，合金及铸锭质量，牵引情况，拉矫力及拉伸量，被挤压合金及铸锭规格，产品出模口的冷却情况，工模具的对中性，挤压机的控制与调整，导路的设置，输出工作台及矫直机的长度，挤压机的吨位和挤压筒的比压，挤压残料长度等。在设计前，拟订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。212模具设计的原则与步骤在充分考虑了影响模具设计的各种因素之后，应根据产品的类型、工艺方法、设备与模具结构来设计模腔形状和尺寸，但是，在任何情况下，模腔的设计均应遵循如下的原则与步骤1（L确定设计模腔参数设计正确的挤压型材图，拟订合理的挤压工艺，选择适当的挤压筒尺寸，挤压系数和挤压力，决定模孔数。这一步是设计挤压模具的先决条件，可由挤压工艺人员和设计人员根据生产现场的设备条件、工艺规程和大型基本工具的配备情况共同研究决定。（2）模孔在模子平面上的合理布置所谓合理布置就是将单个或多个模孔，合理地分布在模子平面上，使之在保证模子强度的前提下获得最佳金属流动均匀性。单孔的棒材、管材和对称良好的型材模，均应将模孔的理论重心置于模子中心上，各部分壁厚相差悬殊和对称性很差的产品，应尽量保证模子平面X轴和Y轴的上下左右的金属量大致相等，但也应考虑金属在挤压筒中流动特点，使薄壁部分或难成形处尽可能接近中心，多孔模的布置主要应考虑模孔的数目、模子强度孔间距及模孔与模子边缘的距离等，制品的表面质量、金属流动的均匀性等问题。一般来说，多孔模应尽量布置在同心圆周上，尽量增大布置的对称性相对于挤压筒的X轴和Y轴，在保证模子强度的条件下孔间距应大于2050MM，模孔距模子边缘应大于2050MM，模孔间应尽量紧凑和尽量靠近挤压筒中心离挤压筒边缘应大于1040MM。（3）模孔尺寸的合理计算计算模孔尺寸时，主要考虑被挤压合金的化学成分，产品的形状，公称尺寸及其允许公差，挤压温度及在此温度下模具材料与被挤压合金的热膨胀系数，产品断面上的几何形状的特点及其在挤压和拉伸矫直时的变化，挤压力的大小及模具的弹性变形情况等因素。对于型材来说，一般用以下公式进行计算AA0M（KYKPKT）A0（21）式中AO型材的公称尺寸；M型材公称尺寸的允许偏差；KY对于边缘较长的丁字形、槽型等型材，考虑由于拉力作用而使型材部分尺寸减少的系数；KP考虑到拉伸矫直时尺寸缩减系数；KT管材的热收缩量；KT由下式计算KTTT11（22）式中T和T1分别为坯料和模具的加热温度；和1分别为坯料和模具的线膨胀系数。对于壁厚差很大的型材，其难于成形的薄壁部分及边缘尖角区应适当加大尺寸，对于宽厚比大的扁宽薄壁型材及壁板型材的模孔，折条部分的尺寸可按一般型材设计，而腹板厚度的尺寸，除考虑以上公式所列的因素外，尚需考虑模具的弹性变形与塑性变形及整体弯曲，距离挤压筒中心远近等因素。此外，挤压速度，有无牵引装置对模孔尺寸也有一定的影响。4合理调整金属的流动速度所谓合理调整金属的流动速度就是在理想状态下，保证制品断面上的每一个质点应以相同的速度流出模孔。合理调整金属流速的方法主要在模子平面上合理布置模孔，尽量采用多孔对称排列，根据型材的形状，各部分壁厚的差异和比周长的不同以及距离挤压筒中心的远近，设计不等长的定径带。一般来说，型材某处的壁厚越薄，比周长越大，形状越复杂，离挤压筒中心越远，则此处的定径带应越短，当用定径带仍难于控制流速时，对于形状特别复杂，壁厚很薄，离中心很远的部分可采用促流角或采用导料锥来加速金属的流动。相反，对于那些壁厚大得多的部分或离挤压筒很近的地方就应采用阻碍角进行补充阻碍，以减缓此处的流速。此处，还可以采用工艺平衡孔，工艺余量或者采用前室模、导流模，改变分流孔的数目、大小、形状和位置来调节金属的流速。5保证足够的模具强度由于挤压时模具的工作条件是十分恶劣的，所以模具强度是模具设计中的一个非常重要的问题。