客车水槽铝型材挤压模具设计

客车水槽铝型材挤压模具设计摘要本设计开始就对客车水槽做了结构工艺分析，综合考虑采用卧式挤压机进行热正挤压的成型方式，并进一步分析了6063铝合金的各项性能，确定了生产过程的各个详细的工艺参数及生产流程。紧接着选择了500吨的挤压设备，选用4CR5MOSIV1作为模具材料，并确定使用平面模来对产品进行生产，确定平面模的外形尺寸、采用预应力组合凹模、模孔数为2、模孔为中心对称分布、模孔外形尺寸的修正及模孔工作带长度并对平面模进行了强度校核；考虑添加了模孔形状为椭圆形的导流模，计算了锭坯尺寸、挤压比和挤压力。最后对挤压工具进行了设计，主要涉及挤压筒的设计，其中挤压筒采用内外两层的结构形式；选择内外套的配合形式及各项尺寸，并进行强度校核；挤压轴的设计，主要有挤压轴的结构形式及具体尺寸，并校核；挤压垫片设计，主要有尺寸选取及强度校核。本套模具投入使用时，可在490530的温度下生产出表面粗糙度可达到04的客车水槽，最高挤压速度可达80M/MIN。ARM关键字铝型材，挤压，模具设计，制造BUSSINKSALUMINUMPROFILEEXTRUSIONDIEDESIGNABSTRACTTHEDESIGNOFSPACETODOTHETECHNOLOGYANALYSISOFSTRUCTURESINK,COMPREHENSIVECONSIDERATIONOFTHEEXTRUSIONMACHINEADOPTSHORIZONTALHEATISEXTRUSIONMOLDINGWAY,ANDFURTHERANALYZESTHEVARIOUSPROPERTIESOF6063ALUMINUMALLOY,DETERMINETHEPRODUCTIONPROCESSOFEACHDETAILEDPROCESSPARAMETERSANDTHEPRODUCTIONPROCESSANDTHENCHOOSETHE500TONSOFEXTRUSIONEQUIPMENT,USE4CR5MOSIV1ASMOULDMATERIAL,ANDMAKESURETOUSEPLANEMODETOTHEPRODUCTPRODUCTION,TODETERMINETHESIZE,SHAPEMODELPLANEUSINGPRESTRESSEDCONCRETECOMBINATIONCONCAVEDIE,DIEHOLEFOR2,MODELHOLEFORTHESYMMETRICDISTRIBUTIONCENTER,MODELHOLESHAPEDIMENSIONOFFIXEDANDMODELHOLEWITHLENGTHOFTHEPLANEANDWORKSTRENGTHCHECKMODULECONSIDERADDEDMODELHOLESHAPEFORTHEOVALDIVERSIONMODULE,ANDCALCULATEDTHEPIECESOFBILLETSIZE,EXTRUSIONRATIOANDTHEIMPACTEXTRUSIONFINALLYTHEDESIGNOFEXTRUSIONTOOL,MAINLYRELATINGTOTHEDESIGNOFTHETUBEEXTRUSION,INCLUDINGEXTRUSIONWITHTWOLAYERSINSIDEANDOUTSIDEOFTHETUBESTRUCTUREFORMCHOICEOFINTERNALANDEXTERNALSETWITHFORMSANDTHESIZEANDINTENSITYSQUEEZEOFTHEAXISDESIGN,AREMAINLYJOSTLINGOFTHEAXISSTRUCTUREFORMANDTHEDETAILEDDIMENSION,ANDCHECKEDDUMMYBLOCKSDESIGN,BASICALLYHAVESIZESELECTIONANDINTENSITYTHESETOFTHEMOULDPUTINTOUSE,CANBEIN490TO530TEMPERATUREOUTPUTGROWSINTHESURFACEROUGHNESSOF04BUSSINKS,HIGHESTEXTRUSIONSPEEDCANREACH80M/MINKEYWORDSALUMINUMALLOYPROFILE,EXTRUDINGMOLD,DESIGN,MANUFACTURE目录前言1第一章结构工艺分析211产品工艺分析2111产品结构分析2112挤压方式的分析确定2113挤压模具的初步选定3126063铝合金工艺分析31216063铝合金的应用31226063铝合金的特点41236063铝合金的组成41246063铝合金的性能413挤压工艺流程及工艺参数5131挤压工艺流程5132挤压工艺及工艺参数条件的确定5第二章平面模设计821型材挤压方法概述822选择挤压设备8221型材挤压机的分类8222典型的型材挤压机9223选择挤压设备1023锭坯尺寸选择1124计算挤压比1125计算挤压力1226模具材料的选用13261型材挤压对模具材料的要求13262挤压模具的材料1427模组选择1528型材模设计16281组合凹模设计16282模孔的合理布置19283模孔几何尺寸的确定21284减少金属流动不均匀的措施2229导流模设计26210强度校核27第三章挤压工具设计2933挤压筒的设计29331挤压筒工作内套的结构29332挤压筒与模具平面的配合方式29333挤压筒结构尺寸的设计3034挤压轴的设计31341挤压轴的结构形式31342挤压轴尺寸的确定31343挤压轴强度校核3235挤压垫片设计33351垫片尺寸的确定33352挤压垫片强度校核34第四章模具装配简图35结论36谢辞37参考文献38外文资料翻译39前言本设计是本科毕业设计的设计课题，主要设计客车水槽铝型材挤压模具。