２００６，Ｖ０１．３４，№１２
轻合金加工技术
ＬＡ兀’２９
大型铝合金型材挤压模具的设计
张培良１，郑
黎２，王永祥１，王
伟１，李运田１，付小雷１
（１．山东丛林集团有限公司，山东龙口２５６７０５；２．沈阳工业大学材料学院，辽宁沈阳１１００２３）
摘要：地铁车辆用大型铝合金型材一般断面形状较复杂，壁厚相差悬殊，断面积及外接圆大，且宽厚比较大，是生产难度很大的一类型材。一方面型材挤压成形难度大，另一方面型材的尺寸公差和形位公差精度高，这些特点对挤压模具的设计加大了难度。介绍了大型铝合金型材挤压模具的设计过程，经生产实践证明模具的设计较为合理。关键词：大型铝合金型材；模具设计；分流比中图分类号：ＴＧ３７５．４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００７—７２３５（２００６）１２～００２９一０３
Ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄ
ａｌⅧ［Ｉｌｉｎ哪ｓｅｃｔｉｏｎａｌ珈吼ｔｅｄａｌ
ＺＨＡＮＧ
Ｐｅ“ａｎ９１，Ｚｍ￡ＮＧ“２，ＷＡＮＧ
ｓｅｃｔｉｏｌｌａｌ瑚ｔｅ打ａｌ
（１．ＳＩ删［１ｄｍ唱Ｃｏｎｇｌｉｌｌ
Ｇｍ叩Ｃ（衄ｐａｎｙ，Ｉ舢班帆２５６７惦，（瑚彻；２．蛐ａｌｌｇ
ｅｘ仰ｄｉｒ增ｐｒｏｃｅｓｓ，ｎｏｔ
Ｙ０ｎｇ—ｘｉａｎ９１，ＷＡＮＧＷｅｉｌ，ＵＹｕｎ—ｔｉａｎｌ，ＦＵＸｉａ０一ｌｅｉｌ
Ｉ璐６ｔｕｔｅ０ｆＴｅｄｌＩ“ｏ留，ｓＩｌ明ｙａＩｌｇ１ｌ∞２３，（１ｌｉｍ）
Ａｋ瞳ｒａｃｔ：Ｉａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄｌａ曙ｅｂａｓａｌａｒｅａ．ＩｎｔＩｌｅ
ｕｓｅｄｉｎｓｕｂ＿ｗａｙｃａＩＴｉａｇｅｈａｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆ
ｃｏＨｌｐｌｅｘ耐ｉｌｅ，ｂｉｇ
ｃｉｒｃｕｎｌｓｃｄｂｅｄｃｉｒｃｌｅａｎｄ
ａｃｃｕｒａｃｙ
ｏｍｙｔｈｅｇｏｏｄｐｍｐｅｒｔｉｅｓｉｓｎｅｅｄｅｄｂｕｔａｌｓ０ｔｌｌｅｈｉｇｈｄｅｇｒｅｅｏｆ
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ｄｅｓｉ驴ｊｓｐｒ００ｄ硎ｊｎｐＩ瑚ｕｃｉｎｇ．
ｄｅｓｉ印．Ｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄｄｉｅｄｅｓｉ印ｐｒｏｃｅｓｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｅｅｄ
ｒｅａｓｏｎ枷ｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａ增ｅ－ｓｉｚｅｄ
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ａｌｌｏｙｓｅｃｔｉｏｎａｌｍａｔｅｒｉａｌ；ｄｉｅｄｅｓｉｇｎ；臼ｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｒａｔｅ
铝合金大型材是高速列车、地铁等交通工具的关键材料，主要用作车辆的整体外形结构件和重要的受力部件。地铁、轻轨和高速列车车厢大部分使用大型复杂的薄壁空心型材，这种型材断面形状复杂，壁厚相差悬殊，外接圆较大，且断面积也较大，交货长度达２５
ｍ～２８
生产工艺等。其中合理的模具设计至关重要。
１
地铁车厢大型铝合金型材特点
下面以山东丛林集团为西门子公司生产的地铁
车厢用大型铝合金型材，其模具ｃＬ４３２３９１的设计过程为例，说明大型铝合金型材模具的设计思路。型材材料６００５Ａ合金，型材要求Ｔ６处理状态，其断面如图１所示。
