稀有金属 2004,(01),146-150 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.037
铝合金车辆大型材模具的设计与制造工艺研究
刘静安 王志英
北京有色金属研究总院加工工程研究中心,西南铝业(集团)有限责任公司,北京有色金属研究总院加工工程研究中心 北京100088 ,陕西西安401326 ,北京100088
摘 要:
大型型材挤压模具设计与制造是现代车辆大型铝合金型材生产的关键技术。本文以典型的、难度较大的底版型材GDX 11为例 , 对大型模具的结构参数和尺寸设计进行了深入分析 , 并对模具材料及热处理与模具制造工艺和修模等进行了讨论。分析认为轨道车辆大型材多为扁宽、薄壁复杂的空心型材 , 一般用平面分流模在 80 /95MN以上的挤压机 , 用扁挤压筒进行生产。GDX 11型材所选用的模具结构设计方案 , 模具材料及其热处理工艺 , 分流孔的大小和形状以及分流桥、模芯、焊合室的结构设计是合理的。模孔尺寸、工作带尺寸以及制模工艺、挤压工艺的确定都是可行的。修模是一道重要的技术工序 , 对复杂的大型模具更为重要。
关键词:
大型挤压模具 ;分流孔 ;金属流动 ;设计与制造工艺 ;
中图分类号: TG76
收稿日期: 2003-08-06
基金: “九五”国家计委重点项目;
Design and Manufacture of Die for Aluminum Alloy Extrusion Section Train with Large
Abstract:
The design and manufacture of extrusion die of large section is a key technology in model traffic manufacture. A typical mother board section GDX 11 was studied as an example to analyze the die configuration parameters and dimensions of large section. The die design and parameters selecting were analyzed in detail. The die material, heat treatment technology, the die manufacturing technology and repair die were also discussed.
Keyword:
die of large extrusion section; diffluent hole design; metal flow; design and manufacture technology;
Received: 2003-08-06
大型型材挤压模具设计与制造技术是车辆大型铝合金型材生产的关键技术中的核心技术。 地铁、 高速列车车辆型材的品种多, 精度高, 要求性能和焊缝质量好。 车辆型材扁宽、 壁薄、 形状复杂、 空腔多、 壁厚相差悬殊, 这些都给模具设计与制造带来了极大的困难。 挤压时, 极易造成堵模, 把模具压裂或压断; 成形性不好, 金属流动困难; 焊合不良, 型材易产生波浪、 扭曲、 刀弯等缺陷, 严重影响产品质量。 因此, 国内外都把车辆型材的模具设计和制造作为重大课题来进行攻关。 目前, 德国、 意大利、 韩国、 日本等国家的大型模具技术处于世界较领先的地位。 我国大型特种型材模具技术尚处于起步阶段, 模具技术的研制开发成功, 对地铁和高速列车的国产化具有非常重要的意义。
1 型材的特点及难度分析
1.1 轨道车辆型材产品的难度分析
轨道列车车辆型材品种多, 结构复杂, 大多数型材宽度为400~640 mm, 供货长度达25~28 mm, 且80%以上为多孔异形空心型材。 型材的壁厚变化大, 有的型材中壁厚最大处为25 mm, 壁厚最小处为2.5 mm。 型材的宽厚比也非常大, 最大达100以上。 这些都使得金属的流动和型材的成形变得非常困难。 而轨道车辆对型材的外形尺寸精度和形位公差的要求很严, 要求装饰面平面间隙小于2 mm; 纵向弯曲在全长上不大于6 mm; 侧向弯曲度在全长上不大于4 mm; 扭拧度在全长上不大于4 mm。 力学性能必须符合表1的规定。 这些都给大型型材模具的设计与制造带来很大的难度
