铝合金挤压模具技术

1、铝合金挤压装备与工模具铝合金挤压装备与工模具u挤压设备挤压设备u挤压筒与挤压垫挤压筒与挤压垫u挤压模具（模具分类、模具结构、模具挤压模具（模具分类、模具结构、模具 材料、模具设计原则、模具制造工艺等）材料、模具设计原则、模具制造工艺等）目录目录v加热炉加热炉v挤压机挤压机v辅助机构辅助机构5.1 挤压设备挤压设备v加热炉加热炉燃料炉燃料炉：油炉和煤气炉油炉和煤气炉 特点：加热效率高、成本低、投资少特点：加热效率高、成本低、投资少中小企业采用；中小企业采用；炉温不易控制、劳动条件差、自动化程度低炉温不易控制、劳动条件差、自动化程度低电阻加热炉：电阻加热炉：炉温易于控制，加热质量好，占地面积炉温易

2、于控制，加热质量好，占地面积少，少，劳动条件好，自动化程度较高；劳动条件好，自动化程度较高；加热效率较低、成加热效率较低、成本高、投资大本高、投资大感应加热炉：感应加热炉：主要使用主要使用50Hz50Hz工频感应加热炉。加热速工频感应加热炉。加热速度快，体积小，耗电少，自动化程度高度快，体积小，耗电少，自动化程度高燃料炉燃料炉电阻加热炉电阻加热炉感应加热炉感应加热炉q挤压机挤压机v按结构形式分：立式挤压机和卧式挤压机按结构形式分：立式挤压机和卧式挤压机v按传动方式分：机械式挤压机、油压机、水压机按传动方式分：机械式挤压机、油压机、水压机v按穿孔系统分：不带穿孔系统的挤压机、内置式穿按穿孔系统分

3、：不带穿孔系统的挤压机、内置式穿孔挤压机、外置式穿孔挤压机、外置式穿 孔挤压机孔挤压机v按模具装置分：按模具装置分： 锁键式、滑动模座式、锁键式、滑动模座式、 回旋模座式回旋模座式挤压机的分类及应用挤压机的分类及应用q挤压机挤压机v模座：用于组装模具。模座：用于组装模具。 纵动式、横动式供纵动式、横动式供锭机构：直线式、回转式锭机构：直线式、回转式v挤压垫与压余分离装置挤压垫与压余分离装置v制品牵引机构制品牵引机构v锯切装置锯切装置v拉矫装置转动式、拉矫装置转动式、 联合式联合式5.1.1 正向挤压机n 立式挤压机立式挤压机 立式挤压机可以立式挤压机可以生产出壁厚均匀的生产出壁厚均匀的薄壁管材

4、，其运动薄壁管材，其运动部件和出料方向与部件和出料方向与地面垂直，占地面地面垂直，占地面积小，到要求建筑积小，到要求建筑较高的厂房和很深较高的厂房和很深的地坑，只适用于的地坑，只适用于小型挤压机。小型挤压机。5.1.1 正向挤压机 卧式挤压机卧式挤压机 目前管、棒、型目前管、棒、型材挤压普遍采用卧材挤压普遍采用卧式油压挤压机。挤式油压挤压机。挤压机按其用途分为压机按其用途分为单动挤压机和双动单动挤压机和双动挤压机。其中单动挤压机。其中单动挤压机是国际上最挤压机是国际上最普遍使用的挤压机。普遍使用的挤压机。n 卧式挤压机卧式挤压机5.1.2 反向挤压机反向挤压机 反向挤压机按挤压方法分为正、反两

5、用和专用反向两种型反向挤压机按挤压方法分为正、反两用和专用反向两种型式，每种又可分为单动（不带独立穿孔装置）和双动（带独立式，每种又可分为单动（不带独立穿孔装置）和双动（带独立穿孔装置）两种。反向挤压机按其本本体结构大致可分为三大穿孔装置）两种。反向挤压机按其本本体结构大致可分为三大类：挤压筒剪切式、中间框架式和后拉式。现代反向挤压机采类：挤压筒剪切式、中间框架式和后拉式。现代反向挤压机采用预应力张力柱结构，普遍采用快速更换挤压轴和模具装置、用预应力张力柱结构，普遍采用快速更换挤压轴和模具装置、挤压筒座挤压筒座“X”型导向，横轴移动滑架快速锁紧装置，设有穿型导向，横轴移动滑架快速锁紧装置，设有

6、穿孔针情理装置已经模环清理装置。孔针情理装置已经模环清理装置。5.1.2 反向挤压机反向挤压机 挤压筒剪切式挤压筒剪切式 挤压筒剪切式的特点是前梁和后梁固定，通过4根张力柱连成一个整体，在挤压筒移动梁（也称挤压筒座）上，安设有压余剪切装置。 挤压筒剪切式挤压筒剪切式5.1.2 反向挤压机反向挤压机 中间框架式中间框架式 用于正反两用挤压机，其特点是前梁和后梁固定，通过四用于正反两用挤压机，其特点是前梁和后梁固定，通过四根张力柱连接成一个整体。在前梁和挤压筒移动梁之间安设有根张力柱连接成一个整体。在前梁和挤压筒移动梁之间安设有压余剪切用的活动框架，剪刀就设置活动框架上。压余剪切用的活动框架，剪刀

7、就设置活动框架上。5.1.2 反向挤压机反向挤压机 后拉式后拉式 中间梁固定，前后梁是通过中间梁固定，前后梁是通过4根张力柱连成一个整体的活动根张力柱连成一个整体的活动梁框架。梁框架。5.1.3 冷挤压机冷挤压机q辅助机构辅助机构 热热剪剪机：用于将加热后的长锭按要求剪切成定尺短锭机：用于将加热后的长锭按要求剪切成定尺短锭热剥皮机：用于反向挤压前，将已加热好的铸锭表皮热剥皮机：用于反向挤压前，将已加热好的铸锭表皮剥去剥去挤压挤压机机后辅机：包括淬火装置、中断锯、牵引机、机机后辅机：包括淬火装置、中断锯、牵引机、固定出料台、出料运输机、提升移料机、冷床、张力固定出料台、出料运输机、提升移料机、冷

