一、模具在挤压生产中的重要地位
在现代化的大生产中，模具和模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义。模具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，模具的设计与制造品质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。具体表现在以下几方面。
(1)合理的模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础，在目前的条件下，还不能想象无挤压筒、无模具的挤压工艺。
(2)模具是保证产品成形，具有正确形状、尺寸和精度的基本模具。
(3)模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一。
(4)合理的模具结构、形状和尺寸，在一定程度上可控制产品的内部组织和力学性能，特别是在控制空心制品的焊缝组织和力学性能方面，分流孔的大小和形状以及其分布位置，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，对控制产品的粗晶环和缩尾、成层等缺陷也有一定的作用。
(5)模具的结构形状与尺寸对挤压时金属的流变、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、产品品质和减少能耗有重大作用。
(6)合理的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。
(7)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，不断提高挤压技术水平起着很大作用。如扁挤压筒、舌型模、组合模、多层预紧应力模、变断面模等。
(8)高比压优质圆挤压筒和扁挤压筒及特种型材模和异形管材模的设计与制造技术是铝合金挤压生产的核心和关键技术，其技术含量占整个挤压技术的比例很高。
(9)对于中等批量的挤压产品，模具的成本往往占挤压总成本的30％以上。如将其使用寿命提高5～10倍，则产品的成本可大幅度下降。
二、铝型材挤压模具技术的发展水平与趋势
1．铝型材挤压模具技术发展概况
随着铝合金挤压材向大型化、复杂化、精密化、多品种、多规格、多用途方向发展，对挤压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，研制成功了多种抗拉强度(σb)达1500 MPa以上的高级耐热高强度模具材料，而且发展了多种大型的基本挤压模具，这些模具便于装卸，先进可靠，但结构形状复杂，尺寸规格大，难于设计和制造。如200 MN卧式挤压机上配备的口300 mm×1600 mm×2500 mm扁挤压筒，由三层衬套红装而成，外径为Φ3000 mm，净重达l40 t，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l000万元以上。与口300 mm×l600 mm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模具，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。
为了提高模具寿命，发展挤压技术，各个国家对模具的设计、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技术已进入实用阶段。
随着科技的进步、电子计算机技术的飞速发展和挤压理论与技术的提高，铝合金挤压模具设计与制造技术提高到了一个相当高的水平。表4—1—1列出了国内外挤压模具技术的发展水平和主要差距。
表4—1—1 国内外挤压模具技术的发展水平和主要差距表
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水平 指标 |
国际先进水平 |
国内目前水平 |
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设计理论和 方法 |
普遍采用动态热分析，有限元和电子计算机分析计算，研发出了多种新结构模具 |
基本采用传统方法，开始研究和开发新理论、新方法，开始重视新结构模具研发 |
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CAD/CAM 技术 |
普遍推广应用CAD/CAM技术，并以二维向三维发展，开发了大量的平面模和组合模及其他结构模具的应用软件且商品化 |
已开发出简单形状的平面模和平面分流组合模的二维实用软件及导流模的应用软件，正向三维推进 |
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新结构大型 模具 |
广泛采用高压优质圆、扁挤压筒，固定挤压垫、快速换模装置及高效反挤压模具 |
开始研发扁挤压模具和固定挤压垫及快速更换装置 |
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模具材料 |
以Hl3及改进型钢为主，采用电渣重熔、炉外在线精炼，冶金品质稳定可靠，并开始研制陶瓷、高温和粉末合金等新型模具材料 |
