CN111644478B - 变通道转角自弯曲挤压模具及其设计、制造和挤压方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变通道转角自弯曲挤压模具及其设计、制造和挤压方法，涉及模具的技术领域，包括以下步骤：设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具；对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形；建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔壁面方程；在变通道转角自弯曲挤压模具的模腔后面增设工作带结构；金属流经变通道转角自弯曲挤压模具后，控制挤出速度呈线性分布，从而直接挤压出弯曲件，因此型材不受横向力矩，从而使型材外侧面减小或者杜绝截面变形，而且金属在挤压过程中发生的流动比传统阶梯型挤压模具更加顺畅，挤压载荷变低；缓解了现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。

Description

变通道转角自弯曲挤压模具及其设计、制造和挤压方法

技术领域

本发明涉及模具技术领域，尤其是涉及一种变通道转角自弯曲挤压模具及其设计、制造和挤压方法。

背景技术

弯曲铝型材广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等领域中，随着工业经济的飞速发展，各领域对弯曲铝型材结构件的需求日益增多，通常弯曲型材的加工采用先挤压后弯曲的方式，传统的推弯、拉弯、折弯、滚弯等二次加工技术会带来铝型材开裂、截面畸变、失稳起皱、回弹等缺陷，严重影响弯曲铝型材的成型率。

现有技术中采用挤压弯曲一体化成型，在挤压模具后安装由环形圆盘或辊子组成的弯曲装置，金属挤出后直接进入弯曲装置，实现型材的弯曲变形。相比传统工艺，该工艺结合了压力弯弧与滚压弯弧的优点，可使回弹、起皱弯弧不稳等缺陷减小，但横向力矩的存在使得这些缺陷不能根本上避免，而且弯曲通道外侧会对挤压出的金属产生阻力，弯弧较大或挤压速度较快时，型材外侧面受到较大应力容易导致截面变形。

另一方面，流线型挤压模具在特定的材料和工艺条件下，使挤压过程变成完美的材料流动，产生的应变能小，挤压载荷低，即具有适应性，但流线型挤压模具设计与加工较为困难，多用于简单对称型挤压模具的设计上，而且功能上只限于挤出直的铝型材。

发明内容

本发明的目的在于提供变通道转角自弯曲挤压模具及其设计、制造和挤压方法，以缓解现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。

本发明提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，包括以下步骤：

设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具，所述挤压模具模腔的两侧壁面为对称流线型；

对所述对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形，形成一拱形曲线；其中，拱形曲线保持沿挤压方向对称，在曲线的两端无偏移且与轴线相切；

根据拱形曲线的中轴线，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔壁面方程；

在变通道转角自弯曲挤压模具的模腔后面增设工作带结构，工作带结构的壁面与挤压方向平行。

在本发明较佳的实施例中，设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具的步骤还包括：

挤压模具的模腔沿任意水平截面的形状保持圆形，挤压模具模腔的边界曲线由正弦函数描述，以中轴线的中心作为原点，设z方向为挤压方向，左边线函数描述为：

右边线函数描述为：

式中，R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度。

在本发明较佳的实施例中，对所述对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形的步骤还包括：

扭曲后的中轴线Axis的Axis_trig基于三角函数描述为：

式中，h为扭曲变形的中轴曲线的最大偏移距离；

在本发明较佳的实施例中，对所述对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形的步骤还包括：

扭曲后的中轴线Axis的Axis_gauss基于类高斯分布函数描述为：

Axis_gauss0＝A exp(-B·z²)

式中，A，B为待定系数。

在本发明较佳的实施例中，还包括以下步骤：

对Axis_gauss0做数学变形进行修正，其中，先求出Axis_gauss0 在端点处的值Axis_gauss0(L/2)，系数A定为h+Axis_gauss0(L/2)，使曲线高度放大Axis_gauss(L/2)倍，再整体减去Axis_gauss0(L/2) 得到修正后的基于类高斯分布函数的中轴线Axis_gauss，方程描述为：

Axis_gauss＝(h+Axis_gauss0(L/2))exp(B·z²)-Axis_gauss0(L/2)