8、床、张力矫直机、张力矫直输送装置、贮料台、锯床输送辊道、矫直机、张力矫直输送装置、贮料台、锯床输送辊道、成品锯、定尺台、检查台成品锯、定尺台、检查台5.2 挤压筒与挤压垫挤压筒挤压筒5.2.1 挤压筒挤压筒 容纳锭坯，承受挤压杆传容纳锭坯，承受挤压杆传给锭坯的压力并同挤压杆一给锭坯的压力并同挤压杆一起限制锭坯，使之承受压力起限制锭坯，使之承受压力后只能从挤压模孔挤出的挤后只能从挤压模孔挤出的挤压工具。压工具。 挤压筒的结构形式挤压筒的结构形式 为了改善受力条件，使挤压筒中的应力分布均匀，为了改善受力条件，使挤压筒中的应力分布均匀，增加承载能力，提高其使用寿命，绝大多数挤压筒是增加承载能力，提高

9、其使用寿命，绝大多数挤压筒是用两层以上的衬套，以过盈配合，热装组合在一起构用两层以上的衬套，以过盈配合，热装组合在一起构成的。成的。挤压筒衬套的层数应挤压筒衬套的层数应根据其工作内套的最根据其工作内套的最大压力来确定。大压力来确定。 挤压筒挤压筒的加热方式的加热方式 为了使金属流动均匀和挤压筒免受过于剧烈的热冲击，挤压为了使金属流动均匀和挤压筒免受过于剧烈的热冲击，挤压筒在工作前应进行预加热，在工作时应保温。目前，一般采用筒在工作前应进行预加热，在工作时应保温。目前，一般采用装在挤压筒衬套中的电感应加热和电阻丝外加热器加热。装在挤压筒衬套中的电感应加热和电阻丝外加热器加热。 挤压筒工作内套的结

10、构挤压筒工作内套的结构（1）按工作内套的外表面结构可分为圆柱形、圆锥形和台肩）按工作内套的外表面结构可分为圆柱形、圆锥形和台肩圆柱形。圆柱形。（2）按内套的整体性，可分为整体内套和组合内套。在组合）按内套的整体性，可分为整体内套和组合内套。在组合内套中又分为圆柱形组合、锥形组合、分瓣组合三种。内套中又分为圆柱形组合、锥形组合、分瓣组合三种。（3）按内腔形状分为圆形、扁形和其他形状。）按内腔形状分为圆形、扁形和其他形状。 在在挤压筒内将挤压杆与锭坯隔开并传递挤压力用挤压筒内将挤压杆与锭坯隔开并传递挤压力用的挤压工具。其作用是减少挤压杆端面的磨损，隔离的挤压工具。其作用是减少挤压杆端面的磨损，隔离

11、锭坯对挤压杆的热影响。锭坯对挤压杆的热影响。 挤压垫的结构形式挤压垫的结构形式 在挤压铝合金时，为了减少挤压垫片与金属之间粘在挤压铝合金时，为了减少挤压垫片与金属之间粘结摩擦，一般采用带凸缘（工作带）的垫片。结摩擦，一般采用带凸缘（工作带）的垫片。5.2.2 挤压垫挤压垫5.2.2 挤压垫挤压垫5.2.2 挤压垫挤压垫5.3.1 挤压模具分类挤压模具分类（1）按模孔压缩区断面形状可以分为：平流模、锥形模、流）按模孔压缩区断面形状可以分为：平流模、锥形模、流线行模和双锥模等线行模和双锥模等5.3 挤压模具挤压模具5.3.1 挤压模具分类挤压模具分类（2）按被挤压的产品品种可分为棒材模、普通实心）

12、按被挤压的产品品种可分为棒材模、普通实心材模、壁板模、变断面型材模和管材模、空心型材模材模、壁板模、变断面型材模和管材模、空心型材模等。等。（3）按模孔数目可分为单孔模和多孔模。）按模孔数目可分为单孔模和多孔模。（4）按挤压方法和工艺特点可分为热挤压模、冷挤）按挤压方法和工艺特点可分为热挤压模、冷挤压模、静液挤压模、反挤压模、连续挤压模、水冷模压模、静液挤压模、反挤压模、连续挤压模、水冷模、宽展模、卧式挤压机用模和立式挤压机用模。、宽展模、卧式挤压机用模和立式挤压机用模。 5.3.1 挤压模具分类挤压模具分类（5）按模具结构可分为整体模、分瓣模、可卸模、活动模、舌型组合模、）按模具结构可分为整

13、体模、分瓣模、可卸模、活动模、舌型组合模、平面分流组合模、嵌合模、插架模、前置模、保护模等。平面分流组合模、嵌合模、插架模、前置模、保护模等。a平面模；平面模；b平面分流组合模；平面分流组合模；c叉架式组合模；叉架式组合模；d舌形模（桥模）舌形模（桥模） （6）按挤压模具外形结构可分为带倒椎体的锥模、带凸台的）按挤压模具外形结构可分为带倒椎体的锥模、带凸台的圆柱模、带正椎体的锥模、带倒椎体的锥形圆柱模、带正椎体的锥模、带倒椎体的锥形中间椎体压环模中间椎体压环模、带倒椎体的圆柱、带倒椎体的圆柱锥形模、加强模等。锥形模、加强模等。5.3.1 挤压模具分类挤压模具分类 上述分类方法是相对的，往往是一

