一、模具在擠壓生產(chǎn)中的重要地位
在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)中，模具和模具對實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠壓過程有著十分重要的意義。模具使用壽命是評價(jià)某一擠壓方法或擠壓工藝經(jīng)濟(jì)可行的決定因素，模具的設(shè)計(jì)與制造品質(zhì)是實(shí)現(xiàn)擠壓生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效、低成本的重要保證之一。具體表現(xiàn)在以下幾方面。
(1)合理的模具結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)任何一種擠壓工藝過程的基礎(chǔ)，在目前的條件下，還不能想象無擠壓筒、無模具的擠壓工藝。
(2)模具是保證產(chǎn)品成形，具有正確形狀、尺寸和精度的基本模具。
(3)模具是保證產(chǎn)品內(nèi)外表面質(zhì)量最重要的因素之一。
(4)合理的模具結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產(chǎn)品的內(nèi)部組織和力學(xué)性能，特別是在控制空心制品的焊縫組織和力學(xué)性能方面，分流孔的大小和形狀以及其分布位置，焊合腔的形狀和尺寸，模芯的結(jié)構(gòu)等起著決定性的作用。擠壓墊片、擠壓筒和模子的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸，對控制產(chǎn)品的粗晶環(huán)和縮尾、成層等缺陷也有一定的作用。
(5)模具的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸對擠壓時(shí)金屬的流變、擠壓溫度一速度場、應(yīng)力一應(yīng)變場等有很大影響，從而對提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)和減少能耗有重大作用。
(6)合理的模具設(shè)計(jì)對提高其裝卸與更換速度，減少輔助時(shí)間，改善勞動(dòng)條件和保證生產(chǎn)安全等方面意義重大。
(7)新型的模具結(jié)構(gòu)，對于開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝，研制新材料和新設(shè)備，不斷提高擠壓技術(shù)水平起著很大作用。如扁擠壓筒、舌型模、組合模、多層預(yù)緊應(yīng)力模、變斷面模等。
(8)高比壓優(yōu)質(zhì)圓擠壓筒和扁擠壓筒及特種型材模和異形管材模的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是鋁合金擠壓生產(chǎn)的核心和關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)含量占整個(gè)擠壓技術(shù)的比例很高。
(9)對于中等批量的擠壓產(chǎn)品，模具的成本往往占擠壓總成本的30％以上。如將其使用壽命提高5～10倍，則產(chǎn)品的成本可大幅度下降。
二、鋁型材擠壓模具技術(shù)的發(fā)展水平與趨勢
1．鋁型材擠壓模具技術(shù)發(fā)展概況
隨著鋁合金擠壓材向大型化、復(fù)雜化、精密化、多品種、多規(guī)格、多用途方向發(fā)展，對擠壓模具提出了越來越高的要求。不僅出現(xiàn)了像平面分流組合模、寬展模、保護(hù)模、變斷面模等多種新型結(jié)構(gòu)的模具，研制成功了多種抗拉強(qiáng)度(σb)達(dá)1500 MPa以上的高級耐熱高強(qiáng)度模具材料，而且發(fā)展了多種大型的基本擠壓模具，這些模具便于裝卸，先進(jìn)可靠，但結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，尺寸規(guī)格大，難于設(shè)計(jì)和制造。如200 MN臥式擠壓機(jī)上配備的口300 mm×1600 mm×2500 mm扁擠壓筒，由三層襯套紅裝而成，外徑為Φ3000 mm，凈重達(dá)l40 t，需要250余噸高級合金鋼坯，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，使用大型的專用設(shè)備和最先進(jìn)的加工方法才能制造出來，而且設(shè)計(jì)加工周期往往長達(dá)一年，耗資l000萬元以上。與口300 mm×l600 mm扁擠壓筒配套的扁擠壓軸、扁擠壓墊片、扁壓套、扁壓型嘴等大型扁擠壓模具，也要求結(jié)構(gòu)新穎、裝卸方便才能滿足生產(chǎn)形狀復(fù)雜的大型整體寬薄壁板型材的要求。
為了提高模具壽命，發(fā)展擠壓技術(shù)，各個(gè)國家對模具的設(shè)計(jì)、制造、使用和維修等方面都開展了廣泛的研究，并取得了可喜的進(jìn)展。CAD/CAM技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。
隨著科技的進(jìn)步、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和擠壓理論與技術(shù)的提高，鋁合金擠壓模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)提高到了一個(gè)相當(dāng)高的水平。表4—1—1列出了國內(nèi)外擠壓模具技術(shù)的發(fā)展水平和主要差距。
