借助Pro_e的铝型材模具设计

第 61卷 � 第 3期 2 0 0 9 年 8 月 � � � � � � � � � � � � � � � � � 有 � 色 � 金 � 属 Non ferrousM etals � � � � � � � � � � � � � � � � Vol�61, N o�3� A ug. 2 0 0 9 借助 Pro /e的铝型材模具设计 杨 � 辉 1, 2,陈锡渠1 ( 1�河南科技学院 机电学院,河南新乡 453003; � 2�河南理工大学,河南焦作 454000) � � 摘 � 要: 通过对一款典型铝材模具的设计,介绍 pro /e在复杂分流组合模具设计中的应用。实践表明, P ro/e在实际应用中 更加方便了,更加促进了模具的改进。设计完成之后,在河南辉龙铝厂试挤,其挤压出的圆角型材的尺寸和形状完全符合图纸要 求,且表面光洁度高。现在在挤压过程中仍表现良好,无出现模具裂纹、部分结构磨损现象。因而所设计的模具合格,使用 Pro /e 设计铝材挤压模具是可行的。 关键词: 金属材料;铝合金;型材;分流孔;工作带 中图分类号: TG146�21; TG375�4� 文献标识码: A � 文章编号: 1001- 0211( 2009) 03- 0041- 04 收稿日期: 2007- 08- 09 基金项目: 新乡市科技攻关项目 ( 07G066) 作者简介: 杨 � 辉 ( 1978- ) , 男, 河南南阳市人, 助理实验师, , 硕 士,主要从事机电教学、科研等方面的工作。 � � 铝合金型材广泛用于日常生活、建筑、航空、汽 车街等领域。铝型材也越来越复杂, 种类也越来越 多,对模具的设计也提也了更高的要求,日益激烈的 市场竞争已使模具产品的设计与生产厂家越来越清 楚地意识到,能比别人更快地推出优秀的新产品,就 能占领更多的市场。 pro /e等设计工具在铝型材挤 压工艺生产中的应用越来越重要, 过去经常凭借经 验和反复试模来进行模具设计,这样就会造成人力 与物力的耗费问题。使用 pro /e就能很好的回避这 些问题。再者,铝型材挤压时, 由于挤压模具内部是 封闭的型腔,因此材料的流动、应力与应变场的分布 以及模具载荷情况都很难监测与掌握到。 现如今,在 pro /e等计算机设计辅助软件下,对 于角边的装饰不再用以前那种方角装饰, 改用圆角 装饰, 这样不仅美观, 而且密封性好。并且以前很难 绘制和限定的图形断面可以清晰迅速的生成。分流 组合模是挤压工艺中生产中空型材的重要模具,其 寿命的高低对产品的成本影响很大。在挤压中空铝 型材时由于产品形状的复杂性和承受过高的挤压 力,分流组合模极易损坏。为提高模具的使用寿命, 必须合理、科学地设计模具。圆角型材如图 1所示。 1� 挤压机、模具材料的选择 由于该图形的外接圆直径为 76mm, 所以选择 吨位为 580,t挤压筒直径为 90mm的挤压机。由于 图 1� 型材断面图 模具的工作于高温、高冲击、高摩擦高压的环境中, 所以选择模具材料为 3Cr2W8V。 2� 挤压比的计算 为使挤压型材具有一定的变形量, 同时又不致 于难挤压,选择合理的挤压比是很重要的,现所采用 的挤压机的挤压筒直径为 �90mm, 根据挤压比计算 公式 �= F挤 /F型 = ( �902 /4) /107�6824 = 59�05。 计算结果在允许范围之内, 所以满足要求。将挤压 比调整为 60。 3� 分流比的选择 分流比的大小直接影响到挤压阻力的大小、制 品的成形和焊合质量,其值愈小时则挤压时变形阻 力愈大,对模具的使用和挤压生产是不利的,在保证 模强度的前提下,选择大的分流比是有利的,一般情 况下,在生产空心型材时, 取分流比 K 为 10 ~ 30。 再加上,分流比越大, 越有利于金属流动与焊合, 减 少挤压力,所以在设计该模具时选 K = 20。 4� 分流孔的形状、断面尺寸、数目及分布 � � 在采用 pro /e设计时, 分流孔的数目根据空心 型材的断面形状、复杂程度和模孔排列位置具体确 定,对于外形尺寸小、断面形状较对称的型材, 可采 用两孔或三孔。对外型较大、断面复杂的型材,取四 孔或多孔。一般情况下,分流孔数目应尽量少,以减 少模桥造成的焊缝。少取分流孔可增大分流孔的面 积,从而降低了挤压力为了保证金属的合理流动及 模具寿命,分流也不宜过于靠近模子中心。由于挤 压筒的直径为 90mm,所以选择分流孔数为 3个,分 布于 R40mm 的圆上。 pro /e设计的分流孔布局图 如图 2和图 3所示。 图 2� 结构尺寸 F ig� 2� Scantling of struc ture 图 3� pro /e设计的分流孔布局模型 F ig� 3� P ro / e design o f shunt ho le layoutm ode l 5� 分流桥的设计 pro / e设计的分流桥结构直接影响挤压力大小、 金属流动快慢、焊合质量和模具强度。从加大分流 比,降低挤压力来考虑, 分流桥宽度 B可选择小些, 但从改善金属流动均匀性和模具强度来考虑, 模孔 最好受到分流桥的遮敝,因而 B选择得大一点较合 适。