计算机辅助棒材挤压模设计

PAGE14-目录第一章课程设计内容及任务分配 11.1概述 11.2设计目的 11.3设计内容 11.4设计要求 11.5挤压方案任务分配 2第二章坯料及工艺参数的设计 32.1坯料尺寸的确定 32.1.1坯料直径设计 32.1.2坯料长度设计 32.2工艺参数的设计 32.2.1摩擦系数的确定 32.2.2挤压速度的确定 42.2.3工模具预热温度的确定 4第三章模具尺寸的确定 53.1挤压工模具示意图 53.2模具尺寸的确定 53.2.1挤压模结构尺寸的确定 53.2.2挤压筒结构及尺寸的确定 63.2.3挤压垫结构及尺寸的确定 8第四章实验模拟及数据提取分析 94.1模拟挤压过程 94.2各组所得数据总和 94.3工模具预热温度对挤压力的影响 94.4工模具预热温度对破坏系数的影响 10总结 12参考文献 13

第一章课程设计内容及任务分配1.1概述挤压是对放在容器（挤压筒）内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需要断面形状和尺寸的一种塑性加工方法，有正挤压、反挤压、组合挤压、连续挤压、静液挤压等多种形式。挤压成形能充分发挥金属塑性，获得大变形量，实现由坯料到成品的一次成型。挤压变形能显著改善金属材料的组织，提高制品的力学性能、尺寸精度和表面质量。因此，挤压是金属材料加工的一种应用广泛的成形方法，适用于薄壁、细长的管、线、型材的生产，特别是断面复杂的异型材的加工生产。但是，挤压变形也存在制品组织与性能不均、工模具磨损快和设备负荷高等缺点。挤压制品的组织性能、表面质量、尺寸及形状精度、工模具损耗以及能量消耗都与坯料、挤压工艺、工模具结构尺寸和形状等因素相关。因此，挤压工艺与工模具的设计合理与否是挤压成形的关键。本设计以20mm棒材（黄铜DIN_CuZn40Pb2）挤压成形为例，研究挤压变形工艺参数、模具结构形状与尺寸对金属流动、变形力等参数的影响，通过DEFORM软件模拟分析参数的合理性。1.2设计目的掌握挤压变形工具设计方法，巩固挤压变形理论与知识，进一步熟悉数值模拟软件的使用方法，培养CAE在金属塑性成形中的应用技能。设计棒材挤压工艺参数和模具结构参数，运用DEFORM软件模拟分析设计参数的合理性。1.3设计内容（1）运用金属塑性变形理论、金属挤压成形理论与工艺的知识，选择坯料，设计挤压工艺参数。（2）根据挤压变形工具设计理论与方法设计主要工具，包括挤压模、挤压筒和挤压垫。（3）选择设计参数，制定设计方案。（4）制定设计过程与步骤。（5）挤压成形的CAE分析。1.4设计要求（1）以挤压工艺参数如挤压初始温度、挤压速度和摩擦系数等，变形工具结构参数如模具锥角、定径带长度待等为设计参数。（2）本设计分组进行，10名左右学生为1组，分组方案见表1。每组学生选择1至2个设计参数，共同设计方案，设计方案8-10个。每名学生独立完成本组内的1个设计方案的设计过程。（3）组内学生共享本组的设计数据，共同讨论、分析设计结果，得出设计结论，共同撰写1份设计报告正文。（4）每位学生独立撰写设计小结，组长着重阐述本组设计工作简况，小组成员着重简述自己工作简况，与报告正文一起装订、提交。1.5挤压方案任务分配我们设计小组的任务是以工模具预热温度为变化量来探究挤压过程中对各个参数的影响，部分实验参数及成员任务分配如下表1-1所示。表1-1挤压方案任务分配表实验小组学生学号姓名挤压垫摩擦系数挤压筒挤压模摩擦系数挤压杆速度/挤压模锥角/°挤压温度/ºC定径带长度/mm工模具预热温度/ºC第七组1010121068邵永0.60.160306306001010121069申佳林501010121070施立强1001010121071宋昊成1501010121072宋亚男2001010121073隋帅帅2501010121076孙旸3501010121078谭经松4501010121079汤宗剑5001010121077孙长庆负责方案设计与数据分析组长

