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1、铜陵学院毕业设计目 录摘 要1Abstract2第1章 概述- 1 -1.1 我国铜材加工的生产现状及发展趋势- 1 -1.1.1 我国铜行业发展情况- 1 -1.1.2 我国铜制品的不断发展发展- 1 -1.1.3 科技创新引领我国铜加工业的高速发展- 2 -1.2 挤压生产的发展与现状- 2 -1.3 挤压法的优、缺点- 3 -1.4 本设计的内容及意义- 4 -第2章 挤压工艺设计- 5 -2.1 H68黄铜的性能分析- 5 -2.1.1 H68的化学成分- 5 -2.1.2 H68物理性能- 5 -2.1.3 H68的力学性能- 5 -2.2 挤压工艺设计- 6 -2.2.1 挤压生产
2、工艺流程简图- 6 -2.2.2 挤压方法- 6 -2.2.3 挤压工艺参数确定- 6 -2.2.4 挤压时的润滑条件- 9 -2.2.5 锭坯尺寸选择- 9 -第3章 挤压设备的计算与选择- 11 -3.1 挤压力及挤压设备- 11 -3.1.1 影响挤压力的主要因素- 11 -3.1.2 挤压力计算- 11 -3.1.3 挤压设备的选择- 13 -3.2 挤压工具及其设计- 14 -3.2.1 挤压模及其材质的选择- 14 -3.2.2 挤压垫设计- 20 -3.2.3 挤压杆设计- 21 -3.2.4 挤压筒设计- 22 -第4章 辅助设备的选择- 26 -4.1加热设备的选择- 26
3、-4.2供锭机构的选择- 26 -4.3冷却设备的选择- 26 -4.4切断设备的选择- 26 -4.5矫直机的选择- 26 -第5章 车间劳动定员- 27 -5.1车间劳动定员- 27 -5.2车间的劳动定员- 27 -第6章 车间的组成和平面布置- 28 -6.1 车间平面布置原则- 28 -6.2车间平面的主要内容- 28 -6.2.1 金属流程线的布置- 28 -6.2.2 生产设备的布置- 28 -6.2.3 车间内通路的布置- 28 -6.2.4 仓库面积的确定原则- 28 -第7章 主要技术经济指标和设计遗留问题- 30 -7.1 设计中主要技术经济指标- 30 -7.2 设计遗
4、留问题- 30 -总 结- 31 -参考文献- 32 -致 谢- 33 -插图清单图2-1 管材挤压产生工图艺流程.6图3-1 挤压力分量与模角的关系.11图3-2 部分分流孔的数目、大小和排列.16图3-3 分流桥横断面形状.17图3-4 模芯的结构形式.17图3-5 焊合室的结构形状.18图3-6 公用分流孔示意图.19图3-7 挤压垫的结构形式.21图3-8 挤压杆结构.22插表清单表1-1 2010年2011年我国铜行业生产、消费及净进口情况.1表2-1 H68的化学成分.5表2-2 H68的物理成分.5表2-3 H62黄铜的力学性能.5表2-4 挤压法分类.6表2-5 热挤压时金属材
5、料的工艺参数值.7表2-6 挤压时锭坯加热温度.8表2-7 铜挤压时的金属流出速率.8表2-8 挤压筒与锭坯的间隙值.10表3-1 挤压机的分类应用表.13表3-2 常用工模具材料.14表3-3 焊合室高度与挤压筒内径的关系.18表5-1 车间劳动定员综合表.27表7-1 车间综合技术经济指标.30年产4万吨H68黄铜管挤压车间设计摘 要 铜和铜合金在航天、航空、电子、电力、信息、能源、机械、冶金、建筑和交通等领域得到广泛的应用。铜合金材料的加工技术是控制和改善材料形状、组织、性能以及尺寸的主要手段，而用于铜合金管材加工生产的塑形加工方法主要有挤压技术和轧制技术。本次设计为年产4万吨H68黄铜
6、管挤压车间设计，其中最主要的是挤压工艺设计。锭坯尺寸为2801000mm，挤压制品尺寸为303mm，采用单动卧式挤压机，挤压方法为带润滑正向挤压。设计主要内容包括：总结我国铜材加工行业的现状及发展、挤压工艺参数（挤压比、锭坯尺寸、挤压温度、挤压速度、挤压机选择等）设计、挤压力计算以及挤压模具（挤压模、挤压筒、挤压垫、挤压杆等部件）设计及计算、辅助设备的选择、车间劳动定员、车间组成与平面布置以及主要技术经济指标。本次设计挤压力为38.84MN。考虑到制品质量，挤压模为平面分流模。在计算模具厚度时，确定模具的危险截面，利用弯矩得出模具厚度。关键词：H68黄铜；挤压技术；车间设计；挤压工艺；挤压模具
