挤压工艺及模具设计课程设计铝型材挤压工艺及模具设计

铝合金型材挤压工艺及模具计算课 程 设 计 课程名称 挤压工艺及模具设计课程设计 题目名称 铝型材挤压工艺及模具设计 学生学院 材料与能源学院 金材0702 学 号 _ _学生姓名 _ _指导教师 2010 年 7 月 9 日课程设计任务书材料与能源学院金属材料工程专业 一. 题目:铝合金型材挤压工艺及模具设计二. 设计基本内容: 设计一件实心型材制品和一件空心型材制品的工艺工艺过程及模具设计,包括挤压工艺参数,模具结构,制造工艺等要求三. 完成后应缴的资料: 课程设计说明书一份 实心型材模AUTOCAD图 空心型材模上模AUTOCAD图空心型材模下模AUTOCAD图 空心型材模上下模AUTOCAD装配图四. 设计完成期限:2010年6月28日2010年7月9日指导老师_ 签发日期_教研室主任_批准日期_课程设计评语:成绩: 设计指导教师_ _年_月_日目录一、绪论4二、总设计过程概论132.1挤压工艺流程132.2挤压工艺条件13三、实心型材模设计14 3.1所要设计的实心型材制品143.2选坯和选设备153.3挤压力的计算163.4实心型材模具体结构设计173.5. 实心模尺寸数据设计18四、 空心型材模设计22 4.1所要设计的制品224.2选坯和选设备224.3挤压力的计算234.4模组及模子外形尺寸确定244.5组合模相关参数的确定244.6 模子内形尺寸的确定284.7模孔工作带长度hg的确定294.8模芯的设计294.9上模凸台设计304.10定位销，螺钉304.11模子强度校核304.12零件图装配图31五、总结与体会31参考文献32一绪论铝在地球上含量在金属元素中占第一位的，而且当今被誉为仅次于钢铁的第二大金属。1.性能特点： 第一：密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低。纯铝的密度2.72gcm ，仅为铁的13，熔点为66O4C，导电性仅次于Cu、Au、Ag。 第二：抗大气腐蚀性能好。铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。 第三：加工性能好，比强度高。纯铝为面心立方品格，无同素异构转变，具有较高的塑性(8=3050 ， 8O)，易于压力加成型，并有良好的低温性能。由于这一系列优点，被广泛应用于建筑、包装、交通运输等行业，铝及铝材的消费已经成为一个国家工业发展水平的重要标志。2.铝合金的分类第一：防锈铝合金。 合金成分有：Al Mn 系3xxx，Al Mg 系5xxx性能： 不能用时效强化，加镁或锰固溶强化提高铝合金的强度 抗蚀性比纯铝好。 用途：用于高耐腐蚀性的薄板容器（如焊接油箱）、防锈蒙皮、客车装饰条、窗框、灯具等 用于制造受力小、轻质、耐腐蚀的结构件，如油管、铆钉第二：硬铝合金、超硬铝合金。硬铝合金。成分： Al Cu Mg，2xxx系列。 性能：能通过时效强化提高强度耐蚀性不高，构件表面包铝可改善耐蚀性。 超硬铝合金。成分： Al Cu Mg Zn ，7xxx。 性能：通过时效强化显著提高强度耐蚀性不高，构件表面包铝可改善耐蚀性 硬铝和超硬铝应用：中等强度的轻质结构零件如飞机铆钉、大梁、桁条、隔框、 蒙皮、空气螺旋桨叶片等第三：锻铝合金。 成分：Al Mg Si Cu ，6xxx系列，2xxx系列 性能：固溶+时效处理后力学性能与硬铝合金相当经软化退火后热 塑性和耐腐蚀良好，适合于锻造成形。 锻铝合金应用：形状复杂的中等负荷零件，如压缩机叶片，飞机桨叶。第四:还有特殊铝，4xxx系列，性能特点:属铝硅合金，抗蚀性高，压力加工性良好，但机械强度差，多用于制作焊条、焊棒. 5xxx系列, 性能特点:特殊的高镁合金，其抗冲击性强多用于制作飞机座仓防弹板,多用于生产高级饰品，如笔套、标牌等第五：工业用铝。1xxx系列，主要用于生产各种电解电容器用箔材、抗酸容器等，产品有板、带、箔、管等3.应用领域铝合金的应用领域可分为以下几种： 第一：航空航天领域，可以作为重要的结构零件，这归功于添加铜、镁、锰、铬等合金元素，再经热处理，因而得到很高的强度。 第二：车辆船舶工业。随着社会发展，尤其是当今油价飙升的紧张时代，要求我们使用更轻，而且强度高，价廉的材料，随着技术发展，通过处理，铝合金克服了强度低的缺点，成为最佳的候选材料。 第三：机械，轻重工业，空调输油管道，仪表自行车等。 