其中，系数B的取值为经验值，B取值为0.01时，曲线端点到原轴线的距离能够控制在0.01mm以内。

在本发明较佳的实施例中，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔壁面方程包括以下步骤：

模腔壁面描述为曲面方程：

其中，Axis分别为Axis_trig或Axis_gauss。

本发明提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具的制作方法，基于所述的变通道转角自弯曲挤压模具的设计方法进行制作。

本发明提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具，通过所述的变通道转角自弯曲挤压模具制作方法制作得到，包括：模具本体；

所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；

所述模腔的壁面为曲面方程：

其中，R为模腔的入口模孔直径，即坯料直径；r为模腔的出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度，Axis为模腔的中轴线的方程。

在本发明较佳的实施例中，所述模腔的中轴线方程基于三角函数描述为：

式中，h为扭曲变形的中轴曲线的最大偏移距离；

或者，所述模腔的中轴线方程基于类高斯分布函数描述为： Axis_gauss＝(h+Axis_gauss0(L/2))exp(B·z²)-Axis_gauss0(L/2)

其中，系数B的取值为经验值，B取值为0.01时，曲线端点到原轴线的距离能够控制在0.01mm以内；

其中，Axis分别为Axis_trig或Axis_gauss。

本发明提供的一种基于所述的变通道转角自弯曲挤压模具的挤压方法，包括以下步骤：

将金属容置于所述模具本体的模腔内；

在模腔的入口处控制挤压金属的速度，在模腔的自弯曲出口和工作带结构的限定下，挤压金属形成预设曲率的弯曲型材。

本发明提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，包括以下步骤：设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具，挤压模具模腔的两侧壁面为对称流线型；对所述对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形，形成一拱形曲线；其中，拱形曲线保持沿挤压方向对称，在曲线的两端无偏移且与轴线相切；根据拱形曲线的中轴线，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔壁面方程；在变通道转角自弯曲挤压模具的模腔后面增设工作带结构，工作带结构的壁面与挤压方向平行；设计形成变通道转角自弯曲挤压模具；通过金属流经变通道转角自弯曲挤压模具后，利用变通道转角自弯曲挤压模具的模腔，控制挤出速度呈线性分布，从而直接挤压出弯曲件，因此型材不受横向力矩，从而使型材外侧面减小或者杜绝截面变形，而且金属在挤压过程中发生的流动比传统阶梯型挤压模具更加顺畅，挤压载荷变低；缓解了现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的变通道转角自弯曲挤压模具的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的变通道转角自弯曲挤压模具的模具本体的模腔结构示意图；

图3为本发明实施例提供的变通道转角自弯曲挤压模具的挤压形成的型材进行数值计算的结果示意图。

图标：1-模具本体；11-模腔；12-工作带结构；2-模腔几何体； 21-对称型挤压模具的中轴线；22-对称型挤压模具的左边轮廓线；23- 对称型挤压模具的右边轮廓线；24-变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线；25-变通道转角自弯曲挤压模具的左边轮廓线；26-变通道转角自弯曲挤压模具的右边轮廓线；31-挤出的弯曲型材。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本实施例将型材挤压弯曲一体化成形工艺与流线型挤压模具相结合，提出一种变通道转角自弯曲挤压成形新工艺，通过设计扭曲中轴线的流线型挤压模具结构，使金属在型腔内产生不均匀流动，从而直接挤出弯曲型材。

如图1-图3所示，本实施例提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，包括以下步骤：设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具，所述挤压模具模腔11的两侧壁面为对称流线型；对所述对称流线型挤压模具的模腔11中轴线在某一平面进行扭曲变形，形成一拱形曲线；其中，拱形曲线保持沿挤压方向对称，在曲线的两端无偏移且与轴线相切；根据拱形曲线的中轴线，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔11壁面方程；在变通道转角自弯曲挤压模具的模腔11后面增设工作带结构12，工作带结构12的壁面与挤压方向平行。

