挤压模具设计.ppt

挤压模具设计,邓小民,课程简介,本课程以铝合金挤压模具设计为例，介绍挤压模具设计的基本方法、思路。主要内容包括：概述，挤压模具用材料选择，普通型材模、舌型模、分流模、宽展模、导流模、保护模的设计方法，模具修正方法等。,1、概述所谓挤压，就是对放在挤压筒内的金属锭坯从一端施加外力，强迫其从特定的模孔中流出，获得所需要的断面形状和尺寸的制品的一种塑性成型方法。,挤压方法适合于各种金属材料的塑性成型，特别适合于有色金属材料的挤压成型，其中最典型的是铝合金型材的挤压成型。挤压模具设计的任务，就是根据制品的断面形状和尺寸的具体要求，设计能够生产出合格制品的模具，且符合经济利益原则。主要内容：铝合金挤压模具设计,1.1铝合金型材分类目前，铝合金挤压型材的品种规格大约有50000种以上，其断面是非常复杂的，有各式各样。其特点是：绝大多数断面是不对称的；型材断面与锭坯断面不相似；型材断面各部位壁厚差大；多数带有各种形状的半空心、空心等。其结果造成金属流动不均匀，挤压制品出现弯曲、扭拧、波浪、尺寸不合格、裂纹等各种缺陷；易造成模具的早期失效及损坏。,不同的铝型材企业，对所挤压的铝合金型材有自己不同的分类表示方法。按照原冶金部标准化研究所1984年出版的“铝及铝合金、镁合金挤压型材图册”，挤压型材按形状或用途共分为十大类，分别在XC后面用1、2、3、4、5、6、7、8、9、0表示。在17类型材中，根据型材的断面形状及特点，又分为若干个目。在同一目中，按型材形状又分为若干组，一个图形即为一组，依自然顺序排列。,XC1角形型材XC2丁字型材XC3槽形型材XC4Z字型材XC5工字型材XC6航空用型材XC7电子工业用型材XC8民用型材XC9其他专用型材XC0空心型材,（1）XC1角形型材，下分5个“目”XC11直角型材XC12锐角型材XC13钝角型材XC14圆头角型材XC15异形角型材,XC112XC121XC131XC141XC1510,（2）XC2丁字型材，下分6个“目”XC21直丁字型材XC22斜丁字型材XC23双丁字型材XC24圆头丁字型材XC25异形丁字型材XC26专用异形丁字型材,XC211XC221XC231XC246XC254,（3）XC3槽形型材，下分7个“目”XC31普通槽形型材XC32凸边槽形型材XC33弯边槽形型材XC34圆头槽形型材XC35异形槽形型材XC36叉形槽形型材XC37燕尾槽形型材,XC311XC321XC331XC344,XC353XC362XC373,（4）XC4Z字型材，下分5个“目”XC41等边等壁Z字型材XC42等边不等壁Z字型材XC43不等边等壁Z字型材XC44圆头Z字型材XC45异形Z字型材,XC411XC421XC434XC441XC452,（5）XC5工字型材，下分5个“目”XC51等边等壁工字型材XC52等边不等壁工字型材XC53不等边不等壁工字型材XC54圆头工字型材XC55异形工字型材,XC511XC521XC531XC541XC551,（6）XC6航空用型材，下分7个“目”XC61边条、铰链型材XC62尾刃、窗框等型材XC63管夹型材XC64大梁型材XC65变断面型材XC66异形型材XC67毛坯型材,XC611XC621XC637XC649,XC6571,XC6571,XC66601XC673,（7）XC7电子工业用型材，下分8个“目”XC71边框型材XC72骨架型材XC73插角型材XC74联结型材XC75附件型材XC76散热型材XC77整体型材XC70空心型材,XC711XC722XC731XC747,XC754XC7610XC776XC703,代号XC8、XC9、XC0为无“目”的型材类，在类的后面就是组。如XC81-2，即为第8类、第1组中的第2号型材。1.2断面形状的复杂性根据断面形状的复杂程度可把型材分成三大类：（1）实心型材（简单）指一般的角材、槽材、工字型材、丁字型材、Z字型材等。,各种实心型材,（2）半空心型材（较复杂）根据型材断面形状分为三级：级：从开口中心线看左右是对称的。级：从开口中心线看左右是不对称的。级：两个半空心型材。,（3）空心型材（复杂）根据断面形状也可分为三级：级：圆形空心，直径较小，断面对称；或内径较小，外形不对称。级：除级以外，外接圆大于130mm，只有1个空心，空心是非圆形。级：除、级以外所有的空心型材，壁厚是均一的，其空心断面是完整或多孔的，即圆、正方、长方、六角、椭圆、梯形等。,对于半空心和空心型材，级别越高，其断面形状越复杂，可挤压性越差，模具设计的难度就越大。,即便是相同级别的半空心型材或空心型材，断面形状不同，其复杂程度也不一样。因此，除断面复杂性外，还要考虑形状因素F0：型材断面周长S与单位质量W之比（或周长与断面积A之比），即：F0=S/A=S/W。如果用C表示型材外接圆直径，则SC/A就是一个反映挤压难易程度的指数，其值越大，型材越难挤压。,1.3型材断面设计原则1.3.1断面大小型材断面大小用外接圆来衡量，外接圆大，所需要的挤压力大。挤压型材的最大外接圆直径一般比挤压筒直径小2550mm，挤压空心型材时应更小一些。,1.3.2挤压比挤压比小，变形量小；挤压比大，所需要的挤压力大。一般，纯铝的挤压比可达300，6063合金可达200，硬铝合金可在2060之间选择。