铝型材挤压模具制造

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工业铝型材技术专集·543·模具制造和模具修正BStein，Bonn卢莉莉，孙艺文，张玉洁，李越译，王丽巍校【东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060)1模具制造1．1对用户所需型材进行检验和分类对所需型材进行检验和分类是挤压厂很重要的工作之一。它是模具生产车间进行设计、计算和模具加工的基础，也是最后为客户提供报价的依据。检验和分类工作由技术人员仔细地完成，因为如果检验的数据不正确，可能会影响订单的完成。对每台挤压机的现有模支承垫和每个挤压筒的直径应进行汇编整理，不同的模支承垫的孔径应按照1：1的比例画在透明的箔上(图1)。对所需要的型材借助于图纸进行检验分析，比如在图1中用图解说明的检验单。再根据客户的图纸(必须对其比例进行核对)，对型材进行检验，应考虑到：(1)挤压后比较明显的断面部分；(2)处在输出辊道上的断面的定位，以尽可能减小表面损伤；(3)通过模具生产出的型材根数(取决于型材的复杂程度)；(4)足够的型材挤出重量。16MN挤压机；乒203mm的挤压筒；I一最大的外接圆；2一现有的模支承孔及孔的数量(比例l：1)图1检验单的实例图2带有声203mm挤压筒的16MN挤压机上模支承垫的例子用检验单来试着找到最好的模支承垫，无论如何它至少要能提供对该台挤压机来说是最小的挤出型材重量w，。i。。如果满足以上所有准则，那么相应的数据(所选用的挤压机、型材根数等等)和其他问题一起记录到图纸上，比如不能实现的公差。对于不能实现的公差，必须与客户联系看公差是否可以改变，或至少改变到在技术上能实现的水平(任何改变都应在给客户提供的报价上写清楚)。·544·工业铝型材技术专集图2示出一台17MN挤压机的6孑L模支承垫的例子。预期的理论挤压型材单根重量为0．215kg／m，总的挤出重量为6X0．215=1．29kg／m。假定挤出重量是足够的，那么其他方面比如说公差、关键部位、“长舌”、锐边以及焊合区也必须考虑到。将检验结果注释在客户的图纸上，特别要详细说明的是：(1)所用的挤压机，选用的模支撑承垫的孔，挤出型材的根数和挤出重量(如果挤出的重量不够，则必须研究一下是否需要更换新的模支承垫来满足W㈨。的要求)。(2)型材在模具里的排布定位如何适应于输出辊道，例如，略微带有立筋的型材应该避免，可以把这样的型材归类人标准型材，它可以降低成本。以上所有数据资料对于模具设计计算、销售部门的工作都很重要，在订单签订后，可供模具生产车间参考，而且并不仅限于此。1．2要制造的模具的类型和选用钢材的型号A1MgSi0．5(6063)铝合金的挤压模具通常用1．2343和1．2344钢材(德国牌号，美国牌号H11或H13=X38CrMoV52，X40CrMOV51)来制造。原料必须经过ESR(电渣重熔)工艺进行重熔炼。 开口型材模具应有预成形室或者导料板室，这样有两个优点：第一是在挤压操作过程中，预成形室起到了初步成形型材的作用；第二是如果使用金属腔，预成形室是必须的，并且新挤出的型材要按交货长度切割(图3)。只有带有这样的预成形室，才有可能达到充分的焊合，满足在输出辊道上拉伸型材的需要。空心型材通常使用分流模挤压。这种模子保证在连续的挤压过程中的型材有较好的焊合性(图3)，它是拉伸操作所需要的。只有分流模可以挤压出各种类型的空心型材(包括用宽展模挤压的外接圆>O．8～0．9倍挤压筒直径的型材)。很多时候，推荐采用星形模，例如单孔星形模，因为制作起来比较便宜，并且挤压之后铝的粘着物容易去掉。