除了合理布置模孔的位置，选择合适的模具材料，设计合理的模具结构和外形之外，精确地计算挤压力和校核各危险断面的许用强度也是十分重要的。目前计算挤压力的公式很多，经验公式、初等解析公式虽然精度较低，但由于简单，具有较好的工程价值挤压力的上限解法，由于可用于求解复杂断面型材的挤压变形问题，也有较好的实用价值对于某些重要的模具或十分复杂的模具可用有限元法求解。213模具设计的技术条件及基本要求模具的结构、形状和尺寸设计计算完毕以后，要对模具的加工质量、使用条件提出基本要求，这些要求主要是（1）有适中而均匀的硬度，模具经淬火、回火处理后，其硬度值为HRC4052根据模具的尺寸而定，尺寸越大，要求的硬度越低。（2）有足够高的制造精度，模具的形位公差和尺寸公差应符合图纸的要求一般负公差制造，配合尺寸具有良好的互换性。（3）有足够高的表面粗糙度，配合表面应达RA3216M，工作带表面达RA1604M，表面应进行氮化处理、磷化处理或其它表面强化处理，如多元素共渗处理及化学热处理等。（4）有良好的对中性、平行度、直线度和垂直度，配合面的接触率应大于80。（5）模具无内部缺陷和表面缺陷，一般应进行超声波探伤和表面质量检查后才使用。（6）工作带变化处及模腔分流孔过渡区、焊合腔中的拐接处应圆滑均匀过渡不得出现棱角。22挤压模典型结构要素的设计221模角模角是挤压模设计中的一个最基本的参数，它是指模子的轴线与模面之间所构成的夹角。模角在挤压过程中起着十分重要的作用，其大小对挤压制品的表面质量与挤压力都有很大的影响。平模的模角等于90，其特点是在挤压时形成较大的死区，可阻止铸锭表面的杂质、缺陷、氧化皮等流到制品的表面上，可获得良好制品表面，但在挤压某些易于在死区产生断裂的金属与合金时，会引起制品表面上出现分层、起皮和小裂纹。采用平模挤压时，消耗的挤压力较大，模具容易产生变形，使模孔变小或者将模具压坏，特别是挤压某些高温高强的难变形合金时，上述现象更为明显。从减少挤压力，提高模具使用寿命的角度来看，应使用锥形模。根据模角与挤压力的关系，当4560时，挤压力出现最小值。但当4550时，由于死区变小，铸锭表面的杂质和脏物可能被挤出模孔而恶化制品的表面质量。因此，挤压铝合金用锥形模的模角应大于50，一般可取5565。应该指出，随着挤压条件的改变，合理模角也会发生变化。为了兼顾平面模和锥形模的优点，出现了平锥模和双锥模。双锥模的模角为16065，21045，但在挤压铝合金时，为了提高挤压速度，最好取21013。此外，还采用流线模、平流线模和碗形模等，这些模子的模角是连续变化的。222定径带长度和直径定径带又称工作带，是模子中垂直模子工作端面并用以保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段。定径带直径D定与实际所挤压的制品直径并不相等，设计D定大小时，其基本原则是在保证挤压出的制品在冷却状态下不超出图纸规定的制品公差范围的条件下，尽量最大限度地延长模具的使用期限。影响制品尺寸的因素很多，如温度、模具材料和被挤压金属的材料，制品的形状和尺寸，拉伸矫直量以及模具变形情况等，在设计模具定径带直径时，通常用一裕量系数C1来考虑各种因素对制品尺寸的影响。定径带长度H定也是模具设计中的重要基本参数之一。定径带长H定度过短，制品尺寸难于稳定，易产生波纹、椭圆度、压痕压伤等废品，同时，模子易磨损，会大大降低模具的使用寿命。定径带长度H定过长时，会增大金属的摩擦阻力，从而增大挤压力，且易于粘结金属，使制品的表面出现划伤、毛刺、麻面、波浪等缺陷。223出口直径或出口喇叭锥模子的出口部分是保证制品能顺利通过模子并保证高表面质量的重要参数。若模子出口直径D出过小，则易划伤制品表面，甚至会引起堵模，但出口直径D出过大，则会大大削弱定径带的强度，引起定径带过早地变形、压塌，明显地降低模具的使用寿命。