1. 綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓型材模具特點(diǎn)與技術(shù)難度分析

1.1 概述 

綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材品種多達(dá)百余種，而且規(guī)格范圍廣，現(xiàn)代綠色建筑用鋁合金擠壓材大多是不需要機(jī)械加工，而直接作為零部件來(lái)與相關(guān)件配合使用的，所以尺寸精度和形位精度要求都很高。結(jié)構(gòu)材包括管材（包括圓管材、方管材和異形管材，且都是厚壁管；各種異形型材（包括空心型材、實(shí)心型材和半空心型材，且壁厚差大），成形難度大；以及各種特殊棒材。結(jié)構(gòu)材的合金牌號(hào)大多是6061、6005A、6082等中強(qiáng)度鋁合金，還有2xxx、5xxx和7xxx等高強(qiáng)度高韌性鋁合金。鋁合金建筑結(jié)構(gòu)擠壓材要求有高的力學(xué)性能，s_b?300MPa，優(yōu)良的可焊性、耐磨耐蝕性和可冷彎成形性等綜合性能。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，如特殊導(dǎo)流模、特種寬展分流模才能確保不同產(chǎn)品的成形和尺寸精度，而且要求高的使用壽命（要求使用壽命提高2-3倍），確保其批量生產(chǎn)。以下僅從百余種擠壓材中選取一種外接圓尺寸大、有橫向加強(qiáng)筋、成形難度較大的雙孔厚壁管材WYY0770模具為例，來(lái)討論鋁合金建筑結(jié)構(gòu)擠壓材模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)特點(diǎn)， WYY0770雙孔管材斷面見(jiàn)圖1。

圖1 綠色建筑結(jié)構(gòu)擠壓材—WYY0770產(chǎn)品圖

1.2 鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材模具特點(diǎn)與技術(shù)難度分析

（1）綠色建筑結(jié)構(gòu)鋁合金擠壓材品種多、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，才能實(shí)現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材產(chǎn)業(yè)化大批量生產(chǎn)，因此需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)工作。

（2）綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材要求產(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要求在原有基礎(chǔ)上提高2-3倍，難度是十分大的。

（3）帶有橫向加強(qiáng)筋的雙孔厚壁管的橫向加強(qiáng)筋很難充料，需要一種特殊結(jié)構(gòu)的寬展導(dǎo)流模與分流模經(jīng)兩段擴(kuò)展加大金屬流覆蓋?？缀秃侠淼姆峙浣饘倭髁浚约皟?yōu)化擠壓工藝才能保證雙管厚壁管的成形，技術(shù)難度很大，特別是大型的厚壁雙孔管的成形和同時(shí)要求保證焊合質(zhì)量則更難。

（4）綠色建筑結(jié)構(gòu)鋁合金擠壓材的尺寸與形位精度都要求達(dá)到高精級(jí)或超高精級(jí)水平，需要一種特殊結(jié)構(gòu)的模具才能保證型材成形，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(kāi)裂、不壓塌，有足夠使用壽命，難度是非常大的。

（5）綠色建筑結(jié)構(gòu)鋁合金擠壓材要求表面光潔、尺寸和形位精度高，而且使用壽命長(zhǎng)，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和表面處理工藝，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.WYY0770大型雙孔厚壁管材模具的設(shè)計(jì)依據(jù)與技術(shù)要求

（1）WYY0770大型雙孔厚壁管材的合金狀態(tài)為6005FT6，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(jí)水平，s_b?300MPa，并具有良好的力學(xué)性能、耐磨、耐蝕、可焊、可冷彎成形性等綜合性能。

（2）WYY0770擠壓材為大型雙孔厚壁管（見(jiàn)圖1），雙孔厚壁管的特點(diǎn)是容易發(fā)生嚴(yán)重的壁厚差和平面間隙，雙孔管因充料不足而壁厚尺寸不夠，WYY0700雙孔管為寬450mm，高200mm的方管內(nèi)有一條橫向加強(qiáng)筋。使單孔方管變成雙孔管，其難度就在于這條橫向加強(qiáng)筋的充料不足，而且要求有高的焊合質(zhì)量，用普通的分流模是達(dá)不到擠壓雙孔管技術(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）WYY0770大型雙孔管材在7000噸擠壓機(jī)生產(chǎn)，擠壓筒直徑為f418mm，型材的外接圓（f498mm）大于擠壓筒直徑(f418mm)，這就需要設(shè)計(jì)制作一種特殊的多級(jí)擴(kuò)展擠壓模，擴(kuò)大分流模焊合室的外接圓，才能保證型材成型及尺寸精度與平面間隙尺寸要求。如果選用f460mm擠壓筒生產(chǎn)，金屬流動(dòng)與平衡會(huì)有所改善。