反之，桥形模具是完全不合宜的，一是因为它们会产生大量挤压残料，二是因为型材焊合不好，因此不能在输出辊道上像图3所示那样切割型材。模具制造本身取决于工厂内、外制模者的经验，但是无论哪种情况下，都应遵循最初管理部门根据对产品的甾冱dL一运输距离；1一预成形室；2一导料板；3一焊合点；4一挤压机；5一拉伸矫直机；6一锯切机图3模具类型要求所作的考虑。但是可能因为有不可预见的原因，也不能完全按其指令进行制造工作。在这种情况下，模具生产车间应马上联系技术管理部门；模具制造者从不决定工作的过程。模具生产车间是服务部门。值得强调的是，模具最好是出自专业人员之手，只有这样模具制造才能有实在的进展，跟上世界铝挤压工业的发展。1．3型材在模具中的定位对客户所需要的型材在管理部门检验分析以及客户对订单的内容确认之后，制造模具的图纸和客户所需型材的图纸副本将最终送到模具生产车间。在那儿，对技术管理人员标注的客户方图纸进行核对，从而知道了所要使用的挤压机和模支承垫，并给出型材横截面在模具内的定位。型材的明显表面区域以及与挤压时将和输出系统相接触的部分也应明确，如果是空心型材，对焊合区也必须留心：焊合区不能安排在挤压件的明显表面区域，但是焊合区是不可避免的，它应安排在型材的角边上或安排在完全不显露的区域。工业铝型材技术专集现在应考虑导流筒。以作者的观点来说，所有类型的模支承垫都应有一个相配合的导流筒(或者是几个模支承垫共用一个导流筒)。在决定制做新模支承垫时，也应直接订做新的导流筒，因为导流筒上的孔必须与模支承垫上的孔相对应。导流筒本身是由石墨块外衬钢管制成，并应提供液态氮源(见图4)。1．4来自修模车间的反馈模具经加工和淬火后，在表面处理(“tenifer”一氮化或其他表面处理)之前，给修模车间提供模具和一份复制的设计图纸。在那儿经过检验之后，把模具送到挤压机旁的 预加热炉处。在计划的试验期间，对预加热模具套件的第一次测试应在修模人员到场的情况下进行(至少一个模具和模支承垫)，观察并记录所有关于挤压型材流速、弯曲度、扭拧、波浪等的数值。在试挤后，当模具冷却下来并清洁干净后，根据测试结果，修模人员可对模具进行必要地修正。所有的修正都记录在图纸复印件上。如果有必要多次测试，可反复操作，一旦完成了全部修模。模具被返回进行表面处理。将一份带有修正标注的图纸复印件返1一液态氮；2一导流筒；3～台板；4一模支承垫，副模支承垫；5一模具环；6一模具；7一压板。图4型材在模具中的定位回给模具生产车间，以便对最初的图纸进行修改，供制造下一个模具时使用。因而，如果配备一个好的修模人员，所有后面的模具通常只需要二次测试修理，或最多二次。带有标注的图纸复印件最后返回到修模车间，在那里编档保存。如果个别修正人员作了特殊的修正，也应标示出。1．5淬火和表面处理如上所述，模具在测试之前必须淬火(加热1030℃～1060。C，油淬火到HB30235～55HCR)。最后，模具表面应在氮化装置中处理(例如“tenifer”)。渗氮层深度应不超过15肛m(5肚m～15肛m)。氮化后应用细粒砂纸或用机械方法消除模具上的灰层(约1pm～2／Ira)。大约经150次挤压冲击后、重复进行氮化处理。因为在大约500。C的挤压铝合金的操作期间，氮化表皮会变得软化。另外，在氮化温度下有助于防止模子形成裂纹，因为氮化过程(约在570。C处理90min～120min)也是一个减小模具应力的过程。模具使用后，经铝喷射或涂油后再保存，让模具始终处在一个适宜的表面处理状态。模具绝对不可以在无表面防护的情况下存放。以后会介绍更多的关于模具氮化处理的内容。2模具的修正本部分介绍在挤压过程中模具遇到的一些问题。