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挤压模具课程设计

课题挤压模具课程设计

学生姓名孙天宇1110121103

汪浩1110121104

王朝1110121105

王青1110121106

王显1110121107

王业伟1110121108

院别机械工程学院

专业班级11材控

（2）班

指导教师张红云、张金标、刘建

二0一四年十月

课程设计任务书

机械工程学院11材控班

指导教师：

张红云，张金标，刘建。

设计课题：

挤压模具设计

一、设计条件：

在19.6MN挤压机的Φ200mm挤压筒上生产出下列条件的合格型材，设计出相应的型材模具。

1.单模孔模具生产如下图型材。

（1,2，3组同学设计）

2.双模孔生产ф12mm的圆棒材。

（4,5,6组同学设计）

3.三模孔生产ф8mm的圆棒线材。

（7,8,9组同学设计）

4.四模孔生产ф6mm的圆棒线材。

（10,11,12组同学设计）

5.双模孔生产3*5扁线材。

（13,14,15组同学设计）

6.四模孔生产3*5扁线材。

（16,17组同学设计）

二、设计内容：

1.模孔布置。

2.设计工作带长度。

3.型材模孔尺寸设计。

4．模子强度校核。

5.画出模具图。

三、设计时间：

2014年12月27日至10月31日

四、设计地点：

实验楼C楼501,502

五、分组情况：

组号

学生安排情况

型材金属种类

1

1110121001----1110121005，1010121113

铜及其合金

2

111012106-----1110121012

铝及其合金

3

1110121015----1110121024

镁及其合金

4

1110121025---1110121031

铜及其合金

5

1110121032----1110121039

铝及其合金

6

1110121040----1110121048

镁及其合金

7

1110121049----1110121056

铜及其合金

8

1110121058----1110121070

铝及其合金

9

1110121071----1110121079

镁及其合金

10

1110121080----1110121088

铜及其合金

11

1110121090----1110121095

铝及其合金

12

1110121096----1110121101

镁及其合金

13

1110121103----1110121108

铜及其合金

14

1110121109----1110121115

铝及其合金

15

1110121116----1110121122

镁及其合金

16

1110121124----1110121131

铜及其合金

17

1110121132----1110121137

铝及其合金

第一章 概述

本次设计主要是在给定挤压筒和挤压机的条件下，设计挤压出3

5mm的扁线材所用的双模孔模具。

在此次设计中，本组以黄铜为例，对模孔的布置，工作带长度，模孔的尺寸以及模具外形尺寸的进行确定的设计，并对模子的强度进行校核以及绘制各种模具图；此次的课程设计是对我们所学的专业知识进行的一个总结，对我们以后的学习和工作具有一定的指导意义，同时通过对模具的设计还可以让我们进一步了解挤压模具的工艺过程，通过查阅更多的资料，能够开阔我们的视野和见识，提高我们将理论运用于实践的能力。

黄铜是铜与锌的合金。

最简单的黄铜是铜-锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜，改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。

黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。

铅黄铜即我们通常所说的易削国标铜。

加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性， 

黄铜以锌作主要添加元素的铜合金，具有美观的黄色，统称黄铜。

铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。

三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。

含锌低於36％的黄铜合金由固溶体组成，具有良好的冷加工性能，如含锌30％的黄铜常用来制作弹壳，俗称弹壳黄铜或七三黄铜。

含锌在36～42％之间的黄铜合金由和固溶体组成，其中最常用的是含锌40％的六四黄铜。

为了改善普通黄铜的性能，常添加其他元素，如铝、镍、锰、锡、硅、铅等。

在铜合金的热挤压过程中，对金属流动性的影响除挤压温度外，挤压载荷、热加工特性、合金的组织与性能都对铜在挤压筒中的流动情况产生影响。

对于塑性很差的低塑性铜合金，可以进行二次挤压成型的方法。

铜合金的热挤压有时需要有润滑剂，润滑剂可以减少摩擦力和温度损失，但要考虑到润滑剂对制品表面质量的影响。

铜合金的毛坯加热温度应根据合金的性能、铸锭和被挤压制品的尺寸和挤压设备能力来确定。

第二章坯料选择 

2.1坯料尺寸计算

2.1.1锭坯直径计算 

计算锭坯直径时，应综合考虑挤压筒直径、锭坯直径偏差量、加热膨胀后仍能顺利进入筒内等因素。

由于本设计挤压圆棒线材，所以坯料可选择为圆锭。

为使坯料加热后能顺利装入挤压筒内，坯料直径与挤压筒内径应有一定间隙，此时，坯料直径可用下式来预选：

—挤压筒直径，

—使锭坯顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值。

表2.1筒、锭间隙选择

金属材料

挤压机

挤压筒直径mm

间隙值mm

类型

吨位

铜

卧式

—

≤100

1~3

100~300

5

≤300

10

立式

6

75~120

1~2

由挤压筒直径为200mm，则

，

。

为保证加热后顺利进入筒内，把挤压筒截面积与锭坯截面积之比称为填充系数

。

，则

，在1.07—1.15之间，符合要求。

2.1.2锭坯长度计算

长度一般为直径的2.5—3.5倍。

。

2.2挤压比的计算

在挤压生产中，金属的变形量大小常用挤压比

或加工率（

）来表示。

挤压比甚至挤压成形前锭坯充满挤压筒时的断面积与挤压成形后制品断面积总和之比值，以

表示：

式中n—模孔数；

。

设计原则有利于查资料可知，

取10~400较为合适，而所求得的挤压比

大于标准值，故需要设计导流腔。

导流腔的金属预分配和调整金属流速。

一般来说，导流腔的轮廓尺寸应比型材外形轮廓尺寸大6~15mm，导流孔的深度可取15~25mm，导流孔的入口最好做成3°~15°导流角，导流模腔内的各点应均匀圆滑过渡，表面应光洁，以减小摩擦阻力。

故可选取导流腔的轮廓尺寸为10

12mm，导流孔的深度可取20mm。

2.3挤压机的选择 

卧式挤压机按其挤压方法又可分为正向挤压机、反向挤压机和联合挤压机三种类型。

挤压机的技术特性主要包括：

挤压力、穿孔力、挤压杆的行程与速度、穿孔针的行程与速度和挤压筒的尺寸等。

最常用的卧式挤压机的能力为8-50MN。

立式挤压机的主要部件的运动方向和出料方向与地面垂直，所以占地面积小，单要求较高的厂房和较深的地坑。

后者是为了保证挤出的管子平直和圆整，以便随时的酸洗、冷轧或带芯头拉拔等。

因运动部件垂直地面移动，所以磨损小，部件受热膨胀后变形均匀，挤压机中心不易失调，管子偏心很小。

挤压机的能力最大不超过15MN，常为6-10MN，主要用作生产尺寸不大的管材和空心制品。

由于本设计选用19.6MN的挤压机，所以为卧式挤压机。

第三章模孔布置

3.1 模孔的布置

采用多孔棒材模时，金属流动要比单孔模均匀，故可以减少中心缩尾形成的几率。

但是，如果模孔排列不当，会使挤出的制品长短不齐，增加几何废料，恶化表面质量；如果模孔靠近挤压筒边缘，也会使制品表面产生起皮、分层等缺陷。

此外，多模孔过于靠近挤压筒边缘时由于内侧金属供应量大、流动速度快，而外侧由于金属供应量不足，流动速度慢，会造成制品出现外侧裂纹；当模孔太靠近挤压筒中心时，外侧金属供应量大与内侧，则制品易出现内侧裂纹。

应将多孔模模孔的理论重心均匀的分布在距模具中心和挤压边缘有适当距离的同心圆周上。

多孔模的同心圆直径D心与挤压筒直径Dt之间的关系可以按以下的经验公式来确定。

式中：

—多孔模模孔断面重心分布的同心圆直径；           

—挤压筒内径，n —模孔数目， 

—经验系数，一般可取2.5～2.8，n值较大时取下限，挤压筒内径大时取上限，一般取2.6。

代入数据，求得D心=200/[（2.5～2.8）-0.1（2-2）]=71.43～80，取

=80mm。

为了延长模具的使用寿命，模孔离模具外径圆周的距离和模孔之见的距离都应保持一定的数值，这个数值与挤压机的大小有关。

对于49MN以下的挤压机，这个距离可取15~50mm；对于大型挤压机，应加大到30~80mm，如下表所例的经验数据，以供参考。

表3.1模孔间最小距离

挤压筒直径mm

80~95

115~130

150~200

220~280

300~500

最小距离mm

15

20

25

30

50

结合所给出的挤压机为19.6MN，挤压筒直径为200mm，以及表3-1的数据可选模孔间距离为25mm<80mm。

表3.2模孔与挤压筒壁间的最小间距

挤压筒直径mm

85~90

115~130

150~200

200~280

300~500

>500

最小间距mm

10~15

15~20

20~25

30~40

40~50

50~60

实际距离为（200-80）/2=60>（30~40）,符合，则

。

模孔布置如图：

图（a）图（b）

由于受重力的作用，图（b）中下边模孔挤出的制品长度比上边的长，则选取图（a）方式布置。

3.2工作带长度的确定

工作带又称定径带，是模具中垂直模具工作端面并保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段，也是模孔重要的组成成分。

