擠壓工藝與模具設(shè)計(jì)

1、擠壓工藝與模具設(shè)計(jì)目錄1、 擠壓相關(guān)知識及發(fā)展?fàn)顩r.22、 總設(shè)計(jì)過程概論.53、 實(shí)心型材模設(shè)計(jì).74、 總結(jié)與體會(huì).191.1 擠壓加工方法擠壓是有色金屬、鋼鐵材料生產(chǎn)與零件成型加工的主要方法之一，也是各種復(fù)合材料、粉末材料等先進(jìn)材料制備與加工的重要方法。從大尺寸金屬鑄錠的熱擠壓開坯、大型管棒型材的熱擠壓加工至小型精密零件的冷擠壓成型，從粉末、顆粒料為原料的復(fù)合材料直接固化成型到金屬間化合物、超導(dǎo)材料等難加工材料，現(xiàn)代擠壓技術(shù)得以廣泛的應(yīng)用。擠壓加工的方法主要有正擠壓，反擠壓，側(cè)向擠壓，玻璃潤滑擠壓，靜液擠壓，連續(xù)擠壓。擠壓加工特點(diǎn)是處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，這有利于提高金屬的塑性變形能力

2、，提高制品的質(zhì)量，改善制品內(nèi)部微觀組織和性能。除此以外，擠壓加工還具有應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)靈活性大，工藝流程簡單和設(shè)備投資少的特點(diǎn)。應(yīng)用擠壓加工工藝最多的材料是低熔點(diǎn)的有色合金，如鋁及鋁合金。1.2 鋁加工行業(yè)的分布中國的鋁加工企業(yè)主要集中于沿海(廣東、福建、浙江、上海、江蘇、山東、河北、天津、北京、遼寧)地區(qū)，即珠江三角洲(廣州一深圳為中心的經(jīng)濟(jì)圈)、長江三角洲(上海為中心的經(jīng)濟(jì)圈)、環(huán)渤海灣地區(qū)(京津經(jīng)濟(jì)圈)所占比例較大，許多鋁加工企業(yè)都云集于此三大經(jīng)濟(jì)圈。在珠三角地區(qū)，主要集中在佛山地區(qū)，其中大瀝更是全國，甚至世界地區(qū)鋁加工業(yè)的佼佼者。1.3鋁及鋁合金的特點(diǎn)與應(yīng)用鋁及鋁合金具有一系列特性，在

3、金屬材料的應(yīng)用中僅次于鋼材而居第二位。目前全世界鋁材的消費(fèi)量在1800萬噸以上，其中用于交通運(yùn)輸（包括鐵道車輛、汽車、摩托車、自行車、汽艇、快艇、飛機(jī)等）的鋁材約占27%，用于建筑裝修的鋁材約23%，用于包裝工業(yè)的鋁材約占20%。隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，中國的建筑行業(yè)發(fā)展迅速，包括鋁型材在內(nèi)的建筑裝飾材料不斷增加。鋁型材的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人民生活的各個(gè)層面。根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)工藝特點(diǎn),通常分為變形鋁合金與鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金也叫熟鋁合金，根據(jù)據(jù)其成分和性能特點(diǎn)又分為防銹鋁，硬鋁，超硬鋁，鍛鋁和特殊鋁等五種。鋁合金比純鋁具有更好的物理力

4、學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。 鋁合金型材具有強(qiáng)度高、重量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、可塑性好、變形量小、無污染、無毒、防火性強(qiáng)，使用壽命長（可達(dá)50100年），回收性好，可回爐重?zé)挕?.4擠壓工模具的材料常用擠壓工具鋼化學(xué)成分鋼號(C)/%(Si)/%(Mn)/%(Cr)/%(Mo)/%(W)/%(V)/%5CrMnMo0.50.60.250.61.21.60.60.90.150.35CrNiMo0.50.60.40.50.80.50.80.150.33Cr2W8V0.

