地铁车辆铝型材用特种挤压模具制造技术分析

郑晨晨

中车唐山机车车辆有限公司  河北省唐山市

摘要：对轨道车辆大型铝合金型材专用挤压模具生产过程中存在的困难及关键技术进行了分析；详细讨论了模具加工工艺流程，以及模具选材，热处理，电加工，装配关键技术。

关键词：地铁车辆；铝型材用；特种挤压模具

前言：

地铁车辆用大型铝合金型材作为拼装地铁车厢时使用的重点材料，多为大尺寸多孔空心薄壁型材且形状多部分需要配合使用。由于它外形尺寸较大、断面较复杂、对配合部位尺寸精度及表面质量有较高要求等特点，这就决定了它模具设计与制造较为复杂。以下就特种挤压模具制造技术作综合探讨。仅供大家参考。

一、大型铝合金型材的性能和模具结构

本课题以地铁车辆大型铝合金型材GDX一11为研究对象，该型材是一种七孔空心、宽厚比很大的大尺寸薄壁扁形型材。由于它用于拼装车厢，外在多处需要和其他型材相配合，所以对相配合处的尺寸精度和整体型材表面质量要求很高，对型材各部分壁厚都提出了苛刻的要求。图2是GDX—11型材模具结构图，它是由上模和下模组装而成的平面分流组合模，其工作部位型孔尺寸较窄（均为3.0ram）且精度较高（一0.05mm）。上模包括分流孔，模桥，7个芯头和引流槽，下模包括焊合腔，模孔和空刀。上模芯头成形型材的内腔尺寸，下模孔成形型材的外形尺寸。由于上下模具单独加工，因此其制造精度及表面质量与装配质量的好坏直接决定了产品的质量。对特大型模具而言，在组装时应在确保组装质量的同时兼顾便于拆装，以便于修模和其他工作。

与此同时，特殊结构大型模具挤压时要经受较长时间的高温，高压及高摩擦，这就对模具材料的选择，热处理及表面处理技术提出了更高要求。所以在加工模具过程中，确保芯头，模孔尺寸精度及表面质量，确保装配质量，并合理选择材料及优化热处理，表面处理工艺是确保模具质量并延长其使用寿命及降低生产成本的关键技术。

二、模具加工的工艺路线和困难

由于模具在挤压时承受长时间的高温、高压、高摩擦作用。且模具结构较复杂，孔、槽等较多，因此，应合理地选择模具材料并定出合理的加工工艺和热处理工艺路线。由前文分析得知，上模芯头与下模模孔工作带加工质量对确保型材质量具有重要意义，它们都有很高的（005mm）精度要求。综合考虑热处理变形的影响，将其布置于热处理后进行处理；直接成型型材中，加工量大，精度要求不高，如分流孔，模桥，芯头颈鄙咀和闭合腔，都布置在热处理之前进行机加工就位。从工艺要求上看，热处理模具硬度达HRC44~48级，芯头及模孔采用常规机械加工是根本不可能完成的。这就要借助于一套电加工设备，例如电火花，线切割和石墨成形机。

鉴于电加工量大，为了不受电加工应力及其它因素对模具使用寿命的影响，模具组装完成后，布置了去应力退火过程以达到消除模具应力的目的，进一步的稳定组织及尺q+有利于模具寿命的提高。通过以上分析得知芯头与模孔的直接挤出成型型材对精度的要求很高，尤其是上模作业部位的芯头为七个。如何确保它们的大小及相互之间位置的准确性，如何布置电加工，如何设计电极，如何组装模具，使其在达到技术要求的同时又便于拆装，这就是加工中的困难。

三、模具材料和热处理工艺的研究

（一）模具材料选择和预处理工艺

根据型材模具结构，尺寸及挤压工作条件等因素，选择电渣重熔，炉外精炼等优质高强耐热空冷硬化铭系热作模具钢4Cr5MoSiVl（H13）为大型特种模具材料，化学成分如表1所示。不仅红硬性，耐磨性及韧性都比较好，且氮化性能好，易于铸锻加工且价格低廉。

