課程設(shè)計論文鋁合金型材擠壓工藝及模具計算

1、鋁合金型材擠壓工藝及模具計算課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書題目:鋁合金型材擠壓工藝及模具計算學(xué)院:材料與能源學(xué)院專業(yè): 03金屬材料工程（1）學(xué)號:學(xué)生: 指導(dǎo)老師： 日期：2006年6月21日 課程設(shè)計任務(wù)書材料與能源學(xué)院金屬材料工程專業(yè) 一. 題目:鋁合金型材擠壓工藝及模具設(shè)計二. 設(shè)計基本內(nèi)容: 設(shè)計一件實心型材制品和一件空心型材制品的工藝工藝過程及模具設(shè)計,包括擠壓工藝參數(shù),模具結(jié)構(gòu),制造工藝等要求三. 完成后應(yīng)繳的資料: 課程設(shè)計說明書一份 實心型材模autocad圖 空心型材模上模autocad圖空心型材模下模autocad圖 空心型材模上下模autocad裝配圖四. 設(shè)計完成期限:2

2、005年6月14日-2005年6月24日指導(dǎo)老師_袁鴿成 簽發(fā)日期_教研室主任_批準日期_課程設(shè)計評語:成績: 設(shè)計指導(dǎo)教師_ _年_月_日目錄一: 緒論5二: 總設(shè)計過程概論8三: 實心型材模設(shè)計10四: 空心型材模設(shè)計19五: 后記28一緒論鋁被譽為僅次于鋼鐵的第二大金屬，由于具有密度低、強度適中、加工性能好等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、交通運輸?shù)刃袠I(yè)，鋁及鋁材的消費已經(jīng)成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。近年來工業(yè)鋁型材應(yīng)用于交通行業(yè)呈上升趨勢。鋁合金在國民經(jīng)濟中起著非常重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和現(xiàn)代經(jīng)濟的高速發(fā)展，鋁合金型材正向著大型整體化、薄壁扁寬化、尺寸高精化、形狀復(fù)

3、雜化、外廓美觀化的方向發(fā)展，品種規(guī)格不斷增多，應(yīng)用范圍不斷拓展，已由民用建筑門窗型材為主體推廣到了航天航空、汽車船舶、交通運輸、電子電力、石油化工、機械制造、家用電器等各行各業(yè)和人民生活各個方面。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界上每年需要的大型鋁合金型材約4o萬噸，而且增漲勢頭不減。為了適應(yīng)這種市場需求趨勢，各國都在加速建設(shè)重型擠壓機或大型材擠壓生產(chǎn)線。近年來，隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，特別是交通運輸?shù)默F(xiàn)代化、高速化和輕量化，需要大量的大型特種型材。為了實現(xiàn)大型材國產(chǎn)化，國家投入了大量的人力、物力和財力進行研究開發(fā)，除了將西南鋁原有的80mn臥式水壓機改造成一條具有現(xiàn)代化水平的油壓機生產(chǎn)線外，遼源麥達

4、斯公司于2001年又建成了一條75mn臥式油壓擠壓機生產(chǎn)線。此外，天津corus公司的一臺55mn臥式油壓機生產(chǎn)線已于1999年投人生產(chǎn)。正在建設(shè)或計劃建設(shè)60mn以上的臥式油壓機生產(chǎn)線的有山東的叢材鋁業(yè)、南山鋁業(yè)，遼寧的忠旺鋁業(yè)，廣東的興發(fā)鋁業(yè)等，到2005年左右這些擠壓生產(chǎn)線建成投產(chǎn)后，我國大型鋁合金型材的生產(chǎn)能力可達10萬噸年以上，完全可以滿足國內(nèi)市場的需求，并可部分出口。大型特種鋁合金型材之所以能獲得如此高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主要是由于具有許多獨特的優(yōu)點，能滿足市場的各種需求。然而，大型特種鋁合金型材是一種高難度的高新技術(shù)產(chǎn)品，除了必需配備80mn以上的重型擠壓機外，尚需解決一系列關(guān)鍵技

