镁合金热挤压模设计.doc

题 目 镁合金热挤压模设计专 业 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 完成日期 2015年5月 摘 要热挤压就是将金属材料加热到热锻成形温度进行挤压，即在挤压前将坯料加热到金属的再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。热挤压是几种挤压工艺中最早采用的挤压成形技术，它是在热锻温度下借助于材料塑性好的特点，对金属进行各种挤压成形。目前，热挤压主要用于制造普通等截面的长形件、型材、管材、棒材及各种机器零件等。热挤压不仅可以成形塑性好，强度相对较低的有色金属及其合金，低、中碳钢等，而且还可以成形强度较高的高碳、高合金钢，如结构用特殊、不锈钢、高速工具钢和耐热钢等。 镁是具有密排六方晶格的金属，滑移系只有3个，与铝，铜相比，镁的塑性是很低的。冷挤压镁是比较困难，但加热到200以上时，镁的塑性便得到较大的提高,因此镁合金的塑性加工多是采用热挤压成形的。本课题考虑利用高频加热对镁合金ZK60加热至330度进行热挤压。关键词:镁合金；热挤压；高频加热；模具AbstractThe hot extrusion of metal material is heated to the temperature of hot forging extrusion, namely before extrusion billet heating to metal extrusion of a recrystallization temperature above the temperature. Hot extrusion extrusion technology is the earliest use of the technology of extrusion several, it is by means of material characteristics of plastic in the hot forging temperature, the metal extrusion forming. At present, hot extrusion is mainly used in the manufacture of ordinary uniform long shaped parts, profiles, tubes, rods and various machine parts etc. Hot extrusion can not only forming plastic, non-ferrous metal and alloy relatively low strength, low carbon steel, etc., but also can form high strength, high carbon high alloy steels, such as stainless steel, with special structure, high speed steel and heat resisting steel.Magnesium is with dense row of six square lattice metal, slip system is only 3, compared with aluminum, copper, plastic and magnesium is very low. Cold extrusion of magnesium is difficult, but is heated to 200 DEG C, plastic magnesium has been greatly improved, so the plastic processing of magnesium alloy is the use of hot extrusion forming. This paper considers the