有时也可用变形率表示：=（1-1/）100%通常认为，95%是经济合理的。1.3.3型材壁厚壁厚与合金的挤压难易程度有关。如6063合金壁厚取1mm时，6061合金就应,取1.5mm、7075合金取2.02.5mm左右时，其挤压的难易程度相近。另外，壁厚选择还与外接圆直径、断面形状等有关。一般情况下，型材的宽厚比（B/t）小于30为宜；当B/t50时，比较难挤压；当B/t100时，属于特别难挤压型材，需要采取特殊措施。,1.3.4型材包围空间面积设计按包围的空间面积与开口宽度平方的比值舌比，即A/W2进行计算，然后与表1-1中的数值对照，比表中数值大的定为半空心型材，小的定为实心型材。,1.3.5直角间的圆角半径凸出的直角上的过渡半径过小易发生应力集中；凹形的直角在模孔入口处易磨损。一般像6063一类挤压性能良好的合金，其最小圆角半径取R=0.4mm，其它合金取0.6mm。1.3.6断面尺寸偏差型材断面尺寸偏差应根据产品的加工余量、使用条件、挤压难易程度、合金牌号、形状特点及所处的部位来确定，通常在有关标准和用户提供的图纸中规定。,2挤压模具用材料2.1挤压工模具的工作条件(1)承受长时间的高温作用。温度可达550C以上，时间一般为几分钟到几十分钟，甚至数小时。(2)承受长时间的高压作用。从挤压纯铝所需要的最小单位压力100MPa到某些铝合金空心型材的1000MPa。(3)承受激冷激热作用。挤压铝合金时，工模具工作和非工作时间的温差可达200300C以上。,(4)承受反复循环应力作用。大部分工具在挤压时受压应力，在非工作时间突然卸载，应力下降到零；穿孔针在穿孔时受压，在挤压过程中受拉应力作用。(5)承受偏心载荷和冲击载荷作用。(6)承受高温高压下的高摩擦作用。(7)承受局部应力集中的作用。2.2挤压工模具材料的合理选择2.2.1对工模具材料的要求(1)高的强度和硬度值。一般要求在常温下其b值应大于1500MPa。,(2)高的耐热性。一般在工作温度(500C)下挤压工具材料的s不应低于650MPa，模具材料的s不应低于1000MPa。(3)具有高的冲击韧性和断裂韧性值。(4)在高温下具有高抗氧化稳定性，不易产生氧化皮。(5)高的耐磨性。(6)具有良好的淬透性。确保工具整个断面有高、均匀的力学性能。(7)具有抗激冷、激热的适应能力。,(8)高的导热性。能迅速散发热量，防止工件产生局部过烧，防止工具强度损失。(9)抗反复循环应力性能强。防止过早疲劳破坏。(10)具有一定的抗腐蚀性能和良好的可氮化性能。(11)具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性。(12)良好的工艺性能。易于熔炼、锻造、加工和热处理。(13)材料易获得，且价格较廉价。,2.2.2常用挤压工模具钢材的性能特点挤压铝合金最常用的工模具钢有钼钢和钨钢两大类。钼钢具有较好的导热性，对热裂纹不太敏感，韧性较好，典型代表是5CrNiMo钢。钨钢具有较好的耐高温性能，但韧性较低，典型钢种是3Cr2W8V钢。在挤压模具制造方面，我国长期以来一直使用3Cr2W8V钢。其特点是：,具有很高的室温强度性能，当温度为650C时，s仍可达到1100MPa，HRC可达47；热处理后具有良好的耐磨性和符合模具使用的热疲劳强度。但也有许多缺点：(1)冶金过程工艺性能较差，难以制造超过1000kg的大型优质锻件。(2)导热能力较差，引起温度场不均匀。(3)加热时易产生脱碳现象，使表面层的强度和耐磨性降低。,(4)在200500C范围内的传热能力低。近十几年来，铝合金挤压厂家逐渐开始采用4Cr5MoSiV1（H13）钢制作挤压模具。与3Cr2W8V钢比较有以下特点：(1)化学成分设计较合理,易于采用先进的熔铸技术提高钢材本身的质量。(2)钢的锻造、冷加工和电加工工艺稳定，容易控制。,(3)比3Cr2W8V钢有更好的热处理特性，热处理工艺稳定，有十分优良的表面处理和化学热处理性能。但易氧化和脱碳，应在真空炉或保护性气氛炉中热处理。(4)热处理后比3Cr2W8V钢具有更好的综合性能，除了强度略低外，其余性能均优于3Cr2W8V钢，特别是韧性、塑性、断裂韧性、热磨损抗力、热疲劳抗力尤为突出。,2.2.3热挤压工模具材料的合理选择(1)根据挤压金属和合金的性能选择最合适、最经济的工模具材料。我国主要用4Cr5MoSiV1和3Cr2W8V钢作为挤压铝合金的模具材料；选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrNiW等作为基本工具的材料。(2)根据产品品种、形状和规格选择工模具材料。挤压圆棒和圆管时，可选择中等强度的5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW钢；挤,压复杂形状的空心型材和薄壁管材时，选用高强度的4Cr5MoSiV1或3Cr2W8V钢；对于形状非常复杂的空心型材、宽厚比大于50的扁宽薄壁型材和带筋壁板型材等，则希望选用更高级的材料（如日本的AF31钢）。(3)根据挤压方法、工艺条件与设备结构，合理选择模具材料。,冷挤压时工模具在很高的压力下工作（可达15002000MPa），局部温度可达150200C，挤压速度快，受冲击力作用大。