摘要：本文对铝挤压模具设计中蝶形模具的应用进行分析，首先根据模具结构构建模型，包括型材外形与结构设计、数值模拟模型构建与模拟结果对比三个方面，通过案例分析的方式，对蝶形模具在方管类型材、多型腔硬质铝合金型材、非对称多型腔型材等型材设计与生产中的应用优势与效果进行阐述。
关键词：蝶形模具；铝型材；挤压模具
引言
现如今，蝶形模具在铝挤压行业的应用频率逐渐提升，越来越多铝业企业开始注重类似模具研发。此类模具的主要特征在于弓形桥结构，从俯视的角度看与蝴蝶翅膀相似，具有较强的艺术性，将其应用到模具设计中可提供最大的分流比，促进分流桥下金属流动，提高结构强度，取得更加理想的设计效果。
1模具结构设计与模型构建
1.1型材外形与结构设计
本文采用建筑幕墙立柱铝合金型材，该型材的应用范围较广，高度为65mm，宽度为169.5mm，最小壁厚为3.0mm，外接圆直径为准175.7mm。根据分流组合模要求，与蝶形模具优势相结合进行设计，包括焊合室、分流孔外形、分流比、工作带等等，模具外径为准328mm，上下模的厚度分别为110m和87mm，下模焊合室的深度为25mm。蝶形模具受挤压作用影响，金属流动、外形、模具应力等均会发生改变，根据同等尺寸设计出传统分流模，为铝合金金属在流动过程中温度、形变、应力、速度等方面发生的变化做对比。传统分流模的上层使用矩形边缘分流桥，而蝶形模采用拱形分流桥，整体流线较好，具有分层导流结构，可使金属流动性得以改善。将分流桥设计成拱形圆弧面，模具端下方沉降10mm，桥中心位置以桥面为标准再降低15mm，使桥下潜藏的金属供料得以改善。而传统分流模的下模与蝶形模结构相同，在分流面积、宽度、深度、焊合室等方面设计均一致。
1.2数值模拟模型构建
通过有限元数值分析软件HyperXtrude进行数值模拟，构建分析模型，如铝合金流体、上下模分流组合、材料参数、挤压工艺等。为了使模型更加精简，在构建三维模型时可忽视几何特征，利用Solidworks软件构建三维模型，以step格式输入到HyperXtrude中，便可构建出完整的几何形状。该模型主要包括两个方面，一方面是金属流体，另一方面是模具，其中金属流体包括铝合金铸棒、焊合室金属、出口型材金属等，从模拟结果中可将金属径向或轴向温度、压力、屈服应力等表示出来。模具分为两个部分，即上模与下模，模拟结果可对模具多个位置的温度、变形情况、应变参数等进行描述[1]。
1.3模拟结果
（1）上下模应力模拟对比
在挤压过程中，将传统分流模与蝶形模进行应力数值模拟分析，从模拟结果可知，二者在挤压过程中上模与下模的等效应力分布不均，上模高应力区域分布在分流桥以及桥体上部与模具相连处，而下模部位主要为焊合室、4个桥墩位置，最大应力存在于桥下与模芯根相接位置，此处应力最为集中，很容易在挤压作用下出现裂纹。根据应力模拟结果，蝶形模中最大应力数值为1248.4MPa，与传统分流模相比，数值从1348.3MPa下降到99.9MPa，降低幅度为7.4%，这意味着蝶形模具有较为均匀的应力分布，可使模具的使用期限得以延长。
（2）模具弹性变形模拟对比
在弹性变形稳态方面，传统模具与蝶形模具在挤压生产中均呈现对称变形的情况，上模弹性变形主要集中在模芯、分流桥位置，变形量从中心向四周递减，顺着挤压方向从桥上逐渐过度到桥下，模芯位置最少。下模弹性变形主要集中在焊合室侧壁、分流桥墩位置，变形量从中心向四周递减。在实际工作中，产生的变形量在0.002~0.003mm，不会对金属正常流动产生不良影响。从模拟结果可知，蝶形模弹性变量最大值为0.455mm，与传统分流模相比，变形量减少0.068，降低13%左右。可见，分流桥位置的变形情况不够明显，上模模芯具有较强的稳定性，与传统分流模相比，蝶形模在刚度与强度上均存在较大优势[2]。
2铝挤压模具设计中蝶形模具的应用案例
2.1方管类型材