（4）WYY0770雙孔管的4個(gè)外角為90+/-30，8個(gè)內(nèi)角同樣要求為90+/-30，形位公差值已高于GB5237高精級(jí)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型材順利裝卸和整體的平直度，模具的設(shè)計(jì)制造的確有極大難度。

（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。

3. 綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)型材WYY0770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

WYY0770型材在7000t擠壓機(jī)上采用f418mm（方案Ⅰ）擠壓筒和f460mm擠壓筒（方案Ⅱ）進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，其模具設(shè)計(jì)、制作技術(shù)分析如下。

3.1 WYY0770大型雙孔管模具設(shè)計(jì)依據(jù)與設(shè)計(jì)方案參數(shù)見(jiàn)表1和表2

表1  WY0700大型雙孔管的模具設(shè)計(jì)依據(jù)參數(shù)表

表2  WY0700大型雙孔管模子設(shè)計(jì)方案參數(shù)表

3.2  WYY0770模的設(shè)計(jì)方案（Ⅰ）示意圖，見(jiàn)圖2，方案（Ⅱ）示意圖，見(jiàn)圖3。

圖2 綠色建筑大型鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材WYY0700特種擴(kuò)展分流組合模示意圖（方案Ⅰ）

圖3 綠色建筑鋁合金大型雙孔管材WYY0770的平面分流組合模設(shè)計(jì)示意圖（方案Ⅱ）

模具規(guī)格f800500mm：

上模厚度：260mm，上模金屬入口部位車(chē)深20mm；下模厚度：240mm;

X(縱向)擴(kuò)展量180mm，擴(kuò)展角23度；Y橫向)擴(kuò)展量100mm，擴(kuò)展角12度.

3.3  WYY0770大型雙孔管材模子設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)分析

根據(jù)WYY0770大型雙孔厚壁管材的特點(diǎn)，模具設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案：方案Ⅰ和方案Ⅱ。其特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)分析如下.

（1）方案Ⅰ。1#模是根據(jù)f418mm擠壓筒設(shè)計(jì)制造的（見(jiàn)圖2）。因受擠壓筒直徑的限制，選擇導(dǎo)流模與分流模相結(jié)合的模具結(jié)構(gòu)（三件套）。這種結(jié)構(gòu)的模具金屬流需要進(jìn)行兩級(jí)分流、寬展，導(dǎo)流模的分流孔對(duì)金屬進(jìn)行第一階段分流、擴(kuò)展，使圓錠逐漸變寬、變薄；分流模上模的分流孔對(duì)來(lái)自導(dǎo)流模的變形金屬進(jìn)行第二階段分流、寬展，使金屬逐漸變得更寬、更薄，與雙孔管材成相似形狀，而且焊合室外接圓直徑達(dá)到?618mm，這樣可供給?？走叢孔銐蚨嘟饘倭髁?。

該模具方案工作原理：是用較小的擠壓筒（f418mm）擠壓外接圓較大的（f498mm）雙孔管材，它利用兩階段分流、寬展增大金屬流量和焊合室面積，使雙孔管材獲得擠壓成形，達(dá)到尺寸精度要求和形位精度要求。

雙孔管材的加強(qiáng)筋金屬的供給是采用在導(dǎo)流模、分流模上模的中心部位開(kāi)一亞鈴式的階梯形分流孔直接供流，確保加強(qiáng)筋部位?？缀侠淼慕饘俟┝?。