因此，在一般情况下，出口带尺寸应比定径带尺寸大36MM，对于薄壁管或变外径管材的模子此值可适当增大。为了增大模子的强度和延长模具的使用寿命，出口带可做成喇叭锥。出口喇叭角（从挤压型材离开定径带开始）可取13010（此值受锥形端铣刀角度的限制）。特别是对于壁厚小于2MM而外形十分复杂的型材模子，为了保证模具的强度，必须做成喇叭出口。有时为了便于加工，也可设计成阶梯形的多级喇叭锥。为了增大定径带的抗剪强度，定径带与出口带之间可以2045的斜面或以圆角半径为153MM的圆弧过渡。224入口圆角模子的入口圆角是指被挤压金属进入定径带的部分，即模子工作端面与定径带形成的端面角。制作入口圆角R入可防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减少金属在流入定径带时的非接触变形，同时也减少在高温下挤压时模子棱角的压塌变形1。但是，圆角增大了接触摩擦面积，事能引起挤压力增高。模子入口圆角R入值的选取与金属的强度、挤压温度和制品尺寸、模子结构等有关。挤压铝及其合金时，端面入口角应取锐角，但近来也有些厂家，在平面模入口处做成R入02075MM的入口圆角；在平面分流组合模的入口做成R入055MM的圆角。23确定采用平面和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4。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21数值时，为了保证模具的强度将这半空型材做成分流模表21半空型材做成分流模时A/L12的值L1/MMA/L12091521631332634641265127以上624平面分流组合模的特点与结构241工作原理与特点平面分流组合模的工作原理与桥式舌型模一样，也是采用实心铸锭，在挤压机挤压力的作用下，金属在经过分流孔时被劈成几股金属流，汇集于焊合室模腔，在高温、高压、高真空的模腔内又重新被焊合，然后通过模芯与模子所形成的间隙流出，形成符合一定尺寸要求的管材或空心型材。平面分流组合模是在桥式舌型模的基础发展起来的，实质是桥式舌型模的一个变种，即把突桥改成为平面桥，所以又称为刀式舌型模。这种形式的模子在近年来获得了迅速的发展，并广泛地用于在不带独穿孔系统的挤压机上生产各种规格和形状的管材和空心型材，特别是民用建筑型。平面分流组合模的主要优点是（1）可以挤压双孔或多孔的内腔十分复杂的空心型材或管材，也可以同时生产几根空心制品，所以生产效率高，这一特点是桥式舌型模很难实现的。（2）可以挤压悬臂梁很大，用平面模很难生产的半空心型材。（3）模具易于组合，互换性高，成本较低。（4）易于分离残料，操作简单，辅助时间短，可在普通的型棒挤压机上用普通的工具完成。挤压周期短，同时残料短，成品率高。（5）可实现连续挤压，根据需要截取任意长度的制品。（6）可以改变分流孔的数目、大小和形状，使断面形状比较复杂、壁厚差较大，难以用工作带、阻碍角和促流角等调节流速的空心型材很好成形。（7）可以用带锥度的分流孔，实现在小挤压机上挤压外形较大的空心制品，而且能保证有足够的变形量。但是，平面分流组合模也有一定的缺点（1）制品表面焊缝较多，可能会影响制品的组织和力学性能，不适宜内部受压的军工用部件。（2）要求模子的加工精度较高，特别是对于多孔空心型材，上下模要求严格对中。（3）与平面模和桥式舌型模相比，变形阻力较大，所以挤压力一般比平面模高3040，比桥式舌型模高1520。因此目前只限于生产一些纯铝，铝锰系、铝镁硅系等软铝合金。为了用平面分流组合模挤压强度较高的铝合金，可在阳模上加一个保护模，以减少模桥的承压力。（4）残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修模。