挤压工艺与模具设计

1、挤压工艺与模具设计目录一、 挤压相关知识及发展状况2二、 总设计过程概论5三、 实心型材模设计7四、 总结与体会191挤压工艺与模具设计1.1挤压加工方法挤压是有色金属、 钢铁材料生产与零件成型加工的主要方法之一，也是各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。从大尺寸金属铸锭的热挤压开坯、大型管棒型材的热挤压加工至小型精密零件的冷挤压成型，从粉末、颗粒料为原料的复合材料直接固化成型到金 属间化合物、 超导材料等难加工材料，现代挤压技术得以广泛的应用。挤压加工的方法主要有正挤压，反挤压，侧向挤压，玻璃润滑挤压，静 液挤压，连续挤压。挤压加工特点是处于强烈的三向压应力状态，这有 利于提

2、咼金属的塑性变形能力，提咼制品的质量，改善制品内部微观组织和性能。除此以外，挤压加工还具有应用范围广，生产灵活性大， 工艺流程简单和设备投资少的特点。应用挤压加工工艺最多的材料是低熔点的有色合金，如铝及铝合金。1.2铝加工行业的分布中国的铝加工企业主要集中于沿海 （广东、福建、浙江、上海、江苏、 山东、河北、天津、北京、辽宁 ）地区，即珠江三角洲（广州一深圳为 中心的经济圈 八长江三角洲（上海为中心的经济圈）、环渤海湾地区 （京津经济圈）所占比例较大，许多铝加工企业都云集于此三大经济圈。在珠三角地区，主要集中在佛山地区，其中大沥更是全国，甚至世界地区铝加工业的佼佼者1.3铝及铝合金的特点与应用

3、铝及铝合金具有一系列特性，在金属材料的应用中仅次于钢材而居第二位。目前全世界铝材的消费量在1800万吨以上，其中用于交通运输（包括铁道车辆、汽车、摩托车、自行车、汽艇、快艇、飞机等）的铝材约占27%，用于建筑装修的铝材约 23%，用于包装工业的铝 材约占20%。随着中国经济建设的高速发展， 人民生活水平的不断提 高，中国的建筑行业发展迅速，包括铝型材在内的2挤压工艺与模具设计建筑装饰材料不断增加。铝型材的应用已经扩展到了国民经济的各个领域和人民生活的各个层面。根据铝合金的成分和生产工艺特点，通常分为变形铝合金与铸造铝合金 两大类。变形铝合金也叫熟铝合金， 根据据其成分和性能特点又分为 防锈铝，

4、硬铝，超硬铝，锻铝和特殊铝等五种。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范 围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等 种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选 用。铝合金型材具有强度高、重量轻、稳定性强、耐腐蚀性强、可 塑性好、变形量小、无污染、无毒、防火性强，使用寿命长（可达 50 100年），回收性好，可回炉重炼。1.4挤压工模具的材料常用挤压工具钢化学成分钢号3333333(C)/%(Si)/%(Mn)/%(Cr)/%(Mo)/%(W)/%(V)/%5CrMnMo0.5 0.60.25 0.1.2 1.60.6 0.0.15 0

5、.6935CrNiMo0.5 0.60.40.5 0.80.5 0.0.15 0.833Cr2W8V0.3 0.4< 0.40.42.2 2.7.5 9.0.2 0.7054Cr5MoSi0.32 0.0.8 1.20.4 <4.5 5.1.0 1.50.8 1.V142513挤压工艺与模具设计本设计选用模具材料为4Cr5MoSiV1 ，又称H13钢。钢中碳化物类型有、。钒在钢中起回火时二次硬化作用；Cr、Mo、W、V能提高钢抗回CMCM 6236火软化能力，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。铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性。常用挤压工具钢及其机械性能:钢号

6、试验温/%/%HB热处理工度b/MP20./MP-艺T/ °Caa5CrMnMo300115099047 6111.0351850 °C 空400101086086 8411.1311淬，600 C50078069017.5302回火60043041026.72353Cr2W8V300-5.64291100 C 在4001491137315 -8.3429油中淬45015201363-405火，550 C50014301304325回火6001280-3254Cr5MoSi4001360123049 526 7 9C油V14501300113556 5812 10-1050

7、 C5001200102567-淬，625回5501050855火在油600825710中两小时4挤压工艺与模具设计二、总设计过程概论2.1挤压工艺流程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。挤压工艺流程：铸锭加热宀挤压宀切压余宀淬火宀冷却宀切头尾宀切定尺T时效T表面处理T包装入库2.2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3003铝的最高允许加热温度为 550C,下限温度为 320