5、術(shù)問題。鋁材在擠壓過程中，如擠壓模具不是很好或模具擠壓鋁材過多，鋁材表面會產(chǎn)生擠壓痕，用手可能觸摸到鋁材表面不平，因此，在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中實施擠壓加工技術(shù)，其成敗的關(guān)鍵是模具，模具設(shè)計以及其質(zhì)量，事關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量，成本。在擠壓設(shè)計的過程中擠壓工藝條件：應(yīng)考慮擠壓溫度、擠壓速度、潤滑、模具（種類、形狀、尺寸等）、切壓余、淬火、冷卻、切頭切尾等多方面的因素。其中，選擇擠壓筒直徑 d0 是一個最核心的問題，有以下的選擇原則：1）保證產(chǎn)品表面質(zhì)量原則2）保證擠壓模強度的原則3）保證產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的原則4）經(jīng)濟上的優(yōu)化原則生產(chǎn)成本最低；成材率最大；產(chǎn)量最高。這次的設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一個實心型材和一個空心型材模，實

6、心型材模采用單模，空心型材模采用分流組合模，擠壓制品所有的材料是6063。由于其強度高，質(zhì)量輕，加工性能好，在退火狀態(tài)下，該合金有優(yōu)良的耐蝕性及物理機械性能，是一種可以時效強化的al-mg-si系合金，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)性建筑行業(yè)以及一些機械制造業(yè)。其化學(xué)成分表示如下:6063al的成分: gb/t3190-1996：表1牌號sifecumnmgcrznti其它元素每種總量60630.20.60.350.100.10.450.90.100.10.100.050.156063機械性能:表2合金狀態(tài)彈性模量e剪切模 量g屈服強度0.2抗拉強度b伸長率泊松系數(shù)u布氏硬度kg/mm2密度g/ cm2606

7、3淬火自然時效710027001222220.31652.69二 總設(shè)計過程概論1.擠壓工藝流程：鑄錠加熱擠壓切壓余淬火冷卻切頭尾切定尺 時效表面處理包裝出廠2.擠壓工藝條件1）.鑄錠的加熱溫度6063鋁的最高允許加熱溫度為550，下限溫度為320，為了保證制品的組織，性能，擠壓時錠坯的加熱溫度不宜過高，應(yīng)盡量降低擠壓溫度。2）.擠壓筒的加熱溫度模具的成分多為合金鋼，由于導(dǎo)熱性差，為避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，擠壓前擠壓筒要預(yù)熱，為保證擠壓制品的質(zhì)量，并且具有良好的擠壓效應(yīng)，擠壓筒溫度可取400450。3）.擠壓溫度熱擠壓時，加熱溫度一般是合金熔點絕對溫度的0.750.95倍，擠壓過程中溫度控制在500左

8、右。4）.擠壓速度擠壓速度快雖然可以提高生產(chǎn)力，但擠壓速度過快會影響材料的擠壓性和使擠壓溫度過高，因此必須控制好擠壓速度?？紤]金屬與合金的可擠壓性，制品質(zhì)量要求及設(shè)備的能力限制，本設(shè)計的擠壓速度取4060m/min。5).工模具的潤滑因本設(shè)計采用熱擠壓，故不采用潤滑。6）.模具模具應(yīng)具有足夠的耐高溫疲勞強度和硬度，較高的耐回火性及耐熱性，足夠的韌性，低的膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性，可加工性，及經(jīng)濟性，本設(shè)計采用3cr2w8v作為模具的材料，熱處理的硬度為hrc4447。7）.切壓余根據(jù)所選的設(shè)備：500t,切壓余厚為20mm；800t，切壓余厚為25mm。8).淬火本工藝過程中，采用在線淬火，制品

9、擠出后可通過設(shè)置風(fēng)扇對制品進行吹風(fēng)來達到風(fēng)淬的目的。9）.冷卻直接露置在空氣中冷卻，達到自然時效的目的。10）.切頭尾本工藝過程統(tǒng)一去頭尾各300mm500mm。三.實心型材模設(shè)計1.所要設(shè)計的實心型材制品本制品的形狀和尺寸如下圖1牌號（xc311-20）用cad計算得: 制品的截面積f制= 655.1294 mm2 以型材的底部為x軸,以型材縱向的對稱軸為y軸,得出重心的位置（0，19.7476） ?？淄饨訄A直徑d外71.45mm 現(xiàn)有設(shè)備表3設(shè)備噸位500t800t1630t擠壓筒直徑d095125187擠壓截面積f070851226627451錠坯尺寸dd|ld90x270/320120

