年设计产5万吨H68黄铜棒挤压车间.ppt

年产5万吨H68黄铜棒挤压车间设计 姓名 黄韦指导老师 汪劲松2010年6月14日 设计任务 新建年产5万吨H68黄铜棒挤压车间 产品规格为 40 10000 选定坯料规格为 200 400mm 第一章 概论 1 1铜材加工的现状及其发展趋势 铜及铜合金加工材 包括板 带 箔 管 棒 线 异型 复合材等 以其优良的导电传热耐蚀等性能被广泛应用于国民经济各部门 为电子电气 信息 机械制造 交通运输 建筑 能源 轻工 高科技及国防军工等领域提供有力的支撑 成为现代工业 科技和国防发展不可缺少的基础材料 因此铜加工业是有色金属工业的重要组成部分 在我国国民经济和国防建设中具有十分重要的地位 我国的铜加工业经过50年的建设 已形成了一个品种规格比较齐全生产手段比较完善并能基本满足国民经济发展需要的较为完整的工业体系 尤其是改革开放以来 我国的铜加工业迅速发展 无论在产品品种质量产量方面 还是在生产工艺和装备方面 都得到了突飞猛进的发展 使之在世界铜加工行业中占有举足轻重的地位 1 2挤压法的优缺点 1 优点 1 挤压时金属在挤压筒内受到比轧制 锻造更强烈的三向压应力的作用 因此它能充分发挥金属的塑性 实现挤压比达10以上的大变形 可以挤压轧制或锻造难以加工的塑性低的金属 2 只要改变挤压模或挤压针 就可以用一台挤压机不同品种 不同尺寸规格的制品 操作方便 生产灵活 3 挤压制品表面质量好 尺寸精度高 2 缺点 1 挤压机结构复杂 投资费用大 2 挤压残料 压余 穿孔料头 比较多 要占锭坯的10 15 挤压大直径棒材时 成品率较低 3 正挤压时金属与挤压工具表面的摩擦力大 金属不均匀变形严重 使挤压制品产生缩尾 内部组织与性能不均 使切头 切尾几何损失增加 4 挤压工具在高温 高压下工作 工具消耗大 增加制品生产成本 1 3挤压工艺的现状及其发展趋势 挤压法在金属塑性加工领域中出现得较晚 是一种新的金属加工工艺 据文献记载大约在1797年英国人J Brmah首先发明了一种挤压铅管的装置 继而将此原理应用到电缆包铅上面 直到1894年 才由德国人A Dick设计和制造了第一台可以用来挤压黄铜的挤压机 自此以后 挤压生产日益发展 而且所用的挤压设备到二战结束前 水压机的能力已达125MN 二次世界大战后 由于航空 火箭 宇宙航行技术 以及汽车 船舶 铁路 运输 桥梁 输电等各部门的发展 特别是建筑业开始大量采用铝合金型材 促进了挤压生产的急剧发展 第二章 H68黄铜棒挤压车间的工艺设计 2 1挤压生产工艺 黄铜棒的挤压工艺流程可大致如下 实心铸 加热 挤压 切头尾 退火 检查 成品 这里退火是为了均匀化学成分及组织 细化晶粒 调整硬度 消除内应力与加工硬化 车间流程图 不同性能的合金品种采用不同的挤压方法 主要挤压方法 1 脱皮挤压 2 静液挤压 3 等温挤压 4 包套挤压 5 焊接挤压 6 液体挤压由于挤压黄铜棒 本设计选用脱皮挤压 挤压设备 1 单动挤压机与双动挤压机 2 正向挤压机与反向挤压机 3 卧式挤压机与立式挤压机综合考虑 选用卧式单动正向挤压机 挤压机能力为34 3MN 挤压时的润滑 1 挤压时的润滑作用 2 常用的润滑剂 大多数铜及铜合金管棒材的挤压 可采用45号机油和20 30 鳞片状石墨调制成的润滑剂 在冬季 为增加润滑剂的流动性 应加入5 9 的煤油予以稀释 在夏季 可加入适量松香使石墨呈悬浮状态 锭坯尺寸选择 挤压比的选择 挤压比是指在挤压时挤压筒断面积与制品断面积的比值 一般根据金属或合金的塑性 产品性能以及设备能力等因素综合确定 挤压比的数值大致控制在6 100范围内 为了获得表面质量较好的挤压制品 挤压比一般不得小于20 在挤压时 锭坯与挤压机能力的关系为 挤压力与挤压比的对数 i ln 成正比 因此应综合考虑挤压比和金属材料的塑性 黄铜的塑性较好 因此挤压比可取得大一些 