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摘要：随着我国经济的飞速发展，人们生活质量的显著提高，汽车数量不断增加，为了解决汽车平行流多孔管连续挤压过程中模具孔针断裂和产品焊合质量不好的问题,采用LLJ300铝连续挤压机,研制成功了具有凸模侧面加强筋、预成型模和具有分流通道的汽车空调平行流多孔管连续模具和腔体,有效解决了平行流多孔管连续挤压过程中存在的技术难题,并已应用于工业化生产。
关键词：连续挤压；平行流多孔管；汽车空调
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
由于氟利昂对环境影响很大，因此国家采取了有效措施限制了氟利昂冷媒的使用,汽车空调的蒸发器、冷凝器,已不再采用铜管铝箔制造的管片式结构,而是采用铝多孔管和铝复合箔制造的管带式结构(制冷剂选用R134a),它们具有重量轻、热交换性能好的优点。平行流冷凝器比管带式结构体积更小、重量更轻、热交换性能更好。平行流多孔管宽度为16mm、18mm、20mm,厚度为1.8mm、2mm,并带有9、10、19个孔。现在国内仅有一个厂家引进国外进口设备进行生产,其余全部依赖从日本、韩国、美国、澳大利亚、德国、丹麦等国家进口。这种扁管加工的精度为0.05mm,同时表面必须喷锌,喷锌工艺本身就决定必须采用连续挤压技术才能保证产品的最终质量和生产效率。
连续挤压技术是采用铝杆料为坯料,挤压轮作旋转运动,在挤压轮圆周上有一环形沟槽,腔体工作圆弧与挤压轮的圆周相吻合,腔体内装有挤压模具。铝杆料经压实轮压实,在摩擦力的作用下被连续送入挤压腔,坯料在腔体挡块前面沿圆周运动受阻,进入腔体,通过模具挤出产品(图1)。
图1 连续挤压原理图
国内厂家试制平行流多孔管模具存在的主要问题为:
(1)凸模的孔针变形和断裂;
(2)孔筋焊合质量不好,充压时孔筋开裂;
(3)模具尺寸不稳定,由于金属流动不均匀和模具变形导致产品外形尺寸不稳定。
2 平行流多孔管连续挤压的特点
图2所示为20mm×2mm-9孔平行流多孔管尺寸,其连续挤压具有如下特点:
图2 20×2-9孔多孔管产品断面图
(1)产品断面积小, 20mm×2mm-9孔平行流多孔管面积为23.3mm2,挤压比大。
(2)摩擦周边长,摩擦周边长度为91.06mm,周边和面积的比值大,挤压阻力大。
(3)孔特别小,仅有1.6mm×1mm,管子内部最小壁厚为0.44mm,模具强度受到限制。
(4)尺寸精度要求高,不易成形。
3 平行流多孔管连续挤压腔体模具研制
图3所示为腔体和模具结构装配剖面图。考虑到平行流多孔管挤压需要更高的压紧压力和更大的扭矩,腔体设计时适当加大了密封面的宽度和密封面的长度,以降低工艺操作的难度。模具设计时在保证分流桥强度的同时,尽量缩短了铝坯料的流动通道,以降低挤压阻力。其模具特点是:
(1)凸模结构。凸模针左右两侧加强筋:针对凸模孔针断裂,设计了侧面带促流角的加强筋,加强筋不但可以提高凸模孔针的强度,配合其上面的促流角及预成形模有效改善孔筋的焊合性,明显提高了产品质量。
(2)预成形模。预成形模具,首先将铝坯料进行均流,同时使得更多的铝流入筋孔内,在此先挤压成形为一个厚壁多孔管,由于预成型模具的位置设计在凸模孔针上面,避免了挤压开始时流动不均匀金属坯料对凸模孔针的冲击,有效地提高了凸模孔针的强度和尺寸稳定性,还有效提高多孔管孔筋焊合性。预成型模具预凹模设计成分体式结构,可以有效避免由于铝坯料对预成型模具径向压力造成凹模定径尺寸的影响,确保模具尺寸的稳定性。
图3 腔体和模具结构
腔体模具装配纵剖面图 (b)腔体模具装配横剖面图
