一、阶段变断面铝型材模的设计
1．1阶段变断面铝型材模具的结构要素与设计特点
用两套分瓣模分步挤压基本铝型材部分和大头部分的方法是挤压阶段变断面铝型材的最常用的方法。这种挤压用模具的特点是，铝型材和过渡区设计成一套模子，一而大头部分设计成另一套模子。
用两套可拆开的模子挤压阶段变断面铝型材时，要求其模具的拆开与装配应十分方便。同时，在挤压过程中要保持一定的完整性和稳定性，即在挤压时尺寸不发生任何变化，因此，模具的外形结构和尺寸与一般铝型材模具不同，而应适合于阶段变断面铝型材挤压的特点。阶段变断面铝型材模具的外形结构和尺寸如图4—3—49和表4—3—9所示。
表4-3—9阶段变断面铝型材模具的外形尺寸表
|
挤压机吨位/MN |
挤压简直径/mm |
模子种类 |
模子尺寸/ram |
|||||
|
φ1 |
φ2 |
φ3 |
φ4 |
H |
h |
|||
|
20 |
200 |
铝型材模 尾端模 |
225 225 |
200 ― |
216 216 |
― 205.5 |
125 105 |
93 93 |
|
20 |
170 |
铝型材模 尾端模 |
195 195 |
170 ― |
187 187 |
― ― |
125 105 |
93 93 |
|
12.5 |
130 |
铝型材模 尾端模 |
195 195 |
130 ― |
187 187 |
175.3 133.4 |
110 95 |
82 82 |
图4—3—49阶段变断面铝型材模具的外形结构图
(a)——挤压基本铝型材部分的铝型材模；(b)——挤压尾端大头部分的尾端模
为了方便更换模具，可拆开的铝型材模的厚度应比尾端“大头”模厚15～20mm。为使模具在拆换过程中的操作方便，在每瓣铝型材模块的背面均钻有一个φ20～30mm的孔。
为了保持模具在挤压过程中的完整性，采用前后锥角同时配合的方法，其前锥角为l0°，与挤压筒衬套相配合，其后锥角为4°，与压型嘴(模支承)相配合，并应相应设计一套挤压阶段变断面铝型材专用的压型嘴和挤压筒内套。
压型嘴(模支承)的出口尺寸与形状与变断面铝型材大头部分的形状相似，在保持大头能顺利通过的条件下，其尺寸应尽量缩小以提高模孔尺寸的稳定性。
应合理选择和加工模子的线性配合尺寸h。当尺寸h超过上偏差时，模具不能组成理想的整体，挤压出的铝型材尺寸可能超差，当尺寸h超下偏差时，虽然模具能组成一个理想的整体，但拆卸模具时将造成很大困难。因此，尺寸h的加工偏差应小于0.1mm。
1．2模子分模面的确定
铝型材模分瓣形式和块数根据铝型材形状来确定。分模面的位置应当是便于拆卸和安装，既保证制品的尺寸，又不损伤铝型材表面。铝型材模一般可分成三瓣(对于“⊥”、“П”字铝型材)或四瓣(对于“工”字铝型材)。对于“工”字铝型材来说，为了方便卸模，其上下平面之间应做成l°～2°的倾角，即拔模角，见图4—3—50。
大头(尾端)模的模孔形状应与铝型材相似，分瓣的形式应便于装卸，不损伤制品表面，一般来说，尾端模可分成左右对称的两瓣，见图4—3—51。
图4—3—50“工”字铝型材的拔模角示意图
1．3过渡区的设计
在铝型材模上有一段长约25mm的联接大头和基本铝型材断面的过渡区，其入口尺寸小于尾端模孔尺寸(沿周边缩小2mm)，而用均匀圆滑过渡的曲线与基本铝型材模孔相联，图4—3—52为带有过渡区的“П”字铝型材的铝型材模孔立体剖视图，图4—3—53为“工”字铝型材模的过渡区，25mm为过渡区深度。如过渡区入口与铝型材模孔之问的联接圆弧的曲率半径R较小时，将形成一段死区，如α-α剖面Ⅱ侧所示，可能在铝型材过渡区部位出现粗晶。为了减少这种粗晶的出现，可把过渡区联接圆弧的曲率半径R增大，使之近似等于金属的自然流动角，如。一口剖面所示。
图4—3—51分模面示意图
(a)——铝型材模；(b)——尾端模
图4—3—52阶段变断面铝型材模立体剖视图
1——过渡区；2——模孔
图4—3—53阶段变断面铝型材的过渡区示意图
R较大，形成自然流动角；Rl较小，易形成死区
1．4模孔尺寸的确定
影响阶段变断面铝型材模和尾端模的模孔尺寸与工作带长短的因素及计算原则与普通铝型材模基本相同，但是考虑到阶段变断面铝型材模具的结构特点，其模孔尺寸均应比普通铝型材模小0.1～0.2mm。为了保证大头部分挤压时的金属流动均匀性，以减少其对铝型材部分根部的影响，尾端模的工作带长度可在很宽的范围内变化(2～25mm)。
模孔尺寸的具体计算可参照以下公式进行，外形轮廓尺寸、高度和宽度B的计算方法同一般铝型材模的计算方法。
Bl=B(1+μ)+K(4—3—18)
Hl=H(1+μ)+K(4—3—19)
式中Bl、Hl——分别为模孔尺寸；
B、H——分别为铝型材公称尺寸；
μ——综合修正系数，考虑到热收缩量，拉矫变形量，模子本身的弹塑性弯曲等因素的影响，对铝合金来说，取0.7～1.0%。
K——尺寸正公差。
b1=b+k(4—3—20)
式中 b1——模孔尺寸；
b——铝型材壁厚尺寸；
K——尺寸正公差。
扩口尺寸l
l1=l–1/2K(4—3—21)
式中 l1——扩口处模孔尺寸；
l——铝型材扩口处尺寸；
K——扩口尺寸正公差。
1．5阶段变断面铝型材模具设计举例
图形卡4—3—54～图4—3—56分别为某飞机上用的7075-T6合金阶段变断面铝型材的产品图、铝型材模具图和尾端模具图。
图4—3-547075-T6合金变断面铝型材图
(a)——大头部分；(b)——铝型材部分
①、②、③——分别为大头、铝型材和过渡区取样处
图4—3—55变断面铝型材模具图
图4—3—56变断面铝型材的尾端(大头部分)模具图
二、大型扁宽壁板铝型材挤压模具设计技术
2．1大型扁宽壁板铝型材挤压模具结构及其特点
1)模具结构
较为常用的有扁模结构系统、圆模结构系统、宽展模结构系统、分流组合模结构系统和带筋管挤压工具结构系统。
(1)扁模结构系统
扁模挤压的主要优点是可节约大量贵重的高级合金模具钢材，由于模子的体积减少，质量变轻，在加工制造时比较轻巧。但用这种模子挤压时，壁板的腹板会明显变薄，其中心部位尤为严重。这是由于作用于模子端面上的摩擦应力(等于塑性变形区的单位流动压力)，使模子产生了弯曲变形。
由于单位流动压力的方向与摩擦力的方向相反，模孔端面上受的力，在很大程度上可用模子端面上形成的倾斜度来平衡。模子端面的倾角通常不应大于7°～l0°。
因为在挤压过程中引起模孔收缩的力是不均匀的，因而模孔变形可出现明显的差异，这种差异沿壁板方向可达0.3mm以上。