正确选择工作带长度h有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性。

工作带长度h的选择应根据挤压机的结构形式（立式或卧式）、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等因素来确定。

若工作带长度h太长，则挤压金属材料易粘结在工作带表面，使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷，同时增大模具与被挤压金属的摩擦力，金属流速变慢，增大挤压力等现象；若工作带长度h过短，则会加快模孔的磨损，使制品尺寸不稳定，出现超差现象，且因金属流速较快致使制品断面各部分金属流动不均匀而形成波浪、扭拧、弯曲等缺陷。

工作带长度h的确定原则如下：

1）工作带的最小长度，应按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定。

一般最短1.5~3mm。

2）工作带的最大长度，是按照挤压时金属与工作带的最大有效接触长度来确定。

铝及铝合金一般最长不超过15~20mm。

3）挤压型材的模具工作带长度取值时，应视情况不同而有所区别。

通常情况下，一些简单断面实心型材，如壁厚角形、丁字形、工字形之类，模孔各部位的工作带长度可以是相同的，一般取值为2~8mm；而对于建筑型材，因挤压比大，挤压速度快，制品长度较长，即使是等截面等壁厚的情况，模具工作带取值也应不相同，要参照生产实际经验确定。

表4.1模孔工作带长度

金属种类

轻金属

紫铜，青铜，黄铜

白铜，镍合金

稀有金属

钢

工作带长度

2~8

8~12

3~5

4~8

4~6

本设计为挤压黄铜，因而模孔工作带长度h为8～12mm，取h=10mm。

3.3模孔尺寸的确定

模子工作带直径与实际所挤压出制品直径并不相等。

在设计时应保证在冷状态下不超过所规定的偏差范围，同时又能最大限度的延长模子的使用期限。

通常是用裕量系数

来考虑各种因素对制品尺寸的影响。

为挤压不同金属与合金时的模孔裕量系数

的值。

模孔尺寸的确定可按下式计算：

式中：

裕量系数；

型材的名义外形尺寸（指型材的宽高）；

表4.2裕量系数

合金

的值

含铜量不超过65%的黄铜

0.014~0.016

紫铜，青铜及含铜量大于65%的黄铜

0.017~0.020

纯铝、镁合金

0.015~0.020

硬铝及锻铝

0.007~0.010

本设计中为挤压黄铜圆棒材，故

取为0.015。

则模孔的宽A=5

=5.08mm，取5.1mm。

模孔的高A=3

=3.05mm，取3.1mm。

3.4模孔出口尺寸

为了防止划伤制品表面，一般出口端尺寸比工作带尺寸大3~5mm，本设计取4mm。

出口端尺寸为：

宽A

=5.1+4=9.1mm，高A

=3.1+4=7.1mm。

第四章模具外形尺寸设计

4.1模角

根据挤压机的结构，用途以及所生产的制品类别的不同，挤压工具的组成和结构形式也不同。

挤压工具一般包括：

挤压模、挤压垫、挤压杆和挤压筒。

模角是模子的基本参数之一，它指模子的轴线与其工作断面间所构成的夹角。

当模角α=90°。

挤压时，可以，形成较大的死区，从而获得优良的制品表面。

但是，倘若死区发生断裂时，则会在制品表面发生起皮或分层。

挤压力较大，特别在较高温度和高强度的合金是，模孔会因塑性变形而变小。

应用：

挤压铝合金型材、棒材，镍合金、铜合金管、棒材。

本实验设计中采用模角为90的平模。

4.2模子的外形尺寸

4.2.1模具外径D

为了便于制造和更换，模具外径可标准化与系列化。

模具外径尺寸标准化、系列化的必要性有三个方面：

①减少模具设计与制造的工作量，降低产品成本，缩短生产周期，提高生产效率；②通用性大，互换性强，只需要配备几种规格的模支撑和模架，可节约模具钢材，容易备料，便于维修和管理；③标准化有利于提高产品的尺寸精度。