本设计拟定取挤压比 25 锭坯直径的选择 挤压棒材时 锭坯的直径 一般按照下式确定 式中D0 锭坯直径 mm D 圆棒直径 mm 本设计生产产品直径为40mm 经计算mm 锭坯长度的选择 锭坯长度的选择 一般来说 在一定的锭坯的体积情况下 锭坯的长度越长 在挤压后期压余金属的损失就越少 金属的收得率增加 但是 过分增加锭坯的长度 可能会使挤压后期金属显著冷却 从而导致制品组织和性能不均匀 此外还会出现挤不动的情况 挤压过程中为了防止 气泡 缺陷 除了适当的锭坯与挤压筒之间的间隙外 还希望锭坯的长径比不大于3 4 因此本设计取锭坯的长度L0 400mm 2 2挤压制品的组织性能及质量控制 挤压制品的组织 金属材料显微组织参量包括 晶粒平均尺寸 亚晶平均尺寸 晶粒形状 亚晶尺寸与取向差 材料不均匀粒度的特征与程度 织构的存在与形式等 挤压制品组织的特点是 在其断面上与长度上分布都很不均匀 一般来说 总是沿制品长度上前端晶粒粗大后端细小 沿断面径向上中心晶粒粗大外层细小 挤压制品的机械性能 挤压制品的粗大晶粒组织制品机械性能的分布规律一般是 未经热处理的实心挤制品内部与前端的强度较低而外层与后端的较高 延伸率的变化则相反 挤压制品机械性能的不均匀性 也表现在制品纵向性能与横向性能的差异上 挤压时的主变形状态图 使晶粒沿纵向延伸 同时 存在于晶间界面上的金属化合物杂质缺陷也沿挤压方向排列 也都使挤压制品内部组织呈现出具有取向性的纤维组织 对提高纵向机械性能起着重要作用 从而使制品机械性能的各向异性较为严重 某些合金挤制品中出现的粗晶环这一组织缺陷 也导致机械性能降低 挤压制品的质量包括 横断面上和长度上的形状与尺寸 表面质量 以及其组织与性能等 H68黄铜的性能 黄铜的物理性能 化学性能 力学性能 工艺性能既与其锌含量及杂质种类 含量有关又与其状态 加工率 温度等有关 下表给出了H68黄铜在不同温度时的抗拉强度 H68黄铜的特性及主要用途 H68黄铜的特性及主要用途 H68黄铜有极为良好的塑性 是黄铜中最佳者 和较高的强度 可切削加工性能好 易焊接 对一般腐蚀非常安定 但易产生腐蚀开裂 为普通黄铜中应用最为广泛的一个品种 H68黄铜性能与H70极相似 但冷作时有 季裂 倾向 用作复杂的冷冲件和深冲件 如波纹管 第三章 主要设备的选择与计算 3 1挤压工具及其设计 挤压工具的组成 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如 模支撑 模垫 支承环 副支承环 压力环 冲头 针座和导路等 挤压模的设计 1模角 模角 是指模子的轴线与其工作端面间的夹角 模角 在0 90 之间 它是挤压模子最基本的参数之一 由于H68黄铜的塑性很好 热挤压时难免会形成氧化皮 在650 挤压时 强度为30Mpa 若采用平模挤压 在挤压应力会很大 所以本设计拟采用锥模挤压 模角 60 2工作带长度hg 工作带又称定径带 它的主要作用是稳定制品尺寸 保证制品的表面质量 根据生产经验 对于挤压模工作带的长度 挤压紫铜 黄铜和青铜时取8 12mm 立式挤压机取3 5mm 挤压铝合金时一般取2 5 3 0mm 最长取8mm 本设计取工作带长度hg 10mm 3工作带直径dg 挤压棒材的模孔直径用下式计算 dg dm C1 dm根据经验 取C1 0 015 则dg 40 0 015 40 40 6mm式中dm 棒材的名义直径 C1 裕量系数 4出口直径d 模子的出口直径不能过小 否则在挤压时容易使制品与模子的出口壁相接触 划伤制品的表面 出口直径一般应比工作带直径大3 5mm 在挤压薄壁管和变外径管子时 此值应增加到10 20mm 故出口直径可取为44 6mm 5入口圆半径r 入口圆角半径r值的选取与金属的强度 挤压温度和制品的尺寸有关系 比如紫铜和黄铜r 2 5mm 对于铝合金不应有圆角 而要求保持锐利的角度 因此一般取r 0 