一种可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模

1.本实用新型涉及铝型材挤压模领域，尤其涉及的是一种可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模。


背景技术：

2.近些年，随着中国大规模的基建投资和工业化进程的快速推进，国内铝型材行业有着飞一般的发展势头，门窗企业新增品牌众多，显示了其行业实力的强盛和提升；与此同时，国内企业为了获得更大的投资收益，不断地加大生产规模，产品质量也在不断地提升，促进了全行业的产量和消费量的迅猛增长，使得中国从铝型材净进口国成为净出口国，一跃成为世界最大的铝型材生产基地和消费市场，也带动了每年用于生产铝型材的模具消耗量，模具市场需求十分巨大的原因，缘于在铝型材生产过程中，最关键的因素是挤压所用的模具，模具不仅决定产品的尺寸与质量，更是决定生产成本的重要因素，显然，随着铝型材市场的发展增长，挤压模具的消耗用量也将增长，市场空间巨大。
3.现阶段，企业生产铝型材所用的模具，其材料大都采用的是优质的热作模具钢，因热作模具钢具有良好的力学性能，解决了过去热作模具在工作中容易发生断裂失效的缺陷，但由于热作模具钢材所能达到的红硬性并不高、耐磨能力也不强，磨损导致大多数的模具在材料还没有发生疲劳时就失效报废，这对于价格昂贵的模具钢材也是一种巨大浪费，大大增加了企业生产的成本，使得模具的磨损成为挤压模报废的主要形式。
4.而硬质合金材料由于具有硬度高、耐磨性能好和导热性能好等良好特性，在模具行业也得到了越来越多、越来越广的应用；但是，由于硬质合金材料硬而脆、韧性差、抗冲击韧性能力低以及对应力集中敏感等缺点，无法直接作为热加工模具的基体材料，使得硬质合金材料迄今都还没有能够较为成熟的应用到挤压模具上，这也是迄今尚不能完全掌握基体钢材与硬质合金在高温下的配合关系以及服役受力时所表现出来的效应机理。
5.因此，在模具中使用硬质合金并不是件新鲜的事，但目前大多数都应用在冷加工模具上；常见的铝型材是用模具在高温高压下在挤压机上生产出来的，而铝型材的挤压属于热加工，挤压时的温度至少在450℃以上，模具不仅长时间承受高温、高压、激冷激热以及反复循环应力的作用，同时还要承受偏心载荷和冲击载荷以及高温高压下的高摩擦作用，使得模具的服役工作条件十分恶劣；迄今为止，在热加工模具上使用硬质合金还较为鲜见，这是因为，模具在热加工条件下服役，模具的基体材料与硬质合金材料存在有热膨胀的差异，硬质合金容易松动和脱落，使模具失效。
6.据调查，现阶段已有个别企业尝试采用热装镶嵌方法在挤压模上镶嵌硬质合金，但是效果并不理想，主要原因是采用加热镶嵌，模具与合金均需进行预热，不仅加工装配时操作不方便，而且也容易引起应力集中，还有残余应力的存在，模具在使用过程中对应力又较为敏感，不稳定、不确定的因素较多，容易碎裂。
7.同时，在热装过程中，更容易造成硬质合金的损坏和破裂，因为在这种工艺条件下镶嵌后的模具，模具基体与硬质合金在加热状态和常温状态下的配合方式均为过盈配合，
且在常温下硬质合金与模具基体的过盈量会变得更大，硬质合金一直受到压应力的作用，更容易破裂；当热装时选择的过盈量不恰当时，会引起常温下因过盈量过大造成压应力过大而导致硬质合金容易受到破坏。因此，采用热压工艺进行镶嵌，不太容易掌控模具基体与硬质合金的过盈量。
8.此外，采用加热方法，硬质合金和模具均容易产生温度应力，甚至改变了内部的金相结构，降低了模具的疲劳强度，从而导致模具寿命不长。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，可消除模具和合金内部产生的温度内应力，在保证产品品质的前提下可显著提高模具的使用寿命。
10.本实用新型的技术方案如下：一种可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，包括用于挤出铝型材的上模和下模，其中：
11.上模的中心孔沿挤压方向依次由同轴且连通的第一圆柱孔、第二圆柱孔和第一圆锥孔组成；第一圆锥孔的锥度为13-14
°
，其小端朝向下模，深度在15~20mm之间，第一圆锥孔中镶嵌有超出上模端面的硬质合金柱；第二圆柱孔位于第一圆锥孔的大端处，深度0.5mm；第一圆柱孔的直径为第一圆锥孔小端直径d+5mm，第一圆柱孔中以过盈配合方式安装有塞块；
12.下模的焊合室底面中心处设置有第二圆锥孔，第二圆锥孔的锥度为20-21
°