(2)圆模结构系统
与扁模子系统相比，圆模子系统具有比扁挤压筒长轴方向上大得多的抗弯矩能力。所以，在大多数情况下，用圆模结构系统来挤压带筋壁板。
图4—3—57为用于50MN挤压机上挤压宽带筋壁板的圆模结构系统及尺寸。
图4—3—57用扁挤压筒挤压壁板的圆形模具结构组件图
(a)——50MN挤压机用；(b)——l25MN挤压机用
圆形模子结构系统包括圆形模子、模垫、模环及与之相配的模支承。
在挤压过程中，把安装在圆形模支承中的圆模子靠近挤压筒的端面。为了确保接触紧密和防止金属溢出，要尽量减少模子与挤压筒的接触面，增大接触应力。
圆模子的变形比扁模子的变形小得多，尽管如此，圆模子仍然会发生相当大的弹性变形，在很多情况下，挤压时还会发生塑性变形。
(3)宽展模结构系统
在没有扁挤压筒的挤压机上，为了挤压外接圆直径大于圆筒直径的扁宽铝型材或壁板，可以在一般的成形模(平面模或者组合模)前边，靠近挤压筒的工作端，增设一个宽展模，宽展模的模腔具有哑铃形断面，呈喇叭形向前扩展。当圆形铸锭镦粗后通过宽展模时，产生第一次变形，其厚度变薄，宽度逐渐增大到大于圆挤压筒直径，然后通过成形模产生二次变形，这样，宽展模起到了扁挤压筒的作用。
(4)空心壁板挤压模系统
随着挤压技术的发展和模具结构的改进，出现了用舌型模挤压法，叉架模挤压法和平面分流模挤压法生产多孔空心壁板的方案。从扩大产品品种范围，提高生产效率和成品率等方面来看，平面分流组合挤压法是生产多孔空心壁板最有效的方法。用这种方法可以在普通型棒挤压机上用实心铸锭通过圆筒法、扁筒法和宽展法获得不同材料，不同宽度，形状复杂，内外表面光洁的多孔空心壁板。
(5)带筋管挤压工具结构系统
在圆挤压筒上用挤压圆带筋管并随后剖分、展开、精整的方法可以生产宽度2m以上的特大型整体带筋壁板。因采用空心铸锭和穿孔针，故提高了挤压筒的比压，但相应减少了铸锭的体积，从而使壁板的长度受到了限制。
带筋管挤压一般在50MN以上的大型挤压机上进行，为了提高产品品质，减少挤压力，提高生产效率，带筋管的反挤压法获得了广泛的应用。
带筋管挤压工具结构与无缝管挤压的工具结构基本相同，主要包括穿孔针系统和模子组件。如果生产内带筋管，则在穿孔机针上应开出筋槽，针的加工和修理十分困难。如果生产外带筋管，则筋槽开在模子上，这与普通铝型材模生产相似，加工、装配和修理都比较方便，因此，在生产中均采用后一种工具结构。
2．2模具设计及举例
1)模具设计
用平板法挤压壁板时的应力应变状态十分复杂，金属流动极不均匀，挤出产品的前端与尾端、中心与边缘的尺寸往往相差很大(有时达0.8～1.0mm)；易产生波浪、扭拧、刀弯等废品，模子易开裂变形。因此，除了合理设计铝型材，严格控制工艺因素之外，对铝型材在平面模子上的布置，模腔尺寸和工作带(阻碍角或助推角)，模子外形等应作合理的考虑。
为了调整流速，合理分配金属流量，改善流动特性，对称型壁板应尽量使模孔截面中心与挤压筒截面中心相吻合。不对称型壁板应适当增加工艺余量，以减少其不对称性。对于腹板厚度不同的壁板，应使较薄的部分靠近挤压筒的中心。
在确定模孔尺寸时，主要考虑热收缩、模孔的弹性与塑性变形，模子的整体弯曲和拉伸矫直时制品尺寸的变化等因素。在挤压壁板时，由于各部分的尺寸变化规律有很大差异，所以在设计时，模孔尺寸应分成几部分来进行计算。比如，带“T”字形筋条的壁板，可以分为两部分——底板部分和筋条部分来考虑。宽厚比大的底板尺寸(包括相关尺寸)，由于模子的弹性与塑性变形、模子整体弯曲的影响，挤压时有严重的减薄现象，减薄的程度与合金成分、壁板的形状、规格、宽厚比、工艺制度、模子强度(模子材料和外形尺寸)等有关，有时达3mm以上。所以在确定底板部分的模孔尺寸时，名义尺寸应加上技术条件所允许的最大正公差；为了补偿弹性和塑性变形，根据壁板宽度及其与挤压筒的相对位置，应把模孔尺寸增大0.8～1.3mm；为了补偿模子的整体弹性弯曲，模孔尺寸应从两边向中部均匀地增加l～1.65mm。
生产实践表明，模孔的整体弯曲主要取决于壁板底板模孔的宽度、厚度及相对于挤压筒中心的位置。在设计模孔尺寸时，一般来说，中心部分应比壁板的名义尺寸大2.5mm左右，而两侧边的尺寸应比名义尺寸大l.5mm左右。
除了底板以外的筋条部分，受弹性、塑性压缩的以及整体弯曲的影响极小，可按普通铝型材的变化规律来设计这些部分的模腔尺寸。为了调节金属流速，改善变形条件，必须合理设计模子的工作带长度，它主要与铝型材设计的部位距挤压筒中心的距离有关，一般取5～15mm。经验证明，对宽厚比大的壁板阻碍角的意义并不大。
为了加速金属向窄流动，弥补挤压模孔的变形，有时在模子工作端面上作6°～8°的助推角，如图4—3—58。
模子强度对壁板的成形和尺寸精度有很大影响，所以要选择合理的模子外形、优质的模具材料和适当的热处理硬度。对于大型挤压机，一般采用如图4—3—59所示的模子外形结构和尺寸，选用3Cr2W8V钢或4Cr5MoSiVl钢作为
模具材料，热处理后硬度为46～50HRC。
2)典型大型壁板模具设计举例
图4—3—59到4—3—62分别为用扁挤压筒法和圆筒带筋管法挤压壁板及空心壁板模具设计方案图。
图4—3—58壁板模子设计中的助推角示意图
β推角，取6°～8°
图4—3—59大型七孔空心壁板模具结构图
125MN挤压机φ650mm圆挤压筒
图4-3-60在200MN挤压机上用1100mm×300mm扁挤压筒挤压壁板的模孔尺寸和工作带图示
图4—3—61125MN挤压机上φ800mm挤压筒挤压带筋管模具图(反向挤压法)
三、航天航空、交通运输用大型特种铝型材挤压模的设计技术
3．1航天航空用大型特种铝型材模的设计
航空航天用大梁铝型材是承受重载的关键结构部件，主要用2XXX系硬铝合金和7XXX系超硬铝合金制造，近年来，越来越广泛地使用6061、6013等6XXX系合金和5056、5083等5XXX系合金。这些铝合金的变形抗力较大，挤压性较差，很难用焊接挤压法生产空心制品。同时，这类铝型材的断面尺寸大，外形轮廓大而且形状复杂，壁厚变化剧烈，对称性很差。这些都给挤压模具的设计带来困难。
航空航天用大型铝合金特种铝型材种类很多，挤压模具的设计方法也各异。图4—3—63为典型的飞机机翼大梁铝型材模具设计方案图。图4—3—64为典型飞机用整体带筋壁板铝型材挤压模具设计图。图4—3-65和图4—3—66为飞机用无缝异形空心铝型材和导弹挂架空心铝型材挤压模具设计图示。
图4—3—62大型空心壁板模具图
(200MN挤压机，φ650mm圆挤压筒，叉架式)