除3Cr2W8V钢外，可选用硬质合金材料制造挤压工模具。静液挤压时，模具处于高压液体包围中，呈预应力状态，可选用3Cr2W8V钢。穿孔挤压时的针尖，水冷或液氮冷却的模具等，应选用良好抗激冷激热的材料；正向无润滑挤压时，模具的耐腐蚀性、表面硬度、氮化性能等，应比润滑挤压时的材质好。,(4)根据挤压工模具的结构形状和尺寸选择模具材料。挤压管、棒、普通实心型材的平面模，一般选用5CrNiMo或3Cr2W8V钢制造；形状复杂的特殊型材模、舌型模、平面组合模等，用4Cr5MoSiV1、3Cr2W8V或更高级的材料。一般情况，用5CrNiW、5CrNiMo、5CrMnSiMoV等材料制造挤压筒。但小挤压筒、高比压挤压筒、扁挤压筒，内套选用3Cr2W8V或4Cr5MoSiV1，中套选用5CrNiMo，外套可选用45号锻钢。,组合式挤压杆、针支承等，其工作部分选用3Cr2W8V或4Cr5MoSiV1钢，基座部分选用5CrNiMo。受重载荷的小尺寸工模具，应选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1或更高级的材料；对于大尺寸，质量超过300kg的模具和500kg的基本工具，一般不宜采用3Cr2W8V，最好选用4Cr5MoSiV1。(5)要考虑材料的价格及其他因素。,3挤压模具设计3.1挤压模具的分类及装配形式3.1.1挤压模具的分类(1)按模孔压缩区断面形状分类有：,(2)按挤压产品的品种分为：棒材模、普通管材模、实心型材模、空心型材模、壁板型材模、变断面型材模和管材模。(3)按挤压方法和工艺特点分为：热挤压模、冷挤压模、静液挤压模、反挤压模、连续挤压模、水冷模、宽展模、卧式挤压机用模、立式挤压机用模等。,(4)按模孔数目分为：单孔模和多孔模。(5)按模具结构形式可分为：整体模、分瓣模、可卸模、活动模、舌型组合模、平面分流组合模、嵌合模、插架模、前置模、保护模等。(6)按模具外形结构分为：带倒锥体的锥形模、带正锥体的锥形模、带凸台的圆柱形模、带倒锥体的锥形中间锥体形压环的模具、带倒锥的圆柱锥形模、加强式模具等。,上述分类是相对的，一种模具往往具有上述分类中的几种特征。归纳起来可分为四大类：（1）整体模模子是由一块钢材加工制造。广泛用于挤压铝合金型、棒、管材。按模孔压缩区的断面形状可分为7种。最常用的是平模和锥模。平模：挤压铝合金型材、棒材，镍合金、铜合金管、棒材。锥模：挤压铝合金管材，高温合金钨、钼、锆等。,LX0240普通型材单孔模,LX02222普通型材双孔模,（2）拆卸模由数块拼装组成一整体模子。用于生产阶段变断面型材。模子是由大头和小头两部分构成。而这两部分又分别由多块组装而成。,（3）组合模用于生产内径较小的管材、各种断面形状的空心型材。桥模（舌形模）：所需的挤压力较小，焊合室中延伸系数大，主要用于挤压硬合金空心型材。但挤压残料较多。平面分流模：多用于挤压变形抗力低、焊合性能好的软合金空心型材。残料较少。,舌形模,分流模,（4）专用模具如水冷模、宽展模等等。水冷模,宽展模,3.1.2挤压模具的组装方式模具组件一般包括：模子、模垫、模支承或模架。在挤压无缝管材时还包括穿孔针及针尖等。根据挤压机的结构和模座形式的不同（纵动式、横动式、转动式等），模具的组装方式也不一样。3.1.2.1带压型嘴的挤压机这种形式的挤压机一般具有纵动式模座(也叫压型嘴)。,3.1.2.2不带压型嘴的挤压机,3.2挤压模具结构要素设计3.2.1单孔模,(1)模角平模：=90锥模：当=4560时，挤压力最小；当=4550时，死区很小，甚至消失。挤压有色金属时通常选择=6065。(2)工作带（定径带）长度h工作带的作用：稳定制品尺寸，保证制品表面质量。工作带长度的确定原则：,A、工作带的最小长度，应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。一般最短1.53mm。B、工作带的最大长度，是按照挤压时金属与工作带的最大有效接触长度来确定。铝合金一般最长不超过1520mm。通常情况下，挤压轻合金工作带长度为28mm，常用35mm。黄铜、紫铜、青铜为812mm。白铜、镍合金为35mm。稀有难熔金属为48mm。,(3)工作带直径dg确定工作带直径时要考虑下列因素影响：标准允许的尺寸偏差，合金，冷却收缩量，模孔尺寸的变化，张力矫直时的断面收缩率等。对于只考虑负偏差时：dg=（1+k）d0式中：d0棒材名义尺寸（六角棒为内切圆直径，方棒为边长），mm；k综合系数。黄铜、镁合金、纯铝及软铝合金，取k=11.2%；硬铝合金取0.7%；紫铜取1.5%；青铜取1.7%。,(4)模孔出口端直径dch为防止划伤制品表面，一般:dch=dg+35mm(5)模孔入口圆角半径rr的作用：防止低塑性合金挤压时产生表面裂纹；减轻金属在进入工作带时产生的非接触变形；减轻高温挤压时模子入口棱角被压秃而很快改变模孔尺寸。r的取值：与合金的强度、挤压温度及制品尺寸有关。,一般紫铜和黄铜取r=25mm；白铜取48mm；蒙耐尔合金取1015mm；钢与钛合金取38mm；镁合金取13mm；铝合金取0.20.5mm，通常在设计时可以不考虑，在修模时掌握。(6)模具外形尺寸外形结构带倒锥体的锥形模：应用最广泛，优点是具有足够的强度，可节省模具材料。