散熱器型材分流組合模的設(shè)計
散熱器型材分流組合模的設(shè)計,散熱器,分流,組合,設(shè)計
目 錄
1 緒論 1
2 擠壓產(chǎn)品的工藝分析 2
2.1 成形工藝的分析及選擇 2
2.2 擠壓件的結(jié)構(gòu)分析及各個要素對其影響 3
2.3 擠壓件的尺寸分析 4
2.4 擠壓機(jī)噸位的選擇 4
2.5 擠壓模具失效分析 5
3 平面分流組合模 5
3.1 結(jié)構(gòu)分析 5
3.2 工作原理與特點 6
4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 6
4.1 模具材料 6
4.2 一般結(jié)構(gòu) 7
4.3 結(jié)構(gòu)要素設(shè)計 7
4.3.1 ?？椎呐渲?7
4.3.2 分流比的計算 9
4.3.3 分流孔的形狀、斷面尺寸、數(shù)目及其分布 9
4.3.4 分流橋的設(shè)計 11
4.3.5 模芯（或舌頭）的設(shè)計 11
4.3.6 焊合室設(shè)計 12
4.3.7 模孔尺寸的設(shè)計 13
4.3.8 ?？坠ぷ鲙чL度的確定 14
4.3.9 ?？卓盏督Y(jié)構(gòu)設(shè)計 14
4.4.1 分流橋彎曲應(yīng)力的校核 15
4.4.2 分流孔道抗剪應(yīng)力的校核 15
4.4.3 模芯的強(qiáng)度校核 16
4.5 模具造型圖 16
5 結(jié)束語 17
致謝 18
參考文獻(xiàn) 19
1 緒論
擠壓工模具設(shè)計與制造是鋁擠壓材生產(chǎn)，特別是鋁合金型材生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和交貨周期，而且也是決定產(chǎn)品成本的重要因素之一。隨著型材難度和對產(chǎn)品性能個性化的增加，這種作用更加明顯。目前，我國鋁加工正處于高速發(fā)展時期，2006年，我國鋁擠壓材產(chǎn)銷量超過400萬t/a以上，工模具消耗量量達(dá)60～80萬套/a，價值高達(dá)15億元以上，占擠壓加工成本的25%～35%，大大制約了我國鋁擠壓工業(yè)的發(fā)展。為了減少擠壓工模具的消耗量，提高鋁擠壓材的經(jīng)濟(jì)效益，最主要的途徑就是提高擠壓工模具的質(zhì)量和壽命。目前，我國擠壓模具的平均使用壽命為5～8t/模，一次上機(jī)合格率為50%左右，大大落后于國際先進(jìn)水平的5～8t/模和67%，大有潛力可挖。
振興和發(fā)展我國的模具工業(yè)，日益受到人們的重視和關(guān)注?！澳＞呤枪I(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備”也已經(jīng)取得了共識。在電子、汽車、電機(jī)、電器、儀器、儀表、家電和通信等產(chǎn)品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產(chǎn)制件所具備的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”，用模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價值，往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。目前全世界模具年產(chǎn)值約為600億美元，日、美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模具工業(yè)產(chǎn)值已超過機(jī)床工業(yè)，從1997年開始，我國模具工業(yè)產(chǎn)值也超過了機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值。模具行業(yè)的生產(chǎn)小而散亂，跨行業(yè)、投資密集，專業(yè)化、商品化和技術(shù)管理水平都比較低。
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求各行各業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代快，對模具的需求量加大。一般模具國內(nèi)可以自行制造，但很多大型復(fù)雜、精密和長壽命的多工位級進(jìn)模大型精密塑料模復(fù)雜壓鑄模和汽車覆蓋件模等仍需依靠進(jìn)口，近年來模具進(jìn)口量已超過國內(nèi)生產(chǎn)的商品模具的總銷售量。為了推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展的需要，模具工業(yè)面臨著進(jìn)一步技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整和加速國產(chǎn)化的繁重任務(wù)。
擠壓成形是一種精密常用的工件成形技術(shù), 具有切削加工無可比擬的優(yōu)點, 如工件的力學(xué)性能好, 生產(chǎn)率高和材料利用高, 特別適合于大批量生產(chǎn)。
近幾年來，擠壓設(shè)備發(fā)展迅猛，具體地說，擠壓機(jī)臺數(shù)急劇增加，壓力不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)型式不斷更新，自動化程度不斷提高，液壓擠壓機(jī)得到廣泛應(yīng)用。在擠壓機(jī)本體方面，近年來國外發(fā)展了鋼板組合框架和預(yù)應(yīng)力“T”型頭板柱結(jié)構(gòu)機(jī)架和預(yù)應(yīng)力混泥土機(jī)架，大量采用扁擠壓筒、活動模架和內(nèi)置式獨立穿孔系統(tǒng)。在傳動形式方面發(fā)展了自給油傳動系統(tǒng)，甚至72～96MN大型擠壓機(jī)上也采用了油泵直接傳動裝置。
