一、階段變斷面鋁型材模的設計

1．1階段變斷面鋁型材模具的結構要素與設計特點
用兩套分瓣模分步擠壓基本鋁型材部分和大頭部分的方法是擠壓階段變斷面鋁型材的最常用的方法。這種擠壓用模具的特點是，鋁型材和過渡區設計成一套模子，一而大頭部分設計成另一套模子。
用兩套可拆開的模子擠壓階段變斷面鋁型材時，要求其模具的拆開與裝配應十分方便。同時，在擠壓過程中要保持一定的完整性和穩定性，即在擠壓時尺寸不發生任何變化，因此，模具的外形結構和尺寸與一般鋁型材模具不同，而應適合于階段變斷面鋁型材擠壓的特點。階段變斷面鋁型材模具的外形結構和尺寸如圖4—3—49和表4—3—9所示。

表4-3—9階段變斷面鋁型材模具的外形尺寸表

 

擠壓機噸位/MN	擠壓簡直徑/mm	模子種類	模子尺寸/ram
			φ1	φ2	φ3	φ4	H	h
20	200	鋁型材模 尾端模	225 225	200 ―	216 216	― 205.5	125 105	93 93
20	170	鋁型材模 尾端模	195 195	170 ―	187 187	― ―	125 105	93 93
12.5	130	鋁型材模 尾端模	195 195	130 ―	187 187	175.3 133.4	110 95	82 82

 

圖4—3—49階段變斷面鋁型材模具的外形結構圖
(a)——擠壓基本鋁型材部分的鋁型材模；(b)——擠壓尾端大頭部分的尾端模

為了方便更換模具，可拆開的鋁型材模的厚度應比尾端“大頭”模厚15～20mm。為使模具在拆換過程中的操作方便，在每瓣鋁型材模塊的背面均鉆有一個φ20～30mm的孔。
為了保持模具在擠壓過程中的完整性，采用前后錐角同時配合的方法，其前錐角為l0°，與擠壓筒襯套相配合，其后錐角為4°，與壓型嘴(模支承)相配合，并應相應設計一套擠壓階段變斷面鋁型材專用的壓型嘴和擠壓筒內套。
壓型嘴(模支承)的出口尺寸與形狀與變斷面鋁型材大頭部分的形狀相似，在保持大頭能順利通過的條件下，其尺寸應盡量縮小以提高模孔尺寸的穩定性。
應合理選擇和加工模子的線性配合尺寸h。當尺寸h超過上偏差時，模具不能組成理想的整體，擠壓出的鋁型材尺寸可能超差，當尺寸h超下偏差時，雖然模具能組成一個理想的整體，但拆卸模具時將造成很大困難。因此，尺寸h的加工偏差應小于0.1mm。
1．2模子分模面的確定
鋁型材模分瓣形式和塊數根據鋁型材形狀來確定。分模面的位置應當是便于拆卸和安裝，既保證制品的尺寸，又不損傷鋁型材表面。鋁型材模一般可分成三瓣(對于“⊥”、“П”字鋁型材)或四瓣(對于“工”字鋁型材)。對于“工”字鋁型材來說，為了方便卸模，其上下平面之間應做成l°～2°的傾角，即拔模角，見圖4—3—50。
大頭(尾端)模的模孔形狀應與鋁型材相似，分瓣的形式應便于裝卸，不損傷制品表面，一般來說，尾端模可分成左右對稱的兩瓣，見圖4—3—51。

圖4—3—50“工”字鋁型材的拔模角示意圖

1．3過渡區的設計
在鋁型材模上有一段長約25mm的聯接大頭和基本鋁型材斷面的過渡區，其入口尺寸小于尾端模孔尺寸(沿周邊縮小2mm)，而用均勻圓滑過渡的曲線與基本鋁型材模孔相聯，圖4—3—52為帶有過渡區的“П”字鋁型材的鋁型材模孔立體剖視圖，圖4—3—53為“工”字鋁型材模的過渡區，25mm為過渡區深度。如過渡區入口與鋁型材模孔之問的聯接圓弧的曲率半徑R較小時，將形成一段死區，如α-α剖面Ⅱ側所示，可能在鋁型材過渡區部位出現粗晶。為了減少這種粗晶的出現，可把過渡區聯接圓弧的曲率半徑R增大，使之近似等于金屬的自然流動角，如。一口剖面所示。

圖4—3—51分模面示意圖
(a)——鋁型材模；(b)——尾端模

圖4—3—52階段變斷面鋁型材模立體剖視圖
1——過渡區；2——模孔

圖4—3—53階段變斷面鋁型材的過渡區示意圖
R較大，形成自然流動角；Rl較小，易形成死區

1．4模孔尺寸的確定
影響階段變斷面鋁型材模和尾端模的模孔尺寸與工作帶長短的因素及計算原則與普通鋁型材模基本相同，但是考慮到階段變斷面鋁型材模具的結構特點，其模孔尺寸均應比普通鋁型材模小0.1～0.2mm。為了保證大頭部分擠壓時的金屬流動均勻性，以減少其對鋁型材部分根部的影響，尾端模的工作帶長度可在很寬的范圍內變化(2～25mm)。
模孔尺寸的具體計算可參照以下公式進行，外形輪廓尺寸、高度和寬度B的計算方法同一般鋁型材模的計算方法。

Bl=B(1+μ)+K(4—3—18)
Hl=H(1+μ)+K(4—3—19)

　　式中Bl、Hl——分別為模孔尺寸；
B、H——分別為鋁型材公稱尺寸；
μ——綜合修正系數，考慮到熱收縮量，拉矯變形量，模子本身的彈塑性彎曲等因素的影響，對鋁合金來說，取0.7～1.0%。
K——尺寸正公差。

b1=b+k(4—3—20)

式中　b1——模孔尺寸；
b——鋁型材壁厚尺寸；
K——尺寸正公差。
擴口尺寸l

l1=l–1/2K(4—3—21)

式中　l1——擴口處模孔尺寸；
l——鋁型材擴口處尺寸；
K——擴口尺寸正公差。
1．5階段變斷面鋁型材模具設計舉例
圖形卡4—3—54～圖4—3—56分別為某飛機上用的7075-T6合金階段變斷面鋁型材的產品圖、鋁型材模具圖和尾端模具圖。

 

圖4—3-547075-T6合金變斷面鋁型材圖
(a)——大頭部分；(b)——鋁型材部分
①、②、③——分別為大頭、鋁型材和過渡區取樣處

圖4—3—55變斷面鋁型材模具圖

圖4—3—56變斷面鋁型材的尾端(大頭部分)模具圖

二、大型扁寬壁板鋁型材擠壓模具設計技術

2．1大型扁寬壁板鋁型材擠壓模具結構及其特點
1)模具結構
較為常用的有扁模結構系統、圓模結構系統、寬展模結構系統、分流組合模結構系統和帶筋管擠壓工具結構系統。
(1)扁模結構系統
扁模擠壓的主要優點是可節約大量貴重的高級合金模具鋼材，由于模子的體積減少，質量變輕，在加工制造時比較輕巧。但用這種模子擠壓時，壁板的腹板會明顯變薄，其中心部位尤為嚴重。這是由于作用于模子端面上的摩擦應力(等于塑性變形區的單位流動壓力)，使模子產生了彎曲變形。
由于單位流動壓力的方向與摩擦力的方向相反，模孔端面上受的力，在很大程度上可用模子端面上形成的傾斜度來平衡。模子端面的傾角通常不應大于7°～l0°。
因為在擠壓過程中引起模孔收縮的力是不均勻的，因而模孔變形可出現明顯的差異，這種差異沿壁板方向可達0.3mm以上。
(2)圓模結構系統
與扁模子系統相比，圓模子系統具有比扁擠壓筒長軸方向上大得多的抗彎矩能力。所以，在大多數情況下，用圓模結構系統來擠壓帶筋壁板。
圖4—3—57為用于50MN擠壓機上擠壓寬帶筋壁板的圓模結構系統及尺寸。

