现场管理-年产量4万吨h68黄铜管挤压车间设计方案(doc 38页)

铜陵学院毕业设计 目目 录录 摘 要1 Abstract2 第 1 章 概述.- 1 - 1.1 我国铜材加工的生产现状及发展趋势- 1 - 1.1.1 我国铜行业发展情况.- 1 - 1.1.2 我国铜制品的不断发展发展.- 1 - 1.1.3 科技创新引领我国铜加工业的高速发展.- 2 - 1.2 挤压生产的发展与现状- 2 - 1.3 挤压法的优、缺点- 3 - 1.4 本设计的内容及意义- 4 - 第 2 章 挤压工艺设计.- 5 - 2.1 H68 黄铜的性能分析- 5 - 2.1.1 H68 的化学成分- 5 - 2.1.2 H68 物理性能- 5 - 2.1.3 H68 的力学性能- 5 - 2.2 挤压工艺设计- 6 - 2.2.1 挤压生产工艺流程简图.- 6 - 2.2.2 挤压方法.- 6 - 2.2.3 挤压工艺参数确定.- 6 - 2.2.4 挤压时的润滑条件.- 9 - 2.2.5 锭坯尺寸选择.- 9 - 第 3 章 挤压设备的计算与选择.- 11 - 3.1 挤压力及挤压设备- 11 - 3.1.1 影响挤压力的主要因素.- 11 - 3.1.2 挤压力计算.- 11 - 3.1.3 挤压设备的选择.- 13 - 3.2 挤压工具及其设计- 14 - 3.2.1 挤压模及其材质的选择.- 14 - 3.2.2 挤压垫设计.- 20 - 3.2.3 挤压杆设计.- 21 - 3.2.4 挤压筒设计.- 22 - 第 4 章 辅助设备的选择.- 26 - 4.1 加热设备的选择.- 26 - 4.2 供锭机构的选择.- 26 - 4.3 冷却设备的选择.- 26 - 4.4 切断设备的选择.- 26 - 4.5 矫直机的选择.- 26 - 第 5 章 车间劳动定员.- 27 - 5.1 车间劳动定员.- 27 - 5.2 车间的劳动定员.- 27 - 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 第 6 章 车间的组成和平面布置.- 28 - 6.1 车间平面布置原则- 28 - 6.2 车间平面的主要内容.- 28 - 6.2.1 金属流程线的布置.- 28 - 6.2.2 生产设备的布置.- 28 - 6.2.3 车间内通路的布置.- 28 - 6.2.4 仓库面积的确定原则.- 28 - 第 7 章 主要技术经济指标和设计遗留问题.- 30 - 7.1 设计中主要技术经济指标- 30 - 7.2 设计遗留问题- 30 - 总 结.- 31 - 参考文献.- 32 - 致 谢.- 33 - 铜陵学院毕业设计 插图清单 图 2-1 管材挤压产生工图艺流程. .6 图 3-1 挤压力分量与模角的关系. .11 图 3-2 部分分流孔的数目、大小和排列. .16 图 3-3 分流桥横断面形状. .17 图 3-4 模芯的结构形式. .17 图 3-5 焊合室的结构形状. .18 图 3-6 公用分流孔示意图. .19 图 3-7 挤压垫的结构形式. .21 图 3-8 挤压杆结构. .22 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 插表清单 表 1-1 2010 年2011 年我国铜行业生产、消费及净进口情况. 1 表 2-1 H68 的化学成分. 5 表 2-2 H68 的物理成分. 5 表 2-3 H62 黄铜的力学性能. 5 表 2-4 挤压法分类. .6 表 2-5 热挤压时金属材料的工艺参数值. .7 表 2-6 挤压时锭坯加热温度. .8 表 2-7 铜挤压时的金属流出速率. .8 表 2-8 挤压筒与锭坯的间隙值. .10 表 3-1 挤压机的分类应用表. .13 表 3-2 常用工模具材料. .14 表 3-3 焊合室高度与挤压筒内径的关系. .18 表 5-1 车间劳动定员综合表. .27 表 7-1 车间综合技术经济指标. .30 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 年产年产 4 万吨万吨 H68 黄铜管挤压车间设计黄铜管挤压车间设计 摘摘 要要 铜和铜合金在航天、航空、电子、电力、信息、能源、机械、冶金、建筑和交通等 领域得到广泛的应用。铜合金材料的加工技术是控制和改善材料形状、组织、性能以及 尺寸的主要手段，而用于铜合金管材加工生产的塑形加工方法主要有挤压技术和轧制技 术。 本次设计为年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计，其中最主要的是挤压工艺设计。 锭坯尺寸为280 1000mm，挤压制品尺寸为30 3mm，采用单动卧式挤压机，挤压方 法为带润滑正向挤压。设计主要内容包括：总结我国铜材加工行业的现状及发展、挤压 工艺参数（挤压比、锭坯尺寸、挤压温度、挤压速度、挤压机选择等）设计、挤压力计 算以及挤压模具（挤压模、挤压筒、挤压垫、挤压杆等部件）设计及计算、辅助设备的 选择、车间劳动定员、车间组成与平面布置以及主要技术经济指标。 