挤压工艺与模具设计

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1、挤压工艺与模具设计目录一、 挤压相关知识及发展状况.2二、 总设计过程概论.5三、 实心型材模设计.7四、 总结与体会.191.1 挤压加工方法挤压是有色金属、钢铁材料生产与零件成型加工的主要方法之一，也是各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。从大尺寸金属铸锭的热挤压开坯、大型管棒型材的热挤压加工至小型精密零件的冷挤压成型，从粉末、颗粒料为原料的复合材料直接固化成型到金属间化合物、超导材料等难加工材料，现代挤压技术得以广泛的应用。挤压加工的方法主要有正挤压，反挤压，侧向挤压，玻璃润滑挤压，静液挤压，连续挤压。挤压加工特点是处于强烈的三向压应力状态，这有利于提高金属的塑性变形能力

2、，提高制品的质量，改善制品内部微观组织和性能。除此以外，挤压加工还具有应用范围广，生产灵活性大，工艺流程简单和设备投资少的特点。应用挤压加工工艺最多的材料是低熔点的有色合金，如铝及铝合金。1.2 铝加工行业的分布中国的铝加工企业主要集中于沿海(广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、河北、天津、北京、辽宁)地区，即珠江三角洲(广州一深圳为中心的经济圈)、长江三角洲(上海为中心的经济圈)、环渤海湾地区(京津经济圈)所占比例较大，许多铝加工企业都云集于此三大经济圈。在珠三角地区，主要集中在佛山地区，其中大沥更是全国，甚至世界地区铝加工业的佼佼者。1.3铝及铝合金的特点与应用铝及铝合金具有一系列特性，在

3、金属材料的应用中仅次于钢材而居第二位。目前全世界铝材的消费量在1800万吨以上，其中用于交通运输（包括铁道车辆、汽车、摩托车、自行车、汽艇、快艇、飞机等）的铝材约占27%，用于建筑装修的铝材约23%，用于包装工业的铝材约占20%。随着中国经济建设的高速发展，人民生活水平的不断提高，中国的建筑行业发展迅速，包括铝型材在内的建筑装饰材料不断增加。铝型材的应用已经扩展到了国民经济的各个领域和人民生活的各个层面。根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为变形铝合金与铸造铝合金两大类。变形铝合金也叫熟铝合金，根据据其成分和性能特点又分为防锈铝，硬铝，超硬铝，锻铝和特殊铝等五种。铝合金比纯铝具有更好的物理力

4、学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。 铝合金型材具有强度高、重量轻、稳定性强、耐腐蚀性强、可塑性好、变形量小、无污染、无毒、防火性强，使用寿命长（可达50100年），回收性好，可回炉重炼。1.4挤压工模具的材料常用挤压工具钢化学成分钢号(C)/%(Si)/%(Mn)/%(Cr)/%(Mo)/%(W)/%(V)/%5CrMnMo0.50.60.250.61.21.60.60.90.150.35CrNiMo0.50.60.40.50.80.50.80.150.33Cr2W8V0.

5、30.40.40.42.22.77.59.00.20.54Cr5MoSiV10.320.420.81.20.44.55.51.01.50.81.1本设计选用模具材料为4Cr5MoSiV1，又称H13钢。钢中碳化物类型有、。钒在钢中起回火时二次硬化作用；Cr、Mo、W、V能提高钢抗回火软化能力，保持高温下的强度、韧度；硅提高钢的回火稳定性和抗热疲劳能力。铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性。 常用挤压工具钢及其机械性能：钢号试验温度T/MPa/MPa/%/%HB热处理工艺5CrMnMo300400500600115010107804309908606904104761868411.011.117.52

6、6.7351311302235850空淬，600回火3Cr2W8V300400450500600-1491152014301280-137313631304-15-5.6-8.3-4294294053253251100在油中淬火，550回火4Cr5MoSiV1400450500550600136013001200105082512301135102585571049525658676791210-1050油淬，625回火在油中两小时二、总设计过程概论2.1 挤压工艺流程金属制品是经若干个工序制作出来的，每个工序按一定顺序连接起来，就形成了工艺。工艺要在一定条件下完成，有特定的工艺参数。挤压工艺

7、流程：铸锭加热挤压切压余淬火冷却切头尾 切定尺 时效表面处理包装入库2.2挤压工艺及工艺参数条件的确定应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类形状、形状等）、切压余、切头尾、淬火、冷却、等多方面的因素，合理地选择工艺或参数。1）铸锭的加热温度3003铝的最高允许加热温度为550，下限温度为320，为了保证制品的组织，性能，表面质量，为了降低变形抗力，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。一般取490530。2）挤压筒预热模具的成分多为合金钢，由于导热性差，为避免产生热应力，挤压前挤压筒要预热，为保证挤压制品的质量，并且具有良好的挤压效应，挤压筒温度可取400450。可采用通电自行