ｍ。这些车厢型材在组装时都是
插接拼装后再用自动焊机进行焊接的，一方面要求型材成形好，另一方面要保证型材的尺寸公差和形位公差精度高，否则影响车厢的组装质量。具体来
该型材特点是断面形状不对称，壁厚相差大（５
Ｈ肼），
说，一般要求扭拧度不大于１删ｍ，全长扭拧度不大于６ｒ肿；上下弯曲度不大于１删ｍ，全长上下弯曲度不大于１０ｍｍ；侧向弯曲度不大于ｏ．５删ｍ，全
长侧弯度不大于４一。这些要求都大大高于有关
国际标准中的高精级型材的规定值…。因此，要求有较高的模具设计与制造技术水平，较先进的挤压
图１型材断面图
收稿日期：２００６一０９—０１
第一作者简介：张培良（１９６４一），山东龙口人，工程师。
３０
轻合金加工技术
２００６，Ｖ０１．３４，Ｎ０１２
最小壁厚为２．９ｎｌｌｎ，宽为５０５ＩＴＩＩＴＩ，宽厚比为１７４，属于很难挤压成形的型材，并且该型材空心部位靠近边缘。这些特点不仅给模具设计和加工带来了很大的困难，同时挤出的型材也极易产生波浪、扭拧和弯曲及焊合不良，甚至会出现供料不足而产生空洞等缺陷＿２Ｊ。因此优化模具设计显得十分重要。
直接影响到挤压制品的质量、挤压力和模具的使用寿命ｆ３Ｊ。对于每一种特定的产品必须设计特定的分流孔。如何根据型材各部分的断面积合理分配金属流量，是分流模设计中较难把握的，合理设计与制作分流孔与模桥结构对提高型材表面质量至关重要。分流孔的数量根据型材的断面形状及挤压机的性能来确定，一般来说，分流孔越多，金属流动越均匀。但如果分流比不变，则分流孔的面积就会缩小，使得摩擦应力锥的作用相对比重增大，造成挤压力增大，影响模具寿命。
设计特大型铝型材挤压模，关键是金属的流量分配，分流比的选择尤为重要。根据多年来的实践经验，壁厚相差大时（１倍以上），薄壁处对应的局部分流比要比厚壁处对应的局部分流比大３０％，１５０％，甚至更大。这是因为“强者恒强、弱者恒弱”
２模具设计
２．１挤压参数的选择
由于型材宽度较大，故可以选用８０ＭＮ挤压机和１００ＭＮ挤压机，表１是两种挤压机在挤压该产品时的工艺参数。
表１挤压工艺参数
在大型挤压模具上体现得更为明显。一般来说，局
部分流比依据壁厚相差值、分流孔与模孔的相对位
根据多年来的挤压生产实践经验，在挤压大型空心型材时，挤压筒内的比压应该大于４５０ＭＰａ，挤压比应在２０～４０之间为宜，因此选用８０ＭＮ的挤压机较为合适。挤压筒尺寸西４６０ｍｍ，铸锭尺寸西４５０
Ｉｎｍ×８６０×４２０
置及距挤压筒中心距离来取值。在设计ＣＬ４３２３９１分流模时，考虑到该型材断面壁厚相差较大（２倍以上），故在不同的断面位置选择不同的分流比。图２是ＣＬ４３２３９１分流模的上模，考虑到断面形状的不对称及宽度大的特点，从整体上将分流孔分成两大部分，右边部分由于型材断面有一规则空心，且空心部分断面壁厚相差大，所以增加分流孔，加大该部分的金属流量。图２中各部分的分流孔面积及其对应的分流ｌ：Ｌ女ｎ表２所示。
由表２可以看出，从总体而言，断面薄壁处对应的分流比相对于厚壁处的要大３５％左右。左边部分
ＩｎｌＴｌ。模具采用平面分流组合模（（／）９１０
ｍｌｎ
ｌ＇ｎｌ／１），由上、下模组成；同时还配有模垫、
模环‘３Ｉ。２．２模具设计
分流模的设计，最重要的是分流孔的位置、形状和分流比的确定。分流孔是平面分流模的基本结构
部分，其形状、断面尺寸、数目及不同的排列方式，都
５
２
４，７６０
图２上模
２００６，Ｖ０１．３４，№１２轻合金加工技术表２分流孔的面积对应的分流比
３１
由于形状较为规则，因此开３个分流孔，其中一孔对应的断面位置在薄厚壁交接处，以及断面的端点和薄壁处。将分流孑Ｌ与这些位置对应放置，～是由于这些地方成形时所需挤压力较大，故增大该处的金属流量，提高挤压力；二是因为这些地方在型材的成形过程中应力集中的地方，为了保证型材的强度，提高成品率，使金属尽量不在这些位置焊合形成焊合线。
