电机外套铝合金型材挤出模设计与制造

蒋正南

（西南铝业（集团）有限责任公司挤压厂，重庆 401326）

1 引言

铝是地壳中分布最广，储量最丰富的元素之一占地壳重量的8.13%，是铁蕴藏量的一倍多，它比其他有色金属蕴藏量的总和还要多。铝合金材料的强度与钢铁强度相当，但是其密度是钢铁的1/3，导热性能是铁的3倍，吸收冲击的能力是钢的2倍。随着科技的快速发展，轻量化成为未来发展的趋势，因此，铝及铝合金挤压（出）型材是实现轻量化的重要材料，也是应用最早和应用最多的轻量化材料。铝合金的综合性能接近钛合金，但是铝合金成型方便，成本低廉，它有其他合金不可比拟的有点。随着科技的飞速发展，被广泛的应用于汽车工业、现代制造业、国防军工产业等。电机外套铝合金挤压型材具有断面结构复杂、中空等特点，在挤压过程中容易出现流速不均，产品精度不易控制，因此该型材挤出模设计制造至关重要。

2 铝合金型材挤出模设计采用平模和分流模原则

确定采用平面模和分流模的原则：铝型材挤压分流模和平面模是按挤出产品的断面形状是否封闭来分的。一般而言，使用分流模挤出的型材断面形状至少有一个闭合的框，也就是说型材断面至少有一个空心，而平模没有。还有一种特殊情况，当型材断面未封闭，但是近似闭合，留有一小段缺口，这时也可采用分流模，即把缺口用搭接封闭起来。

3 电机外套的铝型材模具设计

3.1 电机外套结构分析

电机外套截面如图1所示。有以下特点：①电机外套型材为空心型材；②电机外套有6个分齿，且齿部与根部壁厚落差大；③电机外套各齿部中心线角度偏差±2°，要求不能出现变形；④电机外套外形尺寸不超过200mm，精度要求高，难度系数较大。

在设计铝合金型材挤出模时，除因考虑模具型腔大小、工作带摩擦力、各圆周流速、模具尺寸强度，还应考虑模具型腔面积的大小，型腔面积越大的部分流速越快。从型材断面分析可知，各部分的截面大小不同，会导致铝料通过模具各个截面的流量和流速不同。铝料受到相同挤压力的情况下，铝料会出现大部分流向横截面较大的地方，而横截面较小面积的地方会出现铝料较少，甚至会出现缺料现象，并且横截面积较大部分流速会比横截面积较小的部分流速快，实心部分流速比空心部分流速快，齿部的流速比根部实心部分慢，设计时必须考虑解决流量与流速不等的问题。当然壁厚相差悬殊，悬臂大的型材，如果模具设计不合理，截面上各部分的金属在挤出模孔时就越容易以不同的速度流出，从而造成型材的扭拧、波浪、弯曲以及裂纹等缺陷而报废，模具也容易损坏。因此，该模具进行优化设计变得尤为重要。

3.2 电机外套型材挤出模设计难点分析

（1）该型材为6070铝合金，属于软合金，挤出过程流速较快，成型较硬合金难以控制。

（2）该型材最大外接圆为ϕ210mm，最大壁厚t1=33mm，最小壁厚t0=7.5mm，最大与最小之比为4.4，壁厚差较大。

（3）图1所示型材有6个突出的齿形，其中又有2个齿面分出2个叉齿，整体呈左右对称结构，根据公式计算型材悬舌比24.4/7.7=3.17,显然舌比大于3的齿面存在危险断面。特别是该截面底部壁厚差较大，最厚达33mm，最薄达7.5mm，加大了危险断面的的危险系数。

3.3 电机外套挤出模设计方案

（1）挤压比的选择。挤压比为挤压筒的面积与型材截面积之比，挤压比反应该型材在该挤压机上的挤压难度程度，通常挤压比在7～150内是可以适用的，挤压比太小，型材制品变形不充分，密度和表面质量都不好，挤压比太大，模具变形剧烈，挤压困难，型材尺寸大小难以保证，甚至会造成堵模，影响模具使用寿命。初定用2,500t挤压机，在ϕ260mm挤压筒上生产，挤压筒面积约为53,066mm2，电机外套截面积约为7,480mm2，由公式可得其挤压比为53,066/7,480=7.09。通常空心型材挤压比在7～45范围内时，分流模模具的使用寿命较长，型材生产过程较为顺畅。

（2）分流比K的选择。分流比的大小直接影响挤压阻力的大小、制品成型和焊合质量，K值越大越有利于金属流动和焊合，也可减少压力，因此尽可能选大值。初步选择内径为ϕ260mm的挤压筒挤压，分流比为分流孔的截面积与型材的断面积之比，而生产型材分流比取10～30较理想，而其型腔截面积约为7,480mm2，分流孔的截面积至少达74,800mm2以上，内径为ϕ260mm的挤压筒最大面积约为53,066mm2，按理来说应选择更大的挤压筒，但是综合考虑我厂机型情况、型材结构、外形长度、经济效益，最终选择2,500t挤压机，内径为ϕ260mm的挤压筒上挤压，考虑到挤压杂质的影响，进料孔控制在ϕ250mm以内。如图2为电机外套挤出模设计图，由于该型材为空心型材的分流模结构，分上模与下模组合模具，由于模具系列已标准化。考虑到模具的强度，需要合理的分配上下模厚度，为此设计下模与上模的厚度比例为3∶2，以保证下模强度足够。由于型材较复杂，模具外形尺寸为型材外接圆的1.45～1.6倍，模具外形尺寸在ϕ305～ϕ336mm内，因此选用ϕ340mm模具。为防止模具在挤压时出现弹性变形，影响成型，保守起见配一个专用垫，因此设计一个专用垫，我厂采用综合强度较低的5CrNiMo钢作为专用垫。

