棒材擠壓課程設(shè)計

1、第一章 坯料及工藝參數(shù)的確定1.1 坯料的選擇 坯料尺寸的確定十分重要，坯料尺寸的選擇是否合理，直接影響到擠壓制品的質(zhì)量、成品率、生產(chǎn)率等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。坯料尺寸（直徑和長度）越大，制品越長，從而使切頭尾、切壓余的幾何損失和擠壓周期內(nèi)的輔助時間所占的比例降低，對壓余所導(dǎo)致的金屬幾何損失，增大直徑或者增加長度對成品率的影響不同。坯料體積一定時，增大直徑和減短長度使幾何損失增加，減小直徑增加長度，幾何損失減小。 （1）坯料直徑的確定 選擇坯料直徑時，一定要在滿足制品斷面機械性能要求和均勻性要求的前提下，盡可能采用較小的擠壓比。查熱擠壓各種金屬材料時的工藝參數(shù)值表可知，黃銅棒（DIN_CuZn40Pb

2、2）的擠壓比，選取，因為 （1-1）式中，坯料直徑，mm；擠壓制品的直徑。 由上式，坯料的直徑為 （1-2）已知制品直徑，故有圓整，取。（2）坯料長度的確定 在實際生產(chǎn)中，坯料一般是圓柱形的，在擠壓有色金屬時，坯料長度為其直徑的2.03.5倍。 本設(shè)計取坯料長度為其直徑的3倍，即坯料長度為300mm。1.2 擠壓工藝參數(shù)的確定1.2.1摩擦系數(shù)的確定 摩擦系數(shù)對擠壓有著重要的影響，對擠壓力的影響最為顯著。根據(jù)設(shè)計要求，故擠壓墊與坯料之間的摩擦系數(shù)可取0.5，擠壓筒與坯料之間的摩擦系數(shù)為0.2，擠壓模與坯料之間的摩擦系數(shù)為0.2。1.2.2擠壓桿速度的確定擠壓時的速度一般可分為三種：擠壓速度；金

3、屬流出速度；金屬變形速度（也稱變形速率）。通常擠壓速度越大，不均勻性流動加劇，附加應(yīng)力增大，在擠壓制品上會引起周期性周向裂紋或破裂。擠壓速度的影響通過以下三個方面起作用：第一，擠壓速度高，流動更不均勻，副應(yīng)力增大；第二，擠壓速度提高來不及軟化，加快了加工硬化，使金屬塑性降低；第三，擠壓速度的提高，增加了變形熱效應(yīng)，是鑄錠溫度上升，可能進入高溫脆性區(qū)，降低金屬加工塑性。綜上所述，擠壓速度的確定需在一個允許的范圍內(nèi)(如下表1-1所示)，因此在黃銅的允許擠壓速度范圍內(nèi)本設(shè)計取擠壓速度值為50。表1-1 有色金屬材料允許的擠壓速度材料擠壓速度/銅5176鉬12.725.4黃銅25511.2.3擠壓溫度

4、的確定確定擠壓溫度的原則與確定熱軋溫度的原則相同，也就是說，在所選擇的溫度范圍內(nèi)，保證金屬具有良好的塑性及較低的變形抗力，同時要保證制品的獲得均勻良好的組織性能等。根據(jù)設(shè)計要求及“三圖”（合金的狀態(tài)圖、金屬與合金的塑性圖、第二類再結(jié)晶圖）原則，可取擠壓溫度為590。1.2.4 定徑帶長度的確定定徑帶是用以穩(wěn)定制品尺寸和保證制品表面質(zhì)量的關(guān)鍵部分。如果定徑帶過短，則模子易磨損，同時會壓傷制品表面，導(dǎo)致出現(xiàn)壓痕和橢圓等缺陷。但是，如果定徑帶過長，又極易在其上粘結(jié)金屬，使制品表面上產(chǎn)生劃傷、毛刺、麻面等缺陷，而且擠壓力將升高。結(jié)合設(shè)計要求，本設(shè)計取定徑帶長度為40mm。1.2.5工模具預(yù)熱溫度的確定