現(xiàn)代擠壓機(jī)及其輔助系統(tǒng)的工作都采用了PLC（程序邏輯控制）系統(tǒng)；采用了記憶磁帶和帶模擬曲線的卡片控制系統(tǒng)或穿孔卡片控制系統(tǒng)，即實現(xiàn)了速度自動控制，實現(xiàn)了等溫-等速擠壓、工模具自動快速裝卸、乃至全機(jī)自動控制。擠壓機(jī)的機(jī)前設(shè)備（如長坯料自控加熱爐、坯料熱切裝置和坯錠運送裝置等）和機(jī)后設(shè)備（如牽引裝置、淬火裝置、前梁鋸、活動工作臺、冷床和橫向運輸裝置、拉伸矯直機(jī)、成品鋸、人工時效爐等）已經(jīng)實現(xiàn)了自動化和連續(xù)化生產(chǎn)。
鋁型材是擠壓的主要產(chǎn)品，鋁合金材料由于重量輕、散熱效果好被廣泛應(yīng)用在各種電器的散熱元件上。由于現(xiàn)今電器設(shè)備的外形日趨薄小,其散熱空間也日趨減小, 這就要求散熱器的外形必須符合其散熱空間的大小,且能起到應(yīng)有的散熱作用。因此,這種散熱器型材一般都設(shè)計成較薄且分布著很多起增加散熱面積和散熱效果的牙形及孔。這種帶有空心及牙形的散熱型材,雖然改善了散熱效果,但同時也給設(shè)計、加工及擠壓增加了很大的難度。
本文對普通6063鋁合金型材的工藝作了具體的分析, 并設(shè)計了一套全新的使用性很強(qiáng)的散熱器模具。
2 擠壓產(chǎn)品的工藝分析
型材是擠壓的主要產(chǎn)品，隨著航空工業(yè)和其它工業(yè)部門的飛速發(fā)展，特別是建筑工業(yè)及民用事業(yè)的發(fā)展，對鋁合金型材的要求不僅數(shù)量增加、規(guī)格擴(kuò)大、品種增多，而且其形狀日見復(fù)雜，并廣泛用來制造承受重載的整體結(jié)構(gòu)件。鋁合金型材可分為普通型材和專用型材兩大類。專用型材主要是指變斷面型材、空心型材和壁板型材等。普通型材主要是指各種形狀規(guī)格和各種用途的實心型材。普通型材的應(yīng)用最廣，品種規(guī)格最多，是最常見的鋁合金型材。
普通型材主要用單孔或多孔的平面模來進(jìn)行擠壓。在擠壓斷面形狀比較復(fù)雜，非對稱性很強(qiáng)或型材各處的壁厚尺寸差別很大的型材時，往往由于金屬流出?？讜r的速度不均勻而造成型材的扭擰、波浪、彎曲及裂紋等廢品，因此，為了提高極壓制品的質(zhì)量，在設(shè)計型材模具時，除了要選擇有足夠強(qiáng)度的模具結(jié)構(gòu)以外，還需要考慮?？椎呐渲?，?？字圃斐叽绲拇_定和選擇保證型材斷面各個部位的流動速度均勻的設(shè)計。
2.1 成形工藝的分析及選擇
擠壓件的工藝性對擠壓件的質(zhì)量、模具壽命和生產(chǎn)率影響很大。擠壓件的外形多數(shù)是軸對稱形狀，設(shè)計擠壓零件時應(yīng)根據(jù)其擠壓變形的規(guī)律，對產(chǎn)品零件圖進(jìn)行適當(dāng)修改，使之成為具有良好擠壓工藝性的適合擠壓加工的零件。最初采用的機(jī)加工雖然能滿足尺寸要求,但是材料利用率低, 耗費工時多, 生產(chǎn)成本極高,經(jīng)濟(jì)效益難以實現(xiàn)。 因此，在這里我們首先分析下面三種擠壓工藝并從中選擇最佳工藝：
冷擠壓是少切削和無切削工藝，節(jié)約原材料，生產(chǎn)率高、精度高，但是冷擠壓需要的變形抗力大，尤其冷擠壓較硬的金屬材料時，所需要的變形力更大。當(dāng)變形抗力大到超過模具材料允許的強(qiáng)度時，就造成模具的破壞。目前一般模具材料在冷擠壓時允許的單位擠壓力為2500～3000MPa。因為本設(shè)計的擠壓件材料為鋁，所需要的單位擠壓力遠(yuǎn)超過了3000MPa，所以冷擠壓工藝不合適。
溫擠壓中被加熱后的金屬坯料的變形抗力比冷擠壓要小，因此可顯著減小擠壓時模具所受的壓力；并可應(yīng)用于擠壓難加工材料；顯著提高材料擠壓變形程度，以至減少工序和中間處理次數(shù)。但是溫擠壓的表面質(zhì)量和尺寸精度不高，用在這里也不合適。
熱擠壓可使材料變形抗力降低，從而降低了對模具的材料和積壓設(shè)備的要求，使固定資產(chǎn)投資大大減少。熱擠壓的表面質(zhì)量和尺寸精度較模鍛高，而且具有良好的力學(xué)性能。
經(jīng)過對冷擠壓、溫擠壓、熱擠壓三者進(jìn)行的分析比較，以及根據(jù)本設(shè)計的材料特點，在這里只有熱擠壓工藝最適合，所以本設(shè)計決定采用熱擠壓加工工藝的方法加工工件。
在相同的條件下擠壓同一種金屬材料，采用正擠壓、反擠壓和復(fù)合擠壓所需要的擠壓力各不相同。一般情況下反擠壓力比正擠壓力大，復(fù)合擠壓力略小于單向正擠壓力或單向反擠壓力。反擠壓時，擠壓件的壁厚越小，則所需要的單位擠壓力就越大。但壁厚小到一定程度的數(shù)值后，單位擠壓力會急劇升高。正擠壓時，凹模與擠壓件接觸面積的單位擠壓力遠(yuǎn)大于凸模的，使得凹模的受力較凸模更大，磨損更為嚴(yán)重。因此，正擠壓時的變形程度的最大值取決于凹模的極限載荷，在本文的設(shè)計中選用：正擠壓[1]。
2.2 擠壓件的結(jié)構(gòu)分析及各個要素對其影響
