课程设计（论文）-铝合金型材挤压工艺及模具计算.doc

铝合金型材挤压工艺及模具计算课 程 设 计 任 务 书题目:铝合金型材挤压工艺及模具计算学院:材料与能源学院专业: 03金属材料工程（1）学号:学生: 指导老师： 日期：2006年6月21日 课程设计任务书材料与能源学院金属材料工程专业 一. 题目:铝合金型材挤压工艺及模具设计二. 设计基本内容: 设计一件实心型材制品和一件空心型材制品的工艺工艺过程及模具设计,包括挤压工艺参数,模具结构,制造工艺等要求三. 完成后应缴的资料: 课程设计说明书一份 实心型材模autocad图 空心型材模上模autocad图空心型材模下模autocad图 空心型材模上下模autocad装配图四. 设计完成期限:2005年6月14日-2005年6月24日指导老师_袁鸽成 签发日期_教研室主任_批准日期_课程设计评语:成绩: 设计指导教师_ _年_月_日目录一: 绪论5二: 总设计过程概论8三: 实心型材模设计10四: 空心型材模设计19五: 后记28一绪论铝被誉为仅次于钢铁的第二大金属，由于具有密度低、强度适中、加工性能好等一系列优点，被广泛应用于建筑、包装、交通运输等行业，铝及铝材的消费已经成为一个国家工业发展水平的重要标志。近年来工业铝型材应用于交通行业呈上升趋势。铝合金在国民经济中起着非常重要的作用。随着科学技术的进步和现代经济的高速发展，铝合金型材正向着大型整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化、外廓美观化的方向发展，品种规格不断增多，应用范围不断拓展，已由民用建筑门窗型材为主体推广到了航天航空、汽车船舶、交通运输、电子电力、石油化工、机械制造、家用电器等各行各业和人民生活各个方面。据不完全统计，目前世界上每年需要的大型铝合金型材约4o万吨，而且增涨势头不减。为了适应这种市场需求趋势，各国都在加速建设重型挤压机或大型材挤压生产线。近年来，随着科技的进步和经济的发展，特别是交通运输的现代化、高速化和轻量化，需要大量的大型特种型材。为了实现大型材国产化，国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究开发，除了将西南铝原有的80mn卧式水压机改造成一条具有现代化水平的油压机生产线外，辽源麦达斯公司于2001年又建成了一条75mn卧式油压挤压机生产线。此外，天津corus公司的一台55mn卧式油压机生产线已于1999年投人生产。正在建设或计划建设60mn以上的卧式油压机生产线的有山东的丛材铝业、南山铝业，辽宁的忠旺铝业，广东的兴发铝业等，到2005年左右这些挤压生产线建成投产后，我国大型铝合金型材的生产能力可达10万吨年以上，完全可以满足国内市场的需求，并可部分出口。大型特种铝合金型材之所以能获得如此高速发展和广泛应用，主要是由于具有许多独特的优点，能满足市场的各种需求。然而，大型特种铝合金型材是一种高难度的高新技术产品，除了必需配备80mn以上的重型挤压机外，尚需解决一系列关键技术问题。铝材在挤压过程中，如挤压模具不是很好或模具挤压铝材过多，铝材表面会产生挤压痕，用手可能触摸到铝材表面不平，因此，在现代化大生产中实施挤压加工技术，其成败的关键是模具，模具设计以及其质量，事关产品的质量，成本。在挤压设计的过程中挤压工艺条件：应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类、形状、尺寸等）、切压余、淬火、冷却、切头切尾等多方面的因素。其中，选择挤压筒直径 d0 是一个最核心的问题，有以下的选择原则：1）保证产品表面质量原则2）保证挤压模强度的原则3）保证产品内在质量的原则4）经济上的优化原则生产成本最低；成材率最大；产量最高。这次的设计任务是设计一个实心型材和一个空心型材模，实心型材模采用单模，空心型材模采用分流组合模，挤压制品所有的材料是6063。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。其化学成分表示如下:6063al的成分: gb/t3190-1996：表1牌号sifecumnmgcrznti其它元素每种总量60630.20.60.350.100.10.450.90.100.10.100.050.156063机械性能:表2合金状态弹性模量e剪切模 量g屈服强度0.2抗拉强度b伸长率泊松系数u布氏硬度kg/mm2密度g/ cm26063淬火自然时效710027001222220.31652.69二 总设计过程概论1.