棒材挤压课程设计

1、第一章 坯料及工艺参数的确定1.1 坯料的选择 坯料尺寸的确定十分重要，坯料尺寸的选择是否合理，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。 （1）坯料直径的确定 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，黄铜棒（DIN_CuZn40Pb

2、2）的挤压比，选取，因为 （1-1）式中，坯料直径，mm；挤压制品的直径。 由上式，坯料的直径为 （1-2）已知制品直径，故有圆整，取。（2）坯料长度的确定 在实际生产中，坯料一般是圆柱形的，在挤压有色金属时，坯料长度为其直径的2.03.5倍。 本设计取坯料长度为其直径的3倍，即坯料长度为300mm。1.2 挤压工艺参数的确定1.2.1摩擦系数的确定 摩擦系数对挤压有着重要的影响，对挤压力的影响最为显著。根据设计要求，故挤压垫与坯料之间的摩擦系数可取0.5，挤压筒与坯料之间的摩擦系数为0.2，挤压模与坯料之间的摩擦系数为0.2。1.2.2挤压杆速度的确定挤压时的速度一般可分为三种：挤压速度；金

3、属流出速度；金属变形速度（也称变形速率）。通常挤压速度越大，不均匀性流动加剧，附加应力增大，在挤压制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。综上所述，挤压速度的确定需在一个允许的范围内(如下表1-1所示)，因此在黄铜的允许挤压速度范围内本设计取挤压速度值为50。表1-1 有色金属材料允许的挤压速度材料挤压速度/铜5176钼12.725.4黄铜25511.2.3挤压温度

4、的确定确定挤压温度的原则与确定热轧温度的原则相同，也就是说，在所选择的温度范围内，保证金属具有良好的塑性及较低的变形抗力，同时要保证制品的获得均匀良好的组织性能等。根据设计要求及“三图”（合金的状态图、金属与合金的塑性图、第二类再结晶图）原则，可取挤压温度为590。1.2.4 定径带长度的确定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。如果定径带过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面，导致出现压痕和椭圆等缺陷。但是，如果定径带过长，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，而且挤压力将升高。结合设计要求，本设计取定径带长度为40mm。1.2.5工模具预热温度的确定

5、工模具预热的目的：使挤压坯料放入模具时温降不致过大，以免使塑性降低，变形抗力增加；同时避免坯料中心的温差过大，增加变形的不均匀性；减小模具与坯料的接触温差。除了坯料在挤压前加热以外，挤压模，挤压垫及挤压筒在挤压前均要进行预热。预热温度一般在150300，应按挤压坯料的温度作调整。由已给条件知，工具模预热温度为。第二章 模具尺寸的确定2.1 工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、挤压垫、挤压杆和挤压筒。此外，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。本设计主要针对挤压筒、挤压模、挤压垫进行

6、结构及尺寸的设计。选择模具与坯料部分尺寸，并根据给定的主要尺寸，运用Auto CAD绘出挤压过程平面图形并设计挤压工艺参数。2.1.1 挤压示意图本设计的挤压制品是的黄铜棒，挤压示意图如图1所示。图1-1 挤压示意图2.1.2挤压筒尺寸的确定根据设计任务书可知，挤压制品的直径为，坯料的规格为，坯料直径，长度。 （1）挤压筒内径的确定 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。 挤压筒内径可按间隙值计算 (2-1)式中，坯料的外径，mm；

7、 是坯料顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值，mm，如表2-1所示。 因为挤压示意图所给挤压为卧式挤压机，坯料直径为，故可知挤压筒直径在范围内，即可知间隙值,取。挤压筒内径为 表2-1 筒、锭间隙选择金属材料挤压机挤压筒直径（mm）间隙值，（mm）备注类型吨位，（KN）铝卧式立式冷挤3101.530.20.348340.10.8铜卧式1001003003001351015立式67512012稀有金属卧式41531.531.566.7285220260220260121.5345511.51.5256包套挤压包套挤压光坯挤压立式6651201.521.511.51包套挤压光坯挤压 （2）挤压筒外径的

8、确定 根据经验，一般挤压筒外径是挤压筒内径的45倍，故 本设计取=450mm。 （3）挤压筒长度确定 挤压筒长度可按如下公式进行计算 (2-2) 式中，挤压垫进入挤压筒的深度，mm； 挤压垫的厚度，mm； 坯料的长度，mm。因为，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，可取20mm。20+40300=360mm.2.1.3挤压垫尺寸的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，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；但是也不能太小，以防与挤压筒内衬套摩擦加

