铝合金挤压工模具技术的现状与发展趋势

铝合金挤压工模具技术的现状与发展趋势谭炽东1刘静安2(1兴顺精密模具有限公司佛山5280612西南铝业（集团）有限责任公司重庆401326)内容提要：科学技术的进步和国民经济的高速发展对挤压模具的数量和质量提出了越来越高的要求。本文从模具新材料的开发与应用、模具设计结构的研制与开发，模具口山了CAM/C屁技术的发展、模具复合加工技术的开发和应用、模具自动加工系统的研制与开发、激光加工在模具制造中的应用、研磨抛光技术的发展、模具标准化的发展趋向及模具制造行业的发展动向等方面对现代挤压工模具生产技术的发展动向进行了较系统的分析讨论，得出了发展铝挤压生产必须优先发展工模具技术的结论。关键词：现代铝挤压技术铝合金型材模具工模具设计制造水平与差距发展趋势1铝挤压工业的高速发展对工模具提出了越来越高的要求在现代化的大生产中，工具和模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义，合理的工模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础，因为它是使金属产生挤压变形和传递挤压力的关键部件；模具是保证产品成形，具有正确形状、尺寸和精度的基本工具；模具是保证产品内外表面质量昀重要的因素之一；合理的工模具结构、形状和尺寸，在一定程度上可控制产品的力学性能和内部组织，特别是在控制空心制品的焊缝组织和力学性能方面，分流孔的大小、数量和形状以及分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等起着决定性的作用；挤压垫片、挤压筒和模子的结构形状与尺寸及表面质量，对控制产品的粗晶环和缩尾、成层等缺陷也有一定的作用；工模具的结构形状与尺寸对金属的流变、挤压温度一速度场、应力一应变场等有很大影响，从而对提高生产效率、产品质量和减少能耗有重大作用；合理的工模具设计对提高其装卸与更换速度，减少辅助时间，改善劳动条件和保证生产安全等方面意义重大；新型的模具结构，对于开发新产品、新工艺，研制新材料和新设备，不断提高挤压技术起着很大的作用。如扁挤压筒、舌型模、组合模、多层预紧应力模、变断面模等以及高比压优质圆挤压筒和扁挤压筒与特种型材模和异形管材模的设计与制造技术等都是铝合金挤压生产的核心和关键技术。其技术含量在整个挤压技术中占有很大的比例。对于中等批量的挤压产品，工模具的成本占总成本的30％左右。如将其使用寿命提高5～10倍，则产品的成本可大幅度下降。因此，模具质量和使用寿命是评价某一挤压方法或挤压工艺经济可行的决定因素之一，工模具的设计与制造质量是实现挤压生产高产、优质、低耗、高效低成本的重要保证之一。随着国民经济的高速发展，科技的进步，铝合金挤压工业获得了空前发展。2007年铝加工材产量达到1176万吨，超过美国居世界第一。铝合金挤压材产量达创4万t/a，成为世界昀大的挤压材生产国，其中，铝合金挤压型材逾540万t/a，每年需耗模80万套/a以上，不仅数量增加，品种也大大增多。特别是随着铝合金挤压材向大型化、复杂化、精密化、多规格、多用途方面发展，对挤压工模具提出了越来越高的要求。不仅出现了像平面分流组合模、宽展模、保护模、变断面模等多种新型结构的模具，成功地研制出多种σb达1500Mpa以上的高级耐热高强度工模具材料，而且开发了多种大型的基本挤压工具，这些工具便于装卸，先进可靠，但结构形状复杂，尺寸规格大，难于设计制造。如200MN卧式挤压机上配备的□300mm×1200mm×2500mm扁挤压筒，由3～4层衬套红装而成，外径为φ3000mm，净重达14Ot，需要250余吨高级合金钢坯，采用先进的设计理论和计算方法，使用大型的专用设备和昀先进的加工方法才能制造出来，而且设计加工周期往往长达一年，耗资1000万元以上。与□300mm×1200mm扁挤压筒配套的扁挤压轴、扁挤压垫片、扁压套、扁压型嘴等大型扁挤压工具，也要求结构新颖、装卸方便才能满足生产形状复杂的大型整体宽薄壁板型材的要求。