1. 綠色建筑鋁合金模板型材模具特點(diǎn)與技術(shù)難度分析
1.1 概述
鋁合金建筑模板型材品種多達(dá)幾十種，而且規(guī)格范圍廣，有的型材是多塊形狀各異的中小型材組拼成的一個(gè)大型整體材，外接圓直徑大于?600mm。有空心型材、實(shí)心型材和半空心型材，成形難度大，尺寸和形位精度要求高，要求有高的力學(xué)性能，?b?330MPa），優(yōu)良的可焊性、耐磨、耐蝕等綜合性能。而且要求產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。因此，要求不同形式的特殊結(jié)構(gòu)的模具，如特殊分流模、遮蔽式型材模、特種寬展模等才能保證不同型材的成形和尺寸精度，而且要求高的使用壽命（要求使用壽命要求較原用的提高2-3倍），確保其批量生產(chǎn)。以下僅從幾十種型材中選取兩種典型的、難度較大的型材模具為例來討論綠色建筑鋁合金模板型材模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，其中一種為寬度達(dá)400mm，寬厚比大于100的帶筋壁板型材WYY1237(見圖1)，另一種是舌比大于5、尺寸和形位為超高級精度的半空心型材WYY1125（見圖2）。
1.2 鋁合金模板鋁型材模具特點(diǎn)與技術(shù)難度分析
（1）模板鋁型材品種多、形狀復(fù)雜、尺寸變化大，因此要求設(shè)計(jì)制造不同規(guī)格、不同結(jié)構(gòu)、不同形式的優(yōu)質(zhì)模具，才能保證成形和尺寸、形位精度，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)工作。
（2）模板要求產(chǎn)業(yè)化大批量生產(chǎn)，首要關(guān)鍵就是提高模具使用壽命，本研制課題要求擠壓模具的使用壽命在原有基礎(chǔ)上提高2-3倍，難度是十分大的。
（3）扁寬形模板型材的寬、厚比大于100以上，寬而薄的壁板部位尺寸精度和平面間隙都很難保證，需要一種特殊結(jié)構(gòu)的寬展、分流模具合理地分配金屬流，才能保證型材的成形和高精度尺寸要求，特別是保證超高精度的形位公差，技術(shù)難度更大。
（4）模板鋁型材中半空心型材居多，其舌比大于5，尺寸與形位要求精度為超高精度，需要一種特殊結(jié)構(gòu)的模具才能保證其型材成形，并達(dá)到高精度，而且要保證模具有足夠的強(qiáng)度，不變形、不開裂、不壓塌，保證高的使用壽命，難度是非常大的。
（5）模板鋁型材要求表面光潔、尺寸和形位精度高，因此需要采用高質(zhì)量的模具鋼及嚴(yán)格的模具熱處理工藝、機(jī)加工全部實(shí)施CNC工藝規(guī)程，才能獲得具有高強(qiáng)度、高韌性、高精度、低的表面粗糙度的優(yōu)質(zhì)模具。
2.WYY1237和WYY1125模板鋁型材模具的設(shè)計(jì)依據(jù)與技術(shù)要求
2.1 WYY1237模板鋁型材模具的設(shè)計(jì)依據(jù)及技術(shù)要點(diǎn)
（1）WYY1237鋁型材的合金狀態(tài)為6061ET6，擠壓材經(jīng)精密水霧、氣淬火+人工時(shí)效后交貨，要求型材的尺寸與形位精度達(dá)到超高精級水平，并具有良好的力學(xué)性能、耐磨、耐蝕、可焊等綜合性能的合理匹配。
（2）WYY1237鋁型材屬于扁寬薄壁型材（見圖1），其特點(diǎn)是容易發(fā)生嚴(yán)重的壁厚差和平面間隙，型材兩端面因充料不足而壁厚尺寸不夠，WYY1237型材的寬、厚比值高達(dá) ，用普通平面模是達(dá)不到擠壓型材技術(shù)要求的，必須設(shè)計(jì)一種特殊的組合模才能保證成形和達(dá)到精度要求。
（3）WYY1237鋁型材外廓尺寸大，必須在7000噸以上的大擠壓機(jī)生產(chǎn)，擠壓筒直徑為?418mm，型材寬度幾乎與擠壓筒直徑相當(dāng)，這就需要設(shè)計(jì)制作一種特殊的多級寬展擠壓模，才能保證型材成形及寬度精度與平面間隙。
（4）WYY1237型材的兩個(gè)支承腿與壁板角度為 ，形位公差值已高于GB5237高精級規(guī)定，需要反復(fù)計(jì)算與平衡金屬流量的分配才能保證角度精度。用戶要求保證該型材兩個(gè)角度精度是為了確保模板順利裝卸和整體的平直度，模具的設(shè)計(jì)制造有極大難度。
（5）要求選擇優(yōu)良的模具材料，先進(jìn)的熱處理和表面處理工藝，確保模具的使用壽命提高2-3倍。
圖1 建筑鋁合金模板型材—WYY1237產(chǎn)品圖
2.2 WYY1125模板鋁型材模具的設(shè)計(jì)依據(jù)與技術(shù)要求
（1）WYY1125模板型材的合金狀態(tài)為6061ET6，擠壓材經(jīng)精密水、霧、氣淬火+人工時(shí)效后交貨，要求型材尺寸與形位精度達(dá)到超高級水平，并具有良好的力學(xué)性能、耐磨、耐蝕、可焊等綜合性能的合理匹配。