图4—3—63飞机机翼实心大梁铝型材挤压模具设计图示
(125MN，φ650mm挤压筒，2024－T4，阻碍角l0°)
(c)
续(c)
图4—3—64飞机用机翼带筋壁板铝型材挤压模具图示及尺寸设计表
(80/95MN，口670×270mm，扁挤压筒7075-T6)
(a)——设计方案图；(b)——尺寸设计图示；(c)——模孔尺寸与制品尺寸对照表
图4—3—65直升机无缝异形空心旋翼大梁铝型材挤压模具设计图示
(80/95MN，φ500mm挤压筒，6061-T6)
(a)——铝型材图；(b)——针尖设计图；(c)——模具设计图
图4—3—66导弹挂架无缝空心异形铝型材挤压模具设计图示
(35MN，φ320mm挤压筒，7075－T6)
3．2交通运输用大型特种铝型材模的设计
交通运输用大铝型材主要用作车体和其他重要受力部件。一般用6005A、6061、6082和7005铝合金制造。这些中等强度铝合金，其挤压性大大低于6063合金。同时，交通运输大铝型材品种多，大多为大型、薄壁、高精、复杂的空心和实心铝合金铝型材，断面尺寸大，精度要求高，壁厚变化急剧，而且长度一般在12～30m，形位公差很严。这些都给模具设计与制造带来了很大的困难，因此，轨道车辆大铝型材都要求用专用模具来挤压。不仅设计要采用特殊措施和进行精确核对，而且其制造加工也要求采用特种设备和专用工艺。材料一般用4Cr5MoSiVl或3Cr2W8V高强耐热模具钢，经特殊热处理后，达45～50HRC。图4—3—67～图4—3—70为典型的交通运输铝合金铝型材挤压模设计方案图。
四、其他几种常见的挤压模设计技术
4．1宽展模设计技术
宽展模的设计既要考虑金属易流动，能充分填充，尽可能减少挤压力，又要保证有足够的强度，能作为圆挤压筒的延伸部分，在恶劣的条件下进行工作。因此，在设计宽展模时主要应考虑：宽展量△B、宽展变形率δB％、宽展角β、宽展模的内腔尺寸、宽展模的外径DB和厚度HB。计算示意图见图4—3—71。
1)宽展量△B、宽展变形率δB和宽展角β的确定
宽展量△B是铸锭经宽展变形后的最大宽度与圆挤压筒直径之差，△B=B2－DH。
为了发挥宽展挤压的作用，△B应越大越好，但△B的大小又受金属流动、压力的角度传递损失和模子强度等因素的影响，不宜过大。△B的值可根据挤压筒尺寸和挤压机吨位取20～180mm，10MN以下的挤压机取下限，80MN以上的挤压机取上限。
宽展变形率
图4—3—67高速列车车箱用地板铝合金铝型材挤压模具设计图示
(80/95MN，670×270扁挤压筒，6005A-T6)
(a)——铝型材图；(b)——模具设计方案图
B1、B2分别为宽展模入口与出口处的宽度。根据挤压筒的尺寸和比压以及铝型材宽度，δB可取l5%～35%。
宽展角β由宽展量和模子厚度来确定，tgβ=（B2-B1）/2HB为了便于金属流动，减少挤压力，一般应使β与金属的自然流动角相吻合，在λ=10～30的情况下，β可取30°左右。
2)宽展模尺寸的确定
(1)人口宽度B1一般比挤压筒直径小l0mm左右，B1过大会影响产品品质，B1过小则发挥不了宽展挤压的作用。
(2)出口宽度B2应根据挤压铝型材尺寸、宽展量、模子外径和厚度等因素来选择。
(3)宽展孔的高度hB应根据铝型材高度、第一次变形量大小(μ)和模子强度等来确定。一般应保证μ1≤3～5。
(4)宽展模的厚度HB，主要决定于模子强度、宽展角以及挤压力等因素。
3)强度校核与材料选择
宽展模是圆挤压筒的延伸部分，其受力状态和工作条件基本上与圆挤压筒相似，而且没有挤压筒的多层预紧力作用，所以应选择优质高强耐热合金钢制造。一般采用3Cr2W8V或4Cr5MoSiVl钢，保证在500℃的条件下[σb]≥1000MPa，HRC=44～52。为了保证宽展模的强度，必须校对宽展模危险断面处的抗压强度，满足σ压≤0．7[σb]。
图4-3-68地铁车箱转角铝合金铝型材挤压模具设计图示
(80/95MN，φ580mm挤压筒，6005A-T6)
图4-3-69豪华大巴汽车铝型材挤压模具设计图示
(25MN，φ260mm挤压筒，6082－T6)
图4—3—70集装箱铝合金铝型材挤压模具设计举例
(36MN，φ320mm挤压筒，6061－T6)
(a)——上模；(b)——下模
图4—3—71宽展模设计计算示意图
4)宽展模设计举例
图4—3—72为LX725铝型材的宽展模与铝型材模孔图，表4—3—10为其模孔设计尺寸。
图4—3—72LX725铝型材宽展模设计图
(a)——铝型材图；(b)——宽展模设计图
表4-3—10LX725铝型材模孔设计尺寸表(与图4—3—72(a)对应)
|
尺寸 |
L |
H |
B |
b |
S |
S1 |
L1 |
L2 |
|
铝型材名义尺寸/mm 模孔设计尺寸/mm 挤压铝型材实际尺寸/mm |
429+10 439+1 436 |
43±0.6 43.8 43.5 |
51±0.6 51.8 50.9 |
7±0.3 7.5 6.9 |
13±0.4 13.4 13.1 |
6.5±O.25 6.9 6.3 |
60 59 |
116±1.2 118.5 118 |
4．2导流模的设计
导流模又称前室模，其实质是在铝型材模前面加放一个型腔，其形状为与铝型材外形相似的异形或与铝型材最大外形尺寸相当的矩形(见图4—3—73)。铸锭镦粗后，先通过导流模产生预变形，金属进行第一次分配，形成与铝型材相似的坯料，然后再进行第二次变形，挤压出各种断面的铝型材。采用导流模不仅可增大坯料与铝型材的几何相似性，便于控制金属流动特别是当挤压截面差别很大的铝型材时能起到调节金属流速的作用，使壁薄、形状复杂、难度大的铝型材易成形，而且能挤压外接圆尺寸较大的铝型材(如宽展挤压)，减少产品扭拧和弯曲变形，改善模具的受力条件，实现连续挤压，大大提高成品率和模具寿命，特别是对于舌比大于3的散热片铝型材及其他形状异常复杂的铝型材来说，用普通平面模几乎无法挤压，而采用导流模可使模具寿命提高几十倍。
图4—3—73导流模结构图
1——导流模；2——铝型材模；3——模垫
这种模具的主要缺点是金属需经二次变形，挤压力高于一般平面模，因此，主要用于挤压纯铝，或软合金铝型材。除了难于成形的散热片铝型材以外，6063民用建筑铝型材也常用这种形式的模子挤压。导流模与挤压机后部的牵引机构配合，可最大限度的减少铝型材的弯扭变形、简化工艺流程节省工艺装备，从而大大提高了铝型材的生产效率和产品品质。
