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摘要：本文對鋁擠壓模具設計中蝶形模具的應用進行分析，首先根據模具結構構建模型，包括型材外形與結構設計、數值模擬模型構建與模擬結果對比三個方面，通過案例分析的方式，對蝶形模具在方管類型材、多型腔硬質鋁合金型材、非對稱多型腔型材等型材設計與生產中的應用優勢與效果進行闡述。
引言
現如今，蝶形模具在鋁擠壓行業的應用頻率逐漸提升，越來越多鋁業企業開始注重類似模具研發。此類模具的主要特征在于弓形橋結構，從俯視的角度看與蝴蝶翅膀相似，具有較強的藝術性，將其應用到模具設計中可提供最大的分流比，促進分流橋下金屬流動，提高結構強度，取得更加理想的設計效果。
1模具結構設計與模型構建
1.1型材外形與結構設計
本文采用建筑幕墻立柱鋁合金型材，該型材的應用范圍較廣，高度為65mm，寬度為169.5mm，最小壁厚為3.0mm，外接圓直徑為準175.7mm。根據分流組合模要求，與蝶形模具優勢相結合進行設計，包括焊合室、分流孔外形、分流比、工作帶等等，模具外徑為準328mm，上下模的厚度分別為110m和87mm，下模焊合室的深度為25mm。蝶形模具受擠壓作用影響，金屬流動、外形、模具應力等均會發生改變，根據同等尺寸設計出傳統分流模，為鋁合金金屬在流動過程中溫度、形變、應力、速度等方面發生的變化做對比。傳統分流模的上層使用矩形邊緣分流橋，而蝶形模采用拱形分流橋，整體流線較好，具有分層導流結構，可使金屬流動性得以改善。將分流橋設計成拱形圓弧面，模具端下方沉降10mm，橋中心位置以橋面為標準再降低15mm，使橋下潛藏的金屬供料得以改善。而傳統分流模的下模與蝶形模結構相同，在分流面積、寬度、深度、焊合室等方面設計均一致。
1.2數值模擬模型構建
通過有限元數值分析軟件HyperXtrude進行數值模擬，構建分析模型，如鋁合金流體、上下模分流組合、材料參數、擠壓工藝等。為了使模型更加精簡，在構建三維模型時可忽視幾何特征，利用Solidworks軟件構建三維模型，以step格式輸入到HyperXtrude中，便可構建出完整的幾何形狀。該模型主要包括兩個方面，一方面是金屬流體，另一方面是模具，其中金屬流體包括鋁合金鑄棒、焊合室金屬、出口型材金屬等，從模擬結果中可將金屬徑向或軸向溫度、壓力、屈服應力等表示出來。模具分為兩個部分，即上模與下模，模擬結果可對模具多個位置的溫度、變形情況、應變參數等進行描述[1]。
1.3模擬結果
（1）上下模應力模擬對比
在擠壓過程中，將傳統分流模與蝶形模進行應力數值模擬分析，從模擬結果可知，二者在擠壓過程中上模與下模的等效應力分布不均，上模高應力區域分布在分流橋以及橋體上部與模具相連處，而下模部位主要為焊合室、4個橋墩位置，最大應力存在于橋下與模芯根相接位置，此處應力最為集中，很容易在擠壓作用下出現裂紋。根據應力模擬結果，蝶形模中最大應力數值為1248.4MPa，與傳統分流模相比，數值從1348.3MPa下降到99.9MPa，降低幅度為7.4%，這意味著蝶形模具有較為均勻的應力分布，可使模具的使用期限得以延長。
（2）模具彈性變形模擬對比
在彈性變形穩態方面，傳統模具與蝶形模具在擠壓生產中均呈現對稱變形的情況，上模彈性變形主要集中在模芯、分流橋位置，變形量從中心向四周遞減，順著擠壓方向從橋上逐漸過度到橋下，模芯位置最少。下模彈性變形主要集中在焊合室側壁、分流橋墩位置，變形量從中心向四周遞減。在實際工作中，產生的變形量在0.002~0.003mm，不會對金屬正常流動產生不良影響。從模擬結果可知，蝶形模彈性變量最大值為0.455mm，與傳統分流模相比，變形量減少0.068，降低13%左右?？梢姡至鳂蛭恢玫淖冃吻闆r不夠明顯，上模模芯具有較強的穩定性，與傳統分流模相比，蝶形模在剛度與強度上均存在較大優勢[2]。
2鋁擠壓模具設計中蝶形模具的應用案例
2.1方管類型材