分流桥的高度 H 直接影响挤压力的大小和模 具强度。一般在保证模具强度的前提下, 桥越矮越 好,这样可以降低挤压力。 为了改善金属的流动与焊合, 而且便于模具加 工,选择水滴形分流桥。桥底圆角选用 R = 5mm,分 流桥的高度选为 50mm。如图 4所示为 pro /e设计 的分流桥模型。 图 4� pro/ e分流桥模型 F ig� 4� P ro / e diversion br idgem ode l 6� 模芯 (或舌头 )的设计 在 pro /e中模芯宽度 b < 10mm 时, 多采用锥 式。这种结构形式的模芯强度和刚度都较高, 但不 易加工。模芯宽度在 10mm < b< 20mm时, 多采用 锥台式。这种结构的强度和刚度较锥式的稍低, 但 加工容易些。当模芯 b > 20mm时, 多采用凸台式, 虽然这种结构的模芯强度和刚度不及前两种, 但加 工容易,同时也便于修模。 pro /e为了增加模芯刚度,在保证有充足金属流 入模孔的前提下, 模芯应尽量做得短一点, 这样, 在 挤压时模芯很少失去稳定性而发生偏壁。然而, 模 芯又不能做得太短,因为太短会影响焊合质量,而且 容易产生流速不均,使正对分流孔的部分流速加快。 一般模芯要伸出下模工作带 3~ 5mm。 由于该模芯宽度为 25mm, 所以采用凸台式模 芯, 且伸出工作带 3mm。 7� 焊合室设计 当分流孔形状、数目、大小及分布状态确定之 后, 焊合室断面形状和大小也基本上在 pro /e设计 中确定了。 在分流模的设计时,主要考虑三个参数,模子的 入口角、槽底圆角和焊合室的高度。模子的入口角 是模子工作端面与定径带形成的端面角。它可防止 低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减少金属在流 入定径带时的非接触变形, 同时也减少在高温下挤 压时模子棱角的压塌变形。但是, 圆角增大了接触 摩擦面积,可能引起挤压力增高。一般取 15�左右。 槽底圆角值的选取主要考虑能否在焊合室边缘 与模孔平面之间的接合处产生死区。挤压铝及其合 金时, 在平面分流组合模的入口处做成 r= 0�5 ~ 5mm的圆角。 焊合室高度 h太高会影响模芯的稳定性, 易出 42 有 � 色 � 金 � 属 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 第 61卷 现型材壁厚不均,而且挤压力也大。高度太矮时,由 于压力不足,会使焊合质量不佳。焊合室高度在很 大程度上取决于挤压筒的直径。 该模具的焊合室位于下模上, 为了提高焊缝质 量, 焊合室的深度选为 15mm。为了避免出现死区 现现象,采用蝶形焊合室,并在焊合室的入口处做成 15�的圆角,槽底圆角选用 R5,如图 5所示。 图 5� pro /e设计焊合室结构模型 F ig� 5� P ro / e des ign room bond ing structure m ode l 8� 模孔尺寸的设计 pro /e设计模孔的基本原则是在保证挤压制品 在冷却状态下不超出图纸规定的制品公差的条件 下,尽量延长模具的使用寿命。影响制品尺寸的因 素很多,如温度、模具材料、被挤压金属材料、制品形 状和尺寸、拉伸矫直量以及模具变形情况等,在确定 模模孔尺寸时,一般应根据具体情况着重考虑其中 的一个或几个影响因素。在模孔设计时, 主要考虑 制品冷却后的收缩量和拉矫后的缩减量。制品外形 的模孔尺寸 A可由式 A = A 0 + KA �0 = ( 1+ K )A 0确 定,制品壁厚尺寸可由式 B = B0 + �确定,即为 1+ 0�1= 1�1mm,如图 6所示。 图 6� 模孔尺寸图 F ig�6� M ode po re size chart 9� 模孔工作带长度的确定 定径带长度 h过短, 制品尺寸难于稳定, 易产生 波纹、椭圆、压痕、压伤等现象, 同时模子易磨损,会 大大降低模具的使用寿命。h定过长, 会增大与金 属的摩擦,增加挤压力,易粘结金属, 使制品表面出 现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷。 对于空部位的工作带来说为制品壁厚的 2倍, 即为 2mm。为了确保型材的尺寸和形状, 将其调整 为 3mm,与空心部位相邻的实心部位为 ( 3~ 4) ,t选 为 3mm。 10� 模孔空刀结构设计 模子出口直径 d出 过小,则易划伤制品表面, 甚 至会引起堵模。d出 过大, 会大大削弱定径带的强 度, 引起定径带过早地变形、压蹋, 明显地降低模具 的使用寿命。因此,在一般情况下,出口带尺寸应比 定径带尺寸大 3~ 6mm。对于薄壁管或变外径管材 的模子,其值可适当增大。为了增大模子的强度和 延长模具的使用寿命, 出口带可做成喇叭锥。出口 喇叭锥角 (从挤压型材离开定径带开始 )可取 1�5~ 10�(此值受锥刀角度的限制 )。特别是对于壁厚小 于 2mm而外形十分复杂的型材模子, 为了保证模具 的强度,必须做成喇叭出口。有时为了便于加工,也 可设计成阶梯形的多级喇叭锥。 