翁佳銘，羅藝茹，郭俊馳，盤德文，鄧汝榮

（廣州科技職業(yè)技術大學，廣州 510550）

0 前言

隨著經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高、現(xiàn)代科技的進步，特別是制造業(yè)的日益發(fā)展和現(xiàn)代加工技術的提高，人們對鋁合金有了越來越深的了解和認識。由于鋁合金具有良好的抗腐蝕性、輕量性、可焊接性等特點，使得鋁合金型材的應用更加廣泛。如日常生活中隨處可見的監(jiān)控攝像儀器，其蓋板材料經歷了從不銹鋼薄板鈑金、塑料到鋁合金型材的階段。采用不銹鋼薄板，材料貴、成形難，而且生產效率低，難以滿足市場的需求量；采用塑料，加工成形容易，材料成本低，但強度方面達不到經久耐用，而且時間一長，會發(fā)生變色甚至于脆裂，發(fā)生安全事故；采用鋁合金型材則彌補了這些缺陷，而且采用擠壓成型，效率高、成本低。但在擠壓生產中，模具是關鍵。目前蓋板鋁型材的生產仍然采用傳統(tǒng)結構的模具，把蓋板這樣的型材歸類于普通的實心型材，從而采用傳統(tǒng)的平面模結構進行設計。采用這種結構，模具的強度明顯不足，模具容易變形和斷裂，壽命低。這是因為在設計非空心鋁型材擠壓模時，通常都要進行強度上的舌比值計算，一般的設計原則是：當舌比值大于6時，型材就歸類為半空心型材，就不能采用普通的平面模結構，應選擇其他的模具結構形式[1-2]。而像蓋板這樣的型材，從理論上計算，其舌比小于1，但是在擠壓理論還不十分完善的今天，容易誤導生產者和制造者而選擇傳統(tǒng)的平模結構。通過舌比計算來確定模具的結構，往往會忽略如攝像盒蓋板這類非空心型材懸臂包圍面積大這一要素，因此這種方法存在一定的缺陷。本文通過對攝像盒型材擠壓模的改進，提出一種遮蓋約束式分流模結構形式及其設計思路，拓寬對半空心型材的認識，供同行參考。

1 產品結構特征分析

圖1所示是一款常見的典型攝像盒蓋板型材斷面。其最大寬厚比為76.8，型材外部均為圓弧形狀，型材的壁厚為1.8 mm。若根據(jù)半空心型材的判定方法，由于該型材形成的懸臂危險部位開口尺寸為111.8 mm，經計算，其舌比為0.6，則該型材不屬于半空心型材。另外，由于型材的斷面面積為566.3 mm2，從擠壓工藝優(yōu)化及成本方面考慮，選擇18 MN擠壓機較為合適，其擠壓筒內徑為183 mm，經計算，擠壓機的最大比壓為685 MPa，擠壓比46.4。假設采用傳統(tǒng)平模結構中的一體式結構[3]，即模具僅由一件模子組成，因為在傳統(tǒng)的平模結構中，一體式結構的模具強度最好。根據(jù)平模的模具強度計算公式進行核算，則模子的最小厚度為120.2 mm，模具的強度核算公式如下[4]：

圖1 型材斷面圖

式中：n為安全系數(shù)；w為型材開口寬度，mm；h為模子厚度，mm；P為擠壓機最大比壓，MPa；A為型材所包圍的面積，mm2；[]σb為模子材料的許用強度，1150 MPa。

但是，18 MN擠壓機的最大模具厚度為160 mm。經驗表明，當模子厚度超過適用模具規(guī)格厚度的0.5倍時，即使型材從舌比方面不認為是半空心型材時也應當視同半空心型材來進行模具結構的選擇，否則，模具同樣會因強度不足而產生變形或塌裂。

2 傳統(tǒng)的模具結構

針對圖1所示的蓋板型材，目前企業(yè)采用的傳統(tǒng)平模結構，主要有2種結構形式，分別是如圖2所示的二件式結構和如圖3所示的一體式結構。

圖2 二件式平模結構示意圖

圖3 一體式平模結構示意圖

采用二件式結構，模具由模子和模墊組成[5]，結構簡單，制造方便。但強度最弱，模具的變形大，實踐證明，模具的平均壽命小于3 t，且擠壓的型材存在嚴重的壁厚偏差現(xiàn)象。