，其大端朝向上模，深度在8~10mm之间，第二圆锥孔中镶嵌有不高出焊合室底面的硬质合金环；焊合室底面通过螺钉固定有用于阻止硬质合金环脱出的止动环。
13.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述第一圆柱孔与上模分流孔之间的最小壁厚b≥8mm。
14.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述第一圆柱孔与塞块之间过盈配合的公差等级为h7/u8。
15.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述硬质合金柱沿挤压方向依次由圆锥段、过渡段、工作段和内空刀段组成；圆锥段的锥度与上模第一圆锥孔的锥度相同，圆锥段大端的边缘倒圆角r1，圆锥段小端的直径为d-2mm；过渡段的一端与圆锥段的小端平滑连接，过渡段的另一端与工作段平滑连接；工作段的形状与所挤压出的铝型材产品内孔的形状相适配，工作段的工作尺寸d与所挤压出的铝型材产品的内孔尺寸相关联，工作段的长度为5mm；内空刀段连接在工作段的前端，内空刀段的长度为2mm，内空刀段的形状与工作段形状相适配，且内空刀段的外形尺寸为d-2mm。
16.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述硬质合金环的外形呈环状锥台形，外侧壁为圆锥台面，圆锥台面的锥度与下模第二圆锥孔的锥度相同，大端边缘倒圆角r0.5mm，小端边缘倒圆角r2mm。
17.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述硬质合金环的内孔为台阶孔，沿挤压方向依次由同轴且连通的工作段和外空刀段组成，工作段的形状与所挤压出的铝型材产品外形的形状相适配，工作段的工作尺寸d与所挤压出的铝型材产品的外形尺寸相关联，工作段宽度为3mm；外空刀段的形状与工作段形状相适配，且外形尺寸为d+
0.6mm；硬质合金环的理论外径为d+20mm；硬质合金环的厚度在8~10mm之间。
18.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述下模的中心孔沿图中挤压方向依次由同轴且连通的前述第二圆锥孔、出料孔和外空刀孔组成；第二圆锥孔位于下模的焊合室底面中心处，第二圆锥孔的大端朝向上模方向，第二圆锥孔中用于镶嵌硬质合金环；第二圆锥孔的深度与硬质合金环的厚度相适配。
19.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述出料孔的直径为d+0.6mm，出料孔的深度在15~20mm之间。
20.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述外空刀孔的直径比出料孔的直径大4~5mm。
21.所述的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，其中：所述硬质合金柱和硬质合金环的材料均采用钨钴系列硬质合金。
22.本实用新型所提供的一种可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，由于采用了斜面配合与补偿的镶嵌结构，利用斜面具有自动补偿和自锁的特点，既可以解决硬质合金与模具基体间隙变大以及合金因挤压摩擦而被拉出的问题，也可以克服硬质合金在挤压过程中发生纵向移动和横向移动而影响产品的最终尺寸，特别是产品壁厚的一致性和均匀性；既保证了产品的尺寸精度和外观质量，也大大提高了模具的使用寿命；且模具与硬质合金在装配时均无需预热，消除了模具和硬质合金内部产生的温度内应力，操作也更方便。
附图说明
23.在此描述的附图仅用于解释目的，而非意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围；图中各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并非是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸；本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。
24.图1是本实用新型可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模实施例的模具总成结构图；
