1、銅陵學院課程設計 課 程 設 計 任 務 書 機械工程系09材控（1,2）班指導教師：張紅云，張金標，徐向其，劉建。設計課題：擠壓模具設計一、 設計條件：在19.6MN擠壓機的200mm擠壓筒上生產出下列條件的合格型材，設計出相應的型材模具。1.單模孔模具生產如下圖型材。（1,2,3組同學設計）2.雙模孔生產12mm的圓棒材。（4,5,6組同學設計）3.三模孔生產8mm的圓棒線材。（7,8,9組同學設計）4.四模孔生產6mm的圓棒線材。（10,11,12組同學設計）二、 設計內容：1.模孔布置。2.設計工作帶長度。3.型材模孔尺寸設計。4.模子強度校核。5.畫出模具圖。三、 設計時間：2012

2、年12月10日至12月14日四、 設計地點：實驗樓C樓501,502五、 分組情況：組號學生安排情況型材金屬種類10910121001-0910121012，0810121039,0810121114銅及其合金20910121013-0910121023，0810121027鋁及其合金30910121026-0910121036鎂及其合金40910121037-0910121048銅及其合金50910121049-0910121060鋁及其合金60910121061-0910121072鎂及其合金70910121073-0910121084銅及其合金80910121085-0910121096

3、鋁及其合金90910121097-0910121108鎂及其合金100910121109-0910121120銅及其合金110910121121-0910121132鋁及其合金120910121133-0910121140,0906131060,0906121043鎂及其合金- 13 -目 錄第一章 概 述11.1 性能特點11.2 應用領域11.3 鋁加工行業分布11.4 鋁合金擠壓加工的現狀與發展11.5 鋁合金未來挑戰2第二章 擠壓工藝設計32.1擠壓工藝流程：32.2擠壓工藝條件32.3坯料尺寸計算32.3.1錠坯直徑計算32.3.2錠坯長度的確定42.3.3擠壓比的計算4第三章 棒材

4、熱擠壓模具設計63.1所要設計的棒材制品63.2棒材模模孔布置63.3棒材模模孔尺寸的確定83.4模具入口處圓角半徑r83.5棒材模模孔工作帶長度的確定83.6棒材模外形尺寸的確定93.6.1模具外形D93.6.2模具厚度H93.6.3 模具的外形錐度93.6.4 模具的出口帶直徑103.7棒材模的強度校核103.8雙孔棒材模的主要數據103.9 模具圖10總 結12參考文獻13第一章 概 述 1.1 性能特點 鋁及鋁合金具有一系列特性，在金屬材料的應用中僅次于鋼材而居第二位。目前全世界鋁材的消費量在1800萬噸以上，其中用于交通運輸(包括鐵道車輛、汽車、摩托車、自行車、汽艇、快艇、飛機等)的

5、鋁材約占27%，用于建筑裝修的鋁材約23%，用于包裝工業的鋁材約占20%。隨著中國經濟建設的高速發展，人民生活水平的不斷提高，中國的建筑行業發展迅速，包括鋁型材在內的建筑裝飾材料不斷增加。鋁型材的應用已經擴展到了國民經濟的各個領域和人民生活的各個層面。根據鋁合金的成分和生產工藝特點,通常分為變形鋁合金與鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金也叫熟鋁合金，根據據其成分和性能特點又分為防銹鋁，硬鋁，超硬鋁，鍛鋁和特殊鋁等五種。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。

6、 鋁合金型材具有強度高、重量輕、穩定性強、耐腐蝕性強、可塑性好、變形量小、無污染、無毒、防火性強，使用壽命長(可達50100年)，回收性好，可回爐重煉。抗大氣腐蝕性能好。鋁和氧的化學親和力大，在大氣中，鋁和鋁合金表面會很快形成一層致密的氧化膜，防止內部繼續氧化。 加工性能好，比強度高。純鋁為面心立方品格，無同素異構轉變，具有較高的塑性，易于壓力加成型，并有良好的低溫性能。由于這一系列優點，被廣泛應用于建筑、包裝、交通運輸等行業，鋁及鋁材的消費已經成為一個國家工業發展水平的重要標志。1.2 應用領域鋁合金的應用領域可分為以下幾種： 第一，航空航天領域，可以作為重要的結構零件，這歸功于添加銅、鎂、