导流模的基本结构形式有两种，一种是将导流模和铝型材模分开制造，然后组装成一个整体进行使用，另一种是直接将导流模和铝型材模加工成一个整体。可以根据挤压机的结构、产品特点以及模具装配结构的不同，选择不同的模具结构。
导流模的设计原则是有利于金属预分配和金属流速的调整，一般来说，导流模的轮廓尺寸应比铝型材的外形轮廓尺寸大6～15mm。导流孔的深度可取15～25mm，导流孔的入口最好作成3°～l5°的导流角，导流模腔的各点应均匀圆滑过渡，表面应光洁，以减少摩擦阻力。
图4—3—74为模孔通过平模圆心的薄板挤压和配置三种不同型腔的导流模及挤出铝合金铝型材的前端形状。
图4—3—74挤压薄板的平模和配置不同型腔的导流模后挤出板料的前端形状
由图4—3—74第二格可以看出，采用初始设计的导流模腔，挤出铝型材的前端中心部位的外凸量由不加导流模的3.5mm减小到2.5mm。加大导流模两侧端部的圆角半径后，挤出铝型材的前端基本平齐。继续加大两端的圆角半径，并加大中心到两边的开口宽度变化，则挤出板料前端的中心部位出现内凹。这说明板料两侧的流速已大于中心部位。
图4—3—75为一种复杂铝型材配置不同型腔导流模后的试验结果。为克服铝型材前端起皱和波浪等缺陷，导流模型腔不但要在端部加大尺寸，而且在支叉和折弯处也要适当加大，否则会产生局部滞后，有时还可配合在局部减少工作带。试验表明，如导流模型腔局部过大，也要影响其余部分，使出口流速分布不均匀。
以上试验结果表明，平模上配置设计合理的导流模后，可有效地控制变形金属的出口流速，得到合格的挤压制品。
图4—3-75铝型材平模和配置不同孔型导流模挤压件的前端示意图
当导流模(槽)主要起焊合作用时，导流模(槽)的厚度按表4—3—11设计，以保证铝型材衔接处焊缝具有一定的力学性能，使挤压牵引铝型材和随后的拉伸矫直时不拉断，而能安全的连续的作业。图4—3—76为导流模设计的两个实例。图4—3—77和图4—3—78为两种典型导流槽设计方案。
表4—3—11导流模(槽)的厚(深)度H表
|
筒径φ/ram |
115 |
130 |
170 |
225 |
250 |
≥360 |
|
H/mm |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
40 |
图4—3—76导流模设计两个实例
(未注工作带为0.4mm)
图4—3—77双孔等壁铝型材导流槽的设计原则
H=0.7Tmax：Tmin=H
图4—3—78对称挤压导流模(槽)的设计原则
H为导流模(槽)厚(深)度
导流孔的外形应光滑(图4—3—79)，目前有两种意见，一种是外形不允许保留尖角；另一种是内圆角处可以是尖角。一般来说，导流孔外形不光滑，金属在模面上会发生紊流而产生表面应力，或不能同步导流模而出现流线，铝型材经氧化后出现色差。而内圆角处做成尖角的理由是因为这种形式能更好地控制金属流动，当出现表面品质问题时再修成圆角也很方便，所以很多工厂采用图4—3—79所示(a)种形式。
导流腔壁一般是垂直模子平面的。切残料时往往把导流腔内的金属拉出，而使端面出现洞穴，再挤下一个锭时就把空气封闭在洞穴里，而使铝型材表面出现气泡，影响表面品质。当出现这种情况时，可将导流孔做成如图4—3—80所示的形式。导流孔壁与挤压方向成3°～5°角。
图4—3—79导流孔的模腔图
图4—3—80锥式入口导流模图
4．3异形空心铝型材穿孔挤压用模具的设计
1)异形空心铝型材的挤压方法
目前生产铝合金异形空心铝型材的方法主要有两种：一种是用空心圆锭，在挤压力的作用下，迫使挤压筒中的金属从针尖与模孔的间隙中流出而形成无缝异形空心铝型材。另一种是用实心圆锭，在挤压力的作用下，迫使挤压笥中的金属通过平面分流模或桥式舌形模被劈成两股或多股流人焊合室，然后在高温、高压、高真空的条件下重新焊合并流经舌头与模孔间的间隙形成异形空心铝型材。前者是目前生产单孔管材最常用的方法，但不宜生产异形空心铝型材。因为用此法需要严格的工艺润滑，产品内表面不光滑，易产生擦伤、划伤、气泡、起皮等缺陷，壁厚偏差也难于控制，因此，成品率较低，而后者虽内表面品质好，壁厚均匀，但存在焊缝、产品断面组织性能不均匀，焊缝品质不稳定，所以成品率也很低。
为了克服上述方法的缺点，最近几年来，开始时研究用穿孔挤压法生产大型无缝异形空心铝型材。用该法生产的产品，形状复杂，无焊缝，组织性能均匀稳定，内表面光滑，成品率大为提高。例如直升飞机空心旋翼大梁，国内外的传统方法是用舌形挤压有缝空心铝型材，不仅模具的设计、制造十分困难，残料长且分离不便，成品率较低，而且，因有焊缝，组织性能不稳定。特别是整体疲劳陛能低，所以旋翼的飞行寿命短(仅400h左右)，而用穿孔法挤压的无缝空心旋翼大梁，可使旋翼的飞行寿命延长到1600h左右。当然，用穿孔法生产异形空心铝型材仍有不少问题，如偏心、断针、“袋形管”的真空度等等。
2)工具装配图及模具设计特点
(1)穿孔挤压的工具装配简图
穿孔挤压就是在带独立穿孔系统的挤压机上，穿孔针在穿孔力的作用下强制穿透实心铸锭，然后把针尖固定在模孔工作带的适当位置，用挤压轴将挤压筒中的金属挤出针尖与模孔间的间隙而形成空心制品的方法。在125MN挤压机的+650mm挤压筒上用穿孔法挤压Z8X－3的工具装配简图示于图4—3—81中。
图4—3—81穿孔挤压工具装配简图
1——模套；2——模垫；3——模子；4——针前端；5——针后端；6——铜套；7——导套；
8——针支承；9——压杆背帽；10——背帽；11——空心挤压轴；l2——筒内套；l3——筒外套；
14——挤压垫片；15——铸锭；l6——支承环；l7——八方套；l8——导路
(2)模具设计特点
穿孔挤压法的工具装配和模具结构与普通无缝管材挤压法相似，但穿孔挤压时的金属流动特点和应力应变状态以及变形过程中的挤压力和穿孔力的变化有其独特之处，故其大型工具和模具较之一般空心锭挤压的工模具也有一些差别，以下以Z8X－3铝型材为例来说明一下这些差别要点。
①Z8X－3是一种直升飞机用的异形空心旋翼大梁铝型材，其断面积较大(约140cm2)，定尺长(9.5—11m)，形状复杂，尺寸多，公差要求来，(见图4—3—65(a))加之采用无润滑穿孔挤压工艺，要求防止断针和减少偏心，因此给工模具的设计带来了很大困难。
②导向铜套与挤压轴内孔间以及挤压垫片与针后端间的间隙较小，以保证对正中心。
③应调整各螺纹连接部分的公差，确保在紧固状态下工作，使穿孔系统能承受拉、压应力。
④为减缓针后端向针尖的突变，防止针尖变形和断裂，用特制木模在仿形铣床上进行特殊过渡。同时将针尖工作部分由200mm缩短到80mm左右。