14、种模具同时具有上述分类方法上述分类方法是相对的，往往是一种模具同时具有上述分类方法中的几种特征。此外，一种模具形式又可根据具体的工艺特点、产品中的几种特征。此外，一种模具形式又可根据具体的工艺特点、产品形状等因素分成几个小类，如棒模又可分为圆棒模、方棒模、六角棒形状等因素分成几个小类，如棒模又可分为圆棒模、方棒模、六角棒模和异形棒模模和异形棒模 挤压模具包括模子、模垫、穿孔针等，是直挤压模具包括模子、模垫、穿孔针等，是直接参与金属塑性成形的工具。期特点是品种规接参与金属塑性成形的工具。期特点是品种规格多，结构形式多，需经常更换，工作条件极格多，结构形式多，需经常更换，工作条件极为恶劣，消耗量很

15、大。因此，应千方百计提高为恶劣，消耗量很大。因此，应千方百计提高模具寿命，减少消耗，降低成本。模具寿命，减少消耗，降低成本。5.3.2 挤压模具结构 挤压模结构要素挤压模结构要素A 模角模角 模角大小对挤压制品的表面质量与挤压力都有很大影响。平模的模角等模角大小对挤压制品的表面质量与挤压力都有很大影响。平模的模角等于于90。其特点是在挤压时形成较大的死去，可阻止铸锭表面的杂质、缺。其特点是在挤压时形成较大的死去，可阻止铸锭表面的杂质、缺陷、氧化皮等流到制品表面，以获得良好的制品表面。采用平模挤压时消陷、氧化皮等流到制品表面，以获得良好的制品表面。采用平模挤压时消耗的挤压力较大，模具易产生变形，

16、使模孔变小或将模具压坏。从减少挤耗的挤压力较大，模具易产生变形，使模孔变小或将模具压坏。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。压力、提高模具使用寿命的角度来看，应使用锥形模。5.3.2 挤压模具结构挤压模具结构 挤压模结构要素挤压模结构要素B 定径带长度定径带长度h定定和直径和直径d定定 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。压制品的形状、尺寸和表面质量的区段。 定径带直径定径带直径d定定是模子设计中的一个重要的基本参数，设计是模子设计中的一个重要的基本参数，设计d定定大

17、小的基本原则是：在保证挤制出的制品冷却状态下不超出图大小的基本原则是：在保证挤制出的制品冷却状态下不超出图纸规定的制品公差范围的条件下，尽量延长模具的使用寿命。纸规定的制品公差范围的条件下，尽量延长模具的使用寿命。 定径带长度定径带长度h定定应根据挤压机的结构形式（立式或卧式应根据挤压机的结构形式（立式或卧式)、被挤、被挤压的金属材料、产品的形状和尺寸等因素来确定压的金属材料、产品的形状和尺寸等因素来确定 挤压模挤压模结构要素结构要素C 出口直径出口直径d出出或出口喇叭锥或出口喇叭锥 模子的出口部分是保证制品能顺利通过模字并保证高表面质量模子的出口部分是保证制品能顺利通过模字并保证高表面质量的

18、重要参数。若模子出口直径的重要参数。若模子出口直径d出出过小，则易划伤制品表面，甚至过小，则易划伤制品表面，甚至引起堵模，但出口直径引起堵模，但出口直径d出出过大，则会大大削弱定径带的强度，引过大，则会大大削弱定径带的强度，引起起定径定径带过早地变形、压塌、明显地降低模具的使用寿命。带过早地变形、压塌、明显地降低模具的使用寿命。D 入口圆角入口圆角r 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。制作入口圆角作端面与定径带形成的端面角。制作入口圆角r 可防止低塑性合可防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减

19、少金属在流入定径带时的非接触变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，同时也减少在高温挤压时模子棱角的压塌变形。但是，圆角形，同时也减少在高温挤压时模子棱角的压塌变形。但是，圆角增大了接触摩擦面积，可能引起挤压力增高。增大了接触摩擦面积，可能引起挤压力增高。 5.3.2 挤压模具结构挤压模具结构分流组合模分流组合模实心平模实心平模导流孔导流孔导流模导流模5.3.2 挤压模具结构挤压模具结构双孔模双孔模模芯模芯5.3.2 挤压模具结构挤压模具结构5.3.2 挤压模具结构挤压模具结构 -大大提高了模芯的抗弯性能；大大提高了模芯的抗弯性能； -模芯弹性失效减少；模芯弹性失效减少；

20、 -减小了铸锭的突破挤压力；减小了铸锭的突破挤压力； -温度和工作压力减少；温度和工作压力减少； -挤压速度提高挤压速度提高50%，因而大大提高生产率。，因而大大提高生产率。 蝶形模（蝶形模（Butterfly Die.）的优秀结构适用于用）的优秀结构适用于用在普通的四孔模上，这很容易用计算机辅助设计在普通的四孔模上，这很容易用计算机辅助设计（CAD）系统进行设计，并能得到传统结构的挤）系统进行设计，并能得到传统结构的挤压模难以达到的表面质量。压模难以达到的表面质量。蝶形模与常规模挤压压力比较蝶形模与常规模挤压压力比较多孔模多孔模 多孔模即一模多孔，即可以一次挤压出很多根型材产品，多孔模即一模

21、多孔，即可以一次挤压出很多根型材产品，与单孔模相比有以下优势：与单孔模相比有以下优势： (1)提高挤压产品的生产效率；在挤压速度相同的情况下，提高挤压产品的生产效率；在挤压速度相同的情况下，多孔模具较单孔模具的生产效率成倍提高，大大降低了生产多孔模具较单孔模具的生产效率成倍提高，大大降低了生产成本。成本。 (2)提高模具寿命；挤压模具的失效形式之一是模孔的磨提高模具寿命；挤压模具的失效形式之一是模孔的磨损，模具寿命以模孔挤出余属材料的长度来计算，理论上多损，模具寿命以模孔挤出余属材料的长度来计算，理论上多孔模具的寿命将成倍提高。孔模具的寿命将成倍提高。 (3)提高模具材料的利用效率，减少模具钢