5、30.40.40.42.22.77.59.00.20.54Cr5MoSiV10.320.420.81.20.44.55.51.01.50.81.1本設(shè)計(jì)選用模具材料為4Cr5MoSiV1，又稱H13鋼。鋼中碳化物類型有、。釩在鋼中起回火時(shí)二次硬化作用；Cr、Mo、W、V能提高鋼抗回火軟化能力，保持高溫下的強(qiáng)度、韌度；硅提高鋼的回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞能力。鉻和硅還能提高抗氧化和抗燒蝕性。 常用擠壓工具鋼及其機(jī)械性能：鋼號試驗(yàn)溫度T/MPa/MPa/%/%HB熱處理工藝5CrMnMo300400500600115010107804309908606904104761868411.011.117.52

6、6.7351311302235850空淬，600回火3Cr2W8V300400450500600-1491152014301280-137313631304-15-5.6-8.3-4294294053253251100在油中淬火，550回火4Cr5MoSiV1400450500550600136013001200105082512301135102585571049525658676791210-1050油淬，625回火在油中兩小時(shí)二、總設(shè)計(jì)過程概論2.1 擠壓工藝流程金屬制品是經(jīng)若干個(gè)工序制作出來的，每個(gè)工序按一定順序連接起來，就形成了工藝。工藝要在一定條件下完成，有特定的工藝參數(shù)。擠壓工藝

7、流程：鑄錠加熱擠壓切壓余淬火冷卻切頭尾 切定尺 時(shí)效表面處理包裝入庫2.2擠壓工藝及工藝參數(shù)條件的確定應(yīng)考慮擠壓溫度、擠壓速度、潤滑、模具（種類形狀、形狀等）、切壓余、切頭尾、淬火、冷卻、等多方面的因素，合理地選擇工藝或參數(shù)。1）鑄錠的加熱溫度3003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，表面質(zhì)量，為了降低變形抗力，擠壓時(shí)錠坯的加熱溫度不宜過高，應(yīng)盡量降低擠壓溫度。一般取490530。2）擠壓筒預(yù)熱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。可采用通電自行

8、預(yù)熱。3）模子預(yù)熱避免急熱，延長模具壽命，應(yīng)對模具進(jìn)行預(yù)熱。4）擠壓溫度熱擠壓時(shí)，加熱溫度一般是合金熔點(diǎn)絕對溫度的0.750.95倍，擠壓過程中溫度最好控制在500左右。6）擠壓速度考慮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(jì)的擠壓速度取，。7）工模具的潤滑因本設(shè)計(jì)采用熱擠壓，故不采用潤滑。8）模具模具應(yīng)具有足夠的耐高溫疲勞強(qiáng)度和硬度，較高的耐回火性及耐熱性，足夠的韌性，低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性，可加工性，及經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)采用4Cr5MoSiV1作為模具的材料，熱處理的硬度為HRC4852。9）切壓余本設(shè)計(jì)視擠壓設(shè)備而定，一般2030mm，要控制質(zhì)量，切去縮尾等缺陷。10

9、）淬火本工藝過程中，制品擠出后可通過設(shè)置風(fēng)扇對制品進(jìn)行吹風(fēng)來達(dá)到風(fēng)淬（固溶強(qiáng)化）的目的，或采用噴水霧的方法。11）冷卻直接露置在空氣中冷卻，達(dá)到自然時(shí)效的目的。12）切頭尾一般擠壓制品的頭部和尾部都存在缺陷，為了不影響制品的性能，需要進(jìn)行切頭尾的工作。切頭尾的量可以是300500mm或5001000mm，本次設(shè)計(jì)頭尾各切300mm。13）切定尺 本次設(shè)計(jì)取每根制品6m長作為切定尺的標(biāo)準(zhǔn)。14）時(shí)效 時(shí)效處理可以分為兩種：自然時(shí)效和人工時(shí)效。自然時(shí)效即讓擠壓制品在空氣中停放；人工時(shí)效對3xxx系鋁合金可在180240下保溫68h。15）表面處理為了提高制品的耐蝕性和抗疲勞性等，可以對其進(jìn)行表面處