表4—1—1 國內(nèi)外擠壓模具技術(shù)的發(fā)展水平和主要差距表
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水平 指標(biāo) |
國際先進(jìn)水平 |
國內(nèi)目前水平 |
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設(shè)計(jì)理論和 方法 |
普遍采用動(dòng)態(tài)熱分析，有限元和電子計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，研發(fā)出了多種新結(jié)構(gòu)模具 |
基本采用傳統(tǒng)方法，開始研究和開發(fā)新理論、新方法，開始重視新結(jié)構(gòu)模具研發(fā) |
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CAD/CAM 技術(shù) |
普遍推廣應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，并以二維向三維發(fā)展，開發(fā)了大量的平面模和組合模及其他結(jié)構(gòu)模具的應(yīng)用軟件且商品化 |
已開發(fā)出簡單形狀的平面模和平面分流組合模的二維實(shí)用軟件及導(dǎo)流模的應(yīng)用軟件，正向三維推進(jìn) |
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新結(jié)構(gòu)大型 模具 |
廣泛采用高壓優(yōu)質(zhì)圓、扁擠壓筒，固定擠壓墊、快速換模裝置及高效反擠壓模具 |
開始研發(fā)扁擠壓模具和固定擠壓墊及快速更換裝置 |
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模具材料 |
以Hl3及改進(jìn)型鋼為主，采用電渣重熔、爐外在線精煉，冶金品質(zhì)穩(wěn)定可靠，并開始研制陶瓷、高溫和粉末合金等新型模具材料 |
以4Cr5MoSiVl替代3Cr2W8V鋼，冶金品質(zhì)正在逐步提高，同時(shí)開始開發(fā)新型模具材料和陶瓷材料 |
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模具加工技術(shù) |
機(jī)加工、電加工和熱加工水平很高，機(jī)床的NC/CNC程度達(dá)95%以上，實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化生產(chǎn) |
推行機(jī)一電一熱綜合加工方法，傳統(tǒng)的手工加工法仍占有一定比重，機(jī)床的NC/CNC程度為50％左右 |
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熱處理技術(shù) |
普遍推廣預(yù)處理、真空和保持氣氛熱處理。開發(fā)出了等溫淬火、多次回火等新工藝 |
傳統(tǒng)熱處理方法占60%以上，開始采用真空、保持氣氛熱處理工藝，并開始研發(fā)新熱 處理工藝 |
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表面處理技術(shù) |
普遍采用各種表面處理技術(shù)，可處理窄縫(0.6 mm)模孔，表面硬度可達(dá)2500～4000HV |
開發(fā)并正在推廣幾種有效的表面處理技術(shù)，可處理0.76 mm以上的窄縫?？?，表面硬度可達(dá)2000～2500HV |
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生產(chǎn)方式及專 業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化程度 |
高度專業(yè)化集約化生產(chǎn)，專業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化程度達(dá)85%～95% |
多采用大而全、小而全生產(chǎn)方式，專業(yè)化、 標(biāo)準(zhǔn)化程度僅40%～50% |
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模具平均使用 壽命 |
平面模：30～50噸/每模以上 組合模：20～25噸/每模以上 |
平面模：l0～20噸/每模 組合模：5～15噸/每模 |
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擠壓材成品率 |
85%～90% |
75%～82% |
2．鋁型材擠壓模具技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來，模具技術(shù)作為鋁合金擠壓技術(shù)的一個(gè)重要方面得到了全世界的普遍重視，不少科學(xué)家、專家和工程技術(shù)人員對模具技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了全面的系統(tǒng)的深入的分析研究，并獲得了重大的進(jìn)展。歸納起來，鋁合金模具技術(shù)正向以下幾個(gè)方面發(fā)展。
