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1、中南大学 2014年中南大学机电工程学院（材料成型与控制专业向） 专业课程设计设计任务书 设计课题： 角钢的工艺制定与模具设计 组 号： 第1组 学生姓名： 班 级： 学 号： 指导教师： 目录一、 挤压相关知识及发展状况.11.1 挤压加工方法.11.2 铝加工行业的分布.11.3铝及铝合金的特点与应用.21.4挤压工模具的材料.3二、 总设计过程概论.52.1 挤压工艺流程.52.2挤压工艺及工艺参数条件的确定.5三、 型材模设计.83.1相关参数.83.2选坯和选设备.93.3挤压力的计算.103.4模组及模子外形尺寸确定.113.5组合模相关参数的确定.133.6 模子内形尺寸的确定.
2、163.7模孔工作带长度hg的确定.173.8模芯的设计.173.9上模凸台设.183.10定位销、螺钉.183.11模子强度校核.183.12零件图装配图(见图纸).19四、 总结与体会.20一、挤压相关知识及发展状况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
3、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，这有利于提高金属的塑性变形能力，提高制品的质量，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)、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。1.3铝及铝合金的特点与应用铝及铝合金具有
4、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，硬铝，超硬铝，锻铝和特殊铝等五种。铝合金比纯铝具
5、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50100年），回收性好，可回炉重炼。1.4挤压工模具的材料表1.常用挤压工具钢化学成分钢号(C)/%(Si)/%(Mn)/%(Cr)/%(Mo)/%(W)/%(V)/%5CrMnMo0.50.60.250.61.21.60.60.90.150.35CrNiMo0.50.60.40.50.80.50.80.150.
6、33Cr2W8V0.30.40.40.42.22.77.59.00.20.54Cr5MoSiV10.320.420.81.20.44.55.51.01.50.81.1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。 表2.常用挤压工具钢及其机械性能：钢号试验温度T/MPa/MPa/%/%HB热处理工艺5CrMnMo3004005006001150101078043099086069041047618684
7、11.011.117.526.7351311302235850空淬，600回火3Cr2W8V300400450500600-1491152014301280-137313631304-15-5.6-8.3-4294294053253251100在油中淬火，550回火4Cr5MoSiV1400450500550600136013001200105082512301135102585571049525658676791210-1050油淬，625回火在油中两小时二、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，
8、有特定的工艺参数。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）铸锭的加热温度一般来说，对6063合金铸锭的加热温度可设定为： 未均匀化铸锭：460-520；均匀化铸锭：430-480。 其挤压温度在操作时视不同制品及单位压力大小来调整。在挤压过程中铸锭在变形区的温度是变化的，随着挤压过程的完成，变形区的温度逐渐升高，而且随着挤压速度的提高而提高。因此为了防止出现挤压裂纹，随着挤压过程的进行和变形区温度的
9、升高，挤压速度应逐渐降低。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400450。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，挤压过程中温度最好控制在450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，本设计的挤压速度由设备而定。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，
10、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HRC4047。9）切压余本设计视挤压设备而定，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 本次设计取每根制品6m长作为切定尺的标准。14）时效 时效处理可
11、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；6063合金挤压型材的力学性能和电化学性能除了与合金的化学成分有密切关系外，还与人工时效制度有较大关系。低温长时间时效和高温短时间时效使力学性能有较大提高，但却降低了合金的电化学性能。为了兼顾两种性能及确保生产效率，采用室温自然时效（停放）2h,再在195205人工时效2h的时效制度是适宜的。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。三型材模设计 3.1相关参数 了解产品技术要求，工艺流程、工艺制度（规
12、程）设计(变形制度、温度制度、速度制度)（包括力能参数计算）、工艺布置图、挤压模具设计(CAD)表3.已知条件： (尺寸单位：mm) 组员合金牌号606360836061606360836061宽度a50.525.429.565.545.535.5宽度b251015341818厚度c2.21.21.162.51.81.55型材断面尺寸（名义尺寸修改如上表，公差不变） 具体参数：合金牌号：6061B=29.5mm H=15mm T=1.16mm 3.2选坯和选设备 制品的截面积：F制29.515-（29.5-21.16）（15-21.16）=97.86mm2表4：设备吨位500T800T1630
