《挤压模具设计》word版.docx

课程设计任务书机械工程学院13材控（方向二）班指导教师：张红云设计课题：挤压模具设计一、设计条件：在19.6MN挤压机的200mm挤压筒上生产出下列条件的合格型材，设计出相应的型材模具。1.单模孔模具生产如下图型材。（1,2，3组同学设计）2.双模孔生产3*5扁线材。（4,5,6组同学设计）3.三模孔生产3*5扁线材。（7,8,9组同学设计）4.四模孔生产3*5扁线材。（10,11,12组同学设计）二、 设计内容：1.模孔布置。2.设计工作带长度。3.型材模孔尺寸设计。 4模子强度校核。5.画出模具图。三、 设计时间：2016年10月31日至11月4日四、 设计地点：实验楼C楼501,502五、分组情况：组号学生安排情况型材金属种类11310121001-1310121010，铜及其合金21310121011-1310121021铝及其合金31310121022-1310121033镁及其合金41310121034- 1310121043铜及其合金51310121044-1310121054铝及其合金61310121055-1310121065镁及其合金71310121066-1310121075铜及其合金81310121076-1310121086铝及其合金91310121087-1310121096镁及其合金101310121097-1310121108铜及其合金111310121109-1310121120铝及其合金121310121121-1310121130,111012112镁及其合金目录第一章 绪论11.1 挤压技术简介11.2 热挤压模具在有色金属生产中的应用11.3 关于镁及镁合金11.4 关于挤压模具设计1第二章 坯料选择22.1 锭坯尺寸选择22.2 挤压比计算22.3 锭坯材料选择3第三章 模孔布置43.1模孔的布置43.2 模孔尺寸的确定43.3 模孔出口尺寸53.4 模孔工作带长度的确定53.5 导流模设计5第四章 模具外形尺寸设计74.1 模角74.2 模具外径D的设计74.3 模具厚度H74.4 挤压模结构形式与模具外形锥度bb84.5 模具入口处圆角半径的确定84.6 模具材料的确定9第五章强度校核11第六章 绘制模具图12设计小结13参考文献14第一章 绪论1.1 挤压技术简介 挤压是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大压力和一定速度的作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的制品。因此，挤压加工是利用模具来控制金属流动，使金属体积大量转移来形成零件。挤压模具是挤压生产中最重要的工具，它的结构形式、各部分尺寸、模具材料、模具的装配形式等，对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳定性、制品表面质量以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响。 1.2 热挤压模具在有色金属生产中的应用 在当代工业制品和生活制品中，有相当部分金属构件的成品或半成品是经过压力加工方法生产而得的。采用模具加工成形金属构件，具有生产效率高，质量好，节省材料，成本低，以及规格灵活多变等特点，近几年来，在国民经济建设的各个领域中，得到了广泛的应用。 模具是金属压力加工的基础，模具的设计与制造技术是金属压力加工的核心，而模具的质量和使用寿命是决定金属压力加工过程是否经济可行的关键。模具技术特别是设计制造精密，复杂，大型，寿命长的模具是衡量一个国家工业水平的重要标志之一，因此有“模具是工业之母”之说。 1.3 关于镁及镁合金 镁是具有密排六方晶格的金属，滑移系只有3个，与铝、铜相比，镁的塑性是很低的。冷挤压镁是比较困难，但当加热到200以上时，镁的塑性便得到较大的提高。纯镁中的杂质元素常见得有铝、钠、铁、硅、钾、铜、镍等。它们的存在使镁的性能发生了不好的改变，因此，镁中应控制这些杂质的含量。 镁及镁合金的强度重量比很高，故使用广泛。镁及镁合金还具有良好的加工切削性能，并可以进行时效强化。镁及镁合金的挤压性在室温下很差，但在高温下，却有较好的挤压性能。一般对其毛坯进行退火处理以减小其变形抗力。退火后的毛坯在挤压之前仍需进行长时间加热，以保证温度均匀和多相元的溶解，提高其可挤压性，一般加热时间按50mm直径加热1h计算。镁及镁合金的挤压速度也需要严格的控制，一般不超过30m/min，对于有些难变形合金不能超过0.31m/min。 