为了增大定径带的抗剪强度,定径带与出口带 之间可以 20~ 45�的斜面或以圆角半径为 1�5~ 3�0 mm的圆弧连接。由于图纸要求型材的厚度为 1mm,所以模孔空刀结构选择在 pro /e的结构中, 定 径带与出口处采用 R3的圆弧过渡,如图 7所示。 图 7� Pro /e模孔结构设计 F ig�7� P ro /e design of m old pore structure 43第 3期 � � � � � � � � � � � � � � � � 杨 � 辉等: 借助 P ro /e的铝型材模具设计 11� 强度校核 ( 1) 分流 桥弯曲 应力 校核。H m in = l � [p / ( 2�b ) ] 1 /2 = 23 � [ ( 580 � 0�907185 � 104 � 4) / (� � 902 � 2 � 1000) ] 1 /2 = 14�7982mm。所造 模具的厚度为 50mm, 所以满足要求。 ( l选为两分 流孔之间的最短距离 ) ( 2)分流孔道剪应力的校核。 �= ��p / ( n � f) = 0�3 � 580 � 0�907185 � 104 / ( 3 � 23 � 50 ) = 457�53MPa。�= 0�6�b = 0�6 � 1000= 600MPa。 校核结论满足要求, 经过上述设计模具合格。 可在 pro /e中直接获取界面断面数值, 因此将以前 主要靠经验来进行校核的分流孔进行了具体化。数 值更加可靠,解除了设计人员的后顾之忧。 12� 结语 实践表明, P ro /e在实际应用中更加方便了, 更 加促进了模具的改进。设计完成之后,在河南辉龙 铝厂试挤,其挤压出的圆角型材的尺寸和形状完全 符合图纸要求,且表面光洁度高。现在在挤压过程 中仍表现良好, 无出现模具裂纹、部分结构磨损现 象。因而所设计的模具合格, 使用 Pro /e设计铝材 挤压模具是可行的。 参考文献: [ 1] 刘静安 � 铝型材挤压模具设计、制造、使用及维修 [ M ]. 北京: 冶金工业出版社, 1999: 84- 138. 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Alum inum Extrusion D ie Design Based on Pro /E YANG H ui1, 2, CHEN X i-qu1 ( 1�H enan Institute of Science and Technology, X inx iang 453003, H enan, China; 2�H enan P olytechnic Univer sity, J iaozuo 454000, H enan, China ) Abstract The app lication of pro /e in complicated reposit ion of redundant personne l combine the molding too l design is descr ibed w ith an examp le o f a typica lmode l a lum inum m aterialmolding tool� It is shown by practice that pro /e in practical app licat ions is more convenien t and the improvement o f the mo ld is promoted by pro /e app lication�Wh ile design is completed, the test ex trusion is carried ou t in Long-hu i sm elter o fH enan, the fillet size and shape of the ex truded profiles are consonantw ith the requ irements of the draw ings, and h igh fineness o f the surface is ach ieved� Up to now, the extrusion process is w ell operated, and there is no cracks in mou ld, nor w ear and tear in the structure� Thus, qualifiedmo ld design, the use o f pro /e design in a lum inum extrusion die is feasib le� Keywords: m etalm ateria;l a lum inum a lloy; alum inum sect ion; shunt ho le; w orking tape 44 有 � 色 � 金 � 属 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 第 61卷