铜合金热挤压模具设计及可靠性分析毕业论文

洛 阳 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文） 题目 铜合金热挤压模具设计及可靠性分析系 （部）机电工程系 专 业 模机械制造及其自动化（模具方向） 毕业设计（论文）任务书 填表时间： 2008年 2 月28 日 （指导教师填表）学生姓名郭 平专业班级05模具指导教师赵冬梅课题类型软件工程题目铜合金热挤压模具设计及可靠性分析主要研究目标(或研究内容)研究高温环境下的热挤压模具设计中热应力对模具可靠性的影响， 研究热挤压工艺（挤压速度， 挤压比、温度以及压力）对模具的影响，利用热-力偶合的有限元分析方法对热挤压过程的模拟，对热挤压产品：弥散铜的性能和微观特性进行分析研究，对模具和挤压工艺设计提供理论依据。课题要求、主要任务及数量（指图纸规格、张数，说明书页数、论文字数等）建立基于ansys 环境下的热挤压模具有限元分析方法，编写模具在金属流变和温度影响下的应力、温度场变化仿真程序，为模具设计提供依据。在pro/e环境下对主要模具零件的建模，绘制折合1张零号图纸的工作量。完成对弥散铜的机械性能（硬度、高温软化强度，导电率，常温机械强度等）和微观结构的测试和分析工作。进度计划第13周，认识实践环节，改进方案设计环节。第48周，图纸设计及装配图绘制。第912周，有限元分析程序设计和模具参数优化。第1214周，编写说明书，答辩。主要参考文献ANSYS有限元应用基础铜合金加工手册模具设计基础机械设计基础指导教师签字： 教研室主任签字： 年 月 日洛阳理工学院毕业设计（论文）开题报告系（部）： 机电系 2008年3月12日 课题名称铜合金热挤压模具设计及可靠性分析学生姓名专业班级05模具课题类型软件工程 指导教师职称教授课题来源1. 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 弥散强化Al2O3/Cu复合材料，不仅强度高，导电性和纯铜相近，而且还具有良好的抗电弧侵蚀、抗电磨损能力及较高的常温强度和高温强度，是一种具有广阔应用前景的新型结构与功能材料。有限元是机械设计中重要的力学、运动学、设计方法，随着有限元分析与计算机应用技术的结合，极大促进了机械设计的水平和设计效率。 ANSYS是目前较先进、成熟的工程设计专业软件，为了配合研究课题的需要，对挤压模具关键零部件用有限元法进行力学热力学分析。2. 研究的基本内容，拟解决的主要问题熟悉有限元分析中分析的基本内容。热挤压模具的设计:在保证良好组织性能的前提下，力求做到体积最小，重量轻，结构简单，操作方便。按技术要求考虑到经济性和技术性上的可能性。让计算机软件的机构分析在未来代替传统的几何分析。3. 研究步骤、方法及措施要具备一定的专业知识，只有具备了一定的专业知识才能对热挤压模具设计步骤有一定的了解。在具备专业知识的同时，也要涉及一些与专业知识有关的知识，使要解决的问题很好的解决。要具备一定的计算机软件知识，特别是ansys的知识，这样才能对零件进行分析，才能把ansys的热挤压模具分析与传统的几何分析进行比较。对做出的分析进行一定的描述。要对机械原理以及力学和材料学由很好的理解。4. 研究工作进度1-2周：选择设计方向，收集资料，确定设计内容。3-5周：对软件进行学习和深入,以便能很好的做出分析。6-7周：分析搜集到的资料。8-9周：进行热挤压模具设计以及对ansysr有限元分析。10-11周：撰写设计过程，总结设计过程，论文答辩。5. 主要参考文献陈晓霞 主编 Ansys10.0高级分析 机械工业出版社张建中 主编 机械原理 高等教育出版社苏翼林 主编 材料力学 天津大学出版社教研室意见教研室主任签字： 年 月 日洛阳理工学院毕业设计（论文）评阅成绩表系（部）： 专业班级： 学生姓名： （指导教师填表）课题名称铜合金热挤压模具设计及可靠性分析评审项目具 体 要 求分 值评 分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能正确翻译外文资料；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。10方案设计与分析、解决问题的能力能正确设计方案，独立进行实验工作，能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。