擠壓件的極限成形尺寸取決于被擠壓材料是否破裂和失穩(wěn)、模具的強(qiáng)度以及擠壓過程中的潤滑和操作條件。給出必要的擠壓斜度，即為熱擠壓件出模設(shè)置的模壁斜度（若采用卸料裝置，也可以不給出擠壓斜度）。由于有了擠壓斜度，使擠壓件在模腔內(nèi)的摩擦阻力大大減少，從而能較方便地將擠壓件從凹模型腔內(nèi)取出。熱擠壓件如果平面尺寸較大且不高，金屬就容易壓入或擠入熱擠壓模的型腔，也容易從模具型腔內(nèi)取出，擠壓斜度就可以小些。但當(dāng)下頂出裝置頂出行程不能將擠壓件頂出模具型腔高度的2/3時，則還應(yīng)給出10′～30′的擠壓斜度。
在保證質(zhì)量的前提下，給出最小的機(jī)械加工余量和公差（對于要求不高的一般機(jī)械零件，可以不給出加工余量，而直接擠壓出符合要求的產(chǎn)品零件或部分加工半成品）。
熱擠壓時，要將帶通孔的空心擠壓件一次擠壓出來很困難。通常先將坯料擠成杯形零件，留下一定厚度的擠壓余量，待下一道工序?qū)⑵錄_下而制成帶通孔的空心擠壓件。擠壓余量厚度過薄，會使金屬流動困難，擠壓力提高。擠壓余量厚度過大，會使材料利用率降低，需要的沖孔力增大，且沖孔時易使擠壓件產(chǎn)生變形。
擠壓件截面過度處必須設(shè)計成圓角，并給出適當(dāng)半徑。圓角半徑越小，金屬材料在此處的流動性就越差，也就越難充滿模具型腔，還會使熱擠壓模型腔的相應(yīng)部位嚴(yán)重磨損。熱擠壓時在圓角半徑過小處，由于應(yīng)力集中會產(chǎn)生裂縫，以致熱擠壓模型腔破裂。所以，在保證產(chǎn)品零件要求的前提下，熱擠壓件的圓角半徑應(yīng)盡量取大。
金屬坯料隨著加熱溫度的升高，其強(qiáng)度極限降低，塑性提高。所以為了降低擠壓力，擠壓溫度總是越高越好。加熱到1500C～2000C復(fù)合擠壓時，擠壓力可比室溫時減少10%；加熱到1000C～2000C反擠壓時，擠壓力可比室溫時減少20%～40%。一般情況下，低溫溫擠壓可減少變形抗力15%，中溫及高溫溫擠壓的變形抗力可減少到室溫時的0.25～0.5。有色金屬溫擠壓時，加熱溫度對擠壓力的影響，也是很明顯的。對純鋁，如將室溫200C時的擠壓力設(shè)為100%，那么在1500C時的擠壓力為59%，2000C時的擠壓力為41%[2]。
2.3 擠壓件的尺寸分析
擠壓件的尺寸及偏差是由模具、擠壓設(shè)備和其他有關(guān)工藝因素決定的。其中受模具尺寸變化的影響很大，而影響模具尺寸變化的原因有模具的彈性變形、模具的溫升、模具的材料以及模具的制造精度和模具磨損等。
目前, 散熱器的絕大多數(shù)的材質(zhì)是純鋁或鋁合金,本設(shè)計的擠壓件材料為6063鋁合金，根據(jù)《擠壓模具簡明設(shè)計手冊》表2.8中查得，擠出入模角α為（90～120），當(dāng)擠壓筒直徑小于200時，D?！?.6D0（其中D模是指模子的外圓直徑，D0為經(jīng)過模孔最遠(yuǎn)點所劃得外接圓直徑），為了簡化起見，可以直接去D?！郑?.8～1）D筒，擠出余料厚度b≥0.2～0.3mm。由《擠壓模具簡明設(shè)計手冊》表2.10中查得，壁厚≥0.1，其尺寸精度范圍在±（0.030～.075）mm。圖1為某扁形多孔空心散熱器型材的截面設(shè)計圖，從圖1中可知,此型材截面的外形尺寸為38.4mm×5.2mm，內(nèi)部分布有7個4.2mm×3.2mm 增加散熱面積的牙形，型材壁厚僅為1.0mm。由于型材的壁厚較薄, 在加工時其上、下模的型芯與型孔的相對位置要求較嚴(yán)格, 加工難度極大。
2.4 擠壓機(jī)噸位的選擇
擠壓比是以數(shù)值表示模具實現(xiàn)擠壓的難易, 一般來說擠壓比10 至150 之間是可以適用的.擠壓比低于10 , 產(chǎn)品機(jī)械性能低; 反之?dāng)D壓比過高,產(chǎn)品容易出
圖1散熱器型材截面圖
現(xiàn)表面粗糙或角度偏差等缺陷。實心型材常推薦擠壓比在30左右，中空型材在45 左右，特別是硬鋁合金擠壓比希望在20至30之間。為了選擇合適的設(shè)備，擬訂合理的工藝，設(shè)計先進(jìn)而合理的模具和工具等，都必須精確的計算擠壓比的大小。 根據(jù)下面的公式計算出擠壓比λ為：
λ=A0nA1=3.14×11524×2×38.4×5.2=26.02 （1）
表1 模具外形標(biāo)準(zhǔn)尺寸表
擠壓機(jī)/MN
擠壓筒直徑/mm
D1/mm
H/mm
α1/(0)
7.5
Φ85,Φ95
113,132
16,32
3
12～15
Φ115,Φ130
148
32,50,70
3
20
Φ170,Φ200
198
40,60,80
3
其中Aο是擠壓筒截面積；
A1是型材截面積；
根據(jù)擠壓比的數(shù)值，選擇擠壓機(jī)的噸位為12MN。
2.5 擠壓模具失效分析
擠壓時，模具工作部分承受著交變的沖擊載荷，模具的工作條件極其惡劣。擠壓凸模主要承受隨擠壓方法不同而異的壓應(yīng)力的作用，還會受到偏負(fù)荷所引起的彎曲應(yīng)力的作用，其受力狀態(tài)比較復(fù)雜。
擠壓時凹模承受著很大的內(nèi)應(yīng)力，在凹模圓周方面產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。過大的拉應(yīng)力是使凹模破壞的主要原因。
模具的早期失效是因沖擊破裂、塑性變形黏附撕壞以及過早的磨損和開裂等原因造成的；當(dāng)模具達(dá)到正常壽命之后，由于磨損或疲勞破損，則屬于正常失效。
模具早期失效的主要原因就是模具材質(zhì)差、模具結(jié)構(gòu)不合理、模具加工和熱處理工藝不合適；其次是模具材料選用不當(dāng)、鍛造工藝和模具使用不當(dāng)?shù)挠绊憽?