[1 ,2 ,3 ,4 ]
。
1.2 型材的特点
地铁、 高速列车车辆型材的品种多, 大致分底
表1 车辆铝合金型材的力学性能指标Table 1 Mechanical speciality target of aluminium alloy extrusion section applied in train
合金牌号
供应和 式样状态
壁厚/mm
屈服强度σ 0.2 /MPa
抗拉强度σ b /MPa
伸长率δ 5 /%
伸长率δ 50 /%
不 小 于
6005A
T6
≤5
255
215
8
6
5~25
250
200
8
6
7005
T5
≤40
350
290
10
8
板、 顶板、 侧板和转角等类型。 本文仅以GDX-11底板进行讨论。 底版型材是国产化地铁型材中很典型的一类型材, 也是车辆型材中难度系数很大的一类型材。 GDX-11型材是底版型材之一, 属扁宽薄壁空心型材, 宽518 mm, 高70 mm, 断面积为60.07 cm2 。 型材宽厚比很大, 外形靠近挤压筒边缘, 成形非常困难。 图1示出了GDX-11型材的断面图。
GDX-11型材的壁厚很薄, 最薄处尺寸只有2.5-0.5 mm, 而且有不易填充的斜筋, 斜筋长度达到106 mm。 上下两个大面的壁厚为2.8-0.5 mm。 型材断面复杂, 共有7个空心孔。 但形状比较对称, 对金属流动有一定的好处。
2 模具设计关键技术
2.1 模具的结构设计
[5 ,6 ,7 ,8 ,9 ]
2.1.1 模具规格的确定 由于轨道车辆型材大都是空心型材, 因此模具多用平面分流模结构。 在80/95MN油压机上挤压用模具主要采用外径为Φ500 mm, Φ700 mm, Φ900 mm等规格的平面分流模, 模具总厚度为760 mm。
GDX-11型材因为宽度很大, 所以必须采用Φ900 mm的模具挤压, 模具由上下模、 模垫、 专用前环组成, 总结配厚度为760 mm。 模具尺寸分别为: 上模: Φ900 mm×260 mm (180 mm) ; 下模: Φ900 mm×170 mm (150 mm) ; 模垫: Φ900 mm× 180 mm; 前环: Φ1046 mm×300 mm。
2.1.2 分流孔的设计 分流孔数量一般根据型材的特点、 空腔的多少确定。 分流孔应尽量开在型材成型困难的部位。 以底版型材GDX-11为例, 主要考虑金属流动较慢的部位, 就是型材内腔的6根斜筋、 两边的立筋以及两端头部分。 因此, 在布置分流孔时, 应正对斜筋的部位, 以便金属能直接充填进去, 减少阻力。 型材两端离挤压筒边缘很近,
图1 GDX-11型材断面图 (单位: mm) Fig.1 Section of GDX-11 extrusion section
金属流动缓慢, 在尽量加大分流孔的同时, 应考虑采用宽展的方式把金属多引流一些到两端头部分。 为了减小挤压力, 分流孔应尽量加大, 扁挤压筒的内孔尺寸为670 mm×270 mm, 因此分流孔的左右边缘尺寸最大可设计到650 mm, 上下边缘尺寸可设计到250 mm。
分流孔的形状组成应尽量接近型材的形状, 有利于平衡金属的流速。 设计分流孔的数目不宜过多, 孔数太多会增加挤压力, 太少又会降低模具的强度。 分流孔的大小也应尽量均匀, 要重点考虑两边靠挤压筒的分流孔, 挤压筒两端的金属流动较中间慢, 因此两边的分流比应大于中间的分流比。 综合以上分析, GDX-11分流模的分流孔共设计为9个孔, 如图2所示。
2.1.3 焊合室的确定 焊合室的设计有两种方式, 一种是上下模焊合室; 另一种为下模焊合室。 国外的模具, 一般采用上下焊合的方式, 既上模的分流桥比桥墩高10~20 mm, 形成上焊合室; 下焊合腔深度30~40 mm, 与上模一起形成40~50 mm深的焊合室。
在设计GDX-11模具的焊合室时, 考虑只在下模设计焊合室, 这样容易加工。 因为最大分流桥宽为80 mm, 为有利于金属的焊合以及提高焊缝的质量, 焊合室的深度设计得比较深, 为50 mm。 另外, 为了扩大焊合室的外侧尺寸, 增大两端头部分及两根立筋的金属供给, 在上模分流孔外侧设计了6.7°的斜度。
2.1.4 芯头的设计 GDX-11型材的模芯由7个小模芯组成, 为了使型腔的6条斜筋能充填均匀, 引流槽及小芯头颈部的尺寸设计得比较大, 以加大金属得流入量。 芯头颈部上焊合孔高40 mm、