22、消耗：高强度提高模具材料的利用效率，减少模具钢消耗：高强度耐热模具钢是昂贵模具的材料，国产材料的价格约耐热模具钢是昂贵模具的材料，国产材料的价格约26000元元/吨左右，进口材料的价格达到吨左右，进口材料的价格达到65000元元/吨吨100000元元/吨，多吨，多孔模具技术的采用将大大提高材料的利用效率。孔模具技术的采用将大大提高材料的利用效率。 (4)提高成品率；采用多孔模具技术不仅可咀减小挤提高成品率；采用多孔模具技术不仅可咀减小挤压系数，降低挤压力，在压余不变的情况下，通过提高压系数，降低挤压力，在压余不变的情况下，通过提高铸锭长度，可以减少几何废料所占比率来提高型材的成铸锭长度，可以减

23、少几何废料所占比率来提高型材的成品率。品率。多孔分流模多孔分流模冷却模冷却模现以液氮冷却模具技术加以简单介绍现以液氮冷却模具技术加以简单介绍 液氮冷却模具技术是铝型材在挤压时在模具的专用模垫上液氮冷却模具技术是铝型材在挤压时在模具的专用模垫上加开冷却通道，通过控制系统在设定的通道开度下，液氮通过加开冷却通道，通过控制系统在设定的通道开度下，液氮通过冷却通道喷射在模具的表面，冷却通道喷射在模具的表面， 吸收铝棒带来的热量，直接降吸收铝棒带来的热量，直接降 低模具温度，使模具温度、型材低模具温度，使模具温度、型材 出料口温度保持在稳定温度范出料口温度保持在稳定温度范 围内，达到提高挤压速度的目围内

24、，达到提高挤压速度的目 的；同时，液氮气化后，体积的；同时，液氮气化后，体积 膨胀膨胀600多倍，将出料口型材周多倍，将出料口型材周 围的空气排开，形成惰性保护，围的空气排开，形成惰性保护， 提高型材表面光洁度。其技术提高型材表面光洁度。其技术 基本原理示意图如图基本原理示意图如图1所示。所示。 液氮的冷却通道布置应尽量保证模具表面上冷却介质均匀分配。目液氮的冷却通道布置应尽量保证模具表面上冷却介质均匀分配。目前，最理想的冷却通道布置是在模子本体上直接机加工出来，但由于技术前，最理想的冷却通道布置是在模子本体上直接机加工出来，但由于技术相当复杂，实时控制比较难，很难实现氮冷介质的均匀分配，至今

25、未见到相当复杂，实时控制比较难，很难实现氮冷介质的均匀分配，至今未见到在工业应用上有良好的效果。因此，在一般工业应用中，大多采用在专用在工业应用上有良好的效果。因此，在一般工业应用中，大多采用在专用模垫上机加工出冷却通道的方法。冷却通道布置示意图如图模垫上机加工出冷却通道的方法。冷却通道布置示意图如图2。空心型材挤压模具空心型材挤压模具u 铝型材挤压工模具的性能要求铝型材挤压工模具的性能要求 由于铝合金型材挤压生产工模具的工作条件十分恶劣，因此，挤压生由于铝合金型材挤压生产工模具的工作条件十分恶劣，因此，挤压生产对工模具的要求非常严格。具体要求如下：产对工模具的要求非常严格。具体要求如下：(1

26、)高的强度和硬度值。铝合金型材挤压生产时，要求常温下模具材料高的强度和硬度值。铝合金型材挤压生产时，要求常温下模具材料b值大于值大于1500 MPa。(2)高的断裂韧性和冲击韧性值。在常温和高温工作条件下，要求工模具高的断裂韧性和冲击韧性值。在常温和高温工作条件下，要求工模具具有高的断裂韧性和冲击韧性值，以防止工模具在冲击载荷或低应力条件具有高的断裂韧性和冲击韧性值，以防止工模具在冲击载荷或低应力条件下产生脆断。下产生脆断。(3)高的耐磨性。在高温挤压条件下能抵抗机械负荷而不过早地产生退火高的耐磨性。在高温挤压条件下能抵抗机械负荷而不过早地产生退火和回火现象。在挤压工作温度下，模具材料的和回火

27、现象。在挤压工作温度下，模具材料的s不应低于不应低于1000 MPa。与此。与此同时，在长时间润滑不良和高温高压的挤压生产条件下，模具表面能抵抗同时，在长时间润滑不良和高温高压的挤压生产条件下，模具表面能抵抗因金属因金属“粘结粘结”作用而产生的磨损。作用而产生的磨损。(4)高的稳定性，工模具在高温条件下不易产生氧化皮，有抗氧化稳定性。高的稳定性，工模具在高温条件下不易产生氧化皮，有抗氧化稳定性。5.3.3 挤压模具材料挤压模具材料(5)抗激冷、激热适应能力。防止工模具在长时间周期循环挤压生产过程抗激冷、激热适应能力。防止工模具在长时间周期循环挤压生产过程中过早产生热疲劳裂纹。中过早产生热疲劳裂

28、纹。(6)良好的淬透性。确保工模具整个断面有高且均匀的力学性能，特别是良好的淬透性。确保工模具整个断面有高且均匀的力学性能，特别是大型工模具。大型工模具。(7)抗反复循环应力性能强。防止过早出现疲劳破坏，要求有高的持久强度。抗反复循环应力性能强。防止过早出现疲劳破坏，要求有高的持久强度。(8)高导热性。防止高温挤压过程中被挤压坯料和工模具产生局部过烧或高导热性。防止高温挤压过程中被挤压坯料和工模具产生局部过烧或机械强度损失。机械强度损失。(9)具有良好的抗蠕变和可氮化性能。具有良好的抗蠕变和可氮化性能。(10)具有一定的抗腐蚀性和小的膨胀系数。具有一定的抗腐蚀性和小的膨胀系数。(11)工模具材