7、With an annual output of 40000 tons of H68 brass extrusion workshop designAbstractCopper and copper alloy have been widely used in aerospace，aviation，electronics，electric power, information, energy, machinery, metallurgy,construction，transportation and other fields.The processing technology of coppe
8、r alloy materials is the main method to control and improve the material shape, structure, performance and size.Plastic processing methods for pipe processing production of copper alloy mainly include extrusion technology and rolling technology.This design is about an annual output of 40000 tons of
9、H68 brass tube extrusion workshop ,in which the extrusion process is the most important part in the design.The billet size and the extrusion products size are2801000mm and303mm,respectively.The extrusion equipment is single-acting horizontal extruding machine，and the extrusion method is lubrication
10、forward extrusion.The contents of the design mainly includes：summarizing the present situation and the development of Chinas copper processing industry，designing extrusion process parameters (extrusion ratio，the size of the ingot billet，extrusion temperature，extrusion speed，extruding machine selecti
11、on，etc.)，extrusion pressure calculation and extrusion die design，(extrusion die，extrusion tube，extrusion，extrusion rod and other components) design and calculation，the selection of auxiliary equipment，and forming workshop labor capacity，the workshop layout and main technical and economic indicators.
12、The extrusion force of the design is 38.84 MN.Considering the quality of the products ,the flat die is chosen as extrusion die.When calculating the thickness of the mold, it is obtained by the dangerous section of the mold and bending moment .Keywords：H68 brass；extrusion technology；plant design；extr
13、usion process；extrusion die第1章 概述1.1 我国铜材加工的生产现状及发展趋势1.1.1 我国铜行业发展情况 2011年12月，我国开采的铜精矿含铜量为113.93万吨，比以往调高11.07%，加工铜材产量935.87万吨，比以往增加11.45%，生产精铜的质量为517万吨，总体取得较大的成果。近几年我国铜材发展情况如表1-1所示。年度项目铜精矿精铜加工铜材2010年生产量115.6457.31009.3消费量261.7610.01049.5净进口量646.43288.340.22011年生产量123.7517.0935.9消费量195.4733.0净进口量581.
