挤压模具设计

1、铜陵学院课程设计 课 程 设 计 任 务 书 机械工程系09材控（1,2）班指导教师：张红云，张金标，徐向其，刘建。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12mm的圆棒材。（4,5,6组同学设计）3.三模孔生产8mm的圆棒线材。（7,8,9组同学设计）4.四模孔生产6mm的圆棒线材。（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：2012

2、年12月10日至12月14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10910121001-0910121012，0810121039,0810121114铜及其合金20910121013-0910121023，0810121027铝及其合金30910121026-0910121036镁及其合金40910121037-0910121048铜及其合金50910121049-0910121060铝及其合金60910121061-0910121072镁及其合金70910121073-0910121084铜及其合金80910121085-0910121096

3、铝及其合金90910121097-0910121108镁及其合金100910121109-0910121120铜及其合金110910121121-0910121132铝及其合金120910121133-0910121140,0906131060,0906121043镁及其合金- 13 -目 录第一章 概 述11.1 性能特点11.2 应用领域11.3 铝加工行业分布11.4 铝合金挤压加工的现状与发展11.5 铝合金未来挑战2第二章 挤压工艺设计32.1挤压工艺流程：32.2挤压工艺条件32.3坯料尺寸计算32.3.1锭坯直径计算32.3.2锭坯长度的确定42.3.3挤压比的计算4第三章 棒材

4、热挤压模具设计63.1所要设计的棒材制品63.2棒材模模孔布置63.3棒材模模孔尺寸的确定83.4模具入口处圆角半径r83.5棒材模模孔工作带长度的确定83.6棒材模外形尺寸的确定93.6.1模具外形D93.6.2模具厚度H93.6.3 模具的外形锥度93.6.4 模具的出口带直径103.7棒材模的强度校核103.8双孔棒材模的主要数据103.9 模具图10总 结12参考文献13第一章 概 述 1.1 性能特点 铝及铝合金具有一系列特性，在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

5、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。

6、 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。抗大气腐蚀性能好。铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。 加工性能好，比强度高。纯铝为面心立方品格，无同素异构转变，具有较高的塑性，易于压力加成型，并有良好的低温性能。由于这一系列优点，被广泛应用于建筑、包装、交通运输等行业，铝及铝材的消费已经成为一个国家工业发展水平的重要标志。1.2 应用领域铝合金的应用领域可分为以下几种： 第一，航空航天领域，可以作为重要的结构零件，这归功于添加铜、镁、

7、锰、铬等合金元素，再经热处理，因而得到很高的强度。 第二，车辆船舶工业。随着社会发展，尤其是当今油价飙升的紧张时代，要求我们使用更轻，而且强度高，价廉的材料，随着技术发展，通过处理，铝合金克服了强度低的缺点，成为最佳的候选材料。 第三，计算机，电子工业等，良好的导热性，可以加工成为铝散热片，还有电子工业中电容器中的铝箔。 1.3 铝加工行业分布 中国铝加工企业及其生产能力的地区集中于沿海(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

8、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。1.4 铝合金挤压加工的现状与发展我国是铝生产和消费大国，到2006年为止我国电解铝产量已连续4年保持世界第一，而氧化铝和铝加工产量在2006年首次位于世界第一。从“夫妻店”、“父子兵”、“作坊式”到“免检产品”、“全国十强”；从默默无闻到“中国铝材第一镇”再到“中国铝材生产基地”；从无序竞争到有序发展；从民营企业到上市公司，再到“跨国办厂”以民营企业为主的南海铝型材产业历经20多年的摸爬滚打、风雨锤炼，成为了中国最大的铝型材产业基地，并形成了以下的发展特点：第一，铝材产业规模全国最大，产业布局集中。南

9、海铝型材生产企业150多家，年生产能力80多万吨，约占全国建筑类铝型材市场40%，广东60%。面积只有全国的十二万分之一的大沥，铝型材年生产能力却达到60多万吨，约占全省50%，全国35%。2003年3月，南海大沥被中国建筑金属结构协会授予HotTag“中国铝材第一镇”称号。第二，建筑铝材为主，工业铝材、工艺铝材、装饰铝材为补充，构成了铝材及与其相关行业上完善的产业链。第三，产业结构和企业组织形态水平较高。通过20年的发展，一批龙头企业脱颖而出。目前，南海铝材行业前20名企业产量占了行业总产量的50%左右；亚铝集团总生产能力达到14万吨，是目前亚洲规模最大的铝型材生产商，全球排名第5。大多数企