10设计（论文）质 量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。20创 新有创新意识；对前人工作有改进或突破，或有独特见解。10工作量及工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律，出勤率高；工作作风严谨务实。10综合评定分数指导教师评语：年 月 日洛阳理工学院毕业设计（论文）答辩成绩评分表系（部）： 专业班级： 学生姓名： （答辩委员会填表）课题名称铜合金热挤压模具设计及可靠性分析评审项目具 体 要 求分 值评 分报告内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论严谨；论文结果有应用价值。15答 辩回答问题有理论根据，基本概念清楚。主要问题回答准确、有深度。15创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。5报告时间符合要求。5答辩得分指导教师审阅成绩（60%）答辩成绩（40%）总成绩（等级）答辩委员会（小组）评语： 年 月 日答辩小组成员（签字）： 答辩委员会（小组）主任（组长）签字：50 / 68文档可自由编辑打印毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录摘 要1Abstract2绪 论3上 篇 热挤压模具有限元分析5第一章 热挤压模具概述51.1 热挤压模具概述51.2 热挤压模具的类型及简图61.3 热挤压工艺过程7第二章 热挤压模具的理论计算92.1 挤压模的设计92.2 挤压轴的设计112.3 挤压垫的设计122.4 挤压筒的设计13第三章 ANSYS的概述173.1 ANSYS的介绍173.2 ANSYS的有限元法举例17第四 章 用有限元分析模具零件的强度热力学性能214.1 挤压模具在Pro/E中的立体图214.2 挤压模具主要零件在Pro/E中的立体图及平面图224.3 对主要零件的有限元分析27下篇 热挤压弥散铜实验的性能分析31第一章 Al2O3弥散强化铜概述及其制备工艺方法311.1 弥散铜概述311.2 Al2O3/Cu制备工艺方法32第二 章 弥散铜性能分析332.1 不同内氧化时间对合金组织的影响332.2 内氧化时间对Cu/A12O3合金导电率及硬度的影响342.3 温度对内氧化过程中氧扩散的影响352.4 拉伸性能分析362.5 Cu-Al合金内氧化的热力学分析362.6 结 论38总结与展望40谢 辞40附 录41参考资料44摘 要本论文介绍了模具的设计与制造广泛采用计算机辅助设计与制造（CAD/CAM），Al2O3弥散强化铜的性能、制备工艺方法，及各种条件对Al2O3弥散强化铜的影响，并对它进行了拉伸性能分析和内氧化时的热力学分析。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域。在本设计中做了简单接触应力分析，利用有限元对挤压模具的内筒进行了受力分析。用计算机代替传统的计算方法已是不可阻挡的趋势，而有限元软件则是现在应用广泛的软件之一。该论文介绍了有限元软件ANSYS的概况、应用特性和使用方法.设计过程程序化和自动化，发挥人和计算机的各自特长，本设计就是研究高温环境下的热挤压模具设计中热应力对模具可靠性的影响。弥散铜是现代新型的高强度复合材料，它有极好的导电、导热及抗腐蚀性。弥散强化Al2O3/Cu复合材料，不仅强度高，导电性和纯铜相近，而且还具有良好的抗电弧侵蚀、抗电磨损能力及较高的常温强度和高温强度，弥散强化铜的制造是将粉末冶金工艺和传统金属成型加工技术相结合的典范，是一种具有广阔应用前景的新型结构与功能材料。它广泛应用于各个行业之中。