第二章坯料及工艺参数的设计2.1坯料尺寸的确定坯料尺寸的确定十分重要。坯料尺寸选择的是否合理，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。坯料尺寸（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。坯料体积一定时，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坯料直径设计选择坯料直径时，一定要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。查热挤压各种金属材料时的工艺参数值表可知，黄铜DIN-CuZn40Pb2挤压比=10~（300~400）之间，取=76，则根据式（1-1）式中，—挤压筒横断面积（mm²）；—制品横断面积（mm²）；—坯料直径（mm）；—制品直径（mm）。已知=16mm，从而有=139.2为了便于实验模拟操作，取整=140mm。2.1.2坯料长度设计在进行工艺计算时，不同产品可选取不同坯料长度，以提高成品率。对重金属棒型材坯料最大长度为2~3.5，因此，坯料长度在268.4~469.7mm范围内，本设计取坯料长度为300mm。2.2工艺参数的设计确定挤压工艺参数时，可以综合考察金属与合金加工时的可挤压性和对制品质量的要求（尺寸与形状的允许偏差，表面质量，组织和性能等），以满足提高成品率与生产率的需要。热挤压过程的基本参数是挤压温度和挤压速度（或金属出口速度），两者构成了对挤压过程控制十分重要的温度-速度条件。在选择挤压工艺参数时，一般是在理论分析的基础上进行各种工艺试验，考察产品质量，并参考实际生产的经验值。2.2.1摩擦系数的确定在横断面上，由于外层金属在挤压筒内受摩擦阻力作用而产生剪变形，使外层金属的晶粒遭到较大破碎，且在挤压制品断面会出现组织的不均匀性。在制品的长度上，也是由于外摩擦的作用，出现组织的不均匀性。因此，设计合理的摩擦系数，对于成功实现挤压模拟十分重要。在满足一定条件下，本设计取挤压垫摩擦系数为0.6，挤压筒与挤压模摩擦系数均取0.1。2.2.2挤压速度的确定挤压时的速度一般可分为三种：挤压速度——挤压机主柱塞、挤压杆与挤压垫的移动速度；金属流出速度——金属流出模孔时的速度；金属变形速度（也称变形速率）——单位时间内变形量变化的大小。通常挤压速度越大，不均匀性流动加剧，副应力增大，在挤压制品上会引起周期性周向裂纹或破裂。挤压速度的影响通过以下三个方面起作用：第一，挤压速度高，流动更不均匀，副应力增大；第二，挤压速度提高来不及软化，加快了加工硬化，使金属塑性降低；第三，挤压速度的提高，增加了变形热效应，是铸锭温度上升，可能进入高温脆性区，降低金属加工塑性。综上，挤压速度的确定需在一个允许的范围内，因此在黄铜的允许挤压速度范围内去挤压速度值为60。2.2.3工模具预热温度的确定挤压时，工模具需要进行预热，如果不预热的话，坯料与挤压模具间温差较大，会产生较大的热转递，从而使坯料的温度分布不均匀，影响成品件的性能。本小组课程设计的主要任务即是关于工模具预热温度不同对挤压结果的影响，考虑到任务书所给的范围是0~500℃，分配任务时，以50℃为梯度，各自采用所选择的实验温度进行试验。

第三章模具尺寸的确定3.1挤压工模具示意图图2-1挤压工模具示意图3.2模具尺寸的确定根据挤压机的结构、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一样。挤压工具一般包括：模子、穿孔针或芯棒、挤压垫、挤压杆和挤压筒。此外，还包括其他一些配件如：模垫、支撑环、压力环、冲头、针座和导路等。本设计主要针对基亚通、挤压模、挤压垫进行结构及尺寸的设计。根据设计任务书，挤压制品的直径为，坯料的规格为，故可做以下设计。3.2模子是挤压生产中最重要的工具。