,倒锥模装配,带正锥体的锥形模：安装在压型嘴内不使用模垫，主要用来挤压横断面上带有突出部分的形状复杂的型材。缺点是模具在压型嘴内装配需要带有自锁锥体（约4的锥度），使得模孔的修理和挤压后从压型嘴中取出模具较困难。,正锥模装配,外形尺寸模子外圆尺寸D模子外圆直径主要依据挤压机吨位和挤压筒大小、模孔的合理布置及制品尺寸来确定，并考虑模具外形尺寸的系列化，便于更换、管理，一般一台挤压机上最好只有12种规格。对于棒材、管材、外接圆直径不大的型材和排材，一般取D=（0.80.85)D0。对于外接圆直径较大、形状较复杂的型材及排材，可取D=（1.151.3)D0。,模子厚度尺寸H模子厚度主要是根据强度要求及挤压机吨位来确定，在保证模具组件（模子+模垫+垫环）有足够强度的条件下，模子的厚度应尽量薄。一般H=2580mm，80MN以上吨位挤压机取80150mm。模具厚度也应系列化。模子的外形锥角正锥模：取锥角为130“4。倒锥模：取锥角为610。,(7)模具外形尺寸的标准化、系列化减少模具设计制造的工作量，降低成本，缩短生产周期，提高效率。通用性大，互换性强，只需要配备几种规格模支承或模架，节约钢材，容易备料，便于维修和管理。有利于提高产品尺寸精度。一般情况下，每台挤压机均采用一种或几种规格的外圆直径和厚度的标准模子。,常用模具外形尺寸,3.2.2多孔模挤压直径较小的棒材、简单断面小规格型材、线坯等时，为提高挤压机的生产效率，避免挤压比过大引起挤压力过高或挤不动，受料台长度的限制，造成锭坯过短，成品率太低等，采用多孔模。(1)模孔数目n的确定n=F0/（F1）式中：F0挤压筒断面积；F1单根制品断面积；合理的挤压比范围。,合理的挤压比与挤压机的吨位、挤压筒直径、被挤压金属的性质等有关。不同尺寸的挤压筒上挤压硬铝合金时的挤压比范围为：,(2)模孔排列a、模孔布置在距模子中心一定距离同心圆上，且各孔之间的距离相等；同心圆直径D与挤压筒直径D0的关系：D=D0/a-0.1(n-2)式中：a经验系数，取2.52.8。一般可取2.6。b、模孔与模孔间、模孔边部距挤压筒壁间应保持一定距离。,3.3型材模设计挤压型材的断面是非常复杂的，有各式各样，仅铝型材的规格品种就有约50000种。其特点是：（1）绝大多数断面是不对称的；（2）型材断面与锭坯断面不相似；（3）型材断面各部位壁厚差大；（4）多数带有各种形状的空心。,其结果易造成金属流动不均匀，出现扭拧、弯曲、波浪、裂纹、甚至某些部位或局部充不满金属等缺陷；易造成模具的早期失效及损坏。型材模具设计中要解决的两个主要问题：金属流速不均；模具强度。型材模设计的主要内容包括五方面：模子形式确定一般情况下，普通实心型材用平模；软合金空心型材用平面分流模；硬合金空心型材用舌型模。,模孔配置根据型材断面尺寸图，预选挤压筒；根据制品断面积，合理的挤压比范围，确定模孔数；根据制品的形状、断面积、外接圆直径、合理的模孔排列，最后确定挤压筒直径，计算实际挤压比。模孔尺寸确定根据被挤压合金的化学成分，产品的形状、尺寸及允许偏差，挤压温度及在此温度下模具材料与被挤压合金的线膨胀系数，产品断面上的几何形状特点及其在挤压和拉伸矫直时的变化，挤压力大小及模具的弹塑性变形情况等确定。,模子强度校核由于挤压型材断面的复杂性，挤压模具的工作条件又是十分恶劣的，除了合理布置模孔的位置，选择合适的模具材料，设计合理的模具结构和外形之外，应精确计算挤压力和校核各危险断面的许用强度。模具材质选择及对模具加工质量、使用条件的要求如：模具经淬火、回火处理后的硬度；形位公差、尺寸公差；表面粗糙度；表面处理要求；与其他工具的配合要求等等。,3.3.1普通实心型材模具设计3.3.1.1模孔在模子平面上的合理布置A单孔挤压时的模孔布置(1)具有两个以上对称轴的型材，型材的重心布置在模子中心。,(2)具有一个对称轴，如果断面壁厚差不大，应使型材的对称轴通过模子的一个坐标轴，使型材断面的重心位于另一个坐标轴上。,(3)对于非对称的型材和壁厚差别很大的型材，将型材重心相对模子中心偏移一定距离，且将金属不易流动的壁薄部位靠近模子中心，尽量使金属在变形时的单位静压力相等。,(4)壁厚差不太大，但断面较复杂的型材，将型材断面外接圆的圆心布置在模子中心。对于挤压比很大，金属流动困难或流动很不均匀的某些型材，可采用平衡模孔或增加工艺余量的方法。,B多孔挤压时的模孔布置对于断面尺寸小，外形尺寸大但断面积较小，或轴对称性很差的小断面型材，可以采用多孔模排列，常用2、4、6孔。挤压多孔型材时，模孔布置必须遵守中心对称原则，可以不遵守轴对称原则。配置模孔时，型材断面上薄壁部分应向着模子的中心；对称性较好、壁厚差不大的型材，模孔的重心应均布在以模子重心为圆心的圆周上。,为了保证模子强度，多孔型材模的模孔之间也应保持一定距离。对于80MN以上的大型挤压机取60mm以上；能力在50MN左右的挤压机取3550mm；20MN以下的挤压机取2030mm。为了保证制品的质量，模孔边缘与挤压筒壁之间的距离不能太小，避免制品边缘出现成层缺陷。,3.3.1.2减少金属不均匀流动的措施A确定合理的工作带长度当型材断面较复杂，仅依靠合理布置模孔难以消除金属流动不均时，可采用不等长工作带。即：型材断面壁厚处的工作带长度大于壁薄处。