因此，对于一台挤压机来说，模具外径最好根据挤压机配备各种规格的挤压筒，有1~3种规格为宜。

因设计条件为在19.6MN挤压机的

200mm挤压筒上生产，所以取模具的外圆直径为198mm。

表4-1棒材模具外形标准尺寸

挤压机能力/MN

挤压筒直径/mm

D1/mm

H/mm

β

7.35

11.76~14.7

19.6

34.3

49

122.5

196

φ85，φ95

φ115，φ130

φ170，φ200

φ270，φ320，φ370

φ300，φ360，φ420，φ500

φ420，φ500，φ650，φ800

φ650，φ800，φ1100

113，132

148

198

230，330

270，306，360，420

300，420，570，670，880

570，670，900，1000

16，32

32，50，70

40，60，80

60，80

60，80

60，80，120，150

80，120，150，200

3︒

3︒

3︒

3︒

6︒

6︒，10︒

10︒，15︒

4.2.2模具厚度H 

    一般H=25~80mm，80MN以上吨位挤压机取80~150mm。

考虑标准化及强度等因素，将H放大，取H=80mm。

4.3入口圆角半径r

在工作带模孔入口设有圆角半径r，可以防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减轻金属在进入工作带时所产生的非接触变形，同时也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压颓而很快改变模孔尺寸用的，以保证制品尺寸精度。

入口圆角半径的选用与被挤压金属的强度、挤压温度、制品断面尺寸有关。

根据表，本设计中的入口圆角半径取值为r=4mm。

表4-2模具入口处圆角半径/mm

金属种类

铝合金 

紫铜、黄

铜 

白铜 

镍合金

镁合金

钢、钛合金

入口圆角半径

0.40~0.75

2~5

4~8

10~15

1~3

3~8

4.4挤压模结构形式与模具外形锥度β

挤压模具的外形结构根据其安装方式的不同可以有不同的结构形式，卧式挤压机上用的挤压模有圆柱形、带正锥和带倒锥三种形式。

带正锥的挤压模在操作时逆着挤压方向放到模支承中，为了便于装卸，锥度不能太小，否则，人工取模困难；但如果锥度过大，则可能出现在模座靠紧挤压筒时，挤压模容易从模支承中脱落出来，故正锥的锥度在1︒30'~4︒范围内选取。

带倒锥的挤压模在操作时顺着挤压方向装入模支承中，其锥度为3︒~10︒，一般取6︒左右，为了便于机械加工挤压模的外形锥度，一般在锥体上有一段长10mm左右的圆柱部分。

由表4-1查得，β=3︒，因此，应选择带正锥的挤压模，如4-1所示

4.5模具材质的选取 

对于热挤压模具，由于工作环境十分恶劣，在挤压生产中长时间的承受高温、高压、强摩擦及循环载荷的冲击作用，导致模具使用寿命低且损耗大，通常模具费用占挤压生产成本的10%到15%。

因此，延长模具寿命，降低模具成本，一直是挤压生产过程中人们最关心的一个重要问题。

模具寿命不仅与挤压工艺、模具制造工艺过程有关，而且还与模具的材质选择有重要的关系。

模具材料必须具备以下条件：

足够的高温强度、良好的抗磨损性能、足够高的抗疲劳性、良好的导热性能以及良好的热处理淬透性和可氮化性；这些是模具材料选择的首选条件。

热挤压模具中，主要是含碳量为0.3%—0.5%的钢中，添加W，Mo，V，Cr，Ni的合金元素的高合金亚共析钢。

添加上述合金元素，可提高模具的高强度、耐热性、抗热磨损的性能。

目前，我国用于热挤压生产的模具材料，基本上是3Cr2W8V，4Cr5MoSiV1登高温耐热钢。

对于3Cr2W8V模具钢，其特点是较好的高温强度，但存在较高的脆性和热裂行，不是个用于挤压断面形状复杂的铝合金制品挤压模具；所以采用3Cr2W8V模具钢对于挤压简单型面的棒线材叫适合。