10、x400/450178x540/600/660冷床長26m32m44m填充系數(shù)1.1141.0851.104壓余厚202530最大擠壓比97.48273.6加工范 圍最大外接圓直徑6595147擠一根最小制品斷面積f制min721503722.選坯和選設(shè)備根據(jù)加工范圍要求（f制f制min,及d外d外max）有800t和1630t的設(shè)備可用，按成才率最高的原則，進一步優(yōu)化，計算列表表4序號d0(f0)dd(mm)ld(mm)單重wd填充系數(shù)k填充后長度le壓余厚hy(mm)切壓余后的有效長度ld擠壓比制品長l制(m)成品數(shù)nx6(m)成品重w制(kg)成材率w制/wd()1125/1204001

11、2.201.0853692534418.7236.440002125/12045013.731.0854152539018.7237.30110.5776.693187/17854036.301.1044853045541.9019.06331.7287.384187/17860040.301.1045443051441.9021.53331.7278.715187/17866044.401.1045983056841.9023.80331.7271.44最后選擇成才率最高的87.38對應(yīng)的方案3錠坯尺寸為：dd * ld=178*540mm =41.90 90°3.擠壓力的計算根據(jù)

12、經(jīng)驗系數(shù)公式p=*kf(+4l/d)f=a*p表征擠壓難易程度的經(jīng)驗系數(shù)，對于實心型材取1.01.1,本設(shè)計取1.1p為單位擠壓力，mpaf為最大擠壓力, na擠壓筒內(nèi)孔的面積，mm2擠壓系數(shù)kf材料在擠壓溫度下的變形抗力（查表），mpa摩擦系數(shù)l鑄錠敦粗后額長度，mm,即填充后長度lekf查表取16取0.30故p=1.1×16(41.90+4×0.30×485/187)=120.3175mpa f=120.3175*187*187/4=3308285.52n換算成噸位：約337.58tf=337.58t額定噸位1630t，設(shè)備選擇符合要求，即理論技術(shù)可行4.實心

13、型材模具體結(jié)構(gòu)設(shè)計模組的結(jié)構(gòu)如下圖圖21.模子 2.模墊 3.前環(huán) 4.后環(huán) 5.保護墊板 6.前機架 7.模座 8.模套 9.剪刀 10.擠壓筒模組的結(jié)構(gòu)：對于不同噸位的擠壓機，下圖中的主要結(jié)構(gòu)尺寸都是配套設(shè)置的，可以從有關(guān)資料中查得。模組的主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖3模組尺寸如下表表5設(shè)備噸位500t800t1630t1×2×h160×180×190210×250×240310×350×340h2809090100110150h3506050606080 擠壓模具的尺寸如下表表6設(shè)備噸位500t800t1630td1/d

14、2135/145×2025165/175×2530250/260×3040h112121312135. 實心模尺寸數(shù)據(jù)設(shè)計1)選坯和選擇設(shè)備根據(jù)前面的計算擠壓筒內(nèi)直徑d0=187 錠坯尺寸：dd x ld178mm×540mm擠壓比=41.90mm 90°2).模組及模子尺寸外形的計算根據(jù)前面計算，從表5選取h2=100 h3=60 h1=30模子外形尺寸的確定（如下圖4）圖4 依據(jù)表6的數(shù)據(jù)可以確定d1=250 d2=260 h1=12 h2=403)模子內(nèi)形尺寸的確定擠壓比=41.90max=73.6,所以不需要多孔擠壓確定?？壮叽纾河晒?/p>

15、a=a0+m+( +kt)a0kt=tt11對于3cr2w8v鋼，取10.000014/c, t1=400對于6063合金，0.000025 t=500故kt0.007ky和kp的值查書第82頁，計算得到:尺寸50±0.60的?？壮叽鐬?=50+0.60（0.00550.0070.007）×5051.575尺寸38±0.60的?？壮叽鐬?b=38+0.60（0.00650.00750.007）×3839.398尺寸5±0.3的?？壮叽鐬? h=5+0.3（0.0150.0150.007）×5=5.485mm型材的圓角及圓弧沒有偏差要求

16、，故可按名義尺寸設(shè)計.由于這種角材在擠壓的過程中出現(xiàn)并口現(xiàn)象,角度取91°?？壮叽缛缦聢D所示4)孔形在模子端面位置的確定（由于本型材為等壁厚的型材，故型材的幾何重心在置模子的中心）壓力中心的計算：用cad制圖計算得:以型材的底部為x軸,以型材縱向的對稱軸為y軸,x=0，y=19.74765).定徑帶長度的確定由于是等壁厚型材，故定徑帶長度h定各處相等，本次設(shè)計取h定4。6).出口直徑. dch 由于模子的出口直徑一般應(yīng)比工作帶直徑大36mm,以免因過小而劃傷表面。 本設(shè)計出口直徑dch=6mm。7).阻礙角由于h定1015，故不采用阻礙角。8).校核（1）擠壓力的校核擠壓力為337.