magnesium alloy ZK60 is heated to 330 degrees hot extrusion with high frequency heating.Keywords: magnesium alloy; hot extrusion; high-frequency heating mold;目录第1章 绪论11.1 热挤压概述11.2 镁合金热挤压研究 第2章 设计内容 2.1 设计任务 2.2 设计要求 2.3 设计方案的构想第3章 设计实现 3.1工况及要求 3.2 参数计算 参考文献致 谢。附录 图纸列表。第1章 绪论 热挤压工艺是最早使用的挤出几个技术，它是通过在热锻温度塑料材料特性意味着，金属挤压成形。目前，热挤压主要用于普通均匀长形零件，生产型材，管材，棒材和各种机器零件等。热挤压不仅可以形成塑料，有色金属及其合金的强度较低，低碳钢，等，但也可形成高强度，高碳高合金钢，如不锈钢，具有特殊的结构，高速钢和耐热钢。空白必须加热到热锻和挤压温度，常伴有严重的氧化和脱碳加热缺陷，影响挤压件的尺寸精度和表面粗糙度。一般来说，挤出机零件在热，然后切削加工提高尺寸精度和表面质量的零件。1.1热挤压概述挤压模挤压安装在压力机，金属坯料在模具型腔的压力，往复运动，强大的压力和速度下，在塑性变形挤压模腔迫使金属，从模腔中挤出，从而获得所需形状大小和挤压，力学性能。三是挤压成形应力状态的过程是非常强的，因此允许大变形，更适合于低成型材料。显然，挤压用模具来控制金属流动，依靠大量转移到金属体积成形零件；在整个变形过程中，材料的体积是不变的。挤压速度的范围很广，它可以在专用的挤压机上进行，也可以在通用机械压力机，进行液压机，摩擦压力机和高速空气锤。挤压温度范围很广，它可以在环境温度和温度下进行，也可以在高温下进行。根据产品要求的形状，各种模具的匹配。挤压模具在挤压生产，最重要的工具结构，各部分的尺寸，模具材料，模具的装配形式，对挤压力，金属流动均匀性，产品的尺寸稳定性，产品和模具，自己的生活会有很大的影响表面质量。 挤压速度的范围很广，它可以在专用的挤压机上进行，也可以在通用机械压力机，液压机，摩擦压力机和高速空气锤。挤压温度范围很广，它可以在环境温度和温度下进行，也可以在高温下进行。根据产品的形状要求，配套各类模具。在挤出口模挤出的生产工具，最重要的结构，各部分的尺寸，模具材料，模具的装配形式，压力，金属流动的均匀性，产品的尺寸稳定性，产品和模具，你的生活会有很大的影响表面质量。根据挤压坯料温度区分热挤压，冷挤压3挤压温度。金属挤压以上热挤压的再结晶温度；在冷挤压室温挤压；高于正常但不超过温挤压的再结晶温度。根据坯料挤压塑性流动方向可分为：流动方向与压力方向挤压，在挤压方向相反的水流方向和压力，挤压坯的两流正负方向。热挤压广泛用于生产铝，铜和其他有色金属管材和型材，属于冶金行业的范围。不仅对特种钢管、型材热挤压生产，也为冷挤压或挤压的固体和香港鑫温度生产（通孔或盲孔）的碳钢和合金钢零件，如粗头杆，桶，容器等。热挤压成形精度和表面光洁度优于热锻件，但网站通常还需要经过加工或切削。冷挤压是只用于铅，锌，锡的生产，铝和铜管，型材，牙膏软管（外锡铅包），电池外壳（锌），外壳（铜）件等。第二十世纪的冷挤压工艺中开始为碳钢和合金结构钢，如杆和杆形零件，各部分的活塞销，套筒扳手，齿轮，后来用于挤出一些高碳钢，轴承钢、不锈钢配件。冷挤压零件精度高，表面光滑，可直接用于零件无切削或其他加工。冷挤压工艺具有操作简单，适合批量生产的小零件（钢挤压直径小于100毫米）。温挤压与冷挤压和热挤压工艺的使用温度在适当的情况下可以采取的优势之间的中间被挤压。但需要温暖的挤压坯料预热模具，高温润滑不理想，模具寿命短，所以应用不是很广泛。挤压变形的横截面面积的变形在还原后说。在一个空白的变形过程无裂纹和极限变形程度称为许用变形程度。在变形发生在三向压应力的空白，允许变形程度高。低碳钢冷挤压，允许变形程度在75%以上，铜，黄铜，铝等，可达到90%以上，抗挤压略低。在炎热的国家，允许变形程度可大大提高，提高的幅度随温度的升高而升高。