２．３焊合室设计
设计组合模时，焊合室的高度和工作带的设计是关键之一。原则上，焊合室太低，焊缝质量差，型材可能在使用过程中开裂，即使不裂，型材氧化后也会出现焊合条纹。但是焊合室过高会引起挤压力的升高，原因是由于焊合室的增高，焊合室能容纳的金属体积增大，即同时需要焊合的金属体积增加，金属
再结晶时所需要的变形能也就愈大；另一方面焊合室的增高引起金属流程的增加，最终导致挤压力升高。设计焊合室的高度时还要考虑的一点就是型材的壁厚，型材的壁过薄挤压力必然升高，而挤压力达到一定值时，就可使金属焊合，在这种情况下，焊合室就不宜设计得过高。综合以上因素，结合笔者在挤压模具设计工作中总结的经验公式，２Ｂ／３＞Ｈ＞Ｂ／２（Ｈ一焊合室高度；Ｂ一分流孔之间桥的宽度）以及型材本身特点设计出焊合室形状。图３是ＣＬ４３２３９１模具的焊合室形状，在设计过程中考虑到１和２处由于型材断面壁厚相对较大且形状较为规则，挤压过程中金属在这些地方流动相对较快，故在这些地方加一小凸台以限制流速，保证型材尺寸精度。
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图３下模
２．４模具强度校核
ＣＬ４３２３９１模具是用在８０ＭＮ挤压机上生产型材的，模具的工作温度持续在４５０。Ｃ～４９０℃之间，在这样高温高压的工作条件下，应该充分考虑模具的强度以保证模具的正常使用寿命。根据以往经验，大型挤压模具的失效主要发生在芯头与分流桥的连接
处，在挤压过程中这里常常因应力过大模具强度不够而产生裂纹，最终导致模具失效。因此主要校核该处的强度，根据下面的强度校核公式‘４。：
日＝￡√隽ｒ＝参
（下转第５２页）
２００６，Ｖ０１．３４，№１２
轻合金加工技术
ＬＡ兀’２９
大型铝合金型材挤压模具的设计
张培良１，郑
黎２，王永祥１，王
伟１，李运田１，付小雷１
（１．山东丛林集团有限公司，山东龙口２５６７０５；２．沈阳工业大学材料学院，辽宁沈阳１１００２３）
摘要：地铁车辆用大型铝合金型材一般断面形状较复杂，壁厚相差悬殊，断面积及外接圆大，且宽厚比较大，是生产难度很大的一类型材。一方面型材挤压成形难度大，另一方面型材的尺寸公差和形位公差精度高，这些特点对挤压模具的设计加大了难度。介绍了大型铝合金型材挤压模具的设计过程，经生产实践证明模具的设计较为合理。关键词：大型铝合金型材；模具设计；分流比中图分类号：ＴＧ３７５．４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００７—７２３５（２００６）１２～００２９一０３
Ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄ
ａｌⅧ［Ｉｌｉｎ哪ｓｅｃｔｉｏｎａｌ珈吼ｔｅｄａｌ
ＺＨＡＮＧ
Ｐｅ“ａｎ９１，Ｚｍ￡ＮＧ“２，ＷＡＮＧ
ｓｅｃｔｉｏｌｌａｌ瑚ｔｅ打ａｌ
（１．ＳＩ删［１ｄｍ唱Ｃｏｎｇｌｉｌｌ
Ｇｍ叩Ｃ（衄ｐａｎｙ，Ｉ舢班帆２５６７惦，（瑚彻；２．蛐ａｌｌｇ
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Ｉ璐６ｔｕｔｅ０ｆＴｅｄｌＩ“ｏ留，ｓＩｌ明ｙａＩｌｇ１ｌ∞２３，（１ｌｉｍ）
Ａｋ瞳ｒａｃｔ：Ｉａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄｌａ曙ｅｂａｓａｌａｒｅａ．ＩｎｔＩｌｅ
ｕｓｅｄｉｎｓｕｂ＿ｗａｙｃａＩＴｉａｇｅｈａｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｏｆ
ｃｏＨｌｐｌｅｘ耐ｉｌｅ，ｂｉｇ
ｃｉｒｃｕｎｌｓｃｄｂｅｄｃｉｒｃｌｅａｎｄ
ａｃｃｕｒａｃｙ
ｏｍｙｔｈｅｇｏｏｄｐｍｐｅｒｔｉｅｓｉｓｎｅｅｄｅｄｂｕｔａｌｓ０ｔｌｌｅｈｉｇｈｄｅｇｒｅｅｏｆ
