计算机辅助棒材挤压模设计

1、第一章课程设计内容及任务分配 错误！未定义书签。1.1 概述 错误！未定义书签。1.2 设计目的 错误！未定义书签。1.3 设计内容 错误！未定义书签。1.4 设计要求 错误！未定义书签。1.5 挤压方案任务分配 错误！未定义书签。第二章坯料及工艺参数的设计 错误！未定义书签。2.1 坯料尺寸的确定 错误！未定义书签。2.1.1 坯料直径设计 错误！未定义书签。2.1.2 坯料长度设计 错误！未定义书签。2.2 工艺参数的设计 错误！未定义书签。2.2.1 摩擦系数的确定 错误！未定义书签。2.2.2 挤压速度的确定 错误！未定义书签。2.2.3 工模具预热温度的确定 错误！未定义书签。第三章

2、模具尺寸的确定 错误！未定义书签。3.1 挤压工模具示意图 错误！未定义书签。3.2 模具尺寸的确定 错误！未定义书签。3.2.1 挤压模结构尺寸的确定 错误！未定义书签。3.2.2 挤压筒结构及尺寸的确定 错误！未定义书签。3.2.3 挤压垫结构及尺寸的确定 -8 -第四章实验模拟及数据提取分析 错误！未定义书签。4.1 模拟挤压过程 错误！未定义书签。4.2 各组所得数据总和 错误！未定义书签。4.3 工模具预热温度对挤压力的影响 错误！未定义书签。4.4 工模具预热温度对破坏系数的影响 错误！未定义书签。总 结 错误！未定义书签。参考文献 错误！未定义书签。第一章课程设计内容及任务分配1

3、.1 概述挤压是对放在容器(挤压筒)内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获 得所需要断面形状和尺寸的一种塑性加工方法，有正挤压、反挤压、组合挤压、连续挤压、静液挤压等多种形式。挤压成形能充分发挥金属塑性，获得大变形量，实现由坯料到成品 的一次成型。挤压变形能显著改善金属材料的组织，提高制品的力学性能、尺寸精度和表 面质量。因此，挤压是金属材料加工的一种应用广泛的成形方法，适用于薄壁、细长的管、 线、型材的生产，特别是断面复杂的异型材的加工生产。但是，挤压变形也存在制品组织与性能不均、工模具磨损快和设备负荷高等缺点。挤 压制品的组织性能、表面质量、尺寸及形状精度、工模具损耗以及能量消耗

4、都与坯料、挤 压工艺、工模具结构尺寸和形状等因素相关。因此，挤压工艺与工模具的设计合理与否是 挤压成形的关键。本设计以420mm棒材(黄铜din_cuzn40pb2)挤压成形为例，研究挤压变形工艺参 数、模具结构形状与尺寸对金属流动、变形力等参数的影响，通过 deform软件模拟分 析参数的合理性。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，运用deform软件模拟分析设计参数的合理性。1.3 设计内容(1)运用金属塑性变形理论、金属挤压成形理论与工艺的知识，选择

5、坯料，设计挤 压工艺参数。(2)根据挤压变形工具设计理论与方法设计主要工具，包括挤压模、挤压筒和挤压 垫。(3)选择设计参数，制定设计方案。(4)制定设计过程与步骤。(5)挤压成形的cae分析。1.4 设计要求(1)以挤压工艺参数如挤压初始温度、挤压速度和摩擦系数等，变形工具结构参数 如模具锥角、定径带长度待等为设计参数。(2)本设计分组进行，10名左右学生为1组，分组方案见表1。每组学生选择1至2 个设计参数，共同设计方案，设计方案8-10个。每名学生独立完成本组内的1个设计方案 的设计过程。(3)组内学生共享本组的设计数据，共同讨论、分析设计结果，得出设计结论，共 同撰写1份设计报告正文。

6、(4)每位学生独立撰写设计小结，组长着重阐述本组设计工作简况，小组成员着重简述自己工作简况，与报告正文一起装订、提交。1.5 挤压方案任务分配我们设计小组的任务是以工模具预热温度为变化量来探究挤压过程中对各个参数的 影响，部分实验参数及成员任务分配如下表 1-1所示。表1-1挤压方案任务分配表实验 小组学生学号姓名挤压 垫摩 擦系 数挤压筒 挤压模 摩擦系 数挤压杆 速度,-1/mms挤压模 锥角0 / °挤压 温度/oc定径带 长度 l4/mm工模具预 热温度/oc第 七 组1010121068邵永0.60.160306306001010121069申佳林501010121070施

