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铝型材挤压车间工艺设计解析

一、课程设计题目：

年产13580吨铝型材挤压车间工艺设计

二、课程设计绪论

　　随着市场经济的发展，各种新型的高科技建筑材料相继出现，所有的基础工程均需要大量的建筑，需要大量门窗和建筑材料，而铝及其铝合金在其中占有重要的地位。

　　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、无毒无污染、防火性强、回收性好、可回炉重炼、使用寿命长（可达50—100年）等特点。

多年来世界各国均采用6063铝合金（铝合金近百种）做为门窗框架。

主要是因为该金属表面阳极氧化效果好，开始阳极氧化是白色，后进一步改变电解质才达到古铜色，这两种主体颜色在国内用了十多年。

　　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设计，事关产品的质量、成本。

在车间设计的过程中应考虑到的因素包括：

产品的型号、模孔数的确定、选择挤压机、铸锭的选用、年产量、年水电费、设备投资费、人工费等等。

其中，选择挤压机是一个最核心的问题，具体可见设计步骤。

3、课程设计分析

这次的设计任务是设计一个年产量不少于5000吨的铝型材挤压车间，生产的产品有：

窗帘导轨、卷闸、纱窗铝合金型材，汽车装饰铝合金型材，90系列推拉窗等。

挤压制品所用的材料是6063合金。

1、6063合金化学成分及性能

表1：

6063合金化学成份及性能

合金元素

Si

Fe

Cu

Mn

Zn

Ti

其它

含量%

0.2～0.6

0.35

0.10

0.45～0.9

0.10

<0.1

Cr<0.1

性能

状态

弹性模量

剪切模量G

屈服强度

伸长率

布氏硬度

密度g/cm3

RCS

7100

2700

12MPa

22%

65

2.69

2、产品的截面图及主要尺寸

表2：

产品截面图形及主要尺寸

型号

D302、0.877kg/m

H110、1.524kg/m

C522、0.905kg/m

截

面

图

形

及

主

要

尺

寸

型号

BC6257、0.318kg/m

H103、0.406kg/m

AT4047、0.639kg/m

截

面

图

形

及

主

要

尺

寸

型号

H209、0.284kg/m

H202、0.448kg/m

截

面

图

形

及

主

要

尺

寸

3、产品的主要常数

表3：

产品代号参数

产品代号

单位重量kg/m

外接圆直径mm

截面积mm2

模孔面积（＞1.5%）mm2

模孔数

D302

0.877

93.569

326.022

330.913

1

H110

1.524

75.007

566.543

575.041

1

C522

0.905

74.250

336.431

341.478

1

BC6257

0.318

49.309

118.216

119.989

1

H103

0.406

55.771

150.929

153.193

1

AT4047

0.639

54.602

237.546

241.110

1

H209

0.284

60.296

105.576

107.160

1

H202

0.448

78.548

166.543

169.041

1

其中：

单位重量是表2给出的；

外接圆直径是通过AUTOCAD模孔设计时测出的；

　　　截面积＝单位重量×1000/铝型材的密度，密度取2.69千克/立方分米；

　　　模孔面积＝截面积×（1＋1.5％）；

　　　模孔数本次设计可以单孔的都单孔，除非单孔不符合挤压机的选择原则。

4、生产工艺及设备选择

1、生产工艺流程

把材料某一个处理的过程叫做工序，把生产某个产品的各个工序按一定的顺序排列起来叫做工艺流程。

本车间生有的产品为空心型材，其工艺流程如下：

配料→熔炼→铸造→均匀化退火→锯切→加热（工具模预热）→挤压→淬火→锯切（采用连续挤压，故矫直前要锯切）→矫直→锯切（6m）→检查→人工时效→氧化→成品

2、各挤压工序工艺参数及分析

（1）加热

①坯料加热

目的：

提高金属塑性，降低变形抗力，使金属易于流动，获得良好的组织与性能。

加热方式：

中频电感应加热

原因：

加热效果好、热效率高、金属氧化少、速度快、易控制。

加热温度：

400～500℃

②工模具预热

目的：

为了避免挤压时产生的热效应，造成模具的损坏，所以需要对挤压筒、模具等进行预热。