所选择的问题和解决这些问题的方法构成修模工的基本技术诀窍。但是，几个图表和解释说明并不能代替修模工的长期工作经验。修模工在长期的实践中摸索，最终会“摸索”到模具在挤压过程中会出现什么情况，所积累起来的经验将成为挤压的“指南”。下面旨在为新手学习修模过程提供一些基本的知识。2．1修模车间的设备和工具模具修正主要是一种手工工作，因此主要需要手工工具。适用于一般修模工的典型工具有：(1)细锉(金属的或涂有金刚石)；(2)砂纸和细砂布(可以涂有金刚石)；(3)卡尺，干分尺，手动磨具(带有各种刚砂石)，锥度规，塞尺，组合角尺，圆角规，可调平垫铁，虎钳。·546·工业铝型材技术专集车间配置修模工可以使用的装置有：(1)立式挫床和铣床；(2)可用来对挤压之前和之后辅助的模具进行抛光的搪磨机，这样可省去许多手工工作；(3)建议配置喷砂设备。在车间附近，必须有一个便于修模工利用的用于清洗模具的加热的火碱池(图5略)，其NaOH溶液和水按体积比例为1／1(NaoH溶液的浓度为50％)，温度为80℃～90℃。可供模具制造者和修模工使用的装置必须有： (1)表面氮化处理设备；(2)焊接设备。其他设备：为了便于修模工直接在挤压机上进行修模工作，应配置虎钳和一些手工工具。2．2模具修正的原则原则上所有的修正工作应在模具本身上进行，因此有一些操作是不允许进行的，例如将模具滑座向右边或向左边移动，或者串动挤压机中的模具。虽然在紧急情况下可能进行这种操作，但是不能长期采用这些操作，因为会反复产生一些问题。为了改变金属流动特性，必须从模具的后端进行修模操作。为了加速模具内的金属流量或实现部分加速，只能从模具的后端缩短定径带的长度，不能在模具的前端进行操作。如果在模具的前端缩短定径带的长度会减少模具的寿命，熟练的修模人员会避免这样做。在生产期间只使用已经修正过的模具，如果问题仍然出现，并将影响产品按时交货的这种情况下，才可以直接在挤压机上从模具前端修正。但是，这种决定不能由修模人员独自作主。应该记住，所有的修正都应为以后进一步修模保留足够的选择余地。因为有时一处修正会引起别的问题出现(例如：模具修正后，“腿”超出了角度，而在修模之前没有出现这个情况)。}。。外，还应检查模支承垫和副支承垫是否将模具支撑牢靠，这常常也是重要的。最后一点是，修模工应自始至终自己修正“他的”模具，直到模具能够良好地投入到生产中，因为他最了解模具的情况，并且只有他自己知道在某一时间他对模具做了怎样的修正。这一切好比是他自己的“手迹”，这样每个修模工就积累了经验。2。3修正平模一些术语，像“缩短模孔定径带”，不仅适用于平模，还适用于空心模。修正型材缩进的部分(见图6)。在“立筋”区域模孔定径带过长。解决办法：应从模具的后端将“立筋”区域的定径带缩短。绝对不能从前端进行修正(即使这样做也可能行，而且有时候更容易些。但这并不是一个好办法，并且如果是带有进料腔的平模，可能还会带来额外的麻烦)。修模可使用手动研磨具、磨削机和金刚石锉。立筋处流动过快(见图7)。在“底部”区域的模孑L定径带过长(或在“立筋”区域过短)。解决办法：缩短“底部”区域的定径带，或用锉打磨“底部”区域的出口腔，或用锉打磨“立筋”区域的入口导角。使用手动研磨具、磨削机和金刚石锉完成。1一缩进的立筋；2一有时会出现的皱折；3一模孔定径带修掉的部分；4～型材；5一锥形磨床图6修模实例立筋的角度超出规定范围(图8)。造成这种缺陷可能有多种原因。工业铝型材技术专集-547·立筋立筋立筋i1角度过大角度过小 1一立筋处金属流得过快；2一用锉打磨出口腔使金属流动速度加快；3一用锉打磨入口导角使金属流动速度减慢图8修模实例图7修模实例解决办法：修模I需要用锉沿着正合适角度方向打磨立筋区域的定径带。