10、业建立了现代企业制度，60多家企业通过了ISO国际质量体系认证等各种质量认证体系。先进的产业组织形态促进了资本、技术、人才等生产要素的高效率配置，大大提高了南海铝材企业的竞争力。第四，铝材产业技术水平先进，名牌产品众多。目前，南海铝材企业有10%的主要技术设备与国际先进水平同步，60%处于国际上世纪90年代以上水平。坚美、凤铝、亚洲、兴发4家铝型材企业位居全国铝材十强前列，其产品荣获中国名牌产品称号，仅大沥就有13个产品被确定为国家免检产品。正因为产品质量过硬，技术水平先进，名牌产品众多，近年来坚美、亚洲、凤铝、华昌、南华等一大批铝型材企业成为了国家建设部铝门窗、幕墙定点生产企业，南海铝型材产

11、品正被越来越多的国内外重点工程所采用。1.5 铝合金未来挑战铝合金在国民经济中起着非常重要的作用。随着科学技术的进步和现代经济的高速发展，铝合金型材正向着大型整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化、外廓美观化的方向发展，品种规格不断增多，应用范围不断拓展，已由民用建筑门窗型材为主体推广到了航天航空、汽车船舶、交通运输、电子电力、石油化工、机械制造、家用电器等各行各业和人民生活各个方面。据不完全统计，目前世界上每年需要的大型铝合金型材约4o万吨，而且增涨势头不减。为了适应这种市场需求趋势，各国都在加速建设重型挤压机或大型材挤压生产线。然而，大型特种铝合金型材是一种高难度的高新技术产品。第二章

12、 挤压工艺设计2.1挤压工艺流程： 铸锭加热挤压切压余淬火冷却切头尾切定尺 时效表面处理包装出厂2.2挤压工艺条件1) 铸锭的加热温度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，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。2) 挤压筒的加热温度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。3) 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，挤压过程中温度控制在500左右。4) 挤压速度挤压速度快虽然可以提高生产力，但挤压速度过快会影响

13、材料的挤压性和使挤压温度过高，因此必须控制好挤压速度。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4060m/min。5) 模具的材质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，低的膨胀系数和良好的导热性，可加工性，及经济性。表2-1为铝合金挤压模具材料的部分性能参数。表2-1 挤压模具钢的力学性能参数挤压模具钢HRC性能/MPaCr系4Gr5MoSiV14852高热稳定性，高温强度，耐热疲劳性，高红硬性6004Gr5MoWSiV42505803Gr2W8V4548高热稳定性耐热疲劳性，高红硬性7005GrMnMo4754高硬度、强度

14、，高韧性8905GrNiMo4253韧性差850综合分析可得，本设计采用5GrMnMo作为模具的材料，热处理的硬度为HRC4754。2.3坯料尺寸计算2.3.1锭坯直径计算 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。由于本设计挤压圆棒线材，所以坯料可选择为圆锭。为使坯料加热后能顺利装入挤压筒内，坯料直径与挤压筒内径应有一定间隙，此时，坯料直径可用下式来预选： (2-1)式中：挤压筒直径； 使锭坯顺利送入又不产生纵向裂纹的间隙值，如表2-1表2-1 筒、锭间隙选择金属材料挤压机挤压筒直径，mm间隙值，mm备注类型吨位，MN铝卧式立式冷挤3101.53

15、0.20.348340.10.8这里取间隙值=12mm，所以计算出坯料直径为：=200-12=188mm在挤压生产中，为保证铸锭在加热后顺利装入挤压筒内，常把挤压筒截面积与铸锭截面积之比成为填充系数或镦粗系数。 (2-2) 式中：填充系数计算得，在参考文献中查的，故符合要求。2.3.2锭坯长度的确定 在实际生产中，坯料一般是圆柱形的，在挤压有色金属时，坯料的长度为直径的2.53.5倍。所以锭坯长度为： =(470658)mm (2-3)2.3.3挤压比的计算 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。挤压比甚至挤压成形前锭坯充满挤压筒时的断面积与挤压成形后制品断面积总和之比值