3 平面分流組合模
3.1 結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)空心型材的外形、孔的數(shù)目孔對型材斷面中心位置的非對稱分布程度以及一系列其它因素，可以采用兩種基本方法擠壓空心型材：
（1）對于空心或?qū)嵭蔫T錠可以采用管材擠壓法擠壓；當(dāng)采用實心鑄錠時，在擠壓之前，先要對坯料進(jìn)行穿孔；
（2）利用組合（舌型）模進(jìn)行擠壓，在這種情況下，將組合針和模具做成一個整體或者裝配成一個剛性結(jié)構(gòu)；
為了使模具在擠壓時?？赘鞑康牧魉倬鶆?、擠壓平穩(wěn)，在設(shè)計其模具結(jié)構(gòu)時，打破了一般型材大都采用平模形式的常規(guī)設(shè)計理念，將此型材模具設(shè)計成帶有流口、分流橋的平面分流組合模的形式。
3.2 工作原理與特點
平面分流組合模的工作原理和橋式舌型模一樣，是采用實心鑄錠，在擠壓機(jī)擠壓力的作用下，金屬在經(jīng)過分流孔時被劈成幾股金屬流，匯集于焊合室（模腔），在高溫、高壓、高真空的模腔內(nèi)又重新被焊合，然后通過模芯與模具所形成的間隙流出，而形成符合一定尺寸要求的管材或空心型材。
平面分流組合模的主要優(yōu)點是：
（1）可以擠雙孔或多孔的內(nèi)腔十分復(fù)雜的空心型材或管材，也可以同時生產(chǎn)多根空心工件，所以生產(chǎn)效率高，這一點是橋式舌型模很難實現(xiàn)甚至無法實現(xiàn)的；
（2）可以擠壓懸臂梁很大，用平面模很難生產(chǎn)的半空心型材；
（3）可以實現(xiàn)連續(xù)擠壓，根據(jù)需要截取任意長度的工件；
（4）可以改變分流孔的數(shù)目、大小和形狀，使斷面形狀比較復(fù)雜、壁厚差較大，難以用工作帶、阻礙角和促流角等調(diào)節(jié)流速的空心型材很好成形；
（5）可以用帶錐度的分流孔，實現(xiàn)在小擠壓機(jī)上擠壓外形較大的空心工件，而且能保證有足夠的變形量；
（6）可拆換，易加工，成本較底；
（7）易于分離殘料，操作簡單，輔助時間短，可在普通的型棒擠壓機(jī)上用普通的工具完成擠壓周期，同時殘料短，成品率高。
但是，它也有一定的缺點：
（1）焊縫較多，可能會影響工件的組織和力學(xué)性能；
（2）要求模具的加工精度高，特別是多孔空心型材，上下模要求嚴(yán)格對中；
（3）殘料分離不干凈，不便于修模[3]。
4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 模具材料
目前，在擠壓鋁合金時，最常使用的熱加工工模具鋼有鉬鋼和鎢鋼兩大類，鉬鋼具有較好的導(dǎo)熱性，對熱裂紋不太敏感，韌性較好，其典型代表5CrNiMo鋼；鎢鋼具有較好的耐高溫性能，但韌性較低，其典型鋼種為3CrW8V。
3CrW8V鋼廣泛地用來制造重載荷模具，這種鋼是含碳量為03%～0.4%的Cr-W系的一種亞共析奧氏體合金鋼。它的特點是具有很高的室溫強(qiáng)度性能：當(dāng)溫度為650℃時，бs仍可保持1100MPa，HRC可達(dá)47。但超過650℃時，強(qiáng)度和硬度值則急劇下降。實驗研究表明，3CrW8V鋼的上述性能隨鋼材中的碳含量的增加而提高。由于3CrW8V鋼的化學(xué)成分和生產(chǎn)、使用條件在各國存在差異，所以，其熱處理工藝也不盡相同，因此所得到的性能也有區(qū)別。3CrW8V鋼的另一個特點是熱處理后具有良好的耐磨性和符合模具使用要求的熱疲勞強(qiáng)度[4]。
根據(jù)上述的介紹，設(shè)計的模具材料選用第二種類型的鋼材：3CrW8V鋼。
4.2 一般結(jié)構(gòu)
平面分流組合模一般由上模，下模，定位銷，聯(lián)結(jié)螺釘四部分組成。上下模組裝后裝入模支承中，為了保證模具的強(qiáng)度，減少或消除模具變形，有時還要配備專用的模墊和環(huán)。在上模有分流孔，分流橋和模芯，分流孔是金屬通往型孔的通道，分流橋是支承模芯的支架，而模芯用來形成型材內(nèi)腔的形狀和尺寸。
在下模有焊合室，模孔型腔，工作帶和空刀。焊合室是把分流孔流出來的金屬匯集在一起重新焊合起來形成以模芯為中心的整體坯料，由于金屬不斷聚集，靜壓力不斷增大，直至擠出模孔。?？仔颓坏墓ぷ鲙Р糠执_定型材的外部尺寸和形狀以及調(diào)節(jié)金屬的流速，而空刀部分是為了減少摩擦，使工件能順利通過，免遭劃傷，以保證表面質(zhì)量。
定位銷用來進(jìn)行上下模的裝配定位，而聯(lián)結(jié)螺釘是把上下模牢固地聯(lián)結(jié)在一起，使平面分流模形成一個整體，便于操作，并可增大強(qiáng)度。
此外，按分流橋的結(jié)構(gòu)不同，平面分流組合模又可分為固定式個可拆式的兩種。帶可拆式分流橋的模具又稱之為叉架式分流模，用這種形式的模子，可同時擠壓多根空心制品。
4.3 結(jié)構(gòu)要素設(shè)計
平面分流組合模的主要設(shè)計要素有?？椎倪x擇，分流比，分流孔的形狀、大小和分布，分流橋，模芯，焊合室，定徑帶等，這些因素對產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命均有重大的影響，必須認(rèn)真的計算和慎重選擇。
4.3.1 ?？椎呐渲?