1.4 关于挤压模具设计 在挤压设计的过程中挤压工艺条件：应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类、形状、尺寸等）、切压余、淬火、冷却、切头切尾等多方面的因素。其中，选择挤压模外形尺寸、工作带长度、模孔尺寸是最核心的问题，有以下的选择原则： 1）保证产品表面质量原则； 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。第二章 坯料选择2.1 锭坯尺寸选择 锭坯尺寸选择得是否合理，直接影响到挤压制品的质量、成品率、生产率等技术经济指标。锭坯尺寸（直径和长度）越大，制品越长，从而使切头尾、切压余的几何损失和挤压周期内的辅助时间所占的比例降低。对压余所导致的金属几何损失，增大直径或者增加长度对成品率的影响不同。锭坯体积一定时，增大直径和减短长度使几何损失增加，减小直径增加长度，几何损失减小。 2.1.1 锭坯直径选择 选择锭坯直径时，一般应在满足制品断面机械性能要求和均匀性要求的前提下，尽可能采用较小的挤压比。但是，在挤压外接圆大的复杂形状断面型材时，要考虑模孔轮廓不能太靠近挤压筒壁，以免制品出现分层缺陷。多孔模挤压时，除上述因素外，还应考虑各模孔间的最小距离，既保证各模孔间流动速度均匀，又要考虑挤压模的强度。用以挤压棒材的锭坯一般为实心圆锭坯。 计算锭坯直径时，应综合考虑挤压筒直径、锭坯直径偏差量、加热膨胀后仍能顺利进入筒内等因素。 按填充系数计算：Dp=D0c式中：Dp-锭坯外径； D0-挤压筒直径； c-填充系数，c=1.071.15。由设计条件知，D0=200mm，取c=1.10，得Dp=190mm。2.1.2 坯料长度计算在实际生产中，坯料一般是圆柱形的，在挤压有色金属时，坯料长度L0为直径的2.53.5倍。则L0=（2.53.5）Dp计算得L0=（2.53.5）190mm=475669mm，取L0=500mm。2.2 挤压比计算在挤压生产中，金属的变形量大小常用挤压比或加工率来表示。挤压比是指挤压成形前锭坯充满挤压筒时的断面积与挤成形后制品断面积总和之比值，以表示：=1nDtdk2式中：Dt-挤压筒直径； dk-棒材直径；n-同时挤压制品的根数或模孔数。由条件可知，Dt=200mm；dk=5mm；n=3，计算得=1nDtdk2=1320052=533.332.3 锭坯材料选择 从表2-1中热挤压各种金属材料时工艺参数值，可以选择镁及合金中MB2作为锭坯的材料。综上，选择190500mm的MB2镁合金进行挤压。表2-1 热挤压各种金属材料时的工艺参数值金属材料挤压温度挤压比流出速度m/s单位挤压力MPa镁及镁合金纯镁MB2，MB5，MB7镁铝合金35044030040030042010010（5080）10800.250.500.0160.160.0081.258001000-第三章 模孔布置3.1模孔的布置采用多孔棒材模时，金属流动要比单孔模均匀，故可以减少中心缩尾形成的几率。但是，如果模孔排列不当，会使挤出的制品长短不齐，增加几何废料，恶化表面质量；如果模孔靠近挤压筒边缘，也会使制品表面产生起皮、分层等缺陷。此外，多模孔过于靠近挤压筒边缘时由于内侧金属供应量大、流动速度快，而外侧由于金属供应量不足，流动速度慢，会造成制品出现外侧裂纹；当模孔太靠近挤压筒中心时，外侧金属供应量大与内侧，则制品易出现内侧裂纹。应将多孔模模孔的理论重心均匀的分布在距模具中心和挤压边缘有适当距离的同心圆周上，如图3-1所示。图 3-1多孔模的同心圆直径D心与挤压筒直径Dt之间的关系可以按以下的经验公式来确定。D心=Dt-0.1n-2式中：D心-多孔模模孔断面中心分布的同心圆直径； Dt-挤压筒内径； n-模孔数目（n2）； a -经验系数，一般取2.52.8；n值较大时取下限，挤压筒内径大时取上限，一般取2.6。根据上式，计算D心=200（2.52.8）-0.1（3-2）=74.183.3mm，取D心=80mmD心通过上式求出后，还必须考虑节约模具钢材和工模具规格的系列化及互换性（如模垫、导路的通用性等），再对D心进行必要的调整。3.2 模孔尺寸的确定模子工作带直径与实际所挤压出制品直径并不相等。在设计时应保证在冷状态下不超过所规定的偏差范围，同时又能最大限度的延长模子的使用期限。通常是用裕量系数C1来考虑各种因素对制品尺寸的影响。为挤压不同金属与合金时的模孔裕量系数C1的值。若用A表示模孔长度，则用以下算式对棒材模进行计算：A=Am1+C1+1式中： C1-裕量系数； Am-型材的名义外形尺寸（指型材的宽高）； 1-型材外形尺寸的正偏差表3-1 裕量系数C1合金C1的值含铜量不超过65%的黄铜0.0140.016紫铜，青铜及含铜量大于65%的黄铜0.0170.020纯铝、镁合金0.0150.020硬铝及锻铝0.0070.010本设计中为挤压镁合金扁线材，故C1取为0.020。