7、錳、鉻等合金元素，再經熱處理，因而得到很高的強度。 第二，車輛船舶工業。隨著社會發展，尤其是當今油價飆升的緊張時代，要求我們使用更輕，而且強度高，價廉的材料，隨著技術發展，通過處理，鋁合金克服了強度低的缺點，成為最佳的候選材料。 第三，計算機，電子工業等，良好的導熱性，可以加工成為鋁散熱片，還有電子工業中電容器中的鋁箔。 1.3 鋁加工行業分布 中國鋁加工企業及其生產能力的地區集中于沿海(廣東、福建、浙江、上海、江蘇、山東、河北、天津、北京、遼寧)地區，即珠江三角洲(廣州一深圳為中心的經濟圈)、長江三角洲(上海為中心的經濟圈)、環渤海灣地區(京津經濟圈)所占比例較大，許多鋁加工企業都云集于此三

8、大經濟圈。在珠三角地區，主要集中在佛山地區，其中大瀝更是全國，甚至世界地區鋁加工業的佼佼者。1.4 鋁合金擠壓加工的現狀與發展我國是鋁生產和消費大國，到2006年為止我國電解鋁產量已連續4年保持世界第一，而氧化鋁和鋁加工產量在2006年首次位于世界第一。從“夫妻店”、“父子兵”、“作坊式”到“免檢產品”、“全國十強”；從默默無聞到“中國鋁材第一鎮”再到“中國鋁材生產基地”；從無序競爭到有序發展；從民營企業到上市公司，再到“跨國辦廠”以民營企業為主的南海鋁型材產業歷經20多年的摸爬滾打、風雨錘煉，成為了中國最大的鋁型材產業基地，并形成了以下的發展特點：第一，鋁材產業規模全國最大，產業布局集中。南

9、海鋁型材生產企業150多家，年生產能力80多萬噸，約占全國建筑類鋁型材市場40%，廣東60%。面積只有全國的十二萬分之一的大瀝，鋁型材年生產能力卻達到60多萬噸，約占全省50%，全國35%。2003年3月，南海大瀝被中國建筑金屬結構協會授予HotTag“中國鋁材第一鎮”稱號。第二，建筑鋁材為主，工業鋁材、工藝鋁材、裝飾鋁材為補充，構成了鋁材及與其相關行業上完善的產業鏈。第三，產業結構和企業組織形態水平較高。通過20年的發展，一批龍頭企業脫穎而出。目前，南海鋁材行業前20名企業產量占了行業總產量的50%左右；亞鋁集團總生產能力達到14萬噸，是目前亞洲規模最大的鋁型材生產商，全球排名第5。大多數企

10、業建立了現代企業制度，60多家企業通過了ISO國際質量體系認證等各種質量認證體系。先進的產業組織形態促進了資本、技術、人才等生產要素的高效率配置，大大提高了南海鋁材企業的競爭力。第四，鋁材產業技術水平先進，名牌產品眾多。目前，南海鋁材企業有10%的主要技術設備與國際先進水平同步，60%處于國際上世紀90年代以上水平。堅美、鳳鋁、亞洲、興發4家鋁型材企業位居全國鋁材十強前列，其產品榮獲中國名牌產品稱號，僅大瀝就有13個產品被確定為國家免檢產品。正因為產品質量過硬，技術水平先進，名牌產品眾多，近年來堅美、亞洲、鳳鋁、華昌、南華等一大批鋁型材企業成為了國家建設部鋁門窗、幕墻定點生產企業，南海鋁型材產

11、品正被越來越多的國內外重點工程所采用。1.5 鋁合金未來挑戰鋁合金在國民經濟中起著非常重要的作用。隨著科學技術的進步和現代經濟的高速發展，鋁合金型材正向著大型整體化、薄壁扁寬化、尺寸高精化、形狀復雜化、外廓美觀化的方向發展，品種規格不斷增多，應用范圍不斷拓展，已由民用建筑門窗型材為主體推廣到了航天航空、汽車船舶、交通運輸、電子電力、石油化工、機械制造、家用電器等各行各業和人民生活各個方面。據不完全統計，目前世界上每年需要的大型鋁合金型材約4o萬噸，而且增漲勢頭不減。為了適應這種市場需求趨勢，各國都在加速建設重型擠壓機或大型材擠壓生產線。然而，大型特種鋁合金型材是一種高難度的高新技術產品。第二章