本次设计挤压力为 38.84MN。考虑到制品质量，挤压模为平面分流模。在计算模具 厚度时，确定模具的危险截面，利用弯矩得出模具厚度。 关键词关键词：H68 黄铜；挤压技术；车间设计；挤压工艺；挤压模具 铜陵学院毕业设计 With an annual output of 40000 tons of H68 brass extrusion workshop design Abstract Copper and copper alloy have been widely used in aerospace，aviation，electronics，electric power, information, energy, machinery, metallurgy,construction，transportation and other fields.The processing technology of copper alloy materials is the main method to control and improve the material shape, structure, performance and size.Plastic processing methods for pipe processing production of copper alloy mainly include extrusion technology and rolling technology. This design is about an annual output of 40000 tons of H68 brass tube extrusion workshop ,in which the extrusion process is the most important part in the design.The billet size and the extrusion products size are280 1000mm and303mm,respectively.The extrusion equipment is single-acting horizontal extruding machine，and the extrusion method is lubrication forward extrusion.The contents of the design mainly includes：summarizing the present situation and the development of Chinas copper processing industry，designing extrusion process parameters (extrusion ratio，the size of the ingot billet，extrusion temperature，extrusion speed，extruding machine selection，etc.)，extrusion pressure calculation and extrusion die design，(extrusion die，extrusion tube，extrusion，extrusion rod and other components) design and calculation，the selection of auxiliary equipment，and forming workshop labor capacity，the workshop layout and main technical and economic indicators. The extrusion force of the design is 38.84 MN.Considering the quality of the products ,the flat die is chosen as extrusion die.When calculating the thickness of the mold, it is obtained by the dangerous section of the mold and bending moment . Keywords：H68 brass；extrusion technology；plant design；extrusion process；extrusion die 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 0 - 第第 1 章章 概述概述 1.1 我国铜材加工的生产现状及发展趋势 1.1.1 我国铜行业发展情况 2011 年 12 月，我国开采的铜精矿含铜量为 113.93 万吨，比以往调高 11.07%，加工 铜材产量 935.87 万吨，比以往增加 11.45%，生产精铜的质量为 517 万吨，总体取得较大 的成果。