本实施例提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，包括以下步骤：设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具，挤压模具模腔 11的两侧壁面为对称流线型；对所述对称流线型挤压模具的模腔11 中轴线在某一平面进行扭曲变形，形成一拱形曲线；其中，拱形曲线保持沿挤压方向对称，在曲线的两端无偏移且与轴线相切；根据拱形曲线的中轴线，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔11壁面方程；在变通道转角自弯曲挤压模具的模腔11后面增设工作带结构12，工作带结构12的壁面与挤压方向平行；设计形成变通道转角自弯曲挤压模具；通过金属流经变通道转角自弯曲挤压模具后，利用变通道转角自弯曲挤压模具的模腔11，控制挤出速度呈线性分布，从而直接挤压出弯曲件，因此型材不受横向力矩，从而使型材外侧面减小或者杜绝截面变形，而且金属在挤压过程中发生的流动比传统阶梯型挤压模具更加顺畅，挤压载荷变低；缓解了现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。

如图2所示，具体地的设计步骤：在本发明较佳的实施例中，设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具的步骤还包括：挤压模具的模腔11沿任意水平截面的形状保持圆形，挤压模具模腔11的边界曲线由正弦函数描述，以对称型挤压模具的中轴线21的中心作为原点，设z方向为挤压方向，对称型挤压模具的左边轮廓线22的函数描述为：

对称型挤压模具的右边轮廓线23的函数描述为：

式中，R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔11高度。

在本发明较佳的实施例中，对所述对称流线型挤压模具的模腔 11中轴线在某一平面进行扭曲变形的步骤还包括：扭曲后的中轴线 Axis的Axis_trig基于三角函数描述为：

式中，h为扭曲变形的中轴曲线的最大偏移距离。

在本发明较佳的实施例中，对所述对称流线型挤压模具的模腔 11中轴线在某一平面进行扭曲变形的步骤还包括：

扭曲后的中轴线Axis的Axis_gauss基于类高斯分布函数描述为：

Axis_gauss0＝Aexp(-B·z²)

式中，A，B为待定系数。

其中，扭曲的中轴线为变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24。

在本发明较佳的实施例中，还包括以下步骤：

对Axis_gauss0做数学变形进行修正，其中，先求出Axis_gauss0 在端点处的值Axis_gauss0(L/2)，系数A定为h+Axis_gauss0(L/2)，使曲线高度放大Axis_gauss(L/2)倍，再整体减去Axis_gauss0(L/2) 得到修正后的基于类高斯分布函数的中轴线Axis_gauss，方程描述为：

Axis_gauss＝(h+Axis_gauss0(L/2))exp(B·z²)-Axis_gauss0(L/2)

其中，系数B的取值为经验值，B取值为0.01时，曲线端点到原轴线的距离能够控制在0.01mm以内。

在本发明较佳的实施例中，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔11壁面方程包括以下步骤：

模腔11壁面描述为曲面方程：

其中，Axis分别为Axis_trig或Axis_gauss。

如图2所示，本实施例中，通过利用具体数值对上述设计方法的步骤进一步说明：设计模具要生产弯曲棒材直径D＝8mm，因此弯曲棒材的半径r＝4mm，原始坯料选用直径D＝40mm，因此原始坯料的半径R＝20mm，根据需求设定模具高度L＝40mm，根据设计的模具模腔几何体2，其中，对称流线型模腔11的边界曲线由正弦函数描述，以对称型挤压模具的中轴线21的中心作为原点，设z方向为挤压方向，则对称型挤压模具的左边轮廓线22的函数Line_left描述为：

对称型挤压模具的右边轮廓线23函数Line_right描述为：

其中，对称流线型模腔11的壁面方程描述为：

其中，变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24的最大偏高 h＝10mm，三角函数描述的变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24 的Axis_trig为：

另一种基于类高斯分布函数描述的变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24的Axis_gauss描述为：

Axis_gauss＝(10+0.1832)exp(0.01·z²)-0.1832

变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24的方程Axis确定后，即对称流线型模腔11中轴线扭曲变形后，模腔11结构的其他参数随之做相应的平移，即在变形之前腔体沿某一水平截面的形状保持圆形，在变形之后在于挤压方向垂直的平面上，模腔11壁面各点与变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24的距离相等，即模腔11截面为圆形，只是圆心的位置与原来不同，进而能够确定变通道转角自弯曲挤压模具的左边轮廓线25和变通道转角自弯曲挤压模具的右边轮廓线26 形成的变通道转角模腔11壁面的曲面方程；其中，根据变通道转角自弯曲挤压模具结构的构造原理，其中，变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24由Axis_trig建立的变通道转角模腔11壁面的曲面方程为：