关 键 词：有限元，ANSYS，热挤压模具，弥散铜AbstractThis thesis presents Mold design and manufacture which are widely used in the field of computer-aided design and computer-aided manufacture (CAD/CAM). In order to study high-temperature environment of the hot extrusion dies in the design of heat stress on the impact of reliability Die, the processes of design are sequential and automatic, the utility program, displaying the respective special skill of persons and computers. The stress is analyzed in this paper using the finite element method. Instead of the traditional calculation method, the development of CAD and CAM are irresistible trend. The software about FEM is one of widely used software in present. The survey of the finite element software (ANSYS)、the application characteristic and the apply method are illustrate in this paper. The diffusion copper is new high strength compound materials at present. It is widely used in various sectors, because it owns the extremely good electric conduction, the heat conduction and the corrosion resistivity. The capabilities and the preparation technique and influence of the Al2O3 dissemination strengthening coppers performance are introduced. The tensile property and the internal oxidation thermodynamic are analyzed.Keyword: Finite Element Method，ANSYS ，hot extrusion dies，diffusion copper绪 论本设计分为上下两篇： 上篇是在ANSYS下的有限元分析法及热挤压模具有限元分析。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。挤压模具是挤压生产中最重要的工具，它的结构形式、各部分尺寸、模具材料、模具的装配形式等，对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳定性、制品表面质量以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响【13】。本设计主要是利用有限元分析典型例子，并对热挤压模的内桶进行应力分析。 下篇是介绍弥散铜的性能及制备方法等。 参照美国材料试验协会（ASTM）的标准，借鉴SCM Metal Products的产品规范， 弥散强化铜共有三个牌号，代号是C15715、 C15740和 C15760，对于特定的性能要求，可以通过调整氧化铝的含量，来制成其它牌号【10】。 弥散强化铜的性能来源于这些氧化铝硬质颗粒，加入氧化铝颗粒尺寸仅为312nm，颗粒间距为50100nm，其热稳定性极好，甚至在接近铜熔点的温度下仍然能保持去原来的粒度和颗粒间距；弥散相的加入量只占基体极小的体积分数，几乎不影响基体金属固有的物理化学性质11。因此，其软化温度高达930，同时导电和导热以及硬度和强度都能保持得很好。 弥散强化铜的制造是将粉末冶金工艺和传统金属成型加工技术相结合的典范，借鉴国外先进的粉末内氧化工艺，采用惰性气体保护雾化、低分压粉体优化处理、纳米增强相择优培育、等静压致密烧结、热挤压成型、速锻及柔性冷挤等工艺技术。 