近几年我国铜材发展情况如表 1-1 所示。 （1）消费量和年产量持续保持稳定增长。我国在十一五期间，精铜产量从 260 万吨 （2005 年）增加到 458 万吨（2010 年） ，年平均增加 12%。大于同一时间的 GDP 增长率。 消费精铜相对来说提高 15%，由 374 万吨（2005 年）增加到 753 万吨。我国铜加工产品 的消费量和产量持续保持较快的增长速度。 （2）铜矿资源实现较大的发展。近几年来由于铜材价格一直上升的影响，使我国铜 矿的开采工作显著增加，接连发现一些矿产储量丰富的铜矿，例如，西藏冈底斯铜矿成 为我国最大的铜矿床，资源储量高达 1200 万吨以上。 （3）铜矿产冶炼企业的生产规模不断矿大，产业密集度进一步增加。江西铜业集团 在 2011 年生产 105 万吨的精铜；大冶有色企业精铜产量达到历史最高，为 35 万吨。生 产规模不断提高的同时，冶炼企业密集度也不断增大。2011 年，我国铜材冶炼企业 CR 产量指标为 0.631，HHI（Herfindahl-Hirsch man Index）为 911，与中等密集水平向接近。 （4）铜材生产工艺水平与装备有了进一步的提高。在近几年，由于我国经济不断高 速增加和全球范围内的产业转移，我国的铜材加工业不断发展，特别是铜板带材，消费 量和年产量持续告诉增长。同时，我国不断引进和自主开发一批水平先进的铜材生产设 备和生产工艺，不断提高技术创新水平，促使我国铜加工业的高速发展。 1.1.2 我国铜制品的不断发展发展 近几年来，我国铜产品品种发生了较大的变化，新产品和新材料不断出现，传统的 铜材不断完善向现代铜加工产品转变，其中最明显、最突出的特点是向高精度、环保、 节能、高性能的方向发展。许多产品达到世界先进水平，在铜材市场享誉国内外。 （1）空调和制冷设备超波、超细、高精度、复杂齿形以及高清洁度的产量不断增加。 （2）建筑用铜气、水管、采暖管在我国的应用不断加大。 年度项目铜精矿精铜加工铜材 生产量115.6457.31009.3 消费量261.7610.01049.52010 年 净进口量646.43288.340.2 生产量123.7517.0935.9 消费量195.4733.02011 年 净进口量581.3227.326.0 表 1-1 2010 年2011 年我国铜行业生产、消费及净进口情况 （万吨） 铜陵学院毕业设计 - 1 - （3）冷凝器用铜合金管随着电力工业的不断发展，虽然受到不锈焊接铜管的影响， 其产量不断提高。而且，冷凝器用铜合金管在造船业、海洋工程以及化工行业的应用也 不断增加。 （4）焊接用带材大多用于铜包铝线材的生产，品种规格为 0.38132mm，其要求具 有严格的宽度公差和较高的导电率。 （5）桐线杆已成为作为线材坯料的重要产品。合金线用铜杆大多使用水平连铸方法 生产，主要产品有异形线、高速列车导线等 （6）无铅环保型铜及铜合金新材料、高导电材料以及各种大长度异形铜材生产实现 较大的进展。 1.1.3 科技创新引领我国铜加工业的高速发展 近 60 年来，我国铜加工行业由小变大、由弱到强，尤其是在十一五期间迅速发展， 七年来，产量居世界第一位。2012 年我国铜材产量为世界的一半以上。我国铜加工业的 取得蓬勃发展的主要原因即是科技创新。最近以来，由技术创新引起的产业变革有：铜 材产品的性能由传统指标向现代化发展；产品品种由传统机械用铜材向现代电子行业用 铜材发展；生产工艺由长流程向环保、节能、高水平的短流程工艺发展。我国有些自主 创新的技术，如高精度内螺纹管的生产技术已经达到世界先进水平。 （1）工艺技术的主要成果 打破了传统的三级式铜及铜合金生产方式，进一步缩短生产工艺流程，向节能、环 保、高水平的生产工艺发展，卧式水平连铸坯上引连铸线坯高精度拉伸已经成为热 点产品，如合金线材、内螺纹管等的主要生产方式；光亮铜线杆连铸连轧技术取缔了能 耗高、耗铜高、质量低、污染大的陈旧设备和工艺，成为生产线坯的主要方法；在我国 管材生产中管材卷式生产法是典型的先进技术，其中有许多技术已经达到世界先进水平。 （2）装备技术的主要成就 我国自主研发的铜材加工技术装备有较高的性价比，使项目投资显著减小，逐渐在 我国铜材加工企业得到应用，拜托了完全依赖国外先进生产装备的局面，自主研发的技 术装备不仅在国内被广泛使用，而且深受全球铜加工业的喜爱。主要技术装备成果有： 我国铜及铜合金感应熔炉已经潜流话、连体化，具有节能、结构简单、环保的优点；用 于板带材生产的轧机如粗轧机、中轧机以及精轧机等完全国产化；管棒型材的生产装备 也已经基本上国产化。 （3）铜材加工技术的创新 节能、环保、提高成品率以及产品质量、增加产品品种、使生产成本降低、提高企 业经济效益，铜材加工技术不断向着连续化、智能化、自动化以及精细化生产前进。十 一五期间我国铜材加工行业在生产技术方法的创新中实现了较大的进步，其中连续铸造 技术、行星轧制技术和连续挤压技术三大技术为我国铜材加工生产提供了强有力地技术 保证。 1.2 挤压生产的发展与现状 挤压作为一种新的金属塑性加工方法在成型领域出现不是太早。