29、料在国内应较易获得，并符合经济原则，即价廉物美。工模具材料在国内应较易获得，并符合经济原则，即价廉物美。(12)良好的工艺性能。即工模具材料容易熔炼、锻造、机加工和热处理。良好的工艺性能。即工模具材料容易熔炼、锻造、机加工和热处理。 为提高铝合金型材产品质量，降低挤压生产成本，提高挤压模为提高铝合金型材产品质量，降低挤压生产成本，提高挤压模具使用寿命，应根据挤压型材品种、型材形状规格、产量大小、工具使用寿命，应根据挤压型材品种、型材形状规格、产量大小、工模具工作条件以及钢材本身的工艺性能等方面情况，选择性价比高模具工作条件以及钢材本身的工艺性能等方面情况，选择性价比高的工模具材料。选择挤压工模

30、具材料时一般考虑以下四个方面的因的工模具材料。选择挤压工模具材料时一般考虑以下四个方面的因素：素：（1）被挤压金属或合金的性能。挤压）被挤压金属或合金的性能。挤压生产生产时，不同的金属或合金具时，不同的金属或合金具有不同的物理有不同的物理-化学性能，不同的挤压工艺条件和不同的温度化学性能，不同的挤压工艺条件和不同的温度-速度速度规范，因此，挤压工模具材料应根据被挤压金属和合金的特性来选规范，因此，挤压工模具材料应根据被挤压金属和合金的特性来选择。择。(2)产品形状，规格和品种。不同的产品形状，规格和品种，要求不产品形状，规格和品种。不同的产品形状，规格和品种，要求不同的工模具材料特性。挤压圆管

31、、圆棒等形状简单型材时，同的工模具材料特性。挤压圆管、圆棒等形状简单型材时，5CrNiW，5CrMnMo等中等中等强度的钢材或者强度更低的钢材既能满等强度的钢材或者强度更低的钢材既能满足工模具材料要求；挤压形状复杂的空心型材时，需选用足工模具材料要求；挤压形状复杂的空心型材时，需选用3Cr2W8V和和4CrSMoSiVl等较高级的钢材来制造工模具。等较高级的钢材来制造工模具。u 选择挤压模具材料需考虑因素选择挤压模具材料需考虑因素(3)设备结构、挤压方法与工艺条件。静液挤压时，工模具设备结构、挤压方法与工艺条件。静液挤压时，工模具在高压的液体环境中呈预应力状态，可用在高压的液体环境中呈预应力状

32、态，可用3Cr2WSV等钢材等钢材来制作工模具；工模具材料与挤压方法的选择还有很大关来制作工模具；工模具材料与挤压方法的选择还有很大关系，热挤压工模具材料要求有较高的热硬度和热强度，高系，热挤压工模具材料要求有较高的热硬度和热强度，高的耐磨性和热稳定性等。的耐磨性和热稳定性等。(4)工模具的结构和尺寸。挤压普通实心型材和管材的平面工模具的结构和尺寸。挤压普通实心型材和管材的平面模，可选用模，可选用3Cr2WSV或或5CrNiMo钢材来制造工模具，而挤压空心型钢材来制造工模具，而挤压空心型材用的平面分流组合模和形状复杂的特殊型材模等必须用材用的平面分流组合模和形状复杂的特殊型材模等必须用3Cr2

33、W8V、4Cr5MoSiVl钢或更高级的材料来制造。钢或更高级的材料来制造。 铝型材挤压变形过程是一个含弹塑性、刚塑性、黏塑性铝型材挤压变形过程是一个含弹塑性、刚塑性、黏塑性等多种变形的复杂热力耦合过程，因此，型材挤压工模具等多种变形的复杂热力耦合过程，因此，型材挤压工模具设计是一项具有很高技术含量的系统工程。设计是一项具有很高技术含量的系统工程。5.3.4 挤压模具设计原则挤压模具设计原则u挤压模具设计时应考虑的因素挤压模具设计时应考虑的因素A 由模子设计者确定的因素由模子设计者确定的因素 主要有模子的结构、模子材料、模孔数和挤压系数、制主要有模子的结构、模子材料、模孔数和挤压系数、制品的形

34、状、模孔的方位和尺寸、模孔的收缩量、变形挠度、品的形状、模孔的方位和尺寸、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。定径带与阻碍系统的确定以及挤压时的应力应变状态。B 由模子制造者确定的因素由模子制造者确定的因素 包括模子尺寸和形状的精度，定径带和阻碍系统的加工包括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。硬度变化情况，端面平行度等。C 由挤压生产者确定的因素由挤压生产者确定的因素 主要有模具的装配及支承情况，铸锭、模具和挤压筒的加主要

35、有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，被挤压合铸锭质量，牵引情况，拉矫力及拉伸量，被挤压合金铸锭规格金铸锭规格，产品出模口的冷却情况，工模具的对中性，挤压机的控制与，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，挤压机的能调整，导路的设置，输出工作台及矫直机的长度，挤压机的能力和挤压筒的比压，挤压残料长度等。力和挤压筒的比压，挤压残料长度等。 在设计前，拟定合理的工艺流程和选择最佳的工艺参数，在

36、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。要和充分条件。u模具设计的原则与步骤模具设计的原则与步骤A 确定设计模腔的工艺参数确定设计模腔的工艺参数 设计正确的挤压型材图，拟定合理的挤压工艺，选择适当的设计正确的挤压型材图，拟定合理的挤压工艺，选择适当的挤压筒尺寸，挤压系数和挤压力，决定模孔数。挤压筒尺寸，挤压系数和挤压力，决定模孔数。B 模孔在模子平面上的合理布置模孔在模子平面上的合理布置 将单个或多个模孔，合理地分布在模子平面上，使之在保证将单个或多个模孔，合理地分

37、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的均匀性。单孔的棒材模子强度的前提下获得最佳金属流动的均匀性。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、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量保证模子平面X轴和轴和Y轴的上下左右的金属量大致相等，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的流动特点，使薄壁部分或难成但也应考虑金属在挤压筒中的流动特点，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数目、形处