也就是说，如果角度过大，需要打磨出口腔的内定径带以及人口腔的外定径带。如果角度过小，需要打磨人口腔的外定径带以及出口腔的内定径带(注：原文此处可能有误——译者注)。修正角度在原则上只能采用这种方法。但是，这常常不是修模工要解决的唯一问题，在多数情况下，还常常伴随着存在缩进、皱折等问题。因此，修模工首先应通过修正模孔定径带的长度来解决所有与金属流动有关的问题。也有可能由于修模工为解决所有问题而打磨出口腔和入口腔，从而使情况变得更糟。因此，修模工至少应先修正模孔定径带的长度，在初步的修正完成后，再通过打磨出口腔和人口腔的导角进行精修。型材壁厚超出公差(图9)。模孔尺寸过小或过大，有时候，模具在挤压过程的压力下会弯曲。或“长舌”从而使挤压出的型材壁厚出现偏差。解决办法：如果型材壁厚过薄，则要解决：要么将模具退回给模具生产车间；要么用锉对具体的模孔进行修正以扩大其模孔尺寸。但是如果壁厚过厚(或模具在用于挤压大量的产品之后出现破损)，该怎么办呢?制造一个新模具吗?如果还有很大的生产任务量是可以这样做的；但如果只剩下少量的生产任务，且眼前又没有新的这种型材的订单那该怎么办呢?这时，修模工应通过锤击的方法(然后锉磨)，努力缩小模孔尺寸。修模工应尽可能地从定径带外侧开始锤击，然后向前移，对着模孔锤击。在这种工作期间，应将模具加热到250℃～260％，以防出现裂纹(有些修模工还采用这种方法使用圆头锤对模具表面进行快速修正，以加快金属流速，且无需将模具从挤压机上取下)。a一锤击前的模孔尺寸；b一锤击后的模孔尺寸；1一斧锤；2一冲子图9修模实例纹图10修模实例型材边角部位出现的尖锐小毛刺(图10)。这些毛刺是由模孔棱边部位的裂纹(在压力作多⑨，"，／相．548．工业铝型材技术专集用下弯曲、模具过硬、过于频繁的氮化、“模舌”过于偏斜造成的)引起的。解决办法：最好的办法是焊接边角部位，然后把模具送回到模具生产车间对焊接边角部位 进行电火花腐蚀。有时候尤其是要求时间很短的情况下，有一种方法很起作用，那就是用冲子冲击模孔棱边部位。更好的办法是在模具氮化处理过程中将模孔的棱边部位“屏蔽”，以防边角部位氮化。这样，边角部位仍保持一定的柔韧性，延缓裂纹的出现。还可以增加棱边的半径长度。型材的凸起或凹陷区(图11)。当使用舌头比较长的模具时常常会出现这种情况。在压力下“舌头”会弯斜，因此定径带也会变得不平整。解决办法：在设计模具时，除了要考虑对“舌头”提供牢固的支撑，还要采取措施加长“舌头”对面的定径带。这样，如果“舌头”发生偏斜，两个定径带会在同一水平面上(图1lb)。这种方法可防止型材的凸起曲面。如果上部定径带是平直的，而对出口腔的“舌头”定径带进行锉磨，该区域的金属流速会加快，那么该区域就有变凹陷的趋势(这实际上是修磨工的错误操作造成的。因此，从模具的后部修正定径带的长度以加快或减缓金属流速的做法是首选的方法)。凹陷曲面可通过锉磨人口腔的外定径带及出15腔的内定径带进行修正(修正金属流速之后)。41一凸起；2一凹陷；3一舌头；4一在压力下“舌头”偏斜；5一偏斜情况下采用的定径带长度“a”；6～偏斜的“舌头”图lla和b修模实例撕裂(图12)。通常(尤其是型材上出现内螺纹孔的情况，且多数出现在中空型材上)在挤压过程中一切看起来都很顺利，但在切割型材后，发现内部有撕裂出现。有时撕裂候是因为这些区域进料不当(进料槽沟过小)，或挤压速度过快，这是因为螺纹孔起到了阻碍金属流动的作用。解决办法：将模具返回模具生产车间加宽进料槽沟面(在可能的尊况下，)，璺者试探着降低挤压速度(尽管这样图12修模实例做--uJ．