第一台挤压机的出 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 2 - 现是在 1797 年，是一位英国人为了生产铅管而发明的，然后经过不断的发展和改进。但 是由于当时条件的限制，挤压力不是很大，只能挤压一些像铅较软金属。后来技术条件 不断发展，在 1894 年第一台挤压黄铜等硬金属的挤压机问世。从此，这种加工方法日益 发展。二战以后，挤压法应用在不同的领域，如宇航、汽车、船舶、运输、桥梁等，特 别是建筑业大量采用挤压制品，使挤压生产的急剧发展，主要体现在以下方面。 （1） 挤压机的性能不断提高、生产自动化水平显著调高。挤压机实现自动化把劳 动力解放出来，是劳动力的利用率最优，同时减少劳动人员，以及计算机的使用使加工 生产效率很大程度上提高，甚至在某些生产线实现无人化操作。 （2） 产品规格和品种不断增加。挤压制品的品种不断扩大，从开始的简单断面型 材如管棒线材到复杂断面的的异型材。挤压材料从软金属如铅到硬金属如铜、钢等。 （3） 挤压生产过程不断强化，不断出现新的挤压技术。例如，在挤压有色合金挤 压方面，通过控制金属流出速度，避免在制品表面上有周期性裂纹产生，发明了等温挤 压技术，使用润滑挤压和冷挤压技术技术，使挤压速度显著提高。连续挤压的出现，使 生产效率和成材率大大增加。由于黄铜和紫铜易氧化则采用水封挤压、真空挤压和惰性 气体保护挤压。 （4） 理论研究有突破性的进展。由于当时只是看中技术的可行性以及生产效率， 对其理论依据没有过多的研究。对理论研究最早开始于 H.C.库尔纳科夫，他主要研究不 同情况下的金属流动情况、在流动时的挤压力。随后，视塑形法的出现使挤压理论有了 突破性的进展，即一种讲金属流动实验测量和应力计算结合起来的方法。现在由于计算 机的发展以及在挤压领域的应用，可以做到在实际生产前模拟实验，结合模拟情况改进 工艺等使挤压理论不断向前发展。 1.3 挤压法的优、缺点 挤压法之所以能够迅速的发展，在不同领域的广泛使用是有其优点的，相比其他加 工方法有如下优点： （1）工作条件为三向压应力状态，使锭坯塑像最大化的发挥出来。对于硬质金属材 料的挤压是非常有力的。由于挤压的应力状态充分发挥了金属的塑形，因而金属可以承 受很大的塑形变形，挤压比可达到 50 或者更大。 （2） 生产不同产品不需要更换设备。操作方便、简单，工作时间短。挤压法比较 适合生产小批量、多品种、规格的挤压产品。 （3）挤压法不但可以生产简单断面的管、棒、型材，还可以在一台挤压设备上生产 复杂断面的挤压制品。 （4）挤压质量好，尺寸精确、缺陷少。 （5）生产自动化高、比较容易管理。 一种加工方法不可能只有优点而没有缺点，所以挤压法也存在一定的缺点： （1）锭坯利用率不高，如挤压后一般留有压余量、组合模具挤压时的金属残留等。 在挤压终了时要留压余和挤压缩尾。不同的挤压方法和挤压制品，金属集合损失不同。 （2）加工速度低，辅助时间长。挤压时，锭坯变形程度较大以及较大的外摩擦力而且塑 性变形区又完全被挤压筒缩封闭，使金属在变形区中快速升温，从而有可能达到金属的 铜陵学院毕业设计 - 3 - 脆性温度区，会引起挤压制品表面出现裂纹而成为废品。 （3）锭坯的不均匀变形，使成品沿长度和断面上制品的组织和性能分布不均。 （4）工具消耗较大。 1.4 本设计的内容及意义 本设计，即年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计，主要包括挤压车间工艺设计、主 要设备的计算与选择、辅助设备选择和车间平面布置等方面的内容。 本设计的意义在于：一方面，可以为相关企业提供设计样例，缩短其在生产前的理 论研究与准备阶段，从而节约时间，在一定程度上提高经济效益和生产效率，更好更快 地满足市场和用户需求，从而更好地服务于社会；另一方面，能够进一步深化设计者对 设计挤压车间的熟练程度，培养踏实细致的工作作风，锻炼自己全面考虑问题的能力， 时理论知识转化为实践能力，将来能够更好地工作。 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 4 - 第第 2 章章 挤压工艺设计挤压工艺设计 2.1 H68 黄铜的性能分析 铜和锌的铜基合金称为黄铜，普通黄铜的含锌量大都在 40%内，且锌大量固溶于铜。 一般把普通黄铜按其组织分为：单相黄铜（ 黄铜） ，含 Zn100 金属材料 管材棒材管材棒材管材棒材 H68、HAl77-22.46.02.46.02.46.02.46.02.46.02.46.0 H90、H8512481260 H62、HPb59-1424824901201403618060240 根据上述可知，挤压金属为 H68 黄铜、挤压比 120、挤压成品为管材，所以挤压金属 流出速率为 2.46.0m/min，本设计取 3m/min。 2.2.3.3 挤压比 挤压比一般依据挤压生产工艺流程来确定，其值一般控制在 6100 范围内。 （1）金属与合金的可挤压性 挤压温度确定后，挤压制品流出模孔的温度与速度随着挤压比的增大而增加。