7、立强1001010121071宋昊成1501010121072宋亚男2001010121073隋帅帅2501010121076孙顺3501010121078谭经松4501010121079汤宗剑5001010121077孙长庆负责方案设计与数据分析组长-12 -第二章坯料及工艺参数的设计2.1 坯料尺寸的确定坯料尺寸的确定十分重要。坯料尺寸选择的是否合理，直接影响到挤压制品的质量、 成品率、生产率等技术经济指标。坯料尺寸（直径和长度）越大，制品越长，从而使切头 尾、切压余的几何损失和挤压周期内的辅助时间所占的比例降低。对压余所导致的金属几 何损失，增大直径或者增加长度对成品率的影响不同。坯料体

8、积一定时，增大直径和减短 长度使几何损失增加，减小直径增加长度，几何损失减小。2.1.1 坯料直径设计选择坯料直径时，一定要在满足制品断面机械性能要求和均匀性要求的前提下，尽可 能采用较小的挤压比。查热挤压各种金属材料时的工艺参数值表可知，黄铜din-cuzn40pb2挤压比九二10（300400）之间，取 =76,则根据式(1-1)fo =32f二d；di式中，fo挤压筒横断面积（mm2）;f一制品横断面积（mm2）;dm一坯料直径（mm）;dm制品直径（mm）。已知dm=16mm,从而有dm =dm = 70 16=139.2mm为了便于实验模拟操作，取整 dm=140mm2.1.2 坯料

9、长度设计在进行工艺计算时，不同产品可选取不同坯料长度，以提高成品率。对重金属棒型材坯料最大长度为 23.5d0,因此，坯料长度在268.4469.7mm范围内, 本设计取坯料长度为300mm。2.2 工艺参数的设计确定挤压工艺参数时，可以综合考察金属与合金加工时的可挤压性和对制品质量的要求（尺寸与形状的允许偏差，表面质量，组织和性能等），以满足提高成品率与生产率的需要。热挤压过程的基本参数是挤压温度和挤压速度（或金属出口速度），两者构成了对挤压过程控制十分重要的温度-速度条件。在选择挤压工艺参数时，一般是在理论分析的 基础上进行各种工艺试验，考察产品质量，并参考实际生产的经验值。2.2.1 摩

10、擦系数的确定在横断面上，由于外层金属在挤压筒内受摩擦阻力作用而产生剪变形，使外层金属的 晶粒遭到较大破碎，且在挤压制品断面会出现组织的不均匀性。在制品的长度上，也是由 于外摩擦的作用，出现组织的不均匀性。因此，设计合理的摩擦系数，对于成功实现挤压模拟十分重要。在满足一定条件下，本设计取挤压垫摩擦系数为0.6,挤压筒与挤压模摩擦系数均取0.1。2.2.2 挤压速度的确定挤压时的速度一般可分为三种：挤压速度一一挤压机主柱塞、挤压杆与挤压垫的移动 速度；金属流出速度金属流出模孔时的速度；金属变形速度（也称变形速率）单 位时间内变形量变化的大小。通常挤压速度越大，不均匀性流动加剧，副应力增大，在挤压制

11、品上会引起周期性周 向裂纹或破裂。挤压速度的影响通过以下三个方面起作用：第一，挤压速度高，流动更不 均匀，副应力增大；第二，挤压速度提高来不及软化，加快了加工硬化，使金属塑性降低； 第三，挤压速度的提高，增加了变形热效应，是铸锭温度上升，可能进入高温脆性区，降 低金属加工塑性。综上，挤压速度的确定需在一个允许的范围内，因此在黄铜的允许挤压速度范围内去 挤压速度值为60mm s。2.2.3 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。本小组课程设计的 主要任务即是关于工模具预热温度不

12、同对挤压结果的影响，考虑到任务书所给的范围是 0500c,分配任务时，以50c为梯度，各自采用所选择的实验温度进行试验。第三章模具尺寸的确定3.1 挤压工模具示意图图2-1挤压工模具示意图3.2 模具尺寸的确定根据挤压机的结构、用途以及所生产的制品类别的不同，挤压工具的组成和结构形式 也不一样。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。止匕外， 还包括其他一些配件如：模垫、支撑环、压力环、冲头、针座和导路等。本设计主要针对 基亚通、挤压模、挤压垫进行结构及尺寸的设计。根据设计任务书，挤压制品的直径 dm为016mm,坯料的规格为©140父300mm,故可 做以下设

