挤压模具设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上江 西 理 工 大 学金 属 材 料 工 程 专 业挤压模具课程设计班 级：材料103班姓 名：*指导老师：*设计时间 2013年12月1日至2013年12月20日目 录一、绪 论1.1 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

2、，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，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

3、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

4、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。 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。多年来世界各国均采用6063铝合金（铝合金近百种）作为门窗框架。主要是为了该金属表面阳极氧化效果好，开始阳极氧化是白色，后进一步改变电解质才达到古铜色，这两种主体

5、颜色在国内用了十多年。本设计选用6063铝合金,由于其强度高，质量轻，加工性能好，在退火状态下，该合金有优良的耐蚀性及物理机械性能，是一种可以时效强化的AL-Mg-Si系合金，广泛应用于基础性建筑行业以及一些机械制造业。 6063合金中的主要合金元素为镁与硅，具有加工性能极佳、优良的可焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性，易于抛光、上色膜，阳极氧化效果优良，是典型的挤压合金。广泛应用于建筑型材、灌溉管材、供车辆、台架、家具、升降机、栅栏等用的管、棒、型材。二、挤压产品工艺分析2.1 确定成型方式该产品铝合金6063型材三维图如11、截面图如12.图11 产品三维图图12 产品

6、二维图由于该产品材料是铝合金6063是一种高强度、质量轻、加工性能好，在退火状态下该合金有优良的耐蚀性及物理机械性能，是一种可以时效强化的AL-Mg-Si系合金，具体成分见表13.表13 6063合金成分表牌号SiFeCuMnMgCrZnTi其它元素每种总量60630.20.60.350.100.100.450.90.100.100.100.050.15通过铝材图可以得知是一个空心的铝型材，可以采用采用分流组合模，挤压制品所有的材料是铝合金6063。2.2 挤压工艺参数确定(1)挤压温度的选择选择挤压温度是依据的理论是“三图定温法”1即相图、塑性图、在结晶图。A、相图根据合金相图,选择挤压温度

7、上、下限。为了防止坯料加热时产生过烧,挤压温度的上限取(0.850.9)T固。挤压温度的下限对单相合金与有相变的合金是不同，对单相合金取(0.650.7)T固；对于在温度降低时会产生相片的合金，挤压温度的下限取（T相变+5070），防止挤压过程中由于温度而产生相变，也就是说有相变合金在在单相区内完成。B、塑性图根据金属及合金的塑性图，选择塑性最好的温度区间作为挤压温度范围。塑性图是金属及合金的塑性在高温下随变形状态以及加载方式而变化的综合曲线图，它能给出金属及合金的最高塑性温度范围，使选择挤压温度主要依据，但是塑性图不能完全反映挤压后的制品的组织与性能。C、在结晶图根据第二种在结晶图（晶粒度加

8、工率终了温度的关系图），选择晶粒小的温度范围为出口温度，保证制品获得最佳的力学性能。通过三相图，可以确定挤压温度为450左右。（2）坯料温度选择为了使坯料合金成分均匀化、使挤压速度高点、保证挤压温度在合理范围等，坯料要选择合理的温度。用分流模、舌形模挤压空心型材时，坯料的加热到挤压温度上限或接近最高挤压温度。所以坯料温度选为500。（3）挤压筒的温度选择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400450。（4）挤压速度的选择挤压速度有三种表示方法：挤压轴移动速度、金属流出模孔德速度和金属变形速率。在实

9、际生产中常以金属流出模孔速度表示挤压速度。铝合金型棒材挤压速度平均速度规范如表241。表24 铝合金型棒材挤压速度平均速度规范合金挤压制品挤压温度/平均流出速度/m/min坯料温度挤压筒温度2A11一般型材330460360440136A01一般型材4805204505008506063一般型材370450360430151207A04变断面型材3904403904400.516061装饰型材32050048050012606063空心建筑型材48053046048020120所以挤压速度选择为80100m/min。 2.3 挤压工艺流程铸锭加热挤压切压余淬火冷却切头尾或（切定尺）时

10、效表面处理包装出厂 三、挤压工艺计算3.1 选坯和选设备产品参数见图22，经过CAD软件计算该产品截： F =3562.446mm模孔外接圆直径：D外 110 根据金属压力加工车间设计表528、531初选35MN卧式挤压机有内径为200mm、250mm、300mm、370mm、420mm、500mm几种挤压筒。为了使是铝合金充分变形，提高产品性能均匀，提高生产率选择450mm的挤压筒。3.2 确定定坯料的直径为了使加热后的坯料顺利的装入挤压筒中，坯料的外径小于挤压筒的直径。坯料与挤压筒的间隙大小与挤压机的结构形式、挤压筒的直径、坯料的种类、挤压方法、变形金属热膨胀系数、挤压温度、坯料