圖4—3—57用扁擠壓筒擠壓壁板的圓形模具結構組件圖
(a)——50MN擠壓機用；(b)——l25MN擠壓機用

圓形模子結構系統包括圓形模子、模墊、模環及與之相配的模支承。
在擠壓過程中，把安裝在圓形模支承中的圓模子靠近擠壓筒的端面。為了確保接觸緊密和防止金屬溢出，要盡量減少模子與擠壓筒的接觸面，增大接觸應力。
圓模子的變形比扁模子的變形小得多，盡管如此，圓模子仍然會發生相當大的彈性變形，在很多情況下，擠壓時還會發生塑性變形。
(3)寬展模結構系統

在沒有扁擠壓筒的擠壓機上，為了擠壓外接圓直徑大于圓筒直徑的扁寬鋁型材或壁板，可以在一般的成形模(平面模或者組合模)前邊，靠近擠壓筒的工作端，增設一個寬展模，寬展模的模腔具有啞鈴形斷面，呈喇叭形向前擴展。當圓形鑄錠鐓粗后通過寬展模時，產生第一次變形，其厚度變薄，寬度逐漸增大到大于圓擠壓筒直徑，然后通過成形模產生二次變形，這樣，寬展模起到了扁擠壓筒的作用。
(4)空心壁板擠壓模系統
隨著擠壓技術的發展和模具結構的改進，出現了用舌型模擠壓法，叉架模擠壓法和平面分流模擠壓法生產多孔空心壁板的方案。從擴大產品品種范圍，提高生產效率和成品率等方面來看，平面分流組合擠壓法是生產多孔空心壁板最有效的方法。用這種方法可以在普通型棒擠壓機上用實心鑄錠通過圓筒法、扁筒法和寬展法獲得不同材料，不同寬度，形狀復雜，內外表面光潔的多孔空心壁板。
(5)帶筋管擠壓工具結構系統
在圓擠壓筒上用擠壓圓帶筋管并隨后剖分、展開、精整的方法可以生產寬度2m以上的特大型整體帶筋壁板。因采用空心鑄錠和穿孔針，故提高了擠壓筒的比壓，但相應減少了鑄錠的體積，從而使壁板的長度受到了限制。
帶筋管擠壓一般在50MN以上的大型擠壓機上進行，為了提高產品品質，減少擠壓力，提高生產效率，帶筋管的反擠壓法獲得了廣泛的應用。
帶筋管擠壓工具結構與無縫管擠壓的工具結構基本相同，主要包括穿孔針系統和模子組件。如果生產內帶筋管，則在穿孔機針上應開出筋槽，針的加工和修理十分困難。如果生產外帶筋管，則筋槽開在模子上，這與普通鋁型材模生產相似，加工、裝配和修理都比較方便，因此，在生產中均采用后一種工具結構。
2．2模具設計及舉例
1)模具設計
用平板法擠壓壁板時的應力應變狀態十分復雜，金屬流動極不均勻，擠出產品的前端與尾端、中心與邊緣的尺寸往往相差很大(有時達0.8～1.0mm)；易產生波浪、扭擰、刀彎等廢品，模子易開裂變形。因此，除了合理設計鋁型材，嚴格控制工藝因素之外，對鋁型材在平面模子上的布置，模腔尺寸和工作帶(阻礙角或助推角)，模子外形等應作合理的考慮。
為了調整流速，合理分配金屬流量，改善流動特性，對稱型壁板應盡量使模孔截面中心與擠壓筒截面中心相吻合。不對稱型壁板應適當增加工藝余量，以減少其不對稱性。對于腹板厚度不同的壁板，應使較薄的部分靠近擠壓筒的中心。
在確定模孔尺寸時，主要考慮熱收縮、模孔的彈性與塑性變形，模子的整體彎曲和拉伸矯直時制品尺寸的變化等因素。在擠壓壁板時，由于各部分的尺寸變化規律有很大差異，所以在設計時，模孔尺寸應分成幾部分來進行計算。比如，帶“T”字形筋條的壁板，可以分為兩部分——底板部分和筋條部分來考慮。寬厚比大的底板尺寸(包括相關尺寸)，由于模子的彈性與塑性變形、模子整體彎曲的影響，擠壓時有嚴重的減薄現象，減薄的程度與合金成分、壁板的形狀、規格、寬厚比、工藝制度、模子強度(模子材料和外形尺寸)等有關，有時達3mm以上。所以在確定底板部分的模孔尺寸時，名義尺寸應加上技術條件所允許的最大正公差；為了補償彈性和塑性變形，根據壁板寬度及其與擠壓筒的相對位置，應把模孔尺寸增大0.8～1.3mm；為了補償模子的整體彈性彎曲，模孔尺寸應從兩邊向中部均勻地增加l～1.65mm。
生產實踐表明，模孔的整體彎曲主要取決于壁板底板模孔的寬度、厚度及相對于擠壓筒中心的位置。在設計模孔尺寸時，一般來說，中心部分應比壁板的名義尺寸大2.5mm左右，而兩側邊的尺寸應比名義尺寸大l.5mm左右。
除了底板以外的筋條部分，受彈性、塑性壓縮的以及整體彎曲的影響極小，可按普通鋁型材的變化規律來設計這些部分的模腔尺寸。為了調節金屬流速，改善變形條件，必須合理設計模子的工作帶長度，它主要與鋁型材設計的部位距擠壓筒中心的距離有關，一般取5～15mm。經驗證明，對寬厚比大的壁板阻礙角的意義并不大。
為了加速金屬向窄流動，彌補擠壓模孔的變形，有時在模子工作端面上作6°～8°的助推角，如圖4—3—58。
模子強度對壁板的成形和尺寸精度有很大影響，所以要選擇合理的模子外形、優質的模具材料和適當的熱處理硬度。對于大型擠壓機，一般采用如圖4—3—59所示的模子外形結構和尺寸，選用3Cr2W8V鋼或4Cr5MoSiVl鋼作為
模具材料，熱處理后硬度為46～50HRC。
2)典型大型壁板模具設計舉例
圖4—3—59到4—3—62分別為用扁擠壓筒法和圓筒帶筋管法擠壓壁板及空心壁板模具設計方案圖。

 

圖4—3—58壁板模子設計中的助推角示意圖
β推角，取6°～8°

圖4—3—59大型七孔空心壁板模具結構圖
125MN擠壓機φ650mm圓擠壓筒

圖4-3-60在200MN擠壓機上用1100mm×300mm扁擠壓筒擠壓壁板的模孔尺寸和工作帶圖示

圖4—3—61125MN擠壓機上φ800mm擠壓筒擠壓帶筋管模具圖(反向擠壓法)

三、航天航空、交通運輸用大型特種鋁型材擠壓模的設計技術

3．1航天航空用大型特種鋁型材模的設計

航空航天用大梁鋁型材是承受重載的關鍵結構部件，主要用2XXX系硬鋁合金和7XXX系超硬鋁合金制造，近年來，越來越廣泛地使用6061、6013等6XXX系合金和5056、5083等5XXX系合金。這些鋁合金的變形抗力較大，擠壓性較差，很難用焊接擠壓法生產空心制品。同時，這類鋁型材的斷面尺寸大，外形輪廓大而且形狀復雜，壁厚變化劇烈，對稱性很差。這些都給擠壓模具的設計帶來困難。
航空航天用大型鋁合金特種鋁型材種類很多，擠壓模具的設計方法也各異。圖4—3—63為典型的飛機機翼大梁鋁型材模具設計方案圖。圖4—3—64為典型飛機用整體帶筋壁板鋁型材擠壓模具設計圖。圖4—3-65和圖4—3—66為飛機用無縫異形空心鋁型材和導彈掛架空心鋁型材擠壓模具設計圖示。