挤压工艺流程：铸锭加热挤压切压余淬火冷却切头尾切定尺 时效表面处理包装出厂2.挤压工艺条件1）.铸锭的加热温度6063铝的最高允许加热温度为550，下限温度为320，为了保证制品的组织，性能，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。2）.挤压筒的加热温度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，挤压筒温度可取400450。3）.挤压温度热挤压时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的0.750.95倍，挤压过程中温度控制在500左右。4）.挤压速度挤压速度快虽然可以提高生产力，但挤压速度过快会影响材料的挤压性和使挤压温度过高，因此必须控制好挤压速度。考虑金属与合金的可挤压性，制品质量要求及设备的能力限制，本设计的挤压速度取4060m/min。5).工模具的润滑因本设计采用热挤压，故不采用润滑。6）.模具模具应具有足够的耐高温疲劳强度和硬度，较高的耐回火性及耐热性，足够的韧性，低的膨胀系数和良好的导热性，可加工性，及经济性，本设计采用3cr2w8v作为模具的材料，热处理的硬度为hrc4447。7）.切压余根据所选的设备：500t,切压余厚为20mm；800t，切压余厚为25mm。8).淬火本工艺过程中，采用在线淬火，制品挤出后可通过设置风扇对制品进行吹风来达到风淬的目的。9）.冷却直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。10）.切头尾本工艺过程统一去头尾各300mm500mm。三.实心型材模设计1.所要设计的实心型材制品本制品的形状和尺寸如下图1牌号（xc311-20）用cad计算得: 制品的截面积f制= 655.1294 mm2 以型材的底部为x轴,以型材纵向的对称轴为y轴,得出重心的位置（0，19.7476） 模孔外接圆直径d外71.45mm 现有设备表3设备吨位500t800t1630t挤压筒直径d095125187挤压截面积f070851226627451锭坯尺寸dd|ld90x270/320120x400/450178x540/600/660冷床长26m32m44m填充系数1.1141.0851.104压余厚202530最大挤压比97.48273.6加工范 围最大外接圆直径6595147挤一根最小制品断面积f制min721503722.选坯和选设备根据加工范围要求（f制f制min,及d外d外max）有800t和1630t的设备可用，按成才率最高的原则，进一步优化，计算列表表4序号d0(f0)dd(mm)ld(mm)单重wd填充系数k填充后长度le压余厚hy(mm)切压余后的有效长度ld挤压比制品长l制(m)成品数nx6(m)成品重w制(kg)成材率w制/wd()1125/12040012.201.0853692534418.7236.440002125/12045013.731.0854152539018.7237.30110.5776.693187/17854036.301.1044853045541.9019.06331.7287.384187/17860040.301.1045443051441.9021.53331.7278.715187/17866044.401.1045983056841.9023.80331.7271.44最后选择成才率最高的87.38对应的方案3锭坯尺寸为：dd * ld=178*540mm =41.90 903.挤压力的计算根据经验系数公式p=*kf(+4l/d)f=a*p表征挤压难易程度的经验系数，对于实心型材取1.01.1,本设计取1.1p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kf材料在挤压温度下的变形抗力（查表），mpa摩擦系数l铸锭敦粗后额长度，mm,即填充后长度lekf查表取16取0.30故p=1.116(41.90+40.30485/187)=120.3175mpa f=120.3175*187*187/4=3308285.52n换算成吨位：约337.58tf=337.58t额定吨位1630t，设备选择符合要求，即理论技术可行4.实心型材模具体结构设计模组的结构如下图图21.模子 2.模垫 3.前环 4.后环 5.保护垫板 6.前机架 7.模座 8.