上 篇 热挤压模具有限元分析第一章 热挤压模具概述1.1热挤压模具概述挤压是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大压力和一定速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的制品14。因此，挤压加工是利用模具来控制金属流动，使金属体积大量转移来形成零件。挤压的成形速度范围很广，它既可在专用挤压机上进行，也可在一般的机械压力机、液压机、磨擦压力机以及高速空气锤上进行；挤压的成形温度范围也很广，它既可在常温、中温下进行，也可在高温中进行。根据制品形状的要求，有各种与之相配的模具。挤压模具是挤压生产中最重要的工具，它的结构形式、各部分尺寸、模具材料、模具的装配形式等，对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳定性、制品表面质量以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响。热挤压就是将金属材料加热到热锻成形温度进行挤压，即在挤压前将坯料加热到金属的再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。生产实践证明，热挤压是一种生产效率高、劳动强度低、加工质量好、省料、省工和成本低的金属压力加工方法。这种先进的加工方法，可以取代或部分取代金属切削加工，为机械加工实现少无切削创造了条件。挤压模具，包括一个进料孔，一方面利用圆形的中心预膨化或减速孔与一基本上锥形的收敛形中心挤压导管连通，另一方面利用至少一个环形的预膨化或减速孔阑与至少一个基本上锥形的收敛形同轴管状挤压导管连通，中心挤压导管和同轴管状挤压导管各自具有同心的中心出口小孔和环形出口小孔。热挤压模具一般是有模架、导向装置、紧固装置、卸料装置、冷却装置和热挤压模工作部分（突模和凹模等）。1.2热挤压模具的类型及简图 生产实践证明，热挤压是一种生产效率高、劳动强度低、加工质量好、省料、省工和成本低的金属压力加工方法【6】。热挤压模的种类可以分为如下几种：热锻模压力机或热挤压压力机用热挤压模、摩擦压力机用热挤压模、液压机用热挤压模、正挤压模、反挤压模、镦挤压和多公位的复合模等。如图1-1所示以反挤压模：由图中可以看出，凹模24以凹模垫板15与下模板12定位。凹模与凹模压紧圈18采用锥面配合，用内六角螺钉19与下模板紧紧连接。由顶杆导向套16和顶杆17组成顶出机构，在气垫的作用下将挤压件从凹模内顶出。顶杆导向套的一部分伸出下模板，主要是为了解决压力机闭合高度不够而采取的措施，将热挤压模安装到压力机上时，它将伸进压力机工作台孔内。图1-1 热挤压模具结构示意图脱料板 22 和带凸肩螺钉 13 及弹簧 7 组成卸料机构，用于将箍在凸模 23 上的挤压件脱下，弹簧的作用是支承脱料板，并能保证脱料板和带凸肩螺钉上下移动，从而减少凸模的长度，弥补压力机行程不够大的不足。 凸模 23 与凸模压紧圈 4 也采用锥面配合，以凸模压紧圈的凸肩和上模板 2 的凹槽定位，用内六角螺钉 3 与上模板紧紧连接。 导套 6 和导柱 11 用压配合分别压入上模板和下模板而组成导向系统，使热挤压模有较高的精度和工作可靠。由于导向系统的连接，从而构成了一套完整的反挤压模。 将自来水由管接头 20 通入，实现凹模冷却。反挤压凹模可做成整体式或镶套式。在反挤压模的侧面，由上砧块 5 ，下砧块 8 ，高度调节块 9 ，柱销 21 和调节螺钉 14 等组成镦粗台。设置镦粗台的目的，主要是为了清除氧化铁皮和改变坯料直径。 整副反挤压模在压力机上安装时，是靠模柄 1 与压力机定位的。由图 1看出，只要更换凸模，凹模和脱料板，便可生产不同规格的反挤压杯形挤压件。1.3热挤压工艺过程热挤压是几种挤压工艺中最早采用的挤压成形技术，它是在热锻温度时借助于材料塑性好的特点，对金属进行各种挤压成形。目前，热挤压主要用于制造普通等截面的长形件、型材、管材棒料及各种机器零件等。 其工艺过程用流程图形式表示： 图11 热挤压工艺过程流程图坯料加热除去氧化皮放入凹模内进行挤压首先将要进行挤压的金属坯料加热，加热温度有坯料的化学成分和坯料尺寸的大小来决定。当坯料加热到所需的温度时，除去其表皮的氧化铁皮并迅速放入热挤压模的凹模模腔内进行挤压。