8、预热。3）模子预热避免急热，延长模具寿命，应对模具进行预热。4）挤压温度热挤压时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的0.750.95倍，挤压过程中温度最好控制在500左右。6）挤压速度考虑金属与合金的可挤压性，制品质量要求及设备的能力限制，本设计的挤压速度取，。7）工模具的润滑因本设计采用热挤压，故不采用润滑。8）模具模具应具有足够的耐高温疲劳强度和硬度，较高的耐回火性及耐热性，足够的韧性，低的热膨胀系数和良好的导热性，可加工性，及经济性，本设计采用4Cr5MoSiV1作为模具的材料，热处理的硬度为HRC4852。9）切压余本设计视挤压设备而定，一般2030mm，要控制质量，切去缩尾等缺陷。10

9、）淬火本工艺过程中，制品挤出后可通过设置风扇对制品进行吹风来达到风淬（固溶强化）的目的，或采用喷水雾的方法。11）冷却直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。12）切头尾一般挤压制品的头部和尾部都存在缺陷，为了不影响制品的性能，需要进行切头尾的工作。切头尾的量可以是300500mm或5001000mm，本次设计头尾各切300mm。13）切定尺 本次设计取每根制品6m长作为切定尺的标准。14）时效 时效处理可以分为两种：自然时效和人工时效。自然时效即让挤压制品在空气中停放；人工时效对3xxx系铝合金可在180240下保温68h。15）表面处理为了提高制品的耐蚀性和抗疲劳性等，可以对其进行表面处

10、理。表面处理一般有：阳极氧化、着色、喷粉、喷涂、电泳、抛光等。16）包装入库 将铝合金成品进行包装入库。 三、实心型材模设计3.1所要设计的实心型材制品图1 v型材截面（1）已知：要求本制品的形状和尺寸及公差如下 牌号XC311-5（v型） 制品的截面积 制品材料为3003，制品挤一米的重量模孔外接圆直径(2)现有设备表6设备吨位500T800T1630T挤压筒直经(mm)95125187挤压截面积(mm)70851226627451锭坯尺寸90270/320120400/450178540/600/660冷床长(m)263244填充系数K1.1141.0851.104压余厚(mm)20253

11、0最大挤压比97.48273.6加工范围最大外接圆直径 (mm)6595147挤一根最小制品断面积()721503723.2选坯和选设备选择挤压筒直径D0是一个最核心的问题，有以下的选择原则：1）保证产品表面质量原则（为模孔距筒内表面的距离，为经验数据，可取15、20、30）2）保证挤压模强度的原则3）保证产品内在质量的原则4）经济上的优化原则生产成本最低；成材率最大；产量最高可用500T，按成才率最高的原则，进一步优化，计算如下表所示：序号D0 (mm)Dd (mm)Ld(mm)单重Wd(Kg)填充系数K填充后长度/mm压余厚hy(mm)切压余后的有效长度 /mm挤压比制品长度L制(m)切头

12、尾后制品长度(m)成品 数nx6(m)成品重 (kg)成材率W制/Wd()195902704.671.1142422022262.4813.8713.27263.8281.8295903205.531.1142872026762.4816.6816.68263.8269.1最后选择成才率最高的81.8方案1即：选择500T的挤压机设备，挤压筒内径D0=95mm锭坯尺寸为：DdLd=90270mm =62.48 3.3挤压力的计算根据挤压力经验系数公式，P挤压力, ND挤压筒内直径，mmd制品的当量直径，mm；（）材料在挤压温度下的变形抗力，MPa；查表3，并由外推法得出500时的变形抗力为10

13、MPa。所以d=8.96mmP= =2610162N 换算成吨位：约266TP=266T额定吨位500T，设备选择符合要求，即理论技术可行 3.4实心型材模具体结构设计模组的结构如下图图2 模组的结构1.模子 2.模垫 3.前环 4.后环 5.保护垫板 6.前机架 7.模座8.模套 9.剪刀 10.挤压筒对于不同吨位的挤压机，下图中的主要结构尺寸都是配套设置的，可以从有关资料中查得。模组的主要结构尺寸如图3模组尺寸如下表表7模组尺寸设备吨位500T800T1630T12H160180190210250240310350340H1203030H2809090100110150H350605060

14、6080挤压模具的尺寸如下表表8挤压模具的尺寸设备吨位500T800T1630Td1/d2135/1452025165/1752530250/2603040h112121312133.5 实心模尺寸数据设计（1）选坯和选择设备根据前面的计算选500T挤压机挤压筒内直径=95 锭坯尺寸：DdLd=90320mm挤压比=62.48（2）模组及模子尺寸外形的计算图3模组主要结构尺寸标注模组主要结构尺寸确定根据前面计算，从表7选取H=190mm =20mm =80mm =55mm 160mm 180mm模子外形尺寸的确定（如下图4）图4 模子外形尺寸依据表8的数据可以确定=135 =145 =12 =