旨在设计能够生产6063铝合金为原材料的客车水槽。挤压工艺是一种优质、高效、低消耗的少无切削加工工艺，在汽车、机械、轻工、航天、航空、军工、电器等制造领域得到越来越广泛的应用。挤压技术，作为一种先进的制造技术，在目前原材料价格不断上涨，市场竞争日趋剧烈的情况下，开拓了进一步研究和推广应用的广阔前景。从某种意义上来说，挤压技术的发展是衡量一个国家制造业，甚至工业现代化的水平高低的一个重要标志。由于科学技术的进步，经济的高速发展与人民生活水平的不断提高，对铝及铝合金管、棒、型、线材产品提出了越来越高的要求，近几十年来，国内外的生产技术与装备也获了长足的发展并达到了相当高的水平。我国的挤压工业与技术也有了极大的进步，但与国际先进水平仍有一定的差距。本课题主要目的就是设计一套能挤压生产出客车水槽的模具。模具的设计是一个比较复杂的过程，设计过程中涉及很多的内容及个方面的数据，本文就是详细的介绍了铝型材热挤压模具的设计过程，其中包括对6063铝合金的分析、坯料尺寸的选择、挤压比的计算、挤压力的计算、选定挤压的温度、模具材料的选用，重点是模具各工种部分的设计，凹模的设计、卸件及顶出装置的设计、导向装置的设计、压力垫板的设计、凸凹模的紧固方法等。最后绘制了模具的总装草图和总装配图以及一些必要的零件图，并且整理打印装订毕业设计说明书。本设计在设计过程中得到了很多同学的大力支持，特别是胡玉军同学给了我极大的帮助；通过借鉴参考文献中的研究成果，完成了本次毕业设计的全部任务；尤其得到金文忠导师和建材办公室方世杰主任的悉心指导和帮助，在此一并表示衷心的感谢。由于设计者的水平有限，不当之处敬请读者提出宝贵意见和建议。第一章结构工艺分析11产品工艺分析111产品结构分析本课题的产品客车水槽截面图如图11所示图11客车水槽铝型材截面从产品的横截面来看，改产品为实心型材挤压件，产品形状比较复杂而且不是轴对称，其中包含圆弧部分、支架部分和尖角部分。产品的外形尺寸偏小，高245MM，宽335MM，其中最小厚度为15MM，最大厚度不超过4MM。112挤压方式的分析确定首先需要确定的是本产品采用的挤压方式一定为正挤压，因为该产品就是典型的正挤压件。而正挤压应为设备的不同可分为卧式挤压机和立式挤压机。中、小管材一般可在立式挤压机上生产而无严重壁厚不均。在立式挤压机上甚至可挤压外径小于30MM的薄壁管。所采用的锭坯可使用目前在推广的水平连铸空心小断面铸锭；亦可使用大吨位挤压机挤压的厚壁管毛料。前者可节约一次挤压及其随后切削加工工序的金属损失与工时消耗，降低成本，并且不会是热处理可强化铝合金的挤压效应降低或者消失。综合考虑，本产品选取卧式挤压机作为生产的挤压设备。113挤压模具的初步选定普通实心型材主要用单孔或者多孔的平面模进行挤压。由于许多型材的断面不对称，而且锭坯的断面与型材断面没有相似性，且大多数的型材各个部分的壁厚也不相同，使得金属的流动也不均匀，造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷。因此，为了提高挤压制品的质量，在设计实心型材模具时，保证断面各个部分的流动速度均匀，并且要选择有足够强度的模具结构。综合各方面的资料，由于产品形状等问题，在型材模之前有必要加一个导流模，用以均匀金属流速和保护型材模，具体的分析及设计将在后面相应的章节提到。其次，本产品的模具形式初步选取采用平面模来进行生产，由于是批量生产，平面模很可能要加预应力圈，相关细节在后面会进行设计。126063铝合金工艺分析1216063铝合金的应用6063铝合金广泛应用于建筑铝门窗、幕墙的框架，为了保证门窗、幕墙具有高的抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能，对铝合金型材综合性能的要求远远高于工业型材标准。在国家标准GB/T3190中规定的6063铝合金成分范围内，对化学成分的取值不同，会得到不同的材质特性，当化学成分的范围很大时，其性能差异会在很大的范围内波动，以致型材的综合性能会无法控制。6063铝合金的主要合金元素为镁和硅，具有加工性能极佳、优良的可焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性，易于抛光、上色膜，阳极氧化效果良好，是典型的挤压合金。6063铝合金型材以其良好的塑形、适中的热处理强度、良好的焊接性能以及阳极氧化后表面华丽的色泽等诸多优点而被广泛应用于建筑型材、灌溉管材、供车辆、台架、家具、升降机、栅栏等用的管、棒、型材。