 

圖4—3—62大型空心壁板模具圖
(200MN擠壓機，φ650mm圓擠壓筒，叉架式)

圖4—3—63飛機機翼實心大梁鋁型材擠壓模具設計圖示
(125MN，φ650mm擠壓筒，2024－T4，阻礙角l0°)

(c)

續(c)

圖4—3—64飛機用機翼帶筋壁板鋁型材擠壓模具圖示及尺寸設計表
(80/95MN，口670×270mm，扁擠壓筒7075-T6)
(a)——設計方案圖；(b)——尺寸設計圖示；(c)——模孔尺寸與制品尺寸對照表

圖4—3—65直升機無縫異形空心旋翼大梁鋁型材擠壓模具設計圖示
(80/95MN，φ500mm擠壓筒，6061-T6)
(a)——鋁型材圖；(b)——針尖設計圖；(c)——模具設計圖

圖4—3—66導彈掛架無縫空心異形鋁型材擠壓模具設計圖示

(35MN，φ320mm擠壓筒，7075－T6)
3．2交通運輸用大型特種鋁型材模的設計
交通運輸用大鋁型材主要用作車體和其他重要受力部件。一般用6005A、6061、6082和7005鋁合金制造。這些中等強度鋁合金，其擠壓性大大低于6063合金。同時，交通運輸大鋁型材品種多，大多為大型、薄壁、高精、復雜的空心和實心鋁合金鋁型材，斷面尺寸大，精度要求高，壁厚變化急劇，而且長度一般在12～30m，形位公差很嚴。這些都給模具設計與制造帶來了很大的困難，因此，軌道車輛大鋁型材都要求用專用模具來擠壓。不僅設計要采用特殊措施和進行精確核對，而且其制造加工也要求采用特種設備和專用工藝。材料一般用4Cr5MoSiVl或3Cr2W8V高強耐熱模具鋼，經特殊熱處理后，達45～50HRC。圖4—3—67～圖4—3—70為典型的交通運輸鋁合金鋁型材擠壓模設計方案圖。

四、其他幾種常見的擠壓模設計技術

4．1寬展模設計技術
寬展模的設計既要考慮金屬易流動，能充分填充，盡可能減少擠壓力，又要保證有足夠的強度，能作為圓擠壓筒的延伸部分，在惡劣的條件下進行工作。因此，在設計寬展模時主要應考慮：寬展量△B、寬展變形率δB％、寬展角β、寬展模的內腔尺寸、寬展模的外徑DB和厚度HB。計算示意圖見圖4—3—71。
1)寬展量△B、寬展變形率δB和寬展角β的確定
寬展量△B是鑄錠經寬展變形后的最大寬度與圓擠壓筒直徑之差，△B=B2－DH。
為了發揮寬展擠壓的作用，△B應越大越好，但△B的大小又受金屬流動、壓力的角度傳遞損失和模子強度等因素的影響，不宜過大。△B的值可根據擠壓筒尺寸和擠壓機噸位取20～180mm，10MN以下的擠壓機取下限，80MN以上的擠壓機取上限。
寬展變形率

 

圖4—3—67高速列車車箱用地板鋁合金鋁型材擠壓模具設計圖示
(80/95MN，670×270扁擠壓筒，6005A-T6)
(a)——鋁型材圖；(b)——模具設計方案圖

B1、B2分別為寬展模入口與出口處的寬度。根據擠壓筒的尺寸和比壓以及鋁型材寬度，δB可取l5%～35%。
寬展角β由寬展量和模子厚度來確定，tgβ=（B2-B1）/2HB為了便于金屬流動，減少擠壓力，一般應使β與金屬的自然流動角相吻合，在λ=10～30的情況下，β可取30°左右。
2)寬展模尺寸的確定
(1)人口寬度B1一般比擠壓筒直徑小l0mm左右，B1過大會影響產品品質，B1過小則發揮不了寬展擠壓的作用。
(2)出口寬度B2應根據擠壓鋁型材尺寸、寬展量、模子外徑和厚度等因素來選擇。
(3)寬展孔的高度hB應根據鋁型材高度、第一次變形量大小(μ)和模子強度等來確定。一般應保證μ1≤3～5。
(4)寬展模的厚度HB，主要決定于模子強度、寬展角以及擠壓力等因素。
3)強度校核與材料選擇
寬展模是圓擠壓筒的延伸部分，其受力狀態和工作條件基本上與圓擠壓筒相似，而且沒有擠壓筒的多層預緊力作用，所以應選擇優質高強耐熱合金鋼制造。一般采用3Cr2W8V或4Cr5MoSiVl鋼，保證在500℃的條件下[σb]≥1000MPa，HRC=44～52。為了保證寬展模的強度，必須校對寬展模危險斷面處的抗壓強度，滿足σ壓≤0．7[σb]。

圖4-3-68地鐵車箱轉角鋁合金鋁型材擠壓模具設計圖示
(80/95MN，φ580mm擠壓筒，6005A-T6)

圖4-3-69豪華大巴汽車鋁型材擠壓模具設計圖示
(25MN，φ260mm擠壓筒，6082－T6)

圖4—3—70集裝箱鋁合金鋁型材擠壓模具設計舉例
(36MN，φ320mm擠壓筒，6061－T6)
(a)——上模；(b)——下模

圖4—3—71寬展模設計計算示意圖
4)寬展模設計舉例
圖4—3—72為LX725鋁型材的寬展模與鋁型材模孔圖，表4—3—10為其模孔設計尺寸。

 

圖4—3—72LX725鋁型材寬展模設計圖
(a)——鋁型材圖；(b)——寬展模設計圖

表4-3—10LX725鋁型材模孔設計尺寸表(與圖4—3—72(a)對應)

 

尺寸	L	H	B	b	S	S1	L1	L2
鋁型材名義尺寸/mm 模孔設計尺寸/mm 擠壓鋁型材實際尺寸/mm	429+10 439+1 436	43±0.6 43.8 43.5	51±0.6 51.8 50.9	7±0.3 7.5 6.9	13±0.4 13.4 13.1	6.5±O.25 6.9 6.3	nok="f" gradientshapeok="t" o:connecttype="rect"> 60 59	116±1.2 118.5 118

 

4．2導流模的設計
導流模又稱前室模，其實質是在鋁型材模前面加放一個型腔，其形狀為與鋁型材外形相似的異形或與鋁型材最大外形尺寸相當的矩形(見圖4—3—73)。鑄錠鐓粗后，先通過導流模產生預變形，金屬進行第一次分配，形成與鋁型材相似的坯料，然后再進行第二次變形，擠壓出各種斷面的鋁型材。采用導流模不僅可增大坯料與鋁型材的幾何相似性，便于控制金屬流動特別是當擠壓截面差別很大的鋁型材時能起到調節金屬流速的作用，使壁薄、形狀復雜、難度大的鋁型材易成形，而且能擠壓外接圓尺寸較大的鋁型材(如寬展擠壓)，減少產品扭擰和彎曲變形，改善模具的受力條件，實現連續擠壓，大大提高成品率和模具壽命，特別是對于舌比大于3的散熱片鋁型材及其他形狀異常復雜的鋁型材來說，用普通平面模幾乎無法擠壓，而采用導流模可使模具壽命提高幾十倍。