根據(jù)型材的橫斷面形狀和尺寸，我們合理的選擇了?？椎呐渲梅绞?，單孔模配置。根據(jù)對于坐標(biāo)軸的對稱程度可將型材分為三類：即橫斷面對稱于兩個坐標(biāo)軸的型材，此種型材對稱性最好；斷面對稱于一個坐標(biāo)軸的型材，此種型材的對稱性次之；橫斷面不對稱的型材，此種型材對稱性差。
圖2 軸對稱型材?？椎呐渲?
在設(shè)計單孔模時，對于橫斷和兩個坐標(biāo)軸相對稱（或近似對稱）的型材，其合理的模孔配置是應(yīng)使型材斷面的重心和模子的中心相重合。如圖2所示：
圖5 軸對稱型材模孔的配置
在擠壓橫斷面尺寸對于一個坐標(biāo)軸相對稱的型材時，如果其緣板的厚度相等或彼此相差不大時，那么?？椎呐渲脩?yīng)使型材的對稱軸通過模子的一個坐標(biāo)軸，而使型材斷面的重心位于另一個坐標(biāo)軸上。如圖3所示：
對于非對稱性的型材和壁厚差別很大的型材，若采用上述原則配置?？祝瑢⑹剐筒臄嗝娴闹匦牡侥Ｗ又行牡木嚯x增大，而把?？孜恢靡频侥Ｗ拥倪吘壣?。同時，很難保證型材各個部位的流動速度均勻，還要制造通道移位的專用工藝裝備（模墊、壓型嘴、導(dǎo)向裝置等）。
圖3 對稱于一個坐標(biāo)軸而緣板厚度比不大的型材模模孔的布置
對于緣板厚度比雖然不大、但截面形狀十分復(fù)雜的型材應(yīng)將型材截面外接圓的中心布置在模子中心線上（圖4a），對于擠壓系數(shù)很大，擠壓有困難或流動很不均勻的某些型材可采用平衡?？祝ㄔ谶m當(dāng)?shù)奈恢迷黾右粋€輔助?？椎姆椒ǎ▓D4b）。
總之，單孔型材?？椎牟贾茫瑧?yīng)盡量保證型材各部分金屬流動均勻，在x軸上下方和?y軸左右方的金屬共給量應(yīng)盡可能相近，以改善擠壓條件，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時，也應(yīng)考慮模具的強(qiáng)度和流速，有時也采用多孔模擠壓。
圖4 復(fù)雜不對稱單孔型材模孔的配置
a-型材模；b-尾端模；
4.3.2 分流比的計算
分流比(K)就是各分流孔的斷面積(ΣF分)與型材斷面積(F型)之比。分流比K的大小直接影響到擠壓阻力的大小，工件成型和焊合質(zhì)量，K值越大，越有利于金屬流動與焊合，也可減少擠壓力。因此，在模具強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能選取較大的K值。在一般情況下，對于生產(chǎn)空心型材時，取K=10～30，對于生產(chǎn)管材時，取K=8～15。根據(jù)
（2）
這里取K=13。
4.3.3 分流孔的形狀、斷面尺寸、數(shù)目及其分布
分流孔是平面分流模的基本結(jié)構(gòu)部分，其形狀、斷面尺寸，數(shù)目及不同的排列方式都直接影響到擠壓工件的質(zhì)量、擠壓力和模具的使用壽命，對于每一特定的產(chǎn)品必須設(shè)計特定的分流孔。
分流孔的斷面形狀有圓形、腰子形、扇形及異形等。單孔分流模的主要結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。
對于方管，矩形管或斷面復(fù)雜的型材多取扇形和異形分流孔，對于管材或斷面簡單的型材可取圓形的和腰子形的分流孔，對于扁、寬型材或空心壁板，則應(yīng)取矩形或弧形的分流孔。本設(shè)計的工件型材斷面復(fù)雜，所以選用異形分流孔。
a b c
分流孔的數(shù)目有兩孔、三孔、四孔和多孔多種，這要根據(jù)工件的外形尺寸，斷面形狀，模孔的排列位置等來確定。因為本設(shè)計的工件型材斷面形狀復(fù)雜，所以這里我們采用4個異形分流孔。如下圖6所示：