第五章 强度校核

对于多孔棒材模，需要对模孔之间和模孔与模具外径圆周之间的危险断面进行强度校核。

多模的剪切强度计算公式如下：

≤

（5-1）

式中：

Q−模具上承受的总压力，一般取Q=0.8P，有时为了安全起见，可取Q=P；

P−挤压机的公称压力；

rx−各模孔均布的同心圆半径；

d−棒材直径；

n−多孔模的模孔数；

−模具材料允许的抗剪强度，在450℃时，3Cr2W8V钢取

在450～500℃时，取

=（0.5~0.6）

，

有下表可得，

，取

=882.6MPa。

牌号

试验温度℃

力学性能

σb

MPa

σ0.2

MPa

δ%

ψ%

ak

HB

kJ/m2

热处理制度

3Cr2W8V

20

300

400

450

500

550

600

1863

−

1491

1471

1402

1314

1255

1716

−

1373

1363

1304

1206

−

7

−

5.6

−

8.3

−

−

25

−

−

−

15

−

−

290

−

607

506

556

570

621

481

429

429

402

405

363

325

1100℃淬火，550℃回火

由上式可得到：

（5-2）

根据设计条件及计算，已知P=19.6MN，rx=

，H=80mm，

等效直径

n=2，则有

，H=80>73.14mm，则校核通过。

第六章绘制模具图

设计小结

为期一周的课程设计将要结束了，在这一周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。

感受良多，获益匪浅。

本次设计的是生产3*5mm扁线材的双模孔挤压模具。

本次设计主要包括模孔布置、设计工作带长度、型材模孔尺寸设计、模子强度校核、画出模具图等主要任务。

在此次设计任务中，我所负责的任务是模子的校核。

在这一周里，我们小组分工合作、齐心协力，一起完成了课程设计前的准备工作、小组讨论分工、完成挤压模具设计、课程设计总结报告、个人小结的任务。

虽然我负责的是模子的校核，但也要对前面的所有的设计过程和内容更有所了解。

通过这次课程设计，我拓展了知识面，锻炼了能力，综合素质得到很大提高。

安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实践的结合、人与人的沟通，进一步提高思想觉悟。

尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力，以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合型人才。

课程设计这样集体的任务光靠团队里的一个人或几个人是不可能完成好的，合作的原则就是要利益均沾，责任公担。

如果让任务交给一个人，那样既增加了他的压力，也增大了完成任务的风险，降低了工作的效率。

所以在集体工作中，团结是必备因素，要团结就是要让我们在合作的过程中：

真诚，自然，微笑；说礼貌用语；不斤斤计较；多讨论，少争论，会谅解对方；对他人主动打招呼；会征求同学的意见，会关心同学，会主动认错，找出共同点；会接受帮助，信守诺言，尊重别人，保持自己的特色。

总而言之，这次课程设计让我明白了仅仅只是掌握理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，将理论运用于实践，才能提高自己的实际动手能力和思考创新能力。

虽然短暂的实践会渐渐的从自己的学习与生活中远去，褪去，但是它给自己带来的变化是永远抹不掉的。

让自己深深的认识到，只有选择振作，去做，去思考，去学习，才会真正的有所收获。

签名：

经过一个星期的努力，我和同学们一起度过了这段忙碌而充实的时光。

这次的课程设计深刻的反映出实践是检验真理的唯一标准这句话的真谛。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。

“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。

我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

在上课的时候，老师大概和我们讲了一下挤压模具设计的情况，首先老师先介绍了这次课程设计的主要内容和实施步骤，然后同学们进行分组并选出组长和集成组组员，各组进行分工安排、制定计划，组员明确各自的任务后，互相合作完成工作。

刚开始对模具设计还一无所知。

但由于时间紧迫，在接到老师的任务书之后，在网上查找了大量的资料，仔细分析任务书的要求和挤压模具设计中的步骤，并和同组学员讨论和分析了设计的内容。

其次，在编写说明书时，参照资料，列出说明书里，所需要的步骤和内容。

根据自己所列的目录进行接下来的工作，这个方法我觉得很受用，因为做设计不是一两天的事情，每天的想法都是不一样的，为了保证说明书的一致，不重复使用数据，使设计的步骤更加清晰。

在目录下，每个大标题下都有几个小标题，每个数据的查找和每个表格的应用都是按照严格的标准进行的，这个工作量不仅繁重，而且需要保持清晰的头脑，否则破坏设计的流程。

例如：

为了剪切说明书的图案，修改零件图的尺寸，剪切完成后，将尺寸保存在该文档中，最后，需要花一个多小时的时间重画之前的图形。

在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

在这次模具课程设计中，不能说自己真正明白里面的机构和原理，但是从这个过程中体会到设计的严谨性。

也进一步培养自己的自学能力；分析问题、解决问题的能力；一定的计算能力、一定的制图能力；还有初步具有查阅手册，使用国家技术标准以及一定的文字表达能力。

这次设计过程中，体现出