而一體式結構，也稱整體式結構，模具僅由一件模子組成[6]。模具強度有所提高，但模具平均壽命仍不超過6 t，型材壁厚偏差的問題沒有完全得到解決，而且加工的周期長，所消耗的電極材料多，因而一體式結構的模具成本較高。

3 改進后的模具結構

根據(jù)型材的結構特點及上述計算，可以把蓋板型材視為半空心型材來進行模具結構的設計。而半空心型材模具，目前行業(yè)的技術人員進行了廣泛深入的研究，得出了一些較為成熟的結構形式，如分割式分流模[7]、吊掛式分流模[8]、導流保護式分流模[9]等，但這些結構對于蓋板型材并不合適。通過分析可以看出，這些結構的原理都是從改善懸臂的受力狀態(tài)或轉移懸臂的受力構成出發(fā)，從而降低懸臂的受力，達到提高模具強度的目的。因此，根據(jù)型材的特點和半空心型材模具的設計原理，確定采用一種約束式遮蓋分流模結構，如圖4所示。

圖4 約束式遮蓋分流模結構示意圖

這種結構的原理是，采用上模沒有模芯的分流模結構，將懸臂的大部分置于分流模上模的中心部位的下方，上模并不接觸懸臂，而是將懸臂的大部分保護起來，上模中心部位將懸臂遮擋起來，擠壓時，原來由懸臂直接承受的正壓力由上模代之來承受，受力的主體發(fā)生了轉移，從而大大改善了懸臂的受力狀況。因此，只要上模有足夠的強度，就可以保證懸臂的強度。而分流模上模的強度取決于分流橋及分流比等參數(shù)的確定，這就給了提高懸臂強度采用相關措施的空間，因為這些參數(shù)確定的方法和手段是多樣的和成熟的。所以在結構設計時應盡量讓上模承受金屬擠壓時的正壓力，并確保上模的受力不傳遞到懸臂上。但是，實際上當金屬進入懸臂的?？鬃罱K成型時，會對懸臂產生與擠壓方向相同的摩擦力，以及上模沒有完全遮擋住懸臂的部位仍會伴隨一定的正壓力，這兩部分力會使懸臂發(fā)生向下的撓曲或彈性變形。這種變形的結果，一方面會使懸臂頭部的壁厚變薄；另一方面會使頭部金屬流速變慢，嚴重時將發(fā)生堵模現(xiàn)象造成擠壓力瞬時急劇上升而導致懸臂斷裂。基于此，在懸臂的正面平面上設計一個向上凸起的圓形凸臺，而在上模對應的位置設計一個內凹的圓孔與之相配合，凸臺與圓孔采用上模與下模止口的配合方式，當懸臂向下發(fā)生撓曲時，凸臺也會隨著懸臂向下發(fā)生“傾斜”，就會觸及到上模的圓孔而受到約束，從而阻止了懸臂繼續(xù)向下發(fā)生撓曲變形，相當于將懸臂由懸臂梁結構變成了簡支梁結構，如圖5所示。這樣就消除了懸臂向下發(fā)生彈性變形或撓曲的可能性，既保證了壁厚的均勻性，也大大提高了懸臂的強度。

圖5 下模凸臺約束原理示意圖

模具結構設計要點：

（1）上模的強度必須保證。設計時就進行必要的強度計算和核算。

（2）上模分流孔的布置如圖6所示。分流孔布置采用了與型材形狀相似性原則，設置了4個分流孔，各個分流孔的面積差異控制在10%以內，分流比為23，取擠壓系數(shù)的25%～35%。由于懸臂頭部承受的對懸臂產生的彎矩最大，使懸臂產生的向下?lián)锨沧畲?，因此，在該處對應的上模應設計一個分流橋進行遮擋，分流橋寬度為16 mm，目的是減小該部位的受力。同時為了降低上模的受力，采用斜入式平等的分流孔通道，一方面減小了上模的受壓面積，另一方面分流孔適度的擴孔可降低整體的擠壓力。這些方法對上模強度的提高均是有利的。