日6／匕c,会增加生产成本)。弯曲和扭拧的挤压件。有时候型材挤出时形状严重弯曲或扭拧(多数情况还伴有其他问题)。这种情况出现在壁厚相同、定径带不同(修模工的错误)的情况下。在这种情况下，一侧工业铝型材技术专集·549·会缩进，型材趋于弯曲、扭拧或者两种情况兼有。也可能是挤压机的对中不好。、从模具存储库取来的、已修正好的模具也可能出现这种问题，这时，必须检查一下挤压机的对中调整情况。当然可以按照所介绍的方法对模具再次进行修正，但那只是一个临时的办法。还是应尽快对挤压机进行检查。如果模具滑动或者整套模具组件定位不好，也必须采取同样的步骤进行检查。模舌变形(图13)。精密的模舌在挤压过程中不仅容易纵向弯曲，还可能向一侧弯曲。如果发生这种情况，必须停止挤压生产，且该型材不能使用。有时候该模具本身也不能再次使用。无论模具报废与否，还会有问题出现。如果舌头根部未破损，则应尽量通过将楔块(与模具后端的锥度相同)锤打进模具后端变形的开口内，从而修正模舌。将模具精心地预热到300℃～450℃，与此同时，用焊枪 以文火稳定地加热模具前端面。然后，再抛光模具定径带，并进行表面处理。也可检查模具是否硬度太低，以及下一个模具是否要增加模舌的硬度。2．4修正空心模具虽然修正空心模具更复杂，但是，也应看到另一方面，即修正空心模具的可选方法更多一些。从原则上讲，所有用来修正平模内金属流动的办法都可用于修正空心模具。因此，修模工可加速或者减慢金属流动速度，比如，通过改变模具定径带长度来避免型材出现波浪。与开口型材相比，空心型材如果各个角均在空心型材的内部，则无角的“侧边(1egs)’’并不很重要。如果真有外部侧边(图14所示)，则这种模具就必须以与扁平型材模具修正相同的办法进行修模。前面说过，修正空心型材模具还有多种可用方法，如下面的实例介绍的那样。1一偏斜的“舌头”；2一前端；3一楔块；4一后端圈13修模实例外侧边图14有外侧边的空心型材对于金属流速不同的修模(图15)。如果型材的某些部分的金属流动较快，而另外一些部分缩进，则呈现出横向波纹。这是模具定径带长度没有调整好，或者说(更多情况下)模具内的金属流动受到阻碍。解决方法：改变模具定径带的长度有时有好处。如只需要做很小的修模时，可锉一锉模具阻塞部分。最好的办法，通常是修掉模具上存在于这些部位的阻碍结构(参见图解)。有时，进料孔过大或过小，这同样会使问题出现。所以一定I一金属流动快而出现波}良；2一阻碍物破要校对并开通出不均等的人料孔。另外还必须检查模帽和坏金属流动；3一去掉阻碍物模芯二者是否可靠固定。如果它们可游动，那么很显然就会图15a和b修模实例产生壁厚不均(图16)。修正空心型材的下凹或上凸弓形(图16)。这一问题常常是模具生产车间自己产生的失误。模芯的定径带长度应比模帽的定径带稍长，这是因为，在受压状态下，模具会变弯，并使模·550·工业铝型材技术专集芯的定径带会沿金属流动的方向运动。确决方法：将模芯定径带加长，这样模芯在受压下就会有和模帽完全相同的定径长度，因而也会正常地挤压出型材。但是，如果变弯程度比所预见的明显得多，则模芯也会比期望的运动更大。则型材的壁会出现下凹弓形面，这就是因为模芯的可用定径带长度短于模帽定径带的长度。如若模具制造车间制造出的模具其强度过低(即变弯过于明显)，则补救这一特殊情况下的模具的唯一办法，就是在模芯和模帽之间放置隔环，可消除这 种模具的过度变弯(但是下个模具制造时要加强其强度)。p糜I^^这一措施(仅能作为最后手段)，因为会增加1一凸起壁；2一内凹壁；3一隔环；模具高度，从而可能使其装不到模座中，在此时，4一此处变短；5一受压下变弯通常应降低模帽的高度来修改模具。