ｔ１１ｅｄｅｇｒｅｅｏｆｄｉｅ
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ａｎｄｔ１１ｅ
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ｄｅｓｉ驴ｊｓｐｒ００ｄ硎ｊｎｐＩ瑚ｕｃｉｎｇ．
ｄｅｓｉ印．Ｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄｄｉｅｄｅｓｉ印ｐｒｏｃｅｓｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｅｅｄ
ｒｅａｓｏｎ枷ｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａ增ｅ－ｓｉｚｅｄ
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ｒａｔｅ
铝合金大型材是高速列车、地铁等交通工具的关键材料，主要用作车辆的整体外形结构件和重要的受力部件。地铁、轻轨和高速列车车厢大部分使用大型复杂的薄壁空心型材，这种型材断面形状复杂，壁厚相差悬殊，外接圆较大，且断面积也较大，交货长度达２５
ｍ～２８
生产工艺等。其中合理的模具设计至关重要。
１
地铁车厢大型铝合金型材特点
下面以山东丛林集团为西门子公司生产的地铁
车厢用大型铝合金型材，其模具ｃＬ４３２３９１的设计过程为例，说明大型铝合金型材模具的设计思路。型材材料６００５Ａ合金，型材要求Ｔ６处理状态，其断面如图１所示。
ｍ。这些车厢型材在组装时都是
插接拼装后再用自动焊机进行焊接的，一方面要求型材成形好，另一方面要保证型材的尺寸公差和形位公差精度高，否则影响车厢的组装质量。具体来
该型材特点是断面形状不对称，壁厚相差大（５
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长侧弯度不大于４一。这些要求都大大高于有关
国际标准中的高精级型材的规定值…。因此，要求有较高的模具设计与制造技术水平，较先进的挤压
图１型材断面图
收稿日期：２００６一０９—０１
第一作者简介：张培良（１９６４一），山东龙口人，工程师。
３０
轻合金加工技术
２００６，Ｖ０１．３４，Ｎ０１２
最小壁厚为２．９ｎｌｌｎ，宽为５０５ＩＴＩＩＴＩ，宽厚比为１７４，属于很难挤压成形的型材，并且该型材空心部位靠近边缘。这些特点不仅给模具设计和加工带来了很大的困难，同时挤出的型材也极易产生波浪、扭拧和弯曲及焊合不良，甚至会出现供料不足而产生空洞等缺陷＿２Ｊ。因此优化模具设计显得十分重要。
直接影响到挤压制品的质量、挤压力和模具的使用寿命ｆ３Ｊ。对于每一种特定的产品必须设计特定的分流孔。如何根据型材各部分的断面积合理分配金属流量，是分流模设计中较难把握的，合理设计与制作分流孔与模桥结构对提高型材表面质量至关重要。分流孔的数量根据型材的断面形状及挤压机的性能来确定，一般来说，分流孔越多，金属流动越均匀。但如果分流比不变，则分流孔的面积就会缩小，使得摩擦应力锥的作用相对比重增大，造成挤压力增大，影响模具寿命。
设计特大型铝型材挤压模，关键是金属的流量分配，分流比的选择尤为重要。根据多年来的实践经验，壁厚相差大时（１倍以上），薄壁处对应的局部分流比要比厚壁处对应的局部分流比大３０％，１５０％，甚至更大。这是因为“强者恒强、弱者恒弱”
２模具设计
２．１挤压参数的选择
由于型材宽度较大，故可以选用８０ＭＮ挤压机和１００ＭＮ挤压机，表１是两种挤压机在挤压该产品时的工艺参数。
表１挤压工艺参数
在大型挤压模具上体现得更为明显。一般来说，局
部分流比依据壁厚相差值、分流孔与模孔的相对位