圖6 分流孔布置

（3）在設計分流孔時，既要考慮到對懸臂的遮擋，同時也應兼顧到上模的受壓面積以及下模?？椎慕饘倭魉僬{整和金屬供應。因此，上模對懸臂的遮擋并不是遮擋面積越大越好。經驗表明，遮擋面積占懸臂的75%～85%較為合適，以分流孔內側到下模?？走吘壘嚯x6～8 mm為計算依據(jù)進行設計。如圖7所示，圖中陰影部分表示未被上模遮擋的部位，b表示分流孔內側到?？椎木嚯x。

圖7 懸臂受力面積示意圖

（4）采用應力間隙。雖然上模承擔了懸臂的大部分受力，但在擠壓過程中，上模受到力的作用后同樣會發(fā)生彈性變形，向下發(fā)生撓曲，這樣上模就會接觸懸臂并對懸臂施加力的作用。因此，為了防止上模將力傳遞到懸臂，通過設計應力間隙，在上模與下模之間在擠壓方向上就有個空間距離，可避免上模與懸臂接觸。應力間隙取在下模上，此間隙值的經驗值為0.8 mm。在實際中，懸臂所包圍的面積越大或上模的受壓面積越大，則應力間隙的取值也大一些，經驗數(shù)據(jù)為0.51～2 mm，或取型材壁厚的0.5～0.6倍。

（5）設計約束凸臺。金屬進入下模?？讛D壓成型時，金屬對?？椎膬葌缺跁a生與擠壓方向相同的摩擦力，同時懸臂中還有部分未被上模遮擋的部位仍受到金屬的正壓力，這兩個力之和雖然不會對懸臂造成破壞，但會導致懸臂向下發(fā)生彈性變形，從而造成壁厚發(fā)生變化和金屬流速出現(xiàn)變化。所以在下模懸臂處設計一個向上凸起的凸臺，而在上模則設計與之相配合的內孔，兩者的配合間隙取上模與下模在止口處的配合間隙即可。為便于加工，凸臺及內孔可選擇在模具的中心位置，凸臺的直徑取12～30 mm，懸臂面積越大凸臺直徑越大，而高度以不高出下模止口高度為宜，如圖8所示。當懸臂受力向下發(fā)生彈性變形時，凸臺將受到上模內孔的約束，而內孔則成為懸臂的一個支點，阻止了彈性撓曲的發(fā)生。

圖8 約束凸臺示意圖

（6）下模焊合室與工作帶。下模焊合室輪廓按照分流孔進入下模外緣的輪廓來確定，在分流橋對應部位設計成橋墩來縮小分流橋的跨度以提高分流橋的強度和剛性。而?？坠ぷ鲙Э砂凑諅鹘y(tǒng)分流模設計的原則進行。不同的是，需在下模懸臂處取應力間隙值。應力間隙的確定是懸臂平面比下模止口平面低一個數(shù)值即可。下模結構如圖9所示。

圖9 下模焊合室與工作帶示意圖

4 結果對比

對傳統(tǒng)結構和改進后的新結構模具進行擠壓跟蹤，所得結果如表1所示。

表1 模具結構與擠壓結果對比

從結果可以看出，改進后的模具有明顯的優(yōu)勢，模具壽命大大提高，型材的尺寸精度及表面質量均大大提高。

5 結束語

對于具有懸臂、寬厚比較大的非空心型材，盡管舌比較小，但并不適合采用傳統(tǒng)的平模結構，從攝像盒蓋板用鋁型材的例子可以看出，判定半空心型材的原則應當是滿足兩方面條件，一是傳統(tǒng)的舌比計算，二是強度的校驗。采用約束式遮蓋分流模結構，一方面可以改善半空心型材模具懸臂的受力狀態(tài)，將懸臂的受力進行轉嫁，降低懸臂的受力；另一方面可以改變懸臂受力的支撐結構，懸臂由一端支撐的懸臂梁變成兩端支撐的簡支梁，從而使模具的強度得到大幅提高。通過對攝像盒蓋板用鋁型材傳統(tǒng)模具的改進，可以認為，這種約束式遮蓋分流模結構是有效的，是值得推廣和復制的。