上述措施一图16修模实例般用来解决型材壁下凹问题。在型材壁上凸的情况下，应检查模具定径带。很多情况下就是在模具使用过长时间之后，模具定径带(主要指模芯的定径带)被磨损了。这是型材出现上凸壁形的常见原因。如果型材壁厚公差允许的话，则可锉或打磨模芯的定径带表面，来扩大一点型材壁厚。但是，如果模芯定径带磨损程度很严重，而且型材壁厚已是最大值，则可冲压模芯或者在其上焊几层(模具预热到大约300℃)。然后，此模具一定要送回模具生产车间重新加工。有时芯上有阻碍物，它阻碍金属流动。1一分流孔；2一模具前端面；解决方法：以适当的方式打磨模芯或分流孔的开口部3一分流孔过小分。如有必要，可扩大这些分流孔，并使其平行于模芯和模图18修模实例帽。可采用打磨方法去掉阻碍物。有时使用导流筒也有好处。角度改变的型材。在大多数情况下，如果型材出现此类问题，则它们就会同时出现扭拧或弯曲问题。因此，对于后面这两个问题，应首先按已介绍的方法去加以解决。工业铝型材技术专集·551·型材表面条纹(图19)。挤压型材外表面出现条纹可是一个大问题，因为它们在以后的工序会更明显，尤其在阳极氧化处理之后会如此。此问题最常见于带有小壁厚的型材上、焊合区上、内侧墙壁的背面上或“支边”上、螺纹孔处，以及内侧墙壁厚度有显著改变的背面上。各种原因中，主要是进料不足或过量(内侧的“支边”，螺纹孔)，模具结构缺陷(焊合区)，或问题出在型材本身设计上(图20)。要想预防出现此类问题，在与客户订立合同之初，就必须检查客户的图纸上是否存在诸如型材壁厚明显差异之处这样的问题。客户通常并不是挤压型材方面4的行家，而且如果另一方案用材更少或模具费用更低(尤其在这种省钱的情况下)，客户常常愿意修改型材设计结。构。如有可能，焊合区应设计在型材比较不显露的区位。1一焊合区；2一内边；3一螺纹孔；4一明显的无论如何，焊合室应尽可能大一些。但一定不应降低模具壁厚不均；5一可用的解决办法；6一条纹之强度，模具桥筋必须始终保持足够强度，可抵抗压挤力图19型材外表面出现条纹(同时也是出于安全之原因)。许多挤压机操作手曾被挤压I机射出的钢质部件严重击伤。如果模具制造者，在大直径管材或大尺寸空心型材的情况下，用分流组合模模芯的阳模作为桥筋来达到补充进料，在这种情况下尤其可能发生这种事故。实际上这种型式的模具是十分危险的，因为它会在明显的最低强度区位断裂。在第一冲程中，在材料开始流动之前(即模具所受到的阻力最高时)，模具就很可能断裂。 破碎件会以很高速度从前横梁中飞出。有时正常的分流组合模具也可能破坏，但是，在此情况下，破坏的阳模会被模帽和模具组件挡住，而不会这样飞出。因内侧的“支边”或螺纹孔而导致的其他条纹，其修理方法是检查这些部位的模具定径带、抛光、修磨成较光滑的定径带，或者修改或加大这些部位的半径。最后，有时条纹是由材料本身形成的。如果出料设备区内的冷却设施能力不足(这也会在阳极氧化时造成黑斑区)，就会常常出现不好的晶粒度或较大的晶粒度变化。有时模具定径带长度的骤变也是此问题产生的原因，型材从挤压机挤出之后，其晶粒度取决于降温速度。有时，坯料本身也会影响该问题的出现，比如坯料加热不好，均热不好，或者坯料是用质次的铸造材料(不恰当的晶粒度)做成的。1一外层进料孔；2一模芯内的附加进料孔；3一可能断破区位；4一断破后射出的模芯碎件；5一可能断破区位；6一断破模芯(不能飞出)图20修模实例(本文1．1节～1．3节由卢莉莉译，1．4节～2．2节由孙艺文译，2．3节由张玉洁译，2．4节由李越译)译自ALUMINIUM，2005(6)：548—551；2005(7／8)：641—646(英文)__