（2）WYY1125模板型材屬典型的高舌比半空心型材（見圖2）。該型材從形狀來看是從三個(gè)半方面包圍，一方面有一部分開口，被包圍部分為空間面積，這個(gè)面積從模子方面看是個(gè)懸臂梁，這個(gè)懸臂梁細(xì)而深，懸臂梁極易下塌，模子也很容易損壞，是很難擠壓出合格型材的，也難以保證型材尺寸精度和形位精度。
（3）該型材有三個(gè)90?轉(zhuǎn)角，其中兩個(gè)角為 ，一個(gè)角為 ，這三個(gè)角度的公差值都已超出《國標(biāo)》的任何等級規(guī)定。用戶要求保證該型材三個(gè)角度精度是為了確保模板裝配整體的平直度，這給模具的設(shè)計(jì)制造帶來極大難度。
（4）要求選擇優(yōu)良的模具材料，先進(jìn)的熱處理和表面處理工藝，確保模具的使用壽命提高2-3倍。
圖2 建筑鋁合金模板鋁型材—WYY125產(chǎn)品圖
3.模板型材模具的設(shè)計(jì)制造技術(shù)方案與提高使用壽命的措施與創(chuàng)新點(diǎn)分析3.1 WYY1237鋁型材模具
（1）WYY1237鋁型材模具設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)方案參數(shù)見表1和表2。
表1 WY1237鋁型材的模具設(shè)計(jì)參數(shù)表
表2 模子設(shè)計(jì)方案參數(shù)表
（2） WYY1237模的設(shè)計(jì)方案示意圖，見圖3。
圖3 建筑鋁合金模板型材WYY1237特種寬展分流組合模示意圖
（3）WYY1237型材模子設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)分析
根據(jù)該扁寬薄壁鋁型材的寬厚比值高達(dá) ，屬于高難度擠壓型材，對其模具設(shè)計(jì)方案需要經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和對比分析，才能確定最佳方案。最終選擇分流寬展模與型材模相組合的特殊模具結(jié)構(gòu)。
WYY1237-1# 模在初始并未設(shè)置吊橋，但該模經(jīng)上機(jī)試擠壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)模子彈性變形較大，擠壓材尺寸不夠穩(wěn)定，有的尺寸超下偏差，平面間隙也超差，由此，在維修-1#模時(shí)在寬展模型孔內(nèi)安裝上了兩個(gè)吊橋，使其寬展模變成了分流寬展模，維修改進(jìn)后的模具經(jīng)上機(jī)試擠壓，取試驗(yàn)檢測結(jié)果，擠壓材的尺寸精度和形位精度完全滿足WYY1237型材的技術(shù)要求，實(shí)驗(yàn)證明修改后的方案是合理的。
在設(shè)計(jì)、制造-2#模、3#模、4#模時(shí)均采用寬展分流模的設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)是：
直接在寬展模孔內(nèi)設(shè)計(jì)兩個(gè)吊橋，形成三個(gè)分流孔，分流比K分=13，焊合腔深度40mm，焊合室采用特殊形狀并設(shè)有4個(gè)橋墩以平衡金屬流量和提高模具的整體強(qiáng)度，從而使流動(dòng)金屬在焊合室內(nèi)具有足夠高的靜水壓力。
在模孔前面設(shè)有金屬導(dǎo)流導(dǎo)槽，按型材形狀進(jìn)行第一次金屬分配，提高型材的成形效果；
寬展分流模的金屬入口處下沉20mm，可均衡金屬流動(dòng)并降低擠壓力；
寬展分流模的分流孔布置與型材形狀相似，金屬流經(jīng)寬展分流孔的過程中逐漸由圓形鑄錠變成與型材形狀相似的金屬流，合理控制了金屬分配與調(diào)節(jié)了金屬流速。；
兩側(cè)的分流孔向外成兩級寬展角，寬展角分別為25?、5?，以增大兩端?？滋幍慕饘倭髁亢蛪毫?，便于填充。
模子設(shè)計(jì)尺寸及技術(shù)要求，見表3。
表3 WYY1237—1#模設(shè)計(jì)尺寸及技術(shù)要求表
（4）模子制作要點(diǎn)
模具制造廠擁有國內(nèi)外最先進(jìn)的模具加工設(shè)備，數(shù)控車床、數(shù)控銑床、CNC加工中心、數(shù)控電火花機(jī)床、數(shù)控雕銑機(jī)、低速線切割機(jī)等現(xiàn)代化機(jī)床，在模具制作的全過程中已實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAE全自動(dòng)加工,可確保模具加工質(zhì)量。