又如，200MN卧式挤压机上的大型特种组合型材模具，模具组尺寸为φ1800×500mm，重达10t，需15t高强耐热合金钢坯，其设计、制造、使用和维修都十分复杂。为了提高工模具寿命，发展挤压技术，各个国家对工模具的设计、制造、使用和维修等方面都开展了广泛的研究，并取得了可喜的进展。CAD/CAM/CAE技术已进人实用普及阶段，而且开发出了各种实用软件。表1列出了国内外挤压工模具设计制造的发展水平和主要差距。表1国内外铝挤压工模具设计制造的发展水平和主要差距续表12铝合金挤压工模具设计与制造水平分析模具技术历来不是一门独立的科学，而是一门多学科，综合性的边缘科学，特别是铝及铝合金热挤压工模具技术更是如此。它涉及的面很广，需要解决的矛盾很多，产品的质量要求非常严格，采用的技术手段十分复杂，是一个复杂的系统工程。模具设计与制造是挤压技术的两个昀重要的方面，随着科学技术的进步和挤压技术的发展这两个方面都达到了相当高的水平。2.1模具设计水平分析工模具的设计一般包括设计理论和设计方法的选择，结构的设计计算，尺寸的确定，强度的校核和模具材料的选择以及经济技术指标的评价等。模子、穿孔针、挤压垫片、挤压筒内衬等直接参人金属变形的工具，其设计不同于一般的机械零件设计，而是介于机械加工与压力加工之间的的一种工艺性设计。除了要考虑机械设计要遵循的原则以外，尚需挤压条件下各种工艺因素，因此，模具设计远比其它工具的设计要复杂，要设计出合理而经济的挤压工具和模具是一件十分困难的工作。在挤压技术发展的初期，一般根据机械设计的原理，用普通的古典强度理论结合设计者的实践经验来设计棒材、管材和普通实心型材模子。随着弹性理论和挤压基础理论的发展，许多新的理论与实践方法已用于挤压工模具的设计和计算。如工程计算法、金属流动的坐标网络法、光弹光塑法、密栅纹云法、滑移线法、上限理论等广泛用来确定工模具的结构、工艺要素和强度校核。近年来，有限元法以及计算机虚拟设计和热挤压模拟法等发展很快，并取得了良好效果。随着电子计算机技术的发展，挤压工模具的电子计算机辅助设计（CAD）技术已进人实用阶段，使挤压工模具的设计进人了一个崭新的时代。目前，在工业发达国家，挤压工模具设计不再是单个的凭经验的手工操作了，而变成一个连续的电子计算机自动控制的优化设计过程了。我国对铝合金挤压工模具的CAD/CAM技术方面应用软件采用模块化结构，具有图形输人，二维变换对模具进行优化设计，型材截面几何性质计算，分流孔个数、形状、尺寸及布置的设计，分流桥、模芯及焊合腔的尺寸确定，模具强度校核，剖面图和上下模视图的绘制，图形剪裁，模垫设计等功能模块。能完成平面模和组合模设计的全过程，显著提高了复杂模具的设计效率和质量，操作简单，运行可靠，达到了国外同类系统的先进水平。开发了铝型材导流模设计方法，搞清了型材挤压过程的金属流动规律和导流模控制金属流速的机制，建立了导流模模孔结构尺寸设计的数字模型和完成了三维刚粘塑性有限元模拟铝型材挤压过程的试验研究。经工厂生产考核，证明所开发的导流模设计方法正确可靠，对提高模具设计一次成功率，提高型材质量和模具使用寿命具有积极作用，有明显的经济效益。此外，所开发的CAD软件还包括模具温度场计算，热疲劳和应力分布的分析功能。CAD系统根据CAD得到的图形，自动生成模孔腔线切割纸带输出，在屏幕上进行模拟加工，校验所生成的程序，实现计算机设计--编程--加工--体化，可完成从型材图纸输人到模具设计图纸及模孔数控线切割纸带输入的全过程，实现了铝合金具有模子CAD/CAM一体化。用本系统设计制造的挤压模具质量达到国外同类系统的水平，几年来，CAD/CAM/CAE一体化系统也取得了进展。目前兴顺模具厂和华南理工大学以及国内其它单位正在进行分流组合模的虚拟设计与热模拟挤压试验，以求减少试模次数，逐渐实现零试模。2.2模具材质及热处理技术为了提高模具的使用寿命，世界各国对模具材料进行了广泛的研究。目前铝合金挤压模大都采用热加工模具钢。热加工模具钢应满足多种性能要求，其中昀重要的是热强性、热稳定性、热疲劳强度和耐磨性，此外还要求有足够的韧性和良好的表面处理性能。