圖4—3—73導流模結構圖
1——導流模；2——鋁型材模；3——模墊

這種模具的主要缺點是金屬需經二次變形，擠壓力高于一般平面模，因此，主要用于擠壓純鋁，或軟合金鋁型材。除了難于成形的散熱片鋁型材以外，6063民用建筑鋁型材也常用這種形式的模子擠壓。導流模與擠壓機后部的牽引機構配合，可最大限度的減少鋁型材的彎扭變形、簡化工藝流程節省工藝裝備，從而大大提高了鋁型材的生產效率和產品品質。
導流模的基本結構形式有兩種，一種是將導流模和鋁型材模分開制造，然后組裝成一個整體進行使用，另一種是直接將導流模和鋁型材模加工成一個整體。可以根據擠壓機的結構、產品特點以及模具裝配結構的不同，選擇不同的模具結構。
導流模的設計原則是有利于金屬預分配和金屬流速的調整，一般來說，導流模的輪廓尺寸應比鋁型材的外形輪廓尺寸大6～15mm。導流孔的深度可取15～25mm，導流孔的入口最好作成3°～l5°的導流角，導流模腔的各點應均勻圓滑過渡，表面應光潔，以減少摩擦阻力。
圖4—3—74為模孔通過平模圓心的薄板擠壓和配置三種不同型腔的導流模及擠出鋁合金鋁型材的前端形狀。

圖4—3—74擠壓薄板的平模和配置不同型腔的導流模后擠出板料的前端形狀

由圖4—3—74第二格可以看出，采用初始設計的導流模腔，擠出鋁型材的前端中心部位的外凸量由不加導流模的3.5mm減小到2.5mm。加大導流模兩側端部的圓角半徑后，擠出鋁型材的前端基本平齊。繼續加大兩端的圓角半徑，并加大中心到兩邊的開口寬度變化，則擠出板料前端的中心部位出現內凹。這說明板料兩側的流速已大于中心部位。
圖4—3—75為一種復雜鋁型材配置不同型腔導流模后的試驗結果。為克服鋁型材前端起皺和波浪等缺陷，導流模型腔不但要在端部加大尺寸，而且在支叉和折彎處也要適當加大，否則會產生局部滯后，有時還可配合在局部減少工作帶。試驗表明，如導流模型腔局部過大，也要影響其余部分，使出口流速分布不均勻。
以上試驗結果表明，平模上配置設計合理的導流模后，可有效地控制變形金屬的出口流速，得到合格的擠壓制品。

圖4—3-75鋁型材平模和配置不同孔型導流模擠壓件的前端示意圖

　　當導流模(槽)主要起焊合作用時，導流模(槽)的厚度按表4—3—11設計，以保證鋁型材銜接處焊縫具有一定的力學性能，使擠壓牽引鋁型材和隨后的拉伸矯直時不拉斷，而能安全的連續的作業。圖4—3—76為導流模設計的兩個實例。圖4—3—77和圖4—3—78為兩種典型導流槽設計方案。

表4—3—11導流模(槽)的厚(深)度H表

 

筒徑φ/ram	115	130	170	225	250	≥360
H/mm	10	15	20	25	30	40

 

圖4—3—76導流模設計兩個實例
(未注工作帶為0.4mm)

圖4—3—77雙孔等壁鋁型材導流槽的設計原則
H=0.7Tmax：Tmin=H

圖4—3—78對稱擠壓導流模(槽)的設計原則
H為導流模(槽)厚(深)度

導流孔的外形應光滑(圖4—3—79)，目前有兩種意見，一種是外形不允許保留尖角；另一種是內圓角處可以是尖角。一般來說，導流孔外形不光滑，金屬在模面上會發生紊流而產生表面應力，或不能同步導流模而出現流線，鋁型材經氧化后出現色差。而內圓角處做成尖角的理由是因為這種形式能更好地控制金屬流動，當出現表面品質問題時再修成圓角也很方便，所以很多工廠采用圖4—3—79所示(a)種形式。
導流腔壁一般是垂直模子平面的。切殘料時往往把導流腔內的金屬拉出，而使端面出現洞穴，再擠下一個錠時就把空氣封閉在洞穴里，而使鋁型材表面出現氣泡，影響表面品質。當出現這種情況時，可將導流孔做成如圖4—3—80所示的形式。導流孔壁與擠壓方向成3°～5°角。

圖4—3—79導流孔的模腔圖

圖4—3—80錐式入口導流模圖

4．3異形空心鋁型材穿孔擠壓用模具的設計

1)異形空心鋁型材的擠壓方法
目前生產鋁合金異形空心鋁型材的方法主要有兩種：一種是用空心圓錠，在擠壓力的作用下，迫使擠壓筒中的金屬從針尖與模孔的間隙中流出而形成無縫異形空心鋁型材。另一種是用實心圓錠，在擠壓力的作用下，迫使擠壓笥中的金屬通過平面分流模或橋式舌形模被劈成兩股或多股流人焊合室，然后在高溫、高壓、高真空的條件下重新焊合并流經舌頭與模孔間的間隙形成異形空心鋁型材。前者是目前生產單孔管材最常用的方法，但不宜生產異形空心鋁型材。因為用此法需要嚴格的工藝潤滑，產品內表面不光滑，易產生擦傷、劃傷、氣泡、起皮等缺陷，壁厚偏差也難于控制，因此，成品率較低，而后者雖內表面品質好，壁厚均勻，但存在焊縫、產品斷面組織性能不均勻，焊縫品質不穩定，所以成品率也很低。
為了克服上述方法的缺點，最近幾年來，開始時研究用穿孔擠壓法生產大型無縫異形空心鋁型材。用該法生產的產品，形狀復雜，無焊縫，組織性能均勻穩定，內表面光滑，成品率大為提高。例如直升飛機空心旋翼大梁，國內外的傳統方法是用舌形擠壓有縫空心鋁型材，不僅模具的設計、制造十分困難，殘料長且分離不便，成品率較低，而且，因有焊縫，組織性能不穩定。特別是整體疲勞陛能低，所以旋翼的飛行壽命短(僅400h左右)，而用穿孔法擠壓的無縫空心旋翼大梁，可使旋翼的飛行壽命延長到1600h左右。當然，用穿孔法生產異形空心鋁型材仍有不少問題，如偏心、斷針、“袋形管”的真空度等等。
2)工具裝配圖及模具設計特點
(1)穿孔擠壓的工具裝配簡圖
穿孔擠壓就是在帶獨立穿孔系統的擠壓機上，穿孔針在穿孔力的作用下強制穿透實心鑄錠，然后把針尖固定在模孔工作帶的適當位置，用擠壓軸將擠壓筒中的金屬擠出針尖與模孔間的間隙而形成空心制品的方法。在125MN擠壓機的+650mm擠壓筒上用穿孔法擠壓Z8X－3的工具裝配簡圖示于圖4—3—81中。

圖4—3—81穿孔擠壓工具裝配簡圖
1——模套；2——模墊；3——模子；4——針前端；5——針后端；6——銅套；7——導套；
8——針支承；9——壓桿背帽；10——背帽；11——空心擠壓軸；l2——筒內套；l3——筒外套；
14——擠壓墊片；15——鑄錠；l6——支承環；l7——八方套；l8——導路