5、工模具預(yù)熱的目的：使擠壓坯料放入模具時溫降不致過大，以免使塑性降低，變形抗力增加；同時避免坯料中心的溫差過大，增加變形的不均勻性；減小模具與坯料的接觸溫差。除了坯料在擠壓前加熱以外，擠壓模，擠壓墊及擠壓筒在擠壓前均要進行預(yù)熱。預(yù)熱溫度一般在150300，應(yīng)按擠壓坯料的溫度作調(diào)整。由已給條件知，工具模預(yù)熱溫度為。第二章 模具尺寸的確定2.1 工模具尺寸的確定根據(jù)擠壓機的結(jié)構(gòu)、用途以及所生產(chǎn)的制品類別的不同，擠壓工具的組成和結(jié)構(gòu)形式也不一樣。擠壓工具一般包括：模子、擠壓墊、擠壓桿和擠壓筒。此外，還包括其他一些配件如：模墊、支撐環(huán)、壓力環(huán)、沖頭、針座和導(dǎo)路等。本設(shè)計主要針對擠壓筒、擠壓模、擠壓墊進行

6、結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計。選擇模具與坯料部分尺寸，并根據(jù)給定的主要尺寸，運用Auto CAD繪出擠壓過程平面圖形并設(shè)計擠壓工藝參數(shù)。2.1.1 擠壓示意圖本設(shè)計的擠壓制品是的黃銅棒，擠壓示意圖如圖1所示。圖1-1 擠壓示意圖2.1.2擠壓筒尺寸的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)書可知，擠壓制品的直徑為，坯料的規(guī)格為，坯料直徑，長度。 （1）擠壓筒內(nèi)徑的確定 擠壓筒內(nèi)徑根據(jù)擠壓合金的強度、擠壓比和擠壓機能確定的。筒的最大直徑應(yīng)能保證作用在擠壓墊上的單位壓力不低于金屬的變形抗力。顯然，筒徑越大，作用在墊上的單位壓力就越小。再根據(jù)產(chǎn)品品種、規(guī)格確定筒的內(nèi)徑尺寸。 擠壓筒內(nèi)徑可按間隙值計算 (2-1)式中，坯料的外徑，mm；

7、 是坯料順利進入又不產(chǎn)生縱向裂紋的間隙值，mm，如表2-1所示。 因為擠壓示意圖所給擠壓為臥式擠壓機，坯料直徑為，故可知擠壓筒直徑在范圍內(nèi)，即可知間隙值,取。擠壓筒內(nèi)徑為 表2-1 筒、錠間隙選擇金屬材料擠壓機擠壓筒直徑（mm）間隙值，（mm）備注類型噸位，（KN）鋁臥式立式冷擠3101.530.20.348340.10.8銅臥式1001003003001351015立式67512012稀有金屬臥式41531.531.566.7285220260220260121.5345511.51.5256包套擠壓包套擠壓光坯擠壓立式6651201.521.511.51包套擠壓光坯擠壓 （2）擠壓筒外徑的

8、確定 根據(jù)經(jīng)驗，一般擠壓筒外徑是擠壓筒內(nèi)徑的45倍，故 本設(shè)計取=450mm。 （3）擠壓筒長度確定 擠壓筒長度可按如下公式進行計算 (2-2) 式中，擠壓墊進入擠壓筒的深度，mm； 擠壓墊的厚度，mm； 坯料的長度，mm。因為，為保證開始擠壓時準(zhǔn)確定位和擠壓桿在擠壓過程中保持穩(wěn)定，可取20mm。20+40300=360mm.2.1.3擠壓墊尺寸的確定擠壓墊是用來防止高溫的錠坯直接與季亞桿接觸，消除其端面磨損和變形的工具。墊片的外徑應(yīng)比擠壓筒內(nèi)徑小，太大，可能形成局部脫皮擠壓，從而影響制品質(zhì)量，特別是在擠壓管材時不能有效的控制針的位置，以致造成管子偏心；但是也不能太小，以防與擠壓筒內(nèi)襯套摩擦加