根据多年来的挤压生产实践经验，在挤压大型空心型材时，挤压筒内的比压应该大于４５０ＭＰａ，挤压比应在２０～４０之间为宜，因此选用８０ＭＮ的挤压机较为合适。挤压筒尺寸西４６０ｍｍ，铸锭尺寸西４５０
Ｉｎｍ×８６０×４２０
置及距挤压筒中心距离来取值。在设计ＣＬ４３２３９１分流模时，考虑到该型材断面壁厚相差较大（２倍以上），故在不同的断面位置选择不同的分流比。图２是ＣＬ４３２３９１分流模的上模，考虑到断面形状的不对称及宽度大的特点，从整体上将分流孔分成两大部分，右边部分由于型材断面有一规则空心，且空心部分断面壁厚相差大，所以增加分流孔，加大该部分的金属流量。图２中各部分的分流孔面积及其对应的分流ｌ：Ｌ女ｎ表２所示。
由表２可以看出，从总体而言，断面薄壁处对应的分流比相对于厚壁处的要大３５％左右。左边部分
ＩｎｌＴｌ。模具采用平面分流组合模（（／）９１０
ｍｌｎ
ｌ＇ｎｌ／１），由上、下模组成；同时还配有模垫、
模环‘３Ｉ。２．２模具设计
分流模的设计，最重要的是分流孔的位置、形状和分流比的确定。分流孔是平面分流模的基本结构
部分，其形状、断面尺寸、数目及不同的排列方式，都
５
２
４，７６０
图２上模
２００６，Ｖ０１．３４，№１２轻合金加工技术表２分流孔的面积对应的分流比
３１
由于形状较为规则，因此开３个分流孔，其中一孔对应的断面位置在薄厚壁交接处，以及断面的端点和薄壁处。将分流孑Ｌ与这些位置对应放置，～是由于这些地方成形时所需挤压力较大，故增大该处的金属流量，提高挤压力；二是因为这些地方在型材的成形过程中应力集中的地方，为了保证型材的强度，提高成品率，使金属尽量不在这些位置焊合形成焊合线。
２．３焊合室设计
设计组合模时，焊合室的高度和工作带的设计是关键之一。原则上，焊合室太低，焊缝质量差，型材可能在使用过程中开裂，即使不裂，型材氧化后也会出现焊合条纹。但是焊合室过高会引起挤压力的升高，原因是由于焊合室的增高，焊合室能容纳的金属体积增大，即同时需要焊合的金属体积增加，金属
再结晶时所需要的变形能也就愈大；另一方面焊合室的增高引起金属流程的增加，最终导致挤压力升高。设计焊合室的高度时还要考虑的一点就是型材的壁厚，型材的壁过薄挤压力必然升高，而挤压力达到一定值时，就可使金属焊合，在这种情况下，焊合室就不宜设计得过高。综合以上因素，结合笔者在挤压模具设计工作中总结的经验公式，２Ｂ／３＞Ｈ＞Ｂ／２（Ｈ一焊合室高度；Ｂ一分流孔之间桥的宽度）以及型材本身特点设计出焊合室形状。图３是ＣＬ４３２３９１模具的焊合室形状，在设计过程中考虑到１和２处由于型材断面壁厚相对较大且形状较为规则，挤压过程中金属在这些地方流动相对较快，故在这些地方加一小凸台以限制流速，保证型材尺寸精度。
ｌ／／／。．１，０４＼筘
Ｋ
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聚
刘
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４４８
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｜
过泓
ｌ
≮蕊
４４Ｒ
＿＼∥飞飞＼／罔．
６５＼ｌ触ＩＩ－－．／／：２３６７／
尊
图３下模
２．４模具强度校核
ＣＬ４３２３９１模具是用在８０ＭＮ挤压机上生产型材的，模具的工作温度持续在４５０。Ｃ～４９０℃之间，在这样高温高压的工作条件下，应该充分考虑模具的强度以保证模具的正常使用寿命。根据以往经验，大型挤压模具的失效主要发生在芯头与分流桥的连接
处，在挤压过程中这里常常因应力过大模具强度不够而产生裂纹，最终导致模具失效。因此主要校核该处的强度，根据下面的强度校核公式‘４。：
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（下转第５２页）