242分流组合模的结构分流组合模是由阳模（上模）、阴模（下模）、定位销、连接螺钉四部分组成，如图21所示。上下模组装后装入模支承中，为了保证模具的强度，减少或消除模子变形，有时还要配备专用的模垫和环。在阳模上有分流孔、分流桥和模芯。分流孔是金属通往型孔的通道。分流孔是入口小、出口大的喇叭形，以减少金属流动阻力。分流桥是支承模芯的。模芯用来成形型材内腔。在阴模上有焊合室，模孔型腔，工作带和空刀。焊合室是把分流孔流出来的金属汇集在一起重新焊合起来形成以模芯为中心的整体坯料，由于金属不断聚集，静压力不断增大，直至挤出模孔。模孔型腔的工作带部分确定型材的外部尺寸和形状以及调节金属的流速，而空刀部分是为了减少摩擦，使制品能顺利通过，免遭划伤，以保证表面质量。空刀的形式不同，可直接影响到模具工作带的强度。定位销是用来进行上下模的装配定位，而联结螺钉是把上下模牢固地联结在一起，使平面分流模形成一个整体，便于操作，并可增大强度。此外，按分流桥的结构不同，平面分流组合模又可分为固定式和可拆式的两种。带可拆式分流桥的模具又称之为叉架式分流模，用这种形式的模子，可同时挤压多根空心制品。图21分流组合模结构1阳模；2定位销；3阴模25模具外形尺寸的确定原则模具的外形尺寸是指模子的外接圆直径D模和H模以及外形锥角。模具外形尺寸主要由模具的强度确定，同时，还应该考虑系列化和标准化，以便于管理和使用。具体来说，应根据挤压机的结构形式挤压力、挤压筒的直径、型材在模子工作平面上的布置、模孔外接圆的直径、型材断面上是否有影响模具和整套工具强度的因素等来选择模具外形尺寸。为了保证模具所必须的强度，推荐用以下的公式来确定模具的外接圆直径D模（0815）D筒23式中D模模具的外接圆直径；D筒挤压筒的内径。模具的H模取决于制品的形状、尺寸和挤压力，挤压筒的直径以及模具和模架的结构等。在保证模具组件（模子模垫垫环）有足够的强度的条件下，模具厚度应尽量薄，规格尽量少，以便于管理和使用。一般情况下，对于中小型挤压机H摸可取2580MM，对于80MN以上的大型挤压机，H模可取80150MM。模子的外形锥度有正锥的和倒锥的两种，带正锥的模子在装模时顺着挤压方向放入模支承里。以便于装卸，锥度不能太小，但锥度过大泽模架靠紧挤压筒时，模子容易从模支承中掉出来，因此一般取1304。带倒锥体模子在操作时，逆着挤压方向装到模支承中，器外圆锥度为315，一般情况下可取610，为了便于加工，在椎体的尾部一般加工出10MM左右的止口部分。第三章典型散热器挤压模具设计挤压模具是金属从模孔中挤出并获得模孔断面形状和尺寸的挤压工具。挤压模对挤压制品的质量、产量及成品率等有重要意义。铝合金在挤压过程中的变形是在模具内进行的，材料处于三向压应力状态，有利于提高材料的塑性变形能力。这对于挤压形状较复杂的铝合金散热器来说尤为重要。同时，挤压还可以消除铝合金铸锭中的气孔、疏松和缩孔等缺陷，提高材料的可成形性，改善产品的性能。由于挤压加工突出的优点，这使其成为生产铝合金型材主要加工方式。而在铝合金型材挤压加工工艺中，首先是挤压模具的设计。31太阳花散热器的模具设计311太阳花散热器产品结构分析太阳花散热器是一款常用的电脑散热器，如图31所示。从图中可看出，此型材截面的外形尺寸为90的圆形，在它的周围均布有52根圆弧型齿，每根齿前端又分出2根叉齿，齿片的总长度是246MM，齿尖部位的厚度仅有052MM,而实心部位的厚度达到了42MM。如此壁厚相差悬殊，齿距小，悬臂大的散热器，如果模具设计不合理，截面上各部分的金属在挤出模孔时就越容易以不同的速度流出，从而造成型材的扭拧、波浪、弯曲以及裂纹等缺陷而报废，模具也极容易损坏。因此，散热片模具进行优化设计变得尤为重要。根据对此散热器的分析，得知生产该散热器所选用挤压机吨位应不宜太大、挤压筒比压应适中，否则工作带的悬臂容易，压塌模具极容易破损。