38、尽可能接近中心，多孔模的布置主要应考虑模孔数目、模子强度（孔间隙及模孔与模子边缘的距离等）、制品的表模子强度（孔间隙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。面质量、金属流动的均匀性等问题。u模具设计的原则与步骤模具设计的原则与步骤C 合理调整金属的流动速度合理调整金属的流动速度u模具设计的原则与步骤模具设计的原则与步骤C 合理调整金属的流动速度合理调整金属的流动速度 u模具设计的原则与步骤模具设计的原则与步骤D 保证足够的模具强度保证足够的模具强度 由于挤压时模具的工作条件十分恶劣，所以模具强度是模具设由于挤压时模具的工作条件十分恶劣，所以模具强度是模具设计中的一个

39、非常重要的问题。除了合理布置模孔的位置，选择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。算挤压力和校核各危险断面的许用强度也是十分重要的。分流桥下端开裂分流桥下端开裂装吊孔开裂装吊孔开裂挤压模具失效的主挤压模具失效的主要表现形式：磨损、要表现形式：磨损、变形、开裂。变形、开裂。造成模具开裂的主造成模具开裂的主要原因：应力集中要原因：应力集中和循环载荷和循环载荷u模具设计的技术条件及基本要求模具设计的技术条件及基本要求u棒材模的设

40、计棒材模的设计 棒材（圆棒、方棒、方角棒）模具是一种简单的挤压模具。棒材（圆棒、方棒、方角棒）模具是一种简单的挤压模具。铝合金棒材均用平面模进行挤压，棒模的入口角为直角。铝合金棒材均用平面模进行挤压，棒模的入口角为直角。 （1）模孔数目的选择原则：合理的挤压系数）模孔数目的选择原则：合理的挤压系数 、足够的模子、足够的模子强度、良好的制品表面质量、金属流动尽可能均匀强度、良好的制品表面质量、金属流动尽可能均匀 （2）模孔在模子平面上的布置：采用单孔模时，应将模孔的）模孔在模子平面上的布置：采用单孔模时，应将模孔的重心置于模子中心上，采用多孔模时，应将重心置于模子中心上，采用多孔模时，应将多孔多

41、孔模的理论重心模的理论重心均匀分布距模子中心和挤压筒边缘有合适距离的同心圆周上，均匀分布距模子中心和挤压筒边缘有合适距离的同心圆周上，同心圆直径同心圆直径D同同与挤压筒直径之间的关系由以下经验关系式来确与挤压筒直径之间的关系由以下经验关系式来确定：定： u棒材模的设计棒材模的设计 （3）模孔尺寸的确定模孔尺寸的确定： （4）工作带长度的确定：主要工作带长度的确定：主要根据棒材的断面尺寸和合金性质根据棒材的断面尺寸和合金性质及挤压机的吨位等来确定工作带的长度。挤压铝合金棒材时，及挤压机的吨位等来确定工作带的长度。挤压铝合金棒材时，工作带长度一般取工作带长度一般取28mm,最大不超过最大不超过10

42、mm 。（5）棒模的强度校核：对于多孔模，需对模孔之间和模孔与模）棒模的强度校核：对于多孔模，需对模孔之间和模孔与模子边缘的危险断面的强度进行校核，而在使用通用的大孔径模子边缘的危险断面的强度进行校核，而在使用通用的大孔径模垫和垫环的情况下，还需计算抗剪强度和抗弯强度。垫和垫环的情况下，还需计算抗剪强度和抗弯强度。 u普通型材模的设计普通型材模的设计 普通型材模主要用单孔或多孔的平面模来进行挤压。为了提普通型材模主要用单孔或多孔的平面模来进行挤压。为了提高挤压制品的质量，在设计型材模具时，除了要选择足够强度高挤压制品的质量，在设计型材模具时，除了要选择足够强度的模具结构外，还需考虑模孔的位置，

43、模孔制造尺寸的确定和的模具结构外，还需考虑模孔的位置，模孔制造尺寸的确定和选择保证型材断面各部位的流动速度均匀的方法。选择保证型材断面各部位的流动速度均匀的方法。 （1） 模孔在模子平面上的合理配置（单孔挤压）模孔在模子平面上的合理配置（单孔挤压） u普通型材模的设计普通型材模的设计（1） 模孔在模子平面上的合理配置（多孔挤压模孔在模子平面上的合理配置（多孔挤压） u普通型材模的设计普通型材模的设计 （2）普通型材模孔形状与加工尺寸的设计）普通型材模孔形状与加工尺寸的设计 普通型材模孔尺寸一般按下式来计算，即普通型材模孔尺寸一般按下式来计算，即 对铝及铝合金，上式中的系数对铝及铝合金，上式中的

44、系数Ky和和Kp可按下表来选择。式可按下表来选择。式中的其他参数如公差，线膨胀系数等可在有关的手册中查取中的其他参数如公差，线膨胀系数等可在有关的手册中查取。u普通型材模的设计普通型材模的设计（3） 控制型材各部分流速均匀性的方法控制型材各部分流速均匀性的方法 A 通过改变模孔工作带的几何形状与尺寸通过改变模孔工作带的几何形状与尺寸 B 阻碍角的作用阻碍角的作用 C 采用促流角（助力锥或供料锥）来均衡金属流速采用促流角（助力锥或供料锥）来均衡金属流速 D 采用平衡孔或工艺余量均衡金属流速采用平衡孔或工艺余量均衡金属流速 E 采用多孔对称布置模孔法均衡金属流速采用多孔对称布置模孔法均衡金属流速