1226063铝合金的特点6063合金具有以下特点（1）具有良好的可挤压性，可满足各种截面形状散热表面的要求。（2）具有良好的可加工性。（3）有着优越的机械强度及物理性能。（4）可保证型材有光滑的外观。（5）有一定的耐腐蚀性和着色处理能力。1236063铝合金的组成6063铝合金的化学组成主要有铝、硅、铜、镁、锌、锰、钛、铬、铁等几大元素。6063铝合金中各元素的含量如表11所示表116063铝合金成分元素铝硅铜镁锌锰钛铬铁含量（）余量0206010045090100100100100351246063铝合金的性能6063铝合金的机械性能如表12所示。表126063铝合金机械性能合金状态弹性模量（MPA）抗拉强度（MPA）屈服强度（MPA）布氏硬度（MPA）密度G/CM6063淬火自然时效710014518660732696063铝合金会随着温度的变化而发生一定的变化，具体如表13所示。表136063铝合金随温度变化的力学性能合金状态温度抗拉强度MPA屈服强度MPA伸长率150142133202056245402603124753152317806063淬火人工时效3701614105综合铝合金各项工艺参数及相关文献，本产品应采用热挤压的成型方式。13挤压工艺流程及工艺参数金属制品是经若干个工序制作出来的，每个工序按一定顺序连接起来，就形成了工艺。工艺要在一定条件下完成，有特定的工艺参数。131挤压工艺流程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人工时效表面处理包装入库132挤压工艺及工艺参数条件的确定应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类形状、形状等）、切压余、切头尾、淬火、冷却、等多方面的因素，合理地选择工艺或参数。（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，表面质量，为了降低变形抗力，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。一般取490530。（2）挤压筒预热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。可采用通电自行预热。（3）模子预热避免急热，延长模具寿命，应对模具进行预热。（4）挤压温度热挤压时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的075095倍，挤压过程中温度最好控制在500左右。（5）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，0820M/MIN，6080M/MIN。锭V流出V（6）工模具的润滑对于铝及铝合金，多采用在粘性物油中添加各种固态填料的悬浮状润滑剂，应用最广泛的是润滑剂为7080的72号汽油加2030的石墨。（7）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，低的热膨胀系数和良好的导热性，可加工性，及经济性。（8）切压余本设计视挤压设备而定，一般2030MM，要控制质量，切去缩尾等缺陷。（9）淬火本工艺过程中，制品挤出后可通过设置风扇对制品进行吹风来达到风淬（固溶强化）的目的，或采用喷水雾的方法。（10）冷却直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。（11）切头尾一般挤压制品的头部和尾部都存在缺陷，为了不影响制品的性能，需要进行切头尾的工作。切头尾的量可以是300500MM或5001000MM，本次设计头尾各切300MM。（12）切定尺本次设计取每根制品6M长作为切定尺的标准。（13）时效时效处理可以分为两种自然时效和人工时效。自然时效即让挤压制品在空气中停放；人工时效对6XXX系铝合金可在180240下保温68H。（14）表面处理为了提高制品的耐蚀性和抗疲劳性等，可以对其进行表面处理。表面处理一般有阳极氧化、着色、喷粉、喷涂、电泳、抛光等。（15）包装入库将铝合金成品进行包装入库。第二章平面模设计21型材挤压方法概述型材挤压方法可按三个基本特征分类。按挤压成型的类型，可分为实心型材挤压、空心型材挤压和沿型材长度方向断面变化的实心型材挤压；按坯料相对于挤压筒的移动特点，可分为正挤压、反挤压和联合挤压等；按挤压时所采用的工具类型及工艺装备，可分为卧式挤压机挤压、TAC反向挤压、热挤压、蠕变挤压和冲击挤压、辊挤法和有效摩擦连续或半连续挤压、静液挤压及无残挤压等。本课题属于实心型材加压。实心型材挤压采用两种基本方法，即金属正向流动的挤压、金属反向流动挤压，实心型材挤压见图21。图21实心型材正向挤压1挤压杆2挤压垫3挤压筒4挤压模5锭坯6挤压制品22选择挤压设备221型材挤压机的分类型材挤压设备使用最广泛的是液压传动的挤压机。按其结构及用途有以下几种类型。1单动挤压机与双动挤压机单动挤压机无独立穿孔系统，适于挤压实心型材于棒材；使用空心锭与随动针，或者使用实心锭与组合模，亦可挤压管材与空心型材。