用導(dǎo)流模與分流模組合的WYY0700雙孔管材1#模已生產(chǎn)出合格擠壓材，并已交付用戶使用。

1#模雖然生產(chǎn)出合格擠壓材，但是，該結(jié)構(gòu)模具存在一些具體問(wèn)題：

模具設(shè)計(jì)依據(jù)擠壓筒直徑（f418mm）偏小，擠壓筒截面積也較小，為提高金屬變形率，提高雙孔管材的力學(xué)性能，在不得已的情況下采用三件套（導(dǎo)流模+分流模）模具結(jié)構(gòu)；

在擠壓過(guò)程中，金屬流經(jīng)路線較長(zhǎng)，摩擦力過(guò)大，消耗過(guò)多擠壓力，產(chǎn)品尺寸不夠穩(wěn)定，同時(shí)，由于擠壓筒直徑小，分流比也較小，會(huì)影響厚壁管的焊合質(zhì)量。

在擠壓過(guò)程中導(dǎo)流模與分流模的分流孔中裝滿金屬，在繼續(xù)擠壓下一個(gè)鑄棒時(shí)，由于分流孔中過(guò)多的殘留金屬一方面降低產(chǎn)品成品率，另一方面增加了擠壓材的縮尾（或縮頭）缺陷料的長(zhǎng)度，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品成品率，生產(chǎn)效率也低，成本提高。

針對(duì)該結(jié)構(gòu)模具存在上述問(wèn)題，所以設(shè)計(jì)了方案Ⅱ，方案Ⅱ采用大直徑的擠壓筒（f460mm），加大產(chǎn)品的擠壓比和擠壓材變形率，改善了產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能，同時(shí)提高產(chǎn)品成品率。分流比也增大，這樣可提高管材的力學(xué)性能與焊合質(zhì)量，同時(shí)也可提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。 

（2）方案Ⅱ。2#模是根據(jù)f460mm擠壓筒設(shè)計(jì)制造的（見(jiàn)圖3）。這套模具的結(jié)構(gòu)是特殊寬展分流模（兩件套）。

這種方案的工作原理是在擠壓力的作用下，圓鑄錠通過(guò)上模的分流孔的分流、寬展，逐漸變成與雙孔管材的形狀相似，焊合室的外接圓直徑達(dá)到f600mm,焊合室深度取40mm，足以使流動(dòng)金屬在焊合室形成高的靜水壓力，保證管材的焊合質(zhì)量。

雙孔管材的加強(qiáng)筋部分供流是在分流模上模的中心部位開(kāi)兩個(gè)小型的階梯形分流孔直接供流，確保加強(qiáng)筋部位?？缀侠淼慕饘俟┝?，能保證橫筋充滿，尺寸和形位達(dá)到高精級(jí)的要求。

方案Ⅱ比較方案Ⅰ具有如下優(yōu)點(diǎn)：

從模具強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，模具的分流部分減薄，金屬流經(jīng)路線減短，降低擠壓力，提高模具的整體強(qiáng)度；

從模具設(shè)計(jì)、制造難度來(lái)說(shuō)，可大大降低模具制造成本；

使用大的擠壓筒，l和K都增大，既保證了力學(xué)性能又能提高焊合質(zhì)量。而且能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成品率，降低生產(chǎn)成本。

實(shí)踐證明，在使用f460mm的擠壓筒后，按第Ⅱ方案模具制造廠設(shè)計(jì)制造了一套2#模（見(jiàn)圖3）用于生產(chǎn)WYY0770雙孔管材，新模具經(jīng)2次試模及維修就擠壓出合格的雙孔管材，產(chǎn)品尺寸很穩(wěn)定，組織、力學(xué)性能和尺寸與形位精度都達(dá)到技術(shù)條件要求，而且模具使用壽命大大提高。

（3）模子設(shè)計(jì)尺寸及技術(shù)要求，見(jiàn)表3。

表3 WYY0770大型雙孔管模子尺寸設(shè)計(jì)及技術(shù)要求表

3.4 模子制作技術(shù)

模具制造廠擁有國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的模具加工設(shè)備，數(shù)控車(chē)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(guò)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。

WYY0700型材模選用國(guó)內(nèi)名牌廠家生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1熱作模具鋼，經(jīng)在鍛造、退火后使用，模子熱處理經(jīng)1035攝氏度高溫淬火+2次充分回火，模體硬度值在48-49HRC，表面處理采用二階段氣體氮化工藝，確保模子表面硬度值在HV1000-1250，氮化層厚度100-160μｍ，以提高模具使用壽命。