　　(2)模具設計特點

　　穿孔擠壓法的工具裝配和模具結構與普通無縫管材擠壓法相似，但穿孔擠壓時的金屬流動特點和應力應變狀態以及變形過程中的擠壓力和穿孔力的變化有其獨特之處，故其大型工具和模具較之一般空心錠擠壓的工模具也有一些差別，以下以Z8X－3鋁型材為例來說明一下這些差別要點。
①Z8X－3是一種直升飛機用的異形空心旋翼大梁鋁型材，其斷面積較大(約140cm2)，定尺長(9.5—11m)，形狀復雜，尺寸多，公差要求來，(見圖4—3—65(a))加之采用無潤滑穿孔擠壓工藝，要求防止斷針和減少偏心，因此給工模具的設計帶來了很大困難。
②導向銅套與擠壓軸內孔間以及擠壓墊片與針后端間的間隙較小，以保證對正中心。
③應調整各螺紋連接部分的公差，確保在緊固狀態下工作，使穿孔系統能承受拉、壓應力。
④為減緩針后端向針尖的突變，防止針尖變形和斷裂，用特制木模在仿形銑床上進行特殊過渡。同時將針尖工作部分由200mm縮短到80mm左右。
⑤為減少穿孔力，減少偏心，改善內表面質量和便于清理殘料，對穿孔針，擠壓墊片和模子的結構，尺寸進行了適當的修改。
⑥為減少偏心，模具與壓型嘴間的間隙公差較一般擠壓要小l～2mm。
⑦針尖是控制內孔尺寸、形狀和表面質量的關鍵工具。根據鋁型材內腔尺寸及其公差，考慮到線膨脹系數和拉伸量等，Z8X－3鋁型材用針尖的形狀、結構與工作尺寸等示于圖4—3—65(b)中。
⑧模子用來控制鋁型材外形，模腔尺寸應根據鋁型材尺寸、公差、線膨脹系數和拉伸量來確定。
為防止扭曲、刀彎等對其工作帶進行了嚴格的計算，圖4—3—65(c)為Z8X－3鋁型材模子簡圖。
⑨大型工具用5CrNiMo合金鋼制造，淬火后硬度為42～46HRC，針尖和模子用4Cr5MoSiVl或3Cr2W8V鋼制造，淬火后硬度為44～48HRC。為提高針尖和模子的精度，制作了精度極高的樣板，為了提高其表面硬度和降低表面粗糙度，熱處理后進行了軟氮化處理，氮化層為0.1～0.2mm，表面硬度為900～1200HV。
⑩模具和工具的加熱與裝配。為降低穿孔力和擠壓力，防止斷針，防止表面粘金屬和提高內表面質量，針尖應加熱到350～400℃，其他工具加熱到300～350℃，擠壓筒溫度定溫為460～480℃。
工具、模具在熱狀態下裝配。穿孔系統的螺紋部分要擰緊，防止穿孔時松動或損壞螺扣。用轉針機構微調穿孔系統，使針尖與模孔工作帶嚴格對中，以保證鋁型材各部分尺寸協調。

4．4變寬度寬展導流模
該模的設計特點是在普通的平面模或平面分流組合模的前面加設一個變寬度的有寬展功能的導流模。主要用來擠壓薄壁的寬厚比很大的形狀復雜的純鋁或軟鋁合金實心鋁型材或多孔空心鋁型材。下面以圖4—3—82的寬厚比為103的扁寬薄壁鋁型材為例子，簡單介紹這類模子的設計方法。
(1)確定鋁型材在模子平面上的位置并簡化鋁型材(圖4—3—83)。
(2)將鋁型材模的型孔劃分為若干單元，并編出單元序號，然后計算出各單元模型孔的面積oi和各單元中心至擠壓筒壁的最短距離Si。
(3)選擇金屬最容易流動處中心部位為基礎，并取該基礎單元所對應的導流模寬為12mm，可算出該處的二次擠壓比λ=7.5。
(4)引入公式：

 

　　（4—3—22）

式中　λ——第i單元的二次擠壓比；
ti——第i單元模孔壁厚的等效寬度，此處，設ti=t0；

圖4—3—82寬厚比大的鋁型材截面圖

圖4—3—83簡化后型孔圖

Li——第i單元型孔的工作帶長度，此處設Li=L0；
αi——端部系數，端部單元αi=0.38，非端部單元αi=1

　（4—3—23）

　　由式(4-3-23)求出各單元的二次擠壓比λ。
設A1為對應于鋁型材模第i單元面積αi的導流模腔面積，則根據公式：
Ai=λiαi(4—3—24)
計算出導流模腔各單元的面積，然后根據各單元的面積和寬度計算出導流模腔各單元的高度。先假設導流模腔各對應單元的為矩形，連接各單元矩形寬度連長的中心點，根據經驗處理端部后，即可得到導流模腔的初步輪廓(圖4—3—83)。
(5)根據生產實際情況，考慮擠壓筒直徑、模子外徑、產品的表面品質、模具的強度以及導流模的寬展功能和便于銑床加工等因素，將導流模腔的形狀作適當簡化，并適當縮小端部面積，見圖4—3—84。
(6)根據公式計算導流模的厚度H。
H=0.7Tmax(4—3—25)
式中Tmax——導流模腔最大寬度。
根據計算結果，可選擇鄰近的標準模具厚度。然后按寬展模的要求計算出寬展角度、寬展量等參數，最后得出如圖4—3—84所示的變寬度的導流模。

(7)核算修正后的導流模腔各單元的二次擠壓比。綜合考慮原鋁型材圖中被簡化的部分，根據有關公式和生產經驗，設計出鋁型材模孔各部分的工作帶長度(圖4—3—85)。

圖4—3—84變寬度寬展導流模簡圖

圖4—3—85鋁鋁型材模孔工作帶長度示意圖

4．5半空心鋁型材模的設計
鋁型材所包圍的面積A與鋁型材開口寬度W2之比A/W2稱為舌比尺，當尺大于如表4—3—12所示數值的鋁型材稱為半空心鋁型材或大懸臂鋁鋁型材(圖4—3—86)在鋁擠壓時模子的舌頭懸臂面要承受很大的正向壓力。當產生塑性變形時會導致舌頭斷裂而失效。因此，這類鋁鋁型材的模具強度很難保證，而且也增大了制造的難度。為了減少作用在懸臂表面的正壓力，提高懸臂的承壓能力，擠壓出合格的產品又能提高模具壽命，各國擠壓工作者近年來開發研制了不少新型模具，現將常用的幾種結構介紹如下。

表4—3—12舌比R=A/W2的允許值

 

W	R=A/W2
1．O～1.5 1.6～3.1 3.2～6.3 6.4～l2.6 12.7以上	2 3 4 5 6

 

 

圖4—3—86大懸臂半空心鋁型材示意圖

(1)保護模或遮蔽式模(圖4—3—87)這種模子的設計是用分流模的中心部分遮蔽或保護下模模孔的懸臂部分，下模的懸臂部分向上突起，其突起的部分與懸臂內邊的空刀量為，懸臂突起部分的頂面與上模模面留有間隙b，用來消除因上模中心壓陷后對懸臂的壓力，從而穩定了懸臂支撐邊的對邊壁厚的偏差，較好地保證了鋁型材的質量。但由于懸臂突出部分相對增大了摩擦面積，懸臂承受的摩擦力增加，仍有一定的壓塌。
(2)鑲嵌式結構模(圖4—3—88)。這種模具結構是將上模舌頭的中間部分挖空，而下模懸臂相對的位置向上突起，鑲嵌在舌頭中空部分里，懸臂突起部分的頂面與上模舌頭中空腔部分的頂面有空隙a，其值與舌頭的表面和下模空腔表面的間隙值相等，這樣可消除因上模壓陷而造成對下模懸臂的壓迫。懸臂突起部分的垂直表面(相對于模面而言)與舌頭空腔的垂直表面有間隙c，兩表面處于動配合。舌頭底端與懸臂內邊的空刀量為b。這種結構的模具克服了上述遮蔽式分流模具的缺點，懸臂受力狀況得到進一步改善，只要合理選取空刀量b和a、c值，便能獲得合格的產品。

 

圖4—3—87遮蔽式模或保護模結構簡圖

圖4—3—88鑲嵌式結構模簡圖

　　(3)替代式結構模具(圖4—3—89)。這種結構完全將下模的懸臂取消，而以上模的舌頭取而代之，在原懸臂的根部處，采用舌頭與下模空腔表面互相搭接，完成懸臂的完整性，其形式與分流模完全相同。這種結構的模具加工簡便，使用壽命高，更適合那些“舌比”很大而用以上兩種模具難于擠壓的鋁型材。