1)開始創(chuàng)立一門獨(dú)立的模具學(xué)科，形成了一套完整的模具技術(shù)體系。
2)研制新的模具材料與改善熔煉、鑄造、鍛造、加工和熱處理工藝結(jié)合起來，仍然是改進(jìn)模具材料發(fā)展的方向。如離子氮化處理和表面硬化處理等技術(shù)的出現(xiàn)，使一些普通的模具材料獲得了新的發(fā)展。
3)新結(jié)構(gòu)模具的設(shè)計(jì)與研制是發(fā)展擠壓模具技術(shù)中的最有生命力的因素，因此，也是世界各國研究最活躍的課題，如減少應(yīng)力集中的分瓣扁擠壓筒的研制，大型擠壓軸的鑲拼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)，自動(dòng)裝卸和自動(dòng)調(diào)心的穿孔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，TAC反擠壓模具的設(shè)計(jì)，各種平面分流組合模新型結(jié)構(gòu)的研究等，都被列為許多國家的重要研究課題。
4)隨著擠壓機(jī)的大型化，各國對模具的大型化也正在開展廣泛的研究。
5)簡化模具的裝配結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化更換與裝卸，縮短輔助時(shí)間是實(shí)現(xiàn)全機(jī)自動(dòng)化和生產(chǎn)線自動(dòng)化連續(xù)化的重要方面，正越來越得到擠壓工作者的重視。
6)改善模具的使用條件、加強(qiáng)模具的維護(hù)和提高模具的修理技術(shù)也是目前提高模具技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。如尋求良好的潤滑劑和工藝潤滑條件，用水和液態(tài)氮等降低模溫、補(bǔ)焊和機(jī)械拋光等技術(shù)在各國獲得了發(fā)展。
7)應(yīng)用模擬試驗(yàn)方法和最新的理論方法來分析擠壓加工中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和溫度分布規(guī)律，尋求新的模具結(jié)構(gòu)和校核模具強(qiáng)度也是模具技術(shù)上的重要發(fā)展方向之一。
8)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)普遍用于擠壓模具技術(shù)是最重要最有前途的發(fā)展趨向之一。擠壓模具的電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，是使模具設(shè)計(jì)工作由單個(gè)的手工的作業(yè)變成連續(xù)的自動(dòng)化作業(yè)的唯一可靠的途徑，而且能保證設(shè)計(jì)的模具合理而經(jīng)濟(jì)。擠壓模具的電子計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)是將數(shù)控機(jī)床的機(jī)加工、數(shù)控電火花一線切割加工、離子氮化處理等工序連續(xù)地自動(dòng)地進(jìn)行作業(yè)，是目前最先進(jìn)最有發(fā)展前途的制模技術(shù)，可以預(yù)料，在不久的將來，擠壓模具的電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)將在鋁合金擠壓技術(shù)中獲得最廣泛的應(yīng)用。
鋁材擠壓模具的設(shè)計(jì)制造是一個(gè)由產(chǎn)品模型到生產(chǎn)工藝裝備的逆向過程，一副模具制造完畢后往往還需要經(jīng)過多次的試模過程，才能符合成形工藝的需要，達(dá)到產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量要求。試模、修模的次數(shù)直接影響模具的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，如何及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的不合理處，減少試模的次數(shù)，以滿足市場對模具質(zhì)量和交貨期日益苛刻的要求，成為了一個(gè)非常突出的問題。 數(shù)字模擬CAE技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了有力的技術(shù)支持。通過減少實(shí)際的試模次數(shù)，將會(huì)大大縮短模具的交貨期。在模具設(shè)計(jì)過程中加強(qiáng)前期的分析仿真，將會(huì)提高成形工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，減少試模的工作量，降低模具制造成本，縮短模具新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造周期。 我國模具行業(yè)現(xiàn)己廣泛地采用了CAD／CAM技術(shù)，在應(yīng)用中取得了顯著效益。目前，較有規(guī)模的模具企業(yè)都已采用了CAD／CAM技術(shù)，在模具設(shè)計(jì)中甩掉了圖板，采用CAM技術(shù)加工復(fù)雜模具型面。經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的模具企業(yè)已開始應(yīng)用高速加工機(jī)床加工模具。