10、理。表面處理一般有：陽極氧化、著色、噴粉、噴涂、電泳、拋光等。16）包裝入庫 將鋁合金成品進(jìn)行包裝入庫。 三、實(shí)心型材模設(shè)計(jì)3.1所要設(shè)計(jì)的實(shí)心型材制品圖1 v型材截面（1）已知：要求本制品的形狀和尺寸及公差如下 牌號XC311-5（v型） 制品的截面積 制品材料為3003，制品擠一米的重量?？淄饨訄A直徑(2)現(xiàn)有設(shè)備表6設(shè)備噸位500T800T1630T擠壓筒直經(jīng)(mm)95125187擠壓截面積(mm)70851226627451錠坯尺寸×90×270/320120×400/450178×540/600/660冷床長(m)263244填充系數(shù)K1.1

11、141.0851.104壓余厚(mm)202530最大擠壓比97.48273.6加工范圍最大外接圓直徑 (mm)6595147擠一根最小制品斷面積()721503723.2選坯和選設(shè)備選擇擠壓筒直徑D0是一個(gè)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（為?？拙嗤矁?nèi)表面的距離，為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可取15、20、30）2）保證擠壓模強(qiáng)度的原則3）保證產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的原則4）經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化原則生產(chǎn)成本最低；成材率最大；產(chǎn)量最高可用500T，按成才率最高的原則，進(jìn)一步優(yōu)化，計(jì)算如下表所示：序號D0 (mm)Dd (mm)Ld(mm)單重Wd(Kg)填充系數(shù)K填充后長度/mm壓余厚hy(mm)切壓余

12、后的有效長度 /mm擠壓比制品長度L制(m)切頭尾后制品長度(m)成品 數(shù)nx6(m)成品重 (kg)成材率W制/Wd()195902704.671.1142422022262.4813.8713.272×63.8281.8295903205.531.1142872026762.4816.6816.682×63.8269.1最后選擇成才率最高的81.8方案1即：選擇500T的擠壓機(jī)設(shè)備，擠壓筒內(nèi)徑D0=95mm錠坯尺寸為：Dd×Ld=90×270mm =62.48 3.3擠壓力的計(jì)算根據(jù)擠壓力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)公式，P擠壓力, ND擠壓筒內(nèi)直徑，mmd制品的當(dāng)量直

13、徑，mm；（）材料在擠壓溫度下的變形抗力，MPa；查表3，并由外推法得出500時(shí)的變形抗力為10MPa。所以d=8.96mmP= =2610162N 換算成噸位：約266TP=266T額定噸位500T，設(shè)備選擇符合要求，即理論技術(shù)可行 3.4實(shí)心型材模具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模組的結(jié)構(gòu)如下圖圖2 模組的結(jié)構(gòu)1.模子 2.模墊 3.前環(huán) 4.后環(huán) 5.保護(hù)墊板 6.前機(jī)架 7.模座8.模套 9.剪刀 10.擠壓筒對于不同噸位的擠壓機(jī)，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7模組尺寸設(shè)備噸位500T800T1630T1×2×H16

14、0×180×190210×250×240310×350×340H1203030H2809090100110150H3506050606080擠壓模具的尺寸如下表表8擠壓模具的尺寸設(shè)備噸位500T800T1630Td1/d2135/145×2025165/175×2530250/260×3040h112121312133.5 實(shí)心模尺寸數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)（1）選坯和選擇設(shè)備根據(jù)前面的計(jì)算選500T擠壓機(jī)擠壓筒內(nèi)直徑=95 錠坯尺寸：Dd×Ld=90×320mm擠壓比=62.48（2）模組及模子尺寸

