轨道车辆大型铝合金型材模具的设计与制造技术

发布时间:2021-09-25 22:20:14

2003NQ3总第150期

加工工艺

‘铝加工'

轨道车辆大型铝合金型材模具的 设计与制造技术
饶茂刘静安

摘要:大型型材挤压模具设计与制造是轨道车辆大型铝舍金受材生产的关键拄木.作者以典型的难度较大的唐板量 材GDX一1l为倒.对大型模具的设*峁共沃潞统叽缟杓*辛松钊敕治觥2⒍怨>卟谋缂叭却碛肽>咧圃旃ひ 和修模技木进行了讨论.研制出了合格的GDX-儿大型材.

关键词:大型挤压模具;分流孔;金属流动}设计与翩造

The Design and

Manufaction

Technology of

Extrusion Dies of Aluminium Profiles for Railway Vehicle
RAO Mao
LIU Jlng-MIB

(Southwest Alumlnium(Group)CO.LTD..Jlulongpo,Chongqlng,401326)

Abstract;The

design and

manufaction
typical base

of

extrusion

die

are

the

key technoloSy


of

the

large

aluminium profiles
and size

for

railway vehicle.Taking the deeply arealso analyzed

profile

GDX?11

for

example

the

design

parameters

d8蛳are

in this paper?The die

materials?heating treatment-manufaction
sizeare developed.

process

and repairing technology

dLscussed?ThequalifiedGDX-1l profileswnhlarge

Key words:large extrusion

die,part

hole;metal flow;de.sign

and

manufaction

前言
大型车辆型材模具设计与制造技术是车辆用大 型铝合金型材生产关键技术中的核心技术。地铁、 高速列车车辆型材的品种多,精度高,要求性能和 焊缝质量好,扃宽壁簿且形状复杂,空腔多且壁厚 相差悬殊,这些都给模具设计与制造带来了极大的
收甍B期一2003一04一16 作者苗弁,饶茂(1966一),女。四川由扛人.西南龆特种型材公

困难。挤压时,极易造成堵模,把模具压裂或压 断;设计不合理,金属流动困难,焊合不良,型材 产生波浪、扭曲、刀弯等缺陷?严重影响产品质 量.因此,国内外都把模具的设计和制造作为重大 课题来进行攻关.但目前只有蔼国的模具技术比较 成熟,意大利、韩国、日本等国家也处于比较钡先 地位。我国大型特种型材模具技术尚处起步阶段, 模具技术的研橱开发成功,对地铁和高速列车的国 产化具有非常重要的意义.

基盎埂目,国家甘赛高新技术开发项日(计高技?
号)

甚奋。,.=煞富拼特+;,。,,。。。.
万   方数据

78991907难及点特的材型1 1[析分度



……’

’……’

《铝加工)

加工工艺

2003N9-3总第160期

1.1轨道车辆型材产品的难度分析 轨道列车车辆型材品种多,结构复杂,大多数 型材宽度都在400~600mm范围内.最宽的一种型 材尺寸为618mm,且均为空心型材。型材的壁厚 也很不均匀,同一型材中最大的壁厚为15ram.最 小壁厚为2.5mm。型材的宽厚比也非常大.最大 的宽厚比达80以上。这些都使得金属的流动成形变 得非常困难。并且轨道车辆对型材的外形尺寸精度 和形位公差等的要求也很严。型材长度25ram t要 求装饰*面问睬小于2mm;纵向弯曲全长不大于 4ram;侧向弯曲度全长不大于6ram;扭拧度全长 不大于4ram。力学性能必须符合表l的规定。 1.2型材的特点 地铁、高速列车车辆型材的品种多.精度高, 要求性能和焊缝质量好,扁宽壁簿且形状复杂,空 腔多且壁厚相差悬殊”。。底板型材是国产化地铁型

材中很典型的一类型材,也是车辆型材中难度系数 很大的一类型材。 哀l车辆铝台金型材的力学性能指标
供应和 试样状态 壁厚
mm

台金牌号

屈服强度院拉强目黯廷伸率鞋仲率 吒一,lPal oJMPa l 6/,;16一%
不小于

≤5
6005A T6

255 250 350

215 200 290

8 8 10

6 6 8

)5~15
7005 T5

≤40

GDX一11型材是底板型材之一,属扁宽薄壁空 心型材,宽518ram,高70ram,断面积为60.
07cm 2。型材宽厚比很大,且太靠*挤压筒边缘,

成形非常困难。图1示出了GDX一11型材的断面。

图1

GDX一1l型材断面圉

GDX-ll型材的壁厚太薄,最薄的尺寸只有2. 5一。smm,而且是不易充填的斜筋,斜筋长度达到 106mm。上下两个大面的壁厚为2.u一“‘mm。型材 断面复杂,共有7个空心孔。但形状比较对称,对 金属流动有一定的好处。