14、3227.326.0 表1-1 2010年2011年我国铜行业生产、消费及净进口情况 （万吨）（1） 消费量和年产量持续保持稳定增长。我国在十一五期间，精铜产量从260万吨（2005年）增加到458万吨（2010年），年平均增加12%。大于同一时间的GDP增长率。消费精铜相对来说提高15%，由374万吨（2005年）增加到753万吨。我国铜加工产品的消费量和产量持续保持较快的增长速度。（2） 铜矿资源实现较大的发展。近几年来由于铜材价格一直上升的影响，使我国铜矿的开采工作显著增加，接连发现一些矿产储量丰富的铜矿，例如，西藏冈底斯铜矿成为我国最大的铜矿床，资源储量高达1200万吨以上。（3） 铜
15、矿产冶炼企业的生产规模不断矿大，产业密集度进一步增加。江西铜业集团在2011年生产105万吨的精铜；大冶有色企业精铜产量达到历史最高，为35万吨。生产规模不断提高的同时，冶炼企业密集度也不断增大。2011年，我国铜材冶炼企业CR产量指标为0.631，HHI（Herfindahl-Hirsch man Index）为911，与中等密集水平向接近。（4） 铜材生产工艺水平与装备有了进一步的提高。在近几年，由于我国经济不断高速增加和全球范围内的产业转移，我国的铜材加工业不断发展，特别是铜板带材，消费量和年产量持续告诉增长。同时，我国不断引进和自主开发一批水平先进的铜材生产设备和生产工艺，不断提高技术
16、创新水平，促使我国铜加工业的高速发展。1.1.2 我国铜制品的不断发展发展近几年来，我国铜产品品种发生了较大的变化，新产品和新材料不断出现，传统的铜材不断完善向现代铜加工产品转变，其中最明显、最突出的特点是向高精度、环保、节能、高性能的方向发展。许多产品达到世界先进水平，在铜材市场享誉国内外。（1）空调和制冷设备超波、超细、高精度、复杂齿形以及高清洁度的产量不断增加。（2）建筑用铜气、水管、采暖管在我国的应用不断加大。（3）冷凝器用铜合金管随着电力工业的不断发展，虽然受到不锈焊接铜管的影响，其产量不断提高。而且，冷凝器用铜合金管在造船业、海洋工程以及化工行业的应用也不断增加。（4）焊接用带材大
17、多用于铜包铝线材的生产，品种规格为0.38132mm，其要求具有严格的宽度公差和较高的导电率。（5）桐线杆已成为作为线材坯料的重要产品。合金线用铜杆大多使用水平连铸方法生产，主要产品有异形线、高速列车导线等（6）无铅环保型铜及铜合金新材料、高导电材料以及各种大长度异形铜材生产实现较大的进展。1.1.3 科技创新引领我国铜加工业的高速发展近60年来，我国铜加工行业由小变大、由弱到强，尤其是在十一五期间迅速发展，七年来，产量居世界第一位。2012年我国铜材产量为世界的一半以上。我国铜加工业的取得蓬勃发展的主要原因即是科技创新。最近以来，由技术创新引起的产业变革有：铜材产品的性能由传统指标向现代化发
18、展；产品品种由传统机械用铜材向现代电子行业用铜材发展；生产工艺由长流程向环保、节能、高水平的短流程工艺发展。我国有些自主创新的技术，如高精度内螺纹管的生产技术已经达到世界先进水平。（1） 工艺技术的主要成果打破了传统的三级式铜及铜合金生产方式，进一步缩短生产工艺流程，向节能、环保、高水平的生产工艺发展，卧式水平连铸坯上引连铸线坯高精度拉伸已经成为热点产品，如合金线材、内螺纹管等的主要生产方式；光亮铜线杆连铸连轧技术取缔了能耗高、耗铜高、质量低、污染大的陈旧设备和工艺，成为生产线坯的主要方法；在我国管材生产中管材卷式生产法是典型的先进技术，其中有许多技术已经达到世界先进水平。（2） 装备技术的主