9、速其磨損。值與擠壓筒內(nèi)徑有關(guān)：臥式擠壓機取0.51.5mm。由表2-1本次設(shè)計采用臥式擠壓機，坯料的直徑為100mm，所以擠壓筒的內(nèi)徑應(yīng)，取0.51.5mm。 所以擠壓墊的直徑為 （2-3）由于本設(shè)計選用臥式擠壓機，則mm，故102-（0.51.5）=100.5101.5mm本設(shè)計取擠壓墊的直徑。由于擠壓墊的厚度可等于其直徑的0.20.7倍，所以可在范圍內(nèi)取擠壓墊的厚度40mm。2.1.4 擠壓模尺寸確定（1）模角的確定模角是模子的最基本的參數(shù)之一，是指模子的軸線與其工作斷面間所構(gòu)成的夾角，擠壓模錐角為20900。（2）定徑帶長度的確定 工作帶又稱定徑帶，是穩(wěn)定制品尺寸和保證制品表面質(zhì)量的關(guān)鍵

10、部分。倘若工作帶過短，則模子易磨損，同時會壓傷制品表面導(dǎo)致出現(xiàn)壓痕和橢圓等缺陷。但是，如果工作帶過長，又極易在其上粘結(jié)金屬，則制品表面上產(chǎn)生劃傷、毛刺、麻面等缺陷，而且擠壓力將升高。本設(shè)計取定徑帶長度為40mm。（3）定徑帶直徑的確定模子工作帶直徑與實際所擠壓的制品直徑并不相等。在設(shè)計時應(yīng)保證制品在冷狀態(tài)下不超過所規(guī)定的偏差范圍，同時又能最大限度地延長模子的使用期限。通常是用一裕量系數(shù)來考慮各種因數(shù)對制品尺寸的影響。表2-2為擠壓不同金屬與合金時的?？自Ａ肯禂?shù)值。表2-2 裕量系數(shù)C1合金值含銅量不超過65%的黃銅0.0140.016紫銅、青銅及含銅量大于65%的黃銅0.0170.020純鋁、

11、防銹鋁及鎂合金0.0150.020硬鋁和鍛鋁0.0070.010對于棒材，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只有負偏差。在擠壓銅合金一類溫度較高的材料時，因模孔會逐漸變小，所以工作帶直徑的設(shè)計應(yīng)使開始一批棒材的直徑接近其名義尺寸。隨著?？鬃冃。瑪D壓棒材的實際直徑接近最大的負偏差。對于輕合金，因擠壓溫度低，沒有模孔的問題。擠壓棒材的模孔直徑用下式計算： （2-4）式中，棒材的名義直徑，mm。由于所給擠壓坯料為黃銅DIN_CuZn40Pb2，含銅量為58%，所以查表2-2，值可取0.015。故由式（2-4）得 12+120.015=12.18mm （4）出口直徑的確定模子的出口直徑一般比工作帶直徑大35mm，如果尺寸過小

12、會劃傷制品的表面。 （2-5）由式得，本設(shè)計取。 （5）入口圓角半徑（過渡圓角）的確定圖1-1 擠壓示意圖 入口圓角半徑（過渡圓角）的作用是為了防止低塑性合金在擠壓時產(chǎn)生表面裂紋和減輕金屬在進入工作帶（定徑帶）時所產(chǎn)生的非接粗變形，同時也是為了減輕在高溫下擠壓時模子的入口棱角被壓頹而很快改變?？壮叽缬玫摹Ｔ谠O(shè)計任務(wù)書中已給定過渡圓角的半徑為5mm。（6）擠壓模的外形尺寸和的確定擠壓模的外圓直徑與厚度主要是根據(jù)其強度和標(biāo)準(zhǔn)系列化來考慮。它與擠壓的型材類型、難擠壓的程度及合金的性質(zhì)有關(guān)。一般所擠壓的型材的外接圓最大直徑等于擠壓筒內(nèi)徑的0.80.85倍。根據(jù)經(jīng)驗，對棒材、管材、帶板和簡單的型材，模子