45、（4） 型材模具强度校核：用平面模挤压双孔扁条型材或悬臂部型材模具强度校核：用平面模挤压双孔扁条型材或悬臂部分很长的半空心槽形型材时，必须对模子进行抗弯强度校核分很长的半空心槽形型材时，必须对模子进行抗弯强度校核 u分流组合模的设计分流组合模的设计 （1）分流组合模的结构特点与分类）分流组合模的结构特点与分类 分流组合模是挤压机上生产各种管材和空心型材的主要模具分流组合模是挤压机上生产各种管材和空心型材的主要模具形式，其特点是将针（模芯）放在模孔中，与模孔组合成一形式，其特点是将针（模芯）放在模孔中，与模孔组合成一个整体，针在模子中犹如舌头一样。个整体，针在模子中犹如舌头一样。u分流组合模的设

46、计分流组合模的设计 （2）分流组合模的结构设计）分流组合模的结构设计焊合室形状焊合室形状a a圆形的；圆形的； b b蝶形的；蝶形的； c c焊合室剖面图焊合室剖面图1 1分流孔；分流孔； 2 2焊合室；焊合室； 3 3死区死区 模芯定径带的结构形式模芯定径带的结构形式 u分流组合模的设计分流组合模的设计应用平面分流模导流成形技术的新式挤压模应用平面分流模导流成形技术的新式挤压模 该技术是以平面分流为主要研究对象，主要是在焊合腔下增加导该技术是以平面分流为主要研究对象，主要是在焊合腔下增加导流孔，使变形金属能更容易成型（见图流孔，使变形金属能更容易成型（见图1 1），导流孔的设计必须要保），导

47、流孔的设计必须要保证有足够的深（厚）度和合理的形状。为此，将带有焊合腔、导流证有足够的深（厚）度和合理的形状。为此，将带有焊合腔、导流孔和型孔的下模分成两部分：带有焊合腔、导流孔的中模以及带有孔和型孔的下模分成两部分：带有焊合腔、导流孔的中模以及带有型孔的下模。型孔的下模。可能存在的问题及解决办法可能存在的问题及解决办法（1）可能引起挤压力增加）可能引起挤压力增加（2）模芯的稳定性减少）模芯的稳定性减少由于模厚增加，模芯长度由于模厚增加，模芯长度增加，导致模芯刚度降低，增加，导致模芯刚度降低，在非均匀壁厚的制品中，在非均匀壁厚的制品中，产生的侧向压力有可能导产生的侧向压力有可能导致模芯偏移。但

48、若设计时致模芯偏移。但若设计时加以注意，注意消除和克加以注意，注意消除和克服对模芯产生侧压的因素，服对模芯产生侧压的因素，则模芯是稳定的。则模芯是稳定的。总之，挤压模具设计要诀：总之，挤压模具设计要诀： 孔随形走，避焊定桥，预配流量，定径微调孔随形走，避焊定桥，预配流量，定径微调 106XC型材位于车体侧板部位，属于大型、多腔、薄壁、扁宽型材。型型材位于车体侧板部位，属于大型、多腔、薄壁、扁宽型材。型材最大外接圆直径材最大外接圆直径D外外=500mm，供料长度，供料长度24.6m，型材各处壁厚相差较，型材各处壁厚相差较大，最大壁厚大，最大壁厚4.5mm，最小壁厚，最小壁厚1.5mm，型材宽，型

49、材宽487.4mm，属于难成行，属于难成行型材。型材。实例分析：实例分析：106XC轨道列车车体型材挤压模具设计轨道列车车体型材挤压模具设计分级导流、多级分流的型腔结构设计分级导流、多级分级导流、多级分流的型腔设计分流的型腔设计技术通过：技术通过：a）分层次设计导流分层次设计导流腔、导流槽；腔、导流槽；b）设计不同桥）设计不同桥宽、桥高组合，宽、桥高组合，与分层次的导流与分层次的导流腔、导流槽配腔、导流槽配合，调节金属流合，调节金属流动，保证金属在动，保证金属在模具宽展方向上模具宽展方向上的均匀流动和完的均匀流动和完全填充，同时降全填充，同时降低挤压阻力。低挤压阻力。分级孔及模桥结构示意图内斜

50、筋节点对应分流孔中心位置；分流孔面积由中心向两侧逐渐增内斜筋节点对应分流孔中心位置；分流孔面积由中心向两侧逐渐增大，且分流孔距型材距离也逐渐减小；越靠近两侧，分流桥降桥量越大，且分流孔距型材距离也逐渐减小；越靠近两侧，分流桥降桥量越大，并且分流桥宽度逐渐减窄。大，并且分流桥宽度逐渐减窄。模芯结构设计模芯设计选用锥台式模芯结构；模芯设计比焊合室平面高模芯设计选用锥台式模芯结构；模芯设计比焊合室平面高1.5mm；H处引流通处引流通孔设计为孔设计为18mm10mm，J处及中间立筋处设计为处及中间立筋处设计为20mm10mm；引流斜槽；引流斜槽设计为设计为26左右喇叭状且引流斜槽伸入分流孔深度与倒桥角

51、深度大致相当。左右喇叭状且引流斜槽伸入分流孔深度与倒桥角深度大致相当。焊合室结构设计焊合室采用二级焊合室结构。一级焊合室高焊合室采用二级焊合室结构。一级焊合室高34mm，选用蝶形焊合室结构；二，选用蝶形焊合室结构；二级焊合室高级焊合室高6mm，型材斜筋连接节点处，二级焊合室宽度适当缩窄；型材两，型材斜筋连接节点处，二级焊合室宽度适当缩窄；型材两端二级焊合室扩宽；型材平模部二级焊合尺寸也较窄。端二级焊合室扩宽；型材平模部二级焊合尺寸也较窄。模孔及工作带尺寸设计模孔尺寸确定为型材尺寸的模孔尺寸确定为型材尺寸的1.01倍，型材部分截面在经验系数基础上还加上了倍，型材部分截面在经验系数基础上还加上了适