预热温度：

350～450℃

③均匀化退火

铸锭要进行均匀化退火，可消除铸锭内部组织偏析和铸造应力，细化晶粒，改善铸锭下一步压力加工状态和最终产品的性能。

（2）挤压

对于实心型材，挤压速度一般为10～60m/min，对于空心型材，挤压速度一般为10～30m/min。

一般来说提高挤压速度，则要降低挤压温度，增大挤压力，减少模具寿命。

本车间实心型材挤压速度为30m/min，空心型材挤压速度为30m/min。

（3）淬火

不同的合金的冷却速度不一样，对于6系列的铝合金，合金含量低，多采用风淬，不需要采用快速冷却，也不需要重新加热制品，直接利用挤压余热即可。

本车间采用风淬，淬火设备：

风扇，风力：

1.25大气压。

（4）锯切

由于本车间采用连续挤压，无压余，产品头部和尾部杂质、油污、氧化物比较多，组织不均匀，性能差，存在挤压缩尾，所以需切掉300～500mm。

切除夹头长度为200mm。

（5）张力矫直

由于热挤，金属易变形、弯曲，采用矫直机将制品矫直。

矫直机与挤压机吨配套，矫直延伸率取1%。

矫直后要切除夹头、夹尾部分，一般不大于200mm。

（6）切头尾

切头尾的最终目的是为了切去头尾尺寸等有缺陷的部分，保证生产顺行和产品头尾质量。

切头尾一般300mm左右，连续挤压无压余，从而可按最高成材率定下铸锭长度，当然，长度与Φ要符合要求。

本工艺切头尾各取300mm。

（7）切定尺

切定尺要根据制品所用的场合、用途而设计。

本车间切定尺为6m/根。

（8）检查

按国家标准对制品做外观尺寸及机械性能检查，必要时对制品组织抽检。

表4：

普通级型材截面尺寸允许偏差（GB5237.1—2004）

序

号

指定部位

尺寸/mm

允许偏差（±）/mm

金属实体不小于

75％的部位尺寸

空间大于25％，即金属实体小于75％

的所有部位尺寸

3栏以

外的

所有尺寸

空心型材

包围面积

不小于

70mm2

时的壁厚

测量点与基准边的距离L

>6

～15

>15

～30

>30

～30

>60

～100

>100

～150

>150

～200

1栏

2栏

3栏

4栏

5栏

6栏

7栏

8栏

9栏

1

≤1.00

0.13

0.18

0.18

—

—

—

—

—

2

＞1.00～2.00

0.15

0.23

0.22

0.26

—

—

—

—

3

＞2.00～3.00

0.18

0.28

0.26

0.30

—

—

—

—

4

＞3.00～4.00

0.20

0.38

0.30

0.35

0.42

—

—

—

5

＞4.00～6.00

0.23

0.53

0.35

0.40

0.47

—

—

—

6

＞6.00～12.00

0.25

0.75

0.41

0.46

0.52

0.56

—

—

7

＞12.00～19.00

0.29

—

0.47

0.52

0.58

0.62

—

—

8

＞19.00～25.00

0.32

—

0.53

0.58

0.63

0.71

0.83

—

9

＞25.00～38.00

0.38

—

0.61

0.66

0.75

0.84

0.95

—

10

＞38.00～50.00

0.45

—

0.70

0.75

0.89

1.01

1.14

1.34

11

＞50.00～100.00

0.77

—

0.98

1.09

1.36

1.58

1.87

2.17

12

＞100.00～150.00

1.08

—

1.31

1.44

1.82

2.19

2.60

3.00

注：

①指定部位尺寸为1.20～2.00mm的型材壁厚偏差要求是强制的。

②由于本车间产品为普通级，估截面尺寸允许偏差的高精级和超高精级表未列出。

表5：

型材的角度允许偏差（GB5237.1—2004）

级别

普通级

高精级

超高精级

角度允许偏差

±2°

±1°

±0.5°

表6：

型材的表面间隙（GB5237.1—2004）

型材宽度B

普通级/mm

高精级/mm

超高精级/mm

≤25mm

≤0.20

≤0.15

≤0.10

＞25mm

≤0.8％×B

≤0.6％×B

≤0.4％×B

任意25mm宽度

≤0.20

≤0.15

≤0.10

表7：

型材的弯曲度（GB5237.1—2004）

外接圆直径

/mm

最小

壁厚

/mm

弯曲对/mm

普通级

高精级

超高精级

任意