选择 适合的挤压比，可以防止挤压成品产生裂纹和表面粗糙。 （2）制品质量要求 根据挤压成品断面上的性能与构造不同，挤压热加工态的成品时，一样平常挤压比 不得小于 1012。挤压后需要继续加工（如轧制、锻造、拉伸、弯曲等）的坯料，挤压比 锭坯原始温度/ 金属种类合金及牌号 棒材管材 挤压筒温度/ 铜黄铜 H68，HSn70-1 H62，HSn62-1 HFe59-1-1 HPb59-1 HAl77-2 HMn57-3-2 HSi80-3 700750 640690 580630 750800 580630 720770 780840 700760 580630 770820 600650 350400 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 8 - 一般不小于 5，挤压制品为了获得加好的表面质量，挤压比不得小于 20。挤压断面较小 的型材时，采取多模孔挤压，削减金属活动不均性，使挤压比降低。利用组合模挤压空 心型材时，为保证挤压成品焊缝质量，应尽可能选取较高的挤压比。 （3）挤压比与挤压机的吨位有关，吨位越大挤压比可以大些。 （4）不同的挤压方式挤压比也不同，如带润滑挤压时大些；反向挤压时大些 （5）模具结构不同挤压比也不同，组合模较平模大些。 （6）锭坯尺寸也会影响挤压比的大小，锭坯越长挤压比越小。 根据以上分心以及式 2-1 计算可知挤压比为 120。 2.2.4 挤压时的润滑条件 挤压时一次变形量较大，金属与工具接触面上的正压力很大（是金属变形抗力的 34 倍，甚至更大） ，这是挤压所具有的特殊的变形条件。在这种条件下金属变形区表面更新 剧烈，加重了金属与工具之间的粘接。因此，挤压时润滑剂的作用是最大限度的降低表 面摩擦，挤压制品的表面质量和工具的使用寿命得到提高，同时减小锭坯温度的下降、 保证挤压温度以及适当减小挤压能耗。 挤压铜及铜合金管棒材时，使用的润滑剂一般是 45 号机油和 2030%鳞片状石墨； 当挤压青铜与白铜时，可将鳞片状石墨粉量加到 3040%。在冬季，加入 59%的煤油可 以增加润滑剂的流动性；夏季时，为了使石墨悬浮常加入一定量的松香。 本设计为挤压黄铜管材且防止锭坯表面擦伤，影响成品质量以及减小摩擦力，采用 带润滑挤压，选择 45 号机油作为本次设计的润滑剂。 2.2.5 锭坯尺寸选择 考虑到挤压成品的质量、成品率、生产效率等技术经济指标应当合理选择锭坯尺寸。 锭坯尺寸（直径和长度）越大、挤压成品越长，从而使几何损失（切压余、切头尾）和 所用辅助时间的比例减小。由于压余引发的金属几何损失，增加长度和增大锭坯尺寸对 成品率的影响不同。当锭坯体积一定时，缩小直径或者增大直径使金属几何损失增加。 反之，金属几何损失减少。 2.1.5.1 锭坯直径的选择 在满足挤压成品断面机械性能和均匀性要求的前提下，最大程度的采取最小的挤压 比。对于复杂形状断面型材，应保证模孔轮廓与积压筒壁的距离太近，防止成品出现分 层缺陷。多模孔挤压时，还要斟酌模孔间的最小间隔，既要求各模孔金属速率均匀，又 兼顾挤压模的强度。挤压管、棒、型材、线材的锭坯通常采用实心圆柱锭坯。 选择锭坯直径时，不能单独考虑一个因素，以下因素需要考虑，如所选挤压机的挤 压筒直径、两者之间的间隙、锭坯加热膨胀系数等。 本设计锭坯与产品尺寸已经给定，计算挤压比采用式 2-1 计算： （2-1） 式中 F锭 锭坯断面积； F制 制品断面积； 制 锭 F F 铜陵学院毕业设计 - 9 - 按照设计任务书可知锭坯直径 280cm，产品尺寸为303mm，则挤压比=120。 根据表 2-8 挤压筒与锭坯的见间隙值取 5mm，所以挤压筒直径为 290mm。 表 2-8 挤压筒与锭坯的间隙值 2.1.5.2 锭坯长度选择 （2-2） 式中： 成品长度，mm； 1 L 切头长度，mm； 2 L 切尾长度，mm； 挤压比，120； 压余厚度，全润滑时=3mm 左右，无润滑时=2560mm；hhh 挤压填充系数，=1.071.15KK 本次设计锭坯长度 1000mm。 挤 压 机间 隙 值/mm 类 型吨 位/MN 挤压筒直径 /mm Dd 10013 1003005 卧 式 30010 立 式67512012 15 Kh LLL L)( 321 0 3 L 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 10 - 第第 3 章章 挤压设备的计算与选择挤压设备的计算与选择 3.1 挤压力及挤压设备 挤压过程中，为了使金属能够顺利从模孔中流出，需要施加一个通过挤压杆与挤压 垫作用在锭坯的外力称为挤压力。由于挤压力通过挤压杆，所以挤压力受其的影响。平 时所说的挤压力为挤压突破压力即 Pmax。挤压力是制定挤压工艺、选择与校核挤压设备 与工模具的强度的重要依据。 3.1.1 影响挤压力的主要因素： （1）挤压力与材料抵抗变形的有关，抵抗能力越强挤压力越大； （2）锭坯的组织状态不同，挤压力也就不同，金属组织越均匀挤压力越小； （3）挤压力的大小与锭坯的规格也有关，主要是产生的摩擦力产对其影响。