16、，以表示： (2-4)式中：挤压筒内腔断面积； f 单根挤压制品断面积； n同时挤压制品的根数或模孔数。 设计原则有利于查资料可知，取1430较为合适，而所求得的挤压比大于标准值，故需要设计导流腔。导流腔的金属预分配和调整金属流速。一般来说，导流腔的轮廓尺寸应比型材外形轮廓尺寸大615mm，导流孔的深度可取1525mm，导流孔的入口最好做成3°15°导流角，导流模腔内的各点应均匀圆滑过渡，表面应光洁，以减小摩擦阻力。故可选取导流腔的轮廓尺寸为24mm，导流孔的深度可取20mm。2.3.4挤压机的选择 卧式挤压机按其挤压方法又可分为正向挤压机、反向挤压机和联合挤压机三种类型。

17、挤压机的技术特性主要包括：挤压力、穿孔力、挤压杆的行程与速度、穿孔针的行程与速度和挤压筒的尺寸等。最常用的卧式挤压机的能力为8-50MN。 立式挤压机的主要部件的运动方向和出料方向与地面垂直，所以占地面积小，单要求较高的厂房和较深的地坑。后者是为了保证挤出的管子平直和圆整，以便随时的酸洗、冷轧或带芯头拉拔等。因运动部件垂直地面移动，所以磨损小，部件受热膨胀后变形均匀，挤压机中心不易失调，管子偏心很小。挤压机的能力最大不超过15MN，常为6-10MN，主要用作生产尺寸不大的管材和空心制品。由于本设计选用19.6MN的挤压机，所以为卧式挤压机。第三章 棒材热挤压模具设计3.1所要设计的棒材制品本设

18、计的主要参数：挤压机能力19.6MN，挤压筒直径200mm。制品的形状和尺寸如图1。图1 制品的断面形状棒材模具是挤压模具中最简单的一种。挤压铝合金棒材用平模，其工作端面的入口处一般为直角或仅带工艺圆角，r可取0.40.75mm，如图2所示。 图2 挤压铝合金棒材的平模棒材模一般分为单孔棒材挤压模和多孔棒材挤压模。本设计选择双模孔棒材挤压模进行设计。3.2棒材模模孔布置 图3 模孔靠近边缘（易引起外侧裂纹） 图4模孔靠近挤压筒中心（易引起内侧裂纹） 采用多模孔棒材模时，金属流动要比单模孔均匀，故可减少中心缩尾的形成几率。但是，如果模孔排列不当，会使挤出的制品长短不一，增加几何废料，恶化表面质量

19、；如果模孔靠近挤压筒边缘，也会是制品表面产生起皮、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较大、流速较快，而外侧金属供应量较小、流速较慢，会造成外侧金属出现裂纹，如图3所示；当模孔太靠近挤压筒中心时，外侧金属供应量大于内侧，则制品已出现内侧裂纹，如图4所示。 （1）保证足够的模具强度为了延长模具的使用寿命，模孔离模具外径周围的距离和模孔之间的距离都应保持在一定的数值，这个数值与挤压机的大小有关。对于49MN以下的挤压力，这个距离可取1550mm，对于大型挤压机，应加大到3080mm，如表3-1所示经验数据。 表3-1 模孔间的最小距离/mm挤压筒直径80951151301

20、50200220280300500最小距离1520253050结合所给出的挤压机为19.6MN，挤压筒直径为200mm，以及表3-1的数据可选模孔间距离为25mm，实际情况根据后面计算结果为主。 （2）保证良好的制品表面质量 为了防止铸锭表面上的异物流入挤压制品中，应使模孔与挤压筒内壁之间保持一个最小的距离，这个距离一般取挤压筒直径的10%30%。此外，为了防止制品表面损伤和扭拧，模孔数目也不宜过多。 （3）金属流动尽可能均匀 在实际生产中，棒材模模孔数目一般选择12孔以下为好。本设计取模孔数为2是合理的。多模孔的同心圆直径与挤压筒直径之间的关系可以按以下的经验公式来确定： 式中：多模孔断面重

21、心分布的同心圆直径； 挤压筒直径； n模孔数目； 经验系数，一般可取2.52.8；n值较大值取下限，n值较小时取上限，一般取2.6。 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，再对进行必要的调整。本设计根据任务书的内容可知：=200mm，n=2,所以可取2.7。故可计算出： =74.0mm。故模孔布置图如图5。为保证良好的制品表面质量，应使模孔与挤压筒内壁之间距离取挤压筒直径的10%30%。若取=74.0mm，则可计算出模孔与挤压筒内壁之间距离取挤压筒直径之比为31.5%，故不满足设计要求。现假设取=80mm，则 图5 多模孔的模孔同心圆直径则满则在2.52.8范围内