其中，变通道转角自弯曲挤压模具的中轴线24由Axis_gauss建立的变通道转角模腔11壁面的曲面方程为：

进一步地，在变通道转角挤压模腔11确定后，在其后增设一定长度的工作带结构12，工作带结构12的长度可以选定为t＝6mm，工作带结构12壁面与挤压方向平行。

本实施例提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具的制作方法，基于所述的变通道转角自弯曲挤压模具的设计方法进行制作；本实施例根据上述的设计方法，利用变通道转角模腔11壁面的曲面方程进行机械制作，进而能够制作成变通道转角自弯曲挤压模具。

本实施例提供的一种变通道转角自弯曲挤压模具，通过所述的变通道转角自弯曲挤压模具制作方法制作得到，包括：模具本体1；

模具本体1包括模腔11和工作带结构12；模腔11具有自弯曲出口，工作带结构12沿着模腔11的自弯曲出口延伸，且工作带结构 12与所述模腔11一体连接；模腔11的壁面为曲面方程：

其中，R为模腔11的入口模孔直径，即坯料直径；r为模腔11 的出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔11高度，Axis为模腔11的中轴线的方程。

在本发明较佳的实施例中，模腔11的中轴线方程基于三角函数描述为：

式中，h为扭曲变形的中轴曲线的最大偏移距离；

或者，模腔11的中轴线方程基于类高斯分布函数描述为：Axis_gauss＝(h+Axis_gauss0(L/2))exp(B·z²)-Axis_gauss0(L/2)

其中，系数B的取值为经验值，B取值为0.01时，曲线端点到原轴线的距离能够控制在0.01mm以内；

其中，Axis分别为Axis_trig或Axis_gauss。

本实施例中，增加工作带结构12能够使金属的变形协调性延长，在工作带结构12的通道内减小金属流动速度的差异，使挤出速度的不均匀程度减小，进而弯曲程度变小，因此增加工作带结构12，可以用来设计不同弯曲曲率型材的挤出。

本实施例供的一种基于所述的变通道转角自弯曲挤压模具的挤压方法，包括以下步骤：将金属容置于所述模具本体1的模腔11内；在模腔11的入口处控制挤压金属的速度，在模腔11的自弯曲出口和工作带结构12的限定下，挤压金属形成预设曲率的弯曲型材，从而形成挤出的弯曲型材31。

本实施例中，挤压方法的工艺参数包括，坯料的材料选用AA6063 铝合金，挤压比λ＝25，挤压速度v＝10mm/s，坯料预热温度为450℃，挤压筒预热温度为470℃，挤压模具预热温度为480℃，坯料与模具间采用剪切摩擦模型，摩擦因子设置为0.7，坯料与工作带间采用库伦摩擦模型，摩擦因子设为0.3，按照对称性对整个模型的1/2进行模拟，所有组件均划分为四面体单元，坯料网格数30000个，位移步长0.2mm。

如图3所示，对采用本发明实施例的变通道转角自弯曲挤压模具形成的挤出的弯曲型材31进行数值计算，模拟结果的变形体网格示意图，在挤压过程中模腔11出口处的金属流速呈线性分布，型材挤出时会自然的弯向流速较慢的一侧，实现棒型材铝合金的自然弯曲成形，进而一次性挤出有一定弧度的高质量产品，且挤压载荷相对传统模具低。

如图3所示，另外，当金属进入模具后，在同一水平线上越往左应变总是越大，即金属在模具凸起边(左侧边)上的应变大于在模具凹下边(右侧边)的应变，在模具出口处达到最大值，所以左侧的变形总是大于右侧，由于金属的变形协调性，导致挤出型材向右侧方向弯曲。

需要说明的是，本发明所述的“左”、“右”、“z方向”均相对于变通道转角自弯曲挤压模具工作时所述处的位置而言，仅仅为了叙述方便，不应对本发明造成限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具，所述挤压模具模腔的两侧壁面为对称流线型；