(3)带分流作用坯料流动通道 考虑连续挤压金属流动的特殊性和坯料与模具的摩擦作用对金属流动的影响以及坯料与模具之间热传导导致的坯料温度下降对坯料流动速度的影响,模具内金属流动通道设计了一个分流结构,以促使在多孔管长度方向坯料的轴向流动速度均匀一致,保证产品的尺寸稳定性和凸模孔针的强度和刚度。
该模具還具有以下优点:
(1)凹模和预成形模在粗加工后装配到一起。避免了由于把凹模和焊合室加工在一起导致的凹模尺寸由于铝的强大压力导致凹模尺寸发生变形。同时,预成形模具还降低了模具出口铝的压力,能够改善模具变形和减缓模具的磨损,提高产品尺寸稳定性和模具寿命。
(2)由于将凸模设计了加强筋,使得模具可以设计成硬质合金和H13组合结构,能够有效提高模具寿命降低生产成本。
(3)模具结构设计尽量考虑了加工的可行性,新设计的平行流多孔管模具具有很好的加工性。避免了需要钳工手工加工造成的加工精度不高和加工不可重复性。
4 模具结构的影响
4.1凸模分流孔的设计
分流孔是分流金属流往焊合室的通道,分流孔的形状、尺寸、数目和布置都会直接影响制品的质量、挤压力和模具的使用寿命。设计合理的分流孔应该保证较小壁厚处的金属填充和尽量阻挡大壁厚处的金属流速,以及保证金属的焊合性能。采用这种两头大、中间小的分流孔形状主要是为了解决变形金属在多孔管宽度方向上流动不均匀的问题。依据最小阻力定律可知,挤压时多孔管的宽度方向上变形金属的填充流动速度以中心对称线部位为最快,然后向两侧逐渐减慢。凸模分流孔两头大、中间小的设计形状可以增大向端部的金属流动量,从而增大相应部位的流动压力,达到增大金属在多孔管端部方向上流动速度的目的,从而均衡在宽度方向上的金属流速差,保证多孔管成形时金属流动的稳定。通过模拟结果,验证凸模分流孔的设计是否达到了预期均衡金属流速的目的。可以看出变形金属在离开定径带时,在宽度方向上仍然呈现中心部位速度快,两端部位速度慢的现象。这说明采用上述设计的分流孔仍不能完全均衡多孔管挤压时宽度方向上的流速差。
4.2凸模筋壁的设计
金属在成形阶段,由于变形金属向筋壁流动填充时需要转向,所以变形金属向多孔管筋壁的充填流动速度较向周壁的充填流动速度慢,这种金属流动速度差易造成多孔管平面筋部凹陷。针对这个问题,在多孔管凸模筋壁的根部设一圆孔,圆孔的直径大于筋壁的厚度,并与筋壁相通。挤压时,由于该孔具有较筋壁厚度大的直径可使变形金属向其内流动,从而在压力的作用下提高筋壁处的金属流动速度。通过模拟结果,验证凸模的筋壁设计是否达到了预期的设计目的。
在模拟中所采用的凸模筋壁处的圆孔直径尺寸过小(达不到增加压力、提高速度的目的),是导致变形金属向筋壁流动较两端金属滞后的主要原因。为使金属同时填充多孔管的周壁和筋壁,可适当增加凸模根部圆孔的直径,但不能过大,否则会造成金属向筋壁处流动过快,使制品表面筋部凸起,也会降低模芯的根部强度,造成模芯断裂,缩短模具的使用寿命。
5 结论
(1)在凸模孔针侧面采用加强筋可以有效解决凸模孔针断裂的问题。
(2)在平行流多孔管模具中增设预成型模,有效提高了管子的焊合质量。
(3)带有分流作用的流动通道,有效改善了铝坯料的流动状态,提高了产品尺寸精度。
参考文献:
[1] 张振祥,梁伟.生产汽车空调器用多孔扁铝管常见质量缺陷分析[J].天津冶金, 2000, (1): 25 28.
[2] 郑祥健.汽车换热器用铝合金口琴管挤压模具[J].轻合金加工技术, 2004, (5): 24 27.
[3] 王巍,李启民,王丽1多孔薄壁扁管连续挤压模的研制[J].模具工业, 2002, (6): 44 47.
[4] 王凤琴.Conform连续挤压D97多孔扁管开裂原因分析[J].轻合金加工技术, 2000, (2): 18 19.