25.图2是图1中的上模结构图；
26.图3是图1中的塞块结构图；
27.图4是图1中的硬质合金柱结构图；
28.图5是图1中已装配硬质合金柱和塞块的上模结构图；
29.图6是图5的左视图；
30.图7是图1中的硬质合金环结构图；
31.图8是图1中的下模结构图；
32.图9是图1中的止动环结构图；
33.图10是图1中已装配硬质合金环和和止动环的下模结构图；
34.图11是图10的右视图。
35.图中各标号汇总：上模100、第一圆柱孔110、第二圆柱孔120、第一圆锥孔130、硬质合金柱200、圆锥段210、过渡段220(即图4中6mm段)、(硬质合金柱200的)工作段230、内空刀段240、塞块300、下模400、第二圆锥孔410、出料孔420、外空刀孔430、焊合室440、硬质合金环500、(硬质合金环500的)工作段510、外空刀段520、止动环600。
具体实施方式
36.以下将结合附图，对本实用新型的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的具体实施方式。
37.本实用新型的可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模，包括在上模和下模都能够常温镶嵌硬质合金，突破了传统必须热镶嵌的工艺，具体采用的是斜面配合与补偿的镶嵌结构，如图1所示，图1是本实用新型可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模实施例的模具总成结构图，该铝型材挤压模由上模100、硬质合金柱200、塞块300、下模400、硬质合金环500和止动环600组成；硬质合金柱200以斜面配合方式镶嵌在上模100中，硬质合金柱200的前端伸出超出上模100端面；塞块300以过盈配合方式镶嵌在上模100中，用于阻止硬质合金柱200脱出上模100；硬质合金环500也以斜面配合方式镶嵌在下模400中，硬质合金环500的表面不高出焊合室440底面；且下模400中的斜面方向与上模100中的斜面方向相同，喇叭口均朝向上模100或与挤压方向相反；止动环600通过螺钉固定在焊合室440底面，用于阻止硬质合金环500脱出下模400。
38.由于斜面的作用，硬质合金(柱或环)只会在挤压方向上发生移动，而产生这种移动也是由于硬质合金与模具基体因热胀而两者间的间隙变大，摩擦力将硬质合金拉动向前移动，但斜面只是对这种移动起到限制和自锁，即使在450℃高温的工作温度下，因为镶嵌的硬质合金与模具安装孔的斜面锥度是一致的，所以硬质合金与模具会保持相一致的配合关系，使得硬质合金的中心始终不会发生变化，因而保证了产品的尺寸精度，从而使得常温下易于操作的镶嵌硬质合金在高温下会更加牢固。
39.对于上模部分来说，具体的，结合图2所示，图2是图1中的上模结构图，尺寸d为上模100的模芯尺寸，其取决于铝型材产品的内孔尺寸，设计时须考虑材料的制造误差、材料的收缩率等因素；上模100的中心孔为三段式阶梯孔结构，沿图中挤压方向依次由同轴且连通的第一圆柱孔110、第二圆柱孔120和第一圆锥孔130组成；其中，
40.第一圆锥孔130的小端朝向图1下模400方向，第一圆锥孔130中用于镶嵌图1中的硬质合金柱200；且经多次试验，第一圆锥孔130的最佳锥度为13-14
°
(即斜度为6.5-7
°
)，若该角度太小，则在挤压方向的投影面积就会过小，即对硬质合金柱200的有效支承面积就过小，在挤压工作时，硬质合金柱200就容易被拉出；而若该角度过大，硬质合金柱200的斜面就较大，容易引起应力集中，容易使硬质合金柱200碎裂；
41.同时，第一圆锥孔130的深度也应合适，实验数据表明，第一圆锥孔130的深度在15-20mm之间最佳；
42.第一圆柱孔110的直径为第一圆锥孔130小端直径d+5mm，尺寸d为上模100的模芯尺寸，其取决于铝型材产品的内孔尺寸，设计时须考虑材料的制造误差、材料的收缩率等因素；第一圆柱孔110中以过盈配合方式安装有图1中的塞块300；
43.同时，为了保证上模100的强度，第一圆柱孔110与上模100分流孔140之间的最小壁厚b不应小于8mm，这在设计上模100分流孔140时应当考虑，并在模具设计时得到保证；
44.第二圆柱孔120位于第一圆锥孔110的大端处，深度0.5mm，这也是图1中的塞块300与硬质合金柱200之间的应力空间。