圖5 單孔平面分流模的結(jié)構(gòu)形式
a-四個圓分流孔，圓柱形模芯
b-四個異形分流孔，雙錐體模芯
c-四個腰形分流孔，錐形模芯
圖6 分流孔分布圖
分流孔的斷面尺寸主要是根據(jù)工件的外形尺寸，工件的斷面積，以及所要求的分流比，模具的強(qiáng)度等因素來確定。為了減少擠壓力，提高焊縫的質(zhì)量或?qū)ぜ耐庑纬叽巛^大，想擴(kuò)大分流比又受到模具強(qiáng)度的限制時，分流孔可做成斜形孔，一般來說，起內(nèi)斜度為1～3°，外錐度取3～6°。
分流孔在模具平面上的合理布置，對于平衡金屬流速，減少擠壓力，促進(jìn)金屬的流動與焊合，提高模具壽命等都有一定的影響。本工件屬于對稱性交好的空心工件，各分流孔的中心圓直徑應(yīng)大致等于0.7D筒，此時金屬的流動性較為均勻，而且擠壓力最小，模具強(qiáng)度較高。此外，分流孔的布置應(yīng)盡量與工件保持幾何相似性。為了保證模具強(qiáng)度和產(chǎn)品質(zhì)量，分流孔不能布置的過于靠近擠壓筒或模具的邊緣，但是為了保證金屬的合理流動及模具的壽命，分流孔也不宜布置的過于靠近擠壓筒中心。
4.3.4 分流橋的設(shè)計
在保證模具有足夠強(qiáng)度的條件下，分流橋應(yīng)盡量設(shè)計得短而窄。分流橋的寬窄與模具強(qiáng)度和金屬的流量有關(guān)，分流橋的高度直接影響模具壽命，擠壓力，以及焊縫質(zhì)量。從增大分流比、降低擠壓力來考慮，分流橋?qū)挾菳應(yīng)選擇得小些，但從改善金屬流動均勻性來考慮，?？鬃詈檬艿椒至鳂虻恼诒?，則B應(yīng)選得寬些。一般?。?
（3）
其中B是分流橋?qū)挾龋?
b是形腔寬度；
分流橋?qū)捲O(shè)計成14mm 和20mm 寬。
分流橋的截面形狀主要有矩形的，矩形倒角的和水滴形的三種。采用矩形截面分流橋時，金屬在橋下形成一個死區(qū)，不利于金屬流動與焊合。矩形倒角截面和水滴形(或近似水滴形)截面的分流橋有利于金屬的流動與焊合，而且便于模具加工，因此，在強(qiáng)度允許的條件下，應(yīng)盡量采用這兩種截面的分流橋。在這里我們采用水滴形截面的分流橋。
分流橋的斜度，對焊縫質(zhì)量有影響，一般取θ=45°；對難擠壓的型材取θ=30°，橋底圓角R=2～5mm，焊合高度h焊在（1/2～2/3）B的范圍θ均小于45°。
根據(jù)下面的公式計算出本模具的分流橋斜度θ為：
（4）
其中B為分流橋的寬度；
h為焊合室的高度。
為了增加分流橋的強(qiáng)度，通常在橋的兩端增加橋墩，蝶形橋墩不僅增加了橋的強(qiáng)度，而且改善了金屬的流動，避免死區(qū)的產(chǎn)生。如圖7所示
4.3.5 模芯（或舌頭）的設(shè)計
模芯相當(dāng)于穿孔針，其定徑區(qū)，決定工件的內(nèi)腔形狀和尺寸，其結(jié)構(gòu)直接影響模具的強(qiáng)度、金屬焊合質(zhì)量和模具的加工方式。模芯的結(jié)構(gòu)形式，常見的有三種：圓柱形模芯、雙錐體模芯和錐體模芯。這里我們采用凸臺式錐體模芯，它主要用于擠壓方管，矩形管及空心型材。模芯的定徑帶有凸臺式、錐臺式和錐式三種，模芯寬度在b<10mm時多采用錐式；在10mm20mm時，多采用凸臺式。模芯的長度宜短，稍伸出定徑帶即可，過長易使管子偏心，過短易形成橢圓，對于小擠壓機(jī)模芯可伸出模具定徑帶1～3mm，對于大噸位擠壓機(jī)可伸出10～12mm。
圖7 模具的模芯結(jié)構(gòu)圖
模芯的總長度可取焊合室深度、模具入口圓錐部分高度、工作帶長度、模芯伸出工作帶長度之總和?？捎上率角蟮茫?