这里拟选用的的挤压机吨位为1250T。挤压筒内径为180MM。图31太阳花散热器产品截面图312太阳花散热器挤压模具整体结构设计方案对于太阳花散热片这种复杂截面的型材，如果采用平面模直接挤压，很难生产出合格的产品，而且极易使模具报废。根据金属在挤压筒中的流动规律可知，金属在心部的流动速度比旁边的流动速度大，在厚壁处的流动速度比薄壁处的流动速度大56。而太阳花散热片中间的厚度比齿部的厚度大很多，因此中间金属的流速比齿部的流速大很多。只通过改变工作带的长度来调节挤压时金属的流速是不够的，极易在齿片的根部产生拉应力，使工作带产生弯曲变形。其次，由于齿部工作带的悬臂又长又薄，采用直接挤压将在工作带上产生很大的挤压力，使工作带的悬臂压塌。根据上述分析结果，将模具设计成分流组合模结构7。分流组合模具有普通平面分流模的功能及优点，其主要特点是（1）按断面形状进行一次金属流量预分配。扩大靠近挤压筒边缘的分流面积，使之呈扇形按一定的范围向中心缩小过渡，以适应中心部分金属重新焊合速度的需要。分流孔边部沿模子直径方向呈一定角度扩展，以加快齿尖的流速，便于在分流空间上为二次填充挤压创造条件8。（2）上模的中心部位对下模孔悬臂部分的遮盖，能够减少金属流出模孔之前对模孔的冲击力及在模端面上形成的拉应力，从而改善了模具悬臂部分的受力条件，悬臂根部危险截面上的应力减小，提高了模具的强度。313太阳花散热器分流组合模结构设计（1）分流孔分流模的分流孔其形状、断面尺寸、数目及不同的排列方式都直接影响到挤压制品的质量、挤压力和模具的使用寿命，对于每一特定的产品必须设计特定的分流孔。分流孔的形状有很多种，主要有圆形、腰子形、扇形及异形等。在设计时需根据产品的形状来选择，尽量保持分流孔和产品截面形状的几何相似性。通常情况下，方管、矩形或断面复杂的型材取扇形或异形孔；管材和断面形状简单的型材取圆形或腰子形；而扁、宽型材或空心壁板多取矩形或弧形分流孔。分流孔的数目主要根据制品的外形尺寸，断面形状，模孔的排列位置等来确定。一般来说分流孔的数量越多，金属的流速越均匀，但同时也会增大挤压力，增加焊合线的数量9。为了减少挤压力，提高焊缝质量或制品的外形尺寸较大，想扩大分流比又受到模子强度的限制时，分流孔可做成斜形，一般说来，其内斜度为13度，外锥度取36度10。分流孔在模子平面上的合理布置，对于平衡金属流速，减少挤压力，促进金属的流焊合，提高模具寿命等都有一定的影响。对于对称性较好的空心制品来说，各分流孔的中心圆直径应大于或于07D筒，此时金属流动较为均匀，而且挤压力最小，模具强度较高，对于非对称空心型材或异形管材来说，应尽量保证各部分的分流比基本相等，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，以利于金属均衡流动，此外，分流孔的布置应尽量与制品保持几何相似性11。为了保证金属的合理流动及模具强度和产品质量，分流孔不能布置的过于靠近挤压筒或模具的边缘，但是为了保证金属的合理流动及模具的寿命，分流孔也不宜布置的过于靠近挤压筒附近。太阳花散热片型材横截面比较简单，为中心对称结构圆形，但其壁厚差相差悬殊，为利于挤压金属均匀流动，提高模具强度和管材焊合性能，分流孔选用4个分流孔，形状为扇形，呈90角均匀分布，如图32所示。分流孔外切圆直径取150MM,内切圆直径的选取46MM,比散热片齿根外径大4MM,这样设计能使齿根部位的工作带遮敝在导流模的模桥之下，减小挤压时金属对齿根部位的正压力。图32太阳花散热器模具分流孔尺寸及布置图（2）分流比分流比是指各分流孔的断面积（F分）与挤出制品断面积（F型）之比，一般用K表示KF分/F型（31）分流比的大小直接影响金属流动阻力的大小、制品的成型和焊合质量。