变形程度，所需的P.变形程度，所需压力也大，加速模具的磨损，容易损坏，他们一般不允许使用变形极限，如用60%限值的冷挤压变形变形的容许度碳钢。如果从毛坯到成品的总变形程度，分为几个紧迫的时代逐步形成。冷挤压，在每次的软化退火工艺的需要。热挤压和挤压温度允许的变形量较大，降低挤压力和减少冲压次数。在挤出加工中，挤压坯手传球，挤出压力，模具寿命和挤压坯料和挤压设备，根据不同的要求有一定的技术特点。 热挤压模具钢热挤压是塑性的金属坯料在压力的作用下通过挤压模具型腔形成所要求形状的型材或管材的过程。常用金属热挤压坯料的温度见表。常用金属的热挤压坯料加热温度范围金属种类坯料加热温度范围/铅合金90260镁合金340430铝合金340510铜合金6501100钛合金8701040镍合金11001260钢11001260热挤压模具主要由挤压筒，压头，挤压头，块，和凹磨棒热挤压模（挤压管）等主要部件组成。热挤压模具的失效，主要是破裂，造成磨损，腐蚀，过热和热疲劳裂纹等。当轻合金挤压，模具垫和芯棒材料主要用于铬钼合金热作模具钢4Cr5MoSiV1钢4Cr5MoSiV和，热处理，对 HRC45硬度50。头与普通高速钢W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2心脏传导阻滞，为HRC55 60热处理。压力筒一般采用中碳合金钢，材料硬度HRC35的 40李宁；压力缸4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1，热处理，硬度值的 47。铜及铜合金热挤压模具，模具垫3Cr2W8V钢材料的4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1，杆材料采用4Cr5MoSiV钢，钢。当铜镍合金挤压含有高量的心用镍，镍基高温合金制造的插入头，有时，挤压缸套有时用铁基合金的制造。热挤压模具钢4Cr5MoSiV1模具材料，与 1 加3Cr2W8V插入，垫4Cr5MoSiV和3Cr2W8V或4Cr5MoSiV1钢和镍基高温合金。心棒仍由4Cr5MoSiV，如4Cr5MoSiV1钢，与4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1钢挤压筒和李宁材料。挤压比是密切相关的，生活的挤压模具和挤压材料，当处理大的拉伸变形，金属材料或在高挤压比，模具和芯棒寿命缩短。润滑和模具的冷却对模具寿命的影响很大。此外，对于在高温条件下磨损严重，热挤压模具，挤压模具特别是复杂形状的工件，有时利用奥氏体热作模具钢和特殊材料的热强度插入模具，特别添加材料包括特殊的硬质合金，氧化铝和氧化锆陶瓷材料等。1.2 镁合金热挤压研究镁是所有结构中的最低金属和合金材料的密度。与其他金属结构材料相比，镁及镁合金具有高的比强度和刚度，振动，电磁屏蔽和抗辐射能力，易切削，易回收等一系列优点，在汽车，电子，电器，航空航天，国防军工领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，是金属结构材料第三种后的钢和铝合金的发展，被誉为“21世纪的绿色金属结构材料 1 。由于镁晶体为密排六方结构，镁基独立滑移系较少，因此，镁合金塑性加工能力差，限制了镁合金的使用在很大程度上。因此有必要通过锻造，获得较高的强度轧制，挤压变形，延性好，扩大镁合金的应用 2 。镁合金塑性加工技术的发展，提高镁合金的综合力学性能的结构，成为对 2 镁合金发展的动力。在镁合金这样的高强度、低塑性材料的超塑性成形的成形工艺是一种形成非常有利。镁合金超塑性及其形成过程具有重要的意义，是镁合金非常先进和具有挑战性的热点研究问题研究。1 ）镁合金的超塑性超塑性的特点不仅意味着非常大的延伸，也表现出非常低的流动应力，形成一个复杂的工件都可以实现，大大降低了材料消耗，能源 4 。第二十世纪50年代以来，金属的超塑性，其发展很快，各国都十分重视和应用超塑性研究，试图扩大其应用领域。