900ram的模具挤压,模具由上下模、模垫、挤压 前环组成,总装配厚度为760ram。模具尺寸分别 为:上模:巧900ramX260ram(180ram);下模: 巧900mm


170mm(150mm);模垫:9900ram×

180ram}前环:彰1046ram×300rnm。 2.1.2分流孔的设计 在分流模各参数的设计中最重要的是分流孔的 确定,分流孔数量一般根据型材的特点、空腔的多 少来确定o]。分流孔应尽量开在型材成型困难的部 位。以底板型材GDX一1l为例.主要考虑金属流动 较慢的部位,就是型材内腔的6根斜筋、两边的立 筋以及两端头部分。因此,在分流孔的布置上采用 分流孔正对斜筋的部位。以便金属能直接充填进 去,减少阻力。型材两端离挤压简边缘很*,金属 流动缓慢,在尽量加大分流孔的同时考虑采用宽展

2模具设计
2.1模具的设计方案 2.1.1模具规格的确定 由于轨道车辆型材大都是空心型材,因此模具 多用*面分流模结构。在80/95MN油压机上挤压 用模具主要采用彰500mm、巧700ram、彰900ram 规格的*面分沆模,总厚度为760ram。 底板型材因为宽度很大,所以必须采用∥
?2?

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加工工艺

‘铝加工'

的方式把金属多引一些到两端头部分。为了减小挤 压力,分流孔应尽量加大,扁挤压筒的内孔尺寸为
670ramX

利于*衡金属的流速。设计分流孔的数目不宜过 多.孔数太多会增加挤压力,太少又会降低模具的 强度。分流孔的大小也应尽量均匀.要重点考虑两 边靠挤压筒的分流孔,挤压筒两端的金属流动较中 间慢,因此两边的分流比应大于中间的分流比。综 合考虑,分流孔共设计为9个孔,如图2所示。

270ram,因此分流孔的左右边缘尺寸最

大可设计到650ram,上下边缘尺寸可设-计到
250ram。

分流孔的形状组成应尽量接*型材的形状。有
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2.1.3焊合室的确定 50ram深的焊合室。

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GDX一11分流模设计圈

使型腔的6条斜筋能充填均匀,在设计引流槽及小 蒜头颈部时尺寸设计得较大,以加大金属的流入。 芯头颈部上焊合的孔高40ram、宽20ram,引流槽 长约70ram呈21.456的喇叭形。 2.1.5分流桥的设计 分流桥在设计时,由于中问的分流桥跨距很 大t从整个模具的强度考虑,设计得较宽为 80ram,上面的桥宽设计为50ram,下面的分流孔 为5个比上面的多,分流孔的面积更小,因此下面 的桥宽确定为38ram。并且桥墩比较靠*中心,减 小跨距以提高模具的强度。 3.2模孔尺寸的设计 模孔尺寸设计如图3和表3所示。 外形尺寸可按公式:A=(1+K)A。计算,其中 K为经验系数,A。为名义尺寸”1。 壁厚尺寸按常规为名义尺寸,设计GDX一11模
?3?

焊合室的设计有两种方式,一种是上下焊合 室;另一种为只有下模设计焊台室。国外的模具。 焊合室一般采用上下焊舍的方式,即上模的分流桥 比桥墩高]0ram~20mm.形成上焊合室,下模焊 合腔深度30mm~40mm,与上模一起形成40mm~ 在设计GDX一11模具的焊台室时,考虑只在下 模设计焊合室,这样容易加工。因为最大分流桥竟 为80ram.为有利于金属的焊合以及提高焊缝的质 量,焊台室的深度设计得比较深,深度为50ram。 另外,为了扩大焊合室的外侧尺寸,便于两端头部 分及两根立筋的金属供给,在上模分流孔外侧还设 计了6.7。的斜度。 2.1.4芯头的设计 GDX一11模具的模芯由7个小模芯组成,为了

万   方数据

‘铝加工,

加工工艺

2003№3总第150期

田3

GDX一型材模具模孔尺寸

孔时,考虑到型材壁厚太薄,特别是中间的6条斜 筋以及两端的立筋充填较困难,根据经验,加上了 适当的修正值. 2.3模具强度校按 根据抗弯强度、抗剪强度校校公式对模具进行 强度校核,计算结果表明,模具强度是合格的。