它的结构形式、各部分的尺寸，以及所用的材料和加工处理方法，对挤压力、金属流动均匀性、制品尺寸的精度、表面质量及其使用寿命都有极大的影响。模子可以按照不同的特征进行分类，根据模孔的剖面形状可分为平模、流线模、双锥模、锥模、平锥模、碗形模和平流线模七种。模子的主要参数如下：（1）模角ω模角是模子的最基本的参数之一。它是指模子的轴线与其工作端面间所构成的夹角。根据已知条件挤压模锥角ω=30°。（2）工作带长度l4工作带又称为定径带，是用以稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。倘若定径带过短，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，又极易在其上粘结金属，使制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷。根据已知条件工作带长度l4=60mm。（3）工作带直径d2模子工作带直径与实际所挤出的制品直径并不相等。设计时通常是用裕量系数C来考虑各种因素对制品尺寸的影响。C查表2-1可得。挤压棒材的工作带直径用下式计算：（2-1）式中，—棒材的名义直径（mm）。表2-1裕量系数C合金C值含量不超过65%的黄铜0.014~0.016紫铜、青铜及含铜量大于65%的黄铜0.017~0.020纯铝、防锈铝及镁合金0.015~0.020硬铝和锻铝0.007~0.010查表2-1可知，本设计C值在0.014~0.016之间，取C=0.015。代入数据，则有=（1+0.015）×16mm=取整，则=17mm。（4）出口直径模子的出口直径一般应比工作带直径大3~5mm，因过小会划伤制品的表面。又因为=17mm，则=17+（3~5）mm=20~22本设计取=21mm（5）入口圆角半径r入口圆角半径r的作用是为了防止低塑性合金在挤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，同时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。入口圆角半径r值得选取与金属的强度、挤压温度和制品的尺寸有关：对紫铜和黄铜取2~5mm。且根据已知条件，模孔过渡圆角半径为5mm。（6）模子的外心尺寸和模子的外圆直径和厚度主要是根据其强度和标准系列化来考虑的。它与所挤压的型材类型、难挤压的程度及合金的性质有关。根据经验，对棒材、管材、带材和简单的型材，模子外径可按照式（2-2）进行计算D2=（1.25~1.45）（2-2）式中，—挤压棒材的外接圆直径（mm）。根据已知条件，=140mm，取系数值1.35，则D2=1.35×140mm=189mm因为本设计中挤压模的定径带长度是固定的的，为l4=60mm，挤压模的长度H由定径带长度l4、出口带长度和模角处水平长度共同确定，因为模角处水平长度为出口带长度可取40mm，则挤压模长度110.72+40+60=210.85mm。3.2.2挤压筒结构尺寸的挤压筒是所有挤压工具中最贵重的部件，由两层或三层以上的衬套以过盈配合组装在一起构成的。之所以将挤压筒制成多层，是为了使筒壁中的应力分布均匀些和降低应力的峰值；同时，在磨损后只需更换内衬套而不必换掉整个挤压筒，从而可节约大量的合金钢材。挤压筒尺寸的确定包括：筒内径、筒长和各层衬套的厚度。（1）挤压筒内径挤压筒内径根据挤压合金的强度、挤压比和挤压机能确定的。筒的最大直径应能保证作用在挤压垫上的单位压力不低于金属的变形抗力。显然，筒径越大，作用在垫上的单位压力就越小。再根据产品品种、规格确定筒的内径尺寸。挤压筒内径可按间隙值计算（2-3）式中，—坯料的外径，mm；—是坯料顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值，mm，如表2-2所示。