19、要成就我国自主研发的铜材加工技术装备有较高的性价比，使项目投资显著减小，逐渐在我国铜材加工企业得到应用，拜托了完全依赖国外先进生产装备的局面，自主研发的技术装备不仅在国内被广泛使用，而且深受全球铜加工业的喜爱。主要技术装备成果有：我国铜及铜合金感应熔炉已经潜流话、连体化，具有节能、结构简单、环保的优点；用于板带材生产的轧机如粗轧机、中轧机以及精轧机等完全国产化；管棒型材的生产装备也已经基本上国产化。（3）铜材加工技术的创新节能、环保、提高成品率以及产品质量、增加产品品种、使生产成本降低、提高企业经济效益，铜材加工技术不断向着连续化、智能化、自动化以及精细化生产前进。十一五期间我国铜材加工行业在
20、生产技术方法的创新中实现了较大的进步，其中连续铸造技术、行星轧制技术和连续挤压技术三大技术为我国铜材加工生产提供了强有力地技术保证。1.2 挤压生产的发展与现状挤压作为一种新的金属塑性加工方法在成型领域出现不是太早。第一台挤压机的出现是在1797年，是一位英国人为了生产铅管而发明的，然后经过不断的发展和改进。但是由于当时条件的限制，挤压力不是很大，只能挤压一些像铅较软金属。后来技术条件不断发展，在1894年第一台挤压黄铜等硬金属的挤压机问世。从此，这种加工方法日益发展。二战以后，挤压法应用在不同的领域，如宇航、汽车、船舶、运输、桥梁等，特别是建筑业大量采用挤压制品，使挤压生产的急剧发展，主要体
21、现在以下方面。（1） 挤压机的性能不断提高、生产自动化水平显著调高。挤压机实现自动化把劳动力解放出来，是劳动力的利用率最优，同时减少劳动人员，以及计算机的使用使加工生产效率很大程度上提高，甚至在某些生产线实现无人化操作。（2） 产品规格和品种不断增加。挤压制品的品种不断扩大，从开始的简单断面型材如管棒线材到复杂断面的的异型材。挤压材料从软金属如铅到硬金属如铜、钢等。（3） 挤压生产过程不断强化，不断出现新的挤压技术。例如，在挤压有色合金挤压方面，通过控制金属流出速度，避免在制品表面上有周期性裂纹产生，发明了等温挤压技术，使用润滑挤压和冷挤压技术技术，使挤压速度显著提高。连续挤压的出现，使生产效
22、率和成材率大大增加。由于黄铜和紫铜易氧化则采用水封挤压、真空挤压和惰性气体保护挤压。（4） 理论研究有突破性的进展。由于当时只是看中技术的可行性以及生产效率，对其理论依据没有过多的研究。对理论研究最早开始于H.C.库尔纳科夫，他主要研究不同情况下的金属流动情况、在流动时的挤压力。随后，视塑形法的出现使挤压理论有了突破性的进展，即一种讲金属流动实验测量和应力计算结合起来的方法。现在由于计算机的发展以及在挤压领域的应用，可以做到在实际生产前模拟实验，结合模拟情况改进工艺等使挤压理论不断向前发展。1.3 挤压法的优、缺点 挤压法之所以能够迅速的发展，在不同领域的广泛使用是有其优点的，相比其他加工方法
23、有如下优点：（1）工作条件为三向压应力状态，使锭坯塑像最大化的发挥出来。对于硬质金属材料的挤压是非常有力的。由于挤压的应力状态充分发挥了金属的塑形，因而金属可以承受很大的塑形变形，挤压比可达到50或者更大。 （2） 生产不同产品不需要更换设备。操作方便、简单，工作时间短。挤压法比较适合生产小批量、多品种、规格的挤压产品。 （3）挤压法不但可以生产简单断面的管、棒、型材，还可以在一台挤压设备上生产复杂断面的挤压制品。 （4）挤压质量好，尺寸精确、缺陷少。 （5）生产自动化高、比较容易管理。一种加工方法不可能只有优点而没有缺点，所以挤压法也存在一定的缺点：（1）锭坯利用率不高，如挤压后一般留有压余
24、量、组合模具挤压时的金属残留等。在挤压终了时要留压余和挤压缩尾。不同的挤压方法和挤压制品，金属集合损失不同。（2）加工速度低，辅助时间长。挤压时，锭坯变形程度较大以及较大的外摩擦力而且塑性变形区又完全被挤压筒缩封闭，使金属在变形区中快速升温，从而有可能达到金属的脆性温度区，会引起挤压制品表面出现裂纹而成为废品。（3）锭坯的不均匀变形，使成品沿长度和断面上制品的组织和性能分布不均。（4）工具消耗较大。1.4 本设计的内容及意义本设计，即年产4万吨H68黄铜管挤压车间设计，主要包括挤压车间工艺设计、主要设备的计算与选择、辅助设备选择和车间平面布置等方面的内容。本设计的意义在于：一方面，可以为相关企