⑤为减少穿孔力，减少偏心，改善内表面质量和便于清理残料，对穿孔针，挤压垫片和模子的结构，尺寸进行了适当的修改。
⑥为减少偏心，模具与压型嘴间的间隙公差较一般挤压要小l～2mm。
⑦针尖是控制内孔尺寸、形状和表面质量的关键工具。根据铝型材内腔尺寸及其公差，考虑到线膨胀系数和拉伸量等，Z8X－3铝型材用针尖的形状、结构与工作尺寸等示于图4—3—65(b)中。
⑧模子用来控制铝型材外形，模腔尺寸应根据铝型材尺寸、公差、线膨胀系数和拉伸量来确定。
为防止扭曲、刀弯等对其工作带进行了严格的计算，图4—3—65(c)为Z8X－3铝型材模子简图。
⑨大型工具用5CrNiMo合金钢制造，淬火后硬度为42～46HRC，针尖和模子用4Cr5MoSiVl或3Cr2W8V钢制造，淬火后硬度为44～48HRC。为提高针尖和模子的精度，制作了精度极高的样板，为了提高其表面硬度和降低表面粗糙度，热处理后进行了软氮化处理，氮化层为0.1～0.2mm，表面硬度为900～1200HV。
⑩模具和工具的加热与装配。为降低穿孔力和挤压力，防止断针，防止表面粘金属和提高内表面质量，针尖应加热到350～400℃，其他工具加热到300～350℃，挤压筒温度定温为460～480℃。
工具、模具在热状态下装配。穿孔系统的螺纹部分要拧紧，防止穿孔时松动或损坏螺扣。用转针机构微调穿孔系统，使针尖与模孔工作带严格对中，以保证铝型材各部分尺寸协调。
4．4变宽度宽展导流模
该模的设计特点是在普通的平面模或平面分流组合模的前面加设一个变宽度的有宽展功能的导流模。主要用来挤压薄壁的宽厚比很大的形状复杂的纯铝或软铝合金实心铝型材或多孔空心铝型材。下面以图4—3—82的宽厚比为103的扁宽薄壁铝型材为例子，简单介绍这类模子的设计方法。
(1)确定铝型材在模子平面上的位置并简化铝型材(图4—3—83)。
(2)将铝型材模的型孔划分为若干单元，并编出单元序号，然后计算出各单元模型孔的面积oi和各单元中心至挤压筒壁的最短距离Si。
(3)选择金属最容易流动处中心部位为基础，并取该基础单元所对应的导流模宽为12mm，可算出该处的二次挤压比λ=7.5。
(4)引入公式：
（4—3—22）
式中 λ——第i单元的二次挤压比；
ti——第i单元模孔壁厚的等效宽度，此处，设ti=t0；
图4—3—82宽厚比大的铝型材截面图
图4—3—83简化后型孔图
Li——第i单元型孔的工作带长度，此处设Li=L0；
αi——端部系数，端部单元αi=0.38，非端部单元αi=1
（4—3—23）
由式(4-3-23)求出各单元的二次挤压比λ。
设A1为对应于铝型材模第i单元面积αi的导流模腔面积，则根据公式：
Ai=λiαi(4—3—24)
计算出导流模腔各单元的面积，然后根据各单元的面积和宽度计算出导流模腔各单元的高度。先假设导流模腔各对应单元的为矩形，连接各单元矩形宽度连长的中心点，根据经验处理端部后，即可得到导流模腔的初步轮廓(图4—3—83)。
(5)根据生产实际情况，考虑挤压筒直径、模子外径、产品的表面品质、模具的强度以及导流模的宽展功能和便于铣床加工等因素，将导流模腔的形状作适当简化，并适当缩小端部面积，见图4—3—84。
(6)根据公式计算导流模的厚度H。
H=0.7Tmax(4—3—25)
式中Tmax——导流模腔最大宽度。
根据计算结果，可选择邻近的标准模具厚度。然后按宽展模的要求计算出宽展角度、宽展量等参数，最后得出如图4—3—84所示的变宽度的导流模。
(7)核算修正后的导流模腔各单元的二次挤压比。综合考虑原铝型材图中被简化的部分，根据有关公式和生产经验，设计出铝型材模孔各部分的工作带长度(图4—3—85)。
图4—3—84变宽度宽展导流模简图
图4—3—85铝铝型材模孔工作带长度示意图
4．5半空心铝型材模的设计
铝型材所包围的面积A与铝型材开口宽度W2之比A/W2称为舌比尺，当尺大于如表4—3—12所示数值的铝型材称为半空心铝型材或大悬臂铝铝型材(图4—3—86)在铝挤压时模子的舌头悬臂面要承受很大的正向压力。当产生塑性变形时会导致舌头断裂而失效。因此，这类铝铝型材的模具强度很难保证，而且也增大了制造的难度。为了减少作用在悬臂表面的正压力，提高悬臂的承压能力，挤压出合格的产品又能提高模具寿命，各国挤压工作者近年来开发研制了不少新型模具，现将常用的几种结构介绍如下。
表4—3—12舌比R=A/W2的允许值
|
W |
R=A/W2 |
|
1．O～1.5 1.6～3.1 3.2～6.3 6.4～l2.6 12.7以上 |
2 3 4 5 6 |
图4—3—86大悬臂半空心铝型材示意图
(1)保护模或遮蔽式模(图4—3—87)这种模子的设计是用分流模的中心部分遮蔽或保护下模模孔的悬臂部分，下模的悬臂部分向上突起，其突起的部分与悬臂内边的空刀量为，悬臂突起部分的顶面与上模模面留有间隙b，用来消除因上模中心压陷后对悬臂的压力，从而稳定了悬臂支撑边的对边壁厚的偏差，较好地保证了铝型材的质量。但由于悬臂突出部分相对增大了摩擦面积，悬臂承受的摩擦力增加，仍有一定的压塌。
(2)镶嵌式结构模(图4—3—88)。这种模具结构是将上模舌头的中间部分挖空，而下模悬臂相对的位置向上突起，镶嵌在舌头中空部分里，悬臂突起部分的顶面与上模舌头中空腔部分的顶面有空隙a，其值与舌头的表面和下模空腔表面的间隙值相等，这样可消除因上模压陷而造成对下模悬臂的压迫。悬臂突起部分的垂直表面(相对于模面而言)与舌头空腔的垂直表面有间隙c，两表面处于动配合。舌头底端与悬臂内边的空刀量为b。这种结构的模具克服了上述遮蔽式分流模具的缺点，悬臂受力状况得到进一步改善，只要合理选取空刀量b和a、c值，便能获得合格的产品。
图4—3—87遮蔽式模或保护模结构简图
图4—3—88镶嵌式结构模简图
(3)替代式结构模具(图4—3—89)。这种结构完全将下模的悬臂取消，而以上模的舌头取而代之，在原悬臂的根部处，采用舌头与下模空腔表面互相搭接，完成悬臂的完整性，其形式与分流模完全相同。这种结构的模具加工简便，使用寿命高，更适合那些“舌比”很大而用以上两种模具难于挤压的铝型材。
图4—3—89替代式结构模示意图
4．5铝合金散热器铝型材挤压模具设计技术
1)铝合金散热器铝型材的特点与分类
