大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计关键技术.pdf

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1、大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计关键技术1122莫建虎李落星李光耀钟志华1.湖南大学材料科学与工程学院长沙4100822.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082摘要：模具设计是大型整体壁板和空心薄壁铝型材制造的关键技术，传统的模具设计主要依靠人的经验和反复试模与修模来完成。计算机技术和塑性加工技术的发展，促进了挤压模具CAE技术的发展。本文总结了大型整体壁板和空心薄壁铝型材的模具设计方法，以及各种CAE技术在模具设计中的应用，最后提出了关于此类研究的发展瓶颈和发展方向。关键

2、词：大型整体壁板空心薄壁铝型材模具设计CAE技术中图分类号：TG3760前言随着科学技术的进步和现代化经济的高速发展，铝合金型材正向着大型化和整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精度化、形状复杂化、外形轮廓美观化的方向发展。车辆轻量化,特别是高速双层客车和地铁列车的轻量化是铁道运输现代化的中心议题,而大量采用铝合金材料是提高车辆轻量化的最有效的途径，其主要的方法就是采用大型整体壁板和空心薄壁铝合金型材。为了适应这种市场需求趋势，各国都在加速建设重型挤压机或大型型材挤压生产线。大型的整体结构部件，过去用数块小型材

3、组装拼接而成，或用轧制板材弯曲加工而成，而用大型整体壁板铝型材代替之后，可以节约模具设计、制造费用，提高挤压生产效率；使机械部件的结构变得更加合理，改善结构的工艺性；密封性好，可获得完善的部件表面。大型材多采用正挤压生产,需要大型的挤压机,大型的工模具(挤压筒、挤压模等)以及大型的生产设备。其技术特点是:采用挤压性能好、强度适中、耐腐蚀性能和焊接性优良的铝合金，采用大型卧式油压机，采用高比压的圆挤压筒和扁形挤压筒，以及开发适合于大型断面的挤压生产工艺和模具技术。大型铝合金型材断面形状复杂，长度可达30

4、m，是多功能的集合体。挤压成形过程非常复杂，大型整体壁板和空心薄壁铝型材的挤压都属于三维流动大变形问题。型材断面越复杂，变形的不均匀性越显著，如果模具设计不合理，截面上各部分的金属流动不均匀，造成在挤出模孔时就越容易以不同的速度流出，从而使型材产生扭拧、波浪、弯曲以及裂纹等缺陷而报废，模具也极容易损坏。另外在以往的设计中靠经验居多，然后进行重复的修模试模，多者超过5-7次，造成模具成本高到不可接受。1大型整体壁板和空心薄壁铝型材的模具设计1.1大型整体壁板的挤压特点及挤压方法铝合金挤压型材的“大型”或

5、“小型”，主要是以其外形尺寸或断面积界定。一般来说，大[1]型型材应满足以下条件：①型材的宽度或外接圆直径大于250mm；2②型材断面积大于20cm；③型材交货长度大于lOm。799壁板是车辆的一种结构单元，具有材料分配合理、自重轻、结构效率高、表面光滑、气动外形和密封性能好等优点。大型整体壁板是一种断面宽度很宽，厚度很薄（即断面宽厚比很大），带有纵向筋条等的特殊型材，用来作为新型的整体结构材料。根据断面形状和生产难易程度不同，大型整体壁板可以分为三类：①对称型壁板，即壁板的筋条相对于垂直于板面的轴线

6、呈对称分布，如图1所示。②不对称型壁板,即壁板两侧的筋条的数目、尺寸不相等，甚至筋条集中于一侧，另外一侧完全没有筋条，如图2所示。③完全不对称型壁板，即沿壁板宽度方向上底板有明显的截面形状与尺寸变化，如图3所示。图1对称型壁板图2不对称型壁板图3完全不对称型壁板[2]因为大型整体壁板型材的宽厚比大，一般在50～100以上，形状复杂，单位横截面上的表面积又很大，所以可挤压性比较低。尤其是宽厚比大于100mm，宽度大于800mm，壁厚小于3mm，长度大于10m的壁板，挤压时必须采用一些特殊的工艺措施和特殊

7、结构的模具，才能生产出合格的产品。大型整体壁板型材挤压成产的方法很多，根据产品的种类、规格、合金牌号等不同，可分别采用圆挤压筒挤压法、扁挤压筒挤压法、宽展模挤压法等。1）圆挤压筒挤压法：用实心圆坯挤压扁平型材的壁板是最简单的方法。主要缺点是限制了挤压壁板的宽度。计算结果表明，在80MN挤压机上可以用硬铝合金（2024、7075、5A06等）的实心圆坯生产宽度不超过460mm的壁板，用软合金（6061、6005、6063）实心[3]圆坯生产宽度不超过650mm的壁板。2）扁挤压筒挤压法：采用扁挤压筒挤压

8、，是扁平壁板型材的先进生产方法之一，图4为扁挤压筒挤压壁板的示意图。800图4扁挤压筒挤压法用扁挤压筒挤压壁板的最大允许宽度取决于挤压机的结构特征，而不是挤压力的限制。用扁挤压筒挤压可获得宽度范围内腹板厚度不同而截面不对称的壁板，而且加强筋的高度和形状不受限制。[3]用扁挤压筒挤压大型整体壁板的主要优点是：a可以获得具有不同形状横截面的壁板和型材，其中包括对称性很差的壁板和沿其宽度方向的腹板和加强筋的厚度有急剧变化的壁板；b可以在主柱塞行程受研制的简单型