也就是说比周长小的部分工作带长度大于比周长大的部分。比周长型材断面周长（或某一部分的周长）与其所包围的截面面积的比值。,对于如图所示的不等壁型材,模孔工作带长度可按下式简便计算：hF1/hF2=sF1/sF2或hF1/hF2=zF2/zF1式中：hF1、hF2截面F1、F2处工作带长度；sF1、sF2截面F1、F2处壁厚；zF1、zF2截面F1、F2处的比周长。,计算时，先根据经验给出型材壁最薄处的工作带长度hF1，再计算壁厚处的hF2。,按上述计算方法确定了不同壁厚处的工作带长度后，还需按同心圆规则进行修正，最终确定距离模子中心不同部位的工作带长度。同心圆规则：当型材壁厚相同时，与模子中心距离相等处其工作带长度相同；由模子中心起，每相距10（同心圆半径）工作带长度的增减数值可按下表进行确定。,同心圆规则图示,模孔工作带长度增减值,对于以下几种情况，需要酌情对模孔工作带长度进行必要的增减：(1)交接圆边有凹弧R(R1.5mm)者，工作带可增加1mm。(2)螺孔处工作带可增加1mm。(3)交接圆边有凸弧R(R1.5mm)者，工作带可减短1mm。(4)壁厚相同的各个端部的工作带可减短1mm。,B设计阻碍角当计算出的工作带长度超出其最大允许长度后，依靠设计不等长工作带的方法来调节金属流速已经不起作用，这时可在金属流速较快的模孔入口处作一阻碍角，以减缓该处金属的流动速度，达到均衡流速的目的。阻碍角在型材壁较厚处的模孔入口侧做一个小斜面，以增加金属的流动阻力，该斜面与模子轴线的夹角叫阻碍角。阻碍角一般取312，最大不超过15。,阻碍角示意图,阻碍角大小对挤压棒材长度影响,C设计促流角与设计阻碍角相反，也可以在金属流速较慢、难变形的薄壁部位的模孔入口端面处作一有助于金属流动的促流角，以加快该处金属的流动速度，达到均衡流速的目的。促流角在型材壁较薄处的模孔入口端面处做一个促流斜面，该斜面与模子平面间的夹角叫促流角。促流角一般取310。,促流角示意图,D采用平衡模孔挤压某些对称性很差的型材时，当模子上只能布置一个型材模孔时，为了平衡金属流速，采用平衡模孔方式。,E设计附加筋条或工艺余量挤压宽厚比很大的壁板型材时，如果对称性很差，可采用附加筋条或工艺余量的方式平衡金属流速。,F设计导流模或导流腔在型材模的前面，增加一个导流模，或在型材模入口端面作一个与挤压型材断面形状相似的模腔，在模腔的底部再设计模孔，人为的使金属流向流动阻力大的模孔入口处。G多孔对称布置模孔对于对称性极差的型材，采用多孔中心对称排列模孔，是解决流速不均最有效方法之一。,LX0240型材模的导流腔,3.3.1.3型材模孔尺寸设计模孔尺寸设计时要考虑下列因素影响：a、合金牌号；b、产品的形状、尺寸及允许偏差；c、挤压温度及在此温度下模具材料与被挤压金属的线膨胀系数；d、产品断面的几何特点及在挤压和拉伸矫直时的变化；e、挤压力大小及模具的弹塑性变形。,型材模孔尺寸按下式计算：A=A0+M+（Ky+Kp+Kt）A0式中：A0型材断面公称尺寸；M公称尺寸的允许偏差；Ky边缘较长的丁字形、槽形等型材，考虑了拉应力作用而使型材部分尺寸减小的系数；Kp考虑了拉伸矫直时的尺寸缩减系数；,Kt型材的热收缩量，Kt=tt11；t、t1分别为坯料和模具的加热温度；、1分别为挤压温度下型材和模具材料的线膨胀系数。对于铝合金，M、1可从有关标准和手册中查到。系数Ky、Kp可按下表。,系数Ky、Kp值,设计普通型材模孔尺寸时，也可按下述简便方法设计模孔的外形和壁厚：模孔的外形尺寸（宽、高）A:A=A0（1+k）+1式中：1型材外形尺寸的正偏差；k综合经验系数，铝合金取0.0070.01。模孔的壁厚尺寸S:S=S0+2式中：2型材壁厚尺寸的正偏差。,另外，对于一些特殊型材或型材的特殊部位，在模孔尺寸设计时应采取特殊的方法。(1)带有圆角、圆弧的型材没有偏差要求的圆角和圆弧，模孔尺寸可按型材名义尺寸设计；有偏差要求时，按上述方法计算。,(2)带有角度的型材对于带有角度的型材，一般情况下模孔尺寸与型材名义尺寸相同。但对于易发生并口的角材，设计时模孔角度应增大12；对于易发生扩口的槽形型材，设计时角度应减小12。,(3)型材的一些特殊部位对于各部分壁厚相差悬殊，特别是远离挤压筒中心的壁薄部分，由于受强烈的拉力作用而产生较大的非接触变形，不能充满模孔；对于宽而薄的排材，其中间部分流速快易产生非接触变形；槽形型材的底部，一方面由于流速快产生非接触变形，另一方面舌头变形，从而造成中间部分变薄。这些部位在设计时，模孔尺寸应增大0.10.8mm。,型材模孔特殊部位尺寸设计,普通实心型材模设计举例一、LX0240型材单孔模设计,（1）模孔布置,（2）设计工作带长度把型材断面按壁厚尺寸不同分成5个部分，计算各部分的工作带长度。,首先给定薄壁部分F1处的工作带长度为hF1=3，则：hF2=5.2mmhF3=5.4mmhF4=7.1mmhF5=5.6mm由于型材各部位离挤压筒中心的距离不同，即便是型材各部位壁厚相同，也不能按上述计算取相同长度的工作带。,依据同心圆规则，结合上述计算，设计型材模孔各部位工作带长度,模孔各部位的工作带长度,型材模孔局部工作带,（3）设计导流腔在型材模孔入口处设计一个与型材断面形状相似的导流腔。