9、速其磨损。值与挤压筒内径有关：卧式挤压机取0.51.5mm。由表2-1本次设计采用卧式挤压机，坯料的直径为100mm，所以挤压筒的内径应，取0.51.5mm。 所以挤压垫的直径为 （2-3）由于本设计选用卧式挤压机，则mm，故102-（0.51.5）=100.5101.5mm本设计取挤压垫的直径。由于挤压垫的厚度可等于其直径的0.20.7倍，所以可在范围内取挤压垫的厚度40mm。2.1.4 挤压模尺寸确定（1）模角的确定模角是模子的最基本的参数之一，是指模子的轴线与其工作断面间所构成的夹角，挤压模锥角为20900。（2）定径带长度的确定 工作带又称定径带，是稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键

10、部分。倘若工作带过短，则模子易磨损，同时会压伤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，则制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷，而且挤压力将升高。本设计取定径带长度为40mm。（3）定径带直径的确定模子工作带直径与实际所挤压的制品直径并不相等。在设计时应保证制品在冷状态下不超过所规定的偏差范围，同时又能最大限度地延长模子的使用期限。通常是用一裕量系数来考虑各种因数对制品尺寸的影响。表2-2为挤压不同金属与合金时的模孔裕量系数值。表2-2 裕量系数C1合金值含铜量不超过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、

11、防锈铝及镁合金0.0150.020硬铝和锻铝0.0070.010对于棒材，按标准规定只有负偏差。在挤压铜合金一类温度较高的材料时，因模孔会逐渐变小，所以工作带直径的设计应使开始一批棒材的直径接近其名义尺寸。随着模孔变小，挤压棒材的实际直径接近最大的负偏差。对于轻合金，因挤压温度低，没有模孔的问题。挤压棒材的模孔直径用下式计算： （2-4）式中，棒材的名义直径，mm。由于所给挤压坯料为黄铜DIN_CuZn40Pb2，含铜量为58%，所以查表2-2，值可取0.015。故由式（2-4）得 12+120.015=12.18mm （4）出口直径的确定模子的出口直径一般比工作带直径大35mm，如果尺寸过小

12、会划伤制品的表面。 （2-5）由式得，本设计取。 （5）入口圆角半径（过渡圆角）的确定图1-1 挤压示意图 入口圆角半径（过渡圆角）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（定径带）时所产生的非接粗变形，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。在设计任务书中已给定过渡圆角的半径为5mm。（6）挤压模的外形尺寸和的确定挤压模的外圆直径与厚度主要是根据其强度和标准系列化来考虑。它与挤压的型材类型、难挤压的程度及合金的性质有关。一般所挤压的型材的外接圆最大直径等于挤压筒内径的0.80.85倍。根据经验，对棒材、管材、带板和简单的型材，模子

13、的外径=（1.251.45）。故挤压模外径 代入得，本设计取=110mm。 因为本设计中挤压模的锥角是可以变化的，取值在，在设计时可取，故挤压模的长度需根据定径带长度、出口带长度和模角处垂直长度共同决定，因为模角处垂直长度为mm出口带长度=30mm，则挤压模长度25.9288+40+30=95.9288mm。第三章 挤压方案的分配与模拟过程3.1方案的分配由于本设计以挤压垫摩擦系数为变化量来探究挤压过程中对各个参数的影响，即挤压垫摩擦系数取00.6，分成8组进行实验模拟。具体方案见表3-1所示。表3-1 挤压方案挤压方案如表3-1所示。序号学生学号挤压垫摩擦系数挤压筒挤压模摩擦系数挤压杆速度/

14、挤压模锥角/°挤压温度/定径带长度/mm工模具预热温度/101011120.5 0.250203040506070809059040300根据给定的几何尺寸，运用CAD或Pro/E分别绘制挤压垫、挤压模/挤压筒和坯料的几何实体，文件名称分别为“jiyadian”、“jiyamo”、“jiyatong”、“piliao”，输出STL格式。程序DEFORM6.1New ProblemNext填入名称Finish进入前处理界面。3.2前处理3.2.1添加对象连续3次点击Insert Object按钮，添加4个对象。3.2.2单位制度选择 点击Simulation ControlMainUn

15、itsSIMode选Deformation及Heat Transfer。3.2.3导入和定义材料在对象树上选择Work piece点击General按钮Assign Temperature®填入温度为590点击OK单击按钮，选择材料库中的DINCuZn40Pb2,单击Load，完成材料基本属性界面。 单击Geometry按钮，在弹出的对话框中选择事先画好的UG造型文件。导入后单击，对几何体进行几何检查，结果质量合格，单击OK键。其他同上，材料为DIN-D5-1U,COLD，且温度为0。3.2.4网格划分选择对称面热交换面及工件体积补偿选择Work piece，单击MeshDetail