铝合金的导热性能本来就很好，如果增大铝型材的表面积，那么散热效果会更佳，因此，铝合金散热器铝型材在空调、电子等需要控温的工业中获得了广泛的应用。目前，铝合金散热器铝型材主要分为集中空调和交通运输业用的大型铝合金散热器铝型材和电子及精密机械与仪表工业中使用的小型精密高倍齿散热器铝型材。前者的断面尺寸大，舌比R一般不大于10，宽度为200～800mm，需要在大型挤压机上生产；后者一般断面尺寸较小，而精度更严，舌比R一般大于l0，有的甚至大于20，是一种难度很大的挤压铝型材。
铝合金散热器铝型材多用纯铝或软铝合金生产，因此允许使用宽展导流模挤压。
2)大型散热器铝型材模的设计结构特点与方法
大型散热器上用铝合金挤压铝型材多为实心，其特点是外接圆尺寸大，断面形状复杂，壁厚相差悬殊，散热齿距小而悬臂大。当同一截面的断面比值和舌比(悬臂长齿距=舌比)值及铝型材外接圆直径超过一定范围时，用平面模挤压很难使金属流动均匀，且极易损坏模具。为了解决上述问题，开发研制了几种典型结构的模具。
(1)宽展导流模
宽展导流模(图4-3-90)是在25MN挤压机上用φ260mm的挤压筒挤压的外接圆直径为φ200～340mm的大型梳状散热器铝型材，这些铝型材的平面间隙要求极为严格，舌比较大，而且筋板与齿的壁厚相差悬殊。该种模具采用了宽展结构和导流结构，导流板中心部位比较靠近模孔，而边部呈扇形扩大以调整金属流速。
图4—3—90两种大型梳状散热铝型材的宽展导流模结构方案
1——进料板；2——模子；3——模垫
(2)分流组合模结构
该种结构可挤压如图4—3—91和图4—3—92所示的复杂断面的散热铝型材。这类铝型材的壁厚差过于悬殊，断面比值超过100以上；放射型齿顶处于挤压筒边缘，中心与边部流速差十分悬殊，难以控制；齿多且为波纹状，增大了表面积，加剧了流速控制和成形难度；舌比大，悬臂长和支承刚度难以保证。按常规的方法设计与加工模具显然难以获得合格的产品。为此，在充分研究了金属流动规律、模具各结构要素的作用及其对流动速度的影响与互相作用关系之后，人们研制出了如图4—3—93和图4—3—94所示的结构。图4—3—93结构模具主要用于挤压放射形散热铝型材，其特点是：①按断面形状进行一次金属流量预分配。扩大靠近挤压筒边缘的分流面积，使之呈扇形按一定的范围向中心缩小过渡，以适应中心部分金属重新焊合速度的需要。分流孔边部沿模子直径方向呈一定角度扩展，以加快齿尖的流速，便于在分流空间上为二次填充挤压创造条件。②由于铝型材中心面积过大，为控制该部分的流速，在设计四个分流孔的基础上，再在中心部位加一个φ40mm并带有螺纹状的分流孔，以适应金属二次焊合的流量需要。
图4—3-91放射状散热器铝型材图
图4—3—92大型非对称散热器铝型材图
图4—3—94所示结构模具的主要特点是综合了宽展导流模和平面分流模的功能及优点，采用二次变形(即宽展变形、分流调整变形和挤出成形)的工艺原理设计而成，从而拓宽了挤压工艺范围，提高了模具使用寿命，保证了产品的品质。
图4—3—93放射状散热器铝型材模具结构图
1——进料板；2——模子
图4—3—94大型非对称散热器铝型材模具结构图
1——l号进料板；2——2号进料板；3——模子
3)电子用高倍齿散热器铝型材模的设计特点与方法
该类铝型材属高精度高难度铝型材，必须采用特殊的工艺和设计制造特种模具才能挤压成功。模具材料一定要优质的高强耐热合金钢，必须经过锻造、预处理和探伤。模具硬度不宜过高，且不宜氮化处理。模具设计可根据其形状和技术要求，采用特种导流模、宽展模及平面组合模等方式，对每个尺寸、每个部位的结构和尺寸进行精密计算和调配。如工作带、出口带以及宽展角、导流模尺寸等都要进行精密设计，以精密分配金属流量和流速。此外，在制模时一定要按图纸处处到位，并保证公差。在生产此类散热器铝型材时，修模和挤压工艺的控制也十分重要。
4)铝合金散热器铝型材模子设计举侧
图4—3—95～图4—3—98为各类铝合金散热器铝型材挤压模的设计方案。这些设计图都是经生产实践考验过的，但在选用时应结合本企业的使用条件。
图4—3-95大型铝合金散热器铝型材挤压模设计方案图
(36MN，Φ320mm挤压筒，l070－F或6063－T5)
图4—3—96实心不对称铝合金散热器铝型材挤压模设计方案图
(18MN，φ180mm挤压筒，6063-T5)
图4—3—97高倍齿异形空心散热器铝型材挤压模具设计方案
图4—3—98散热器9孔口琴扁管模子结构图
4．6子母模的设计
子母模就是在一个大尺寸的母体模上，按铝型材的形状与规格将其划分成若干区域，在每个区域上设计子模系统。母体模相对于子模除完成金属流动功能外，实际起第二模支承作用。子母模主要用在大中型挤压机上挤压小截面铝型材。图4—3—99为小截面实心铝型材用子母模结构图，图4—3—100、图4—3—101和图4—3—102分别为大悬臂半空心铝型材和空心铝型材用子母模结构图。
图4—3—99小截面实心铝型材子母模结构图
1——上压垫；2——子模；3——模垫；4——母模；5——销钉；6——母模垫
图4—3—100大悬臂半空心铝型材用子母模结构图
l——上压垫；2_子模的上模；3——子模下模；4——母模主体；5——母模模垫
图4—3—101空心铝铝型材子母模组合示意图
1——上压垫；2——子模上模；3——子模下模；4——母模；
5——子模、母模、模垫圆柱销；6——母模专用垫；7——母模圆柱销
子母模的主要优点为：
①能实现高速挤压和连续挤压；
②子模是工作部分损坏时便于更换，子模体积小，可节省昂贵的合金钢材，缩短制模时间，减少热处理和表面处理费用，从而大大降低成本；
③小体积的子模可用硬质合金、陶瓷材料等新型模具材料制作，从而大大提高模具寿命；
④一个母模体可配备多种子模形式；
⑤对小批量产品，可实现几种铝型材同时组合挤压，以缩短生产周期，提高生产效率和成品率。
图4—3—102空心铝型材用子模结构图
1——上压垫；2——子模上模；3——子模下模
4——母模体；5——销钉；6——母模模垫
4．7改进分流模结构设计的几种新思路
(1)等分流孔设计
为了简化工艺，减少设计、加工与修模的难度，增大试模和修模的可操作性，对某些壁厚差小于3倍的中小空心铝型材模，建议采用等分流孔设计方案，即对各种形状的铝型材，只考虑总的分流比，而不计算子分流比，并使每个分流孔到模子中心的距离基本相等，而且其截面积和形状完全相同或基本相同，在保证模具强度条件下尽量加大分流比，以降低挤压力，减小模具变形，而金属流速主要依靠合理设计工作带、型腔与分流孔的布置和焊合室及模芯形状与尺寸等来调节。成功的实例如图4—3—103所示。
图4-3—103等分流孔设计空心铝型材模具实例
(a)——异形空心铝型材；(b)——l00mm×25mm方管