第四：化工工业。 第五：民用建筑业，常见的制品有铝合金窗，灯罩等。 第六：计算机，电子工业等，良好的导热性，可以加工成为铝散热片，还有电子工业中电容器中的铝箔。 第七：民用品。4.铝加工行业分布中国铝加工企业及其生产能力的地区集中于沿海(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)、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。5.铝合金挤压加工的现状与发展我国是铝生产和消费大国，到2006年为止我国电解铝产量已连续4年保持世界第一，而氧化铝和铝加工产量在2006年首次位于世界第一。南海铝业发展 从“夫妻店”、“父子兵”、“作坊式”到“免检产品”、“全国十强”；从默默无闻到“中国铝材第一镇”再到“中国铝材生产基地”；从无序竞争到有序发展；从民营企业到上市公司，再到“跨国办厂”以民营企业为主的南海铝型材产业历经20多年的摸爬滚打、风雨锤炼，成为了中国最大的铝型材产业基地，并形成了以下的发展特点： 第一，铝材产业规模全国最大，产业布局集中。南海铝型材生产企业150多家，年生产能力80多万吨，约占全国建筑类铝型材市场40%，广东60%。面积只有全国的十二万分之一的大沥，铝型材年生产能力却达到60多万吨，约占全省50%，全国35%。2003年3月，南海大沥被中国建筑金属结构协会授予HotTag“中国铝材第一镇”称号。 第二，建筑铝材为主，工业铝材、工艺铝材、装饰铝材为补充，构成了铝材及与其相关行业上完善的产业链。 第三，产业结构和企业组织形态水平较高。通过20年的发展，一批龙头企业脱颖而出。目前，南海铝材行业前20名企业产量占了行业总产量的50%左右；亚铝集团总生产能力达到14万吨，是目前亚洲规模最大的铝型材生产商，全球排名第5。大多数企业建立了现代企业制度，60多家企业通过了ISO国际质量体系认证等各种质量认证体系。 先进的产业组织形态促进了资本、技术、人才等生产要素的高效率配置，大大提高了南海铝材企业的竞争力。 第四，铝材产业技术水平先进，名牌产品众多。目前，南海铝材企业有10%的主要技术设备与国际先进水平同步，60%处于国际上世纪90年代以上水平。坚美、凤铝、亚洲、兴发4家铝型材企业位居全国铝材十强前列，其产品荣获中国名牌产品称号，仅大沥就有13个产品被确定为国家免检产品。 正因为产品质量过硬，技术水平先进，名牌产品众多，近年来坚美、亚洲、凤铝、华昌、南华等一大批铝型材企业成为了国家建设部铝门窗、幕墙定点生产企业，南海铝型材产品正被越来越多的国内外重点工程所采用。6.铝合金未来挑战铝合金在国民经济中起着非常重要的作用。随着科学技术的进步和现代经济的高速发展，铝合金型材正向着大型整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化、外廓美观化的方向发展，品种规格不断增多，应用范围不断拓展，已由民用建筑门窗型材为主体推广到了航天航空、汽车船舶、交通运输、电子电力、石油化工、机械制造、家用电器等各行各业和人民生活各个方面。据不完全统计，目前世界上每年需要的大型铝合金型材约4o万吨，而且增涨势头不减。为了适应这种市场需求趋势，各国都在加速建设重型挤压机或大型材挤压生产线。然而，大型特种铝合金型材是一种高难度的高新技术产品。7挤压成型控制铝材在挤压过程中，如挤压模具不是很好或模具挤压铝材过多，铝材表面会产生挤压痕，用手可能触摸到铝材表面不平，因此，在现代化大生产中实施挤压加工技术，其成败的关键是模具，模具设计以及其质量，事关产品的质量，成本。在挤压设计的过程中挤压工艺条件：应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类、形状、尺寸等）、切压余、淬火、冷却、切头切尾等多方面的因素。其中，选择挤压筒直径 D0 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）经济上的优化原则生产成本最低；成材率最大；产量最高。8本次课程设计内容这次的设计任务是设计一个实心型材和一个空心型材模，实心型材模采用单模，空心型材模采用分流组合模，挤压制品所有的材料是6063。由于其强度高，质量轻，加工性能好，在退火状态下，该合金有优良的耐蚀性及物理机械性能，是一种可以时效强化的AL-Mg-Si系合金，广泛应用于基础性建筑行业以及一些机械制造业。