挤压设备的一次行程结束后，即完成一个热挤压件，假如下到工序还需要切边或冲孔，则根据选择的切变或冲孔形式（系指热切边或冷切边，热冲孔或冷冲孔），进行切边或冲孔工作。热挤压过程应当迅速进行，否则会使坯料温度下降，压力急剧上升，金属塑性变形差，影响成形。所以热挤压过程的持续时间通常在36s之间完成。第二章 热挤压模具的理论计算2.1 挤压模的设计2.1.1挤压模类型挤压模是决定挤压制品外形尺寸的重要工具。按挤压模的结构类型可以分为以下五种：图2-1挤压模孔的五种类型（1）锥模 平模的，其特点是压力较大时，形成地死区大，可以得到良好的制品。但在温度高下挤压变形抗力大的合金时，模具的模孔往往会缩小，故影响加工质量。（2）双锥模 锥模的模角小于90度，当时，挤压力最小，但是形成的死区小，无法带溜铸锭表面杂质和润滑剂，容易使制品内缺陷增加，品质下降。本设计注重产品质量，研究模具的性能，所以选择平模的挤压模具【15】。2.1.2单孔模设计挤压铜及铜制品时，常用的模具结构为下图图2所示。图22挤压模具示意图 （1）模具工作带直径的确定由物体的热胀冷缩和拉伸矫直时的塑性变形可知，磨具工作带直径不等于制品外经。模具工作带直径可用下式估算。 挤压棒材参数说明：dz挤压模工作带直径/mm；d挤压制品公称直径/mm； k 模孔余量系数。表2-1 挤压模具参数选择挤压制品的直径与模具孔余量可由下表取得挤压的金属合金直径dx/mmk紫铜、青铜、含铜量大于65的黄铜30；301.011.02；1.01.016含铜量不超过65的黄铜30；301.01.022 ；1.011.02按要求取k=1.02，故得dz = kd = 10.2mm（2）模孔工作带长度的确定合理的挤压模工作带长度可以稳定制品尺寸、保证制品表面和延长模具使用寿命【2】。若太短，磨具易损坏；若过长，制品易粘结金属，造成制品表面划伤【3】。挤压紫铜、黄铜和青铜时，h=(812)mm；挤压白铜时，h=(510)mm。（3）模孔入口角半径的确定挤压铜及铜合金时，取r=(25)mm。（4）模具出口处直径的确定（2-1）（5）模具外形结构与尺寸。a) 按模具设计及要求及实际情况，本设计中取锥模角为零度。b)模具的外圆直径与制品的最大外接圆直径有如下关系： （2-2）c) 模具的厚度H可根据挤压机的能力大小确定。一般取 H=（2080）mm。按照本设计的设计压迫球及实际情况的限制【7】，以上几种设计参数分别取为：；。2.2 挤压轴的设计2.2.1挤压轴的结构挤压轴分空心和实心两种。空心挤压轴用于挤压管材，实心挤压轴用于挤压棒材和型材。其轴的工作长度部分用优质耐热合金刚制作，轴的基座用稍差的钢材制造。这样可以节约优质耐热合金刚【9】。2.2.2挤压轴的尺寸(1）挤压轴的外径 挤压轴的工作长度的 外径要比挤压筒的内径小。一般立式挤压机 。(2）挤压轴的长度 挤压轴长度包括工作及基座长度。挤压轴工作长度一般比挤压筒长。(3）挤压轴的抗压强度校核 挤压轴的工作长度一般与其直径之比为4-5时，不会产生纵向失稳。挤压轴除受压缩应力作用外，还受到挤压轴与挤压筒安装的不完全同心。使其挤压时受到偏心载荷引起的 弯曲应力作用【4】。因此，在校核挤压轴抗压强度时，应同时考虑上述两个压应力的共同作用，并应满足下式： （2-3）式中 挤压轴上的压应力/MPa；压缩应力/MPa； 挤压轴弯曲产生的压应力/MPa； 挤压轴的许用应力/ MPa； 对于高强耐热模具钢=10001200MPa2.3 挤压垫的设计挤压垫是用来防止挤压轴与铸锭直接接触的重要工具。它要承受全部挤压力。 (1）挤压垫的结构形式如下图。图23挤压垫结构形式(2）挤压垫的外径比挤压筒直径小，其差值可由下表取得。(3）挤压垫的厚度，一般直径的0.30.7倍，由实际的需要，可以取得挤压垫的直径为；挤压垫的厚度为。2.4 挤压筒的设计2.4.1挤压筒的结构挤压筒可以使单层的，也可以是有过盈装配的多层结构。多层挤压筒在壁厚上的应力分布比单层挤压筒均匀，因此，在铜及铜合金材料挤压时，一般采用23层结构的挤压筒。在本设计中采用双层结构的挤压筒。双层挤压筒应力计算与单层挤压筒不同之点是要考虑其各层间过盈配合产生的预应力。既要计算出各层在内壁、外壁处由内压力 和预应力 产生的迭加应力【5】。然后根据第三或第四强度理论进行强度校核。