(2)不等分流孔设计
为了合理分配金属量，调节金属流速，根据铝型材的形状、壁厚和尺寸设计不同形状、大小和离中心不等距的分流孔，在保证总分流比的情况下，还要计算子分流比，使之与铝型材各部分的形状与尺寸相匹配。这种设计方案把分流孔作为调节金属流速的主要因素，因此在修模时主要靠修理分流孔的形状和尺寸，而对工作带的调整作用减小了。图4—3—104所示的方管模是不等腰三角形分流孔设计的成功实例。
(3)预变形设计法
为了合理调节金属流速，矫正铝型材在挤压
过程中发生的不良变形，把模孔形状预先设计成与铝型材挤压时变形相反的方向从而得到符合图纸要求的产品。如图4—3—105所示，图中各参数的关系如下：
图4—3—104不等分流孔设计空心模实例
(o内尺寸为工作带长度)
(4—3—27)
R2=R1+l(4—3—28)
式中l、t——模孔尺寸，可按常规设计方法确定；
δ——设定的预变形量；
R1、R2——分别为下模模孔和上模芯头的曲率半径。
图4—3—105矩形扁管模预变形结构方案图
(a)——按常规设计方案；(b)——带预变形上模芯和下模模孔设计方案
(4)整体式分流模
将分流模的上、下模联成一个整体，由分流套、整体分流模及模座组成(见图4—3—106)，可大大改善铝型材悬臂处受力状态，提高模具强度，但制模难度增大，故只限于悬臂较大的半空心铝型材使用。
图4—3—106整体分流模示意图
(5)导流保护式分流模
它是分流模的一种特殊形式，由上、下模组成，也有焊合室。利用模桥保护铝型材的悬臂，防止金属流动过快，改变焊合室深浅，调整金属流速。它适用于半空心铝型材生产，尤其适用于外形尺寸大，断面形状复杂，壁厚相差悬殊，舌比大的半空心铝型材的生产，如图4—3—107至4—3—110所示。
图4—3—107导流保护模(散热铝型材)示意图
图4—3—108保护式分流模(建筑铝型材)示意图
1——保护模；2——铝型材模；3——模垫
(6)多模孔分流模的新结构
由于受挤压机设备和挤压筒规格的条件限制，当仅有一台机器及仅有一种规格筒径时，为适应各种薄壁小管及形状复杂，尺寸精度要求严格的微型空心铝型材生产，不得不采用多模孔工艺，但多模孔分流模生产中出现的最大难题是壁厚偏差的问题，许多设计者从模具结构、制造、装配方面也想过各种办法，力图解决此难题。
近年来，通过借鉴国外的图例，并进行了反复试验，取得了一些进展，并成功地生产出了4型孔φ1l×l.0mm的小管，见图4—3—110。
图4—3—109保护模(工业铝型材)示意图
图4—3—110四型孔小管平面分流模示意图
两型孔分流模常见的设计结构有两种类型，图4—3—111所示的是各自独立分流孔和部分共用分流孔结构。这两种结构都存在铝型材偏心、成形不良以及挤压阻力大等问题。为了改善成形，香港某公司在10MN挤压机φ150mm挤压筒上挤压25mm×38mm方管时，将两种形式的特点合并，设计出了如图4—3—112所示的独立分流孔结构的模子。受挤压筒限制，各型孔靠边部的焊合室向外扩展；给定预偏心量0.3mm；增大模桥厚度至60mm。生产证明，该种模具成形较好，但阻力大，常出现闷车，且仍存在偏心。为了解决以上问题，近年来开发研制了一种如图4—3—113所示的所谓“模芯整体刚性结构”模。该结构的模子将两模芯 以连接梁结合于一体，位于模子中心部位，并以其他四桥与模子边缘相连。
图4—3—111常见的两型孔分流模结构图
(a)——两型孔独立分流结构；(b)、(c)——各模芯和桥构成叉架结构；(d)——条状分流孔结构
图4—3—112香港某公司设计的双型孔分流模结构图
图4-3—113双型孔新型模芯整体刚性结构模具图
这种新结构的模子将两模芯设置得较紧密，尽量减短连接梁，以使中间部分获得良好的刚性，使其相对于其他四桥成为一刚性整体。这样，模子在受压时，中间刚性部分只会因其他四桥构成的柔性支座的变形而整体下沉，而其本身不会产生挠曲。同时因分流桥处于模圆周相同位置，变形均匀，所以中间部分不会产生倾斜，即模具的弹性变形不影响铝型材的壁厚精度，不会引起流速不均，从而保证了铝型材的良好成形。由于两模芯设置紧凑，以及采用部分共同的分流孔形式，所以分流孔可以开得较大，因而挤压阻力较小。
(7)带浮动芯头套结构的分流组合模
浮动芯头套是由芯头连接杆、浮动套和连接螺母组成的。浮动芯头套在挤压过程中能调节壁厚偏心是借助于浮动套和芯头连接杆之间的间隙而实现的，如图4—3—114所示。当被加工金属在分流组合模焊合室内通过环状模孔流出时，只有在环状模孔隙均匀一致的条件下，才能保证焊合室内浮动套四周的金属流量一致，压力均匀，否则，焊合室内环状间隙较大的一边金属流出量较大，与之相对的另一边流量较少，势必造成焊合室内浮动套四周的金属压力不均衡。由于金属承受的压力不同，从而作用在浮动套表面的径向压力也不均衡。间隙小的一边浮动表面承受的径向压力大，问隙大的一边承受的径向压力小，如图4—3—115所示。由于作用在浮动套表面的径向压力大小与环状模孔间隙出现不均时，借助浮动套的“自动浮动”，必然向压力小的一边即环形模孔间隙大的一边移动，直至环状模孔间隙变得均匀即焊合室内金属的压力趋于均衡为止。
图4—3—114带有浮动芯头套的 图4—3—115当环形模孔间隙出现偏差时，
分流组合模结构示意图浮动套表面所承受的径向压力示意图
1——上模；2——上模芯头连接杆；3——浮动套；l——芯头连接杆截面；2——浮动截面；
4——下连接螺母；5——下模模套；6——下模模块3——管材截面；4——径向压力分布
浮动芯头套能实现模孔间隙偏差纠正的首要条件是浮动套与芯头连接杆必须能够实现“自由浮动”定位，因此，在浮动芯头套的设计时，不仅要保证在挤压过程中芯头连接杆完全与浮动套脱离接触，而且要保证足够的间隙量(即浮动量)才能确保上模模芯与下模模孔产生中心轴线不重合时浮动套的摆动不会受阻(图4—3—116)。
(8)半球形组合模
为了提高平面分流组合模的寿命，将平面分流桥改为半球形分流桥，经计算，模芯和分流桥交叉处的拉应力只有舌型模的1/4，从而有效控制了裂纹的产生和发展。半球形模的质量只有舌型模的10%，但分流孔面积增大，在挤压速度相同时，挤压力仅为舌型模的96%。图4—3—ll7为35mm×35mm×3mm方管半球形模结构方案。
4．8Comform连续挤压用工模具的设计特点
把坯料送人送料辊，坯料沿着模槽(模槽长度大约为送料辊周长的1/4)方向前进，然后进入模具，图4—3—118为Conform挤压法的工具装配示意图。图4—3—119为扇形腔体形成的模槽。