图2 GDX-11分流模设计图Fig.2 Distributary figure of GDX-11 extrusion die
宽20 mm、 引流槽长约70 mm, 呈21.45°角的喇叭形。
2.1.5 分流桥的设计 由于中间的分流桥跨距很大, 从整个模具的强度考虑, 设计得较宽为80 mm。 上面的桥宽设计为50 mm, 下面得分流孔为5个, 比上面多一个, 分流孔的面积小一些, 因此下面的桥宽确定为38 mm。 并且桥墩比较靠近中心, 减小跨距以提高模具的强度。
2.2 模孔尺寸和工作带长度设计
模孔尺寸设计如图3和表3所示。 模孔外形尺寸A 可按公式: A = (1+K ) A 0 计算, 其中K 为经验系数, A 0 为型材名义尺寸。
模孔壁厚尺寸可按型材名义尺寸设计。 设计GDX-11模孔时, 考虑到型材壁厚太薄, 特别是中间的6条斜筋以及两端的立筋充填较困难, 根据经验, 加上了适当的修正值。
由于GDX-11型材左右对称, 且壁厚相差不太大, 因此, 取两端头处为最小工作带, 长度为3.5 mm, 向型材中心部分的8 mm过渡, 斜筋部分的工作带适当简短, 以便于填充。 上模的工作带应比下模长3~5 mm, 以利于成形。
3 模具制造技术
3.1 模具材料及热处理
因复杂大型模具的受力条件十分恶劣, 因此选用高强耐热合金钢4Cr5MoSiV1制作模具。 模具淬火温度为1040~1050 ℃, 大型模具需采用3次回火, 回火温度为560~600 ℃, 保温时间2 h。 热处理后的模具硬度为: HRC45-48。
3.2 模具的加工工艺流程
[10 ,11 ]
3.2.1 上模的制模工艺流程 粗车: 粗车模子外形、 止口→划线→钳工: 钻螺孔、 销孔→铣: 芯头四周及颈部空刀和斜面→划线: 划分流孔及桥加工线→钳工: 钻分流孔→铣: 铣分流孔和桥部斜面→钳工: 打磨分流孔, 桥→热处理→半精车外圆→精车平面→铣: 铣平芯头顶部平面→划线: 划芯头四周加工线→电火花: 加工芯头工作带, 出口带, 引流通槽和斜槽→钳工: 打磨抛光引流槽, 分流孔→精车: 精车止口。
3.2.2 下模的制模工艺流程 粗车: 车外形, 止口→划线→钳工: 钻螺孔, 销孔, 通孔→铣: 铣焊合腔, 键槽→钳工: 打磨并抛光焊合腔→热处理→精车: 精车模具外形→铣焊合腔至图纸尺寸→钳工: 打磨并抛光焊合腔→划线→线切割: 切割模孔→电火花: 加工出口带→钳工抛光工作带, 出口带。
3.2.3 上、 下模合模装备工艺 钳工: 合模调壁厚→电火花: 加工销孔→钳工: 配销子, 并合模→精车: 以下模为基准找正后, 配车上模外圆→电火花: 以下模键槽为准加工上模键槽。
3.2.4 模具检测 模具加工与装配完毕后, 经全面检测, 模孔尺寸均符合图纸要求。 模具热处理后硬度为: 上模HRC45-46, 下模HRC45-46。
4 DX-11型材模具挤压试验及结果分析
4.1 挤压工艺参数
GDX-11 型材在80/95 MN 油压机上用670 mm×270 mm扁挤压筒正向无润滑挤压, 挤压工艺参数如表2所示。
4.2 型材的热处理工艺
制品挤压出后, 在前梁出口采用在线水雾淬火。 然后在3.6MN拉矫机上进行拉伸矫直, 拉矫率为1.0%~1.5%。 再经辊矫、 锯切后, 进行人工时效。 时效处理制度: 加热温度175 ℃, 保温8 h。
4.3 挤压流场的调整和修模要点
GDX-11型材是典型扁宽型材, 金属流动十分不均匀。 很难一次成型合格的产品, 通常需要进行试模。 GDX-11型材分流模第一次上机试模, 挤压的制品成型较好。 2个大面及6根斜筋充填很好, 壁厚较均匀, 但两侧的立筋没有挤出来, 两端头尤其是上面左右端产生波浪。 另外还有一边大面的壁
表2 GDX-11型材挤压工艺参数Table 2 Extrusion parameter of GDX-11 extrusion section
合金牌号
挤压筒加热温度/℃
铸锭规格/mm
铸锭加热温度/℃
挤压速度/ (m·min-1 )
模具加热温度/℃
挤压系数 λ
L2
490~500
655×250×700
500
2~4
490~500
20.2
6005A
490~500
655×250×1400
550
3~4
490~500
20.2
图3 GDX-11型材模孔断面尺寸位置Fig.3 Size position of extruded GDX-11 section