?。?）
式（5）中h焊表示焊合室深度；
h錐表示模具入口圓錐部分高度；
l帶表示工作帶長度數(shù)值；
為了保證內(nèi)表面質(zhì)量，在模芯的端部可做成5°的傾斜角，并倒R=0.5mm的圓弧。
4.3.6 焊合室設(shè)計
焊合室的形狀，入口方式，尺寸大小，對于金屬流動，焊接質(zhì)量，擠壓力的大小很大的影響。
常用的焊合室截面形狀有圓形和蝶形兩種，當(dāng)采用圓形焊合室時，在兩分流孔之間會產(chǎn)生一個十分明顯的死區(qū)，不僅增大擠壓阻力，而且會影響焊縫質(zhì)量。蝶形焊合室有利于消除這種死區(qū)，提高焊縫質(zhì)量，為了消除焊合室邊緣與?？灼矫嬷g的接合出的死區(qū)，可采用大圓角（R=5～20mm ）,或?qū)⒑负鲜业娜肟谔幾鞒?5°左右的角度，同時，在與蝶形焊合室對應(yīng)的分流橋根部也作成相應(yīng)的凸臺，這樣就改善了金屬的流動，減少了擠壓阻力。因此，這里我們選用蝶形截面的焊合室。
本設(shè)計把焊合室設(shè)計在上模上，焊合室是金屬聚集并焊合的地方，焊合腔的容積越大，焊合腔的截面積與工件斷面之比越大，則焊合腔所建立起來的靜水壓力就越大，金屬在焊合腔中停留的時間就越長，因此，焊接的質(zhì)量就越高，可能采用的擠壓速度就越大。合理的設(shè)計焊合室的高度具有重大的意義，當(dāng)焊合室太淺時，由于摩擦力太小不能建立起足夠的反壓力，而使焊合壓力不足，導(dǎo)致焊合不良，同時，還限制了擠壓速度的提高，但太深又會影響模芯的穩(wěn)定性，易出現(xiàn)空心工件壁厚不均勻的現(xiàn)象，同時分離殘料后，積存金屬過多，會降低工件的成品率。為了獲得高強(qiáng)度的焊縫，在焊合室中心必須建立一個超過擠壓金屬屈服強(qiáng)度10～20倍高的靜水壓力。隨著管材壁厚的增加和空心型材斷面積增大，焊接腔的高度也應(yīng)增大，一般情況下，焊合室高度應(yīng)大于分流橋?qū)挾鹊囊话?。對于中小型擠壓機(jī)來說，焊合室高度可取10～20mm或等于管理厚度的6～10倍。在很多情況下，可根據(jù)擠壓筒的直徑來確定焊合室的高度。這里我們?nèi)『负鲜业母叨葹?2mm。
1. 分流孔 2. 焊合室 3. 死區(qū)
圖8 焊合室形狀
a 圓形焊合室
b 蝶形焊合室
c焊合室剖面
表2 焊合室高度與擠壓筒的關(guān)系
4.3.7 ?？壮叽绲脑O(shè)計
由于本設(shè)計工件的形狀復(fù)雜，外部尺寸大，壁厚很薄，并要求在保證強(qiáng)度的情況下盡量減輕重量，減少用材和降低成本。因此，外形和壁厚尺寸可按下偏差考慮。在模具設(shè)計時，主要考慮工件冷卻后的收縮量和拉矯后的縮減量。模具外形的?？壮叽鏏可由下試計算得出：
（6）
其中A0是工件外形的公稱尺寸；
K為經(jīng)驗系數(shù);
對鋁合金一般取0.007～0.015，常用的6063合金，可取K=0.012；
工件壁厚的?？壮叽鏐可由下式計算得出：
（7）
其中B0是工件壁厚的公稱尺寸；
Δ是壁厚?？壮叽缭隽?，當(dāng)B0≤3mm時，Δ=0.1mm,當(dāng)B0>3mm時，Δ=0.2mm[5]。
4.3.8 ?？坠ぷ鲙чL度的確定
確定平面分流組合模的模腔工作帶要比平面模要復(fù)雜的多，根據(jù)過去擠壓產(chǎn)品的經(jīng)驗, 擠壓時金屬在擠壓筒中心流動是非常容易的, 但是越接近擠壓筒內(nèi)壁處, 金屬的流動性逐漸降低。同樣地, 當(dāng)模口與模具中心距離相同, 金屬經(jīng)過?？诘牧鲃有詭缀鯖]有例外地與?？诘南嚓P(guān)尺寸成正比。
當(dāng)采用單孔模擠壓時，可按單一同心圓規(guī)則來確定?？坠ぷ鲙У拈L度。確定?？坠ぷ鲙чL度時，先以整個型材斷面上金屬最難流出處為基準(zhǔn)點，該處的工作帶長度一般為該處型材的1.5～2倍；與基準(zhǔn)點相鄰區(qū)段的工作帶長度可為基準(zhǔn)點的工作帶長度加上1mm；當(dāng)型材壁厚相同時，與模子中心（與擠壓筒中心重合）距離相等處其工作帶長度相同；由模子中心起，每相距10mm（同心圓半徑）工作帶長度的增減數(shù)值可按表1所列數(shù)值進(jìn)行確定；當(dāng)型材壁厚不相同時，?？坠ぷ鲙чL度的確定除應(yīng)遵循上述規(guī)則外，還要依據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗進(jìn)行恰當(dāng)確定。
計算模具工作帶時, 首先按上述基本原理考慮,模口布局, 然后按照模口尺寸和模具中心的距離確定工作帶。
平面分流組合模的工作帶長度應(yīng)較平面模的大些，這對金屬的焊合有好處。
表3 ?？坠ぷ鲙чL度增減值
4.3.9 模孔空刀結(jié)構(gòu)設(shè)計
因用平面分流組合模擠壓的制品壁厚都比較薄，故空刀結(jié)構(gòu)應(yīng)合理選擇。當(dāng)制品壁厚大于2mm 時可采用容易加工的空刀結(jié)構(gòu)（如圖a,b示：），當(dāng)壁厚小于2 mm 時或帶有懸臂處和危險斷面處可用圖(c ,d )型空刀結(jié)構(gòu)，為降低工作阻力，增加其強(qiáng)度，工作帶出口處應(yīng)作1～3°的斜角。
由以上所述，我們在進(jìn)行模具設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：
（1）模橋結(jié)構(gòu)、焊合室高度，以及焊合室處形尺寸的設(shè)計要充分考慮型材壁厚和斷面形狀對金屬流動性的影響，保證金屬焊合充分，流動均勻。