（1）计算装配预应力 （2-4）式中；配合面直径； 过盈配合系数，一般取0.00150.0018；双层配合面直径。若将式代入式得预应力为： （2-5）式中 过盈系数，双层筒一般取0.0018。（2）挤压筒的迭加应力内衬：内壁： （2-6） （2-7）外壁： （2-8） (2-9)外套：内壁： (2-10) （2-11）外壁： (2-12) （2-13）式中 内衬内壁的径向迭加应力/ MPa ；内压力引起的径向应力/ MPa；过盈装配预应力引起的径向应力/ MPa。（3）强度校核挤压筒内衬和外套的危险半径均在其内壁上，用第三或第四强度理论求出危险半径处的合成应力，若合成应力值小于挤压筒的需用应力 时，则通过强度校核。分析：由于内用常处于高温的状态，而且很容易受到磨损和铸锭的碰撞，故内筒的使用寿命与其他零件相比其使用寿命最短，为了便于生产和损坏时的及时更换，内筒的安装要方便，但同时还要满足使用要求，所以内筒一般多采用耐高温耐磨损导热性能较好的合金钢，其变性率要低，这样几点可以基本上保证挤压出型材时整个模具有一定的稳定性，从而延长模具的使用寿命【8】。2.4.2挤压筒尺寸的确定（1）内筒挤压筒的直径与挤压机的能力、挤压比、挤压工具的强度和挤压筒的允许外经有关。对于本设计的二层式挤压筒，取内筒内径为，外半径为。挤压筒的长度不宜过长，一般为内径的1.55倍。（2）外筒各直径半径之比表示。设外筒内半径为。故有 （2-14）取K=2.5 则由前面可知=105mm,故得 ，取；由设计的可行性及要求，取内筒的长度为 ；外筒长度应为内筒长度与挤压膜厚度的和，故得到。（3）挤压筒层间的过盈量确定层间的过盈预应力由过盈量来控制，一般按经验公式计算，即 ，式中配合面直径/mm； 过盈配合系数；一般取0.00150.0018。由于本设计为小型挤压模具，挤压机的压力也是相对小一些。故其配合系数取小一些微0.0015。则得出过盈量。故得外筒内径为 。2.4.3 加热筒、保温筒、保温盖、底板参数的确定（1）加热筒加热筒主要用于对内部铸锭的加热，它不承受挤压应力的作用，由于外筒加热时，外径会增大，故外筒外经与加热筒内径应为间隙配合。设加热筒内径为，外径为，高为，故取 ，得加热筒内径为 ；得加热筒内径为 ；加热筒高度应该等于外筒高 。由加热管的位置由规定，本设计的要求放在约为加热筒壁厚的二分之一处，加热管与加热筒的内壁的径向距离大于30mm,故取加热筒外径为=380mm，加热孔直径为=20mm,加热孔之间的径向距离为320mm。（2）保温筒保温筒式起保持加热筒中的温度仅肯能多的做功，不易很快散热。故对保温筒的取值合理即可，没有关规定。对本设计要求取保温筒高 ；保温筒壁厚取为=10mm，则保温筒的内径为420mm。由于保温筒与加热筒之间要加入一些保温物质，故保温筒的D外筒=440mm。（3）保温盖保温盖主要是保持温度不容易从模具顶部散发出去。但保温盖的壁上应该具有与加热管放入位置相同的孔，用于放入加热管后导线的引出。取保温盖的外径；厚度；内径；导线导出孔=5mm；导线孔径向距离。（4）底板底板主要是起固定模具和保持模具其处于正确平衡的位置。底板内径应大于挤压膜出口内径，底板内径为 =60mm；底板厚度为 =20mm。第三章 ANSYS的概述3.1 ANSYS的介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。3.2 ANSYS的有限元法举例例1：试用ANSYA分析矩形板在受拉伸力作用下的变形，矩形板为边长为1m的正方形，厚度为0.02m，弹性模量kPa,泊松比 =0.3，一边固定，对应一边受均匀拉伸载荷 q=500kN/m。图3-1网格划分图图3-2受力变形图图3-3矢量图图3-4 X方向的受力云图图3-5Y方向的受力云图查看结果：查看结果即最终的分析目标，首先需要将上一步求解计算的结果读入到数据库中，在依次选择 Main MenuGeneral Postproc Rend ResultsLast Set 选项，完成数据的读取。然后可以对结果进行图形显示，可依次选择 Min MenuGeneral Postproc Plot ResultsDeformed Shape 选项，系统将弹出变形显示设置对话框。ANSYS既在绘图区做出未变形的正方形板和变形以后的正方形板，未变形的以虚线表示。综上图所示可知：当矩形板在受拉伸力作用下的变形时，中间部分的变形大与两边的变形，也就是中间部分的应力大于两边的应力。