厚不均匀, 平面间隙差。 断面尺寸参见图3和表3。
分析原因, 主要是因为型材两端距离挤压筒边缘太近, 金属流动缓慢, 供应不足, 再加上立筋的位置又正好位于分流桥下, 分流桥对金属的流动也起了阻碍的作用, 从而造成了两侧立筋处金属流动充填不足, 大部分充填到两端头而引起波浪。 一边大面壁厚不均匀的原因是由于大面上带勾的部位壁厚8 mm, 与2.8 mm的壁厚相差悬殊, 分流桥下的金属流动缓慢使壁厚不均, 局部起拱形。
表3 GDX-11型材模孔及挤压制品尺寸 (mm) Table 3 Sizes (mm) of extruded GDX-11 section
尺寸
A 1
A 2
B
C
D
E
F
G
H
I
J
模孔
522.1
522.1
70.7
62.65
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.8
2.8
第一次制品
517.7
516.8
-
-
0
0
2.31
2.45
2.29
2.86
2.72
第二次制品
515.4
512.5
67.4
59.9
0.53
0.62
2.37
2.44
2.36
2.83
2.76
第二次制品
516.3
515.6
70.2
62.1
2.39
2.43
2.32
2.49
2.45
2.79
2.78
第1次修模措施: 修模方案是通过加快两端头分流桥下部位的金属流动, 使整个型腔流动趋于平衡。 具体方法是在电火花机床上用电极将两端的分流桥下沉, 形成10 mm高的上焊合, 壁厚不均匀面的3个分流桥也下沉10 mm以增加桥下的金属流动。 使两立筋的壁厚加大到3.0 mm。 该部位上模工作带减薄1 mm, 下模两边模孔工作带也减薄1.5 mm, 以减小挤压时的阻力。
第2次试模挤压: 修理过的模具第二次上机试模挤压, 制品基本成形。 但平面间隙仍不是很好, 有一边还有点凸起。 两边的立筋经过修模后, 挤压出来了, 但挤出来的壁厚太薄, 被拉成洞。 左右下边部分尺寸小于上部。 其余部位充填较好。
分析原因, 上次修模时主要只考虑了分流桥对型材焊合的影响, 在修模时, 主要也是处理的分流桥, 加工了上焊合。 因此第2次挤压有改进, 但还不够, 没有最终解决两边金属的供给问题, 型材两边靠挤压筒边缘太近, 金属流动缓慢、 仍然供应不足。 因此必须加大分流孔, 以加大金属的供给。
第2次修模措施: 这次修模的重点是两端头4个分流孔, 这几个分流孔的金属都供应不足, 必须加大。 先将上边两个扩大15 mm, 并采用宽展的形式。 下面两个分流孔由于分流孔面积较小, 这个部位的金属流动最慢。 因此, 应尽量加大这两个分流孔, 考虑扩大分流孔后还必须保证模具的强度, 该分流孔只能扩大25 mm。 另外, 两端头的分流桥再下沉5 mm。 平面间隙成凸起的一边, 在下模进行堆焊, 阻碍金属的流动, 降低流速。
第3次试模挤压: 模具第3次上机挤压, 制品成型良好, 断面尺寸均在公差范围内。 挤压速度达到3 m·min-1 , 也符合工艺要求, 试模获得成功。
力学性能与内部组织实验结果: GDX-11型材的力学性能结果列于表4中。 均符合技术标准的要求。
表4 GDX-11型材的力学性能Table 4 Mechanical properties of extruded GDX-11 section
试样号
σ b /MPa
σ 0.2 /MPa
δ /%
B10
274
241
10.4
B2
283
248
10.4
B3
287
252
8.8
B4
285
243
10.6
B5
274
245
12.4
B6
286
255
14.6
6 结 论
1. 模具设计与制造是轨道车辆大型铝合金型材生产的关键技术。 轨道车辆大型材多为扁宽、 薄壁复杂的空心型材, 一般用平面分流模在80/95MN以上的挤压机, 用扁挤压筒进行生产。
2. GDX-11型材所选用的模具结构设计方案, 模具材料及其热处理工艺, 分流孔的大小和形状以及分流桥、 模芯、 焊合室的结构设计是合理的。 模孔尺寸、 工作带尺寸以及制模工艺、 挤压工艺的确定都是可行的。
3. 修模是一道重要的技术工序, 对复杂的大型模具更为重要。 必须引起高度重视。
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