（2）工作帶的設(shè)計要盡量短，并在保證平滑、逐漸過渡的前提下，盡量減少落差。另外，工作帶出口處形成一小半徑弧形，有助于金屬在模孔表面和工作帶之間的過渡處流動，并可減少工作帶出口處的毛刺，從而減少產(chǎn)生型材表面暗紋缺陷的機(jī)會
（3）對某些實心型材，采用假組合模設(shè)計（陽模＋陰模）比平模設(shè)計效果好一些。
（4）設(shè)計模具出口帶時，可采取一定錐度，以保證不擦傷型材。
圖9 平面分流模模孔空刀結(jié)構(gòu)
a) 直角切口 b) 圓弧切口 c)斜度切口
a 直線切口
b圓弧切口
4.4.1 分流橋彎曲應(yīng)力的校核
按兩端固定，均勻載荷的簡支梁計算，校對模具厚度H：
Hmin=lp2σs=120×26.022×1000=1.57mm （8）
其中Hmin是分流橋的最小高度；
l是分流橋的寬度（兩危險斷面之間的距離）；
p是擠壓機(jī)最大的比壓；
[σb]是模具材料在工作溫度下的許用應(yīng)力，在450~500℃下，對3CrW8V鋼取[σb]=1000Mpa[6]。
4.4.2 分流孔道抗剪應(yīng)力的校核
τ=pnF=12×1054×23.4×5.4=275.94mpa （9）
（10）
因而滿足要求。
其中p是擠壓機(jī)的公稱壓力；
n是分流孔的數(shù)目；
F是以分流孔間最短距離為長度，以模具厚度為高度所形成的面積；
[τ]是模具材料在工作溫度下的許用剪切應(yīng)力，[τ]=（0.5～0.6）[σb]，對3CrW8V鋼在450～500℃時取[σb]=1000Mpa[6]。
4.4.3 模芯的強(qiáng)度校核
（1）橋梁受彎曲應(yīng)力（循環(huán)）的數(shù)值很大，是主要的作用應(yīng)力。
（2）將刀橋看作固定梁，受均布載荷的作用，橋的工作跨度為L。
（3）在計算外力時，一般按擠壓機(jī)的最大噸位（如12500t）來考慮。
但實際上受的外力，即實際擠壓力，有時低于全壓力，而且有一部分?jǐn)D壓力不直接傳遞給模子，因此，有時也可按擠壓機(jī)全壓力的80%來考慮。
模芯的實體部分可分三段進(jìn)行：
（A）與空心邊接處工作帶長度h1；
（B）三面受阻部位工作帶長度h2；
（C）中間部分工作帶h3；h3=(1.5～3)h1；若中間部分為分流孔直對部位，可選上限[6]。
校核:
（11）
在模具設(shè)計中L取120mm 。
4.5 模具造型圖
a.上模
b.下模
c．模具裝配圖
10.模具造型
經(jīng)過幾個月不斷的學(xué)習(xí)，不斷的搜索，不斷的查詢相關(guān)的模具設(shè)計的資料，在老師和相關(guān)設(shè)計人員的幫助下，最終設(shè)計出了基本符合設(shè)計要求的模具結(jié)構(gòu)圖形，圖7為這個設(shè)計模具的實體圖形，其中包括上摸、下模和組合模。
這個模具設(shè)計完成后，立即在工廠里加工制造，一是為了顧客的需求；二是為了驗證設(shè)計的模具是否成功；
經(jīng)過工廠的快速加工制造完成后，立即投入了零件的加工，當(dāng)然首先是進(jìn)行試模，在第一次的試模完成后，我們根據(jù)出現(xiàn)的問題立即進(jìn)行了修改，經(jīng)過多次的試模、修模，最終完成了符合工件的尺寸和精度要求的模具的設(shè)計。
5 小結(jié)
由于本設(shè)計是我在參與輝龍鋁廠的模具設(shè)計工作組后，和模具設(shè)計人員共同完成的，理論聯(lián)系實際，這種雙型芯薄型散熱器型材模具的加工方法, 有效保證了上模型芯與下模型孔的相對位置,使擠出型材的壁厚均勻,擠壓時兩型孔的流速趨于一致,達(dá)到了圖紙的設(shè)計要求, 收到了預(yù)期的加工效果。同時, 這種加工方法也有效解決了無法做對中找正用基準(zhǔn)孔模具,在進(jìn)行電火花精加工時的找正問題,使之實現(xiàn)了正常的電火花精加工的找正和加工。
目前在模具方面，很少造成暗紋缺陷，極大地提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。使用這種散熱器型材模具結(jié)構(gòu)，不僅有效地減小了由于模具承受較大的正面壓力所導(dǎo)致的?？孜ｋU斷面的斷裂，極大地延長了模具的使用壽命，而且還有效地減小了?？椎撞枯^大壁厚處的流速，確保了擠壓型材流速的均衡、平穩(wěn)。同時，這種結(jié)構(gòu)的擠壓模具設(shè)計方案，也為壁厚相差懸殊的實心型材模具的設(shè)計，開辟了新的思路和途徑。因而所設(shè)計的模具合格。
此外,通過這次畢業(yè)設(shè)計我大量閱讀了有關(guān)鋁合金擠壓模具方面的書籍，了解并掌握了很多有關(guān)鋁型材加工技術(shù)方面的知識，拓寬了知識面，提高了分析問題、解決問題的綜合能力。對各種擠壓暗紋產(chǎn)生的原因有了較為深刻的認(rèn)識,并能針對各種暗紋提出應(yīng)的預(yù)防措施，達(dá)到較好的效果。
致謝
在本次的設(shè)計中，本院諸位領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)以及輝龍公司員工都給予了很大的幫助支持。尤其是指導(dǎo)老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和務(wù)實的求知精神，給我留下了很深的印象，他鼓勵我孜孜不倦，積極進(jìn)取，特別是在困難的時候，他有意識地培養(yǎng)我獨立思考和解決問題的能力。在此，對所給予我指導(dǎo)和幫助的老師、同學(xué)和公司里的各位工程師表示最衷心的感謝。
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