8、 C,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 C。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 400 C450 C。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0.750.95倍，挤压过程5挤压工艺与模具设计中温度最好控制在 500 C左右。6）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，

9、本设计的挤压速度取，。 minm/V 60808V 0.2.0m/min 流出锭 7 ）工模具的润滑 因本设计采用热挤压，故不采用润滑。8）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， 本设计采用4Cr5MoSiV1作为模具的材料，热处理的硬度为HRC4852。9）切压余本设计视挤压设备而定，一般20 30mm ，要控制质量，切去缩尾等缺陷。10 ）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。11 ）冷却直接露置在空气中冷却，达到自然时效的

10、目的。12 ）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 。13 ）切定尺挤压工艺与模具设计14）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3xxx系铝合金可在180240 C下保温68h。15 ）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。16 ）包装入库将铝合金成品进行包装入库。三、实心型材模设计3.1所要设计的实心型材制品IIq

11、土n.m图1v 型材截面(1 )已知：要求本制品的形状和尺寸及公差如下7挤压工艺与模具设计型)(V牌号XC311-5 2mm 63F 制品的截面积 制m/171kgG 0.， 制品挤一米的重量制品材料为300322 16. 1297 D12mm 模孔外接圆直径外(2)现有设备表6设备吨位500T800T1630T挤压筒直经(mm) Do95125187(mm)挤压截面积Fo70851226627451锭坯尺寸X LD ddX 120 X 178 X90270/320400/450540/600/660r(m)冷床长263244K填充系数1.1141.0851.104(mm)压余厚202530最

12、大挤压比max97.48273.6加工最大外接圆直径6595147范围 (mm)D max 外挤一根最小制品72断面积（）2mm Fmin 制1503723.2选坯和选设备8挤压工艺与模具设计选择挤压筒直径 DO是一个最核心的问题，有以下的选择原则：1 ）保证产品表面质量原则（为模孔距筒内表面的距离，为经验数据，可取15、20、kkcc ii30）2）保证挤压模强度的原则3）保证产品内在质量的原则4 ）经济上的优化原则一生产成本最低；成材率最大；产量最高可用500T，按成才率最高的原则，进一步优化，计算如下表所示：序D0DdLd单重填充填充压余切压余挤压制品切头成品成成材|号(m(m(mWd(

13、K系数后长厚hy后的有比入长度尾后数品率m)m)m)g)K度(mm)效长度L制制品nx6重WW制L /dL/m d100(m)长度(m)制(kg)/WdHi90mmL制%m 3060110(m)()H22060906030H3805015050801902704.671.1142422022262.4813.8713.276X3.8281.89522903205.531.1142872026762.4816.6816.6863.8269.1952 X最后选择成才率最高的81.8 %方案1即：选择500T的挤压机设备，挤压筒内径 D0=95mm锭坯尺寸为：Dd X Ld=90 X 270mm入=

14、62.483.3挤压力的计算9挤压工艺与模具设计根据挤压力经验系数公式， D 2 D).(8 0.P 11775 bd, N P 挤压力 mm 挤压筒内直径， D (d 制品的当量直径， mm ;) f 4d制 材料 在挤压温度下的变形抗力， C；查表3，并由外推法得出500MPab。时的变形抗力为 10MPa=8.96mm所以=d= 634 F4 制 D P=2 D8)11.775(0 . bd95=211.775 10 () 0.8 95968. =2610162N换算成吨位：约 266TP=266T V额定吨位500T,设备选择符合要求，即理论技术可行3.4实心型材模具体结构设计模组的结

15、构如下图图2模组的结构10挤压工艺与模具设计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,以从有关资料中查得。模组的主要结构尺寸如图3模组尺寸如下表 表7模组尺寸500T 800T 1630T设备吨位 310 X 21 160 X 0 X 1 X 2X H 350 180 X 190 250 X 240 X 340挤压模具的尺寸如下表8表挤压模具的尺寸800T 1630T 500T设备吨位 250/仃5260165/145135/d1/d2 X 2520 X 30 40 X 253012h112

