铝合金挤压工模具技术的现状与发展趋势

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1、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 谭炽东谭炽东1 1 刘静安 刘静安2 2 (1 兴顺精密模具有限公司 佛山 528061(1 兴顺精密模具有限公司 佛山 528061 2 西南铝业（集团）有限责任公司 重庆 401326)2 西南铝业（集团）有限责任公司 重庆 401326) 内容提要：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

2、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：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

3、工具；模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一；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

4、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 510 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

5、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，成为世界最大的挤压材生产国，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b 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

6、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300mm1200mm2500mm 扁挤压筒，由 34 层衬套红装而成，外径为3000mm，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最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300mm1200mm 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1800500

7、mm，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 1 2 铝合金挤压工模具设计与制造水平分析 2 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

8、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最重要的方面，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 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，

9、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

10、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

11、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/C

12、AM 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 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，其中最重要的是热强性、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。最常用的是含碳量为 0.30.4的亚共析奥氏体合金钢。原苏联在

13、1932 年研制成功的 3X2B8中钢是出现最早、用得最广泛的钢种，美、英、德、日本及我国均有相应的牌号。但 3X2B8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 3X2B8中钢趋势的钢种有：美国的 H13、日本的 SDK61-62、俄国的 4X2B5M、4X4HMB助以及我国的4Cr5MoSiV1、 4Cr5MoVSi、 5CrNiMoVSi、 5Cr4WMo2V 等。 近年来， 原苏联采用 27X2H2MC 解钢制造内经为 800-1100mm、单位压力为 450-600MPa 的大型挤压

14、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

15、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

16、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 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

17、多种表面处理新方法新工艺，它们主要是： 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。 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。 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。 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。 低温电渗硼化处理工艺。可适用于 0.68mm 以上

18、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。 PVD-TIN 涂层工艺。PVD 涂层不仅可使表面硬度提高 56 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 7080%，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 3 现代铝挤压工模具技术的发展趋势 随着科学技术的进步和国民经济的高速发展以及人民生活水准的提高， 对各类产品的需求量越来越大。各式各样的

19、新产品也层出不穷，因此要求以最快的速度生产出更好的各类模具。为了适应这种形式的发展，世界各国从人力、物力和财力方面进行了不懈的努力，成立模具学院和研究结构。许多学者、专家和工程技术人员进行了大量的开发和研究工作，并取得了可喜的进展。铝挤压工模具生产技术向以下几个方面发展。 3.1 模具需求量增加 3.1 模具需求量增加 模具量将继续增长，尤其是机械、动力能源、电子电器、日用五金、民用建筑、 交通运输等工业部门的铝合金挤压材用模量将大大增加， 电子计算机、 宇航、通讯等尖端产品所需高精度模具也越来越多。随着产品的大型化、复杂化，大型复杂模具的用量也会不断增多。据初步估计，近几年铝合金挤压材各种模

20、具用量每年平均将以8%左右的速度增长。 到2010年我国铝挤压材生产耗模量将超过100 万套/a。 3.2 模具新材料的开发应用 3.2 模具新材料的开发应用 除了继续以合金成分配制，熔炼铸造、开坯改锻、预先处理、热处理和表面处理等方面改进现有的 H 系列和其它系列合金钢的质量以外，采用粉末冶金工艺制作的粉末高速钢、陶瓷材料以及复合材料可用作高级模具材料。粉末高合金钢既解决了原来钢种在熔炼过程产生一次碳化物粗大和偏析而影响材质的问题，而且由于碳化物细化，组织均匀，材料无异向性，因此具有韧性高，耐磨性好，长时间使用尺寸稳定等特点，是一种很有发展前途的模具材料。用这种方法制得的陶瓷模具材料，虽然韧

21、性较低，但其耐热性与耐磨性极好，价格也比较便宜，是一种制作模芯、拉伸模、芯头等的好材料。 在提高模具材料质量方面，先进的热处理和表面处理技术起着重大的作用，各国已经应用或正在广泛研究的模具热处理方法有：双重热处理工艺，强韧化处理，等温淬火，多级淬火，多极回火，真空热处理，可控气氛热处理，特种盐浴热处理，悬浮体淬火以及优质预处理和稳定化处理等；表面处理技术有：离子氮化，气体软氮化，气体氮化，多元复合共渗处理，低温硼处理，PVD、CVD 技术以及各种表面沉积处理和表面化学处理等。这些技术的发展正方兴未艾，预计将获得进一步的发展，对提高模具的质量，特别是模具使用寿命作出重大贡献。 3.3 新型模具结

22、构的开发 3.3 新型模具结构的开发 为了提高产品的尺寸精度，形位精度，开发形状异常复杂的产品，进一步提高模具的使用寿命，世界各国正在寻求新结构的模具设计。各种标新立异的模具新结构，如新型的组合模、镶嵌模、复合模、预应力模，多型多孔模等将出现新的突破。 3.4 CAD/CAM/CAE 技术及热模拟、虚拟设计等技术的开发 3.4 CAD/CAM/CAE 技术及热模拟、虚拟设计等技术的开发 随着电子计算机技术的发展，计算机已应用到模具生产的各个领域，其中包括模具的设计、制造、检测、使用、维修和管理等方面。据初步测算，工业发达国家 100%的模具由计算机自动绘图和由 CNC 机床自动加工制造，作为设