16、ed SettingsAbsolute绝对划分网格在Size Ratio栏中，设置尺寸比率为1.5，Min Element Size中，设置最小单元尺寸为2。单击Surface Mesh 按钮，进行对象表面网格划分，再单击Sold Mesh按钮，生成体网格。点击，点击添加坯料的两直角面；挤压垫、挤压模、挤压筒的直角面，点击Symmetric Surface添加对称面。选择Thermal类中的Heat Exchange with Environment 选项，选择除对称面之外的所有面。 单击Property在Target Volume卡上选中Active选项点击按钮点击Yes按钮勾选Compen

17、sate during remeshing。3.2.5设置运动参数选择Top Die，单击MovementSpeed在Direction选中主动工具运行方向+XDefine选项，其性质选为Constant,设置速度值50mm/s。3.2.6模拟控制设置点击Simulation ControlStepNumber of Simulation Steps中填入模拟步数，如100Step Increment to Save中填入每隔2步保存信息Solution Steps DefinitionWith Constant Die Displacement填入距离步长1mm点击OK完成设置。3.2.7定

18、义接触关系单击出现对话框，单击Deformation选项种Constant选项填入00.6。点击Thermal选中Constant选项，选择传热类型Forming。另外两个接触关系，设置方法同上，但在Constant中填入0.5，在其他的摩擦系数中填入0.2。3.2.8生成库文件在工具栏上点击没有错误信息则点击完成模拟数据库的生成。3.2.9退出前处理在工具栏上点击，退出前处理程序界面。3.3运行退出前处理后，在DEFORM-3D的主窗口中，选择Simulator中的Run选项，试验就开始运行了。在运行过程中，可点击Process Monitor查看模拟进程，某一数据规律呈现平稳状态时即可停止

19、运行，点击Stop。3.4后处理在DEFORM-3D的主窗口中选择DEFORM-3D Post选项，进入后处理窗口。点击Graph选择挤压垫，勾选所需输出的数据如Damage、Load Prediction。出现数据曲线图后，右击鼠标，点击Export graph data，将记事本中的数据复制到Excel表中，制作回归曲线图。第四章 实验结果分析4.1挤压垫摩擦系数对载荷的影响根据表4-1的数据利用Excel画出载荷挤压模锥角回归曲线图如下图4-1所示。表4-1 各组挤压模锥角对应的载荷值挤压模锥角/°2030405060708090载荷P/KN223023001435866931

20、049522860图4-1 载荷挤压模锥角回归曲线图 由图4-1可以看出，随着挤压模锥角的增大，载荷值总体呈先减小后增大的趋势，当模角在45°-60°范围时挤压力最小。图中挤压模锥角等于30°时，载荷值突然达到最大值，这也可能是因为在模拟过程中，出现错误或者误差造成的。原因：随着模角的增大，金属进入变形区压缩锥产生的附加弯曲变形较大，使所消耗在这上面的金属变形功升高；同时，增大则使变形区压缩锥缩短，降低了挤压模锥面上的摩擦阻力，两者叠加后就会出现一及压力最小值。4.2 挤压垫摩擦系数对破坏系数的影响根据表4-2的数据利用Excel画出破坏系数挤压模锥角回归曲线图如

21、下图4-2所示。挤压模锥角/°2030405060708090破坏系数1.323.043.243.982.882.652.792.67表 4-2各组挤压模锥角对应的破坏系数值 图4-2 破坏系数-挤压模锥角回归曲线从图4-2可以得出:随着挤压模锥角的增大，破坏性系数总体呈先变大后减小趋势。当锥角在45°时破坏系数最大。原因：模锥角是在挤压时可以形成较大的死区。锥模的最佳模角为45°-60°.但是在45°-50°时是不利的。因为这种情况下死区很小，甚至消失，因而无法阻碍锭坯表面缺陷和偏析物流出模孔，会导致制品表面质量恶化。所以此时对制品

22、的破坏程度也应该最大。在图中也可以看出此间破坏系数达到最大。因而模角在55-°70°才是最佳角度，从图中可以看到此时破坏系数值也因此降到了2.6左右。 设计总结本课程设计为计算机辅助棒材挤压模设计，以12mm棒材（黄铜DIN_CuZn40Pb2）挤压成型为例，研究挤压变形参数、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。这次课程设计，让我们掌握了挤压变形工具的设计方法，巩固了挤压变形理论与知识，进一步熟悉了Deform-3D的使用方法。设计中，我们经过参阅书本和小组共同讨论，得出的挤压筒外径为450mm，挤压筒为102mm，挤压垫厚度为40mm，挤压模工作带直径为12.18mm，工作带长度为40mm，出口直径为16mm，外径为110mm，厚度为100mm。实验中，我们将实验模拟分为八组，分别在8个不同的挤压模锥角下进行模拟，运用八组模拟结果，利用Excel将其列入表格、画出回归曲线，根据曲线的波动和走势进行分析。实验验中遇到过很多问题，比如刚开始模拟时忽略了热传递，导致成品温度保持不