13、的外徑=（1.251.45）。故擠壓模外徑 代入得，本設(shè)計取=110mm。 因為本設(shè)計中擠壓模的錐角是可以變化的，取值在，在設(shè)計時可取，故擠壓模的長度需根據(jù)定徑帶長度、出口帶長度和模角處垂直長度共同決定，因為模角處垂直長度為mm出口帶長度=30mm，則擠壓模長度25.9288+40+30=95.9288mm。第三章 擠壓方案的分配與模擬過程3.1方案的分配由于本設(shè)計以擠壓墊摩擦系數(shù)為變化量來探究擠壓過程中對各個參數(shù)的影響，即擠壓墊摩擦系數(shù)取00.6，分成8組進行實驗?zāi)M。具體方案見表3-1所示。表3-1 擠壓方案擠壓方案如表3-1所示。序號學(xué)生學(xué)號擠壓墊摩擦系數(shù)擠壓筒擠壓模摩擦系數(shù)擠壓桿速度/

14、擠壓模錐角/°擠壓溫度/定徑帶長度/mm工模具預(yù)熱溫度/101011120.5 0.250203040506070809059040300根據(jù)給定的幾何尺寸，運用CAD或Pro/E分別繪制擠壓墊、擠壓模/擠壓筒和坯料的幾何實體，文件名稱分別為“jiyadian”、“jiyamo”、“jiyatong”、“piliao”，輸出STL格式。程序DEFORM6.1New ProblemNext填入名稱Finish進入前處理界面。3.2前處理3.2.1添加對象連續(xù)3次點擊Insert Object按鈕，添加4個對象。3.2.2單位制度選擇 點擊Simulation ControlMainUn

15、itsSIMode選Deformation及Heat Transfer。3.2.3導(dǎo)入和定義材料在對象樹上選擇Work piece點擊General按鈕Assign Temperature®填入溫度為590點擊OK單擊按鈕，選擇材料庫中的DINCuZn40Pb2,單擊Load，完成材料基本屬性界面。 單擊Geometry按鈕，在彈出的對話框中選擇事先畫好的UG造型文件。導(dǎo)入后單擊，對幾何體進行幾何檢查，結(jié)果質(zhì)量合格，單擊OK鍵。其他同上，材料為DIN-D5-1U,COLD，且溫度為0。3.2.4網(wǎng)格劃分選擇對稱面熱交換面及工件體積補償選擇Work piece，單擊MeshDetail

16、ed SettingsAbsolute絕對劃分網(wǎng)格在Size Ratio欄中，設(shè)置尺寸比率為1.5，Min Element Size中，設(shè)置最小單元尺寸為2。單擊Surface Mesh 按鈕，進行對象表面網(wǎng)格劃分，再單擊Sold Mesh按鈕，生成體網(wǎng)格。點擊，點擊添加坯料的兩直角面；擠壓墊、擠壓模、擠壓筒的直角面，點擊Symmetric Surface添加對稱面。選擇Thermal類中的Heat Exchange with Environment 選項，選擇除對稱面之外的所有面。 單擊Property在Target Volume卡上選中Active選項點擊按鈕點擊Yes按鈕勾選Compen

17、sate during remeshing。3.2.5設(shè)置運動參數(shù)選擇Top Die，單擊MovementSpeed在Direction選中主動工具運行方向+XDefine選項，其性質(zhì)選為Constant,設(shè)置速度值50mm/s。3.2.6模擬控制設(shè)置點擊Simulation ControlStepNumber of Simulation Steps中填入模擬步數(shù)，如100Step Increment to Save中填入每隔2步保存信息Solution Steps DefinitionWith Constant Die Displacement填入距離步長1mm點擊OK完成設(shè)置。3.2.7定

18、義接觸關(guān)系單擊出現(xiàn)對話框，單擊Deformation選項種Constant選項填入00.6。點擊Thermal選中Constant選項，選擇傳熱類型Forming。另外兩個接觸關(guān)系，設(shè)置方法同上，但在Constant中填入0.5，在其他的摩擦系數(shù)中填入0.2。3.2.8生成庫文件在工具欄上點擊沒有錯誤信息則點擊完成模擬數(shù)據(jù)庫的生成。3.2.9退出前處理在工具欄上點擊，退出前處理程序界面。3.3運行退出前處理后，在DEFORM-3D的主窗口中，選擇Simulator中的Run選項，試驗就開始運行了。在運行過程中，可點擊Process Monitor查看模擬進程，某一數(shù)據(jù)規(guī)律呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)時即可停止