23、计与制造之间联系纽带的图纸已失去主要作用。CAD/CAM/CAE 技术的发展，使软件技术在模具设计和制造中的地位越来越高。 二维模具的 CAD 系统已有一定的模具设计软件和单元图形软件， 但有待进一步完善。三维模具的 CAD 系统，由于设计软件难度大，三维单元图形软件也比较复杂，尚不能满足实际设计技术要求。因此，进一步发展软件，提高设计自动化程度仍是今后的主攻方向。CAM 用于二维模具的加工，已有较完善的编程系统可供利用，而对于三维自由曲面的编程尚不完善，在许多场合下，CAM 的编程还要制作工件的模型。因此应继续研究、开发不需制作模型、包含自由曲面的模具CAD/CAM/CAE 系统。应进一步研

24、究基础软件和应用软件，通过模拟挤压、虚拟设计各种复杂组合模在挤压过程中的应力一应变场， 温度场和金属流变场的真实情况，以提高模具的设计质量和使用寿命，逐渐实现零试模。在此之前，应建立大型数据库和专家库及有效的软件系统。 3.5 模具复合加工技术的开发和应用 3.5 模具复合加工技术的开发和应用 模具复合加工就是将机械加工-电加工（电化学）-超声波等技术综合在一起进行加工。这种复合加工技术兼有两种或两种以上工艺的特点，可取得比单一工艺更好的效果。例如，电加工后涂复 TIC 和 WC，可强化模具的工作表面；电加工加超声波振动，可提高工作效率；电加工后进行研磨抛光，可消除硬化层，提高表面光洁度， 模

25、具复合加工技术有广阔的发展前景， 是今后的主攻课题之一。 3.6 模具自动加工系统的研制和发展 3.6 模具自动加工系统的研制和发展 由于各种数控和计算机控制机床的迅速发展， 模具在制造上出现了自动加工系统，如日本三菱公司建立了计算机设计 NC-加工中心-真空热处理-成型磨床-电加工-坐标磨床-装配试模的自动加工系统，大大缩短了制造周期，减少了制造误差，提高了模具质量，为模具的设计制造过程全线自动化打下了基础，特别为大挤压机生产多腔、多孔复杂型材创造了条件。 3.7 激光加工在模具制造中的应用 3.7 激光加工在模具制造中的应用 近年来，激光加工技术发展很快。在模具加工技术上主要用来切割样板和

26、打孔， 可望用二维的板片加工代替三维的空间曲面加工， 简化模具加工工艺。 此外，用激光热处理可强化模具表面，提高模具表面硬度及耐磨性。激光技术在模具上应用刚刚开始，可望获得重大突破。 3.8 研磨抛光技术的发展方向 3.8 研磨抛光技术的发展方向 目前模具的研磨抛光工序大部分仍靠手工作业，不仅花费工时，劳动条件也很恶劣，特别是对一些复杂的空间曲面，手工抛光不能达到良好的效果。因此，模具表面的粗糙度不能大幅度降低。近年来，国外相继出现了自动抛光机、带电子计算机的数控研磨机、 挤压晰磨机及自动喷丸机、 机械-超声波二合一抛光机、机械-电化学-超声波三合一抛光机等自动研磨抛光设备， 使模具的研磨抛光

27、技术向自动化方向迈出了一大步。 借助于电子计算机的带有磨损补偿送进装置的数控研磨机可实现三维曲面模具表面的自动研磨抛光工作，这不仅节省了工时，减少了劳动量，改善了劳动条件，而且大大降低了模具表面粗糙度和改善了表面状态，为了消除研磨表面产生的磨痕，可采用弹性模具或带状、线状的模具磨削曲面，以代替手工研磨抛光工序。模具表面的自动研磨抛光技术的发展将大大促进模具技术的发展。 3.9 铝挤压工模具标准化和产业化的发展方向 3.9 铝挤压工模具标准化和产业化的发展方向 随着生产技术水平的提高及模具加工方式转向数控化设备，模具的CAD/CAM/CAE 技术广泛应用后，模具的设计与制造依靠人工技艺的比重逐渐

28、减少，而脑力劳动量增加。铝合金挤压工模具制造已成为一个可大批生产的产业化行业。由于铝挤压工业的高速发展，铝挤压材的品种大大增多，产量大大增加，工模具的数量和质量也大大提高。因此，铝合金挤压工模具企业在逐渐向“专业化”和“大型化”方向发展。国际上已建成若干有名的大型专业化模具厂，如日本的高取制作所、韩国的中央精密、德国的 M+S 公司等，我国近年来也逐渐建成了上百家专业铝挤压模具厂，其中年产 20000 套/a 以上的大型专业厂有十余家，如南海的兴顺模具厂、顺德的万红模具厂、江阴江顺模具厂、天津北方模具厂以及吉林的飞跃模具厂等。为了提高生产效率，便于管理，提高模具质量，降低成本，挤压模具的“专业

29、化”、“标准化”和通用性程度将会进一步提高。 4 小结 4 小结 挤压工模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义， 模具的质量和使用寿命是实现铝合金挤压生产、高产、优质、低耗、高效、低成本的关键技术与重要保证之一，在铝合金型材的挤压生产占有十分特殊的重要地位。 铝合金挤压工模具技术包括设计、制造、材料选择、热处理和表面处理、机加工和电加工、使用和维修等方面，是一个复杂的系统工程。只有一环扣一环，环环相扣，才能制作出优质高寿命的模具。 随着科学技术的进步和国民经济的高速发展， 铝合金挤压工模具产业和技术有了很大的发展，达到了相当高的水平。我国的铝挤压工模具技术也有了长足进步，但与国际先进水平仍有一定差距。 参考文献： 参考文献： 1.刘静安，轻合金挤压工具与模具，北京，冶金工业出版社，1990.7 2.刘静安、谢建新，大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计，北京，冶金工业出版社，2003.6 3.刘静安、邵莲芬，铝合金挤压工模具典型图册，北京，化学工业出版社，2007.10 4.刘静安，我国铝合金挤压模具的发展现状与国际先进水平的差距，经济情报，2008.4.18