在一般的金属材料实现超塑性变形时，必须细晶粒，晶粒尺寸在10m以下，此外，还必须满足高温超塑性变形（TM = 0.7tm，为熔点）和较低的应变速率（低于下） 5 。对于镁合金，近年来的研究结果表明： 3 镁合金的晶粒尺寸较大（可达100米），高应变率（110-2s-1数量级）和低温（300 400）可以实现良好的超塑性，超塑性镁合金具有良好的塑性和最小变形阻力，有利于塑性加工。形状复杂或大变形的零件可以一次成型，具有很高的流动性，填充性好，小吨位设备优势 2 。因此，对镁合金超塑性的人引起了人们极大的兴趣。到目前为止，超塑性成形通常用于航空工业的铝合金和钛合金，用于镁合金超塑性的应用程序很少使用，将大大拓宽镁合金镁合金的成形。2 镁合金的超塑变形机制描述超塑性的基本方程为4：式中：为应变速率，A为常数，k为波尔兹曼常数，G为剪切模量，b为柏格斯矢量，d为晶粒尺寸，为流动应力，o为临界应力，n为应力指数，n1m，m为应变速率敏感指数，p为晶粒尺寸指数，Do为扩展系数，Q为与速度控制过程有关的激活能。式中n,p,Q通常用来表征超塑性变形机制。目前公认的晶界滑移（GBS）是镁合金1,3超塑性变形的主要机制，这是一个单一的粮食作为变形的主要基本单元，并实现移动式谷物换位通过相互滑动界面上。由于镁合金晶界滑动的超塑性变形激活能略高于晶界扩散和晶格扩散激活能的GBS，通常导致增强相界相，由于晶界三角或材料的应力集中的矩阵，为了获得高的伸长，应力集中必须放松，协调机制，是GBS，要有协调变形机制。一般认为，扩散和位错原子和3,7孔运动协调作用对晶界滑动变形。在该机制中，通过金属材料大变形仍能保持其原有的等轴晶粒形貌。细晶AZ31镁合金超塑性变形过程中的微观结构的发展是在673K和773K的研究，并用扫描电镜观察样品表面的超塑性变形，确定变形机制主要是晶界滑移。图1通孔的形成，你可以清楚地看到673K，1下条件下的应变率变形60%延伸（图1A）和伸长率120%晶界滑动的样品，673K表明晶界滑移为主要变形机制。110-3S-1 2A B，变形率在773K条件但不应该只是观察，也观察到晶界滑移，晶粒滑，表明在773K，晶界滑动配合的主要变形机制。3 晶粒细化对镁合金超塑性的影响晶粒细化对的晶粒细化对镁合金成形能力提高的重要意义，提高机械性能。细粒度有助于激活新的变形机制，晶界滑动在室温和导致新的流变过程，提高合金的塑性，改善合金的塑性。一般来说，细晶镁合金超塑性的前提，提高超塑性流动最佳应变速率和降低最佳变形温度选择了镁合金材料具有三种不同粒径（ AZ31轧板130 m，5 m 17 m AZ31 挤压棒材和AZ61挤塑板），分别在不同温度和应变速率超塑性流动行为的三种材料的试验范围内，晶粒尺寸对超塑性研究影响。三种具有固定的应变率不同晶粒尺寸的镁合金的应变（= 0.1）应力和伸长的影响力，如图3所示。在一个给定的温度和应变率随着晶粒尺寸的减小而减小的流动应力，应变率敏感性指数m随晶粒细化的增加，随着晶粒尺寸的减小，对应的最佳应变速率的最大延伸率也增加。目前主要的报道过程细晶镁合金材料的制备：动态再结晶；2热处理；3非晶或纳米晶粉末固结4；机械合金化；5物理气相沉积；6强塑性变形等。试验证明，大塑性变形（SPD）是晶粒细化 9 更有效。放在试样应变很大，由于位错的非常细化的晶粒重排引起的应变，以微米甚至纳米级。提供一种能够产生比传统的机械加工的细晶粒结构的塑性大变形技术。SPD通常都有两个不同的过程：挤压（ECAE ECAP）和高压扭转变形（HPT）。ECAE 10 是一个新的技术对大剪应变，可以由镁合金具有优良的机械性能和其独特的微观结构。在高塑性应变的材料比传统材料加工最佳超塑性应变速率的小幅度，和m的值小。4镁合金的高应变速率超塑性。第2章 设计内容1.2 设计目的掌握挤压变形工具设计方法，巩固挤压变形理论与知识，进一步熟悉数值模拟软件的使用方法，培养CAE在金属塑性成形中的应用技能。设计棒材挤压工艺参数和模具结构参数，1.3 设计内容依据镁合金的挤压要求（合金材质和挤压比）确定挤压温度、挤压速度、热膨胀比，选择模具结构，设计热挤压模具的装配图和主要的零件图，选择加热方式，设计毛坯加热装置，计算挤压力，选择挤压设备，编制设计计算说明书等。