双动挤压机有独立穿孔系统，一般用于挤压管材；若更换实心挤压杆与挤压垫亦可挤压型材于棒材。2正向挤压机及反向挤压机正向挤压机已使用与所有的挤压过程，挤压各种制品。条件相同时，反向挤压机相对于正向挤压机可节能2040，制品质量、成品率和生产率均较高。但由于制品规格受模具强度限制，对锭坯表面质量要求高，操作较复杂，国内外使用反向挤压机尚不如正向挤压机广泛。3卧式挤压机与立式挤压机卧式挤压机的操作、监测和维修均方便，使用较普遍。但是长期使用过程中的磨损、变形及各种零部件的热膨胀，可导致主要挤压工具如挤压杆、穿针孔、挤压筒、模座不对中，是管材壁厚不均或型材挤压时流动不均匀。中、小管材一般可在立式挤压机上生产而无严重壁厚不均。在立式挤压机上甚至可挤压外径小于30MM的薄壁管。所采用的锭坯可使用目前在推广的水平连铸空心小断面铸锭；亦可使用大吨位挤压机挤压的厚壁管毛料。前者可节约一次挤压及其随后切削加工工序的金属损失与工时消耗，降低成本，并且不会是热处理可强化铝合金的挤压效应降低或者消失。222典型的型材挤压机型材挤压机主要用于多品种、中小批量的各种型、棒、线材加工。主要有JDL型棒材挤压液压机和JSL型管材挤压液压机。JDL、JSL型型材挤压液压机机具有如下特性（1）可以进行PC全自动控制，能实现主机和机后搬运设备或其他外围设备的自动控制，且可靠程度高。（2）机架采用张力柱结构形式，机座刚性好，导向装置精度高。（3）改挤压模架为双工位移动模架，故调模换模方便。（4）设有挤压主运动周期故障巡检盘和安全显示器监控，可实现安全生产运转。（5）挤压筒滑动模架采用“X”型导向，保证看它与挤压机动梁之间的较高的同轴度。（6）动力系统采用定变量液压泵组合，调速精度高，低速运动稳定性能好。（7）设置了锭坯送给、挤压垫片调节、残余材料自动处理运输系统等外围辅助设备后，可以节省劳动力，减轻劳动强度。223选择挤压设备现有三种型号的挤压机供选择，具体参数如表21所示。表21挤压机参数设备吨位500T800T1630T挤压筒直径MM0D95125187挤压截面积MMF70851226627451锭坯尺寸MMD90120178冷床长LM263244填充系数K111410851104压余厚HMM202530最大挤压比MAXG97482736最大外接圆直径MMAXD外6595147加工范围挤一根最小制品断面积MIN制A272150372挤压机的选择主要是根据挤压筒的直径进行选取。挤压筒直径必需满足三个条件（1）挤压比大小应满足制品质量要求。（2）单位挤压力大小应满足金属塑性成形的需要。（3）挤压力不能超过设备能力。模孔外接圆直径3796MM,制品截面积1329MM。根据加工范围要求外D制A（1329MM2，及3796MM）所以500T挤压机可用，则挤制AIN制A外MAXD外压筒的直径95MM。023锭坯尺寸选择锭坯尺寸选择得是否合理，直接影响到挤压制品的质量、产品率、生产效率等技术经济指标。选择锭坯直径时，应在满足制品断面力学性能的要求和均匀性要求的前提下尽可能采用较小的挤压比。但是，在挤压外接圆大的复杂形状断面型材时，要考虑模孔轮廓不能太靠近挤压筒壁，以免制品出现分层缺陷。多孔模挤压时，还应考虑各模孔间的最小距离，既保证各模孔间的流动速度均匀，又要考虑挤压模的强度。计算锭坯直径时，应综合考虑挤压筒直径的问题。锭坯直径的计算有多种方法，我们就按间隙值计算（21）0DD（22）式中，、分别为锭坯外径与空心锭内径（MM）；DO、DO分别为挤压筒DD直径与穿针孔直径（MM）。在金属铝的实心型材挤压中挤压筒与锭坯的间隙D一般取310MM，在空心挤压中D一般取48（MM）。本课题是实心型材挤压，所以选取D5MM，则0DD95590MM所以本课题选取的锭坯直径90MM。D24计算挤压比挤压时的挤压比是很重要的指标，挤压比太小不符合工艺的经济性，一般的挤压比都要选择大于10挤压比太大，则会超过设备的承受能力，不能实现挤压过程。本设计中铝合金锭坯的直径90MM，则挤压比G，DD（23）2314DNA制290413239可得974G23910，所以所选取的挤压比在工艺上可行，在MAXGMING经济上划算。25计算挤压力影响挤压力的因素很多，主要有金属的化学成分与组织性能、挤压温度、挤压速度、挤压系数（变形程度）、工模具的形状结构、表面接触摩擦条件、成品形状与尺寸，以及锭坯的形状、尺寸与表面状态。热挤压力常用的计算方法有公式计算法和图解计算法，图解计算法方便实用，但是数据由于缺乏某些金属的实测数据而阻碍了其适用的广泛性。公式计算法虽然不是很精确，但是能够提供工程上可以使用的参数数值。热正挤压是挤压力的计算公式为（24）BDDP2008751式中P正压力，N；挤压筒内直径，MM；0DD制品的当量直径，MM；材料在挤压温度下的变形抗力，MPA；查表13，并由外推法得出B500时的变形抗力为12MPA。25制AD4913281839MM所以BDDP2007511958321878227N换算成吨位约为191T，P191T额定吨位500T，设备选择符合要求。