300mm

长度上hs

全长L米ht

任意300mm长度上hs

全长L米ht

任意300mm长度上hs

全长L米ht

不大于

≤38

≤2.4

1.5

4×L

1.3

3×L

1.0

2×L

＞2.4

0.5

2×L

0.3

1×L

0.3

0.7×L

＞38

—

0.5

1.5×L

0.3

0.3×L

0.3

0.5×L

表8：

型材的扭拧度（GB5237.1—2004）

外接圆直径/mm

扭拧度/（mm/毫米宽）

普通级

高精级

超高精级

每米

长度上

总长度上

每米

长度上

总长度上

每米

长度上

总长度上

不大于

＞12.5～40

0.052

0.156

0.035

0.105

0.026

0.078

＞40～80

0.035

0.105

0.026

0.078

0.017

0.052

＞80～250

0.026

0.078

0.017

0.052

0.009

0.026

表9：

型材的圆角半径（R）允许偏差（GB5237.1—2004）

圆角半径R

过渡圆角半径r0/mm

≤4.7mm

＞4.7mm

允许偏差/mm

＋0.4

±0.4

0.1R

表10：

建筑型材表面的缺陷允许深度和模具挤压痕深度（GB5237.1—2004）

状态

缺陷允许深度/mm

合金牌号

模具挤压痕深度/mm

装饰面

非装饰面

T5

≤0.03

≤0.07

6061

≤0.06

T4，T6

≤0.06

≤0.03

6063，6063A

≤0.06

表11：

建筑材料（6063）的室温力学性能（GB5237.1—2004）

合

金

合金

状态

壁厚

/mm

拉伸试验

硬度试验

抗拉强度σb/MPa

规定非比例伸长

应力σp0.2/MPa

伸长率δ（%）

试样

厚度

/mm

维氏

硬度

HV

韦氏

硬度

HW

不大于

6063

T5

所有

160

110

8

0.8

58

8

T6

所有

205

180

8

—

—

—

6063A

T5

≤10

200

160

5

0.8

65

10

＞10

190

150

5

T6

≤10

230

190

5

—

—

—

＞10

220

180

4

外观质量方面：

①建筑型材表面应清洁，不允许有裂纹、起皮、腐蚀和气泡等缺陷存在；

②建筑型材表面允许有轻微的压坑、碰伤、擦伤等缺陷存在、缺陷允许深度和模具挤压痕的深度见表10；

③型材端头因锯切而产生局部变形，其纵向长度不应超过20mm。

另外，型材定尺公称长度小于或等于6m，长度允许偏差为+15mm，型材端头切斜度允许偏差为＜2°。

（9）时效

时效目的是使合金强化，可以人工时效和自然时效。

本车间采用人工时效。

为了降低成本，本设计采用低温长时间时效。

时效温度：

175℃左右，时间：

2h～4h。

（10）润滑

本车间生产6063铝合金，6063合金成份低、塑性好，一般不需用润滑。

3、挤压机的选择

（1）挤压机选择原则

①制品的最大外接圆直径D外＜挤压机最大外接圆直径Dmax;

②制品的截面积F制＞挤压机挤一根的最小面积Fmin;

③挤压力小于挤压机最大的挤压力；

④挤压比小于最大的挤压比。

（2）现有设备条件

表12：

现有挤压机设备常数

设备吨位

500T

800T

1630T

挤压筒截面积F0（mm2）

7085

12266

27451

挤压筒内直径D0（mm）

Φ95

Φ125

Φ187

最大挤压比

97.4

82

73.6

最大外接圆直径（mm）

Φ65

Φ95

Φ147

挤一根最小制品断面积F制（mm2）

72

150

372

锭坯尺DdⅹLd

Φ90x270/320

Φ120X400/450

Φ178X500/600/660

铸锭允许最大长度（mm）

350

450

660

挤压筒长度（mm）

400

500

740

最大挤压速度（mm2）

64.6

57

43

冷床长（m）

26

32

44

填充系数

1.114

1.085

1.104

压余厚

20

25

30

最大挤压比

97.4

82

73.6

（3）挤压机初步选择

根据选择挤压机的第一点原则，制品的最大外接圆直径D外＜挤压机最大外接圆直径Dmax，和第二点原则，制品的截面积F制＞挤压机挤一根的最小面积Fmin，由表3（产品代号参数）与表12（现有挤压机设备常数），各个产品所用挤压机初步选择如下表：