圖4—3—89替代式結構模示意圖

4．5鋁合金散熱器鋁型材擠壓模具設計技術
1)鋁合金散熱器鋁型材的特點與分類
鋁合金的導熱性能本來就很好，如果增大鋁型材的表面積，那么散熱效果會更佳，因此，鋁合金散熱器鋁型材在空調、電子等需要控溫的工業中獲得了廣泛的應用。目前，鋁合金散熱器鋁型材主要分為集中空調和交通運輸業用的大型鋁合金散熱器鋁型材和電子及精密機械與儀表工業中使用的小型精密高倍齒散熱器鋁型材。前者的斷面尺寸大，舌比R一般不大于10，寬度為200～800mm，需要在大型擠壓機上生產；后者一般斷面尺寸較小，而精度更嚴，舌比R一般大于l0，有的甚至大于20，是一種難度很大的擠壓鋁型材。
鋁合金散熱器鋁型材多用純鋁或軟鋁合金生產，因此允許使用寬展導流模擠壓。
2)大型散熱器鋁型材模的設計結構特點與方法
大型散熱器上用鋁合金擠壓鋁型材多為實心，其特點是外接圓尺寸大，斷面形狀復雜，壁厚相差懸殊，散熱齒距小而懸臂大。當同一截面的斷面比值和舌比(懸臂長齒距=舌比)值及鋁型材外接圓直徑超過一定范圍時，用平面模擠壓很難使金屬流動均勻，且極易損壞模具。為了解決上述問題，開發研制了幾種典型結構的模具。
(1)寬展導流模
寬展導流模(圖4-3-90)是在25MN擠壓機上用φ260mm的擠壓筒擠壓的外接圓直徑為φ200～340mm的大型梳狀散熱器鋁型材，這些鋁型材的平面間隙要求極為嚴格，舌比較大，而且筋板與齒的壁厚相差懸殊。該種模具采用了寬展結構和導流結構，導流板中心部位比較靠近模孔，而邊部呈扇形擴大以調整金屬流速。

圖4—3—90兩種大型梳狀散熱鋁型材的寬展導流模結構方案
1——進料板；2——模子；3——模墊

　　(2)分流組合模結構
該種結構可擠壓如圖4—3—91和圖4—3—92所示的復雜斷面的散熱鋁型材。這類鋁型材的壁厚差過于懸殊，斷面比值超過100以上；放射型齒頂處于擠壓筒邊緣，中心與邊部流速差十分懸殊，難以控制；齒多且為波紋狀，增大了表面積，加劇了流速控制和成形難度；舌比大，懸臂長和支承剛度難以保證。按常規的方法設計與加工模具顯然難以獲得合格的產品。為此，在充分研究了金屬流動規律、模具各結構要素的作用及其對流動速度的影響與互相作用關系之后，人們研制出了如圖4—3—93和圖4—3—94所示的結構。圖4—3—93結構模具主要用于擠壓放射形散熱鋁型材，其特點是：①按斷面形狀進行一次金屬流量預分配。擴大靠近擠壓筒邊緣的分流面積，使之呈扇形按一定的范圍向中心縮小過渡，以適應中心部分金屬重新焊合速度的需要。分流孔邊部沿模子直徑方向呈一定角度擴展，以加快齒尖的流速，便于在分流空間上為二次填充擠壓創造條件。②由于鋁型材中心面積過大，為控制該部分的流速，在設計四個分流孔的基礎上，再在中心部位加一個φ40mm并帶有螺紋狀的分流孔，以適應金屬二次焊合的流量需要。

圖4—3-91放射狀散熱器鋁型材圖

圖4—3—92大型非對稱散熱器鋁型材圖

圖4—3—94所示結構模具的主要特點是綜合了寬展導流模和平面分流模的功能及優點，采用二次變形(即寬展變形、分流調整變形和擠出成形)的工藝原理設計而成，從而拓寬了擠壓工藝范圍，提高了模具使用壽命，保證了產品的品質。

圖4—3—93放射狀散熱器鋁型材模具結構圖
1——進料板；2——模子

圖4—3—94大型非對稱散熱器鋁型材模具結構圖
1——l號進料板；2——2號進料板；3——模子

3)電子用高倍齒散熱器鋁型材模的設計特點與方法

該類鋁型材屬高精度高難度鋁型材，必須采用特殊的工藝和設計制造特種模具才能擠壓成功。模具材料一定要優質的高強耐熱合金鋼，必須經過鍛造、預處理和探傷。模具硬度不宜過高，且不宜氮化處理。模具設計可根據其形狀和技術要求，采用特種導流模、寬展模及平面組合模等方式，對每個尺寸、每個部位的結構和尺寸進行精密計算和調配。如工作帶、出口帶以及寬展角、導流模尺寸等都要進行精密設計，以精密分配金屬流量和流速。此外，在制模時一定要按圖紙處處到位，并保證公差。在生產此類散熱器鋁型材時，修模和擠壓工藝的控制也十分重要。
4)鋁合金散熱器鋁型材模子設計舉側
圖4—3—95～圖4—3—98為各類鋁合金散熱器鋁型材擠壓模的設計方案。這些設計圖都是經生產實踐考驗過的，但在選用時應結合本企業的使用條件。

 

圖4—3-95大型鋁合金散熱器鋁型材擠壓模設計方案圖
(36MN，Φ320mm擠壓筒，l070－F或6063－T5)

圖4—3—96實心不對稱鋁合金散熱器鋁型材擠壓模設計方案圖
(18MN，φ180mm擠壓筒，6063-T5)

圖4—3—97高倍齒異形空心散熱器鋁型材擠壓模具設計方案

圖4—3—98散熱器9孔口琴扁管模子結構圖

4．6子母模的設計
子母模就是在一個大尺寸的母體模上，按鋁型材的形狀與規格將其劃分成若干區域，在每個區域上設計子模系統。母體模相對于子模除完成金屬流動功能外，實際起第二模支承作用。子母模主要用在大中型擠壓機上擠壓小截面鋁型材。圖4—3—99為小截面實心鋁型材用子母模結構圖，圖4—3—100、圖4—3—101和圖4—3—102分別為大懸臂半空心鋁型材和空心鋁型材用子母模結構圖。

圖4—3—99小截面實心鋁型材子母模結構圖
1——上壓墊；2——子模；3——模墊；4——母模；5——銷釘；6——母模墊

圖4—3—100大懸臂半空心鋁型材用子母模結構圖
l——上壓墊；2_子模的上模；3——子模下模；4——母模主體；5——母模模墊

圖4—3—101空心鋁鋁型材子母模組合示意圖

1——上壓墊；2——子模上模；3——子模下模；4——母模；
5——子模、母模、模墊圓柱銷；6——母模專用墊；7——母模圓柱銷

子母模的主要優點為：
①能實現高速擠壓和連續擠壓；
②子模是工作部分損壞時便于更換，子模體積小，可節省昂貴的合金鋼材，縮短制模時間，減少熱處理和表面處理費用，從而大大降低成本；
③小體積的子模可用硬質合金、陶瓷材料等新型模具材料制作，從而大大提高模具壽命；
④一個母模體可配備多種子模形式；
⑤對小批量產品，可實現幾種鋁型材同時組合擠壓，以縮短生產周期，提高生產效率和成品率。

圖4—3—102空心鋁型材用子模結構圖
1——上壓墊；2——子模上模；3——子模下模
4——母模體；5——銷釘；6——母模模墊
4．7改進分流模結構設計的幾種新思路
(1)等分流孔設計
為了簡化工藝，減少設計、加工與修模的難度，增大試模和修模的可操作性，對某些壁厚差小于3倍的中小空心鋁型材模，建議采用等分流孔設計方案，即對各種形狀的鋁型材，只考慮總的分流比，而不計算子分流比，并使每個分流孔到模子中心的距離基本相等，而且其截面積和形狀完全相同或基本相同，在保證模具強度條件下盡量加大分流比，以降低擠壓力，減小模具變形，而金屬流速主要依靠合理設計工作帶、型腔與分流孔的布置和焊合室及模芯形狀與尺寸等來調節。成功的實例如圖4—3—103所示。