26模具材料的选用261型材挤压对模具材料的要求1、高的强度和硬度挤压模具一般在高比压条件下工作，因此，模具材料要求高温下有高的强度和韧性，以防过早的（一般为550以下）产生退火和回火现象。通常模具材料在常温下的应大于1500MPA。在工作温度下，挤压工具S材料的不应低于650MPA，模具材料的不应低于1000MPA。SS2、高导热性和稳定性能迅速地从模具的工作表面散发热量，防止被挤压工件和模具本身产生局部过烧或损失应有的机械强度，具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性能。在高温下具有抗氧化稳定性，不易产生氧化皮。3、高的耐磨性在长时间的高温高压和润滑条件不良的情况下，表面有抵抗磨料磨损的能力，特别是在挤压铝合金时，有抵抗因金属的“粘结”作用而磨损模具表面的能力。4、良好的淬透性以确保模具的整个断面有均匀的力学性能。并且有一定的抗腐蚀性和良好的渗氮特性。5、抗激冷、激热的适应能力以抗高热应力和防止模具在连续、反复、长时间使用中产生热疲劳裂纹。另外，抗反复循环应力性能强，即要求高的持久强度，防止过早疲劳破坏。6、良好的工艺性能材料易于熔炼、锻造、加工和热处理。所用的模具材料在国内应易于获取，价廉物美。262挤压模具的材料对于不同的模具，对材料的要求也不完全相同，表22列出了几种常用的挤压工具钢；表23列出了几种工具钢的机械性能。表22常用挤压工具钢的成分钢号C/SI/MN/CR/MO/V/5CRMNMO05060250612160609015035CRNIMO05060405080508015034CR5MOSIV1032042081204455510150811表23常用工具钢的机械性能钢号温度BMPA20MPAHB热处理工艺5CRMNMO50078069086175302850空淬，600回火3CR2W8V5001430130415833251100油淬，550回火500120010255694CR5MOSIV1550105085558121050油淬，625回火在油中两小时本设计选用模具材料为4CR5MOSIV1，又称H13钢。钢中碳化物有、236MC。钒在钢中起回火时二次硬化作用；CR、MO、W、V能提高钢抗回火软化能6MC力，保持高温下的强度韧度；硅提高钢的回火稳定性和抗热疲劳能力。铬和硅能提高抗氧化和抗腐蚀性。27模组选择模组的结构如下图图22模组的结构1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24模组尺寸如下表表24模组尺寸设备吨位500T800T1630T12H160180190210250240310350340H1203030H2809090100110150H3506050606080挤压模具的尺寸如下表表25挤压模具的尺寸设备吨位500T800T1630TD1/D2135/1452025165/1752530250/2603040H11212131213模组及模子尺寸外形的计算图23模组主要结构尺寸标注模组主要结构尺寸确定根据前面计算，从表24选取1160，2180，H190，H120，H280，H355模子外形尺寸的确定（如下图24）图24模子外形尺寸根据表34选取D1135，D2145，H112，H22528型材模设计281组合凹模设计普通的实心型材主要用单孔或者多孔的平面模来进行挤压。由于许多的断面不对称，而且锭坯的断面与型材的断面没有相似性，且大多数型材的断面没有相似性，且大多数的型材各个部分的壁厚也不相同，使得金属的流动很不均匀，造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷。因此，为了提高挤压制品的质量，在设计实心型材模具时，应考虑模孔的配置、模孔制造尺寸的确定和选择，保证型材断面各个部位的流动速度均匀，并且要选择足够强度的模具结构。根据单位挤压力的大小，挤压凹模可采用三种类型（图25），即整体式凹模图A；两层组合凹模图B；三层组合凹模图C。其中左半图为压合前，右半图为压合后。ABC图25挤压凹模的三种结构形式A整体式凹模B）两层组合凹模C三层组合凹模挤压时，整体式凹模内模腔受到变形金属材料的径向压力，这种受力状况近似于厚壁圆筒承受径向内压的受力状态。整体式凹模的受力有两个特点A当作用在整体式及凹模内壁的最大切向拉应力超过凹模材料抗拉强度时，就要从凹模内壁处产生裂纹而造成切向开裂。B当作用在整体式凹模内壁的最大等效应力超过凹模材料许用应力时，就要从内壁处开始产生破坏。分析可知，由于组合凹模中的内凹模与预应力圈采用过盈配合，压入后两者的接触面产生接触预应力，该接触预应力使内凹模上产生切向压应力；而预应力圈产生切向拉应力。因此，组合凹模挤压时，内凹模所产生的切向拉应力就被抵消而减小，而预应力圈上所产生的切向拉应力就被叠加而增大。这样，内凹模与预应力圈的切向应力趋于相同。预应力组合凹模的优点有A、显著地提高内凹模在挤压时的承载能力，提高内凹模的强度。B、节省了昂贵的模具钢。C、由于内凹模尺寸小，热处理容易，提高了模具钢热处理的质量，同时小尺寸规格模具钢的碳化物偏析情况得到改善，提高了模具钢的原始材质。D、内凹模可以采用硬质合金，大大地延长了模具使用寿命。