17、58噸，遠遠低于額定噸位1630噸，所以符合要求。（2）模子強度的校核 對于槽形模的突出部分,可以認為是一個懸臂梁，可按下述步驟校核其危險面i-i處的模子最小厚度。危險面i-i處在擠壓是所受的彎矩為：m=p*a*l*l/2=(p*a*l)/2抗彎斷面系數(shù)為：w=b*h/6則彎曲應(yīng)力為 =m/w=3*p*l*a/(h*b)固模具的最小厚度為 h=式中h模具（包括模子和支承環(huán)的總厚度）的最小厚度，mml槽型模子懸臂梁的長度，即槽形型材的槽深尺寸，mmp擠壓筒的比壓，擠壓機噸位與擠壓筒內(nèi)截面積之比，mpaa模孔懸臂梁根部斷面處的寬度，mmb?？讘冶哿焊繑嗝娉隹谔幍膶挾?，mm,b=a-2c,c?？讘?/p>

18、臂梁根部出口空刀尺寸（一般取1.5-3），mm模具材料的許可彎曲應(yīng)力，其植一般取許用抗拉應(yīng)力的（0.4-0.5）倍左右，在溫度450-500c下對于4cr5mosivi取=600pa符合要求模子的最大撓曲變形按如下公式計算懸臂梁端部最大撓度，mml懸臂梁長度，mmq等于q/l，懸臂梁單位長度上的壓力，n/mme模具材料的彈性模量2.2×10mpaj懸臂梁斷面慣性矩，j=b,h分別為懸臂梁的寬度和高度，mmq懸臂梁承受的總壓力本設(shè)計中要是模子的抗剪強度.對于抗剪強度的校核,取角型材斜邊為危險端面,進行強度校核危險面i-i處的彎距為：m= p*a*l*l/2 = 185kg.m抗彎斷面系

19、數(shù)：w= b*h*h /6 =0.73 m3 彎曲應(yīng)力：彎 m/w 253.4mpa < 600 mpa，符合要求。最小模具厚度：hmin =l * (3p * a / b 彎) 1/2 = 9.1 mm最大 （q * l4）/ ( 8e * j ) = 0.368 mm < 1 mm 各項指標均滿足要求，故強度符合。9).畫圖 （見圖紙）四.空心型材模設(shè)計1.所要設(shè)計的制品本設(shè)計制品的的牌號為i531回型管具體參數(shù)為b=101.6 h=44.5 t=2.8 重量：2.215kg/m具體如下圖2.選坯核選設(shè)備制品的截面積：f制786.8 mm2模孔外接圓直徑d外55.46*2=11

20、0.92根據(jù)加工范圍要求（f制f制min,及d外d外max）由表3知只有1630t的可用按成才率最高的原則，在進一步計算優(yōu)化，計算列表如序號d0(f0)dd(mm)ld(mm)單重wd填充系數(shù)k填充后長度le壓余厚hy(mm)切壓余后的有效長度ld擠壓比制品長l制(m)成品數(shù)nx6(m)成品重w制(kg)成材率w制/wd()1187/17854036.301.1044853045534.88915.9225.3469.82187/17860040.301.1045443051434.88917.9225.3462.93187/17866044.401.1045983056834.88919.8

21、338.1085.8表7最后選擇成才率最高的85.8對應(yīng)的方案3即1630t的擠壓設(shè)備錠坯尺寸為：dd x ld=178x660mm =34.889 3.擠壓力的計算根據(jù)經(jīng)驗系數(shù)公式p=*kf(+4l/d)f=a*p表征擠壓難易程度的經(jīng)驗系數(shù)，對于空心型材取1.11.5,本設(shè)計取1.5p為單位擠壓力，mpaf為最大擠壓力, na擠壓筒內(nèi)孔的面積，mm2擠壓系數(shù)kf材料在擠壓溫度下的變形抗力（查表），mpa摩擦系數(shù)l鑄錠敦粗后額長度，mmkf查表取16取0.30故p=1.5×16(34.889+4×0.30×544/187)=169.0mpa f=169.0*187