第3章 设计实现3.1工况及要求金属加工制品都是通过一定的成形工具而获得的，热挤压生产加工也不例外，必须先根据产品进行模具设计，加工制作模具后交付生产车间使用。从事模具设计工作，必须对模具设计基础、基本要素、常用模具设计方法与相关内容等较为明确并能综合应用，这是至关重要的依据。当然，模具设计的好坏，只能以实际生产效果来进行评判，因而，了解生产工艺，推广先进技术，不断总结和积累经验是设计出高质量模具不可缺少的途径。反映型材挤压难易程度的数量指标，一般有以下几个因素： 挤压系数（挤压比）是指挤压筒断面积与型材断面积（多孔模是断面的总面积）的比值。S挤压筒断面积/型材断面积 一般的对于6063合金，取20200，建筑型材最佳的2080。 在挤压生产中，金属的变形量大小常用挤压比 或加工率（）来表示。挤压比是指挤压成形前锭坯充满挤压筒时的断面积与挤成形后制品断面积总和之比值，以 表示： Ft/ nf (3-4)式中：Ft 挤压筒内腔断面积； f单根挤压制品断面积； n同时挤压制品的根数或模孔数。对于圆棒、管材的挤压，其挤压比可以写成以下简写形式：棒材：=1/n(Dt/dk) (3-5)管材：=1/n(Dt-St) St/(Dk-tk) tk (3-6) 式中： Dt挤压简直径； dk棒材直径； Dk管材外径； tk管材壁厚； St锭坯填充挤压筒并穿孔后环形锭坯断面的壁厚： 即St= Dt-DZ/2, DZ 为穿孔针直径，即管材内径。 加工率 是指金属变形前后断面积变化的绝对量与变形前断面积比值的百分数，常用 来表示： =(F-f)/F100% (3-7) 对于圆棒、圆管，可以写成以下简写形式： 棒材： =(Dt2-dk2) /Dt2100% (3-8) 管材： =(Dt2-Dk2)/ (Dt2-Dz2)100% (3-9) (式中各符号意义同前)。 挤压比（）与加工率（）之间的关系为： =(F-f)/F=1-f/F=1-1/=(-1)/ (3-10) =1/(1-) (3-11) 挤压比 的选择与合金种类、挤压方法、挤压机能力、挤压简直径以及锭坯长度等因素有关。如果 选用过大，对挤压生产不利，因为挤压力是随着变形程度的增大而增大的，当 过大时，常使挤压力超过挤压机的负荷能力而发生闷车、挤压不动，甚至损坏工模具等现象；如果 选用过小，则难以保证挤压制品沿长度或断面方向上具有一定的、均匀的机械性能和均匀的内部组织，而且生产率过低。根据生产实践，的最小值宜按以下的经验值进行选取： 一次挤压的成品型、棒材：812(88%92%) 本次可以选取镁合金ZK60直径为55圆柱状毛坯一次挤压成直径15的棒料 由公式，计算=（55*55）/(15*15)=13.44,符合设计要求。3.2 参数计算确定确定挤压工艺参数，可以在挤出加工，对产品质量要求的金属和合金的综合调查（尺寸和形状公差，表面质量，组织和性能，等）以提高产量和生产力。的热挤压工艺的基本参数是挤压温度和挤压速度（或金属，构成出口速度）对温度条件的挤压速度的控制是非常重要的。在挤压工艺参数的选择，一般是在理论分析的基础上的各种实验，产品质量检验，并结合实际生产经验。3.2.1 摩擦系数的确定在横断面上，因为外面的金属摩擦阻力在容器中由于剪切变形，金属晶粒层被打破，大，在挤压部分的不均匀性，将组织。在长度，也因为外部摩擦效应，组织的异质性表现。因此，设计合理的摩擦系数，对挤压过程的成功实施是非常重要的。在一定的条件下，挤压垫的摩擦系数设计为0.2，挤压和挤压模具的摩擦系数为0.4。3.2.2 挤压速度的确定挤压速度可分为三种类型：挤压速度，挤压机主活塞杆与挤压垫速度；速度的金属流动速度金属从模孔；金属变形速度（也被称为变形率）单位时间内的变形大小的变化。通常挤压速度的增大，流动的不均匀性增加，侧应力增大，会造成产品的挤压周期周向裂纹或断裂。在以下三个方面的影响：第一，挤出速度挤出速度的影响，流量更均匀，侧应力增加；第二，提高挤出速度可以加快软化，硬化，塑性降低金属；第三，挤压速度，增加变形热效应，钢锭温度上升，可能进入高温脆性区，减少金属塑性加工。