虽然预应力组合凹模具有众多的优点，但是结构相对复杂，制造麻烦。本设计中是镁合金挤压力小，尺寸小，考虑成本及各方面因素，最终选用整体式凹模作为本次模具设计的凹模形式。确定凹模的结构和工作型腔尺寸时，要考虑坯料的形状和尺寸，挤压件的精度要求，模具的结构和强度，模具的弹性变形和温升，模具磨损、寿命和经济性以及工艺特点和挤压变形的需要等。挤压过程中凹模所受的压力很大并且压力的分布不均匀，设计凹模时，必须计算凹模内壁的切向拉应力并提出适当的加强措施。考虑经济性，内凹模由一般工具钢制成，有足够的抗拉强度，允许在一定的拉应力状态下工作。当单位挤压力P1100MPA时，可采用整体式；当1100MPAP1600MPA时可采用两层组合凹模（即具有一层预应力圈）。当1600MPAP2500MPA时可采用三层组合凹模（即具有两层预应力圈）。本次设计的挤压力P1878227N，面积为S7088218MM，则单位挤压力P，（26）PPS1872026497MPA由于单位挤压力比较小，考虑到批量生产，我们采用两层组合凹模（即具有一层预应力圈）。282模孔的合理布置1、单孔挤压模的模孔布置在设计单孔模具时，当型材的断面有两个或两个以上的对称轴时，应将型材断面的重心布置在模子中心上，见图26A；当型材断面只有一个或者没有对称以及壁厚相差很大时，必须将型材的重心相对于模子的中心做一定的偏移，使难流动的部分（薄壁部分）更靠近模子的中心，见图26B；对于壁厚虽然相差不大，但断面形状较复杂、对称面少的型材，应将型材的断面外接圆的中心布置在模子的中心上，见图26C；对于挤压比很大或流动很不均匀的某些型材，有时可采用平衡模孔，即再配置一个调整金属流动的辅助模孔，见图26D；当模具的装配方向不能改变时，应将型材的大面放在下面，以防止型材由于自重而产生的扭拧和弯曲，见图26E。图26单孔模模孔排列示意图在布置模孔时还应注意型材的装饰面最好不与出料台接触，以防止划伤装饰面；此外，模孔的布置还应便于修模等。2、多孔挤压模的模孔布置对于对称性较差且断面面积较小的型材，可以采用多孔模挤压，这样不仅可以改善金属的流动均匀程度，而且还能降低挤压比，提高挤压生产效率。对于壁厚相差很大的型材，应将壁厚的部位布置在模孔的外沿，而将壁薄的部位布置在靠近模子的中心；对于壁厚相差不大的型材，采用多孔模挤压时可将型材模重心均布在以模子中心为圆心的某一同心圆上。AB图27多孔型材模模块的配置方案A不合理B）合理在布置多孔模的模孔时，不仅需要考虑型材断面的各部分流动的均匀性，有时还要考虑模子的强度问题。为了摆正模具的强度，多孔模各个模孔之间的距离应当适合，不能过小。在实际生产中模孔之间的间距大体在1550MM范围内，对于196MN以下的挤压机取2030MM；49MN左右的挤压机取3550MM；对于784MN以上的大型挤压机，可取60MM以上。同时，模孔间距也应系列化，以便模垫可互相交换使用。为了防止锭坯表面的杂质流入挤压制品中去，不论是单孔模还是多孔模，模孔边缘距挤压筒内壁应保持一个最小距离，此值一般取挤压筒直径的1015，见表26。因本设计的挤压筒直径为95MM，所以模孔与挤压筒壁间的最小距离选取值为15MM。表26型材模孔与挤压筒壁间的最小距离挤压筒直8595115130150200200280350500500径/MM最小距离/MM101515202025304040505060283模孔几何尺寸的确定在确定模孔几何尺寸时，应考虑型材和模子的收缩、工作带在载荷作用下的畸变、不均匀变形引起的拉缩变形、金属在流入模孔时不能急转变而引起的非接触变形以及型材在拉伸矫直时的断面尺寸收缩等因素。此外，还应当考虑到型材早拉伸矫直时，不论是在长度上还是在断面上，各个部分的变形时不相同的。1、外形尺寸的确定实心型材的模孔尺寸A可按以下公式进行计算（27）01K式中，为型材外形的基本尺寸（MM）；K为模孔裕量系数，不同金属的K可0A在有关国家标准查取；为型材外形尺寸的正偏差，可按有关国家标准查取。2、壁厚处模具间隙尺寸的确定实心型材的壁厚处模具间隙尺寸B可按以下公式进行计算280B式中，为型材壁厚的基本尺寸（MM）；为型材壁厚尺寸的正偏差，可按有关0B国家标准查取。由于受型材断面形状的影响、挤出制品的壁厚往往小于所要求的尺寸，因此，在设计这些型材壁厚尺寸时，还必须加上一定的修正量。修正量的值是用型材断面尺寸乘以壁厚系数。对于一般断面形状的型材，壁厚系数可取0002；对于H形、角形和深槽形型材，还应适当加大修正量。3、圆角、圆弧和角度的确定对于没有偏差要有的圆角和圆弧型材，模孔可以按名义尺寸设计。对于有偏差要求的圆角、圆弧以及由圆角与圆弧组成的型材，其模孔尺寸可按前述的式（27）或者（28）计算，并根据生产经验加以修正。对于带有角度的型材，其模孔的角度与型材的名义角度相同；但对于易并口的角型材和易扩口的槽型材，在设计时应将其角度相应增大和减少12。如果采用辊式矫直机矫形，当型材壁厚25MM时可按增大角度设计；而当型材壁厚25MM时可不必考虑增大角度。修正后的模孔如图28所示。