（3）根据型材外形特征，4个分流孔与型材成几何相似性布置；分流孔的大小根据两个原则确定：一是金属填充对应模孔所需金属量的多少，但尽量保证各部分的分流比K分值基本相等（或者型材断面积稍大部分的K分值略低于其它部分的K分值），以便于金属均衡流动；二是金属进入各个分流孔的阻力不宜相差太大，即各个分流孔面积之间不能相差太大。根据分析，由于该型材采用分流焊合挤压生产，该型材模具采用4孔4桥，分流孔平均布局在模具圆周上，将金属分成4股金属流，通过分流孔后在分流模桥下的焊合室内重新焊合。另外采用4孔4桥，模具强度也较好。

（4）由于该型材基本以X、Y轴对称，所以分流孔的布局基本也以X、Y轴对称，采用4个分流孔；正常情况下型材较难成型处应放在桥下，齿部较难成型放在桥下，因此4个分流孔的设计呈上下左右4个分流孔。但是根据金属在挤压筒中的流动规律可知，金属的流动速度在挤压过程中从心部往外圈逐渐递减，金属在壁厚处的流动速度比壁薄处的流动速度大。而该型材齿部的壁厚比环形处的壁厚大很多，因此齿部金属的流速比环形壁厚处的流速大很多，即壁厚差太大，只通过改变工作带的长度来调节金属流速是不够的，很容易在齿的根部产生拉应力，使工作带产生弯曲变形。其次，由于齿部之间的悬臂较大，环形壁厚存在危险断面，采用直接挤压环形壁厚处的分流孔设计将产生很大的挤压力，使环形壁厚处的工作带的悬臂压塌，因此采用直接挤压4个齿部的分流孔设计，模具结构设计如图2所示。

图2 电机外套挤出模结构

（5）焊合室深度的选择。焊合室是金属汇集并焊合的地方，焊合室太浅时，静水压力太小导致焊合不良，焊合室太深，又会影响芯头的强度和稳定性。因此焊合室深度要选择要合适，一般情况下，焊合室的高度为分流桥宽度的1/2～2/3，为使金属在焊合室内有足够大的静水压力，焊合室的深度取30mm，进一步增强焊缝质量。

（6）该型材圆形芯头外圆尺寸为ϕ128.2mm，芯头较大，模具热处理时不易充分，所以采用ϕ50mm深50mm的圆形工艺孔。

（7）模孔尺寸的确定。上模孔尺寸，由于上模芯头为ϕ127mm的圆，且上下左右对称，取收缩率为1%。下模孔尺寸，由于下模有多个小悬臂，且壁厚差较大，在1%的收缩率上再加上弹性裕量。

（8）模具工作带设计。模具分流孔的布局是各个分流孔的金属流速的主要调节方式，而工作带的设计是对金属流速起到辅助调节作用。图3所示为下模工作带设计图。考虑到齿部壁厚较环形壁厚更大，为了对流速起到调节作用，该处工作带从上到下顺时针分别为12mm、22mm、19mm、15mm。环形部分呈中心对称，考虑到环形部分摩擦力大，且壁厚较小，工作带设计短一些，该处为5mm。

图3 下模工作带设计图

4 电机外套挤出模加工工艺

上模、下模及专用模垫加工工艺流程：上模加工工艺：粗车外圆→在车槽内打印→镗起吊孔→检查尺寸→划模具中心线、分流孔、螺销孔定位线、打印记号→车芯头→钻螺纹孔、销子孔及分流孔工艺孔→精铣分流孔、芯头颈部→检查尺寸→热处理→磨分流模上下端面及芯头表面→成品检查。下模加工工艺：粗车外圆、端面、止口，焊合室工艺圆→划模具中心线、焊合室型腔线、螺销孔、钼孔定位线→镗起吊孔→检查尺寸→粗铣焊合室→钻螺纹孔、销子孔→热处理→磨上下端面→精铣焊合室→划模具中心线→线切割型孔→加工电极→电火花加工空刀、工作带。专用模垫加工工艺：粗车外圆、端面→划模具中心线、型腔尺寸线、螺孔定位线、销孔定位线→钻起吊孔→铣型腔→铣键槽→钻螺纹孔、销子孔→热处理→磨上下断面，精车外圆。模具装配：抛光→上、下模配合确定型腔壁厚→用螺栓、销子连接上模、下模→精车上、下模止口→抛光→组装→检查尺寸→交货。

5 试模及修模

5.1 试模效果

（1）第一次试模使用6070合金挤压，两个圆弧半径为R0.5～1.5mm，不合格，由线切割进行修改R尺寸。

（2）第二次试模还是使用6070合金，挤压出的制品无大的波浪、弯曲、扭拧等缺陷，精度合乎图纸设计要求。

5.2 模具氮化

试模合格后的模具要及时进行氮化处理，提高其表面的光洁度和抗磨能力。把握模具的氮化程度，一般情况下要求氮化层厚度达0.15mm左右，模具氮化次数不宜超过4～5次，氮化次数过多会把模具工作带的氮化层拉掉或拉成沟槽，影响挤压件表面质量，氮化次数过少，工作带会产生脱皮。

6 结论

与其它铝型材相比，电机外套型材挤压时很难成型，更容易偏齿，从而导致模具寿命短、产量低，所以挤出模的设计与制造成为复杂截面形状的电机外套制造的难点和重点，而模具的精密制造是保证得到合格电机外套挤出件的关键。采用先进的高精密数控加工中心，配合良好的加工工艺，可以提高精度减少误差，使模具壁厚均匀，提高生产效率，节约生产成本。CNC数控设备很好地解决了手工铣床加工精度不高、易偏差等问题，为提高模具质量和成品率奠定良好的基础。