[5] 钟毅.连续挤压技术及其应用「M习.北京:冶金一巨业出版社,2004.195一201
[6] 彭颖红.金属塑性成形仿真技术巨M」.上海:_仁海交通大学出版社,2008.56
关键词：连续挤压；平行流多孔管；汽车空调
中图分类号：F407.471 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
由于氟利昂对环境影响很大，因此国家采取了有效措施限制了氟利昂冷媒的使用,汽车空调的蒸发器、冷凝器,已不再采用铜管铝箔制造的管片式结构,而是采用铝多孔管和铝复合箔制造的管带式结构(制冷剂选用R134a),它们具有重量轻、热交换性能好的优点。平行流冷凝器比管带式结构体积更小、重量更轻、热交换性能更好。平行流多孔管宽度为16mm、18mm、20mm,厚度为1.8mm、2mm,并带有9、10、19个孔。现在国内仅有一个厂家引进国外进口设备进行生产,其余全部依赖从日本、韩国、美国、澳大利亚、德国、丹麦等国家进口。这种扁管加工的精度为0.05mm,同时表面必须喷锌,喷锌工艺本身就决定必须采用连续挤压技术才能保证产品的最终质量和生产效率。
连续挤压技术是采用铝杆料为坯料,挤压轮作旋转运动,在挤压轮圆周上有一环形沟槽,腔体工作圆弧与挤压轮的圆周相吻合,腔体内装有挤压模具。铝杆料经压实轮压实,在摩擦力的作用下被连续送入挤压腔,坯料在腔体挡块前面沿圆周运动受阻,进入腔体,通过模具挤出产品(图1)。
图1 连续挤压原理图
国内厂家试制平行流多孔管模具存在的主要问题为:
(1)凸模的孔针变形和断裂;
(2)孔筋焊合质量不好,充压时孔筋开裂;
(3)模具尺寸不稳定,由于金属流动不均匀和模具变形导致产品外形尺寸不稳定。
2 平行流多孔管连续挤压的特点
图2所示为20mm×2mm-9孔平行流多孔管尺寸,其连续挤压具有如下特点:
图2 20×2-9孔多孔管产品断面图
(1)产品断面积小, 20mm×2mm-9孔平行流多孔管面积为23.3mm2,挤压比大。
(2)摩擦周边长,摩擦周边长度为91.06mm,周边和面积的比值大,挤压阻力大。
(3)孔特别小,仅有1.6mm×1mm,管子内部最小壁厚为0.44mm,模具强度受到限制。
(4)尺寸精度要求高,不易成形。
3 平行流多孔管连续挤压腔体模具研制
图3所示为腔体和模具结构装配剖面图。考虑到平行流多孔管挤压需要更高的压紧压力和更大的扭矩,腔体设计时适当加大了密封面的宽度和密封面的长度,以降低工艺操作的难度。模具设计时在保证分流桥强度的同时,尽量缩短了铝坯料的流动通道,以降低挤压阻力。其模具特点是:
(1)凸模结构。凸模针左右两侧加强筋:针对凸模孔针断裂,设计了侧面带促流角的加强筋,加强筋不但可以提高凸模孔针的强度,配合其上面的促流角及预成形模有效改善孔筋的焊合性,明显提高了产品质量。
(2)预成形模。预成形模具,首先将铝坯料进行均流,同时使得更多的铝流入筋孔内,在此先挤压成形为一个厚壁多孔管,由于预成型模具的位置设计在凸模孔针上面,避免了挤压开始时流动不均匀金属坯料对凸模孔针的冲击,有效地提高了凸模孔针的强度和尺寸稳定性,还有效提高多孔管孔筋焊合性。预成型模具预凹模设计成分体式结构,可以有效避免由于铝坯料对预成型模具径向压力造成凹模定径尺寸的影响,确保模具尺寸的稳定性。
图3 腔体和模具结构
腔体模具装配纵剖面图 (b)腔体模具装配横剖面图
(3)带分流作用坯料流动通道 考虑连续挤压金属流动的特殊性和坯料与模具的摩擦作用对金属流动的影响以及坯料与模具之间热传导导致的坯料温度下降对坯料流动速度的影响,模具内金属流动通道设计了一个分流结构,以促使在多孔管长度方向坯料的轴向流动速度均匀一致,保证产品的尺寸稳定性和凸模孔针的强度和刚度。