2 0 5mm 本设计取r 4mm 6模子的外形尺寸 模子的外圆直径D和厚度H已经标准化和系列化 即在一定的范围内 模子的外形尺寸是相同的 一般来说 在挤压时 其外接圆最大直径等于挤压筒直径的0 8 0 85倍 模子的厚度H 20 80mm 并形成一定的系列 本设计挤压筒内径Dt 270mm 为了配合挤压筒 故取D 230mm H 80mm 7模子的强度校核 本设计采用的模子为中间带有小圆孔的圆形模子 故其剪切应力可忽略不计 只校核其挤压应力 P为挤压力 F0为挤压筒断面积 其中 F0 57277 P计算得为27 97MN 故 b 488 75Mpa在600 时 3Cr2W8V的 b 1225MPa 4Cr5MoV1Si的 b 825MPa 因此选用此二种工具钢材料都是合适的 其强度均能满足要求 挤压杆的设计 挤压杆的结构及尺寸确定 挤压杆分空心和实心的两种 一般都制成等断面的圆柱体 本设计拟采用实心挤压杆 挤压杆的外径取决于挤压筒内径的大小 对卧式挤压机比筒内径小4 10mm 本设计拟定挤压杆外径为260mm 挤压杆的工作长度为1248mm 挤压杆的强度校核 挤压杆在工作中不只是受到压应力 还受到偏心载荷 后者与挤压筒安装得不可能完全同心所致 挤压杆作用在挤压垫上的力为总挤压力P 27 97MN 则挤压杆承受的压应力为 其中 为压应力 P Fg 为许用应力折减系数 它与挤压杆的柔度和材料有关 柔度 L i i为断面惯性半径 对于圆形断面i d 4 查表得 0 9 带入得 585 6MPa 其中Fg为挤压杆断面面积 Fg 53066 为弯矩所产生的应力 用下式计算 M W Pl W l为偏心距 l d 挤压杆外径 2 260 2 130 W为截面模数 对实心圆断面为0 1d3 0 1 2603 3次方 1757600 代入得 206 9Mpa 585 6 206 9 792 5Mpa600 3Cr2W8V的 b 1280MPa 其强度满足要求 挤压垫的设计 1挤压垫的结构及尺寸确定 垫片的外径应比挤压筒内径小 D值 D太大 可能形成局部脱皮挤压 从而影响制品质量 特别是在挤压管材时不能有效的控制针的位置 以致造成管子偏心 但是 D值也不能过小 以防与挤压筒内衬套摩擦加速其磨损 D值与挤压筒内径有关 卧式挤压机取0 5 1 5mm 立式挤压机取0 2mm 脱皮挤压取2 0 3 0mm 铸锭表面质量不佳的可选更大一些 管材挤压垫的内孔不能太大 否则对针的位置起不到校正的作用 还有可能使被挤压的金属倒流包住穿孔针 垫的厚度可取其直径的0 2 0 7倍 挤压时 一般用规格相同的一组挤压垫轮流使用 以防其过热 但是采用这种活动挤压垫需要有一套挤压垫循环机构和挤压残料与挤压垫分离的机构 这不仅使挤压设备复杂化 而且在运行过程中还易出现故障 故本设计取挤压垫外径为269mm 厚度为162mm 挤压垫强度校核 挤压垫在工作时因长时间与高温的锭坯接触 在挤压铜合金时 其接触面被加热到800 内部也能达到600 650 所承受的压力可高达1569MPa 因此应对挤压垫的抗压强度进行校核 式中Pmax 最大挤压力 按挤压机额定能力计算 为34 3MN Fd 挤压垫工作面积 y 材料的许用抗压应力 取材料在工作温度下的0 9倍 算得 y 674MPa 600 时 3Cr2W8V的 b 1280MPa 则 y 1152MPa 满足强度要求 挤压筒的设计 1 挤压筒内径Dt 本设计采用的挤压筒内径Dt 270mm 外径一般为内径的4 5倍 2 挤压筒长度Lt Lt Lmax L t S式中 Lmax 锭坯最大长度 Lmax 3 4 Dt 本设计取810mm L 锭坯穿孔时金属增加的长度 本设计产品为棒材 故L 0 t 模子进入挤压筒的深度 本设计取100mm S 挤压垫厚度 一般取 0 4 0 6 Dt 本设计取162mm 计算得 Lt 1 072m 3 挤压筒衬套厚度 