12、 擠壓工藝設計2.1擠壓工藝流程： 鑄錠加熱擠壓切壓余淬火冷卻切頭尾切定尺 時效表面處理包裝出廠2.2擠壓工藝條件1) 鑄錠的加熱溫度鋁的最高允許加熱溫度為550，下限溫度為320，為了保證制品的組織，性能，擠壓時錠坯的加熱溫度不宜過高，應盡量降低擠壓溫度。2) 擠壓筒的加熱溫度模具的成分多為合金鋼，由于導熱性差，為避免產生熱應力，擠壓前擠壓筒要預熱，為保證擠壓制品的質量，并且具有良好的擠壓效應，擠壓筒溫度可取400450。3) 擠壓溫度熱擠壓時，加熱溫度一般是合金熔點絕對溫度的0.750.95倍，擠壓過程中溫度控制在500左右。4) 擠壓速度擠壓速度快雖然可以提高生產力，但擠壓速度過快會影響

13、材料的擠壓性和使擠壓溫度過高，因此必須控制好擠壓速度。考慮金屬與合金的可擠壓性，制品質量要求及設備的能力限制，本設計的擠壓速度取4060m/min。5) 模具的材質模具應具有足夠的耐高溫疲勞強度和硬度，較高的耐回火性及耐熱性，足夠的韌性，低的膨脹系數和良好的導熱性，可加工性，及經濟性。表2-1為鋁合金擠壓模具材料的部分性能參數。表2-1 擠壓模具鋼的力學性能參數擠壓模具鋼HRC性能/MPaCr系4Gr5MoSiV14852高熱穩定性，高溫強度，耐熱疲勞性，高紅硬性6004Gr5MoWSiV42505803Gr2W8V4548高熱穩定性耐熱疲勞性，高紅硬性7005GrMnMo4754高硬度、強度

14、，高韌性8905GrNiMo4253韌性差850綜合分析可得，本設計采用5GrMnMo作為模具的材料，熱處理的硬度為HRC4754。2.3坯料尺寸計算2.3.1錠坯直徑計算 計算錠坯直徑時，應綜合考慮擠壓筒直徑、錠坯直徑偏差量、加熱膨脹后仍能順利進入筒內等因素。由于本設計擠壓圓棒線材，所以坯料可選擇為圓錠。為使坯料加熱后能順利裝入擠壓筒內，坯料直徑與擠壓筒內徑應有一定間隙，此時，坯料直徑可用下式來預選： (2-1)式中：擠壓筒直徑； 使錠坯順利送入又不產生縱向裂紋的間隙值，如表2-1表2-1 筒、錠間隙選擇金屬材料擠壓機擠壓筒直徑，mm間隙值，mm備注類型噸位，MN鋁臥式立式冷擠3101.53

15、0.20.348340.10.8這里取間隙值=12mm，所以計算出坯料直徑為：=200-12=188mm在擠壓生產中，為保證鑄錠在加熱后順利裝入擠壓筒內，常把擠壓筒截面積與鑄錠截面積之比成為填充系數或鐓粗系數。 (2-2) 式中：填充系數計算得，在參考文獻中查的，故符合要求。2.3.2錠坯長度的確定 在實際生產中，坯料一般是圓柱形的，在擠壓有色金屬時，坯料的長度為直徑的2.53.5倍。所以錠坯長度為： =(470658)mm (2-3)2.3.3擠壓比的計算 在擠壓生產中，金屬的變形量大小常用擠壓比或加工率()來表示。擠壓比甚至擠壓成形前錠坯充滿擠壓筒時的斷面積與擠壓成形后制品斷面積總和之比值

16、，以表示： (2-4)式中：擠壓筒內腔斷面積； f 單根擠壓制品斷面積； n同時擠壓制品的根數或模孔數。 設計原則有利于查資料可知，取1430較為合適，而所求得的擠壓比大于標準值，故需要設計導流腔。導流腔的金屬預分配和調整金屬流速。一般來說，導流腔的輪廓尺寸應比型材外形輪廓尺寸大615mm，導流孔的深度可取1525mm，導流孔的入口最好做成3°15°導流角，導流模腔內的各點應均勻圓滑過渡，表面應光潔，以減小摩擦阻力。故可選取導流腔的輪廓尺寸為24mm，導流孔的深度可取20mm。2.3.4擠壓機的選擇 臥式擠壓機按其擠壓方法又可分為正向擠壓機、反向擠壓機和聯合擠壓機三種類型。

17、擠壓機的技術特性主要包括：擠壓力、穿孔力、擠壓桿的行程與速度、穿孔針的行程與速度和擠壓筒的尺寸等。最常用的臥式擠壓機的能力為8-50MN。 立式擠壓機的主要部件的運動方向和出料方向與地面垂直，所以占地面積小，單要求較高的廠房和較深的地坑。后者是為了保證擠出的管子平直和圓整，以便隨時的酸洗、冷軋或帶芯頭拉拔等。因運動部件垂直地面移動，所以磨損小，部件受熱膨脹后變形均勻，擠壓機中心不易失調，管子偏心很小。擠壓機的能力最大不超過15MN，常為6-10MN，主要用作生產尺寸不大的管材和空心制品。由于本設計選用19.6MN的擠壓機，所以為臥式擠壓機。第三章 棒材熱擠壓模具設計3.1所要設計的棒材制品本設