 

圖4-3—103等分流孔設計空心鋁型材模具實例
(a)——異形空心鋁型材；(b)——l00mm×25mm方管

(2)不等分流孔設計
為了合理分配金屬量，調節金屬流速，根據鋁型材的形狀、壁厚和尺寸設計不同形狀、大小和離中心不等距的分流孔，在保證總分流比的情況下，還要計算子分流比，使之與鋁型材各部分的形狀與尺寸相匹配。這種設計方案把分流孔作為調節金屬流速的主要因素，因此在修模時主要靠修理分流孔的形狀和尺寸，而對工作帶的調整作用減小了。圖4—3—104所示的方管模是不等腰三角形分流孔設計的成功實例。
(3)預變形設計法
為了合理調節金屬流速，矯正鋁型材在擠壓
過程中發生的不良變形，把模孔形狀預先設計成與鋁型材擠壓時變形相反的方向從而得到符合圖紙要求的產品。如圖4—3—105所示，圖中各參數的關系如下：

圖4—3—104不等分流孔設計空心模實例
(o內尺寸為工作帶長度)

　　　(4—3—27)

R2=R1+l(4—3—28)

式中l、t——模孔尺寸，可按常規設計方法確定；
δ——設定的預變形量；
R1、R2——分別為下模模孔和上模芯頭的曲率半徑。

圖4—3—105矩形扁管模預變形結構方案圖
(a)——按常規設計方案；(b)——帶預變形上模芯和下模模孔設計方案

　　(4)整體式分流模
將分流模的上、下模聯成一個整體，由分流套、整體分流模及模座組成(見圖4—3—106)，可大大改善鋁型材懸臂處受力狀態，提高模具強度，但制模難度增大，故只限于懸臂較大的半空心鋁型材使用。

圖4—3—106整體分流模示意圖

(5)導流保護式分流模
它是分流模的一種特殊形式，由上、下模組成，也有焊合室。利用模橋保護鋁型材的懸臂，防止金屬流動過快，改變焊合室深淺，調整金屬流速。它適用于半空心鋁型材生產，尤其適用于外形尺寸大，斷面形狀復雜，壁厚相差懸殊，舌比大的半空心鋁型材的生產，如圖4—3—107至4—3—110所示。

圖4—3—107導流保護模(散熱鋁型材)示意圖

圖4—3—108保護式分流模(建筑鋁型材)示意圖
1——保護模；2——鋁型材模；3——模墊

(6)多模孔分流模的新結構
由于受擠壓機設備和擠壓筒規格的條件限制，當僅有一臺機器及僅有一種規格筒徑時，為適應各種薄壁小管及形狀復雜，尺寸精度要求嚴格的微型空心鋁型材生產，不得不采用多模孔工藝，但多模孔分流模生產中出現的最大難題是壁厚偏差的問題，許多設計者從模具結構、制造、裝配方面也想過各種辦法，力圖解決此難題。
近年來，通過借鑒國外的圖例，并進行了反復試驗，取得了一些進展，并成功地生產出了4型孔φ1l×l.0mm的小管，見圖4—3—110。

圖4—3—109保護模(工業鋁型材)示意圖

圖4—3—110四型孔小管平面分流模示意圖

兩型孔分流模常見的設計結構有兩種類型，圖4—3—111所示的是各自獨立分流孔和部分共用分流孔結構。這兩種結構都存在鋁型材偏心、成形不良以及擠壓阻力大等問題。為了改善成形，香港某公司在10MN擠壓機φ150mm擠壓筒上擠壓25mm×38mm方管時，將兩種形式的特點合并，設計出了如圖4—3—112所示的獨立分流孔結構的模子。受擠壓筒限制，各型孔靠邊部的焊合室向外擴展；給定預偏心量0.3mm；增大模橋厚度至60mm。生產證明，該種模具成形較好，但阻力大，常出現悶車，且仍存在偏心。為了解決以上問題，近年來開發研制了一種如圖4—3—113所示的所謂“模芯整體剛性結構”模。該結構的模子將兩模芯 以連接梁結合于一體，位于模子中心部位，并以其他四橋與模子邊緣相連。

圖4—3—111常見的兩型孔分流模結構圖
(a)——兩型孔獨立分流結構；(b)、(c)——各模芯和橋構成叉架結構；(d)——條狀分流孔結構

圖4—3—112香港某公司設計的雙型孔分流模結構圖

圖4-3—113雙型孔新型模芯整體剛性結構模具圖

這種新結構的模子將兩模芯設置得較緊密，盡量減短連接梁，以使中間部分獲得良好的剛性，使其相對于其他四橋成為一剛性整體。這樣，模子在受壓時，中間剛性部分只會因其他四橋構成的柔性支座的變形而整體下沉，而其本身不會產生撓曲。同時因分流橋處于模圓周相同位置，變形均勻，所以中間部分不會產生傾斜，即模具的彈性變形不影響鋁型材的壁厚精度，不會引起流速不均，從而保證了鋁型材的良好成形。由于兩模芯設置緊湊，以及采用部分共同的分流孔形式，所以分流孔可以開得較大，因而擠壓阻力較小。
(7)帶浮動芯頭套結構的分流組合模
浮動芯頭套是由芯頭連接桿、浮動套和連接螺母組成的。浮動芯頭套在擠壓過程中能調節壁厚偏心是借助于浮動套和芯頭連接桿之間的間隙而實現的，如圖4—3—114所示。當被加工金屬在分流組合模焊合室內通過環狀模孔流出時，只有在環狀模孔隙均勻一致的條件下，才能保證焊合室內浮動套四周的金屬流量一致，壓力均勻，否則，焊合室內環狀間隙較大的一邊金屬流出量較大，與之相對的另一邊流量較少，勢必造成焊合室內浮動套四周的金屬壓力不均衡。由于金屬承受的壓力不同，從而作用在浮動套表面的徑向壓力也不均衡。間隙小的一邊浮動表面承受的徑向壓力大，問隙大的一邊承受的徑向壓力小，如圖4—3—115所示。由于作用在浮動套表面的徑向壓力大小與環狀模孔間隙出現不均時，借助浮動套的“自動浮動”，必然向壓力小的一邊即環形模孔間隙大的一邊移動，直至環狀模孔間隙變得均勻即焊合室內金屬的壓力趨于均衡為止。

圖4—3—114帶有浮動芯頭套的　圖4—3—115當環形模孔間隙出現偏差時，
分流組合模結構示意圖浮動套表面所承受的徑向壓力示意圖
1——上模；2——上模芯頭連接桿；3——浮動套；l——芯頭連接桿截面；2——浮動截面；
4——下連接螺母；5——下模模套；6——下模模塊3——管材截面；4——徑向壓力分布

浮動芯頭套能實現模孔間隙偏差糾正的首要條件是浮動套與芯頭連接桿必須能夠實現“自由浮動”定位，因此，在浮動芯頭套的設計時，不僅要保證在擠壓過程中芯頭連接桿完全與浮動套脫離接觸，而且要保證足夠的間隙量(即浮動量)才能確保上模模芯與下模模孔產生中心軸線不重合時浮動套的擺動不會受阻(圖4—3—116)。
(8)半球形組合模
為了提高平面分流組合模的壽命，將平面分流橋改為半球形分流橋，經計算，模芯和分流橋交叉處的拉應力只有舌型模的1/4，從而有效控制了裂紋的產生和發展。半球形模的質量只有舌型模的10%，但分流孔面積增大，在擠壓速度相同時，擠壓力僅為舌型模的96%。圖4—3—ll7為35mm×35mm×3mm方管半球形模結構方案。
4．8Comform連續擠壓用工模具的設計特點
把坯料送人送料輥，坯料沿著模槽(模槽長度大約為送料輥周長的1/4)方向前進，然后進入模具，圖4—3—118為Conform擠壓法的工具裝配示意圖。圖4—3—119為扇形腔體形成的模槽。