两*面一铣:铣*芯头顶部*面一划芯头四周加工 线一电火花加工芯头工作带、出口带、引流通槽和 斜槽一打磨抛光引流槽、分流孔一精车止口。 3.2.2下模 粗车:车外形、止口一划线一钻螺孔、销孔、

通孔一铣焊合腔、键槽一打磨并抛光焊台腔一热处
理一精车模具外形一铣焊合腔至图纸尺寸一打磨并 抛光焊合腔一划线一切割模孔一电火花.加工出口 带一钳工抛光工作带、出口带。 3.2.3上、下模合模装配 合模调壁厚一加工销孔一配销子,并合模一以 下模为基准找正后,配车上模外圆一以下模键槽为 准电火花加工上模键槽。 模具加工完毕后,模孔尺寸均符合图纸要求。 模具热处理后硬度为:上模HRC45—46,下模
HRC45—46.

3模具制造技术
3.1模具材料及热处理 因复杂大型模具的受力条件十分恶劣。因此选 用高强耐热合金钢4Cr5MoSiVl制作模具91r模具 淬火温度为1040~1050℃,大型模具需采用三次回 火,回火温度为560~600℃,保温时间2h.热处 理后的梗具硬度为z HRC45—48…。 3.2攥具的加工工艺流程 3.2.1上模的制模工艺流程

粗车t粗车模于外形、止口一划线一钻螺孔、 铺孔一铣芯头四周及颈部空刀和斜面一划分流孔及 桥加工线一钻分流孔一铣分流孔和桥部斜面一钳 工:打磨分流孔、桥一热处理一半精车外圆,精车



GDX一11型材模具挤压实验及

分析工艺
4.1挤压工艺参数 GDX一11型材在80,/95MN油压机上用670mm ×270mm扁挤压筒正向无润滑挤压,挤压工艺参 数如表2所示.

哀2
台金牌号
L2 6005A

挤压工艺参数
挤压筒加热温度
/℃

铸锭规格
/mm 655×250×700 655×250×1400

铸锭加热温度
/℃
500 550

挤压速度
/m?rain‘1

摸具加热温度
/℃

490~500 490~S00

2~4 3~4

490~500 490~500

?4?

万   方数据

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加工工艺

‘铝加工’

4.2热处理工艺 制品挤压出来后,在前梁口采用在线水雾淬 火。然后在360t拉矫机上进行拉伸矫直,拉矫率为 1.0%~1.5%,再经辊矫、锯切后,进行人工时 效。时效处理制度:加热175℃,保温8h。 4.3第一次试模挤压 GDX—11型材分流模第一次上机试模,挤压出 的制品成型不好。两个大面及六根斜筋充填很好, 壁厚较均匀,但两边的立筋投有挤出来,两端头尤 其是上面左右端头起波浪。另外还有一边大面的壁 厚不均匀,*面间隙差。断面尺寸见表3。 分析原因.主要是因为型材两端距离挤压筒边 缘太*,金属流动缓慢,再加上立筋的位置又正好 位于分流桥下,分流桥对金属的流动也起了阻碍的 作用,从而造成了两侧立筋处金属流动充填不足, 全部充填到两端头而引起波浪的结果.大面壁厚不 均匀的原因是由于该面带勾的部位壁厚为8mm与 2.8ram相差悬殊t以及分流桥下的金属流动缓慢 使壁厚不均,局部起拱形。 4.4第一次修模措施 修楔方案是通过加快两端头分流桥下部位的金 属流动,使整个型腔流速趋于*衡.具体方法是在 电火花机床上用电极将两端的分流桥下沉,形成 10ram高的上焊合,壁厚不均匀面的三个分流桥也 下沉10turn以增加桥下的金属流动。使两立筋的壁 厚加大到3.0ram。该部位上模工作带减薄lmm, 下模两边模孔工作带也减薄1.5mm,以减小挤压 时的阻力。 4.5第二次试摸挤压 修过的模具第二次上机试模挤压,制品较第一 次大有改观,基本成形。*面问隙仍不是很好,有 一边还点凸起,两边的立筋经过修模后,挤压出来 了。但挤出来时壁厚太薄,被拉成洞。左右下边部 分尺寸小于上部。其余部位充填较好.断面尺寸见
表3。