第四章 用有限元分析模具零件的强度热力学性能4.1 挤压模具在PRO/E中的立体图图41热挤压模具立体图4.2 挤压模具主要零件在PRO/E中的立体图及平面图（1）外筒的立体图及平面图 (a) （b）图42挤压模具的外筒 (a)外筒的立体图 （b）外筒的立体图（2）上压板的立体图及平面图 (a)(b)图43挤压模具的上压板（a）上压板的立体图 (b)上压板的平面图（3）下垫垫板的立体图及平面图 (a)(b)图44挤压模具的下压垫板(a)下压垫板的立体图 (b)下压垫板的平面图（4）下压板的立体图及平面图 (a) (b) 图45挤压模具的下压板(a)下压板的立体图 (b)下压板的平面图（5）导柱的立体图及平面图 (a) (b) 图46挤压模具的导柱(a)导柱的立体图 (b)导柱的平面图4.3 对主要零件的有限元分析使用有限元分析热挤压模具内桶所受到的应力(1)内桶的立体图和ANSYS中的原图（a）(b)图47挤压模具的外筒（a）挤压模具的外筒立体图 (b)挤压模具的网格划分图 (2)在ANSYS中生成的应力变形图图48外筒应力变形图 (3)在ANSYS中的矢量图图49矢量图(4)在ANSYS中的X方向的应力图图410 X方向的应力图(5)在ANSYS中的Y方向的应力图图411 Y方向应力图查看结果：查看结果即最终的分析目标，首先需要将上一步求解计算的结果读入到数据库中，在依次选择 Main MenuGeneral Postproc Rend ResultsLast Set 选项，完成数据的读取【1】。然后可以对结果进行图形显示，可依次选择 Min MenuGeneral Postproc Plot ResultsDeformed Shape 选项，系统将弹出变形显示设置对话框【12】。ANSYS既在绘图区做出未变形的正方形板和变形以后的正方形板，未变形的以虚线表示。综上图所示可知：内桶上下端约束所有的自由度，桶内受到压应力时，中部的压应力大于上下端的压应力。下篇 热挤压弥散铜实验的性能分析第一章 Al2O3弥散强化铜概述及其制备工艺方法1.1弥散铜概述高强高导铜合金由于具有极好的导电，导热性及抗腐蚀性能已成为近年来人们研究的热点。纯铜具有高的导电性、导热性及优良的工艺性能,广泛应用于电子、电力等工业部门，但是纯铜的室温强度和高温强度均较低，软态时仅为230-290MPa。冷加工后强度虽然可以达到400MPa，但延伸率仅为2%。并且冷加工获得的较高强度，在冷加工之后的回火过程中很快丧失，难以满足实际应用的需要。传统提高铜合金强度的主要方法是合金化法，根据纯铜和部分铜合金的力学和导电性能，一般其抗拉强度小于600MPa。Cu-Be合金虽然可以获得大于1000MPa的抗拉强度，但是其仅仅具有中下等的电导率。可见，纯铜及现有牌号的铜合金高电导率和高强度难以兼顾，强度的提高往往是以较大程度地牺牲电导率为代价的。弥散强化铜基复合材料，是在铜基体中引入了细小弥散分布的弥散相粒子，从而使基体强度，特别是使高温强度得到大幅度提高的一种复合材料。弥散铜常用的氧化物增强相有Al2O3，ThO2，BeO，TiO，CrO2，ZrO2等等，其中Al2O3是最常用的弥散相。在Al2O3/Cu复合材料中,由于Al2O3颗粒硬，且在高温下热稳定性好及对Cu基体的不溶性，甚至在接近铜熔点的温度下都能保持其原来的粒度和间距，所以Al2O3/Cu复合材料在高温下能保持其大部分硬度。同时由于Al2O3颗粒含量少，且细小弥散分布，所以能保持铜基体的高导电、导热性。Al2O3弥散强化铜复合材料（Alumina Dispersion Strengthened Copper Composite,简称ADSC）不仅强度高，导电性和纯铜相近，而且还具有良好的抗电弧侵蚀、抗电磨损能力及较高的常温强度和高温强度，是一种具有广泛应用前景的新型材料与功能材料。目前国外已将Al2O3/Cu复合材料应用于以下几个方面：(1) 代替Ag基触电材料。(2) 作为导电弹性材料及计算机CPU引线框架材料。(3) 用于微波管结构及导电及电焊电极材料。1.2 Al2O3/Cu制备工艺方法Al2O3/Cu复合材料是以Al2O3颗粒为强化相的Cu基复合材料，Al2O3是尺寸稳定、坚硬的惰性粒子，具有良好的热稳定性，高温下仍可以起到牢固的钉扎作用。