以4Cr5MoSiVl替代3Cr2W8V钢，冶金品质正在逐步提高，同时开始开发新型模具材料和陶瓷材料 |
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模具加工技术 |
机加工、电加工和热加工水平很高，机床的NC/CNC程度达95%以上，实现全线自动化生产 |
推行机一电一热综合加工方法，传统的手工加工法仍占有一定比重，机床的NC/CNC程度为50％左右 |
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热处理技术 |
普遍推广预处理、真空和保持气氛热处理。开发出了等温淬火、多次回火等新工艺 |
传统热处理方法占60%以上，开始采用真空、保持气氛热处理工艺，并开始研发新热 处理工艺 |
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表面处理技术 |
普遍采用各种表面处理技术，可处理窄缝(0.6 mm)模孔，表面硬度可达2500～4000HV |
开发并正在推广几种有效的表面处理技术，可处理0.76 mm以上的窄缝模孔，表面硬度可达2000～2500HV |
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生产方式及专 业化标准化程度 |
高度专业化集约化生产，专业化标准化程度达85%～95% |
多采用大而全、小而全生产方式，专业化、 标准化程度仅40%～50% |
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模具平均使用 寿命 |
平面模：30～50吨/每模以上 组合模：20～25吨/每模以上 |
平面模：l0～20吨/每模 组合模：5～15吨/每模 |
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挤压材成品率 |
85%～90% |
75%～82% |
2．铝型材挤压模具技术的发展趋势
近年来，模具技术作为铝合金挤压技术的一个重要方面得到了全世界的普遍重视，不少科学家、专家和工程技术人员对模具技术的各个领域进行了全面的系统的深入的分析研究，并获得了重大的进展。归纳起来，铝合金模具技术正向以下几个方面发展。
1)开始创立一门独立的模具学科，形成了一套完整的模具技术体系。
2)研制新的模具材料与改善熔炼、铸造、锻造、加工和热处理工艺结合起来，仍然是改进模具材料发展的方向。如离子氮化处理和表面硬化处理等技术的出现，使一些普通的模具材料获得了新的发展。
3)新结构模具的设计与研制是发展挤压模具技术中的最有生命力的因素，因此，也是世界各国研究最活跃的课题，如减少应力集中的分瓣扁挤压筒的研制，大型挤压轴的镶拼结构和组合结构，自动装卸和自动调心的穿孔系统的设计，TAC反挤压模具的设计，各种平面分流组合模新型结构的研究等，都被列为许多国家的重要研究课题。
4)随着挤压机的大型化，各国对模具的大型化也正在开展广泛的研究。
5)简化模具的装配结构，实现自动化更换与装卸，缩短辅助时间是实现全机自动化和生产线自动化连续化的重要方面，正越来越得到挤压工作者的重视。
6)改善模具的使用条件、加强模具的维护和提高模具的修理技术也是目前提高模具技术的发展趋势之一。如寻求良好的润滑剂和工艺润滑条件，用水和液态氮等降低模温、补焊和机械抛光等技术在各国获得了发展。
7)应用模拟试验方法和最新的理论方法来分析挤压加工中的应力应变状态和温度分布规律，寻求新的模具结构和校核模具强度也是模具技术上的重要发展方向之一。
8)电子计算机技术普遍用于挤压模具技术是最重要最有前途的发展趋向之一。挤压模具的电子计算机辅助设计(CAD)是模具优化设计的关键技术，是使模具设计工作由单个的手工的作业变成连续的自动化作业的唯一可靠的途径，而且能保证设计的模具合理而经济。挤压模具的电子计算机辅助制造(CAM)是将数控机床的机加工、数控电火花一线切割加工、离子氮化处理等工序连续地自动地进行作业，是目前最先进最有发展前途的制模技术，可以预料，在不久的将来，挤压模具的电子计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)将在铝合金挤压技术中获得最广泛的应用。
铝材挤压模具的设计制造是一个由产品模型到生产工艺装备的逆向过程，一副模具制造完毕后往往还需要经过多次的试模过程，才能符合成形工艺的需要，达到产品的尺寸和质量要求。试模、修模的次数直接影响模具的生产成本和生产周期，如何及早发现设计方案的不合理处，减少试模的次数，以满足市场对模具质量和交货期日益苛刻的要求，成为了一个非常突出的问题。 数字模拟CAE技术的出现，为解决这一问题提供了有力的技术支持。通过减少实际的试模次数，将会大大缩短模具的交货期。在模具设计过程中加强前期的分析仿真，将会提高成形工艺和模具结构设计的水平，减少试模的工作量，降低模具制造成本，缩短模具新产品的设计制造周期。 我国模具行业现己广泛地采用了CAD／CAM技术，在应用中取得了显著效益。目前，较有规模的模具企业都已采用了CAD／CAM技术，在模具设计中甩掉了图板，采用CAM技术加工复杂模具型面。经济实力较强的模具企业已开始应用高速加工机床加工模具。