13、计。3.2.1 挤压模结构尺寸的确定模子是挤压生产中最重要的工具。它的结构形式、各部分的尺寸，以及所用的材料和 加工处理方法，对挤压力、金属流动均匀性、制品尺寸的精度、表面质量及其使用寿命都 有极大的影响。模子可以按照不同的特征进行分类，根据模孔的剖面形状可分为平模、流 线模、双锥模、锥模、平锥模、碗形模和平流线模七种。模子的主要参数如下：(1)模角模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。根据已知条件挤压模锥角 =30°。(2)工作带长度14工作带又称为定径带，是用以稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。倘若定 径带过短，则模子易磨损，同时会压伤

14、制品表面导致出现压痕和椭圆等缺陷。但是，如果 工作带过长，又极易在其上粘结金属，使制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷。根据已知条件工作带长度14=60mm。(3)工作带直径d2模子工作带直径与实际所挤出的制品直径并不相等。设计时通常是用裕量系数c1来考 虑各种因素对制品尺寸的影响。c查表2-1可得。挤压棒材的工作带直径dg用下式计算： gd2 =dm+c1dm(2-1)式中，dm一棒材的名义直径(mm)表2-1裕量系数c1合金c1值含量不超过65%的黄铜0.0140.016紫铜、青铜及含铜量大于65%的黄铜0.0170.020纯铝、防锈铝及镁合金0.0150.020硬铝和锻铝0.0070.0

15、10查表2-1可知，本设计c1值在0.0140.016之间，取c1=0.015。代入数据，则有d2 = (1+0.015) x16mm=16.24mm取整，则d2=17mm。(4)出口直径d3模子的出口直径一般应比工作带直径大 35mm,因过小会划伤制品的表面。又因为d2=17mm,则d3=17+ (35) mm=2022mm 本设计取d3=21mm。(5)入口圆角半径r入口圆角半径r的作用是为了防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减轻金属在进 入工作带时所产生的非接触变形，同时也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压 颓而很快改变模孔尺寸用的。入口圆角半径r值得选取与金属的强度、挤压温度

16、和制品的尺寸有关：对紫铜和黄铜取25mm。且根据已知条件，模孔过渡圆角半径为5mm。(6)模子的外心尺寸d2和h模子的外圆直径和厚度主要是根据其强度和标准系列化来考虑的。它与所挤压的型材 类型、难挤压的程度及合金的性质有关。根据经验，对棒材、管材、带材和简单的型材， 模子外径可按照式(2-2)进行计算d2=(1.251.45) dw(2-2)式中，d3一挤压棒材的外接圆直径(mm)。根据已知条件，dw=140mm,取系数值1.35,则d2=1.35x140mm=189mm因为本设计中挤压模的定径带长度是固定的的，为14 =60mm,挤压模的长度h由定径带长度14、出口带长度15和模角处水平长度

17、共同确定，因为模角处水平长度为d1 -d2145 -17cotcot 30 = 110.85mm22出口带长度ls可取40mm,则挤压模长度 h = 110.72+40+60=210.85mni3.2.2挤压筒结构尺寸的确定挤压筒是所有挤压工具中最贵重的部件，由两层或三层以上的衬套以过盈配合组装在一起构成的。之所以将挤压筒制成多层，是为了使筒壁中的应力分布均匀些和降低应力的 峰值；同时，在磨损后只需更换内衬套而不必换掉整个挤压筒，从而可节约大量的合金钢 材。挤压筒尺寸的确定包括：筒内径、筒长和各层衬套的厚度。(1)挤压筒内径di挤压筒内径根据挤压合金的强度、挤压比和挤压机能确定的。筒的最大直径

18、应能保证 作用在挤压垫上的单位压力不低于金属的变形抗力。显然，筒径越大，作用在垫上的单位 压力就越小。再根据产品品种、规格确定筒的内径尺寸。挤压筒内径di可按间隙值计算di=dm+d(2-3)式中，dm坯料的外径，mm；d一是坯料顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值，mm,如表2-2所示。表2-2筒、锭间隙选择金属材料挤压机挤压筒直径(mm)间隙值，(mm)备注吨位，(kn)dd铝卧式 立式 冷挤一一3101.530.20.348340.10.8铜卧式一& 100100300>3001351015立式67512012稀有金属卧式41531.531.566.72852202602202