加工前要对模坯进行符合规范的超声波探伤，要避免将缺陷散布于芯头，模桥或者模孔的关键部位。同时还应采取热处理的措施，避免模具出现裂纹或使用中提前报废，以增加使用寿命。此外，坯料在加工前应进行预退火，退火温度为860~890Y，保温4~6h后随炉冷却（如有必要，冷却速度w30Y/h应得到控制），低于500T，它能出炉空冷、硬度W 229HBS、易于机械切削加工、且细化钢中晶粒、消除内应力、制备适当淬火组织。

（二）模具的热处理工艺

由于模具形状比较复杂，所以在加热至淬火温度之前（1040°）采用650°预热与820°预热两个阶段，旨在减小截面温差，本实用新型降低了热应力防止裂纹的产生，也缩短了高温阶段模具的驻留时间防止了晶粒的粗大避免了过度氧化脱碳现象。淬火冷却的关键是控制模具在空气中的预冷时间和在油中的预冷时间，预冷的目的是降低淬火内应力，减少变形，预冷时间为2分钟左右，淬火油使用20#机油（3#锭子油）。为确保淬火质量、减少在油中的停留时间、使冷却均匀，油应尽可能循环或有节奏摆动模具（使油温不高于70°）0模具在油中冷却时间根据模具从油面上提出来的油烟情况而定，但不着明火（150~200°）为准，约L5h~2h，淬火后组织为针状马氏体，由于淬火应力的存在，出油后需立即回火，并采用两次回火工艺。保温时间以1 h/25mm计，宁长勿短。第一次回火以消除淬火应力为主，获得模具所需的工作硬度HRC44~48。为减少时间釆用油冷的方法，而对应的油冷应力较大。

四、制模工艺流程

（一）上模加工工艺

1）粗车的形状和芯头的外接圆；2）划芯头的工作皮带（四周）及销，螺孔，加工线等；3）钳工们钻吱螺孔和粗钻销孔；4）在照线铣芯的头部周围加工出颈部空刀及斜面；5）模具上下平面分为流孔加工线和桥加工线；6）钳工在分流孔周围钻制R，密排钻制分流孔；7）照线铣制分流孔及桥部斜面不留体积；8）钳工磨制分流孔，桥部阱和各处的刀痕、尖棱倒圆；9）热处理：提前进行热处理，淬火，回火到GRC44~48，孔槽处应注意防护；10）车外圆、精车两个平面、高度就位、不平行度≥0.1mm；11）铣平芯头的顶端平面，车床加工的不处处平面；12）用芯头分模十字中心线并在芯头周围划一条加工线。

（二）上下模具的组装过程

1）钳工合模凋较厚壁，用磨制塞块将塞型孔分成6份，经调整后带紧螺杆；2）采用紫铜电极对销孔进行电火花处理；3）钳工配销、并合模；4）下面的模具为基准找正，配好车的模具外圆和拔略；5）采用f模键槽作为准电火花加工的上模键槽（若先将键槽加工好，会使车工在外圆的精加工及外销上增添更多的麻烦）。

（三）对模具进行去应力退火及表面处理

模具加工完成后，应一次去除电加工应力，温度为510~540°C，按Ih/25mnl保温。当模具试模通过时，将上层与F模隔开。将清洗好的工作带放入离子氮化炉内表实；采用自强化处理、温度510~525°C、保温8~10h、渗氯层的深度0.1~0.15为宜，提高了工作带耐磨性强模具的使用寿命。

结语：

通过以上研究可发现如下几点：（1）汽车大型材平面分流组合模制作与普通机械加工不同，需要借助于系列电加工设备才能实现。其中：上模芯头与下模模孔之间工作带加工质量及装配质量的好坏，直接影响产品的质量，在加工过程中。重点和难点。（2）模具的材料选择及合理的热处理工艺方案，表面强化处理等，都是提高模具寿命的保障。（3）修模及表面处理（氮化）在大型特种模具设计制造及使用过程中都是一个很重要的过程，必须引起高度重视。根据GDX-11型模检査及挤压生产表明，该型模尺寸达到图纸要求且挤压出了合格的制品，该型模经过20T挤压，没有岀现形变，验证了模具结构和制造工艺方案的合理性和可行性。

参考文献：
[1]刘静安 轻台金挤压工具与模具(F)．北京：冶金工业出 版社，2000年

[2]刘静安 铝型材挤压模具的设计制造使用与维修．北京：冶金工业出版社．2001年