22、。故可取80mm。3.3棒材模模孔尺寸的确定棒材模模孔尺寸的确定可按下式计算： （3-1）式中：模孔直径； 棒材直径； 模孔裕量系数，见表3-2。金属种类模孔裕量系数k紫铜1.5黄铜1.01.2青铜1.7L1L7，LF2，LF3，LF21，LD2，LD31等1.01.2LF5，LY11，LY12，LD5，LD8，LC40.71.0MB1，MB2，MB151.01.2高镁合金1.01.2 表3-2 模孔裕量系数/%挤压铝合金圆棒材的模孔尺寸，查表3-2所列，以供参考。这里取k=1.1,所以计算出模孔直径为=12.13mm。3.4模具入口处圆角半径r 模具入口处圆角是指被挤压金属进入工作带时，模具

23、工作端面与工作带表面间形成的拐角。这个拐角若尖棱角时，挤压过程中则易开裂、压堆，从而改变模孔尺寸，难以保证挤压制品的尺寸精度，因此必须采用过渡圆角。制作入口圆角半径，还可以防止低塑性合金在挤压时；表面产生裂纹，减小金属流入模孔时的非接触变形。但圆角增大接触摩擦面积，引起挤压力增加。表3-3 模具入口处圆角半径r/mm金属种类铝合金紫铜、黄铜白铜镍合金镁合金铜钛合金入口圆角处0.400.75254810151338由表3-3可以选取模具入口圆角半径为r=0.60mm。3.5棒材模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，容易在其表面粘接金属，是制品

24、表面出现部分毛刺、麻面等缺陷；工作带过短，不能稳定的控制棒材，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而有不同的选择。在挤压铝、镁合金圆棒时，模孔的工作带长度可根据棒材的直径确定，如表3-4。表3-4 模孔工作带长度棒材直径/mm模孔工作带长度/mm<402-340-70470-1205130-2806-8因为本设计的棒材直径为12mm，故根据表3可知，模孔工作带长度为2-3mm这里我们不妨取3.0mm。3.6棒材模外形尺寸的确定3.6.1模具外形D 模子外圆直径主要依据挤压机吨位和挤压筒大小、模孔的合理布置及制品尺寸来确定，

25、并考虑模具外形尺寸的系列化，便于更换、管理，一般一台挤压机上最好只有12种规格。型材部分模具外形尺寸如下所示：表3-5 型材、棒材用部分模具外形尺寸挤压机能力/MN挤压筒直径/mm/mmH/mm7.3511.7614.719.634.349122.5196，113，132148198230，330270，306，360，420300，420，570，670，880570，670，900，100016，3232，50，7040，60，8060，8060，8060，80，120，15080，120，150，2003º3º3º3º6º6º，

26、10º10º，15º又因为挤压筒的内径为200mm，挤压机能力为19.6MN，则选取=198mm。3.6.2模具厚度H 一般H=2580mm，80MN以上吨位挤压机取80150mm。考虑标准化及强度等因素，将H放大，取H=80mm。3.6.3 模具的外形锥度挤压模的外形结构根据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1º30

27、'4º范围内选取。带倒锥的挤压模在操作是顺着挤压方向装入模支承中，其锥度为3º10º，一般取6º左右。由表3-5可知该模具的外形锥度为3º，所以本设计采用卧式挤压机上带正锥的结构形式。3.6.4 模具的出口带直径模子的出口直径一般应比工作带直径大35mm，因过小会划伤制品的表面。故取比工作带直径大4mm，模具的出口带直径为16.13mm。3.7棒材模的强度校核单孔模棒材模工作条件与受力状态要比其他模具好一些，它的强度问题基本上已在模具外形尺寸标准化、系列化中作了完全的考虑。但是，对于多孔棒材模，特别是异型棒材多孔模来说，仍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。多孔模棒材模的剪切强度计算公式如下所示。 （3-3）式中：Q模具上承受的总压力，一般取Q=0.8P，有时为例安全起见，可取Q=P； P挤压机的公称压力，这里取P=19.6MN； 各模孔均布的同心圆半径； d棒材直径； n多孔模的模孔数，这里取n=2； 模具材料允许的抗剪强度，在450时，3Cr2W8V钢取=700Mpa；4Cr5MoSiV1钢取=600Mpa，这里取=600Mp