15、外形的計(jì)算圖3模組主要結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)注模組主要結(jié)構(gòu)尺寸確定根據(jù)前面計(jì)算，從表7選取H=190mm =20mm =80mm =55mm 160mm 180mm模子外形尺寸的確定（如下圖4）圖4 模子外形尺寸依據(jù)表8的數(shù)據(jù)可以確定=135 =145 =12 =25（3）?？讕缀纬叽绲拇_定擠壓比=62.48，故不需要多孔擠壓。?？椎耐庑纬叽纾ㄖ感筒牡膶捙c高）AK：由公式式中：型材的名義尺寸，mm裕量系數(shù)，見金屬塑性加工學(xué)，冶金工業(yè)出版社，P67表51鍛鋁取0.0070.010，本設(shè)計(jì)取0.010型材外形尺寸的正偏差，mm型材的壁厚的尺寸SK由公式式中：型材壁厚的名義尺寸，mm型材壁厚的正偏差，mm裕量系

16、數(shù)，對鋁合金取0.050.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限。本設(shè)計(jì)取0.1計(jì)算得出幾何尺寸:?？淄庑统叽纾?長度方向25±0.45mm尺寸 =(1+ ）+ =32×（10.01）+0.45=12.57mm寬度方向13±0.45mm尺寸= (1+）+ =13×（10.01）+0.45 =12.57mm壁厚的尺寸 =2.40.10.2 =3.4型材的圓角及圓弧沒有偏差要求，故可按名義尺寸設(shè)計(jì)由于這種型材在擠壓的過程中有并口現(xiàn)象，角度取91°制造偏差為 ，主要尺寸如下圖 圖5 ?？讕缀纬叽纾?）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

17、材的重心與模子的中心重合。?？字匦牡挠?jì)算，如下圖建立坐標(biāo)系：圖6模孔幾何中心確定設(shè)壓力中心為（， ）由于v型截面具有一條對稱軸，如圖6關(guān)于Y軸稱 所以=0 ，則壓力中心為（0， ）各邊中心坐標(biāo)為：,各邊長分別為：=12mm，=3mm，=9mm，=9mm，=3mm,mm = =4.24mm 由于制品對稱，所以（，）=（0，4.24）（5）工作帶長度的確定工作帶又稱定徑帶，是用以穩(wěn)定制品尺寸和保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵部分。由于是等壁厚型材，故定徑帶長度各處相等，一般可取23.5，生產(chǎn)實(shí)踐中對鋁合金常用38，本次設(shè)計(jì)取4模角工作帶與工作端面的連接都有一個(gè)尖棱角，擠壓過程中易于出現(xiàn)裂紋和壓禿、壓塌等現(xiàn)象從而

18、會(huì)改變模孔尺寸，導(dǎo)致難以保證擠壓制品的尺寸精度，因此，必須采用過渡圓角半徑r。（6）出口直徑模子的出口直徑一般應(yīng)比工作帶直徑大35mm，以防止劃傷制品表面，本設(shè)計(jì)取4mm。工作帶與出口的過渡部分以圓角半徑等于45mm的圓弧連接，或做成20°45°的斜面。（7）入口圓角半徑入口圓角半徑r的作用是為了防止低塑性合金在擠壓時(shí)產(chǎn)生表面裂紋和減輕金屬在進(jìn)入工作帶時(shí)所產(chǎn)生的非接觸變形，也是為了減輕在高溫下擠壓時(shí)模子的入口棱角被壓頹而很快改變?？壮叽缬玫模珨D壓鋁合金時(shí)不應(yīng)有入口圓角，而要求保持銳利的角度，一般取r=0.20.5mm。（8）阻礙角由于1015，故不采用阻礙角3.6校核（1）設(shè)備能力的校核根據(jù)前面=266T<500T,即擠壓力小于所選設(shè)備的噸位。所以符合要求。（2）模子強(qiáng)度的校核對于半空心型材,可以認(rèn)為是一個(gè)懸臂梁突出的舌部，可按下述步驟校核其危險(xiǎn)面I-I處的模子最小厚度。舌部尺寸如圖5所示。圖51）求單位擠壓力p=332.08MPa式中：p單位擠壓力，MPaP擠壓力，N擠壓筒斷面面積，2）舌部載荷=47819.5N 式中：Q作用在舌部的總載荷，N 舌部的面積， 、舌部的長寬尺寸，mm3）舌部