3.5 成品模檢測(cè)驗(yàn)收記錄見(jiàn)表4

表4 WYY0700大型雙孔管材成品模檢測(cè)記錄表

3.6 擠壓試模記錄見(jiàn)表5

表5 WYY0700 大型雙孔管材模（第1、2、3次）試模的產(chǎn)品尺寸檢測(cè)記錄 

4.大型雙孔管材模具批量擠壓生產(chǎn)效果分析

4.1 WYY0770大型雙孔厚壁管材共投做2套模，方案Ⅰ1#模，方案Ⅱ2#模各一套

1#模是在使用?418mm擠壓筒的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造的，已擠壓出合格擠壓材，交付用戶使用，到目前已交付 500噸。2#模是在使用?460mm擠壓筒的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造的，已生產(chǎn)合格的雙孔管材 600多噸。兩套模具生產(chǎn)的雙孔管材的尺寸精度、形位精度都合乎GB5237高精級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。單模使用壽命都超過(guò)100噸，2#模壽命高于1#模，1#模和2#模的使用壽命都超過(guò)原有模具壽命的3倍以上。

由于WYY0770雙孔管材模選用了優(yōu)質(zhì)模具鋼，并實(shí)施了先進(jìn)的熱處理制度，全過(guò)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，型材擠壓廠嚴(yán)格遵循模子使用制度，因此，1#模試模3次，2#模試模2次就合格，修模量比較小，使用壽命比較高，達(dá)到了項(xiàng)目提高2-3倍的目標(biāo)。

4.2 擠壓生產(chǎn)證明，使用 ?418mm擠壓筒設(shè)計(jì)制造1#模的方案Ⅰ是可以生產(chǎn)出合格擠壓材的，但相對(duì)比較使用?460mm擠壓筒設(shè)計(jì)制造2#模的方案Ⅱ更合理些，產(chǎn)品尺寸精度和形位精度更穩(wěn)定，產(chǎn)品的組織和性能更好，模具的使用壽命也更高。能滿足綠色建筑結(jié)構(gòu)材的產(chǎn)業(yè)化、大批量生產(chǎn)的要求。

5.小結(jié)

綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)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。本文僅選一種典型的難度較大的型材為例，對(duì)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(duì)模具的擠壓效果與使用壽命進(jìn)行對(duì)比?？梢?jiàn)優(yōu)質(zhì)模具在鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓型材產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)中起著重大的作用。
（1）綠色建筑鋁合金結(jié)構(gòu)擠壓材品種多，形狀復(fù)雜，技術(shù)要求高，基本上不經(jīng)機(jī)械加工，但有時(shí)要冷彎成形后使用，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)，大型的擠壓材需要大型擠壓機(jī)上用大直徑擠壓筒生產(chǎn)，對(duì)工模具要求是很高的。

（2）結(jié)構(gòu)用鋁合金擠壓材大都采用6061T6、6082T6、6005AT6、7003、7005等中硬鋁合金生產(chǎn)，有時(shí)還用2xxx合金、5xxx合金、7xxx等高強(qiáng)、高韌鋁合金生產(chǎn)，合金元素含量都比較高，可擠壓性都較6063合金小得多，擠壓阻力大，成形很困難，所以在設(shè)計(jì)制造擠壓模時(shí)，一定要嚴(yán)格遵循鋁合金擠壓時(shí)金屬流動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)特種結(jié)構(gòu)模具合理分配金屬量和控制流速，盡量減少擠壓阻力和平衡流速。研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，在f460mm擠壓筒上采用2#模擠壓大型雙孔厚壁管材才效果比在?418mm擠壓筒上采用1#模好得多。

（3）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)合才能制造出優(yōu)質(zhì)模具。

（4）由于選用了優(yōu)質(zhì)模具材料，設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的模具、制造工藝合理、熱處理和表面處理先進(jìn)，不僅保證了產(chǎn)品的成形和尺寸、形位精度與表面質(zhì)量及焊合質(zhì)量，而且使模具使用壽命提高了3倍以上，達(dá)到了項(xiàng)目的要求。