K值越小，挤压时变形阻力越大，对模具的使用和挤压生产是不利的，一般认为，在保证模具足够强度的前提下，K值尽量取大值，有利于金属的流动和焊合12。在一般情况下，对于生产空心型材，取K1030；对于管材，取K515散热器横断面积F型296097MM单个分流孔面积F分414598MM分流孔总面积F分44145981658392MM挤压模分流比KF分/F型1658392/29609756（3）分流桥分流桥的结构和尺寸对金属的流动速度、焊合质量、挤压力大小和模子强度等都有明显的影响。分流桥宽度太大，将减小分流比，增加受压面积，使挤压力增加，因此，会降低模具强度和焊缝的质量，但可改善金属流动的均匀性13。分流桥的高度太大即上模厚度则金属通过分流道时间过长，磨擦阻力增加，挤压力明显增大。虽然模具承受剪切的面积增大，但由于挤压力增加，易出现“挤不动”的现象，降低模具寿命。分流桥宽度B的确定，从加大分流比，降低挤压力方面来考虑，B应小些；但从改善金属流动的均匀性来考虑，B应大些；模孔要能被分流桥遮蔽。根据大量散热片模具设计经验，这里将分流桥宽度B设计为24MM。（4）分流桥的形状分流桥的截面形状主要有矩形，矩形倒角的和水滴形的三种。采用矩形截面分流桥时，金属在桥下形成一个死区，不利于金属流动与焊合。矩形倒角截面和水滴形（或近似水滴形）截面的分流桥有利于金属的流动与焊合，而且便于模具加工，因此，在强度允许的条件下，应尽量采用这两种截面的分流桥。太阳花散热片分流桥的截面形状设计如图33所示。图33太阳花散热器模具分流桥的尺寸及截面形状图（5）分流桥高度的确定保证模具强度条件下越小越好，以降低挤压力和节约模具钢材，一般在设计时根据强度计算确定应该按照两端固定的均布载荷梁校核其弯曲强度。（32）2MINBPLH式中HMIN分流桥的最小高度，MM；L分流桥两个危险断面之间的长度，MM；P挤压机最大比压，即单位压力，MPA；B模具材料的许用应力，MPA；H13模具钢在450500时，许用应力B取解900MPA。（6）模芯这款太阳花散热片是实心型材，所以分流桥下的模芯不起成型作用。因为太阳花散热片中间厚度比齿部大很多，且位于挤压筒中心部位。只通过增加工作带的长度不足以阻碍金属的流速，所以在这里设计一个假模芯用来调节金属的流速。设计此模芯时，为利于金属的焊合，可将模芯设计成10左右的角度。模芯的芯头加工一个小凸台，对金属起阻碍作用，模芯的结构设计如图34所示。为使金属能在此处很好的焊合，模芯与下模模面之间相距15MM。图34太阳花散热器模具模芯结构设计图（7）焊合室焊合室是金属流汇合焊接之处，其形状，入口方式和尺寸大小，对于金属流动，焊接质量，挤压力的大小及尺寸精度都都有很大的影响。只有当焊合室横断面面积与制品断面积之比较大时，才能保证建立起足够大的静压力使焊缝牢固14。焊合室形状与型材外型大体相似，这样可以使金属流动更加均匀。常用的焊合室截面形状有圆形和蝶形两种，当采用圆形焊合室时，在两分流孔之间会产生一个十分明显的死区，这不但会增大挤压阻力，而且会影响焊缝质量。而采用碟形焊合室则有利于消除这种死区，提高焊缝质量。为了消除焊合室边缘与模孔平面之间的接合处的死区，可采用大圆角R520MM，或将焊合室的入口处做成515左右的角度，同时，在与蝶形焊合室对应的分流桥根部也做成相应的凸台，这样就可以改善金属的流动，减少挤压阻力。因此，应尽量采用这种蝶形截面的焊合室。焊合室一般设计在下模阴模上，也可以设计在上模阳模上，有时也有在上、下模设计各半的情况。为了获得高强度的焊缝，在焊合室中必须建立一个超过挤压金属屈服强度1020倍高的静水压力1514。当分流孔形状、个数及排列方式确定后，焊合室的断面形状和大小也基本上确定，如图35所示。图35太阳花散热器模具焊合室形状及尺寸通常焊合室断面积如果太小，则挤压力增加，挤压成形稳定性也差。