在对方管型材进行模具设计时，可将蝶形模具的优势充分发挥，与传统模具相比在结构上更具优势。对于大截面方管型材来说，模芯外接圆的直径与挤压筒直径较为相似，在生产过程中分流桥压力也远远超出气压型材模具。在设计过程中，首先要尽量减少挤压作用的影响，提高模具结构强度。失败的模具大多因分流桥断裂而成，甚至上机直接将工头挤掉，不但使生产效率受到影响，还会为操作者构成严重的安全危险。例如，某厂在使用36MN挤压机生产时，外接圆直径设置为准322，模具规格为准480mm×290mm，挤压系数为33。如若采用传统设计方法则可设计4~6个分流孔，如若设置4个分流孔，虽然挤压力度减小，但模具结构强度受到影响，增加裂桥概率，缩短模具使用期限；如若设置6个分流孔，虽然模具强度相对提高，但因分流孔数量较多，挤压增加，使生产效率降低。在实际生产中，为了利用较少的成本获得较多的效益，可将蝶形模具引入其中，设置6个分流孔，但分流比却远远超过传统模具，4个主桥、2个铺桥的设计在结构强度上与优于传统模具。在设计过程中，模具入料面中心降低25mm，左右两侧铺桥降低45mm，桥顶设计成全圆角，主桥中心处降低10mm，采用此种结构设计可使桥体均匀受力，使桥体挤压力度降低。根据上述方案进行设计，将其投入到生产后与需求充分适应，生产挤压力始终不超过200MPa，且流量分配合理，达到理想的使用效果[3]。
2.2多型腔硬质铝合金型材
此类型材主要的结构特征在于，外接圆直径与挤压筒直径的相距较近，长度与宽度之比较大，型腔数量众多，内筋壁的受力不够均匀，甚至出现偏壁等情况，在挤压生产过程中使隐蔽位置的填充难度提高。为了解决上述问题，使每个模芯稳定程度得到有效控制，可使用多分流控供料的方式，但该结构的挤压力度较大，有时会出现无法挤压情况，对此可将蝶形模具引入其中，充分发挥此类结构的特征，使多孔模分流孔面积得以提升，挤压力度降低，加速隐蔽处金属流动速度，从而使型孔的各个位置流量得以均衡。将设计好的模具投入生产中，生产中的型材壁厚均匀有力，且不存在偏壁情况，产品在尺寸、质量等方面均符合标准。
2.3非对称多型腔型材
该类型材的断面较为复杂，挤压模具设计难度较大，同样可将蝶形模具引入其中，充分发挥模芯稳定度方面优势，在27.5MN机台上进行生产。在挤压生产中存在难点，即型腔的大小不一，壁厚差距较大，尺寸精度要求严格等。要想使型材设计成品充分满足金属供料要求，需要对悬臂挤压弹性变量、小模芯偏移量等进行有效控制，否则很容易出现面不平、壁厚差距过大等情况，型材在冷却后还可能出现直线度超差等问题。对此，应在传统设计理念基础上，将蝶形模设计理念加入其中，将坯料从入料口输入后，在模具内部分为8股金属，使各个位置供料更加均匀；将假模芯保护安装在悬臂位置；将大臂厚处进行隐蔽，并延长供料长度；中间位置开设小型分流孔，提高中部壁厚供铝量。该模具在设计完成后投入使用，料头显示各项指标较为均衡，在对其进行热处理后，平面度、直线度均与实际需求相符合[4]。
3结论
综上所述，在铝挤压生产过程中，蝶形模具的应用效果十分良好，具有较大的推广价值，可在方管类型材、多型腔硬质铝合金型材、非对称多型腔型材等多种型材设计与生产中应用，可使出料挤压力显著降低，使挤压速度与工作效率得到有效提升。在未来的发展中，企业与技术人员还应对此加强重视，使该项技术得到进一步的完善与推广。
参考文献
[1]方可.蝶形模具在铝型材挤压模具设计中的应用[J].轻合金加工技术，2017（9）.
[2]华天润，姚垚，李浩然，等.数值仿真法在铝型材挤压成形模具设计与优化中的应用研究（英文）[J].机床与液压，2016，44（12）：88-95.
[3]魏红芹，娄臻亮，彭颖红.KBE技术在铝型材挤压模具设计中的应用[J].机床与液压，2003（5）：103-104.
[4]丁司懿，周照耀，潘健怡，等.ALE有限元法在铝型材挤压模具优化设计中的应用[J].热加工工艺，2012，41（19）：215-218.
作者:郑健全 单位:广东兴发铝业有限公司