模套 9.剪刀 10.挤压筒模组的结构：对于不同吨位的挤压机，下图中的主要结构尺寸都是配套设置的，可以从有关资料中查得。模组的主要结构尺寸如图3模组尺寸如下表表5设备吨位500t800t1630t12h160180190210250240310350340h2809090100110150h3506050606080 挤压模具的尺寸如下表表6设备吨位500t800t1630td1/d2135/1452025165/1752530250/2603040h112121312135. 实心模尺寸数据设计1)选坯和选择设备根据前面的计算挤压筒内直径d0=187 锭坯尺寸：dd x ld178mm540mm挤压比=41.90mm 902).模组及模子尺寸外形的计算根据前面计算，从表5选取h2=100 h3=60 h1=30模子外形尺寸的确定（如下图4）图4 依据表6的数据可以确定d1=250 d2=260 h1=12 h2=403)模子内形尺寸的确定挤压比=41.90max=73.6,所以不需要多孔挤压确定模孔尺寸：由公式a=a0+m+( +kt)a0kt=tt11对于3cr2w8v钢，取10.000014/c, t1=400对于6063合金，0.000025 t=500故kt0.007ky和kp的值查书第82页，计算得到:尺寸500.60的模孔尺寸为:=50+0.60（0.00550.0070.007）5051.575尺寸380.60的模孔尺寸为:b=38+0.60（0.00650.00750.007）3839.398尺寸50.3的模孔尺寸为: h=5+0.3（0.0150.0150.007）5=5.485mm型材的圆角及圆弧没有偏差要求，故可按名义尺寸设计.由于这种角材在挤压的过程中出现并口现象,角度取91模孔尺寸如下图所示4)孔形在模子端面位置的确定（由于本型材为等壁厚的型材，故型材的几何重心在置模子的中心）压力中心的计算：用cad制图计算得:以型材的底部为x轴,以型材纵向的对称轴为y轴,x=0，y=19.74765).定径带长度的确定由于是等壁厚型材，故定径带长度h定各处相等，本次设计取h定4。6).出口直径. dch 由于模子的出口直径一般应比工作带直径大36mm,以免因过小而划伤表面。 本设计出口直径dch=6mm。7).阻碍角由于h定1015，故不采用阻碍角。8).校核（1）挤压力的校核挤压力为337.58吨，远远低于额定吨位1630吨，所以符合要求。（2）模子强度的校核 对于槽形模的突出部分,可以认为是一个悬臂梁，可按下述步骤校核其危险面i-i处的模子最小厚度。危险面i-i处在挤压是所受的弯矩为：m=p*a*l*l/2=(p*a*l)/2抗弯断面系数为：w=b*h/6则弯曲应力为 =m/w=3*p*l*a/(h*b)固模具的最小厚度为 h=式中h模具（包括模子和支承环的总厚度）的最小厚度，mml槽型模子悬臂梁的长度，即槽形型材的槽深尺寸，mmp挤压筒的比压，挤压机吨位与挤压筒内截面积之比，mpaa模孔悬臂梁根部断面处的宽度，mmb模孔悬臂梁根部断面出口处的宽度，mm,b=a-2c,c模孔悬臂梁根部出口空刀尺寸（一般取1.5-3），mm模具材料的许可弯曲应力，其植一般取许用抗拉应力的（0.4-0.5）倍左右，在温度450-500c下对于4cr5mosivi取=600pa符合要求模子的最大挠曲变形按如下公式计算悬臂梁端部最大挠度，mml悬臂梁长度，mmq等于q/l，悬臂梁单位长度上的压力，n/mme模具材料的弹性模量2.210mpaj悬臂梁断面惯性矩，j=b,h分别为悬臂梁的宽度和高度，mmq悬臂梁承受的总压力本设计中要是模子的抗剪强度.对于抗剪强度的校核,取角型材斜边为危险端面,进行强度校核危险面i-i处的弯距为：m= p*a*l*l/2 = 185kg.m抗弯断面系数：w= b*h*h /6 =0.73 m3 弯曲应力：弯 m/w 253.4mpa 600 mpa，符合要求。最小模具厚度：hmin =l * (3p * a / b 弯) 1/2 = 9.1 mm最大 （q * l4）/ ( 8e * j ) = 0.368 mm 1 mm 各项指标均满足要求，故强度符合。9).画图 （见图纸）四.空心型材模设计1.所要设计的制品本设计制品的的牌号为i531回型管具体参数为b=101.6 h=44.5 t=2.8 重量：2.215kg/m具体如下图2.