高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具及成形方法

本发明涉及铝合金挤压模具设计及挤压材成形，具体涉及一种高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具及成形方法。

背景技术：

1、随着铁路运输的快速发展，铁道运输装备要求不断提高。薄壁多腔复杂截面类型材是一类典型的高性能高铁车辆构件，枕梁类构件即具有该特点，枕梁是列车转向架上的关键零部件，列车的高速、安全运行要求枕梁的具有足够的强度和抗疲劳能力。为满足轨道车辆轻量化的重大需求，枕梁型材在结构上呈现薄壁多腔的特点，当前该类构件通过挤压完成。

2、新一代高铁进一步增大了薄壁空腔类型材截面尺寸与复杂度，以及尺寸公差要求；同时，通过提高挤压速度实现该类构件的低成本制造是当前相关制造企业的重要途径，然而，复杂截面型材对模具设计与制造，以及挤压工艺的精确控制提出了挑战；另一方面，薄壁带筋型材在高速挤压条件下，材料易变形失稳，厚壁处的金属流动性远远好于内侧斜筋，导致枕梁中间的斜筋填充不满甚至烂料的情况。

3、铝型材的实际挤压生产环境非常恶劣，实际挤压生产过程中，模具从始至终都要承受高温、高压的作用，同时还伴随着铝合金与模具之间的大量摩擦。模具不仅受到外部压力的影响，而且还经常受到热应力的影响，最终导致失效和报废，失效的形式包括塑性变形、热疲劳、断裂和其他形式的失效。在传统的挤压过程中，由于塑性变形热、摩擦热、坯料与挤压工具之间的传热等多种综合因素，模具出口处的挤压物温度沿挤压方向逐渐升高，这些因素影响了微观组织的均匀性和铝型材的机械性能，影响温度的因素有很多，包括挤压速度、坯料温度、挤压工具和模具结构的加热温度等。同时，铝型材的挤压生产过程中，型材出口处的流速对挤出制品的精度、质量有极其大的影响。如果金属的流动速度差太大，容易造成挤出型材的弯曲变形等缺陷。

4、在实际挤压过程中，由于挤压模具存在不可避免的局部微小变形，型材流速的均匀性可能遭到严重恶化，模具局部变形不可以简单忽略。铝合金型材挤压过程中，模具长时间处于高温高压的恶劣环境，尤其是上模分流桥，其沿挤压方向受到材料的直接冲击，是模具上最容易发生变形、失效的部位。分流桥因受到剧烈的冲击载荷而发生弯曲和分流桥两危险截面被剪断。挤压过程中上模分流桥整体应力水平最高，其中最大应力位于上模分流桥根部倒角处，该处应力集中效应明显，生产过程中模具分流桥根部极有可能发生永久塑性变形甚至开裂失效，轻则影响挤压型材成形精度及产品质量稳定性，重则挤压模具造成提前报废。

5、挤出型材断面温度分布的均匀性对型材的力学和组织性能具有决定性影响，并且严重影响模具寿命。材料经过初始挤压阶段的填充过程之后开始流出模孔，由于材料因变形及摩擦所产生的热量远大于向工模具转移的热量，型材出口温度不断上升。而随着挤压的进行，挤压过程中产生的热量与散失的热量逐渐达到平衡，型材出口温度基本保持恒定。在挤压后期，由于材料发生紊流，即沿挤压方向由周围向中心发生剧烈的横向流动，导致型材出口温度再度上升。考虑到严重缩尾裂纹等产品缺陷，在实际挤压中应避免该挤压阶段的发生。

6、在挤压过程中，流动的金属间、金属与挤压工具间必然会产生摩擦，由于型材流动速度差异越大，金属流动越快，产生的摩擦越大，而摩擦产生热量，反之，型材流速差异越小，由于摩擦产生的热量差异越小，从而导致了型材的温度分布差异越小。由于金属的温度分布不均匀，挤出型材会产生变形。所以，型材的速度分布越均匀，变形程度越小。当型材各部分速度分布差异较小时，型材各部分变形程度差异也较小，型材各部分变形所产生的热量差异也较小，从而导致型材的温度分布均匀性提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具及成形方法，以解决当前枕梁类型材挤压技术中存在的过程速度慢、效率低下，且型材截面流变速度不均匀，流变易失稳开裂的问题。

2、第一方面，本发明提供一种高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具，包括相匹配地对接的上模和下模，所述上模具有朝向所述下模凸出的上模模芯，所述上模模芯设置有斜筋成型流道，所述下模在靠近所述上模的一侧具有凹陷的焊合室，所述焊合室中部设置有贯通的下模型腔；

3、所述上模模芯的末端位于所述下模型腔中，所述上模模芯与所述下模型腔之间形成型材成型间隙；所述型材成型间隙与斜筋成型流道相互连通；所述上模模芯的四条侧棱设置有上模料孔，所述上模料孔与所述斜筋成型流道以及型材成型间隙相对应相互连通。

4、进一步地，所述上模内部设有数个分流腔。

5、进一步地，所述分流腔分布形式为同心环状且为内外两圈，各分流腔之间由分流桥间隔开来。

6、进一步地，在内圈共设有四个均匀分布的分流腔；在外圈共设有八个均匀分布的分流腔，外圈的分流腔整体呈环形分布并围绕内圈的四个分流腔设置。

7、进一步地，所述分流腔的进料侧端面设有分流孔倾斜扩展段，所述分流孔倾斜扩展段使得各分流腔呈放射状。

8、进一步地，所述上模模芯的端部设置有上模芯头，所述上模芯头的横截面积小于上模模芯并突出于上模模芯设置，所述上模芯头与上模模芯同轴。

9、进一步地，所述上模芯头的主体被上模模芯中呈对角线交叉串联设置的斜筋成型流道切分为四个三角形状实体。

10、进一步地，所述下模型腔的贯通部分形成下模挤出型材的下模工作带。

11、进一步地，所述下模的出料一侧呈凹陷状设置有空刀；所述空刀作为下模工作带出口端悬臂支撑的结构件，所述空刀与下模型腔形状相同并且横截面积大于下模型腔。

12、第二方面，本发明提供一种采用以上所述的高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具实现的高铁用薄壁多腔复杂截面型材成形方法。

13、本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具及成形方法，可用于解决现有技术中存在的枕梁型材挤压过程中速度慢，效率不高，型材截面流变速度不均匀的问题。通过合理布置分流腔、分流桥、上模模芯等重要结构，使铝合金流更早地进行局部流速调节，进而在流至工作带时会更均匀、对工作带的影响更小，并且铝合金流体不会发生错位，在工作带的出料端不存在陡然过渡，可在较高的挤压速度下仍能保证型材成型的品质。

14、本发明的一种高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具在分流腔进出口采用了分流孔倾斜扩展段，与常规的模具相比，可以减少进料面所受的压力、进料时的摩擦阻力、铝合金坯料的流动阻力，在热处理过程中不容易产生应力集中，从而该模具的模桥在使用过程中不容易产生疲劳裂纹源，具有较长的使用寿命。

15、本发明的一种高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具，其斜筋成型流道设计巧妙，易于实现，能够充分地为斜筋成型供料，避免发生斜筋填充不满甚至烂料的情况，大幅提高了良品率。

16、本发明的一种高铁用薄壁多腔复杂截面型材高速挤压模具，其不仅结构简单、挤压速度快，还可以提高模具的使用寿命；最重要的是，所生产的带有串联交叉斜筋的高铁枕梁型材具有高强度、高韧性、高精度和表面粗糙度低等特点，在高速挤压下可实现大批量生产，降低生产成本，还可以保证型材的质量。