表2-2筒、锭间隙选择表2-2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，（KN）铝卧式立式冷挤——3~101.5~30.2~0.34~83~40.1~0.8铜卧式—≤100100~300≥3001~35101~5立式675~1201~2稀有金属卧式41531.531.566.7285220~260220~2601~21.5~34~551~1.51.5~256包套挤压—包套挤压光坯挤压立式665~1201.5~21.51~1.51包套挤压光坯挤压因为挤压示意图所给挤压为卧式挤压机，坯料直径为，故可知挤压筒直径在100~300mm范围内，即可知间隙值。带入数据可得：（2）挤压筒外径根据经验，一般挤压筒外径是挤压筒内径的4~5倍，即(2-4)带入数据可得：可取。(3)挤压筒长度挤压筒长度可按如下公式进行计算(2-5)式中，—挤压垫进入挤压筒的深度，mm；—挤压垫的厚度，mm；—坯料的长度，mm。因为，(将在挤压垫尺寸确定部分给出计算过程)，为保证开始挤压时准确定位和挤压杆在挤压过程中保持稳定，可取40mm。带入数据计算得：。3.2.3挤压垫是用来防止高温的锭坯直接与季亚杆接触，消除其端面磨损和变形的工具。垫片的外径应比挤压筒内径小。太大可能形成局部脱皮挤压，从而影响制品质量，特别是在挤压管材时不能有效的控制针的位置，以致造成管子偏心。但是也不能太小，以防与挤压筒内衬套摩擦加速其磨损。值与挤压筒内径有关：卧式挤压机取0.5~1.5mm；立式挤压机取0.2mm，脱皮挤压取2.0~3.0mm，铸锭表面质量不佳的可选更大一些。本次设计采用卧式挤压机，即=0.5~1.5mm挤压垫的直径按下式计算(2-6)带入数据计算得：。由于挤压垫的厚度可等于其直径的0.2~0.7倍，即(2-7)带入数据可得：，取。挤压工模具尺寸示意图如下图2-2所示。图2-2挤压工模具尺寸图

第四章实验模拟及数据提取分析4.1模拟挤压过程（1）根据设计的的几何尺寸，运用PRO/E分别绘制坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒的几何实体，输出STL格式。（2）挤压模拟单位制度选择→添加对象→设定对称面→设定热交换面→模拟控制设置→实体网格化→设置对象材料属性→设置主动工具运行速度→工件体积补偿等等。由于我们探究的是工模具预热温度对实验的影响，所以我们要保持其他的所有参数一致而将工模具预热温度作为变量设置来进行实验。模拟运算结束后，进入后处理界面。观察模拟的结果，提取必要的数据及相关云图、曲线图等。4.2各组所得数据总和计算机模拟完成后，小组成员分别提取出自己所得的数据，各小组所得数据如下表4-1所示。表4-1小组数据序号分配温度/ºC挤压力/KN破坏系数101147.681.112501171.141.9831001370.482.5641501064.101.605200809.100.9862501622.721.687350935.841.988450966.361.3095002657.352.024.3工模具预热温度对挤压力的影响根据表4-1的数据利用Excel画出挤压力—工模具预热温度回归曲线图如下图4-1所示。P/KNT/ºC050010001500P/KNT/ºC0500100015002000250030000100200300400500600图4-1挤压力—工模具预热温度回归曲线分析：从上图4-1的回归曲线可以看出，在0—500度的温度变化范围内，受挤压模具预热温度的影响，挤压力有先减小后增大的趋势。这种趋势可能是模拟的过程中个别成员的参数设置不准确或操作错误导致的。除去这样的个别误差较大的点，在整个温度变化范围内，载荷呈下降趋势。这说明随着挤压工模具预热温度的升高，载荷减小。4.4工模具预热温度对破坏系数的影响根据表4-1的数据利用Excel画出破坏系数—工模具预热温度回归曲线图如下图4-2所示。破坏系数破坏系数