粗、长 的锭坯，挤压力大； （4）挤压比越大挤压力也就越大，一般来说两者成正比关系； （5）变形温度主要是通过变形抗力的大小对挤压力产生影响。随着温度增大，金属 软化，变形能力增大，挤压力变小。 （6）挤压速率也会影响到挤压力，内因也是由于变形能力的影响。在相同情况下， 挤压力随挤压速率直线增大。 （7）由于摩擦的存在阻碍锭坯的运动会增大挤压力。 （8）模角增大会使锭坯在变形区会产生附加弯矩增大，同时又会降低变形区的空间， 减小与变形区接触的长度，这两方面互相叠加影响，则会形成一个模角使得挤压力最小， 即最佳模角。一般情况下，最佳模角根据模子结构而变化。最佳模角确定如图 3-1 所示。 3.1.2 挤压力计算 已知条件：在卧式挤压机上将2801000mm 的锭坯挤压成303mm 的铜管。挤压 筒 D0=290mm；挤压温度 Tj=700:；挤压比=120；。采用皮尔林公式公式MPa45 b 计算挤压力。 皮尔林公式在结构上由四部分组成，其表达式为：PRsTtTzhTg Rs使锭坯产生塑性变形的力； Tt抵消挤压筒内壁的摩擦力； Tzh抵消变形区内壁的摩擦力； Tg抵消工作带对其产生的摩擦力。 （1）使锭坯产生塑性变形的力 Rs 图 3-1 挤压力分量与模角的关系 铜陵学院毕业设计 - 11 - （3-1) 式中 D0挤压筒内径，mm； 边线球压缩锥入口的 值与变形区压缩锥出口的值 的算术平均值。但 是，有的研究者认为，挤压时的变形程度很大，建议采用几何平均值确定 值，即： （3-2） 锭坯经过变形区的时间 ts： （3-3） 式中 挤压比,120； 金属流出速度，本设计中取为 0.05 m/s； 挤压筒直径,290mm； 制品直径,30mm。 代入数据得： =2.116s 根据上述计算得到挤压比以及锭坯经过变形区 ts确定硬化系数 Cy可得 ：Cy3.42 。带入公式（3-2）得： MPa 将 41.6MPa 代入公式（3-1）得：Rs11.71MN （2）抵消挤压筒内壁的摩擦力 （3-4 ） 式中 为填充挤压后的锭坯长度，L0LpD2p/D20=932mm； 金属塑性剪切应力，润滑挤压时 St= =22.5MPa； 为摩擦系数。润滑挤压时可取 ftfzh0.25； 代入公式得： = 3.140.29 0.9320.2522.5=4.78MN t T （3）抵消变形区内壁的摩擦力 Tzh； （3-5） 式中 D0挤压筒直径，mm； d1成品内径，mm； D1成品外径，mm； 代入数据得：Tzh =20.82MN。6 .41 0.024-0.03 0.024-0.29 ln29 . 0 57 . 1 2 ）（ zh 2 0 275 . 0 SiDRS zhS 0 zhS 1zh S zhS MPa 5 . 22455 . 05 . 0 0 bzh S j v 0 D 1 D s t 6 . 415 .2242 . 3 0 10 zhyzhzh zhSCSSS zhS ttt SfLDT 00 t f 010zhyzhzh zhSCSSS js DDt/ )032 . 0 138 . 0 ()102. 008 . 0 35 . 0 ( 1 2 0 21 0 L t S zh0 S zh 11 10 2 0zh - - ln57 . 1 S dD dD DT）（ 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 12 - （4）抵消工作带对其产生的摩擦力； g T （3-6） 式中 fg 工作带壁上摩擦系数，带润滑挤压时取 0.25； hg工作带长度； Szh变形区出口处金属塑性剪切应力。 代入数据得：=1.53MN g T 6 . 4125. 08701 . 0 024 . 0 03 . 0 ）（ 所以求得挤压棒材时的总挤压力：=38.84MN gzhts TTTRP 3.1.3 挤压设备的选择 挤压生产中最主要的设备是挤压机，挤压机的合理选择对成品质量、生产效率、工 模具使用寿命有着重大影响。常用的为机械和液压挤压机，两者以传动方式区分。传统 机械传动挤压机以其速度快而用于挤压钢材和冷挤压方面。液压传动挤压机是当前利用 最普遍的挤压装备。其中油压机用的较为广泛，水压机多用于大吨位挤压机。通常说的 卧式和立式挤压时是按结构分的。两者没有原则性差异。挤压机的分类如表 3-1 所示。 表 3-1 挤压机的分类应用表 分类方式类型能力范围/MN挤压主要品种 机械传动小型短小冲挤或挤压件 油压（油泵直接传动）4.9127.4管、棒、型材按传动方式 水压（水泵蓄势器集中传动）4.9196.0管、棒、型材 立式5.889.8管材 按结构方式 卧式4.9196管、棒、型材 单动（不带穿孔系统）4.998型、棒材 双动（带穿孔系统、内置式）4.9196管、棒、型材按穿孔系统 双动（带穿孔系统、外置式）4.9196管、棒、型材 正向挤压4.9196管、棒、型材 反向挤压4.998优质管、棒、型材按挤压方式 联合挤压（正、反向）14.7137.2管、棒、型材 短行程4.9117.6管、棒、型材 按行程距离 标准行程4.9196管、棒、型材 前装料短行程4.9117.6管、棒、型材 按装料方式 后装料标准型4.9196管、棒、型材 综合比较各种挤压设备，本次设计中，由于锭坯尺寸较长，挤压制品内径较小，所 以采用单动式卧式挤压机。