45.结合图3所示，图3是图1中的塞块结构图，之所以塞块300与第一圆柱孔110之间采用过盈配合的装配关系，这样才能保证在每次挤压终了时，因剪切压余废料而不会发生位
置的移动；较好的是，其过盈配合的公差等级优选h7/u8；塞块300的长度比图2第一圆柱孔110的深度h短1mm；塞块300外端面的中心处设置有一m6的螺孔，用于当需要更换硬质合金柱200时，以便于使用拉拔工具先将塞块300取出，从而方便从第一圆柱孔110一侧取出硬质合金柱200；塞块300的材料及热处理，可优选采用与上模100相同的材料及热处理，例如，h13模具钢等。
46.结合图4所示，图4是图1中的硬质合金柱结构图，硬质合金柱200沿挤压方向依次由圆锥段210、过渡段220(即图4中6mm段)、工作段230和内空刀段240组成；其中，圆锥段210的锥度与图2上模100第一圆锥孔130的锥度相同，圆锥段210大端的边缘倒圆角r1，圆锥段210小端的直径为d-2mm；过渡段220的一端与圆锥段210的小端平滑连接，过渡段220的另一端与工作段230平滑连接；工作段230的形状与所挤压出的铝型材产品内孔的形状相适配，例如，圆形或方形的铝型管材，工作段230的工作尺寸d(即上模100的模芯尺寸)与所挤压出的铝型材产品的内孔尺寸相关联，并由材料的制造误差、材料的收缩率等因素来确定，工作段230长度为5mm；内空刀段240连接在工作段230的前端，内空刀段240长度为2mm，内空刀段240的形状与工作段230形状相适配，且内空刀段240的外形尺寸为d-2mm。
47.硬质合金柱200的长度可依据上模安装孔(即第一圆锥孔130)及考虑上下模总装后在挤压机上的模具工作状态来确定，而不同挤压机则可根据下模焊合室的深度进行选取，例如15mm深的焊合室，可采用挤压能力为8mn的挤压机，硬质合金柱200的长度为36mm，且硬质合金柱200在上模安装孔(即第一圆锥孔130)内的配合长度在15-20mm之间。
48.结合图5和图6所示，图5是图1中已装配硬质合金柱和塞块的上模结构图，图6是图5的左视图；上模100的第一圆柱孔110周边均布有三个分流孔140；在常温状态下，先将硬质合金柱200的工作段230插入上模100的第一圆柱孔110中，直至硬质合金柱200的圆锥段210与上模100的第一圆锥孔130相贴合，再将塞块300的非螺孔端装入上模100的第一圆柱孔110的底部，由此完成上模100部分的常温装配。
49.而对于下模部分来说，具体的，结合图7所示，图7是图1中的硬质合金环结构图，硬质合金环500的外形呈环状锥台形，外侧壁为圆锥台面，大端边缘倒圆角r0.5mm，小端边缘倒圆角r2mm，以降低硬质合金环500对应力的敏感度；且经多次试验，硬质合金环500外侧壁的最佳锥度为20-21
°
(即斜度为10-10.5
°
)，若该角度太小，合金在挤压过程中，因支承面积小，所受的单位应力就大，容易破裂；而若该角度过，则合金在组装过程中容易产生晃动，在挤压过程中则容易发生位置偏移。
50.硬质合金环500的内孔为台阶孔，沿挤压方向依次由同轴且连通的工作段510和外空刀段520组成，工作段510的形状与所挤压出的铝型材产品外形的形状相适配，例如，圆形或方形的铝型管材，工作段510的工作尺寸d(即下模400的模孔尺寸)与所挤压出的铝型材产品的外形尺寸相关联，设计时须考虑材料的制造误差、材料的收缩率等因素，工作段510宽度为3mm(即工作带)；外空刀段520的形状与工作段510形状相适配，且外形尺寸为d+0.6mm，即单边比工作段510大0.3mm空刀量，以保证硬质合金环500工作时的强度；
51.硬质合金环500的理论外径为d+20mm(即大端未倒圆角之前的外径)，即硬质合金环500的外边缘到内孔(即工作段510)内边缘的最短距离不应小于10mm；
52.同时，硬质合金环500的厚度也不宜过大，主要考虑到材料的消耗和加工，硬质合金环500的厚度在8~10mm之间为宜。
53.结合图8所示，图8是图1中的下模结构图，下模400的中心孔也为三段式阶梯孔结构，沿图中挤压方向依次由同轴且连通的第二圆锥孔410、出料孔420和外空刀孔430组成；其中，
54.第二圆锥孔410位于下模400的焊合室440底面中心处，第二圆锥孔410的大端朝向图1上模100方向，第二圆锥孔410中用于镶嵌图1中的硬质合金环500，且经多次试验，第二圆锥孔410的锥度与硬质合金环500的锥度相适配，最佳锥度为20-21
°
(即斜度为10-10.5
°
)；