在對方管型材進行模具設計時，可將蝶形模具的優勢充分發揮，與傳統模具相比在結構上更具優勢。對于大截面方管型材來說，模芯外接圓的直徑與擠壓筒直徑較為相似，在生產過程中分流橋壓力也遠遠超出氣壓型材模具。在設計過程中，首先要盡量減少擠壓作用的影響，提高模具結構強度。失敗的模具大多因分流橋斷裂而成，甚至上機直接將工頭擠掉，不但使生產效率受到影響，還會為操作者構成嚴重的安全危險。例如，某廠在使用36MN擠壓機生產時，外接圓直徑設置為準322，模具規格為準480mm×290mm，擠壓系數為33。如若采用傳統設計方法則可設計4~6個分流孔，如若設置4個分流孔，雖然擠壓力度減小，但模具結構強度受到影響，增加裂橋概率，縮短模具使用期限；如若設置6個分流孔，雖然模具強度相對提高，但因分流孔數量較多，擠壓增加，使生產效率降低。在實際生產中，為了利用較少的成本獲得較多的效益，可將蝶形模具引入其中，設置6個分流孔，但分流比卻遠遠超過傳統模具，4個主橋、2個鋪橋的設計在結構強度上與優于傳統模具。在設計過程中，模具入料面中心降低25mm，左右兩側鋪橋降低45mm，橋頂設計成全圓角，主橋中心處降低10mm，采用此種結構設計可使橋體均勻受力，使橋體擠壓力度降低。根據上述方案進行設計，將其投入到生產后與需求充分適應，生產擠壓力始終不超過200MPa，且流量分配合理，達到理想的使用效果[3]。
2.2多型腔硬質鋁合金型材
此類型材主要的結構特征在于，外接圓直徑與擠壓筒直徑的相距較近，長度與寬度之比較大，型腔數量眾多，內筋壁的受力不夠均勻，甚至出現偏壁等情況，在擠壓生產過程中使隱蔽位置的填充難度提高。為了解決上述問題，使每個模芯穩定程度得到有效控制，可使用多分流控供料的方式，但該結構的擠壓力度較大，有時會出現無法擠壓情況，對此可將蝶形模具引入其中，充分發揮此類結構的特征，使多孔模分流孔面積得以提升，擠壓力度降低，加速隱蔽處金屬流動速度，從而使型孔的各個位置流量得以均衡。將設計好的模具投入生產中，生產中的型材壁厚均勻有力，且不存在偏壁情況，產品在尺寸、質量等方面均符合標準。
2.3非對稱多型腔型材
該類型材的斷面較為復雜，擠壓模具設計難度較大，同樣可將蝶形模具引入其中，充分發揮模芯穩定度方面優勢，在27.5MN機臺上進行生產。在擠壓生產中存在難點，即型腔的大小不一，壁厚差距較大，尺寸精度要求嚴格等。要想使型材設計成品充分滿足金屬供料要求，需要對懸臂擠壓彈性變量、小模芯偏移量等進行有效控制，否則很容易出現面不平、壁厚差距過大等情況，型材在冷卻后還可能出現直線度超差等問題。對此，應在傳統設計理念基礎上，將蝶形模設計理念加入其中，將坯料從入料口輸入后，在模具內部分為8股金屬，使各個位置供料更加均勻；將假模芯保護安裝在懸臂位置；將大臂厚處進行隱蔽，并延長供料長度；中間位置開設小型分流孔，提高中部壁厚供鋁量。該模具在設計完成后投入使用，料頭顯示各項指標較為均衡，在對其進行熱處理后，平面度、直線度均與實際需求相符合[4]。
3結論
綜上所述，在鋁擠壓生產過程中，蝶形模具的應用效果十分良好，具有較大的推廣價值，可在方管類型材、多型腔硬質鋁合金型材、非對稱多型腔型材等多種型材設計與生產中應用，可使出料擠壓力顯著降低，使擠壓速度與工作效率得到有效提升。在未來的發展中，企業與技術人員還應對此加強重視，使該項技術得到進一步的完善與推廣。
參考文獻
[1]方可.蝶形模具在鋁型材擠壓模具設計中的應用[J].輕合金加工技術，2017（9）.
[2]華天潤，姚垚，李浩然，等.數值仿真法在鋁型材擠壓成形模具設計與優化中的應用研究（英文）[J].機床與液壓，2016，44（12）：88-95.
[3]魏紅芹，婁臻亮，彭穎紅.KBE技術在鋁型材擠壓模具設計中的應用[J].機床與液壓，2003（5）：103-104.
[4]丁司懿，周照耀，潘健怡，等.ALE有限元法在鋁型材擠壓模具優化設計中的應用[J].熱加工工藝，2012，41（19）：215-218.
作者:鄭健全 單位:廣東興發鋁業有限公司