对所述对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形，形成一拱形曲线；其中，拱形曲线保持沿挤压方向对称，在曲线的两端无偏移且与轴线相切；

根据拱形曲线的中轴线，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔壁面方程；

在变通道转角自弯曲挤压模具的模腔后面增设工作带结构，工作带结构的壁面与挤压方向平行。

2.根据权利要求1所述的变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，其特征在于，设计基于正弦函数的对称流线型挤压模具的步骤还包括：

挤压模具的模腔沿任意水平截面的形状保持圆形，挤压模具模腔的边界曲线由正弦函数描述，以中轴线的中心作为原点，设z方向为挤压方向，左边线函数描述为：

右边线函数描述为：

式中，R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度。

3.根据权利要求2所述的变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，其特征在于，对所述对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形的步骤还包括：

扭曲后的中轴线Axis的Axis_trig基于三角函数描述为：

式中，h为扭曲变形的中轴曲线的最大偏移距离；z为中轴线任意一点在z方向的坐标值。

4.根据权利要求2所述的变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，其特征在于，对所述对称流线型挤压模具的模腔中轴线在某一平面进行扭曲变形的步骤还包括：

扭曲后的中轴线Axis的Axis_gauss基于类高斯分布函数描述为：

Axis_gauss0＝Aexp(-B·z²)

式中，A，B为待定系数。

5.根据权利要求4所述的变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对Axis_gauss0做数学变形进行修正，其中，先求出Axis_gauss0在端点处的值Axis_gauss0(L/2)，系数A定为h+Axis_gauss0(L/2)，使曲线高度放大Axis_gauss(L/2)倍，再整体减去Axis_gauss0(L/2)得到修正后的基于类高斯分布函数的中轴线Axis_gauss，方程描述为：

Axis_gauss＝(h+Axis_gauss0(L/2))exp(B·z²)-Axis_gauss0(L/2)

其中，系数B的取值为经验值，B取值为0.01时，曲线端点到原轴线的距离能够控制在0.01mm以内。

6.根据权利要求3-5任一项所述的变通道转角自弯曲挤压模具设计方法，其特征在于，建立变通道转角自弯曲挤压模具的模腔壁面方程包括以下步骤：

模腔壁面描述为曲面方程：

其中，Axis分别为Axis_trig或Axis_gauss；x，y，z为曲面中任意一点位于空间坐标系三个方向的坐标值，且z方向为挤压方向。

7.一种变通道转角自弯曲挤压模具的制作方法，其特征在于，基于如权利要求1-6任一项所述的变通道转角自弯曲挤压模具的设计方法进行制作。

8.一种变通道转角自弯曲挤压模具，通过如权利要求7所述的变通道转角自弯曲挤压模具制作方法制作得到，其特征在于，包括：模具本体；

所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；

所述模腔的壁面为曲面方程：

其中，R为模腔的入口模孔直径，即坯料直径；r为模腔的出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度，Axis为模腔的中轴线的方程；x，y，z为曲面中任意一点位于空间坐标系三个方向的坐标值，且z方向为挤压方向。

9.根据权利要求8所述的变通道转角自弯曲挤压模具，其特征在于，所述模腔的中轴线方程基于三角函数描述为：

式中，h为扭曲变形的中轴曲线的最大偏移距离；

或者，所述模腔的中轴线方程基于类高斯分布函数描述为：Axis_gauss＝(h+Axis_gauss0(L/2))exp(B·z²)-Axis_gauss0(L/2)

其中，系数B的取值为经验值，B取值为0.01时，曲线端点到原轴线的距离能够控制在0.01mm以内；

其中，Axis分别为Axis_trig或Axis_gauss。

10.一种基于如权利要求8-9任一项所述的变通道转角自弯曲挤压模具的挤压方法，其特征在于，包括以下步骤：

将金属容置于所述模具本体的模腔内；

在模腔的入口处控制挤压金属的速度，在模腔的自弯曲出口和工作带结构的限定下，挤压金属形成预设曲率的弯曲型材。

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