25、业提供设计样例，缩短其在生产前的理论研究与准备阶段，从而节约时间，在一定程度上提高经济效益和生产效率，更好更快地满足市场和用户需求，从而更好地服务于社会；另一方面，能够进一步深化设计者对设计挤压车间的熟练程度，培养踏实细致的工作作风，锻炼自己全面考虑问题的能力，时理论知识转化为实践能力，将来能够更好地工作。第2章 挤压工艺设计2.1 H68黄铜的性能分析铜和锌的铜基合金称为黄铜，普通黄铜的含锌量大都在40%内，且锌大量固溶于铜。一般把普通黄铜按其组织分为：单相黄铜（黄铜），含Zn36%；双相黄铜（+黄铜），含Zn为3646.5%；黄铜含Zn为46.550%。本设计采用黄铜为H68,含Zn量为3
26、2%，即单相黄铜（黄铜）。其组织特征是：在铸态时，晶内偏析不严重，在快冷条件下，黄铜的铸态组织会析出少量的相。加工和退火状态时，带双晶的等轴晶粒大小与冷加工率和退火时间、温度有关。黄铜塑性很好，可冷热加工，其室温伸长率随锌含量增加而增大，到3032%时，达到最大值。黄铜热加工前的加热不仅能使其软化，又能消除枝晶偏析，进一步改善室温塑性。2.1.1 H68的化学成分H68的化学成分见表2-1。表2-1 H68的化学成分牌号 化学成分/%产品形状CuFePbNiZn杂质总和H6866.568.50.150.080.5余量0.5板、带、管、棒、线2.1.2 H68物理性能 H68的物理性能见表2-2
27、。牌号液相点/固相点/密度/(g/cm3线膨胀系数/*104/-1 (20300)热导率/J.(cm.s.)-1电阻率电阻温度系数/2(20100)与HPb63-3比较的可切削性/%H689399108.520117.230.0640.001530 表2-2 H68的物理成分2.1.3 H68的力学性能 H68黄铜的力学性能表2-3。牌号弹性模量E/1000MPa抗拉强度b/MPa屈服强度a/MPa弹性极限e/MPa疲劳强度n伸缩率/%布氏硬度HB软态硬态软态硬态软态硬态软态硬态软态硬态软态硬态H6810.63206609052070500120150553-150表2-3 H62黄铜的力学性
28、能2.2 挤压工艺设计2.2.1 挤压生产工艺流程简图挤压生产的工艺流程一般没有多大的差别。结合对产品的要求、厂房的面积以及生产效率的因素可以采用不同的生产工艺。挤压生产工艺流程为铸锭加热挤压冷却切头尾矫直切定尺检查入库。流程简图如图2-1所示。图2-1 管材挤压产生工图艺流程铸锭加热挤压冷却切头尾矫直切定尺检查入库2.2.2 挤压方法 在挤压生产中有许多挤压方法，一般根据不同的特点后用途进行分类，如表2-4。在挤压生产工艺中正挤压和反挤压是最常用的方法。两者的区别主要是金属流动方向与杆运动方向是否一致。一致则为正挤压，正是由于这样所以存在较大的摩擦力。反之则为反挤压。显然挤压筒与锭坯没有相对
29、滑动，没有外摩擦力。两者的不同特点影响着挤压过程、产品精度、成品质量以及生产效率等。对于空心型材和管材最常用的方法也是挤压法。由于设备结构或者能力的影响，锭坯可以是空心的也可以是实心的。表2-4 挤压法分类分类特征分 类挤压方向正向挤压反向挤压侧向挤压变形特征平面变形挤压轴对称变形挤压一般三维变形挤压润滑状态无润滑挤压常规润滑挤压（润滑穿孔针挤压、普通润滑剂全润滑挤压）特种润滑挤压挤压温度冷挤压温挤压热挤压（普通热挤压、等温挤压）挤压速度低速挤压、高速挤压、冲击挤压综合所述，本次设计为管材挤压，选择挤压方法为正向热挤压。2.2.3 挤压工艺参数确定 确定挤压工艺参数时，一般要考虑各种因素的综合