总之，确定一个允许的范围内，挤压速度，使挤压速度范围，挤压速度值30允许黄铜。3.2.3 工模具预热温度的确定挤压时，工模具需要进行预热，如果不预热的话，坯料与挤压模具间温差较大，会产生较大的热转递，从而使坯料的温度分布不均匀，影响成品件的性能。本设计选用的工具模预热温度为330。3.2.4 挤压模锥角的确定 锥角是模子的最基本的参数之一。它是指模子的轴线与其工作端面间所构成的夹角。锥模的模角对金属的流速和变形都有影响，合理的锥角选择对于阻碍锭坯表面缺陷和偏析物流出模孔，减少制品表面质量恶化有很大的效果。而随着挤压条件的改变，最佳锥角的值也在变化。根据本设计的要求，我们选用了2090区间内的锥角进行试验模拟，我们进行了9组不同锥角的试验模拟以使得试验结果更加准确。模角的选取模角是指模具的轴心线与模具工作端面所构成的夹角，如图6-3-3所示。当=90时，即为平模。平模多用于挤压铝合金型材、棒材及铜合金、镍合金等的管材与棒材。当90时，即为锥模。锥模的模角有合理的取值 范围，为4560。但根据不同金属和工艺条件的要求，的取值也有变化。例如，带润滑剂的挤压钢和一些稀有、难熔的金属，常选为5570；在有色金属挤压中一般选取为5565；高温材料如钨、钼、锆之类的金属，取=45即可，锥模用于铝、铜合金管材较为普遍。双锥模的模角由两部分组成：靠近工作端面部分用1表示，靠近工作带部分用2表示。一般选用1为6065，2为1045，这对于加工铜合金、铝合金管材较为有利。实践证明，挤压铝合金选用2为1013为最佳工作带又称为定径带，是模具中垂直模具工作端面并保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段，也是模孔重要的组成部分，如图6-3-3所示的h定。正确选择工作带长度h，有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性。工作带长度h的选择应根据挤压机的结构形式（立式或卧式）、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等因素来确定。若工作带长度h太长，则挤压金属残料易粘结在工作带表面，使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷，同时增大模具与被挤压金属的摩擦力，金属流速变慢，增大挤压力等现象；若工作带长度h 过短，则会加快模孔的磨损，使制品尺寸不稳定，出现超差现象，且因金属流速较快致使制品断面各部分金属流动不均匀而形成波浪、扭拧、弯曲等缺陷。工作带合理长度h的确定原则如下：1 按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定h的最小值。一般来说，工作带h 的最小值hmin为1.5mm3.0mm。2 根据挤压时金属与模孔工作带最大有效接触宽度来确定工作带长度的最大值。超过此值的那部分工作带，就将失去塑性成形的定径和调节金属流速的作用。铝及铝合金工作带最大长度一般不超过1520mm。3挤压型材的模具工作带长度取值时，应视情况不同而有所区别。例如，一些简单断面实心型材，如等壁厚角形、丁字形、工字形之类，模孔各部位的工作带长度可以是相同的，一般取值为28mm；而对于建筑型材，因挤压比大，挤压速度快，制品长度较长，即使是等截面等壁厚的情况，模具工作带取值也应不相同，要参照生产实际经验确定。4断面形状复杂、壁厚不等的型材，工作带长度应根据壁厚变化的不同而设计各对应不等的h值。挤压有色金属时，一般h 值在29mm范围内选取。 总之，工作带长度的确定，除事先遵照上述原则和生产实际经验确定一个数值后，根据挤压制品的质量情况，还需进行调整，以保证最后生产出合格的挤压制品。模孔尺寸的确定主要考虑挤压制品的金属成分、断面形状、尺寸偏差、各部位几何形状特点和型材的冷却收缩量、张力矫直时的断面收缩量等因素的综合影响来进行设计或计算确定。若用A表示模孔长度，用B表示模孔的宽度，则用以下算式进行计算： 管材与棒材模： A=A