选坯核选设备制品的截面积：f制786.8 mm2模孔外接圆直径d外55.46*2=110.92根据加工范围要求（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则，在进一步计算优化，计算列表如序号d0(f0)dd(mm)ld(mm)单重wd填充系数k填充后长度le压余厚hy(mm)切压余后的有效长度ld挤压比制品长l制(m)成品数nx6(m)成品重w制(kg)成材率w制/wd()1187/17854036.301.1044853045534.88915.9225.3469.82187/17860040.301.1045443051434.88917.9225.3462.93187/17866044.401.1045983056834.88919.8338.1085.8表7最后选择成才率最高的85.8对应的方案3即1630t的挤压设备锭坯尺寸为：dd x ld=178x660mm =34.889 3.挤压力的计算根据经验系数公式p=*kf(+4l/d)f=a*p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kf材料在挤压温度下的变形抗力（查表），mpa摩擦系数l铸锭敦粗后额长度，mmkf查表取16取0.30故p=1.516(34.889+40.30544/187)=169.0mpa f=169.0*187*187/4=4639162.385n换算成吨位：约473.38tf=473.38t额定吨位1630t，设备选择符合要求，即所选设备理论可行4.模组及模子外形尺寸确定：模组尺寸结构简图如前图3所示根据前面计算，从表6选取h2=90 h3=60模子外形尺寸简图如前图4依据表6的数据可以确定d1=250 d2=260 h1=12 h2=40因为本设计采用孔道式分流组合模故：取h上80mm h下60 mm5.组合模相关参数的确定：1).分流孔的个数取4个，形状为扇形2)扇形面积的确定：因为分流孔面积与制品断面积的比值f分/f型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=10分流孔面积的大小按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).分流孔位置的确定分流孔中心圆的直径d分0.7d0=0.7187=130.9 mm暂时先取其外接圆直径为148 mm确定a，的大小如图图7依据经验a一般取25，有的取8.本设计取8图8 关于的计算，由上图知h=h/2+8=101.6/2+8=58.80.5 fmax=f扇f三角形得42同理关于的计算，由下图知b=b/2+8=44.5/2+8=30.250.5 fmin=f扇f三角形得71.0图94).分流孔的形状分流孔由一定的倾斜锥度，这样可以改善焊缝的质量，孔道锥面与其轴线的夹角为24，本设计取35).分流桥分流桥的宽窄和模具的强度以及金属的流量有关，从增大分流比，降低挤压力来考虑，分流桥的宽度b应该选择小些，但为了改善金属流动的均匀性，模孔最好受到分流桥的遮蔽，则b应该选择得宽些，一般取： b=b+(320)本设计采用倒梯形结构，取b=26见下图 图10 6).焊合室焊合室的形状和大小对焊缝的质量有很大的影响。按经验公式：95130 h=1015本设计取h=14，形状为碟形如图：图11 6. 模子内形尺寸的确定工件及模具如图所示图12模具图如下图13按经验公式a=a0+k a0a-制品外形的模孔尺寸a0制品外形的公称直径k-经验系数，由于本设计争对6063合金，取k=0.012得bk=101.6*(1+0.012)=102.82mm, hk=44.5*(1+0.012)=45.03mm制品型材壁厚可由经验公式b=b0+确定由于b0=2.83.0.本设计0.1故tk=2.8+0.1=2.97.模孔工作带长度hg的确定由于本型材制品的对称性较好，外形相对较小，一般可取28，生产实践中对铝合金常用815 本设计取hg8mm8.模芯的设计一般伸出下模工作带35mm，本设计取4mm，模腔外形按空心型材的空心部分确定。9.上模凸台长取21mm.用于装配定位10.定位销，螺钉按gb标准选取标准件定位销的直径取8，螺钉采用m10,具体说明见装配图11.模子强度校核：这种模子在工作时承受载荷最不利的情况是分流孔道和焊合室尚未进入金属和金属充满焊合室以后流出模孔之际，故强度的校核主要是争对模子的分流桥，模桥的弯曲应力和抗剪强度： 分流桥弯曲应力校核hmin=lp/2*b式中: hmin=分流桥的最小高度 l分流桥宽度,经计算l=80mm p挤压机的最大的