18、計的主要參數：擠壓機能力19.6MN，擠壓筒直徑200mm。制品的形狀和尺寸如圖1。圖1 制品的斷面形狀棒材模具是擠壓模具中最簡單的一種。擠壓鋁合金棒材用平模，其工作端面的入口處一般為直角或僅帶工藝圓角，r可取0.40.75mm，如圖2所示。 圖2 擠壓鋁合金棒材的平模棒材模一般分為單孔棒材擠壓模和多孔棒材擠壓模。本設計選擇雙模孔棒材擠壓模進行設計。3.2棒材模模孔布置 圖3 模孔靠近邊緣（易引起外側裂紋） 圖4模孔靠近擠壓筒中心（易引起內側裂紋） 采用多模孔棒材模時，金屬流動要比單模孔均勻，故可減少中心縮尾的形成幾率。但是，如果模孔排列不當，會使擠出的制品長短不一，增加幾何廢料，惡化表面質量

19、；如果模孔靠近擠壓筒邊緣，也會是制品表面產生起皮、分層等缺陷。此外，多模孔過于靠近擠壓筒邊緣時由于內側金屬供應量較大、流速較快，而外側金屬供應量較小、流速較慢，會造成外側金屬出現裂紋，如圖3所示；當模孔太靠近擠壓筒中心時，外側金屬供應量大于內側，則制品已出現內側裂紋，如圖4所示。 （1）保證足夠的模具強度為了延長模具的使用壽命，模孔離模具外徑周圍的距離和模孔之間的距離都應保持在一定的數值，這個數值與擠壓機的大小有關。對于49MN以下的擠壓力，這個距離可取1550mm，對于大型擠壓機，應加大到3080mm，如表3-1所示經驗數據。 表3-1 模孔間的最小距離/mm擠壓筒直徑80951151301

20、50200220280300500最小距離1520253050結合所給出的擠壓機為19.6MN，擠壓筒直徑為200mm，以及表3-1的數據可選模孔間距離為25mm，實際情況根據后面計算結果為主。 （2）保證良好的制品表面質量 為了防止鑄錠表面上的異物流入擠壓制品中，應使模孔與擠壓筒內壁之間保持一個最小的距離，這個距離一般取擠壓筒直徑的10%30%。此外，為了防止制品表面損傷和扭擰，模孔數目也不宜過多。 （3）金屬流動盡可能均勻 在實際生產中，棒材模模孔數目一般選擇12孔以下為好。本設計取模孔數為2是合理的。多模孔的同心圓直徑與擠壓筒直徑之間的關系可以按以下的經驗公式來確定： 式中：多模孔斷面重

21、心分布的同心圓直徑； 擠壓筒直徑； n模孔數目； 經驗系數，一般可取2.52.8；n值較大值取下限，n值較小時取上限，一般取2.6。 通過上式求出后，還必須考慮節約模具鋼材和工模具規格的系列化及互換性，再對進行必要的調整。本設計根據任務書的內容可知：=200mm，n=2,所以可取2.7。故可計算出： =74.0mm。故模孔布置圖如圖5。為保證良好的制品表面質量，應使模孔與擠壓筒內壁之間距離取擠壓筒直徑的10%30%。若取=74.0mm，則可計算出模孔與擠壓筒內壁之間距離取擠壓筒直徑之比為31.5%，故不滿足設計要求。現假設取=80mm，則 圖5 多模孔的模孔同心圓直徑則滿則在2.52.8范圍內

22、。故可取80mm。3.3棒材模模孔尺寸的確定棒材模模孔尺寸的確定可按下式計算： （3-1）式中：模孔直徑； 棒材直徑； 模孔裕量系數，見表3-2。金屬種類模孔裕量系數k紫銅1.5黃銅1.01.2青銅1.7L1L7，LF2，LF3，LF21，LD2，LD31等1.01.2LF5，LY11，LY12，LD5，LD8，LC40.71.0MB1，MB2，MB151.01.2高鎂合金1.01.2 表3-2 模孔裕量系數/%擠壓鋁合金圓棒材的模孔尺寸，查表3-2所列，以供參考。這里取k=1.1,所以計算出模孔直徑為=12.13mm。3.4模具入口處圓角半徑r 模具入口處圓角是指被擠壓金屬進入工作帶時，模具