13、T挤压筒直径D095125187挤压截面积F070851226627451锭坯尺寸DdLd90x270/320120X400/450178X540/600/660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F制min72150372综合尺寸等各因素，选用500t挤压设备 挤压筒内孔尺寸95锭坯尺寸为：Dd X Ld90270mm 3.3挤压力的计算根据挤压力P = 11.775（D/d）1/20.8 D2bP为单位挤压力，ND挤压筒内直径，mmd制品的当量直径，mm （此
14、处当量直径为4*29.5*15/（29.5*2+15*2）=19.89mm）b某一挤压温度下材料的抗拉强度，MPa故P11.775（95/19.89）1/20.8 95216.22385KN 换算吨位：约243TP额定吨位500T，设备选择符合要求，即所选设备理论可行 3.4模组及模子外形尺寸确定 模组尺寸如下表：表5.设备吨位500T800T1630T12H160180190210250240310350340H1203030H2809090100110150H35006050606080 挤压模具的尺寸如下表：表6：设备吨位500T800T1630Td1/d2135/1452025165/
15、1752530250/2603040h11212131213模组及模子尺寸外形的计算 根据前面计算，从表6选取H2=90mm H3=50mm H1=20mm模子外形尺寸的确定（如下图4）依据表7的数据可以确定d1=135 d2=145 h1=12 h2=25本设计采用孔道式分流组合模取H上40 H下40 图3：图4： 3.5组合模相关参数的确定 1).分流孔的个数取4个，形状为扇形 2)扇形面积的确定： 因为分流孔面积与制品断面积的比值F分/F型K,K即为分流比，一般K对于空心型材时，取1020，本设计取K=15分流孔的面积F分 =K* F型=1597.86=1467.9 mm2且分流孔面积的
16、大小按F大/F小=f大/f小其中,F-分流孔的面积, f-相应型材面积F分2X(F大F小)故F大486.6 mm2 F小=247 mm2 3).分流孔位置的确定 分流孔中心圆的直径D分0.7D0=0.795=66.5mm 应保证分流孔最大外接圆直径比设备可加工范围的孔最大外接圆直径小5mm。本设计设备的可加工最大外接圆直径为65,故分流孔最大外接圆直径60mm 综合各因素考虑，暂时先取其外接圆直径为60mm 确定a，的大小如图 图7 其中a,b为模孔与模腔的最小距离，依据经验a,b一般取38，本设计取a=4，b=3mm.图8 由h=15/2+4=11.5mm,H=60/2=30mm，由几何知识
17、可得方程式： ，用代入相关数据可得出75， 同理，计算，40。图9 4).分流孔的形状 分流孔由一定的倾斜锥度，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4 5).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，一般取： B=b(320) 本设计采用倒梯形结构，取B=20mm 6).焊合室 焊合室的形状和大小对焊缝的质量有很大的影响。 按经验公式：当D095时，h15，焊合室直径比分流孔出口处约小5mm，本设计取h=10mm，形状为圆形如
18、图： 3.6 模子内形尺寸的确定工件如图所示: 图12: 模具图如下: 图13: 按经验公式A=A0K A0 A-制品外形的模孔尺寸 A0制品外形的公称直径 K-经验系数，由于本设计争对6063合金，取K=0.010 得BK=29.5（10.010）+0.2=30.00mm HK=15(10.010)+0.2=15.35mm制品型材壁厚可由经验公式B=B0确定由于B0=1.16.本设计0.1故Tk=1.160.1=1.26 3.7模孔工作带长度hg的确定 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hg5mm 3.8模芯的设计 一般伸出下模工作带35mm，本设计取4mm，
19、模腔外形按空心型材的空心部分确定。 3.9上模凸台设 上模凸台高取7mm，直径为105mm，用于装配定位 3.10定位销、螺钉（按GB标准选取标准件）定位销的直径取两个：8x75，螺钉采用M10x85,具体说明见装配图。 3.11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针对模子的分流桥，模桥的弯曲应力和抗剪强度： 分流桥弯曲应力校核HminLp/(2 b)1/2，式中:Hmin分流桥的最小高度 L分流桥两个危险断面的长度，经计算L45mm P作用在挤压垫片上的单位压力b 模具材料在温度下的许用应力。在45
20、0500C下，对于4Cr5MoSiV1取b1000MPa代入数据得：P=500x9.8x1000/7085=691.6MPHmin45691.6/（2 1000）1/2Hmin26.5mm由于上模厚度H上40mm26.5mm，故符合要求分流孔道抗剪强度的校核Qq / Fq Qq分流桥面上的总压力；Fq分流桥受剪应力的总面积；许用剪应力，(0.50.6) b，450500C下，对于4Cr5MoSiV1取b=1000MPa代入公式有:=（500x9.8x1000/7085）1410/（22.5404）270.88MPa600MPa故强度符合要求。 3.12零件图装配图(见图纸)四、总结心得与体会这
21、恐怕是我大学最后的课程设计了，这一次我投入的感情与以往完全不一样，其中包含着许许多多的珍惜，怀旧的情感，来完成这次的课程设计，黄老师对我们的指导，我每一句话都深深地记在心里，因为我享受老师的敦敦教诲，让我知道，我还是一名大学生，虽然只剩下了最后半学期，可是我想给老师留下一个好学生的印象。设计开始的前几天，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！ 本次设计我已经基本完
22、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。更重要的是，它使我对模具设计产生了强烈的兴趣，以后会在模具设计这方面继续加强！参考文献【1】 刘传聚 矩形风管当量直径的算法 同济大学出版社 1989年【2】 赵云路 挤压工模具材料热处理及表面强化处理冶金工业出版社 2008年【3】刘静安铝型材挤压模具设计制造使用及维修冶金工业出版社2010年【4】 李春胜 钢铁材料手册江西科学技术出版社 2004年7月【5】 刘静安 轻合金挤压工具与模具（上）冶金工业出版社【6】 王树勋 林法禹 魏华光实用模具设计与制造国防科技大学出版社【7】 马怀宪金属塑性加工学挤压、拉拔与管材冷扎冶金工业出版社25