圖4—3—116浮動芯頭套的組裝結構與浮動量示意圖
1——上模；2——上模芯頭連接桿；3——浮動套；
4——連接螺母；5——分流孔；6——焊合室

圖4—3—117方管用半球形模結構方案

圖4—3—118Conform擠壓法的工具裝配圖
(a)——擠壓包覆鋁型材裝置圖；(b)——擠壓管材裝置圖
1——送料輥；2——模具；3——擠壓軸或芯棒；4——擠壓制品；5——供坯限制器

當坯料通過送料輥與扇形體的模槽進行拔長時，坯料即產生壓縮應力和剪應力。在雙輥擠壓機中，送料輥分別按正、反時針方向相對旋轉，坯料從兩邊進入擠壓模(圖4—3—118)。Conform擠壓機可生產棒材、線材、空心鋁型材、管材以及兩種不同金屬包覆的鋁型材。
Conform擠壓機的模具和芯棒一般用硬質合金制造。
易于更換的扇形模具安裝在扇形體模槽內，只要更換扇形模具的種類，就可以擠壓出不同類型的制品，擠壓管材用的扇形模具的內部結構如圖4—3—119所示，沿轉盤的切線方向運行的坯料，進入模座的進料孔，變為徑向運行，而后在出口處被分隔成兩部分，在舌芯和模具環繞的空間內擠壓成管材。
在Conform連續擠壓機上擠壓管材所用的組合模一般為錐形叉架模，如圖4—3—120所示。
錐形橋是錐形叉架模中最容易損壞的部 件，一般做成“十”字形或“Y”字形如圖4—3—121所示；十字臂或Y字臂最小截面處受到最大的壓應力作用，而錐形橋與接觸處受到最大的壓應力作用，為了不使錐形橋與外模接觸處壓潰，錐形橋的下底面做成圖4—3—122所示的形式。

圖4—3—119扇形模具內部結構圖
1——冷卻水；2——旋轉輪體；3——模座；4——模具；5——坯料；6——舌芯；
7——舌芯夾緊裝置；8——干燥器；9——固定軌道；10——支架；11——制品

圖4—3—120錐形叉架模結構圖

圖4—3—121“十”字形錐形橋示意圖

在Conform連續擠壓機上生產實心鋁型材一般采用平模來擠壓。模具外形尺寸較小，單孔模的應用較多。在Conform連續擠壓機上擠壓空心鋁型材所用的組合模一般為錐形分流模，如圖4—3—123所示，單孔活葉空心鋁型材模的具體結構示于圖4—3—124中。

圖4—3—122錐形橋下底面示意圖

圖4-3—124單孔空心鋁型材模具結構圖
(a)——上模結構；(b)——下模結構

4．9水冷模和液氮冷卻模結構設計
水冷模是一種特殊結構的模具，水冷模擠壓對于提高硬鋁合金的擠壓速度進而提高擠壓生產效率是一種行之有效而且較為簡便的方法。其原理是在擠壓過程中通過水冷卻或液氮冷卻模具，降低變形區溫度，以減少硬鋁合金擠壓時易出現的表面裂紋，從而達到提高擠壓速度的目的。目前，在6063合金的高速擠壓時，采用液氮冷卻模具，可使擠壓速度達到l00～120m/min。
水冷模有不同的結構式，如圖4—3—125所示。圖4—3—125(a)為循環式水冷模，在模子工作帶周圍設計一個冷卻水道，通過循環水來冷卻模子，若環狀冷卻孔距模子端面過遠，則冷卻效果不好，過近時，則模子強度不夠，因而這種結構的水冷模未能獲得廣泛的應用。圖4—3—125(b)為不循環式水冷模，它是從模子出口方向噴水直接冷卻工作帶的出口區，以達到冷卻變形區的目的。但由于水流難以控制，在不需要通水時，雖然關閉水源，因水管內尚留存有一部分水，繼續有少量水流從模子噴水口流出，以至使模具因冷卻不均而產生裂紋，故這種結構也未獲得廣泛應用。

圖4—3—125水冷模結構形式圖
(a)——循環式的；(b)——不循環工的；(e)——水封式的

　　為了解決上述問題，利用水封擠壓的水封入口處有一負壓區的特點，設計了水封頭水冷模，見圖4—3—126。這種模子的結構特點是將水冷模設計成環狀噴水，逆擠壓方向噴到模子工作帶的出15處，形成一個冷卻區域，以達到降低變形區溫度的目的。

圖4—3—126水封式水冷模的工作原理圖

擠壓時隨著擠壓制品向前移動，噴出的冷卻水通過水導管進入水封頭的負壓區繼而被吸入水封槽溝。在擠壓完畢清除殘料等輔助工序過程中，水不會滴到模具表面，因而解決了模具因冷卻不均而產生裂紋的問題。
通入水冷模孔的冷卻水由電磁閥自動控制，其程序是：被擠壓的金屬開始流出模孔時，打開電磁閥供水，擠壓工序接近完畢時，停止供水。若發現模具溫度顯著降低，發生悶車等現象時，可以用手動閥門關閉水流，待擠壓恢復正常時，再開始供水，這種結構的模子，其水冷效果很好，如在16.3MN油壓機用φ170mm的擠壓筒擠壓2A12合金φ20mm棒材時，當鑄錠加熱溫度為400～450℃，冷卻水壓為0.3～0.4MPa時，棒材的擠壓速度可從一般擠壓的0.5～2m/min提高到3.9～4m/min，表面不會產生裂紋，從而使生產效率提高一倍以上。
圖4—3—127為水冷模的結構形式之一，為了冷卻擠壓模，用離心泵供給0.3～0.35MPa的冷卻水；為防止擠壓初期金屬冷卻，當擠出制品離開模孔0.5～1.2m時開始供水。
近年來，出現了液氮冷卻模具的新技術，其工作原理見圖4—3—128，圖4—3—128(a)為液氮冷卻模具裝置的管路輸送圖， 圖4—3—130(b)為13本設計制造的LGC(可搬動式超低溫容器)裝置圖。

圖4—3—127水冷模的裝配結構圖
1——支承墊；2——模套；3——冷卻水管；4——擠壓筒；
5——模子；6——模墊；7——活動頭

　　一般情況下，為簡化機加工，氮的進口通道在模墊上加工出來(圖4—3—129)，這一系統被證明是很有效的。當然，現在理想的工藝趨向于在模子本體上直接機加工氮的通道，但技術難度大。

圖4—3—129模具上的供氮通道位置示意圖
1——平模或中空鋁型材模；2——模墊；3——液氮或氣態氮的進口；
4——氣態氮的出口；5——氮的分配通道

在任何情況下，氮的通道布置應盡量保證模具表面上氮冷卻介質得到均勻分配，如果不如此，鋁型材會產生扭曲變形缺陷，甚至會損壞模具。
必須說明，平模比中空鋁型材模有更好的冷卻效果，實際上，后者的模芯(舌頭)沒有被冷卻。
一些先進的模具制造廠商，正在進行試驗以冷卻擠壓筒前端部分或中空鋁型材模的舌頭部分，但由于技術相當復雜，至今未見到工業應用上的良好效果。
可使用液氮也可用氣氮冷卻模具，圖4—3—130為擠壓車間氮冷卻模具布局。出于經濟上的考慮，需將液氮集中儲存在一個容器中。

圖4—3—130擠壓車間模具氮冷卻系統的布局示意圖
1——液氮容器；2——擠壓機；3——液氮管路；4——液氮管(不銹鋼)；5——不銹鋼套管；6——真空隔熱層；7——把氮送到模具內的銅管，用多孔橡膠隔熱；8——開關閥；9——熱交換器；10——氣氮傳送管(鐵)；11——把氣氮送到模具內的銅管