本设计拟采用两层 D1 D0 1 6 D2 D1 2 5 即为挤压筒内径即 D0 270mm D1 432mm D2 1080mm 挤压筒强度校核 为了简化计算 由锭坯与筒壁摩擦引起的 1和热应力引起的 r 和 l忽略不计 只考虑热装配合和金属变形时所产生的 r和 1 因过盈配合产生的装配压力ps按下式确定 式中E 弹性模量 为1 83 105MPa 装配半径公盈 取0 5mm ra 挤压筒外半径 为540mm rc 装配半径 为150mm ri 挤压筒内半径 为135mm 内衬 Pr 内压 可由式子Pr wP F筒确定 其中w取0 8 P为挤压力 F筒为挤压筒截面积 算得Pr 391MpaK D2 D0 1080 270 4 K1 D1 D0 432 270 1 6 K2 D2 D1 1080 432 2 5 强度校核 3 2挤压机的选型 挤压机按其传动类型分为机械的与液压的两大类 机械挤压机以前曾用于挤压钢和冷挤压方面 它的最大挤压特点是挤压速度快 但是 挤压速度是变化的 这对工具的寿命及制品的性能很不利 因此应用有限 在挤压领域中使用最为广泛的是液压传动的挤压机 液压传动挤压机按其总体结构形式卧式与立式挤压机两大类型 3 3挤压力计算 根据皮尔林公式 挤压力由四部分组成 为了实现塑性变形作用在挤压垫上的力Rs 为了克服挤压筒壁上的摩擦力作用在挤压垫上的力Tt 为了克服塑性变形区压缩锥面上的摩擦力作用在挤压垫上的力Tzh 以及为了克服挤压模工作带壁上的摩擦力作用在挤压垫上的力Tg 为了实现塑性变形作用在挤压垫上的力Rs 为了克服挤压筒壁上的摩擦力作用在挤压垫上的力Tt 3 4金属平衡计算 第四章 辅助设备的选择与计算 4 1加热设备的选择 用于加热铜锭的加热设备主要有 步进式加热炉 环形加热炉 和感应加热炉 步进式加热炉除适用于钢锭 铜锭的加热外 亦可用于长宽板坯的退火 环形加热炉适用于加热钢锭及铜锭 感应加热炉因为它具有加热速度快 体积小 耗电低 可完全实现机械化与自动化等优点 但对铜合金锭及钢锭的加热 由于加热温度高电能单位消耗大而很少采用 本设计采用环形加热炉 对于棒材由于其尺寸一般长度较长 所以用于棒材的热处理炉较少 一般选用接触式退火炉 将制品直接通电加热即可 4 2剪切设备的选择 金属压力加工车间用于生产的切断设备主要有三类 锯机 剪机和折断机等 锯机种类很多 常用的有圆盘锯 杠杆式锯切机以及滑座式锯切机等 圆盘锯结构简单 主要用于锯切 50mm以下的棒材和小型型材 以及薄壁管材等 杠杆式锯切机主适用热锯切小断面半成品型材和棒材 滑座式锯切机锯片横向振动小 效率高 行程大 工艺性能好 结构完善 广泛用于锯切大断面的管 棒 型材 以上锯机用于锯切单根或整束轧件 如切头 切尾或切定尺长度 而剪机主要用于剪切钢坯与板材 折断机用于切断管坯 故本设计选用滑座式锯切机 4 3矫直机的选择 圆管棒辊是矫直机分 立式双曲线辊式矫直机 卧式双曲线辊式矫直机和正玄管材矫直机 双曲线辊式矫直机又称斜辊式管棒矫直机 主要用于矫直直径300mm以下的管子和直径在 100mm以下的棒材 正玄管材矫直机主要用于矫直外径 6 16mm的盘管 圆管棒辊式矫直机工作的特点是当被矫直的材料规格尺寸发生变化时 只要调整上下辊间的距离和倾斜角度即可 本设计所选的矫直机为斜辊式管棒材矫直机 4 4起重运输设备选择 起重运输设备包括起重机 运输小车等 起重机主要用于车间原材料 产品 设备或部件的起重与运输 在压力加工车间主要用桥式起重机 第五章 劳动定员 工作制度 本设计考虑设备的利用率等诸要素 选择非连续工作制度 有星期日和节假日休息 其生产过程是连续的 年工作日可采用306天 每天三班 每班8小时 考虑到设备需要安排一定的时间进行大修 一般2 4年1次 和中修 一般1 2年一次 的时间损失 用于生产的有效时间系数成为设备台时系数 考虑到交接班 更换工具 更换品