11、直径偏差量、坯料的直线度、挤压制品的质量以及力学性能要求等有关。（1） 按热膨胀计算实心坯料的直径D=436mm式中：D坯料的直径，mm； D挤压筒直径，mm； 坯料与挤压筒的直径差，mm取15mm； t坯料的加热温度，450; 挤压温度下金属线膨胀系数，um/(m.k);见表211 邓小民.金属挤压加工实用技术手册.合肥:合肥工业大学出版社,2013年.2 刘力.机械制图.北京：高等教育出版社，2008年.3 林峰.UG NX6.0三维造型技术教程.北京：清华大学工业出版社，2010年.4 赵国増.计算机辅助绘图与设计-AutoCAD2007.北京：机械工业出版社,2009年.5 马怀宪.金

12、属属性加工学挤压、拉拨与管材冷轧.北京:北京冶金工业出版社.6 叶宏.金属材料与热处理.北京:化学工业出版社,2011.7 刘静安.铝合金挤压工模具技术.北京:冶金工业出版社,2009.表21 金属材料线膨胀系数金属材料铝镁钛铜镍线膨胀系数2531.51018.515.23.3 挤压时几个主要变形指数（1） 挤压比 =55符合要求的挤压比式中： 挤压筒断面积， mm；制品断面积，3562.446mm；（2） 填充系数K K=1.063式中：挤压筒断面积，mm；坯料断面积，.62 mm；3.4 确定坯料的长度坯料的长度选择是否合理，直接影响到挤压产品的生产效率、成品率以及挤压制品质量等经济技术指

13、标。坯料越长，挤压制品越长，从而使切头、余料的几何废料所占的比例降低，提高成品率，提高生产效率。但是随着坯料的长度增加，摩擦力增大，使挤压力增加，易发生“闷车”事故，所以要选择合理的坯料的长度。（1）挤压型材、棒材定制片的挤压长度按下列公式确定： =9700mm式中：制品的挤压长度，mm； 制品定尺长度，取8000mm， 切头尾长度（表221），可知是1100mm； 取试样长度，对于不是100%检查力学性能的小规格制品，可不考虑； 多孔挤压时流速差，mm，2孔取300mm，4孔取500mm， 6孔取10001500mm； 工艺余量，取600mm；表22 铝合金棒材，型材的切头尾长度制品种类棒材

14、直径或型材壁厚切头长度/mm切尾长度/mm硬合金软合金型材<4.01005005004.110.0100600600>10.0300800800（2）增大材料厚度（）按下式计算： =167.5mm式中：正常残料厚度（表231），85mm； 正常切尾长度（表221），1100mm；表23挤压铝合金时的正常残料厚度挤压筒直径/mm正常材料厚度/mm一般型材、棒材纯铝排材85、952015115、1302520170、2004025300、3606555420、5008565（3）挤压型材坯料长度计算： =524mm式中：坯料的长度，mm； 增加残料厚度，167.5mm；3.5 挤压力的

15、计算以及挤压机的校核(1)、挤压力的计算根据经验系数公式 P=*Kf(+4L/D) F=A*P=0.195x1.5x16(ln55+4x0.3x800/500)=20.8MN式中：表征挤压难易程度的经验系数，对于空心型材取1.11.5,本设计取1.5P为单位挤压力，MPaF为最大挤压力, NA挤压筒内孔的面积，mm2挤压系数，55Kf材料在挤压温度下的变形抗力（查表），16MPa摩擦系数,0.30L铸锭敦粗后额长度，850mm（2）、挤压机校核F=20.8MN额定吨位35MN，设备选择符合要求，即所选设备理论可行.四、模具设计4.1 模组及模具的外形尺寸确定模子的外圆直径和厚度主要依据其强度和

16、标准系列化来考虑的。它与所挤压的型材类型、难挤压的程度以及合金的性质有关。一般挤压挤压型材的外接圆D等于挤压筒内径D的0.80.85倍，这里D为480mm。模子的厚度H在近年来趋于减薄，其强度主要靠模垫和其他支撑环来保证的。但是，从提高模子刚度和减轻变形方面考虑，H有应该增大。一般根据挤压机能力大小来选取。上模高度H为75mm，上模高度H为85mm，如图41。图41 模具外形尺寸4.2 分流孔的个数以及分流孔的面积确定分流空的形状、大小以及排列方式等影响到挤压制品的质量，挤压力和模具的候命。（1）分流比K分流比是确定分流空面积的主要依据。分流比的大小直接影响到挤压阻力的大小，制品的行成和焊合质

17、量。K值越大，挤压变形阻力越大，这对模具和挤压生产都不利的。为了提高焊缝的质量，保证这场正常的挤压情况下，对型材一般K 取1030.在本次设计中K取11。 K=11式中：F分流孔的面积；（2）分流空数目、形状确定分流孔的数目由二孔、三孔、四孔、六孔、多孔等，分流孔的形状有半圆形、扇形、腰子形、异性。分流空的数目和形状主要依据产品的形状、断面大小、一次挤压的根数以及不同的挤压条件。在本次设计中采用采用四个扇形的分流孔，如图42。图42 分流孔分布和形状（3）分流孔面积的确定：因为分流孔面积与制品断面积的比值F分/F制K,K即为分流比，一般K对于空心型材时，取K=1030。本设计取K=11分流孔面