图28修正的模孔284减少金属流动不均匀的措施1、采用不等长工作带由于型材各部分的壁厚不均匀，需要采用不等长的工作带来达到调整流速的目的，其原则是型材断面壁厚处的定径带长度应大于壁薄处的定径带长度，即比周长（面积与周长之比）大的部分的定径带长度要小于比周长小的部分的定径带，这样可以使定径带的摩擦阻力对各个部分的影响趋于平衡，从而达到调整金属流速的作用。（1）、在实际生产中，一般采用简便的计算方法，即根据型材壁厚的比值求出工作带的长度，即（29）12HB式中，、分别为断面、处的壁厚（MM）。1B21A2使用上述方法计算型材各个区段模孔工作带长度时，应先给定一个区上工作带长度数值作为计算的参考值（一般给定型材壁厚最薄的区段上的最小工作带长度）。铝及铝合金的模孔最小工作带长度可在表27所列数值范围内选择。表27模孔工作带的最小长度值挤压机能力/MN1225490343159719606171225模孔最小工作带长度/MM5104836255153模孔空刀尺寸/MM32521520515（2）、采用多孔模挤压可按复合同心圆规则来确定各模孔工作带长度，见图29。图29多孔模的复合同心圆规则多孔模的各个模孔的中心应均匀布置在相距模子中心的某一个合适直径（）同心圆上，此同心圆的直径（）可按下式进行计算并由设计者根据需要D心D心进行必要的调整。（210）012TAN心式中，为多孔模模孔理论重心的同心圆直径（MM）；为挤压筒直径（MM）；心TDN为模孔数（N2）；A为经验系数，取2528，N值大时取下限，挤压筒直径大时取上限，一般取26。本设计的挤压筒直径为95MM，取经验系数A为26，模孔数N为2，则952601D心（365MM当型材壁厚相同时，对于整个模孔来说，从模子中心（型材重心不与模子中心重合）起，每相距10MM（整个模子的同心圆半径）工作带长度的增减数值应按表36所列数值进行拟定。对于任一模孔来说，从模孔中心（型材重心坐标可由设计者确定，原则上可与模孔中心重合）起，每相距10MM（任一模孔的同心圆半径）工作带的增减数值也应该按表28所列数值进行拟定。最后将上述两种情况综合考虑，再依靠设计经验进行确定。表28模孔工作带长度增减值型材断面壁厚/MM每相距10MM（同心圆半径）工作带长度增减值/MM型材断面壁厚/MM每相距10MM（同心圆半径）工作带长度增减值/MM1200225035150253004020030采用不等长工作带控制金属的流速的措施具有一定的限度，因为金属通过工作带要冷却收缩，以致脱离与工作带的接触，这样也就失去了工作带控制金属流动速度的作用，因此，模孔工作带的最大长度应有限值，一般为1525MM。但是，如果模子在工作时是嵌入挤压筒里面的，由于工作温度较高，金属的冷却收缩不明显，其工作带长度可以加大，最多达到30MM以上。对于以下几种情况，需酌情对模孔工作带长度进行增减，（1）交接园边有凹弧R（R15MM）者，工作带可加上1MM；（2）型材局部有孔处工作带可加上1MM；（3）交接园边有凸弧R（R15MM）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。本设计的产品壁厚最小处为15MM，圆弧部分厚度为20MM，最左边脚架平均厚度62MM，右边脚架平均厚度235MM。初步选取圆弧部分的工作带长度为10MM，壁厚最小部分的工作带长度为1025MM，右边脚架工作带长度为10MM，左边脚架的工作带长度为8MM。则模孔相对于挤压筒布置如图210所示。图210模孔相对于挤压筒分布图确定模孔的位置之后就可以确定预应力圈的几何尺寸了。两层组合凹模的合理内圈直径比可按所选定的总直径比由图查出一般为46我们选取5，21A31A31A则（211）21302由即21221DA12A已知589则11781D2则型材模如图211所示。图211型材模29导流模设计导流模又称前室模，其实质是在型材模前面加放一个型腔，形状为与型材外形相似的异形或与型材最大外形尺寸相当的矩形。铸锭镦粗后，先通过导流模产生预变形，金属进行第一次分配，形成于型材相似的坯料，然后再进行第二次变形，挤出各种断面的型材。采用导流模不仅可增大坯料与型材的几何相似度，便于控制金属流动，特变时当挤压截面差很大的型材时能起到调节金属流速的作用，使壁薄、形状复杂的型材易于成形，而且能挤出外接圆尺寸较大的型材，减少产品扭拧和弯曲变形，改善模具的受力条件，实现连续挤压。大大提高成品率和模具寿命，特别是对于舌比大于3的形状复杂的型材，用普通平面模几何无法挤出。而采用导流模可使模具寿命提高几十倍。导流模的设计原则是有利于金属预分配和金属流速的调整。一般来说，导流模的轮廓尺寸应比型材的外形轮廓尺寸615MM，其深度可取1525MM，导流孔的入口最好呈315，导流模腔的各点应均匀圆滑过渡，表面应光洁，以减少摩擦阻力。为了克服型材前端起皱和波浪等缺陷，导流模型腔不但要在前端部分加大尺寸，而且在支叉和折弯处也要适当加大，否则会产生局部滞后。试验表明，如导流模型腔局部过大，也要影响其余部分，使出口流速分布不均匀。选择导流模的外形尺寸比型材的外形轮廓尺寸大6MM，深度20MM，导流孔入口角度5。考虑到两个模孔的中间距离较小，扩大外形尺寸会导致模孔中间部分强度不够，导流模如图212所示。