15、25（3）模孔几何尺寸的确定挤压比=62.48，故不需要多孔挤压。模孔的外形尺寸（指型材的宽与高）AK：由公式式中：型材的名义尺寸，mm裕量系数，见金属塑性加工学，冶金工业出版社，P67表51锻铝取0.0070.010，本设计取0.010型材外形尺寸的正偏差，mm型材的壁厚的尺寸SK由公式式中：型材壁厚的名义尺寸，mm型材壁厚的正偏差，mm裕量系数，对铝合金取0.050.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限。本设计取0.1计算得出几何尺寸:模孔外型尺寸： 长度方向250.45mm尺寸 =(1+ ）+ =32（10.01）+0.45=12.57mm宽度方向130.45mm尺寸= (1+）+ =13

16、（10.01）+0.45 =12.57mm壁厚的尺寸 =2.40.10.2 =3.4型材的圆角及圆弧没有偏差要求，故可按名义尺寸设计由于这种型材在挤压的过程中有并口现象，角度取91制造偏差为 ，主要尺寸如下图 图5 模孔几何尺寸（4）孔形在模子端面位置的确定由于本型材为等壁厚的型材，故型材的重心与模子的中心重合。模孔重心的计算，如下图建立坐标系：图6模孔几何中心确定设压力中心为（， ）由于v型截面具有一条对称轴，如图6关于Y轴称 所以=0 ，则压力中心为（0， ）各边中心坐标为：,各边长分别为：=12mm，=3mm，=9mm，=9mm，=3mm,mm = =4.24mm 由于制品对称，所以（，

17、）=（0，4.24）（5）工作带长度的确定工作带又称定径带，是用以稳定制品尺寸和保证制品质量的关键部分。由于是等壁厚型材，故定径带长度各处相等，一般可取23.5，生产实践中对铝合金常用38，本次设计取4模角工作带与工作端面的连接都有一个尖棱角，挤压过程中易于出现裂纹和压秃、压塌等现象从而会改变模孔尺寸，导致难以保证挤压制品的尺寸精度，因此，必须采用过渡圆角半径r。（6）出口直径模子的出口直径一般应比工作带直径大35mm，以防止划伤制品表面，本设计取4mm。工作带与出口的过渡部分以圆角半径等于45mm的圆弧连接，或做成2045的斜面。（7）入口圆角半径入口圆角半径r的作用是为了防止低塑性合金在挤

18、压时产生表面裂纹和减轻金属在进入工作带时所产生的非接触变形，也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压颓而很快改变模孔尺寸用的，但挤压铝合金时不应有入口圆角，而要求保持锐利的角度，一般取r=0.20.5mm。（8）阻碍角由于1015，故不采用阻碍角3.6校核（1）设备能力的校核根据前面=266T500T,即挤压力小于所选设备的吨位。所以符合要求。（2）模子强度的校核对于半空心型材,可以认为是一个悬臂梁突出的舌部，可按下述步骤校核其危险面I-I处的模子最小厚度。舌部尺寸如图5所示。图51）求单位挤压力p=332.08MPa式中：p单位挤压力，MPaP挤压力，N挤压筒断面面积，2）舌部载荷=47

19、819.5N 式中：Q作用在舌部的总载荷，N 舌部的面积， 、舌部的长宽尺寸，mm3）舌部弯曲应力计算=式中：舌部弯曲应力，MPa 弯矩，Nmm；=47819.5=202850.4Nmm（e为重心至危险断面出的距离） 截面模数，；=1915.08（H为模子高度）所以=105.9MPa4）剪切应力的计算=112.7MPa5）等效应力的计算=221.87MPa计算的等效应力应小于工作温度下的模子的材料的屈服强度。在500下,对于4Cr5MoSiV1取=1025Pa左右。=221.87MPa1025MPa，故模具强度符合要求。四、总结与体会通过几个星期的课程设计，我对模具以及模具设计的一般步骤有了初

20、步的了解。原来以为专业知识学得好就能做得好,事实上实践动手能力与书本知识有很大的区别.这样的课程设计可以激发人的主动性和创造性,很好的锻炼人的思维.在这次课程设计中，不但让我学到了铝合金挤压模具设计的基本知识，还让我把今年暑假实习中观察学习到的模具知识应用于其中。也算是把理论和实际初步的结合了起来。由于个人水平的限制及专业知识的有限，设计存在许多疏漏和错误之处，恳请老师指正教导。 参考文献：【1】 刘静安 邵莲芬主编. 铝合金挤压工模具典型图册 化学工业出版【2】 郝滨海主编 挤压模具简明设计手册化学工业出版社【3】刘静安 谢建新主编 金属挤压理论与技术冶金工业出版【4】刘静安 谢建新主编. 大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计 【5】刘庆谭主编. 材料力学教程 机械工业出版社 18