确定焊合室的高度时，必须考虑挤压机吨位、型材挤压比即型材特点、模芯强度以及桥的结构焊合点应在焊合室平面之上等因素。焊合室太浅，焊合力不足易导致焊合不良，同时也会限制挤压速度的提高；太深又会影响模芯稳定性，易出现壁厚不均现象16。在实践中可按挤压筒尺寸选取焊合室高度，经验值如表31所示。挤压比小，则焊合室高度应取上限或稍大些；模芯小和挤压比大，则可下限或稍小一些。因为此模具的挤压比只有86，为增加焊合程度，提焊缝质量，取H焊25MM。表31焊合室高度的经验值挤压筒的直径/MM焊合室的高度/MM115130151815018520252002302530280以上40（8）模孔尺寸准确地确定模孔几何尺寸，这对获得尺寸精确的制品起着决定性的作用。设计模孔尺寸时，影响模孔尺寸的因素有很多，主要有挤压制品的材料、形状、尺寸及其横断面的尺寸公差，制品和模具的热膨胀系数，工作带在载荷作用下产生的畸变，由于不均匀变形引起的拉缩变形，因金属在流入模孔时不能急转弯而引起的非接触变形，制品拉矫直时的断面尺寸收缩等因素。工作带尺寸的设计要保证产品尺寸在冷状态下不超过所规定的偏差范围，同时要最大限度地延长模具的使用寿命，通常用综合裕量系数考虑各种因素对制品尺寸的影响，模子外形的模孔尺寸一般以下式确定1AA01K（33）式中A型材外形的模孔尺寸MM；A0型材外形的名义尺寸MM；K模孔的裕量系数，如铝及铝合金型材挤压K值一般取00010012。型材的壁厚模孔尺寸可按以下公式进行计算BB034式中B型材壁厚的模孔尺寸MM；B0型材壁厚的名义尺寸MM；型材壁厚模孔尺寸增量，对于铝合金，当B03MM时，02MM。散热器模孔尺寸可根据上述原则设计，但在设计时有两点需要考虑太阳花散热片的齿部较长，所以在齿长度方向上的放量应比异型材放量大。散热片在挤压拉伸过程中受齿部弧度因素的影响会发生沿齿圆弧内侧弯曲现象，导致外径缩小，所以在放量时要加大其外径尺寸。图36为散热片模孔设计尺寸，括号内部的尺寸为模孔尺寸。图36太阳花散热器模具模孔设计尺寸（9）模孔工作带工作带是模具的有效工作部分，主要是用来稳定挤压制品的形状和尺寸。工作带长度是设计型材模孔最重要的几何参数之一，它直接影响着制品的质量。由于工作带对金属流动起阻碍作用，增加工作带长度可以增大摩擦阻力，使向该处流动的供应体积中的流动静压力增大，迫使金属向阻力小的部位流动，从而使型材整个断面上金属流量趋于均匀。定径带过短,模子易磨损,同时会压伤制品,出现压痕、椭圆等；定径带过长,易在定径带上粘结金属,使制品表面上出现划伤、毛刺、麻面等缺陷,同时挤压力也将增高。更重要的是在型材挤压时,定径带的长短是调整金属流动速度的关键因素,工作带长度设计不当,型材各部分流出模孔的速度就不均匀,挤压出的制品会产生扭拧、弯曲、平面间隙大等缺陷17。为了合理给定工作带长度,应考虑影响工作带长度的三个主要因素（A）模孔排列位置对金属流动的影响。挤压时金属的流动特性是靠近挤压筒中心部位的金属流动快,远离中心逐渐减慢。为此,如使金属流动均匀,必须把中心部位的模孔工作带做得厚些,远离中心处逐渐减薄。（B）型材壁厚对金属流速的影响。型材壁厚越大,即模孔尺寸越大,则金属流动就越快,此处的工作带应做得厚些。（C）模孔分流桥遮蔽的情况及分流孔的大小和分布。由于太阳花散热片型材断面的壁厚相差大,设计模具工作带时要相应保持它们的差别,即壁厚大的地方工作带要特别加大,而齿尖的部位要突破常规,把工作带减到最小,目的是要保证金属在各处流动的均匀性。下面分别介绍散热片工作带的设计要点（A）齿部工作带的设计由于散热片的齿比较长，而且每根齿又分出两根叉齿，所以在设计齿部工作带时，不能设计成一个长度。齿部的工作带长度可按下式计算（35）2121FHH式中HF1、HF2分别为F1、F2各区段上型材的厚度。齿尖部分壁厚薄，是整个型材最难出料的部