30、作用对金属压力加工时的可挤压性和对挤压制品质量的要求（形状与尺寸的偏差、组织与性能、表面精度等），从而达到提高生产率和成品率的要求。热挤压进程当中的基本参数是挤压速率（金属出口速率）和挤压温度，这两个基本参数构成为了温度速率前提，对挤压进程的节制十分重要。在确定详细的挤压工艺参数规模时，找到一个既斟酌出产请求的理论方式和全部的影响因素是不易的。以是，在选择挤压工艺参数时，在理论阐发的基础上举行各类工艺实验，考查产品质量，并参照现实出产的经验值。一般挤压工艺参数值见表2-5。表2-5 热挤压时金属材料的工艺参数值金属材料挤压温度/挤压比流出速度 /ms-1单位挤压力/MPa铜及铜合金纯铜+黄铜，
31、青铜1013%Ni白铜2030%Ni白铜8209106508407007809801001040010400102000.15.00.13.30.11.670.10.63006502005006008005008502.2.3.1 挤压温度（1） 金属与合金的可挤压性 挤压成型的可能与否主要根据材料的可挤压性，一般与材料有关。主要包含在高温条件下金属的变形抗力与塑形两个指标。选择金属加热温度主要在熔点温度的0.750.95倍附近。所以，应查找金属熔点和成分合金在相图上固定点温度，确定挤压温度的上限，防止挤压时出现热脆性。其次，对于存在相变的合金，单相区最适合挤压。金属应尽量在高温塑形温度范围内
32、进行热挤压，避免产生周期性裂纹。同时，应注意到金属与合金在热状态下的表面性质，防止锭坯表面过度氧化和粘接。（2）制品质量要求 挤压制品的温度在模孔出口出沿长度方向上下波动，冷却后的断面尺寸沿长度方向上也存在偏差。制品断面尺寸出现波动时，首先检查与调整锭坯的初始温度，无法及时调整时应控制挤压速度。对于成分与组织状态不同的合金，锭坯初始温度影响着金属流动不均匀性和组织性能。一般，锭坯表面易产生硬的氧化的金属材料，挤压温度不宜过高；对有相变的合金应制止在相变温度区挤压。为保证制品组织均匀性可采用等温挤压技术。易于粘接工具的锭坯，无论是挤压工具的损伤还是粘接金属，都会使挤压制品表面质量恶化。因此，此类
33、金属合金应在较低的温度下加热。 （3）挤压温度控制值综上所述，挤压温度范围考虑到合金状态图、高温塑形图、再结晶图，还要参考车间的实际生产规程和设备能力，用以保证成品率、生产率以及制品质量要求等指标，同时还应估计到挤压过程中的金属热量平衡关系。铜及其合金在不同挤压条件下的实际挤压温度见表2-3。本次设计为H68黄铜挤压，根据表2-5、表2-6选择挤压温度为700、锭坯原始温度为800。表2-6 挤压时锭坯加热温度 金属种类合金及牌号锭坯原始温度/挤压筒温度/棒材管材铜黄铜H68，HSn70-1H62，HSn62-1HFe59-1-1HPb59-1HAl77-2HMn57-3-2HSi80-370
34、0750640690580630750800580630720770780840700760 5806307708206006503504002.2.3.2 挤压速率和金属流出速率 挤压速率有三种不同的表示方法：挤压杆的移动速度率vg ；金属流出模孔的速率 v= vg，此法最常用、最直观；金属的变形速率 ，此方法实际生产中不用。根据产品质量和设备能力（吨位、速度）的要求去选择挤压速率，一般选择较大的挤压速率。确定实际挤压时的金属流出速率，根据挤压温度已知的前提下，综合考虑挤压材料的变形抗力、合金的塑性、挤压比以及工模具预热的影响来确定金属流出速率，铜及铜合金允许的金属流出速率如表2-7所示。 表2-7 铜挤压时的金属流出速率 （m/min）金属材料100管材