细小坚硬的Al2O3颗粒弥散分布在铜基体上，阻碍了位错的运动，大大提高了基体的室温与高温硬度，也称作氧化物弥散强化铜(Oxide Dispersion Strengthed Copper，简称ODSC)。 制备Al2O3/Cu复合材料采用的方法主要有下面几种：1、粉末冶金法 2、机械合金化法 3、溶胶凝胶法 4、内氧化法内氧化基本过程是：首先，使CuA1合金雾化粉在高温氧化气氛中进行选择性氧化，即通过控制氧分压使A1发生氧化而Cu不被氧化，得到Al2O3/Cu复合粉末，然后压制、烧结、加工成型。在合金氧化过程中，氧溶解到合金相中，并在合金相中扩散，合金中较活泼的组元与氧反应，在合金内部生成氧化物颗粒，这个过程定义为内氧化。用内氧化法制备的Al2O3/Cu复合材料不仅保持了铜基体的优良导电、导热性，而且在室温及高温下都具有较高的强度。因而内氧化法成为商业化应用最广的一种方法。本实验采用内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料。第二章 弥散铜性能分析2.1 不同内氧化时间对合金组织的影响图2-1中（a）、（b）、（c）、（d）分别是试样经9001h退火和试样900内氧化3h、6h、10h后的金相组织。图2-1 合金组织的金相图片（a）9001h退火 （b）9003h内氧化（c）9006h内氧化（d）90010h内氧化从图（a）、（b）中可以看出退火1h后心部的晶粒比内氧化3h后心部的晶粒稍大，表明Al2O3颗粒析出有抑制晶粒再生长的作用；在图(b)中可以看出内氧化后表层晶粒明显比内部晶粒细小；在图（b）、(c)、(d)中可以看出表面层晶粒随时间的延长变化不明显，内部晶粒变化较大。是因为内氧化过程中，边界由于氧的扩散距离较短，Al2O3较早的析出，钉扎了正在长大的晶粒边界，使晶粒得不到充分长大，形成的Al2O3较晚，晶粒得以充分长大，所以表面晶粒较小；而在内部由于表层Al2O3颗粒的形成消耗了氧，抑制了氧进一步向内部扩散，即氧向内部的扩散速率降低，细小Al2O3颗粒的析出较晚较少，不能完全起到阻碍或抑制晶粒的再生长，从而内部晶粒随内氧化时间的延长，能够绕过Al2O3颗粒的钉扎作用再长大，所以内氧化6h、10h的内部晶粒比内氧化3h的内部晶粒大。2.2内氧化时间对Cu/A12O3合金导电率及硬度的影响图2-2 Cu/ Al2O3导电率及硬度随内氧化时间的变化曲线图2-2是试样在900下原始试样及分别内氧化3h、6h、10h后的试样电导率及表面硬度。CuAl合金的内氧化处理对电阻具有双重作用：析出的Al2O3质点本身使Cu基体电导率降低；Al2O3质点的析出，消耗了基体中的Al，减少了基体中Al的固溶量，基体中的晶格畸变得以缓解，使电导率提高。不同温度下加热，铜铝合金内氧化后电导率均有不同的提高。 2.3温度对内氧化过程中氧扩散的影响通过试验比较，对不同内氧化温度制备的Cu/A12O3进行了分析。(a) 700x10h (b) 800x10h (c) 900x10h图2-3 不同温度下内氧化后的TEM图2-3描述的是在内氧化温度700,800和900下内氧化10小时的合金组织图片。从这三个图中，我们明显看出：随着内氧化温度的升高，内氧化层的厚度增加，并且可以看出在700，800和900内氧化时，试样表层比内部的晶粒细小，900内氧化的表层晶粒和内部的晶粒大小表现更明显。说明氧化温度高有利于晶粒的长大和氧的扩散。从热力学公式出发考虑，显然是在氧分压允许的范围内温度越高，内氧化速度越快，实际上限制温高的因素很多：合金的熔点，粉末的烧结，试样表面与粉末熔合引起的不平整。但温度过高，时间过长，易发生Al2O3颗粒的粗化，还会影响材料的性能。从试验中可以得出：平板状试样的内氧化温度在900左右较好，为今后的氧化铝弥散铜合金复合材料的研究奠定了坚实的基础。2.4拉伸性能分析图24不同变形量下抗拉强度的变化曲线图2-4描述了Cu-Al合金900x3h内氧化后分别变形0，20%，40%，60%，80%后，其抗拉强度和变形量的关系曲线。从图中可以看出随变形量的增大，其抗拉强度是不断增高的，这与弥散强化合金的加工硬化现象显著有关。费希尔(Fisher),哈特(Hart)和普赖(Pry)等认为，通过绕过方式堆积在弥散粒子周围的大量位错环群，对弗兰克瑞德(Frank-Read)位错源作用反向应力