19、運行，點擊Stop。3.4后處理在DEFORM-3D的主窗口中選擇DEFORM-3D Post選項，進入后處理窗口。點擊Graph選擇擠壓墊，勾選所需輸出的數(shù)據(jù)如Damage、Load Prediction。出現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線圖后，右擊鼠標(biāo)，點擊Export graph data，將記事本中的數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel表中，制作回歸曲線圖。第四章 實驗結(jié)果分析4.1擠壓墊摩擦系數(shù)對載荷的影響根據(jù)表4-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出載荷擠壓模錐角回歸曲線圖如下圖4-1所示。表4-1 各組擠壓模錐角對應(yīng)的載荷值擠壓模錐角/°2030405060708090載荷P/KN223023001435866931

20、049522860圖4-1 載荷擠壓模錐角回歸曲線圖 由圖4-1可以看出，隨著擠壓模錐角的增大，載荷值總體呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)模角在45°-60°范圍時擠壓力最小。圖中擠壓模錐角等于30°時，載荷值突然達到最大值，這也可能是因為在模擬過程中，出現(xiàn)錯誤或者誤差造成的。原因：隨著模角的增大，金屬進入變形區(qū)壓縮錐產(chǎn)生的附加彎曲變形較大，使所消耗在這上面的金屬變形功升高；同時，增大則使變形區(qū)壓縮錐縮短，降低了擠壓模錐面上的摩擦阻力，兩者疊加后就會出現(xiàn)一及壓力最小值。4.2 擠壓墊摩擦系數(shù)對破壞系數(shù)的影響根據(jù)表4-2的數(shù)據(jù)利用Excel畫出破壞系數(shù)擠壓模錐角回歸曲線圖如

21、下圖4-2所示。擠壓模錐角/°2030405060708090破壞系數(shù)1.323.043.243.982.882.652.792.67表 4-2各組擠壓模錐角對應(yīng)的破壞系數(shù)值 圖4-2 破壞系數(shù)-擠壓模錐角回歸曲線從圖4-2可以得出:隨著擠壓模錐角的增大，破壞性系數(shù)總體呈先變大后減小趨勢。當(dāng)錐角在45°時破壞系數(shù)最大。原因：模錐角是在擠壓時可以形成較大的死區(qū)。錐模的最佳模角為45°-60°.但是在45°-50°時是不利的。因為這種情況下死區(qū)很小，甚至消失，因而無法阻礙錠坯表面缺陷和偏析物流出?？祝瑫?dǎo)致制品表面質(zhì)量惡化。所以此時對制品

22、的破壞程度也應(yīng)該最大。在圖中也可以看出此間破壞系數(shù)達到最大。因而模角在55-°70°才是最佳角度，從圖中可以看到此時破壞系數(shù)值也因此降到了2.6左右。 設(shè)計總結(jié)本課程設(shè)計為計算機輔助棒材擠壓模設(shè)計，以12mm棒材（黃銅DIN_CuZn40Pb2）擠壓成型為例，研究擠壓變形參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)形狀與尺寸對金屬流動、變形力等參數(shù)的影響，通過deform軟件模擬分析參數(shù)的合理性。這次課程設(shè)計，讓我們掌握了擠壓變形工具的設(shè)計方法，鞏固了擠壓變形理論與知識，進一步熟悉了Deform-3D的使用方法。設(shè)計中，我們經(jīng)過參閱書本和小組共同討論，得出的擠壓筒外徑為450mm，擠壓筒為102mm，擠壓墊厚度為40mm，擠壓模工作帶直徑為12.18mm，工作帶長度為40mm，出口直徑為16mm，外徑為110mm，厚度為100mm。實驗中，我們將實驗?zāi)M分為八組，分別在8個不同的擠壓模錐角下進行模擬，運用八組模擬結(jié)果，利用Excel將其列入表格、畫出回歸曲線，根據(jù)曲線的波動和走勢進行分析。實驗驗中遇到過很多問題，比如剛開始模擬時忽略了熱傳遞，導(dǎo)致成品溫度保持不