表13：

挤压机初步选择

产品代号

D302

H110

C522

BC6257

H103

AT4047

H209

H202

挤压机

800T

800T

1630T

800T

500T

500T

800T

500T

800T

500T

800T

（4）挤压机能力校核

根据经验公式：

，其中

D——挤压筒内直径

d——制品当量直径

σb——某一挤压温度下的抗拉强度。

当温度在480℃～500℃，6030的抗拉强度为11.3MPa

根据所选挤压、制品面积与经验公式计算如下表：

表14：

挤压机能力校核

产品

代号

挤压机T

D筒

mm

Fmin

mm²

F筒

mm²

F制

mm²

λ＝

F筒/F制

λmax

当量直径d

mm

P

吨

D302

800

125

150

12266

326.022

37.6

82

20.374

348.6

H110

800

125

150

12266

566.543

21.7

82

26.858

282.2

1630

187

372

27451

566.543

48.5

73.6

26.858

855.5

C522

800

125

150

12266

336.431

36.5

82

20.697

344.6

BC6257

500

95

72

7085

118.216

59.9

97.4

12.269

238.1

H103

500

95

72

7085

150.929

46.9

97.4

13.862

218.3

800

125

150

12266

150.929

81.3

82

13.862

458.0

AT4047

500

95

72

7085

237.546

29.8

97.4

17.391

184.6

800

125

150

12266

237.546

51.6

82

17.391

391.1

H209

500

95

72

7085

105.576

67.1

97.4

11.594

247.7

H202

800

125

150

12266

166.543

73.7

82

14.562

442.8

由上表可知，所选择的挤压机均符合技术要求。

4、挤压锭坯的选择

（1）选择锭坯的原则

主要有以下几点：

①经济优化原则；

②成材率最高原则；

③产量最高原则。

根据以上原则及体积不变原理计算下成材率如下各表：

表15：

不同锭坯长度时的制品成材率

挤压机吨位

T

锭坯

直径Dd

mm

锭坯长度Ld

mm

体积

V

dm3

单重

Wd

kg

制品

截面

积

mm2

挤压

制品

总长

度

m

切头

尾后

的长

度

m

矫直后切除夹头部分的长度

m

成品

数

nx6

m

成品

重

W制

kg

成材率

W制/Wd

％

产品代号：

D302

800

120

400

4.52

12.16

326.022

13.86

13.26

13.06

2

10.52

86.51

450

5.09

13.69

15.61

15.01

14.81

2

10.52

76.84

产品代号：

H110

800

120

400

4.52

12.16

566.543

7.98

7.38

7.18

1

9.14

75.16

450

5.09

13.69

8.98

8.38

8.18

1

9.14

66.76

1630

178

500

12.44

33.46

21.96

21.36

21.16

3

27.43

81.98

600

14.93

40.16

26.35

25.75

25.55

4

36.58

91.09

660

16.42

44.17

28.98

28.38

28.18

4

36.58

82.82

产品代号：

C522

800

120

400

4.52

12.16

336.431

13.44

12.84

12.64

2

10.86

89.31

450

5.09

13.69

15.13

14.53

14.33

2

10.86

79.33

产品代号：

BC6257

500

90

270

1.72

4.63

118.216

14.55

13.95

13.75

2

3.82

82.51

320

2.04

5.49

17.26

16.66

16.46

2

3.82

69.58

产品代号：

H103

500

90

270

1.72

4.63

150.929

11.40

10.80

10.60

1

2.44

52.70

320

2.04

5.49

13.52

12.92

12.72

2

4.87

88.71

800

120

400

4.52

12.16

29.95

29.35

29.15

4

9.74

80.10

450

5.09

13.69

33.72

33.12

32.92

5

12.18

88.97

产品代号：

AT4047

500

90

270

1.72

4.63

237.546

7.24

6.64

6.44

1

3.83

82.72

320

2.04

5.49

8.59

7.99

7.79

1

3.83

69.76

800

120

400

4.52

12.16

19.03

18.43

18.23

3

11.50

94.57

450

5.09

13.69

21.43

20.83

20.63

3

11.50

84.00

产品代号：

H209

500

90

270

1.72

4.63

105.576

16.29

15.69

15.49

2

3.41

73.65

320

2.04

5.49

19.32

18.72

18.52

3

5.11

93.08

产品代号：

H202

800

120

400

4.52

12.16

166.543

27.14

26.64

26.44

4

10.75

88.40

450

5.09

13.69

30.56

29.96

29.76

4

10.75

78.52

（2）锭坯的选择

由于本设计中采用连续挤压，故无压余，从而可按最高成材率定下铸锭长度，但长度与锭胚直径要符合要求。

由表15，按成材率最高原则可得各产品选择的锭坯尺寸及相应的挤压机选择如下：

表16：

锭坯确定

产品代号

挤压机

锭坯尺寸ΦDd×Ld（mm）

D302

800T

Φ120×400

H110

1630T

Φ178×600

C522

800T

Φ120×400

BC6257

500T

Φ90×270

H103

800T

Φ120×450

AT4047

800T

Φ120×400

H209

500T

Φ90×320

H202

800T

Φ120×400

5、计算产量和吨比及产品设计方案

（1）车间工作时间及产品工作时间分配

本车间工作制度为：

6天制3班倒，一年取52周，每一个月有一个双休日，再扣除21天的节日、中途停电等意外事故，以及12天的检修时间，所以车间一年生产天数为：

N＝365－52－12－21＝280天

1台500T挤压机一年工作时间为：

T500＝280×24×1＝6720h

1台800T挤压机一年工作时间为：

T800＝280×24×1＝6720h

1台1630T挤压机一年工作时间为：

T1630＝280×24×1＝6720h

要尽可能让不同吨位的挤压机的工作时间差不多，本设计统一安排挤压机生产每种产品的时间相等。

挤压机工作时间年分配表如下表所示：

表17：

挤压机时间年分配表

产品代号

BC6257

H209

AT4047

C522

D302

H202

H103

H110

挤压机

500T

800T

800T

1630T

年工作时间（h）

336