昀常用的是含碳量为0.3％～0.4％的亚共析奥氏体合金钢。原苏联在1932年研制成功的3X2B8φ中钢是出现昀早、用得昀广泛的钢种，美、英、德、日本及我国均有相应的牌号。但3X2B8φ中钢有疲劳强度底、塑性韧性差、钨含量高、价格昂贵等缺点。因此，随着冶金技术和挤压技术的发展，相继有20多种新钢种出现，其中综合性能好，有取代3X2B8φ中钢趋势的钢种有：美国的H13、日本的SDK61-62、俄国的4X2B5φM、4X4HMBφ助以及我国的4Cr5MoSiV1、4Cr5MoVSi、5CrNiMoVSi、5Cr4WMo2V等。近年来，原苏联采用27X2H2MφC解钢制造内经为ø800-1100mm、单位压力为450-600MPa的大型挤压筒获得了成功。此外，Fe-Ni-Cu高温合金、Mo合金，氧化错陶瓷、硬质合金，粉末烧结耐热钢等模具材料的研制成功，可使工模具使用寿命大为提高。近年来我国开发的SRm-1高温高强热挤压工模具钢，其高温强度是H13钢的二倍，有望替代H13成为新一代挤压工模具材料。在研制新型模具材料的同时，在改进原材料质量，改善钢材的熔炼、铸造、锻造、加工、热处理工艺等方面也达到了很高的水平。如高纯材料的采用，电弧二次重熔或电渣熔炼，浇包精炼法的应用，等温锻造，预处理，可控气氛热处理和真空热处理，流态粒子热处理等新技术的广泛应用都大大改善了模具质量，提高了模具使用寿命。2.3制模技术和修模技术目前，世界各国普遍采用机械加工一电火花线切割联合加工法制模。近年来，由于大力发展数控、数显、计算机控制技术，使模具加工设备的CNC水平不断提高并逐渐普及。同时研制出了各种高速、高效、精密的制模设备和装置，如高速锯、阳极切割、激光切割、激光打孔、高速磨床、高强力磨床、数控连续坐标磨床，CNC低速走丝精密线切割、数控电火花、高精度坐标电火花、精密小型电解磨削和电解成型、精密双孔铿、三坐标测量机和各种数控铣床、加工中心自动线、柔性制造系统等复合加工装置以及挤压衍磨、超声抛光、电解抛光、机电抛光、液态喷射抛光、光学抛光、复合抛光等先进抛光装置。并把挤压模具的电子计算机辅助设计和辅助制造与辅助工程（CAD/CAM/CAE）紧密结合，大大提高了制模的技术水平。新的制模方法（Hobson制模法等）和新型的制模加工工艺，提高了制模生产效率和模具质量，提高模具使用寿命和产品质量，降低材料消耗和能耗，大大降低制模成本。同时各国也出现了各种新的修模方法、修模工具和装置、并把修模和表面氮化处理有机的结合起来，形成一个良性循环，从而提高了模具使用寿命。2.4模具表面处理技术的开发和应用近年来，世界各国把模具的表面处理技术作为提高模具使用寿命的关键技术进行研究、开发与推广应用，根据模具材料的种类、模孔形状与宽窄开发了多种表面处理新方法新工艺，它们主要是：①离子硫、碳、氮三元共渗工艺。适合于处理模孔大于1mm的模子，通过控制共渗气氛和工艺参数可获得组织良好、层深适度、热疲劳和热磨损性能好、自润滑性能良好的共渗层。②离子复合处理工艺。适合于处理0.7mm以上窄缝窄槽的薄壁型材模子，效果良好。③气体氮化处理工艺。对壁厚1.0mm以上的模具进行处理，可提高模子的耐磨性和型材表面质量，该工艺容易操作，效果良好，铝合金挤压厂家大多采用这种方法。④气体软氮化处理工艺。是一种低温碳--氮共渗方法，可提高模子的抗咬合性、抗磨损性能，而不受模孔宽窄和复杂性的影响。⑤低温电渗硼化处理工艺。可适用于0.68mm以上的窄缝，而且不受复杂性的影响，由于渗硼层硬度高达HV15GPa以上，具有极高的耐磨、耐蚀、耐高温和抗粘铝的能力，使得模具使用寿命大幅度提高，挤压型材表面质量优于其它方法处理的质量。⑥PVD-TIN涂层工艺。PVD涂层不仅可使表面硬度提高5～6倍，且使力学性能保持原型基底材料的高水平，较氮化处理的强度高20%，塑性高70％～80%，涂层均匀、可靠、无公害，涂层表面硬度达HV35GPa，耐磨性提高了150倍。3现代铝挤压工模具技术的发展趋势随着科学技术的