选择挤压机的吨位时，应该考虑设备的安全性，吨位应大于 计算的挤压力，故本设计中选用的挤压机最大挤压力定为 50MN。 3.2 挤压工具及其设计 完成挤压过程所要的工具称为挤压工具，但不是所有的挤压过程需要所有工具，根 zhgg11 gSfhdDT）（ 铜陵学院毕业设计 - 13 - 据挤压制品的要求以及挤压机类型来选取。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，对挤压成品的影响不是太大。 3.2.1 挤压模及其材质的选择 管材挤压时常用的模具一般有两种：一种是模孔与穿孔针一起组合成一个或多个环 形通道，金属锭坯挤压后流过该环形通道即形成管材，其中，模孔是形成管材外径，穿 孔针形成管材制品的内径；另一种是用舌形模使金属锭坯经过挤压形成几股金属流，在 焊合室中经过焊合后在经过与模桥一体的模心配合模孔组成环形通道而形成管材。 选择挤压工具材料时应根据挤压工具所工作的具体条件且满足下列条件：高温强度 大、硬度高、耐回火稳定性、耐热疲劳性、热膨胀系数低、导热性好以及良好的韧性和 制造成本。当然，一种材料不可能满足全部的要求，所以选择材料时应视实际情况而定。 表 3-2 列举了两种模具钢的性能。 表 3-2 常用工模具材料 钢号成分（%） 试验温度 / b /MPa 0.2 /MPa /% /% HB热处理工艺 5CrMnMo 0.55C 1.51Mn 0.67Cr 0.26Mo 300 400 500 600 1150 1010 780 430 990 860 690 410 47 61 86 84 11.0 11.1 17.5 26.7 351 311 302 235 850油淬 +600回火 3Cr2W8V 0.30C 0.23Cr 8.65W 0.29V 300 400 500 600 1520 1430 1280 1373 1363 15 5.6 8.3 429 429 405 325 1100油淬 +550回火 本设计锭坯尺寸较长，挤压制品内径较小，故本设计采用平面分流模。热挤压模工 作环境较为恶劣，挤压过程中承受高温高压以及较大的摩擦作用，引起模具使用寿命减 小，成本提高。所以选择具有高温强度、耐热性、抗热磨损等较好的钢种即 3Gr2W8V。 3.2.1.1 平面分流组合模工作原理及其特点 平面分流模的工作原理较舌形挤压模大体相同，使用原料为实心锭坯，锭坯经过分 流孔时，由于分离桥的阻碍且挤压力较大，金属被分成几股，然后流入焊合室内，在焊 合室又被重新焊合，重新形成完整的金属锭坯，然后，通过模心与模孔的间隙流出金属， 挤压成尺寸和截面形状符合一定要求的的管材和空心型材。平面分流模是在桥式舌形模 的基础上发展起来的，但实际上是桥式舌形模的一种演变，即把突桥改为平面桥，所以 又称平桥式舌形模。近几年来，在用挤压法生产空心型材中平面分流组合模占据主要地 位，在不带穿孔系统的挤压机上得到广泛使用，在生产各种尺寸规格和形状的管材与空 心型材中，已经成为一种比较成熟的模具。平面分流组合模结构较平模复杂，由两部分 组成：阳模（上模） ，阴模（下模） ，两者通过定位销，联结螺钉链接。 分流孔、分流桥与模芯在模阳上，分流孔被劈金属流动通道，分流桥的作用是使金 属分成几股金属流，支撑模芯。下模主要是使重新聚合的金属通过模孔形成成品形状， 主要部分是焊合室，模孔，工作带以及空刀部分。在焊合室重新形成的金属锭坯是空心 的，随着金属流不断流入，所受压力不断增大，最终从模孔中挤出来，形成成品的形状。 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 14 - 平面分流模的主要优点： （1）可挤压双孔或多孔的管材和断面形状较为复杂的空心型材，也可以同时挤压多 根管材或空心制品，桥式舌型模则很难实现甚至难以实现； （2）对于半空心型材，由于其悬臂梁多大，采用分流模较为合理； （3）更换方便，模具容易加工，生产成本较低； （4）挤压余量较小，材料与模具容易分离； （5）可以根据用户需求，截取不同尺寸的成品； （6）挤压一些复杂空心型材时，可以改变分流孔的大小、形状和数目来保证成品的 质量，其他模具则较难实现。 （7）带有锥度分流孔带可以降低挤压力，提供较大的变形量。 平面分流模挤压的缺点： （1）焊缝较多，制品的组织和力学性能有一定的影响； （2）模子有较高的精度要求，挤压多空管材是上下模中心线要对中； （3）挤压力比平面、桥式舌型模模大； （4）有残料、修模不方便。 3.2.1.2 平面分流模的结构设计 （1）分流比 分流比是指水龙头孔的面积F K分的比例部分 F 区类型,即:K =K 点/ F 型,分流比的 大小直接影响金属流动阻力的大小,产品成型和焊接质量。高锰酸钾值越大,金属流动和焊 接在一起,也可以降低挤出压力。k 值越小,挤压的变形阻力越大,挤压模,挤压生产的使用都 是不利的。