其化学成分表示如下:6063AL的成分: GB/T3190-1996：表1牌号SiFeCuMnMgCrZnTi其它元素每种总量60630.20.60.350.100.10.450.90.100.10.100.050.156063机械性能:表2合金状态弹性模量E剪切模 量G屈服强度0.2抗拉强度b伸长率泊松系数u布氏硬度Kg/mm2密度g/ cm26063淬火自然时效710027001222220.31652.69二总设计过程概论1.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 时效表面处理包装出厂2.挤压工艺条件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，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。2）.挤压筒的加热温度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。3）.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，挤压过程中温度控制在500左右。4）.挤压速度挤压速度快虽然可以提高生产力，但挤压速度过快会影响材料的挤压性和使挤压温度过高，因此必须控制好挤压速度。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4060m/min。5).工模具的润滑因本设计采用热挤压，故不采用润滑。6）.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。7）.切压余根据所选的设备：500T,切压余厚为20mm；800T，切压余厚为25mm。8).淬火本工艺过程中，采用在线淬火，制品挤出后可通过设置风扇对制品进行吹风来达到风淬的目的。9）.冷却直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。10）.切头尾本工艺过程统一去头尾各300mm500mm。三、实心型材模设计1.所要设计的实心型材制品本制品的形状和尺寸如下图1牌号XC111（L型） 制品的截面积F制185.7mm2 模孔外接圆直径挤一米的重量G=0.516kg/m现有设备表3设备吨位挤压筒直径95125187挤压截面积70851226627451锭坯尺寸90x270/320120X400/450178X540/600/660冷床长26m32m44m填充系数1.1141.0851.104压余厚202530最大挤压比97.48273.6加工范 围最大外接圆直径6595147挤一根最小制品断面积721503722.选坯和选设备根据加工范围要求1. （挤压一根最小制品断面积）,即185.7mm2 150mm22. （最大外接圆直径），即3. ,即66.05因此只能选用的挤压机，按成才率最高的原则，进一步优化，计算列表表4（g/cm）序号 (F0) (mm)(mm)单重填充系数K填充后长度压余厚(mm)切压余后的有效长度挤压比制品长(m)成品数nx6(m)成品重 (kg)成材率 ()112040012.171.0853692534466.0522.723X69.0073.95212045013.691.0854152539066.0525.764X612.0087.66最后选择成材率最高的87.66%对应的方案2即：的挤压机设备锭坯尺寸为： 3.挤压力的计算根据挤压力经验系数公式，P挤压力，N挤压筒内径，mmd制品的当量直径，mm材料某一挤压温度下的抗拉强度，MPa又 故 换算成吨位：约462TP额定吨位800T，设备选择符合要求，即理论技术可行 4.实心型材模具体结构设计模组的结构如下图图2 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3模组尺寸如下表表5设备吨位H1203030H2809090100110150H3506050606080 挤压模具的尺寸如下表表6设备吨位12121312135. 实心模尺寸数据设计1)选坯和选择设备根据前面的计算挤压筒内直径： 锭坯尺寸：挤压比： 2).