18、积的大小相等 F= 11×F制 3562.446×10=39181.096mm² F=9795.274 mm²4.3 上模的结构设计上模上有分流孔、分流桥、模芯。分流孔是金属通往型孔的通。分流孔腔是入口小出口大的喇叭形，以减少金属流动的阻力。分流桥是支撑模芯用的。模芯是用来成型型材内腔。上模结构如图43.图43 上摸三维结构（1）、分流桥是直接影响到挤压金属的流动快慢、焊合质量、挤压力大小、模具强度等。分流桥的宽度B，从加大分流比，降低挤压力来考虑，B可以选择小些，但从改善金属的流动来考虑，模孔最好背分流桥挡住，B可以选择大写。根据经验公式根据经验公式B

19、：B=b+（310）=45式中：b型腔的宽带;（2）模芯 模芯的结构形式有锥形、锥台形、凸台形三类。当型腔的宽度b小于10就采用锥式，强度和刚度高，但不易加工。当型腔的宽度10<b<20就采用锥台，强度和刚度比锥式的低点，但加工容易些。当型材型腔的宽度b>20采用凸台式，强度和刚度低，但加工容易。在本模具设计中可知b>20，故采用凸台式。上摸具体详细结构尺寸见上模图纸。4.4下模的结构、计算下模上有焊合室、型孔。焊合室是把被分流空分开的金属重新焊合起来，以形成围绕模芯的整体。型孔确定型材的外部尺寸。在模芯和型孔上做有工作带和和空刀。利用工作带的长度来调整金属的流速。做空

20、刀的目的是使流动的金属在流动中不受阻碍，不划伤制品。空刀的形式不同，课直接影响模工作带的强度，下模结构，如图44。图 44 下模三维结构（1）焊合室的选择焊合室的高度、形状和入口形式均影响焊合质量和挤压室的阻力。焊合室高度h大，有利于焊合，但太高会影响模芯的稳定性，使壁材出现壁厚不均匀的现象。焊合室的高度一般以挤压筒内径而定，见表411，所以焊合室高度h为40mm。焊合室形状一般为蝶形，为了清除死区，取焊合室的倾斜度为15度，室底的圆角过度取R为15mm，同时对着分流桥根部做成相应的凸台，以消除桥跟金属流动死区。焊合室的形状见图45.图45 焊合室三维图表41 焊合室的高度挤压筒内径/mm焊合

21、室高度/mm1151301015170200202522028030300以上40（2）工作带的计算工作带又称定经带，是以用来稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。如果工作带过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面导致出现压痕和椭圆等缺陷。但是，如果工作带过长，又极易在其上粘接金属，使制品表面划伤，毛刺、麻面等缺陷，而且挤压力将提高。实际上对铝合金工作带长度最短可取2.53.0mm，最长可取810mm。对型材壁厚不相同的型材，各部分工作带的长度可按壁厚加以确定。公式:=先确定先确定为3mm，可以算出、的尺寸。图42。图42 各厚度示意图（3）模孔入孔圆角、出孔半径模孔入口半径r，在工作带模孔

22、入口前设有圆角半径r，可以防止低塑性合金在挤压时产生裂纹和减少金属非接触变形；也可防止在高温下模子棱角被压秃或压堆，以保证制品尺寸精度。r值得选用与被挤压金属强度，挤压温度、制品断面尺寸有关。r值见表431，可以得出本模具设计模孔入口半径为0.5。表43 各种合金挤压模圆角半径r值被挤压合金材料r值/mm铝及其铝合金0.400.75铜及其铜合金2.05.0镁及其镁合金4.08.0镍及其镍合金1.03.0模孔的出口直径，一般比工作带直径大4mm5mm。对于铝型材来说，为了保证工作带部分抗剪强度、系列化以及节约钢材等因素考虑，工作带模孔与出口处的过度部分可以采用圆弧连接，半径为1mm 。4.5 模

23、孔和模芯尺寸计算在确定模孔的实际尺寸应考虑到型材和模子的冷却作用；工作带在载荷作用下的畸变；由于不均匀变形引起的拉缩变形；因金属在流入模孔时不能急转弯而引起的非接触变形；型材在拉伸矫直时断面尺寸的收缩。同时，还注意到型材拉伸矫直时，不论在长度上，还是在断面上，各部分的变化是不相同的。因此，在保证型材所需的模孔实际尺寸应该是：（1）型材的外形尺寸按经验公式:A=A（1+C）+式中: C裕量系数，取0.018见表32； 型材外形尺寸的正偏差；经过计算得出结果如图43。图45型材外形尺寸（2）型材的壁厚尺寸公式：S=S+计算出来的结果见图46式中：S型材壁厚的名义尺寸； 型材壁厚的正公差； 裕量系数表421，对于铝合金为0.018；表42 裕量系数表C合金C值含铜量不超过65%的黄铜0.0140.016紫铜、青铜以及含铜量大于65的黄铜0.0170.020纯铝、防锈铝及镁合金0.0150.020硬铝和锻铝0.0070.10（4）型材的圆角、弧度与角度 对于没有偏差要求的圆角和圆弧，模孔尺寸可以按名义尺寸；对于有偏差要求的可以按上面给的公式计算。在本设计中由于没有偏差要