23、工作端面與工作帶表面間形成的拐角。這個拐角若尖棱角時，擠壓過程中則易開裂、壓堆，從而改變模孔尺寸，難以保證擠壓制品的尺寸精度，因此必須采用過渡圓角。制作入口圓角半徑，還可以防止低塑性合金在擠壓時；表面產生裂紋，減小金屬流入模孔時的非接觸變形。但圓角增大接觸摩擦面積，引起擠壓力增加。表3-3 模具入口處圓角半徑r/mm金屬種類鋁合金紫銅、黃銅白銅鎳合金鎂合金銅鈦合金入口圓角處0.400.75254810151338由表3-3可以選取模具入口圓角半徑為r=0.60mm。3.5棒材模模孔工作帶長度的確定棒材模的工作帶長度是決定棒材尺寸精度和表面質量的基本參數。工作帶過長，容易在其表面粘接金屬，是制品

24、表面出現部分毛刺、麻面等缺陷；工作帶過短，不能穩定的控制棒材，常易出現橢圓等缺陷，同時，由于工作帶易磨損，致使模具壽命縮短。棒材模的工作帶長度可根據被擠壓金屬的不同而有不同的選擇。在擠壓鋁、鎂合金圓棒時，模孔的工作帶長度可根據棒材的直徑確定，如表3-4。表3-4 模孔工作帶長度棒材直徑/mm模孔工作帶長度/mm<402-340-70470-1205130-2806-8因為本設計的棒材直徑為12mm，故根據表3可知，模孔工作帶長度為2-3mm這里我們不妨取3.0mm。3.6棒材模外形尺寸的確定3.6.1模具外形D 模子外圓直徑主要依據擠壓機噸位和擠壓筒大小、模孔的合理布置及制品尺寸來確定，

25、并考慮模具外形尺寸的系列化，便于更換、管理，一般一臺擠壓機上最好只有12種規格。型材部分模具外形尺寸如下所示：表3-5 型材、棒材用部分模具外形尺寸擠壓機能力/MN擠壓筒直徑/mm/mmH/mm7.3511.7614.719.634.349122.5196，113，132148198230，330270，306，360，420300，420，570，670，880570，670，900，100016，3232，50，7040，60，8060，8060，8060，80，120，15080，120，150，2003º3º3º3º6º6º，

26、10º10º，15º又因為擠壓筒的內徑為200mm，擠壓機能力為19.6MN，則選取=198mm。3.6.2模具厚度H 一般H=2580mm，80MN以上噸位擠壓機取80150mm。考慮標準化及強度等因素，將H放大，取H=80mm。3.6.3 模具的外形錐度擠壓模的外形結構根據安裝方式的不同可以有不同的結構形式。臥式擠壓機上用的擠壓模有圓柱形、帶正錐和帶倒錐三種形式。帶正錐的擠壓模在操作時逆著擠壓方向放到模支承中，為了便于裝卸，錐度不能太小，否則，人工取模困難；但錐度過大，則可能出現在模座靠緊擠壓筒時，擠壓模容易從模支承中脫落出來，故正錐的錐度在1º30

27、'4º范圍內選取。帶倒錐的擠壓模在操作是順著擠壓方向裝入模支承中，其錐度為3º10º，一般取6º左右。由表3-5可知該模具的外形錐度為3º，所以本設計采用臥式擠壓機上帶正錐的結構形式。3.6.4 模具的出口帶直徑模子的出口直徑一般應比工作帶直徑大35mm，因過小會劃傷制品的表面。故取比工作帶直徑大4mm，模具的出口帶直徑為16.13mm。3.7棒材模的強度校核單孔模棒材模工作條件與受力狀態要比其他模具好一些，它的強度問題基本上已在模具外形尺寸標準化、系列化中作了完全的考慮。但是，對于多孔棒材模，特別是異型棒材多孔模來說，仍需要對模孔之間和模孔與模具外徑圓周之間的危險斷面進行強度校核。多孔模棒材模的剪切強度計算公式如下所示。 （3-3）式中：Q模具上承受的總壓力，一般取Q=0.8P，有時為例安全起見，可取Q=P； P擠壓機的公稱壓力，這里取P=19.6MN； 各模孔均布的同心圓半徑； d棒材直徑； n多孔模的模孔數，這里取n=2； 模具材料允許的抗剪強度，在450時，3Cr2W8V鋼取=700Mpa；4Cr5MoSiV1鋼取=600Mpa，這里取=600Mp