模组及模子尺寸外形的计算图3根据前面计算，从表5选取H=240 =30 =95 =55 模子外形尺寸的确定（如下图4）图4依据表6的数据可以确定=165 =175 =12 =273)模子内形尺寸的确定挤压比，故不需要多孔挤压模孔的外形尺寸：由公式C1裕量系数，见金属塑性加工学，冶金工业出版社，P67表51，取0.008 型材外形尺寸的正偏差，为0.45。型材的璧厚的尺寸型材壁厚的名义尺寸 型材壁厚的正偏差，为0.20裕量系数，对铝合金取0.050.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限,这里壁厚均匀取0.1计算得到:模孔外型尺寸 H=B=25x（10.008）0.4525.65mm璧厚的尺寸 =40.200.14.3mm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角材在挤压的过程中有并口现象，角度取91主要尺寸如下图5图54)孔形在模子端面位置的确定（由于本型材为等壁厚的型材，故型材的几何重心位于置模子的中心）几何中心的计算如右图建立工件得坐标系： 设压力中心为 各边得中心坐标为： 所以 5).定径带长度的确定由于是等壁厚型材，故定径带长度h定各处相等，本次设计取46).阻碍角由于1015，故不采用阻碍角7)模子强度的校核对于L型材,在满足挤压比的情况下可以不进行校核。8).画图（见图纸）四.空心型材模设计1.所要设计的制品B=29.5 H=15 T=1.16 重量：0.263Kg/m 具体如下图图62.选坯核选设备制品的截面积：模孔外接圆直径根据加工范围要求4. （挤压一根最小制品断面积）,即97.9mm2 72mm25. （最大外接圆直径），即6. 挤压比不能大于设备最大挤压比 挤压比:由表3知初选的挤压机按成才率最高的原则，再进一步计算优化，计算列表如下表7序号 (F0) (mm)(mm)单重填充系数K填充后长度压余厚(mm)切压余后的有效长度挤压比制品长(m)成品数nx6(m)成品重 (kg)成材率 ()195902704.621.1142422022272.3416.062X63.1668.4295903205.481.1142872026772.3419.313X64.5883.6最后选择成才率最高的83.6对应的方案2即的挤压设备锭坯尺寸：挤压比 3.挤压力的计算根据挤压力经验系数公式，P挤压力，N挤压筒内径，mmd制品的当量直径，mm材料某一挤压温度下的抗拉强度，MPa又 故 换算成吨位：约276TP额定吨位500T，设备选择符合要求，即理论技术可行 4.模组及模子外形尺寸确定：模组尺寸结构简图如前图3所示根据前面计算，从表6选取H=190 =20 =85 =55 模子外形尺寸简图如前图4依据表6的数据可以确定=135 =145 =12 =23因为本设计采用孔道式分流组合模故：取 模垫厚55.组合模相关参数的确定：1).分流孔的个数取4个，由经验得，对于方管，矩形管，多取形状为扇形的分流孔，尖角倒圆角。2)扇形面积的确定：因为分流孔面积与制品断面积的比值,K即为分流比，一般K对于空心型材时，取K=1030。本设计初步取K=15分流孔的面积且分流孔面积的大小按其中,F-分流孔的面积, f-相应型材面积 于是，有故486.75 ，=247.5 3).分流孔位置及尺寸的确定 分流孔最外边缘不要超出的范围分流孔出口边离型材外边缘38mm,如图7中 A=38mm，距离大流动阻力大，但有理由有提高焊合质量，距离小，会影响制品质量，而且会降低焊缝的强度，综合考虑，这里取A5mm确定a，的大小如图初步取扇形外接圆直径为60mm.图7图8 关于的计算，由上图知=同理关于的计算，由下图知图9=两扇形的中心圆直径在57mm到76mm范围内，因此符合在0.60.8范围。4).分流孔的形状为了减小挤压力，提高焊缝质量，分流孔可以造成一定的倾斜锥度，上小下大，这样可以改善焊缝的质量，孔道锥面与其轴线的夹角为24，本设计取35).分流桥分流桥的宽窄和模具的强度以及金属的流量有关，从增大分流比，降低挤压力来考虑，分流桥的宽度B应该选择小些，但为了改善金属流动的均匀性，模孔最好受到分流桥的遮蔽，则B应该选择得宽些。本设计中采用倒梯形结构，桥的剖面上大下小，由如下图： 图86).焊合室焊合室的形状和大小对焊缝的质量有很大的影响。 本设计取形状为碟形，这样 有利于消除焊合室边缘与模孔平面之间的结合死区，围绕着分流孔的形状，在恰当的地方加倒圆角，可以采用大圆角R520mm。