导流腔的轮廓尺寸比型材的外形轮廓尺寸大615mm；导流腔的深度按照挤压筒大小不同一般取1030mm；导流腔的入口做成315的角度；导流腔各部位采用圆滑过渡。,LX0240型材模的导流腔,（4）型材模孔尺寸设计取系数k=0.007。各部位具体尺寸为：外形630.51的模孔尺寸为0.51+（1+0.007）63=63.951，取64.0。外形910.51的模孔尺寸为0.51+（1+0.007）91=92.147，取92.1。外形610.51的模孔尺寸为0.51+（1+0.007）61=61.937，取61.9。外形710.51的模孔尺寸为0.51+（1+0.007）71=72.007，取72.0。,外形17.50.41的模孔尺寸为0.41+（1+0.007）17.5=18.033，取18.0。外形620.51的模孔尺寸为0.51+（1+0.007）62=62.944，取62.9。外形290.41的模孔尺寸为0.41+（1+0.007）29=29.613，取29.6。外形80.36的模孔尺寸为0.36+（1+0.007）8=8.416，取8.4。左右两壁厚60.2的模孔尺寸为6+0.2=6.2mm。,顶部壁厚60.2的模孔尺寸为6+0.2+0.00560=6.5。壁厚50.2的模孔尺寸为5+0.2=5.2。型材中所有半径为R3的圆角的模孔尺寸为0.2+（1+0.007）3=3.221，取R3.2。型材中所有半径为R1.5的圆角的模孔尺寸为0.2+（1+0.007）1.5=1.7105，取R1.7。LX0240型材模孔尺寸如下图：,括号外为型材尺寸，括号内为模孔尺寸,LX0240型材模（入口端）,出口端,二、LX0222双孔型材模设计,（1）模孔布置,（2）设计工作带把型材断面按壁厚尺寸不同分成5个部分，计算各部分的工作带长度。,首先给定薄壁部分F1的工作带长度为hF1为3mm，则：hF2=4.1mmhF3=16.0mmhF4=4.7mmhF5=7.1mm,依据复合同心圆规则，结合上述计算，设计型材模孔各部位工作带长度,模孔各部位的工作带长度,（3）设计阻碍角及导流腔,（4）设计模孔加工尺寸取系数k=0.007，各部位具体尺寸如下：外形220.74的模孔尺寸为0.74+（1+0.007）22=22.894，取22.9。外形110.69的模孔尺寸为0.69+（1+0.007）11=11.767，取11.8。外形280.74的模孔尺寸为0.74+（1+0.007）28=28.936，取28.9。外形620.91的模孔尺寸为0.91+（1+0.007）62=63.344，取63.3。,外形590.81的模孔尺寸为0.81+（1+0.007）59=60.223，取60.2。外形790.91的模孔尺寸为0.91+（1+0.007）79=80.463，取80.5。外形350.81的模孔尺寸为0.81+（1+0.007）35=36.055，取36.1。外形170.74的模孔尺寸为0.74+（1+0.007）17=17.859，取17.9。外形70.53的模孔尺寸为0.53+（1+0.007）7=7.579，取7.6。,外形50.50的模孔尺寸为0.50+（1+0.007）5=5.535，取5.5。外形40.50的模孔尺寸为0.50+（1+0.007）4=4.528，取4.5。外形30.50的模孔尺寸为0.50+（1+0.007）3=3.521，取3.5。型材中所有半径为R3的圆角的模孔尺寸为0.30+（1+0.007）3=3.321，取R3.3。,型材中所有半径为R2的圆角的模孔尺寸为0.2+（1+0.007）2=2.214，取R2.2。型材中所有半径为R1的圆角的模孔尺寸为0.1+（1+0.007）1=1.107，取R1.1。LX0222型材模孔尺寸如下图（括号外为型材尺寸，括号内为模孔尺寸）：,LX0222型材模孔设计尺寸,LX0222型材模（入口端）,出口端,3.3.1.4型材模具强度校核在设计型材模时，强度问题是一个非常重要的问题，尤其是带有悬臂部分的半空心型材模具，在生产中往往由于强度或刚度不够，悬臂根部在挤压时受到很大压力而易发生弯曲，引起模孔变形或损坏，需要进行强度校核。另外，用平面模挤压双孔扁条类型材时，模子易从两个危险截面发生剪切变形而破坏，也需要对其进行强度校核。,（1）槽形型材模强度校核,把槽形型材模的突出部分，看成是一个受均布载荷的悬臂梁，其根部是危险截面，计算模子的最小厚度。求单位压力pp=P/F0式中：P挤压力（用挤压机的额定压力），N；F0挤压筒断面积，mm2。求舌头根部的弯曲应力w舌部载荷Q：Q=pal,舌头根部弯矩M：舌头根部截面模数W：则弯曲应力为：,模具的最小厚度H式中：h模具厚度（模子和模垫的总厚度），mm；l悬臂梁长度，mm；a悬臂根部断面宽度，mm；b悬臂根部断面出口宽度，mm；,w模具材料的许用弯曲应力，MPa。当模具材质选用3Cr2W8V钢时，在500C时，取w=650MPa；400C时，取980MPa。按照上式计算出的模具厚度进行设计，可以保证模子的悬臂部分在发生弯曲变形的情况下，基本不会发生断裂。但是，当弯曲较大时，会导致模孔尺寸发生变化而影响型材的精度。