52、当的修正值；适当的修正值；确定分流桥下、远离分流孔、最窄的模孔，最难进料部分作为工作带最低部确定分流桥下、远离分流孔、最窄的模孔，最难进料部分作为工作带最低部位，模芯工作带出口端设计比下模模孔工作带长位，模芯工作带出口端设计比下模模孔工作带长1.52mm。CAE虚拟试模及模具优化设计 在挤压成形过程中，铝合金要经历加热、整体流动、分流、焊合、定型、在挤压成形过程中，铝合金要经历加热、整体流动、分流、焊合、定型、冷却等多个交叉耦合阶段，采用物理实验和现有的测量仪器与手段基本上冷却等多个交叉耦合阶段，采用物理实验和现有的测量仪器与手段基本上无法了解铝合金的成形机理和变形规律。运用仿真技术则可以模拟

53、挤压成无法了解铝合金的成形机理和变形规律。运用仿真技术则可以模拟挤压成形过程，揭示金属的流动规律和各种物理场量的分布、变化情况，可用于形过程，揭示金属的流动规律和各种物理场量的分布、变化情况，可用于指导开展模具优化设计，从而减少实际试模次数，降低试模成本。指导开展模具优化设计，从而减少实际试模次数，降低试模成本。 挤压方向Diagram优化设计方案流程图优化设计方案流程图 计算机仿真模拟初始参数设置 计算机仿真模拟模型 初始设计数值模拟结果分析初始设计挤出型材图初始设计挤出型材变形分布图型材上、下型材上、下大面与各斜大面与各斜筋连接节点筋连接节点内凹，八条内凹，八条斜筋不平斜筋不平整。整。型材

54、上、下大型材上、下大面与各斜筋连面与各斜筋连接节点、型材接节点、型材八条斜筋变形八条斜筋变形量均较大，最量均较大，最大变形量达到大变形量达到8.65mm。Diagram 型材中间斜筋部位金属流速太慢，与此对应，型材右下角平模部位金属流型材中间斜筋部位金属流速太慢，与此对应，型材右下角平模部位金属流速速48mm/s 左右；且型材下边大面右侧部分与左侧部分流速不均衡，右侧部左右；且型材下边大面右侧部分与左侧部分流速不均衡，右侧部分金属流速整体偏快分金属流速整体偏快10 mm/s以上。以上。 模孔出口处金属流速分布与型材出口处金属流速分布规律一致。模孔出口处金属流速分布与型材出口处金属流速分布规律一

55、致。第一次优化设计数值模拟结果分析模具引流通孔第一次优化前后对比图模具引流斜槽优化前后对比图将原来将原来J处处1020mm的引的引流通孔调整为流通孔调整为1323mm；将；将原来原来H处处1018mm的引的引流通孔调整为流通孔调整为1321mm增大引流斜槽的增大引流斜槽的斜度，将引流斜斜度，将引流斜槽槽26喇叭角喇叭角调整为调整为30Diagram缩窄右下侧及平模部位二级焊合室尺寸，降低其对应处金属流速。缩窄右下侧及平模部位二级焊合室尺寸，降低其对应处金属流速。扩宽左下侧部分二级焊合室尺寸，加大对左下侧部位金属供料。扩宽左下侧部分二级焊合室尺寸，加大对左下侧部位金属供料。Diagram型材上、

56、下大面与各斜筋连接节点内凹趋势缓解，八条斜筋不平整现象得型材上、下大面与各斜筋连接节点内凹趋势缓解，八条斜筋不平整现象得到有效改善。到有效改善。型材各部分变形量大大降低，最大变形量降低近半，说明模具优化设计措型材各部分变形量大大降低，最大变形量降低近半，说明模具优化设计措施合理。施合理。中间斜筋流速得到较大程度改善但仍偏慢，速度普遍只有中间斜筋流速得到较大程度改善但仍偏慢，速度普遍只有20mm/s左右；左右；型材上侧大面左右两角部型材上侧大面左右两角部A、B处金属流速偏快，达到处金属流速偏快，达到38mm/s以上；型材以上；型材中间立筋中间立筋C处及平模部位金属流速稍快，流速处及平模部位金属流

57、速稍快，流速34mm/s左右，因此，还需进左右，因此，还需进一步优化设计。一步优化设计。第二次优化设计数值模拟结果分析将将J处引流通孔处引流通孔尺寸由尺寸由1323mm调整为调整为1525mm，将将H处引流通孔处引流通孔尺寸由尺寸由1321mm调整为调整为1523mm。Diagram缩窄左上侧缩窄左上侧A处对应二级焊合室尺寸处对应二级焊合室尺寸4mm。调整右上侧调整右上侧B处、立筋处、立筋C处及平模部位工作带长度，处及平模部位工作带长度，B处对应工处对应工作带长度加长作带长度加长2mm，立筋，立筋C处及平模部位工作带长度调高处及平模部位工作带长度调高1mm。B C A 第三次优化设计D E 挤

58、出型材成型挤出型材成型好，各处平整，好，各处平整，无明显异常变无明显异常变形。形。除左上侧除左上侧D处变处变形量超过形量超过1外，外，其它部位变形均其它部位变形均较小。较小。除除D处及处及E处处外，型材其余各外，型材其余各处金属流速基本处金属流速基本在在31.774 mm/s范围内。范围内。模具强度校核 2p SQ分流桥最小高度：分流桥最小高度：Hmin=L分流桥抗剪强度较核：分流桥抗剪强度较核： 本设计中分流桥符合抗弯、抗剪强度要求，满足受力要求，可直接本设计中分流桥符合抗弯、抗剪强度要求，满足受力要求，可直接用于加工生产。用于加工生产。上模加工流程：上模加工流程：锯料锯料粗车粗车划线打字码划线打字码镗床镗边镗床镗边钻起吊孔攻牙钻起吊孔攻牙CNC粗铣粗铣钻螺销孔攻牙钻螺销孔攻牙普铣床接顺普铣床接顺打金钢磨头打金钢磨头前工质检前工质检热处热处理理精车配止口精车配止口CNC精铣精铣平面磨磨工头平面磨磨工头电火花套打工头电火花套打工头线切割割线切割割引流引流电火花打芯头内空刀电火花打芯头内