图212导流模210强度校核对本设计的凹模进行强度校核，由于危险截面不规则，取就近原则校核，则两个模孔的最小距离处为危险截面，按双孔扁条形型材模具的强度校核。对于双孔扁条形型材模，可以认为是一个两端固定的均布载荷梁，一般按以下公式校核其弯曲变形（213）MIN2PAHLB式中，为模具（包括模子、模垫等的总厚度）的最小厚度（MM）；为两个MINHL危险截面的距离（MM）；为模具材料的许用抗弯强度（MPA）；P为单位挤压力（MPA）；A为两个模孔的最小距离（MM）；C为出口空刀尺寸，我们2BA选取的尺寸为18MM；模具材料在挤压温度下的1200MPA；H80MM；L3261MM；P26497MPA；代入数据则MIN2PAHLB32616497130281262MM模子尺寸25MM1262MM。2H故符合要求。有时，双孔扁条形型材模还需按下式校核其两个危险截面的抗剪强度，从而求出避免模具破坏的最小厚度MINH（214）MIN2APLB式中，为模具材料的许用剪切强度，（MPA）；B为出口宽度，056MM；其余于上面相同。代入数据则36BAMIN1364297314H1033MM凹模厚度25MM1033MM2H故设计的厚度符合要求。第三章挤压工具设计31挤压筒的设计绝大多数挤压筒都是采用两层以上的衬套以过盈配合采用热组合构成，采用多层组合式结构挤压筒可以改善挤压筒的受力条件，使挤压筒壁中的应力分布均匀并减少应力峰值，增强承载能力，延长使用寿命，同时，在磨损和变形后只需要更换内衬套，可以减少材料的损耗，节省加工工作量和成本。挤压筒衬套的层数应根据其工作内套的最大挤压力来确定。在工作温度条件下，当最大应力不超过挤压筒材料的屈服强度的4050，挤压筒一般由两层套组成；当应力超过材料屈服强度的70时，应由三层或者四层组成。311挤压筒工作内套的结构按表面结构可分为圆柱形、圆锥形和台肩圆柱形。按整体性可分为整体内套和组合内套。按内腔形状分为圆形、偏形和其他形状。在中小型的挤压机上主要采用圆柱形内套。圆柱形内套易于加工和测量尺寸；更换衬套时尺寸的配合问题较少；工作部分磨损后可以调头使用，有利于提高使用寿命。因此我们选取圆柱形的工作内套，其内腔形状为圆形。312挤压筒与模具平面的配合方式挤压筒的工作内套与模具间的配合方式应根据被挤合金种类、产品品种与形状、挤压方法、工具结构和挤压筒与横向压紧力大小等因素来设计。在卧式挤压机上采用平封方式，即挤压筒与模子端面间以平面接触方式密封。其优点是加工容易，操作简单，模具和内衬端面所受的单位压力都比较小，不容易压碎和变形。图31卧式挤压机上挤压筒与模具之间的配合结构图313挤压筒结构尺寸的设计园挤压内孔直径的确定在上一章我们已经选取了500吨的挤压机，已知和该挤压力的配套挤压筒直径为95MM。挤压筒长度的确定选用的挤压机挤压筒长度为500MM。挤压筒各层衬套厚度的确定挤压筒的衬套越多，各层厚度比值越合理，则应力就越小。挤压筒外径应力为内径的35倍，每层壁厚则根据内部受压的空心圆筒各层内衬套直径比值相等时的强度最大原则来确定。如图32在确定各层厚度时可按式31和32的经验公式计算。（31）31254D（32）321108其中95MM，代入计算得1425MM，35625MM1D2D3D图32挤压筒简图32挤压轴的设计321挤压轴的结构形式挤压轴的结构形式与挤压机主体设备的结构、挤压筒的形状和规格、挤压方法、挤压产品种类以及挤压过程的力学状态等因素有关。根据挤压设备和挤压筒的规格形状，我们选取的挤压轴形式如图33图33卧式挤压机实心挤压轴322挤压轴尺寸的确定1断面尺寸的确定如图34所示，圆挤压轴的外径，根据挤压筒内径直1D径来确定。为了方便出入挤压筒，一般比小220MM，我们取的间隙为D筒1DD筒2MM。图34挤压轴尺寸设计图2挤压轴长度的确定挤压轴的总长度，我轴座的长度，根据12L1轴承相应部分的长度来确定，为轴杆的长度。为了保证可靠地把压余和挤压垫2L片从挤压筒内推出，应比挤压筒的长度大1520MM此外挤压轴的端面对轴中2心线的不垂直度不大于01MM，轴杆与轴座的不同心度不得大于01MM，工作部分的表面粗糙度应达到3216M。则挤压轴的尺寸选取如表31AR表31挤压轴尺寸值挤压轴尺寸挤压机能力/T挤压筒直径/MMD/MM/MM1DL/MM/MM1L/（）50095203935301030323挤压轴强度校核1纵向弯曲应力计算在挤压时，挤压轴所受到的全应力等于由于力P和弯曲力矩M所产生的应力总和，即（33）12挤压杆的小于直径的5倍，所以所产生的稳定性可以不进行单独计算，而把挤压轴看成压缩杆，把强度和稳定性的条件组合起来，按下式校核强度（34）1PF许式中，许用压缩应力折减系数，为了简化计算，取；09F挤压轴的截面积；F6789465MM稳定条件下的许用应力，900MPA许1PF6510789481826MPA900MPA故符合要求。弯曲力矩所产生的应力为（35）2PLW式中，W截面模数，MM；实心轴，8649MMM。301D则27748MPA900MPA。2PLW25104869故符合要求。33挤压垫片设计331垫片尺寸的确定挤压垫片是用来避免高温坯料直接接触以防挤