55.同时，第二圆锥孔410的深度与硬质合金环500的厚度相适配，且第二圆锥孔410的深度取正公差，硬质合金环500的厚度取负公差，以确保其硬质合金环500安装后不高出下模400焊合室440的底平面；
56.出料孔420的直径为d+0.6mm，尺寸d为下模400的模孔尺寸，出料孔420的深度不应小于15mm，以保证有足够的强度支撑硬质合金环500，但出料孔420的深度也不宜过长，以15~20mm为宜，以免在挤压过程中容易擦伤铝型材的外表面；
57.外空刀孔430的直径比出料孔420的直径大4~5mm(即单边大2~2.5mm)为宜，可以完全避免所挤压出的铝型材的外表面被擦花或擦伤。
58.结合图9所示，图9是图1中的止动环结构图，止动环600呈环状，外形尺寸大于d+50mm，内孔尺寸为d+10mm，厚度为5mm，采用q235材料制作即可，通过螺钉固定在图8下模400焊合室440的底平面上，止动环600上的螺孔直径为6mm。
59.结合图10和图11所示，图10是图1中已装配硬质合金环和和止动环的下模结构图，图11是图10的右视图；焊合室440的形状为避开上下模装配孔的异形沉孔；在常温状态下，先将硬质合金环500放入下模400的第二圆锥孔410中，再将止动环600用螺钉固定在下模400的焊合室440的底平面之上，由此完成上模100部分的常温装配。
60.在本实用新型可常温下镶嵌硬质合金的铝型材挤压模的具体实施方式中，硬质合金柱200和硬质合金环500的材料均采用钨钴系列硬质合金为宜，例如yg8型号，优选钴含量小于8%的型号更好，钴含量越低，含钴量越低的硬质合金，其耐磨性较越显著，而含钴量高的合金则冲击性能较为显著。而在挤压模中，要解决的是模具表面的磨损问题，强调的是模具的耐磨性，所以选择含钴量低的yg8硬质合金。
61.在常温下本实用新型用硬质合金材料代替传统模具的模芯与模孔部位；在上模100的模芯部位加工出镶嵌硬质合金柱200的安装孔，安装孔的结构为阶梯孔，前段为第一圆锥孔130(即锥形孔)，后段为第一圆柱孔110(即直孔)，前段的锥形孔是为了易于安装硬质合金柱200，锥形孔的斜面可以实现自动定心和自锁的功能，保证了硬质合金柱200安装的可靠性；后段直孔的作用，一是当放入硬质合金柱200后，用塞块300封堵安装孔，可防止硬质合金柱200脱落；二是若不采用后段的直孔，则前段锥形孔的延伸会导致硬质合金柱200过长且尾部断面尺寸过大，硬质合金柱200本身易裂，所占据上模100的位置也多降低模具的强度；三是在塞块300与硬质合金柱200之间留有一定的应力缓冲空间(即第二圆柱孔120)，这样塞块300可以对硬质合金柱200进行遮挡，在挤压过程中，塞块300承受金属压力时不会将压力传递到硬质合金柱200，硬质合金柱200只承受挤压过程中金属成型时产生的与挤压方向相同的摩擦力作用，而这个摩擦力又是很小的，因此，保护了硬质合金柱200，使其不会因受力产生应力集中而出现脆裂，从而保证了硬质合金柱200的使用寿命；同理，在
下模400中也采用锥形沉孔(即第二圆锥孔410)，把锥台形的硬质合金环500放入到锥形沉孔中，也易于操作，同时为了防止挤压过程中造成硬质合金环500的脱落，则采用止动环600遮盖以实现目的。
62.总之，本实用新型就是针对铝型材挤压模的磨损失效问题，将优质的模具钢材与硬质合金材料两者各自优良的特性有机结合起来，通过技术工艺上的创新，在常温下将硬质合金材料镶嵌在铝型材的挤压模上，使硬质合金材料能在挤压型材的高温高压条件下自始至终都能牢靠地镶嵌在模具中，并在高温高压的挤压生产条件下能够稳定服役，从而大大提高了模具的耐磨性和使用稳定性。
63.而这种另辟溪径的采用在常温下进行硬质合金的镶嵌，也避免了热镶嵌的弊端，同时硬质合金的镶嵌简单，便于操作，易于加工，且模具制造成本低，使用寿命也大为提高，实践表明，模具的寿命可达35吨以上，比热装法的模具寿命则高出至少40%；同时，所挤压出的铝型材产品的表面质量也大大提高，表面光亮，挤压纹与挤压痕都很少。
64.本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域普通技术人员公知的现有技术。
65.应当理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不足以限制本实用新型的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本实用新型的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。