19、60121.5345511.51.5256包套挤压一包套挤压 光坯挤压立式6651201.521.511.51包套挤压 光坯挤压因为挤压示意图所给挤压为卧式挤压机，坯料直径为轲40mm ,故可知挤压筒直径在100300mm范围内，即可知间隙值 ad =5mm。带入数据可得：d1 =dmd =140 5 = 145mm(2)挤压筒外径d1根据经验，一般挤压筒外径d1是挤压筒内径d1的45倍，即d1 -(45)d1(2-4)带入数据可得：d1 = (4 5) 145 = 580 725mm可取 d1 = 600mm。(3)挤压筒长度lt挤压筒长度可按如下公式进行计算lt = li 12 13(2-

20、5)式中，li一挤压垫进入挤压筒的深度，mm；12 一挤压垫的厚度，mm；13 一坯料的长度，mm。因为i3 = hm =300mm , % =50mm (将在挤压垫尺寸确定部分给出计算过程 )，为保证 开始挤压时准确定位和挤压杆在挤压过程中保持稳定，li可取40mm。带入数据计算得：lt=300 + 50 + 40 = 390mm。3.2.3挤压垫的结构及尺寸确定挤压垫是用来防止高温的锭坯直接与季亚杆接触，消除其端面磨损和变形的工具。垫 片的外径应比挤压筒内径小 wo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ad也不能太小，

21、以防与挤压筒内衬套摩擦加速其磨损。ad值与挤压筒内径有关：卧式挤压机取 0.51.5mm；立式挤压机取0.2mm,脱皮挤压取2.03.0mm,铸锭表面质量不佳的可选更大一些。本次 设计采用卧式挤压机，即 d=0.51.5mm挤压垫的直径按下式计算d = d1 - d(2-6)带入数据计算得：d =145-(0.5 1.5) =143.5 144.5mm,取d = 144mm。由于挤压垫的厚度12可等于其直径的0.20.7倍，即12 = (0.2 0.7)d1(2-7)带入数据可得：12 =(0.20.7)d1 = (0.2 0.7)父 144= 28.8 100.8mm,取 12 = 50mm

22、。挤压工模具尺寸示意图如下图2-2所示。图2-2挤压工模具尺寸图第四章实验模拟及数据提取分析4.1 模拟挤压过程(1)根据设计的的几何尺寸，运用 pro/e分别绘制坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒 的几何实体，输出stl格式。(2)挤压模拟单位制度选择一添加对象一设定对称面一设定热交换面一模拟控制设置一实体网格化一设置对象材料属性一设置主动工具运行速度一工件体积补偿等等。由于我们探究的是工模具预热温度对实验的影响，所以我们要保持其他的所有参数一致而将工模具预热温度 作为变量设置来进行实验。模拟运算结束后，进入后处理界面。观察模拟的结果，提取必要的数据及相关云图、 曲线图等。4.2 各组所得数据总和

23、计算机模拟完成后，小组成员分别提取出自己所得的数据，各小组所得数据如下表4-1 所示。表4-1小组数据序号分配温度/oc挤压力/kn破坏系数101147.681.112501171.141.9831001370.482.5641501064.101.605200809.100.9862501622.721.687350935.841.988450966.361.3095002657.352.024.3 工模具预热温度对挤压力的影响根据表4-1的数据利用excel挤出挤压力一工模具预热温度回归曲线图如下图4-1所示。图4-1 挤压力一工模具预热温度回归曲线分析：从上图4-1的回归曲线可以看出，在

24、0500度的温度变化范围内，受挤压模具 预热温度的影响，挤压力有先减小后增大的趋势。这种趋势可能是模拟的过程中个别成员 的参数设置不准确或操作错误导致的。除去这样的个别误差较大的点，在整个温度变化范 围内，载荷呈下降趋势。这说明随着挤压工模具预热温度的升高，载荷减小。4.4 工模具预热温度对破坏系数的影响根据表4-1的数据利用excel数出破坏系数一工模具预热温度回归曲线图如下图4-2所示。破坏系数2.51.5t/oc1002003004005006000.5图4-2 破坏系数一工模具预热温度回归曲线分析：从上图4-2回归曲线可以看出，挤压模具预热温度在0500度的温度变化范围 内，破坏系数趋势基本保持不变，因实验误差的不可避免，有数据出现较大的偏差，