焊合室的高度有重大意义，因为焊合腔的容积越大，焊合截面与制品断面之比越大，则焊合腔建立起来的静水压力就越大，金属留在焊合腔时间就越长，因而制品质量越高。h=1015为合适，这里取h=12，如下图：图96.模子内形尺寸的确定下模模孔尺寸如下图图10由于挤压比，故不需要多孔挤压根据模孔的外形尺寸：由公式C1裕量系数，见金属塑性加工学，冶金工业出版社，P67表51，取0.008 型材外形尺寸的正偏差，为0.2。模孔与上模舌芯间隙的尺寸型材壁厚的名义尺寸 型材壁厚的正偏差，为0.2裕量系数，对铝合金取0.050.15，这里取0.08先计算下模：:下模模孔外型尺寸 璧厚的尺寸 上模的尺寸（舌芯）根据下模尺寸，再减去间隙值可定，制造偏差取 ，最终尺寸如下图图11，下模模孔尺寸图12，上模舌芯工作带尺寸7.模孔工作带长度的确定组合模的工作带应比一般结构的模子工作带长，并在入口方带有1度的锥度，以改善焊缝质量。由于本型材制品的对称性较好，外形相对较小，一般可取26，本设计取8.模芯的设计本设计的模芯与桥为一整体，因为用于挤压方管，矩形管，使用锥体模芯，由于模芯尺寸10mmb20mm，因此模芯定径带采用锥台式，舌芯长度宜短，稍伸出工作带即可，过长则造成管子偏心，过短则形成椭圆型，对于小型挤压机，一般伸出下模工作带13mm，本设计取3mm，模腔外形按空心型材的空心部分确定。成型部分以上的部分要造成圆角，这样有利于焊合质量提高=5.5mm =3mm t=2.5mm,9.上模凸台长取12mm.用于装配定位10.定位设计及螺钉定位方面采用在上模做一个凸出2mm，8的圆柱，下模作相应的孔来定位，而省去采用定位销。 螺钉采用M10, 长度为50mm，按GB标准选取标准件。11.模子强度校核：这种模子在工作时承受载荷最不利的情况是分流孔道和焊合室尚未进入金属和金属充满焊合室以后流出模孔之际，故强度的校核主要是争对模子的分流桥，模桥的弯曲应力和抗剪强度： 分流桥弯曲应力校核=式中: 分流桥的最小高度，mm; L分流桥支座间的中心距离,由图可知=39.5mm; P挤压机的最大比压；模具材料在温度下的许用应力.在450500下,对于3Cr2W8V取=1000MPa代入数据得由于上模厚度故符合要求分流孔道抗剪强度的校核平面分流模的抗剪强度可按一下公式进行校核分流桥端面上所承受的总压力，KN；分流桥受剪切的总面积，；模具材料的许用剪切应力，（0.50.6），对于3Cr2W8V刚，在400时1000MPa,于是：（0.50.6）=(0.50.6)1000=500600MPa故，即此断面强度符合要求12零件图装配图（见图纸）五总结心得两个星期的挤压模课程设计将近结束。还记得设计开始的前几天，袁老师跟我们讲解铝合金的应用，常用的加工方法，加工挤压模的基本结构，本次设计的步骤以及设计的注意问题，这些都对我本次课程设计提供了很大帮助，意义重大。使我接触到了很多关于挤压模具设计的知识，比如一些挤压成型模具的基本结构等，并且学到了许多课本上学不到的关于铝合金材料的知识。设计过程中，除了最后三天画图以外，我每天准时来到制图室，即使老师有事没来也一样。在计算，设计过程中遇到过很多细节问题。我积极地与同学们讨论，经过思考后还是不懂的问题就向老师请教。在老师的指导下很多问题迎刃而解。另外，在绘图过程中也遇到一些问题，比如我这学期练习PRO/E软件比较多，但此次设计我用的是AUTO CAD。CAD对我来说还是比较熟练的，只是在平时比较少用，导致有点生疏。这次的CAD制图，使我又一次地提高了自己的熟练程度。本次设计我已经基本完成了，虽然存在之许多不足，需要一定的修改。不过我通过这次设计，已经基本学会了如何设计一套挤压模具的基本过程，看着自己的劳动成果，感到很开心。在炎热的天气下，我一直都对着电脑制图，不断地修改，最终完成了，不仅有一次机会可以学到东西，更加可以锻炼自己的坚强意志力。参考文献1、马怀宪. 金属塑性加工学. 冶金工业出版社， 1989.102、李积彬 铝型材挤压模具3D设计 冶金工业出版社 2004.83、张丝雨 最新金属材料牌号、性能、用途及中外牌号对照速用速查实用手册 中国科技文化出版社 2005.34、刘静安 轻合金挤压模工具与模具 冶金工业出版社 1990.25、夏巨谌，李志刚. 中国模具设计大典数据库（电子版）. 中国机械工程学会.6、冯开平、左宗义主编.画法几何与机械制图广州: 华南理工大学出版社, 2001.9 32