,悬臂梁端部挠度max计算模具悬臂梁端部最大挠曲变形按下式计算：式中：q悬臂梁单位长度上的压力，q=Q/l，N/mm；E模具材料弹性模量，对于3Cr2W8V钢，取E=2.2105Mpa；,J悬臂梁截面的惯性矩，J=bH3/12，mm4。只有当悬臂前端的挠度max100）；中等挤压合金（Z=10050）；难挤压合金（Z50）。根据金属的可挤压性，可以评价用不同合金获得所需要型材的可能性和挤压的相对难易程度。可以确定模具的结构形式及所要采取的其他措施。,3.3.2.3舌形模的结构形式,（1）突桥式挤压硬铝合金时应用较广泛。模子加工制造较简单，所需要的挤压力较小，焊合室中的延伸系数大，型材各部分的金属流动较均匀，可以采用较高的挤压速度。缺点是挤压残料较长，一般为(0.91.1)D0，而半突桥式和埋入桥式的分别为(0.50.7)D0和(0.20.3)D0，模桥和桥支座的强度不如另外两种结构的模子。（2）埋入桥式,优点是强度很高。但加工制造较复杂，挤压力较大，挤压难变形的硬合金制品时，挤压比和铸锭长度受限制，型材尺寸受限制。用剪刀分离残料时留在模具的锥形漏斗和模腔内的残料会影响下一根型材的表面质量和焊缝质量。（3）半埋入桥式介于上述两种模子之间，主要优点是强度很高，残料较小。在挤压很难变形的5A06合金等型材时常采用。,3.3.2.4舌型模模孔的合理配置（1）舌型模挤压金属变形流动特点被模桥劈开的几股金属在多数情况下的体积是不相等的。金属沿舌头长度会产生附加摩擦力。沿模桥侧表面会产生不均匀的摩擦力。在被分开的金属体积中会产生温差。从而促使金属从模孔流出的速度不均，造成型材几何形状产生附加弯曲。,（2）模孔的合理配置模桥的位置不能偏离模具中心过大，以免使焊合室的容积显著减少，金属难以充满焊合室。应使被模桥分开的金属断面积与模孔断面积成正比。组合针可偏离模桥中心，以避免模桥过于靠近挤压筒壁。在靠近挤压筒壁一边的模桥上开缺口，以增大金属的供应量。,模芯偏离模桥中心,3.3.2.5舌型模结构要素设计,A模桥（1）断面形状模桥的断面形状主要有梭子形、菱形和水滴形三种。,梭子形分离残料容易，抗剪强度高，但残料较多。菱形桥高可降低，减少残料，但焊合室中残余金属较多，影响产品质量。水滴形易分离残料，产品质量好，模桥强度高，应用最广泛。,（2）桥高hh过大，使残料增加，成品率降低，分离残料困难。h过小，影响桥厚尺寸H，降低模桥强度。通常可取，h=（1.52)d1。一般情况下也可以取h=4050mm。（3）桥长LL根据挤压筒直径确定，一般可取：L=D0-（25）mm,（4）桥宽b根据挤压机能力不同，一般取：b=2060mm。也可取：b=（1.11.2)d1或b=db大，桥的强度高，但挤压力大；b小，桥的强度低。（5）桥厚H桥的厚度H应根据强度计算来决定。一般情况下，桥的厚宽比为：H/b=1.52.0,（6）桥面圆角r桥面一般作成圆弧形，圆角半径为：r=b/2（7）桥根部圆角半径R桥根部的圆角半径R大小对桥根的强度有很大影响，一般取：R=H-rB焊合室高度h1+h2焊合室作用：保证在模桥下聚集有足够的金属，使焊合室中建立起一个超过被挤压金属屈服强度1015倍的高静水压力，以便金属能够在高温高压下重新焊合。,焊合室的高度直接影响着焊缝质量的高低，它由两部分构成，即：桥孔高度h1和模腔凹下深度h2。桥孔高度h1大，焊缝质量好，但当h一定时，会降低桥的强度。如果h也随之增大，将使残料增大。在保证焊缝质量的情况下（即h1+h2一定），为了降低桥高，可适当增加h2的高度。如果把h1设计成负值或0，将焊合室移到模子里面，就成为半埋入式或埋入式舌型模。,焊合室高度与挤压筒直径有关，一般取1040mm。挤压机吨位大取上限，吨位小取下限。,C舌芯（针）d1舌芯决定了空心制品的内孔尺寸和形状。其尺寸同平面模设计一样按下式计算：d1=（1+k）d0为了保证内表面质量，舌芯的端部可做成5的倾斜角，并倒r=0.5mm的圆弧。舌芯的长度只要伸出模孔工作带即可。过长，易产生偏心；过短，易造成管材椭圆或型材变形。对于小吨位挤压机一般为24mm；大吨位挤压机可达到10mm。,D模子模子通常是单独加工，然后与模套热装组成一个整体的舌型模。,（1）模子的外径D1模子的外径D1应比产品的外接圆直径大820mm。（2）模子的高度A模子的高度A与模套的高度相同。（3）模孔尺寸D模孔尺寸D的确定与普通型材模相同。（4）工作带长度在工作带的有效长度范围内，随着工作带长度增加，焊缝和基本金属的强度,都增加，故舌型模的工作带比一般模子要长一些，而且在入口侧做成1左右的锥角；为了平衡金属流速，位于桥下部分的工作带长度比其它部位的要短一半；舌型模设计也可以采用不等长工作带、阻碍角、促流角等。（5）模子外形模子的外形根据制品的形状来决定，可以是圆形，也可以是矩形或其它形状，并且做成3左右的倒锥角。,3.3.2.6舌型模强度校核舌型模挤压时的受力情况比较复杂，承受着桥面单位长度上的均布载荷q的作用和舌芯上的摩擦力的作用，是一个三次静不定的受力系统，计算起来比较麻烦，可采用下面的简化办法来处理。把模桥看成是受均布载荷作用的简支梁，主要校核模桥的抗弯强度。对于水滴形截面桥，可近似按椭圆形截面来处理，其长半轴为H/2，短半轴为b/2。