16、13123.5实心模尺寸数据设计()选坯和选择设备1根据前面的计算(2)模组及模子尺寸外形的计算选挤压机500T 11挤压工艺与模具设计D0挤压筒内直径 =95 mm锭坯尺寸： Dd X Ld=90 X 320mm 入=62.48挤压比图3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 7选取H=190mm=20mm=80mm=55mm = 160mm = 180mm21311HHH模子外形尺寸的确定(如下图2dh1图4模子外形尺寸8的数据可以确定依据表=12 mm=135 mm145 mm =25=hhdd22n(3)模孔几何尺寸的确定 =62.48挤压比入V,故不需要多孔挤压

17、。max12挤压工艺与模貝设计模孔的外形尺寸(指型材的宽与高)A:由公式K C) A(1 A 11km式中:型材的名义尺寸，mmA m，冶金工业出版社，P67表一一裕量系数，见金属塑性加工学C15 1锻铝取0.0070.010，本设计取0.010型材外形尺寸的正偏差，mm1型材的壁厚的尺寸S由公式 K S CS 2mk2式中：型材壁厚的名义尺寸，mmSm 型材壁厚的正偏差，mm2裕量系数，对铝合金取0.050.15 ,其中壁薄的取下限，厚C2计算得出几何尺寸模孔外型尺寸：长度方向25 ± 0.45mm尺寸=(1+ ) + BB=32X( 1 + 0.01 ) +0.45C1mk1=1

18、2.57mm宽度方向13 ± 0.45mm尺寸 =(1+)+ch H ikmi = 13 X( 1 + 0.01 ) +0.45=12.57mm13挤压工艺与模具设计壁厚的尺寸SCS 22mk=2.4 + 0.1 + 0.2 =3.4 mm型材的圆角及圆弧没有偏差要求，故可按名义尺寸设计由于这种型材在挤压的过程中有并口现象，角度取91制造偏差为 m,主要尺寸如下图450 .图5模孔几何尺寸（4）孔形在模子端面位置的确定由于本型材为等壁厚的型材，故型材的重心与模子的中心重合。 模孔重心的计算，如下图建立坐标系：14挤压工艺与模具设计图6模孔几何中心确定 关于Y轴称，）由于v型截面具有一

19、条对称轴，如图6设压力中心为（yx 00，）所以=0，则压力中心为（Oyx oo各边中心坐标为：,2,l6.yx,75 4.52275,xy25 32l4.2,6l.,xy 32, 2 321,3x1,.333211212x,y 4.252,6752y2x, 4.756.i5,y2656655444 各边长分别为：=12mm， =3mm，=9mm， =9mm，=3mm,mm8744672536351182ill ll 12 l412653 yl yl yl yl yl yl yl yl-I o| l l l l l l l 87354162=4.24mm由于制品对称，所以（，）=（0，4.24

20、）yx oo（5）工作带长度的确定工作带又称定径带，是用以稳定制品尺寸和保证制品质量的关键部分。由于是等壁厚型材，故定径带长度各处相等，一般可取23.5 mm,生产实践中h定对铝合金常用38 m,本次设计取=4 mm h定模角工作带与工作端面的连接都有一个尖棱角，挤压过程中易于出现裂纹和压秃、压塌等现象从而会改变模孔尺寸，导致难以保证挤压制品的尺寸精度，因此，必须采用过渡圆角半径 r。（6 ）出口直径模子的出口直径一般应比工作带直径大35mm，以防止划伤制品表面，本设计取4mm。工作带与出口的过渡部分以圆角半径等于45mm的圆弧连接，或做成 20 ° 45。的斜面。15挤压工艺与模具

21、设计）入口圆角半径（7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r入口圆角半径轻金属在进入工作带时所产生的非接触变 形，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，但挤压铝合金时不应有入口圆。角，而要求保持锐利的角度，一般取r=0.20.5mm 8（）阻碍角15 mm，故不米用阻碍角由于< 10h定3.6校核）设备能力的校核1 （即挤压力小于所选设 备的吨位。所以符合要求。根据前面=266T<500T, P挤）模子强度的校核（2可以认为是一个悬臂梁突出的舌部，可按下述步骤校核,对于半空心型材5所示。其危险面1-1处的模子最小厚度。舌部尺寸如图）求单位挤压力 1266 1000 9.8P =332.08MPa pF7O85o16挤压工艺与模具设计MPap单位挤压力，式中：N挤压力，P 挤压筒断面面积，2Fmmo=47819.5N =2 ）舌部载何= lpbpFQ 26 122332.08 shshsh N Q作用在舌部的总载荷，式中：舌部的面积，2 Fmmshmm舌部的长宽尺寸，、blshsh计算3）舌部弯曲应力wM = w wWMPa式中：舌部弯曲应力