WYY1237型材模選用國內(nèi)名牌廠家生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1熱作模具鋼，電渣重熔鋼坯經(jīng)再鍛造、退火后使用，模子熱處理經(jīng)1035?C高溫淬火+2次充分回火，模體硬度值在48-49HRC，模具表面強(qiáng)化處理采用二階段氮化工藝，確保模子表面硬度值在HV950-1150，氮化層厚度100-160?m，從而提高模具使用壽命。
（5）成品模檢測驗(yàn)收記錄見表4。
表4 WYY1237—1# 成品模檢測記錄表
表5 WYY1237 鋁型材模（第1、2次）試模的型材尺寸檢測記錄
3.2 WY1125模板鋁型材的模具
（1）模具設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)，見表6和表7。
表6 WYY1125鋁型材的模具設(shè)計(jì)依據(jù)表
表7 WYY1125—2# 模設(shè)計(jì)參數(shù)表
(2) 遮蔽式模子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，見圖4。
圖4 建筑鋁合金模板鋁型材—WYY1125特殊半空心型材（遮蔽式）擠壓模（2#模）示意圖
(3) 模子設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)分析
根據(jù)WYY1125模板鋁型材的大舌比特點(diǎn)，對這種擠壓難度較大的半空心鋁型材，對3個(gè)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析對比：
第一方案是常規(guī)的平面模，這種模具易于制作，但由于模子的懸臂部位直接承受變形金屬的作用力而使懸臂下彎，不能保證擠壓材尺寸精度和形位公差值，同時(shí)模具使用壽命很短。
第二方案是在鋁型材的開口處加一連接條，使半空心鋁型材變成封閉的空心鋁型材（見圖5），這樣就可以按普通分流模設(shè)計(jì)制作，這種結(jié)構(gòu)的模具雖然能夠保證產(chǎn)品尺寸精度和形位公差值，但是擠壓型材的連接條需要在經(jīng)淬火、時(shí)效后撕掉，當(dāng)撕掉連接條后型材的連接處粗糙度很高，需要人工長時(shí)間打磨，擠壓材成品率很低而且成本高。
模具制造廠擁有國內(nèi)外最先進(jìn)的模具加工設(shè)備，數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控電火花機(jī)床、數(shù)控雕銑機(jī)、慢走絲線切割機(jī)等現(xiàn)代化機(jī)床，在模具制作的全過程中已實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAE全自動(dòng)加工,可確保模具加工質(zhì)量。
WYY1125型材模選用國內(nèi)名牌廠家生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼，電渣重熔鋼坯經(jīng)再鍛造、退火后使用，模子經(jīng)1035?C高溫淬火+2次充分回火熱處理，模體硬度值確保48-49HRC。表面強(qiáng)化處理采用二階段氣體氮化工藝，確保模子表面硬度值在HV950-1150，氮化層厚度100-160?m，以提高模具使用壽命。
(5) 成品模檢測驗(yàn)收記錄見表9。
表9 WYY1125-2#模檢測記錄表
（6）試模記錄見表10。經(jīng)二次修模與改進(jìn)，2#模完全達(dá)到技術(shù)要求，生產(chǎn)出合格型材。
表10 WYY1125-2#模 兩次（第一次，第二次）試模的擠壓材檢測記錄
4.模板鋁型材模具批量擠壓生產(chǎn)效果分析
4.1 WYY1237型材一共投做4套模，有3套模投入生產(chǎn)，有一套在待生產(chǎn)?，F(xiàn)已經(jīng)交出產(chǎn)品800多噸。其中，WYY1237-1#模因最初未設(shè)置吊橋，在擠壓過程中，模具彈性變形較大，型材的壁板中心部位尺寸偏小，且平面間隙超差。經(jīng)研究決定在寬展模的孔腔內(nèi)安裝上了兩個(gè)吊橋，這樣既提高了模具的抗彎強(qiáng)度，也均衡了金屬的流動(dòng)。經(jīng)修改、維修后的WYY1237-1#模上機(jī)擠壓出的型材尺寸合格。這套模在擠壓出200多噸型材后因出現(xiàn)疲勞裂紋報(bào)廢。模具使用壽命較原來25噸/每模提高了4倍以上。
在生產(chǎn)線上的-2#模、-3#模、-4#模都按-1# 修改模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的?，F(xiàn)在-2#模、-3#模正在生產(chǎn)線服役， 試模合格的-4#模在生產(chǎn)線待用。