,如果不考虑摩擦的影响，于是：,式中：p作用在挤压垫上的最大单位压力，MPa；l桥支座之间的距离，mm；a桥椭圆断面长轴半径，mm；b桥椭圆断面短轴半径，mm；q作用在桥上的单位长度上的载荷，N/mm；w许用弯曲应力，对3Cr2W8V钢，在400取650MPa；在500时可取980MPa。,XC052舌型模设计举例,XC052铝型材安排在19.6MN挤压机的200mm挤压筒上生产，挤压比为61.5，合金为5A06。（1）模桥的断面形状选择水滴形。（2）桥高h：对于XC052，d1=34mm，则可取h=70mm。（3）桥长L：XC052安排在200mm挤压筒上，取L=195mm。（4）桥宽b：取b=40mm。（5）桥厚H：取H=65mm。,（6）桥面圆角r：取r=20mm。（7）桥根部圆角半径R：取R=45mm。（8）焊合室高度h1+h2取h1=5mm，h2=20mm，即：h1+h2=25mm。（9）舌芯（针）d1根据计算取d1=34.6mm。（10）模子外形尺寸,模子外形根据制品采用正方形，取边长为70mm，则两个桥墩之间的距离（即桥孔长度）也取70mm。（11）工作带长度XC052模孔可以被桥遮挡住，工作带长度可取一样，取为5mm。,（12）强度校核对于所设计的XC052模具，安排在19.6MN挤压机的200mm筒上挤压时，挤压筒的比压p=624MPa，两个桥支座之间距离l=70mm，模桥厚度H=65mm，桥宽40mm。则模桥的抗弯强度为：w=615MPa（650980）MPa,3.3.3平面分流模设计平面分流组合模是在桥式舌型模的基础上发展起来的，实质是桥式舌型模的一个变种，即把突桥改成为平面桥，所以又称为平刀式舌型模。平面分流组合模一般是由阳模（上模），阴模（下模），定位销，联结螺钉四部分组成。,在上模上有分流孔，分流桥和模芯，分流孔是金属通往型孔的通道，分流桥是支承模芯（针）的支架，而模芯（针）用来形成型材内腔的形状和尺寸。在下模上有焊合室，模孔型腔，工作带和空刀。焊合室是把分流孔流出来的金属汇集在一起重新焊合起来形成以模芯为中心的整体坯料，由于金属不断聚集，静压力不断增大，直至挤出模孔。,定位销用于上下模的装配定位，而联结螺钉是把上下模牢固地联结在一起。根据分流桥的结构不同，把平面分流模又分为固定桥和可拆卸桥式两种，又分别称为孔道式和叉架式分流模。,3.3.3.1平面分流模挤压的特点（1）平面分流模挤压的工作原理采用实心铸锭，在挤压机挤压力的作用下，金属在经过分流孔时被劈成几股金属流，汇集于焊合室（模腔），在高温、高压、高真空的模腔内又重新被焊合，然后通过模芯与模孔所形成的间隙流出，形成符合一定尺寸、形状和表面质量要求的管材或空心型材。,（2）平面分流模挤压空心型材的优点可挤压双孔或多孔内腔十分复杂的空心型材或管材，也可以同时挤压多根空心制品，桥式舌型模则很难实现甚至无法实现。可以挤压悬臂梁很大，用平面模很难挤压的半空心型材。可拆换，易加工，成本较低。与舌型模相比，残料较短，易分离。,可以实现连续挤压，根据需要截取任意长度制品。可以通过改变分流孔的大小、形状和数目，使断面形状比较复杂，壁厚差较大，难以用工作带、阻碍角和促流角等调节流速的空心型材很好成形。可以用带锥度的分流孔，实现在小挤压机上挤压外形较大的空心制品，而且能保证有足够的变形量。,（3）平面分流模挤压的缺点焊缝较多，可能会影响制品的组织和力学性能。要求模子的加工精度较高，特别是对于多孔空心型材，上下模要求严格对中。变形阻力较大，挤压力一般比平面模高30%40%，比桥式舌型模高15%20%。残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修模。,3.3.3.2平面分流模结构要素设计（1）分流比确定分流比(K)就是各分流孔的断面积(F分)与型材断面积(F型)之比，即：K=K分/F型分流比K的大小直接影响到挤压阻力的大小，制品成型和焊合质量。K值越大，越有利于金属流动与焊合，也可减少挤压力。因此，在模具强度允许的范围内，应尽可能选取较大的K值。,在一般情况下，生产空心型材时，取K1030；生产管材时，取K815。（2）分流孔的形状、断面尺寸、数目及其分布分流孔的形状、断面尺寸，数目及不同的排列方式，直接影响到挤压制品的质量、挤压力和模具的使用寿命，对于每一特定的产品必须设计特定的分流孔。分流孔的断面形状有圆形、腰子形、扇形、矩形、梯形、橄榄形及异形等。,部分分流孔示意图,分流孔的数目有两孔、三孔、四孔和多孔多种，这要根据制品的外形尺寸，断面形状，模孔的排列位置等来确定。对于小直径的管材多采用34个圆形的或23个扇形分流孔；对大直径管材多采用23个扇形分流孔；对外形尺寸大，断面形状复杂的管材和型材或空心壁板，则采用4个以上的异形分流孔；对于宽厚比大的扁宽型材或空心壁板，有时采用多达10个以上的矩形分流孔。,分流孔数目要尽量少，以减少焊合缝，增大分流孔的面积，降低挤压力。分流孔的断面尺寸主要根据制品的外形尺寸，制品的断面积，以及所要求的分流比，模具的强度等因素来确定。为了降低挤压力，提高焊缝质量，或者对制品的外形尺寸较大，想扩大分流比又受到模子强度的限制时，分流孔可做成斜形孔（分单锥形和双锥形两种），一般说来，其内斜度为13，外锥度取36。,分流孔在模子平面上的合理布置，对于平衡金属流速，降低挤压力，促进金属的流动与焊合，提高模具寿命等都有一定的影响。对于对称性较好