则模孔的宽A01=5=5.10mm，取5.1mm。模孔的高A02=3=3.06mm，取3.1mm。3.3 模孔出口尺寸为了防止划伤制品表面，一般出口端尺寸比工作带尺寸大35mm，本设计取4mm。出口端尺寸为：宽A1=5.1+4=9.1mm，高A2=3.1+4=7.1mm。3.4 模孔工作带长度的确定 棒材模的工作带长度是决定棒材尺寸精度和表面质量的基本参数。工作带过长，容易在其表面粘结金属，使制品表面出现部分毛刺、麻面等缺陷；工作带过短，不能稳定地控制棒材，常易出现椭圆等缺陷，同时，由于工作带易磨损，致使模具寿命缩短。棒材模的工作带长度可根据被挤压金属的不同有不同的选择。在挤压镁合金扁线材时，模孔的工作带长度可根据棒材的直径确定如下表3-2所示。由于挤压制品棒材直径40，所以模孔工作带长度取值范围为23mm，则取模孔工作带长度为3mm。表3-2 模孔工作带长度经验值表棒材直径/mm模孔工作带长度/mm402340704701205130280683.5 导流模设计 由于挤压制品的挤压比过大，为保证锭坯的顺利挤压，采用导流模。导流模的基本结构形式有两种：一种是将导流模和型材模分开制造，然后再组装成一个整体使用；另一种是直接将导流模和型材模加工成一个整体。为了提高模具的利用率，选择导流模和型材模分开的结构。 导流模的设计原则是有利于金属预分配和调整金属流速。一般来说导流模的轮廓尺寸比型材的外形轮廓尺寸大615mm；导流腔的深度按照挤压筒大小不同一般取1525mm；导流孔的入口最好做成315导流角，导流模腔各部位采用圆滑过渡。则导流模的尺寸设计为轮廓尺寸比型材的外轮廓尺寸大15mm，导流模的深度为20mm，导流角为3。第四章 模具外形尺寸设计4.1 模角根据挤压机的结构，用途以及所生产的制品类别的不同，挤压工具的组成和结构形式也不同。挤压工具一般包括：挤压模、挤压垫、挤压杆和挤压筒。模角是模子的基本参数之一，它指模子的轴线与其工作断面间所构成的夹角。当模角=90。挤压时，可以，形成较大的死区，从而获得优良的制品表面。但是，倘若死区发生断裂时，则会在制品表面发生起皮或分层。挤压力较大，特别在较高温度和高强度的合金是，模孔会因塑性变形而变小。应用：挤压镁合金型材、棒材，镍合金、铜合金管、棒材。本实验设计中采用模角为90的平模。 4.2 模具外径D的设计 为了便于制造和更换，模具外径可标准化与系列化。模具外径尺寸标准化、系列化的必要性有三个方面：减少模具设计与制造的工作量，降低产品成本，缩短生产周期，提高生产效率；通用性大，互换性强，只需要配备几种规格的模支撑和模架，可节约模具钢材，容易备料，便于维修和管理；标准化有利于提高产品的尺寸精度。因此，对于一台挤压机来说，模具外径最好根据挤压机配备各种规格的挤压筒，有13中规格为宜。表4-1所示为棒材模具外形尺寸。因设计条件为在19.6MN挤压机的200mm挤压筒上生产5mm的扁线材，所以取模具的外圆直径D1为198mm。表4-1 棒材模具外形标准尺寸-挤压机能力/MN挤压筒直径/mmD1/mmH/mmb7.3511.7614.719.634.349122.5196f85，f95f115，f130f170，f200f270，f320，f370f300，f360，f420，f500f420，f500，f650，f800f650，f800，f1100113，132148198230，330270，306，360，420300，420，570，670，880570，670，900，100016，3232，50，7040，60，8060，8060，8060，80，120，15080，120，150，200333366，1010，154.3 模具厚度H 模具厚度H应根据被挤压合金的变形抗力（即挤压力）的大小来考虑。在保证模具组件（模具、模垫、垫环等）有足够的强度的条件下，模具的厚度应尽量减薄，规格应尽量减少。但为了安装和调整方便，模具的厚度尺寸应尽量可能系列化，便于管理和使用，一般模具的厚度按下述数值（单位：mm）选用：20，25，30，40，50，60，70，80，90，100，110 在挤压机设计时，通常选取单位压力为1000MPa时的挤压筒直径Dt作为基本参数来确定模具的厚度，其关系为：H=(0.120.22) Dt将Dt=200mm带入式中，得到H=2444mm，考虑标准化及强度等因素，将H放大，取H=80mm。4.4 挤压模结构形式与模具外形锥度bb 挤压模具的外形结构根据其安装方式的不同可以有不同的结构形式，卧式挤压机上用的挤压模有圆柱形、带正锥和带倒锥三种形式。