由于模板型材模選用了優(yōu)質(zhì)模具鋼，并實(shí)施了合理的熱處理制度，模具設(shè)計(jì)制造的全過程都采用CAD/CAM/CAE全自動(dòng)生產(chǎn)，每套模具都具有很高的制造質(zhì)量；擠壓廠同時(shí)嚴(yán)格模子使用制度，因此，每套模僅試模1-2次擠壓材就合格，修模量也比較小，使用壽命也比較高，達(dá)到了項(xiàng)目提高2-3倍的目標(biāo)。
4.2 WYY1125模板鋁型材一共設(shè)計(jì)制造4套模，其中—1#模是按全封閉空心鋁型材設(shè)計(jì)制造的，由于這種結(jié)構(gòu)的模具雖然能夠保證產(chǎn)品尺寸精度和形位公差值，但是，擠壓型材的連接條需要在經(jīng)淬火、時(shí)效后撕掉，在撕掉連接條后的連接處粗糙度很高，需要人工長時(shí)間打磨，這樣以來，擠壓材成品率很低，且費(fèi)時(shí)費(fèi)工，使產(chǎn)品成本提高，不能形成批量生產(chǎn)，所以經(jīng)研究后放棄1#模。-2#模選用遮蔽式模具結(jié)構(gòu)，遮蔽式模具的特點(diǎn)是用相當(dāng)于分流模的模芯部位遮蔽下模模孔的懸臂部位，使模具的懸臂部分不直接承受變形金屬的作用力。-2#模經(jīng)兩次試模后擠壓材尺寸精度合格、形位精度也合格，在此基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)制造了2套遮蔽式模（-3#模 和-4#模），其中-2#、-3#模投入生產(chǎn)，試模合格的 —4#模在生產(chǎn)線待生產(chǎn)?，F(xiàn)已經(jīng)交出產(chǎn)品120噸，使用壽命已超過原有模具的4倍以上。—2#模生產(chǎn)擠壓材30多噸仍在使用中。而—3# 模也在擠壓生產(chǎn)線服役，還有試模合格的—4# 模在擠壓生產(chǎn)線待用。
由于模板型材模選用了優(yōu)質(zhì)模具鋼，并實(shí)施了合理的熱處理制度，每套模具都具有很高的強(qiáng)度和韌性，模子尺寸制作精確，擠壓生產(chǎn)廠嚴(yán)格遵守模子使用制度，因此，每套模試模次數(shù)少，修模量小，使用壽命也比較高。達(dá)到或超過項(xiàng)目提高2倍的目標(biāo)。
4.3 擠壓出型材證明，WYY1237鋁合金模板型材模、WYY1125鋁合金模板型材模的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量是可靠的，擠壓出的型材完全滿足用戶對鋁合金模板型材的技術(shù)要求，模具使用壽命高，大大超過原有模具使用壽命的2-3倍以上，并能滿足鋁合金模板型材產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)的要求。
5.小結(jié)
綠色建筑鋁合金模板型材的品種多，規(guī)格范圍廣，形狀復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)含量高，生產(chǎn)技術(shù)難度大。本文僅選兩種典型的難度較大的型材為例，對其模具的設(shè)計(jì)方案、制造工藝和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行分析討論，對模具的擠壓效果與使用壽命進(jìn)行對比，可見優(yōu)質(zhì)模具在綠色建筑鋁合金模板型材產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)中起著重大的作用。
（1）綠色建筑鋁合金模板型材品種多，技術(shù)要求高，形狀復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)難度大，需要設(shè)計(jì)與制造多種特殊結(jié)構(gòu)模具才能保證擠壓材成形和各種技術(shù)指標(biāo)。
（2）擠壓模具是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要求從模具材料、模具設(shè)計(jì)與制造、模具熱處理和表面處理、模具使用與維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，環(huán)環(huán)相扣才能制造出優(yōu)質(zhì)模具。
（3）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制造出了特殊的二階段寬展分流組合模，保證了寬厚比大于100的高難度型材的成型及超高精度要求。設(shè)計(jì)制造了特殊的舌比大的半空心型材（遮蔽式）模具，保證了超高精度舌比大于5的半空心型材的成型與超高精度，而且使用壽命大幅度提高，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
（4）由于選用了優(yōu)質(zhì)模具材料的設(shè)計(jì)、制造工藝合理、熱處理和表面處理先進(jìn)，使模具使用壽命提高了2-3倍以上，達(dá)到了項(xiàng)目的要求。