该模具還具有以下优点:
(1)凹模和预成形模在粗加工后装配到一起。避免了由于把凹模和焊合室加工在一起导致的凹模尺寸由于铝的强大压力导致凹模尺寸发生变形。同时,预成形模具还降低了模具出口铝的压力,能够改善模具变形和减缓模具的磨损,提高产品尺寸稳定性和模具寿命。
(2)由于将凸模设计了加强筋,使得模具可以设计成硬质合金和H13组合结构,能够有效提高模具寿命降低生产成本。
(3)模具结构设计尽量考虑了加工的可行性,新设计的平行流多孔管模具具有很好的加工性。避免了需要钳工手工加工造成的加工精度不高和加工不可重复性。
4 模具结构的影响
4.1凸模分流孔的设计
分流孔是分流金属流往焊合室的通道,分流孔的形状、尺寸、数目和布置都会直接影响制品的质量、挤压力和模具的使用寿命。设计合理的分流孔应该保证较小壁厚处的金属填充和尽量阻挡大壁厚处的金属流速,以及保证金属的焊合性能。采用这种两头大、中间小的分流孔形状主要是为了解决变形金属在多孔管宽度方向上流动不均匀的问题。依据最小阻力定律可知,挤压时多孔管的宽度方向上变形金属的填充流动速度以中心对称线部位为最快,然后向两侧逐渐减慢。凸模分流孔两头大、中间小的设计形状可以增大向端部的金属流动量,从而增大相应部位的流动压力,达到增大金属在多孔管端部方向上流动速度的目的,从而均衡在宽度方向上的金属流速差,保证多孔管成形时金属流动的稳定。通过模拟结果,验证凸模分流孔的设计是否达到了预期均衡金属流速的目的。可以看出变形金属在离开定径带时,在宽度方向上仍然呈现中心部位速度快,两端部位速度慢的现象。这说明采用上述设计的分流孔仍不能完全均衡多孔管挤压时宽度方向上的流速差。
4.2凸模筋壁的设计
金属在成形阶段,由于变形金属向筋壁流动填充时需要转向,所以变形金属向多孔管筋壁的充填流动速度较向周壁的充填流动速度慢,这种金属流动速度差易造成多孔管平面筋部凹陷。针对这个问题,在多孔管凸模筋壁的根部设一圆孔,圆孔的直径大于筋壁的厚度,并与筋壁相通。挤压时,由于该孔具有较筋壁厚度大的直径可使变形金属向其内流动,从而在压力的作用下提高筋壁处的金属流动速度。通过模拟结果,验证凸模的筋壁设计是否达到了预期的设计目的。
在模拟中所采用的凸模筋壁处的圆孔直径尺寸过小(达不到增加压力、提高速度的目的),是导致变形金属向筋壁流动较两端金属滞后的主要原因。为使金属同时填充多孔管的周壁和筋壁,可适当增加凸模根部圆孔的直径,但不能过大,否则会造成金属向筋壁处流动过快,使制品表面筋部凸起,也会降低模芯的根部强度,造成模芯断裂,缩短模具的使用寿命。
5 结论
(1)在凸模孔针侧面采用加强筋可以有效解决凸模孔针断裂的问题。
(2)在平行流多孔管模具中增设预成型模,有效提高了管子的焊合质量。
(3)带有分流作用的流动通道,有效改善了铝坯料的流动状态,提高了产品尺寸精度。
参考文献:
[1] 张振祥,梁伟.生产汽车空调器用多孔扁铝管常见质量缺陷分析[J].天津冶金, 2000, (1): 25 28.
[2] 郑祥健.汽车换热器用铝合金口琴管挤压模具[J].轻合金加工技术, 2004, (5): 24 27.
[3] 王巍,李启民,王丽1多孔薄壁扁管连续挤压模的研制[J].模具工业, 2002, (6): 44 47.
[4] 王凤琴.Conform连续挤压D97多孔扁管开裂原因分析[J].轻合金加工技术, 2000, (2): 18 19.
[5] 钟毅.连续挤压技术及其应用「M习.北京:冶金一巨业出版社,2004.195一201
[6] 彭颖红.金属塑性成形仿真技术巨M」.上海:_仁海交通大学出版社,2008.56