图4—3—116浮动芯头套的组装结构与浮动量示意图
1——上模；2——上模芯头连接杆；3——浮动套；
4——连接螺母；5——分流孔；6——焊合室
图4—3—117方管用半球形模结构方案
图4—3—118Conform挤压法的工具装配图
(a)——挤压包覆铝型材装置图；(b)——挤压管材装置图
1——送料辊；2——模具；3——挤压轴或芯棒；4——挤压制品；5——供坯限制器
当坯料通过送料辊与扇形体的模槽进行拔长时，坯料即产生压缩应力和剪应力。在双辊挤压机中，送料辊分别按正、反时针方向相对旋转，坯料从两边进入挤压模(图4—3—118)。Conform挤压机可生产棒材、线材、空心铝型材、管材以及两种不同金属包覆的铝型材。
Conform挤压机的模具和芯棒一般用硬质合金制造。
易于更换的扇形模具安装在扇形体模槽内，只要更换扇形模具的种类，就可以挤压出不同类型的制品，挤压管材用的扇形模具的内部结构如图4—3—119所示，沿转盘的切线方向运行的坯料，进入模座的进料孔，变为径向运行，而后在出口处被分隔成两部分，在舌芯和模具环绕的空间内挤压成管材。
在Conform连续挤压机上挤压管材所用的组合模一般为锥形叉架模，如图4—3—120所示。
锥形桥是锥形叉架模中最容易损坏的部 件，一般做成“十”字形或“Y”字形如图4—3—121所示；十字臂或Y字臂最小截面处受到最大的压应力作用，而锥形桥与接触处受到最大的压应力作用，为了不使锥形桥与外模接触处压溃，锥形桥的下底面做成图4—3—122所示的形式。
图4—3—119扇形模具内部结构图
1——冷却水；2——旋转轮体；3——模座；4——模具；5——坯料；6——舌芯；
7——舌芯夹紧装置；8——干燥器；9——固定轨道；10——支架；11——制品
图4—3—120锥形叉架模结构图
图4—3—121“十”字形锥形桥示意图
在Conform连续挤压机上生产实心铝型材一般采用平模来挤压。模具外形尺寸较小，单孔模的应用较多。在Conform连续挤压机上挤压空心铝型材所用的组合模一般为锥形分流模，如图4—3—123所示，单孔活叶空心铝型材模的具体结构示于图4—3—124中。
图4—3—122锥形桥下底面示意图
图4-3—124单孔空心铝型材模具结构图
(a)——上模结构；(b)——下模结构
4．9水冷模和液氮冷却模结构设计
水冷模是一种特殊结构的模具，水冷模挤压对于提高硬铝合金的挤压速度进而提高挤压生产效率是一种行之有效而且较为简便的方法。其原理是在挤压过程中通过水冷却或液氮冷却模具，降低变形区温度，以减少硬铝合金挤压时易出现的表面裂纹，从而达到提高挤压速度的目的。目前，在6063合金的高速挤压时，采用液氮冷却模具，可使挤压速度达到l00～120m/min。
水冷模有不同的结构式，如图4—3—125所示。图4—3—125(a)为循环式水冷模，在模子工作带周围设计一个冷却水道，通过循环水来冷却模子，若环状冷却孔距模子端面过远，则冷却效果不好，过近时，则模子强度不够，因而这种结构的水冷模未能获得广泛的应用。图4—3—125(b)为不循环式水冷模，它是从模子出口方向喷水直接冷却工作带的出口区，以达到冷却变形区的目的。但由于水流难以控制，在不需要通水时，虽然关闭水源，因水管内尚留存有一部分水，继续有少量水流从模子喷水口流出，以至使模具因冷却不均而产生裂纹，故这种结构也未获得广泛应用。
图4—3—125水冷模结构形式图
(a)——循环式的；(b)——不循环工的；(e)——水封式的
为了解决上述问题，利用水封挤压的水封入口处有一负压区的特点，设计了水封头水冷模，见图4—3—126。这种模子的结构特点是将水冷模设计成环状喷水，逆挤压方向喷到模子工作带的出15处，形成一个冷却区域，以达到降低变形区温度的目的。
图4—3—126水封式水冷模的工作原理图
挤压时随着挤压制品向前移动，喷出的冷却水通过水导管进入水封头的负压区继而被吸入水封槽沟。在挤压完毕清除残料等辅助工序过程中，水不会滴到模具表面，因而解决了模具因冷却不均而产生裂纹的问题。
通入水冷模孔的冷却水由电磁阀自动控制，其程序是：被挤压的金属开始流出模孔时，打开电磁阀供水，挤压工序接近完毕时，停止供水。若发现模具温度显著降低，发生闷车等现象时，可以用手动阀门关闭水流，待挤压恢复正常时，再开始供水，这种结构的模子，其水冷效果很好，如在16.3MN油压机用φ170mm的挤压筒挤压2A12合金φ20mm棒材时，当铸锭加热温度为400～450℃，冷却水压为0.3～0.4MPa时，棒材的挤压速度可从一般挤压的0.5～2m/min提高到3.9～4m/min，表面不会产生裂纹，从而使生产效率提高一倍以上。
图4—3—127为水冷模的结构形式之一，为了冷却挤压模，用离心泵供给0.3～0.35MPa的冷却水；为防止挤压初期金属冷却，当挤出制品离开模孔0.5～1.2m时开始供水。
近年来，出现了液氮冷却模具的新技术，其工作原理见图4—3—128，图4—3—128(a)为液氮冷却模具装置的管路输送图， 图4—3—130(b)为13本设计制造的LGC(可搬动式超低温容器)装置图。
图4—3—127水冷模的装配结构图
1——支承垫；2——模套；3——冷却水管；4——挤压筒；
5——模子；6——模垫；7——活动头
一般情况下，为简化机加工，氮的进口通道在模垫上加工出来(图4—3—129)，这一系统被证明是很有效的。当然，现在理想的工艺趋向于在模子本体上直接机加工氮的通道，但技术难度大。
图4—3—129模具上的供氮通道位置示意图
1——平模或中空铝型材模；2——模垫；3——液氮或气态氮的进口；
4——气态氮的出口；5——氮的分配通道
在任何情况下，氮的通道布置应尽量保证模具表面上氮冷却介质得到均匀分配，如果不如此，铝型材会产生扭曲变形缺陷，甚至会损坏模具。
必须说明，平模比中空铝型材模有更好的冷却效果，实际上，后者的模芯(舌头)没有被冷却。
一些先进的模具制造厂商，正在进行试验以冷却挤压筒前端部分或中空铝型材模的舌头部分，但由于技术相当复杂，至今未见到工业应用上的良好效果。
可使用液氮也可用气氮冷却模具，图4—3—130为挤压车间氮冷却模具布局。出于经济上的考虑，需将液氮集中储存在一个容器中。
图4—3—130挤压车间模具氮冷却系统的布局示意图
1——液氮容器；2——挤压机；3——液氮管路；4——液氮管(不锈钢)；5——不锈钢套管；6——真空隔热层；7——把氮送到模具内的铜管，用多孔橡胶隔热；8——开关阀；9——热交换器；10——气氮传送管(铁)；11——把气氮送到模具内的铜管