22、*187/4=4639162.385n換算成噸位：約473.38tf=473.38t額定噸位1630t，設(shè)備選擇符合要求，即所選設(shè)備理論可行4.模組及模子外形尺寸確定：模組尺寸結(jié)構(gòu)簡圖如前圖3所示根據(jù)前面計算，從表6選取h2=90 h3=60模子外形尺寸簡圖如前圖4依據(jù)表6的數(shù)據(jù)可以確定d1=250 d2=260 h1=12 h2=40因為本設(shè)計采用孔道式分流組合模故：取h上80mm h下60 mm5.組合模相關(guān)參數(shù)的確定：1).分流孔的個數(shù)取4個，形狀為扇形2)扇形面積的確定：因為分流孔面積與制品斷面積的比值f分/f型k,k即為分流比，一般k對于空心型材時，取k=1030。本設(shè)計取k=10分

23、流孔面積的大小按fmax/fmin=fmax/fminfmax =(101.6-2.8*2)=268.8 mm2fmax=10* fmax=2688 mm2fmin=944.5*2.8=124.6 mm2fmax=10*fmin=1246 mm23).分流孔位置的確定分流孔中心圓的直徑d分0.7d0=0.7×187=130.9 mm暫時先取其外接圓直徑為148 mm確定a，的大小如圖圖7依據(jù)經(jīng)驗a一般取25，有的取8.本設(shè)計取8圖8 關(guān)于的計算，由上圖知h=h/2+8=101.6/2+8=58.80.5 fmax=f扇f三角形得42°同理關(guān)于的計算，由下圖知b=b/2+8=

24、44.5/2+8=30.250.5 fmin=f扇f三角形得71.0°圖94).分流孔的形狀分流孔由一定的傾斜錐度，這樣可以改善焊縫的質(zhì)量，孔道錐面與其軸線的夾角為2°4°，本設(shè)計取3°5).分流橋分流橋的寬窄和模具的強度以及金屬的流量有關(guān)，從增大分流比，降低擠壓力來考慮，分流橋的寬度b應(yīng)該選擇小些，但為了改善金屬流動的均勻性，?？鬃詈檬艿椒至鳂虻恼诒?，則b應(yīng)該選擇得寬些，一般?。?b=b+(320)本設(shè)計采用倒梯形結(jié)構(gòu)，取b=26見下圖 圖10 6).焊合室焊合室的形狀和大小對焊縫的質(zhì)量有很大的影響。按經(jīng)驗公式：95130 h=1015本設(shè)計取h=14

25、，形狀為碟形如圖：圖11 6. 模子內(nèi)形尺寸的確定工件及模具如圖所示圖12模具圖如下圖13按經(jīng)驗公式a=a0+k a0a-制品外形的?？壮叽鏰0制品外形的公稱直徑k-經(jīng)驗系數(shù)，由于本設(shè)計爭對6063合金，取k=0.012得bk=101.6*(1+0.012)=102.82mm, hk=44.5*(1+0.012)=45.03mm制品型材壁厚可由經(jīng)驗公式b=b0+確定由于b0=2.8<3.0.本設(shè)計0.1故tk=2.8+0.1=2.97.模孔工作帶長度hg的確定由于本型材制品的對稱性較好，外形相對較小，一般可取28，生產(chǎn)實踐中對鋁合金常用815 本設(shè)計取hg8mm8.模芯的設(shè)計一般伸出下模工作帶35mm，本設(shè)計取4mm，模腔外形按空心型材的空心部分確定。9.上模凸臺長取21mm.用于裝配定位10.定位銷，螺釘按gb標準選取標準件定位銷的直徑取8，螺釘采用m10,具體說明見裝配圖11.模子強度校核：這種模子在工作時承受載荷最不利的情況是分流孔道和焊合室尚未進入金屬和金屬充滿焊合室以后流出?？字H，故強度的校核主要是爭對模子的分流橋，模橋的彎曲應(yīng)力和抗剪強度： 分流橋彎曲應(yīng)力校核hmin=lp/2*b式中: hmin=分流橋的最小高度 l分流橋?qū)挾?經(jīng)計算l=80mm p擠壓機的最大的比壓p=1630×1000×9.8/2745