两个分流孔扩大15ram,采用宽展的形式。下面两 个分流孔由于分流孔面积最小,这个部位的金属流 动最慢。因此,应尽量加大这两个分流孔,考虑扩 大分流孔后还必须保证模具的强度,该分流孔只能 扩大25mm。另外,两端头的分流桥再下沉5ram。 *面间隙成凸起的一边.在下模进行堆焊,阻碍金 属的流动,降低流速。 4.7第三次试模挤压 模具第三次上机挤压,制品成型良好,断面尺 寸均在公差范围内。挤压速度达到3m/min,也符 合工艺要求,试模获得成功。断面尺寸见表3。 表3
型材模孔及

GDX一11型材模孔及制品尺寸
模孔尺寸 幕一次制品 第二次制品 幕三次制品 尺寸/mm
522.1 522.1 70.7 62.65 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.8 2.8 0 0 2.3l 2.45 2.29 2.86 2.72 517.7 516.8

制品尺寸标位
A1 A2


尺寸/rnm
515.4 512.5 67.d 59.9 9.53 0.62 2.37 2.44 2.36 2.83 2.76

尺寸/ram
516.3 515.6 70.2 62.1 2.39 2.43 2.32 2.49 2.d5 2.79 2.78



D E


G H






力学性能与内部组织实验结果
GDX一11型材的力学性能结果列于表4中。 型材断面宏观组织均符合GB/T3190—1996技

术标准的要求。 表4
6005A合金
试样号
Bl B2 B3
B4

GDX一1

1型材的力学性能
抗拉强度
吼t/N?mm‘
241 248 252 243 245 255

屈服强度 %/N.mm。
274 283 287 285 274 286

延伸率
6/%
10.4 10.4 8.8 10.6

分析原因,上次修模时主要只考虑了分流桥对 型材焊合的影响,在修模时,主要也是处理的分流 桥t加工了上焊合。因此第二次挤压有改进,但还 不够,没有最终解决两边金属的供给问题,型材两 边靠挤压筒边缘太*,金属流动缓慢、供应不足。 因此必须加大分流孔,以加大金属的供给。 4.6第二次修模措施’ 这次修模的重点是两端头四个分流孔,这几 个分流孔的金属都供应不足,必须加大。先将上边

B5 B6

12.d…
14.6

(下转第12黄)

万   方数据

《铝加工》
Alex:Met
allurgical and

综述评论
Materials
Transactions A’

2003N93总第150期

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(上接j‘5页)

的批量生产有指导意义。 6.3修模是一道重要的技术工序,对复杂的大型 模具更为重要。必须引起高度重视. 参考文献
[1]刘静安.铝型材挤压模具的设计制造使用与维惨.北京t
冶金工业出版社,2001


6.1

结论
模具设计与制造是轨道车辆大型铝合金型材

生产的关键技术.轨道车辆大型材多为扁宽、薄壁 复杂的空心型材,一般用大型*面分流模在80/ 95MN以上的挤压机上用扁挤压筒进行生产。技术 难度较大。 6.2本研制所选用的模具设计方案,模具材料及 其热处理工艺,分流孔的大小和形状以及分流桥、 模芯、焊合室的结构设计是合理的。模孔尺寸、工 作带尺寸以及制模工艺、挤压工艺的确定都是可行 的。用研制的GDX一儿型材模具挤压出了符合技术 条件要求的合格产品,对轨道车辆大型铝合金型材

[2]刘静安.轻台金挤压工具与模具(上、下).北京t冶金 工业出版社。1990


E3]樊刚.热挤压模具设计与制造基础.重庆:重庆大学出版
社,2001

[4]肖亚庆,刘静安.轨道车辆大型铝合金蛩材的生产工艺 与关键技术.中国有色金属学报,2001 [5]黄毅宏.模具制造工艺.机械工业出版杜,1995

?12?

万   方数据

轨道车辆大型铝合金型材模具的设计与制造技术
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 饶茂, 刘静安 西南铝特种型材公司 铝加工 ALUMINIUM FABRICATION 2003(3) 1次

参考文献(5条) 1.黄毅宏 模具制造工艺 1995 2.肖亚庆;刘静安 轨道车辆大型铝合金型材的生产工艺与关键技术 2001(01) 3.樊刚 热挤压模具设计与制造基础 2001 4.刘静安 轻合金挤压工具与模具 1990 5.刘静安 铝型材挤压模具的设计制造使用与维修 2001

引证文献(1条) 1.张培良.郑黎.王永祥.王伟.李运田.付小雷 大型铝合金型材挤压模具的设计[期刊论文]-轻合金加工技术 2006(12)

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