带正锥的挤压模在操作时逆着挤压方向放到模支承中，为了便于装卸，锥度不能太小，否则，人工取模困难；但如果锥度过大，则可能出现在模座靠紧挤压筒时，挤压模容易从模支承中脱落出来，故正锥的锥度在1304范围内选取。带倒锥的挤压模在操作时顺着挤压方向装入模支承中，其锥度为310，一般取6左右，为了便于机械加工挤压模的外形锥度，一般在锥体上有一段长10mm左右的圆柱部分。 由表4-1查得，b=3，因此，应选择带正锥的挤压模，如4-1所示。4.5 模具入口处圆角半径的确定 入口圆角半径r选取与金属的强度、挤压温度和制品的断面尺寸、模具结构有关。根据生产经验，r值可在表4-2所列数值范围内选取。由于锭坯材料为镁合金，入口处圆角半径r取值范围为13mm，则取r=1mm。 模具入口处圆角是指被挤压金属进入工作带时，模具工作端面与工作带表面间形成的拐角r入。这个角若为尖棱角时，在挤压过程中则易开裂或压秃、压堆，从而改变模孔尺寸，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。制作入口圆角半径r，还可以防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹，减小金属在流入模孔时的非接触变形。但是，圆角增大了接触磨损面积，可能会引起及压力增加。表4-2 模具入口处圆角半径/mm金属种类铝合金紫铜、黄铜白铜镍合金镁合金钢、钛合金入口圆角半径0.20.52548101513384.6 模具材料的确定 模具的寿命不仅与挤压工艺、模具设计制造工艺过程有关，而且还与模具的材质选择有重要的关系。对于热挤压模具的材质，必须具备以下条件： （1）具有足够的高温强度。即模具能承受高温、高压作用，不发生屈服变形和断裂，保证挤压制品获得所需尺寸精度。 （2）具有良好的抗磨损性能。即在高温、强摩擦的挤压条件下，模具材料能抵抗金属制品长时间的、高速的、激烈的摩擦作用，而不过早出现磨损，尤其对模具工作带表面更显重要。 （3）具有足够高的抗疲劳性。在挤压过程中，模具能承受周期性循环载荷作用而不发生断裂损坏，因此，模具材料必须具备良好的抗冲击韧性。 （4）具有良好的导热性能。热挤压模具处于高温挤压变形过程中，由变形金属产生的大量变形热及模具与变形金属之间产生的摩擦热，直接传递给模具导致温度升高，为防止模具局部出现“过烧”现象，模具材料应具有良好的导热性能，能向外快速地散发热量。 （5）具有良好的热处理淬透性和可氮化性。即模具材料在热处理过程中，应保证模具的强度、力学性能均匀一致。同时，模具在使用过程中，可多次进行表面氮化处理，提高模具表面强度的耐磨性。 除此之外，模具材料还应具有良好的抗回火稳定性，良好的抗腐蚀性，较低的膨胀系数，良好的工艺制造性能，以及价格的合理性等。由表4-3，可选取4Cr5MoSiV1作为模具的材料。 4Cr5MoSiV1模具钢，是近年来国内外广泛用于热挤压制品的一种模具材料，其特点是：具有良好的抗疲劳性能和综合机械力学性能，同时又具有良好的热处理淬透性。表4-3 热挤压模具材料选择挤压件材料模具材料硬度（HRC）铝、镁合金4Cr5MoSiV147514Cr5MoSiV铜和铜合金4Cr5MoSiV142444Cr3Mo3SiV5Cr4W2Mo2SiV3Cr2W8V4Cr4W4Co4V2Mo钢4Cr5MoSiV14Cr44483Mo3SiV3Cr2W8V第五章强度校核对于多孔棒材模，需要对模孔之间和模孔与模具外径圆周之间的危险断面进行强度校核。多模的剪切强度计算公式如下：=QF=0.8P2rx-ndH式中：Q-模具上承受的总压力，一般取Q=0.8P，有时为了安全起见，可取Q=P； P-挤压机的公称压力； rx-各模孔均布的同心圆半径； d-棒材直径； n-多孔模的模孔数； -模具材料允许的抗剪切强度，在400时，4Cr5MoSiV1钢取=（0.50.6）b，b由表5-1查得，则=（0.50.6）1360MPa=680816MPa，取=816MPa； H-模具允许的最小厚度。由上式可得到：Hmin=0.8P2rx-nd根据设计条件及计算，已知P=19.6MN，rx=D心2=83.02mm=41.5mm，H=80mm，d=5mm，n=3，Hmin=0.819.6106241.5-35816mm=78.23mm，H78.23mm，则校核通过，设计合理。表5-1 常用挤压工具钢及其机械性能牌号试验温度力 学 性 能sbMPas0.2MPad%y%akHBkJ/m2热处理制度4Cr5MoSiV1204004505005506006501630136013001200105082515751230113510258557105.5679121045.549525658672901050淬火，625在油中回火2小时第六章 绘制