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挤压铝型材课程设计

一.题目:

铝合金型材挤压工艺及模具设计

二.设计基本内容:

设计一件实心型材制品和一件空心型材制品的工艺工艺过程及模具设计,包括挤压工艺参数,模具结构,制造工艺等要求

三.完成后应缴的资料:

课程设计说明书一份

实心型材模零件图

空心型材模上模零件图

空心型材模下模零件图

空心型材模装配图

四.设计完成期限:

2007年6月11日------2007年6月22日

指导老师_______签发日期___________

教研室主任_______批准日期___________

课程设计评语:

成绩:

设计指导教师_________

_____年_____月____日

一、绪论………………………………………………………4

二、总设计过程概论…………………………………………7

2.1挤压工艺流程………………………………………7

2.2挤压工艺条件………………………………………7

三、实心型材模设计…………………………………………9

3.1所要设计的实心型材制品…………………………9

3.2选坯和选设备………………………………………10

3.3挤压力的计算………………………………………11

3.4实心型材模具体结构设计…………………………12

3.5.实心模尺寸数据设计……………………………13

四、空心型材模设计…………………………………………18

4.1所要设计的制品………………………………………18

4.2选坯和选设备…………………………………………18

4.3挤压力的计算…………………………………………19

4.4模组及模子外形尺寸确定……………………………20

4.5组合模相关参数的确定………………………………20

4.6模子内形尺寸的确定…………………………………23

4.7模孔工作带长度hg的确定……………………………24

4.8模芯的设计……………………………………………24

4.9上模凸台设计…………………………………………24

4.10定位销，螺钉………………………………………24

4.11模子强度校核………………………………………25

4.12零件图装配图………………………………………26

五、总结与体会……………………………………………….26

参考文献…………………………………………………26

一.绪论

近20年来，随着建筑行业的高速发展，我国民用建筑铝型材工业也从无到有，从弱到强地迅猛前进。

至今，广东省的建筑铝型材产品已约占全国的三分之二左右，铝型材的生产能力超过社会的需求，如何提高产品质量，降低成本是取得市场竞争胜利的关键环节。

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50—100年），回收性好，可回炉重炼。

6063合金中的主要合金元素为镁及硅，具有加工性能极佳，优良的可焊性，挤出性及电镀性，良好的抗腐蚀性，韧性，易于抛光，上包膜，阳极氧化效果优良，是典型的挤出合金，广泛应用于建筑型材，灌溉管材，供车辆，台架，家具，升降机，栅栏等用的管，棒，型材。

多年来世界各国均采用6063铝合金（铝合金近百种）作为门窗框架。

主要是为了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，模具设计以及其质量，事关产品的质量，成本。

在挤压设计的过程中挤压工艺条件：

应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类、形状、尺寸等）、切压余、淬火、冷却、切头切尾等多方面的因素。

其中，选择挤压筒直径D0是一个最核心的问题，有以下的选择原则：

1）保证产品表面质量原则；2）保证挤压模强度的原则；3）保证产品内在质量的原则；4）经济上的优化原则－生产成本最低；成材率最大；产量最高。

这次的设计任务是设计一个实心型材和一个空心型材模，实心型材模采用单模，空心型材模采用分流组合模，挤压制品所有的材料是6063。

由于其强度高，质量轻，加工性能好，在退火状态下，该合金有优良的耐蚀性及物理机械性能，是一种可以时效强化的AL-Mg-Si系合金，广泛应用于基础性建筑行业以及一些机械制造业。

其化学成分表示如下:

6063AL的成分:

GB/T3190-1996：

表1:

牌号

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Ti

其它元素

每种

总量

6063

0.2～0.6

≤0.35

0.10

0.10

0.45～0.9

0.10

0.10

0.10

0.05

0.15

6063机械性能:

（《铝合金及应用》）

表3:

常用挤压工具钢及其机械性能：

钢号

成分（％）

试验温度

/MPa

/MPa

/%

/%

HB

热处理工艺

5CrMnMo

0.55C

1.51Mn

0.67Cr

0.26Mo

300

400

500

600

1150

1010

780

430

990

860

690

410

47

61

86

84

11.0

11.1

17.5

26.7

351

311

302

235

850

油淬600

回火

3Cr2W8V

0.30C

0.23Cr

8.65W

0.29V

300

400

500

600

1520

1430

1280

1373

1363

15

5.6

8.3

429

429

405

325

1100

在油中淬火，550

回火

4Cr5MoSiV1

0.37C

4.74Cr

1.25Mo

1.05Si

1.11V

0.29Mn

400

450

500

550

600

1360

1300

1200

1050

825

1230

1135

1025

855

710

49

52

56

58

67

6

7

9

12

10

1050

油淬第一次回火600

二.总设计过程概论

2.1挤压工艺流程:

铸锭加热→挤压→切压余→淬火→冷却→切头尾或（切定尺）→时效→表面处理→包装→出厂

2.2挤压工艺条件:

1）.铸锭的加热温度

6063铝的最高允许加热温度为550℃，下限温度为320℃，为了保证制品的组织，性能，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。

2）.挤压筒的加热温度

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400℃～450℃。

3）.挤压温度

热挤压时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的0.75～0.95倍，本设计挤压温度为450℃～500℃，挤压过程温度控制在470℃左右。

4）.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，本设计的挤压速度取0.7～0.8m/s。

5）.工模具的润滑

因本设计采用热挤压，故不采用润滑。

6）.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，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HRC40～47。

7）.切压余

根据所选的设备而定。

8）.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的目的。

9）.冷却

直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。

10）.切头尾

因头尾组织性能不均匀，为保证产品质量，本工艺过程统一去头尾各300mm。

三.实心型材模设计

3.1所要设计的实心型材制品:

本制品的形状和尺寸如下

图1：

牌号（XC311）

制品的截面积F制＝212.9mm2

型材外接圆直径D外＝43.86mm

现有设备：

表4：

设备吨位

500T

800T

1630T

挤压筒直径D0

Φ95

Φ125

Φ187

挤压截面积F0

7085

12266

27451

锭坯尺寸

DdⅹLd

Φ90x270/320

Φ120X400/450

Φ178X540/600/660

冷床长

26m

32m

44m

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

加工范围

最大外接圆直径

Φ65

Φ95

Φ147

挤一根最小制品断面积

F制min

72

150

372

3.2选坯和选设备:

根据加工范围要求（F制≥F制min,及D外≤D外max）有500T、800T可选，按成材率最高的原则，进一步优化，计算列表：

表5：

序号

D0

（F0）

Dd

（mm）

Ld

（mm）

单重wd（kg/根）

填充系数K

填充后长度Ld’

压余厚hy

（mm）

切压余后有效长度Ld”

挤压比λ

制品长

L制

（m）

成品数

nx6

（m）

成品重

W制（kg）

成材率

W制/Wd

（％）

1

Φ

95

90

270

4.62

1.114

242

20

222

33.29

7.39

1X6

3.44

74.40%

2

Φ

95

90

320

5.47

1.114

287

20

267

33.29

8.89

1X6

3.44

62.77%

3

Φ

125

120

400

12.20

1.085

369

25

344

57.61

19.82

3X6

10.32

84.95%

4

Φ

125

120

450

13.73

1.085

415

25

390

57.61

22.47

3X6

10.32

75.38%

最后选择成材率最高的84.95％对应的方案3

3.3挤压力的计算:

根据挤压力公式：

P=11.775×[（D/d）1/2－0.8]×D2×σb

P——为单位挤压力，N

D——挤压筒内直径，mm

d——制品的当量直径，mm

σb——某一挤压温度下材料的抗拉强度，MPa

故P＝11.775×[（125/16.46）1/2－0.8]×1252×16.2

＝5829.21KN

换算成吨位：

约595T

P＜额定吨位800T，设备选择符合要求，即理论技术可行。

3.4实心型材模具体结构设计:

模组的结构如下图

图2：

1.模子2.模垫3.前环4.后环5.保护垫板6.前机架7.模座

8.模套9.剪刀10.挤压筒

模组的结构：

对于不同吨位的挤压机，下图中的主要结构尺寸都是配套设置的，可以从有关资料中查得。

模组的主要结构尺寸如图3

模组尺寸如下表：

表6：

设备吨位

500T

800T

1630T

Φ1×Φ2×H

Φ160×Φ180×190

Φ210×Φ250×240

Φ310×Φ350×340

H1

20

30

30

H2

80～90

90～100

110～150

H3

50～60

50～60

60～80

挤压模具的尺寸如下表：

表7：

设备吨位

500T

800T

1630T

Φd1/d2

Φ135/Φ145×20～25

Φ165/Φ175×25～30

Φ250/Φ260×30～40

h1

12

12～13

12～13

3.5.实心模尺寸数据设计:

1）．选坯和选择设备

根据前面的计算

挤压筒内直径D0=125mm锭坯尺寸：

Dd×Ld＝Φ120×400

挤压比λ=57.61

2）.模组及模子尺寸外形的计算

图3：

根据前面计算，从表6选取

H2=100H3=60H1=30

模子外形尺寸的确定（如下图4）

图4：

依据表7的数据可以确定

d1=165㎜d2=175㎜h1=12㎜h2=30㎜

3）模子内形尺寸的确定

挤压比λ=57.61＜λMAX=82，故不需要多孔挤压

确定模孔尺寸：

型材外形尺寸公式：

Ak=Am＋（1＋C1）＋△1

Ak——模孔的实际尺寸

Am——型材的名义尺寸

C1——欲量系数（对于6063合金，C1＝0.017～0.010，本设计C1取0.010）

△1——型材外形尺寸的正偏差值

计算得到:

Bk＝40（1＋0.010）＋0.60＝41.00mm

Hk＝18（1＋0.010）＋0.45＝18.63mm

型材壁厚尺寸公式：

Sk=Sm＋△2＋C2

Sk——模孔的实际壁厚处尺寸

Sm——型材壁厚的名义尺寸

C2——欲量系数，对铝合金一般取0.05～0.15，本设计取0.10

△2——型材壁厚的正偏差

计算得到：

Sk＝3＋0.25＋0.10＝3.35mm

模孔主要尺寸如下图5

图5：

4）．孔形在模子端面位置的确定

由于本型材为等壁厚的型材，故型材的几何重心在置模子的中心压力中心的计算（如下图示）

X0＝0

Y0＝（l1y1＋l2y2＋l3y3＋l4y4

＋l5y5）×2/（l1＋l2＋l3＋l4＋l5）×2

Y0＝（20×0＋18×9＋3×18＋17×10.5＋8.5×3）×2/（21＋4＋17＋32＋17＋4＋21＋40）×2＝6.32

压力中心为X0＝0，Y0＝6.32

5）.工作带长度的确定

由于是等壁厚型材，故定径带长度hg各处相等，本次设计取

hg＝5mm

6）.阻碍角

由于hg≤10～15㎜，故不采用阻碍角

7）．模子强度的校核

型材模的强度较核主要是其悬臂梁部分，取型材上端AB为危险端面,进行强度校核.

、求单位压力p：

p＝P/F0（P为挤压力，F0为挤压筒断面积）

P＝800吨，p＝800×1000×9.8/12266＝639.17Mpa

舌部载荷Q＝pFsh（Fsh为舌部即阴影部分面积）

Q＝639.17×32×15＝306801.6N

、舌部弯曲应力σw计算：

σw＝Mw/W

式中Mw——弯矩，Mw＝Qe（e为阴影部分重心到危险断面处的距离）；

W——截面模数，W＝bshH2/6（H为模子厚度）。

bsh＝34mm

Mw＝306801.6×7.5＝2301Nm

W＝34×302/6＝5.1cm3

σw＝2301/5.1＝451.2MPa

、剪应力τ的计算：

τ＝Q/bsh×H

τ＝306801.6/（34×30）＝300.79MPa

、等效应力σe的计算：

σe＝[σw2＋（1.73τ）2]1/2

σe＝[451.22+（1.73×300.79）2]1/2＝688.74MPa

500°C时4Cr5MoSiV1的屈服强度为1025MPa，远大于σe，所以模子强度合格。

8）.作图

（见图纸）

四.空心型材模设计

4.1所要设计的制品:

本设计制品的的牌号为I529系列回型管

具体参数为

B＝92mm，H＝25.4mm，T＝1.8mm,重量：

1.09Kg/m

具体如下图

图6

4.2选坯和选设备:

制品的截面积：

F制＝409.68mm2

模孔外接圆直径D外＝95.44㎜

根据加工范围要求（F制≥F制min,及D外≤D外max）由表4知

只有1630T的可用

按成才率最高的原则，在进一步计算优化，计算列表如下

表8

序号

Do

（Fo）

Dd

（mm）

Ld

（mm）

单重wd（kg/根）

填充系数K

填充后长度Le

压余厚hy

（mm）

切压余后的有效长度Ld

挤压比λ

制品长

L制

（m）

成品数

nx6

（m）

成品重

W制（kg）

成材率

W制/Wd

（％）

1

Φ

187

178

540

36.15

1.10

491

30

461

67.01

30.9

5X6

33.06

91.5

2

Φ

187

178

600

40.16

1.10

545

30

515

67.01

34.5

5X6

33.06

82.3

3

Φ

187

178

660

44.18

1.10

600

30

570

67.01

38.2

6X6

39.67

89.8

最后选择成才率最高的91.5％对应的方案1

即1630T的挤压设备

锭坯尺寸为：

DdXLd＝Φ178×540mm

挤压比λ＝67.01

4.3挤压力的计算:

根据挤压力公式：

P=11.775×[（D/d）1/2－0.8]×D2×σb

P——为单位挤压力，N

D——挤压筒内直径，mm

d——制品的当量直径，mm

σb——某一挤压温度下材料的抗拉强度，MPa

故P＝11.775×[（187/22.84）1/2－0.8]×1872×16.2

＝13750.3KN

换算成吨位：

约1403.1T

P＜额定吨位1630T，设备选择符合要求，即所选设备理论可行

4.4模组及模子外形尺寸确定：

模组尺寸结构简图如前图3所示

根据前面计算，从表6选取

H2=150H3=70H1=30

模子外形尺寸简图如前图4依据表7的数据可以确定

d1=250㎜d2=260㎜h1=13㎜h2=150㎜

因为本设计采用孔道式分流组合模

故：

取H上＝80㎜H下＝70㎜

4.5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，应等于λ1/2。

本设计取K=8..19

分流孔的面积∑F分＝K.F型=8.19×409.68=3355.28mm2

且分流孔面积的大小按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＝1329.58mm2F小=348.06mm2

3）.分流孔位置的确定

①分流孔中心圆的直径D分＝0.7D0=0.7×187=130.9mm

②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Φ147,故分流孔最大外接圆直径≤Φ142mm

③综合各因素考虑，暂时先取其外接圆直径为Φ132mm

④确定a，α，β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3～8㎜，本设计取a=8㎜，b=7.5.

图8

由h=25.4/2+8=20.7,H=132/2=66，由几何知识可得方程式：

，用代入相关数据可得出α≈40°，

同理，得出β≈30°，由AutoCAD菜单栏“工具”→“查询”→“面积”功

能验算得出结果基本正确。

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2°～4°，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＋（3～20）㎜

本设计采用倒梯形结构，取B=45见下图

图10

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D0＝Φ190～200㎜时，h＝20㎜，焊合室直径比分流孔出口处约小5mm，本设计取h=20mm，形状为圆形如图：

图11:

4.6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=A0＋KA0

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=92（1＋0.010）+0.95=93.88,HK=25.4（1＋0.010）+0.7=26.36

制品型材壁厚可由经验公式B=B0＋△确定

由于B0=1.8㎜.本设计△＝0.1

故Tk=1.8＋0.1=1.9㎜

4.7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2～6㎜。

本设计取hg＝5mm

4.8模芯的设计:

一般伸出下模工作带3－5mm，本设计取4mm，模腔外形按空心型材的空心部分确定。

4.9上模凸台设计：

上模凸台高取7mm，直径为Φ256mm，用于装配定位

4.10定位销，螺钉（按GB标准选取标准件）:

定位销的直径取两个：

Φ8x75，螺钉采用M10x85,具体说明见装配图

4.11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：

1分流桥弯曲应力校核

Hmin＝L[p/（2×[σb]）]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L＝mm

P——作用在挤压垫片上的单位压力

[σb]——模具材料在温度下的许用应力。

在450～500°C下，对于4Cr5MoSiV1取[σb]＝1000MPa

代入数据得：

P=1630x9.8x1000/27451=582MP

Hmin＝125[582/（2×1000）]1/2

Hmin≈67.43mm

由于上模厚度H上＝80mm＞67.43mm，故符合要求

②分流孔道抗剪强度的校核

τ＝Qq/Fq≤[τ]

Qq——分流桥面上的总压力；

Fq——分流桥受剪应力的总面积；

[τ]——许用剪应力，τ＝（0.5～0.6）[σb]，450～500°C下，对于4Cr5MoSiV1取[σb]=1000MPa

代入公式有:

τ=（1630×9.8×1000/27451）×9918/（80×45×4）＝399MPa≤500MPa

故强度符合要求。

4.12零件图装配图（见图纸）

五、总结与体会

在两个星期的挤压模课程设计将近结束。

设计开始的前几天，袁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！

设计过程中，除了最后三天画图以外，我每天准时来到制图室，即使老师有事没来也一样！

在计算，设计过程中遇到过很多细节问题。

我积极地与同学们讨论，经过思考后还是不懂的问题就向老师请教。

在老师的指导下很多问题迎刃而解！

另外，在绘图过程中也遇到一些问题，比如我这学期练习PRO/E软件比较多，但此次设计我用的是AUTOCAD，使我用些命令混淆了，导致绘图速度较慢，但后来随着画图的进行，情况逐渐好转，相