一般来说,在保证模具的前提下有足够的强度,K 值应该更大。分流比的价值一 般范围是:挤压空心概要的 10 30;挤压管比 5 10。这个设计同时挤压两个管道,分流比 8。 （2）分流孔 分流孔平面分流组合模型的基本结构,分流孔的形状,断面尺寸,数量和不同的安排, 直接影响挤压产品的质量,挤压和模具使用寿命,必须为每个特定的产品设计具体的分流 孔。 分流孔的断面形状有腰子形、圆形、扇形、梯形、矩形、橄榄形以及异形等。如图 3-2 所示。腰子形分流孔多用于大直径管材或外形较大的型材，复杂断面形状则采用扇形 和异型分流模。 图 3-2 部分分流孔的数目、大小和排列 铜陵学院毕业设计 - 15 - 对于直径较小的管材一般采用 2 或 3 孔；对直径大的管材多采用 2 3 个扇形分流孔，对 挤压外形尺寸大，断面形状复杂的型材或空心壁板，一般用 4 个以上的异形分流孔。分 流孔的个数尽量少，用来减小焊缝数量，增大分流孔的面积，降低挤压力。 分流孔在挤压模具平面上的合理布置，对于平衡金属流速，减小挤压力，促进金属 的各分流孔的中心圆直径应大致等于 0.7D筒，此时金属流动较为均匀，而且挤压力最小， 模具强度较高。对于型材断面形状非对称空心型材或异形管材来说，应尽量保证各部分 的分流比基本相等，或者型材断面积稍大部分的分流比略低于其它部分的分流比，以利 于金属 流动与焊合，提高模具寿命等都有一定的影响。对于断面形状对称性较好的空心制 品来说，均衡流动。另外，分流孔的布置应尽量与制品保持几何相似性。为了保证模具 强度和产品质量，分流孔不能布置的过于靠近挤压筒或模具的边缘。但是为了保证金属 的合理流动及模具的寿命，分流孔，也不宜布置的过于靠近挤压筒中心。综合所述，本 设计采用两个分流孔，分流孔的形状为圆形，采用两腔两心排列，分流孔的中心圆直径 200mm。根据分流比计算可得分流孔的总面积为 2036mm2，分流孔直径=36mm。 （3）分流桥 分流桥的结构和尺寸对金属的流动速度、焊合质量、挤压力大小以及模具强度都会 产生明显的影响。分流桥的结构可分为两种，一种是与上模连为整体的，称之为固定式 分流桥；另种是与上模分开的，成为可折式分流模，又称为叉架式分流模。 分流桥的宽度 B 的确定：从增大分流比、降低挤压力来考虑，分流桥宽度 B 应选择 得小些，但从改善金属流动均匀性来考虑，模孔最好受到分流桥的遮蔽，则 B 应选择得 宽些。一般取： B=b+（320）mm，b 模孔型腔宽度，制品外形及内腔尺寸大的取下限， 反之取上限。在保证模具有足够强度的条件下，分流桥应尽量设计得短而窄。 分流桥的截面形状主要有矩形、矩形倒角、水滴形和倒梯形的四种。如图 3-3 所示。 矩形截面分流桥，金属在桥下形成一个死区，不利于金属流动与焊合，矩形倒角截面次 之。水滴形（或近似水滴形）和倒梯形截面的分流桥有利于金属的流动与焊合，也便于 模具加工，因而被广泛的使用。分流桥的斜度（也称之为焊合角 ） ，对焊缝质量有影响， 一般取 30；对于模芯较小的取 45或 60；桥底圆角 R2 5mm。 分流桥的高度 h桥：分流桥的高度直接影响挤压力的大小和模具的强度，一般在保障 模具的强度下，h桥越小越好，以便减小挤压力。 分流桥选择横断面选为矩形倒角形式，焊合角 45，最小分流桥宽度为 20mm，分流 桥的高度经过粗略计算校核后选定为 150mm。 刘成成：年产 4 万吨 H68 黄铜管挤压车间设计 - 16 - 模芯 模芯的结构直接影响模具的强度、制品的焊合质量以及模具加工的难以程度。模芯 的工作带部分是型材内腔形状与尺寸的关键部位。模芯的工作带可以分为锥式、锥台式、 凸台式三种基本结构形式，如图 3-4 所示。 当型材内孔尺寸（宽度或直径）b20m 时多采用凸台式，这种结构模芯的强度和刚度都较高，但不易加工。 另外，模芯还应留出长度余量：对小吨位挤压机它要超出模芯工作带 13mm，大吨 位挤压机可超出模芯工作带 1012mm。 本设计中管材内径为 24mm，大于 20mm，所以选择凸台式模芯结构，模芯的总长度 由焊合室高度、模孔工作带长度以及模芯伸出模孔长度之和确定，则 L芯=（34+10+10） =54 mm。 （5）焊合室 焊合室的形状，入口方式，尺寸大小，对于金属流动，焊接质量，挤压力的大小有 a 矩形；b 矩形倒角；c水滴形；d倒梯形 图 3-3 分流桥横断面形状 a凸台式；b锥台式；c锥式 图 3-4 模芯的结构形式 铜陵学院毕业设计 - 17 - 很大的影响。只有当焊合室横断面积与制品断面积之比较大时，才能保证有足够大的静 水压力使焊缝牢固。常用的焊合室截面形状有圆形和蝶形，如图 3-5 所示。 对于管材与外接圆直径较小的型材，多采用圆形焊合室；对于外接圆直径较大且断 面较复杂的型材，一般采用蝶形焊合室；有时根据需要可采用与型材大体相似的异形焊 合腔。本设计是挤压管材，故焊合室采用圆形焊合室。 焊合室的高度是指分流桥底部与模孔入口平面间的距离，常用 h焊表示，合理选择焊 合室高度很重要。焊合室太浅时，由于摩擦力太小，不能建立起足够的反压力使焊合力 不足，导致焊合不良，同时也限制了挤