课程设计（论文）-铝合金型材挤压工艺及模具计算

课程设计（论文）-铝合金型材挤压工艺及模具计算 铝合金型材挤压工艺及模具计算 题目:铝合金型材挤压工艺及模具计算 学院: 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与能源学院 专业: 03金属材料工程(1) 学号: 学生: 指导老师: 日期:2006年6月21日 1 铝合金型材挤压工艺及模具计算 课程设计任务书 材料与能源学院金属材料工程专业 一. 题目: 铝合金型材挤压工艺及模具设计 二. 设计基本 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 : 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AUTOCAD图 空心型材模上模AUTOCAD图 空心型材模下模AUTOCAD图 空心型材模上下模AUTOCAD装配图 四. 设计完成期限: 2005年6月14日------2005年6月24日 指导老师_袁鸽成 签发日期___________ 教研室主任_______批准日期___________ 2 铝合金型材挤压工艺及模具计算 课程设计评语: 成绩: 设计指导教师_________ _____年_____月____日 3 铝合金型材挤压工艺及模具计算 目录 一: 绪论………………………………………………………5 二: 总设计过程概论…………………………………………8 三: 实心型材模设计…………………………………………10 四: 空心型材模设计…………………………………………19 五: 后记………………………………………………………28 4 铝合金型材挤压工艺及模具计算 一绪论 铝被誉为仅次于钢铁的第二大金属，由于具有密度低、强度适中、加工性能好等一系列优点，被广泛应用于建筑、包装、交通运输等行业，铝及铝材的消费已经成为一个国家工业发展水平的重要标志。近年来工业铝型材应用于交通行业呈上升趋势。 铝合金在国民经济中起着非常重要的作用。随着科学技术的进步和现代经济的高速发展，铝合金型材正向着大型整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化、外廓美观化的方向发展，品种规格不断增多，应用范围不断拓展，已由民用建筑门窗型材为主体推广到了航天航空、汽车船舶、交通运输、电子电力、石油化工、机械制造、家用电器等各行各业和人民生活各个方面。据不完全统计，目前世界上每年需要的大型铝合金型材约4o万吨，而且增涨势头不减。为了适应这种市场需求趋势，各国都在加速建设重型挤压机或大型材挤压生产线。近年来，随着科技的进步和经济的发展，特别是交通运输的现代化、高速化和轻量化，需要大量的大型特种型材。为了实现大型材国 产化，国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究开发，除了将西南铝原有的80MN卧式水压机改造成一条具有现代化水平的油压机生产线外，辽源麦达斯公司于2001年又建成了一条75MN卧式油压挤压机生产线。此外，天津Corus公司的一台55MN卧式油压机生产线已于1999年投人生产。正在建设或计划建设60MN以上的卧式油压机生产线的有山东的丛材铝业、南山铝业，辽宁的忠旺铝业，广东的兴发铝 5 铝合金型材挤压工艺及模具计算 业等，到2005年左右这些挤压生产线建成投产后，我国大型铝合金型材的生产能力可达10万吨,年以上，完全可以满足国内市场的需求，并可部分出口。大型特种铝合金型材之所以能获得如此高速发展和广泛应用，主要是由于具有许多独特的优点，能满足市场的各种需求。然而，大型特种铝合金型材是一种高难度的高新技术产品，除了必需配备80MN以上的重型挤压机外，尚需解决一系列关键技术问题。 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 6 铝合金型材挤压工艺及模具计算 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 其它元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 牌号 每总 种 量 6063 0.20.10 0.1 0.450.10 0.1 0.10 0.05 0.15 ? 0.35 ,, 0.6 0.9 6063机械性能: 表2 合金 状态 弹性剪切模 屈服抗拉伸泊松布氏硬密度 模 量 强 强度长系 度 量 度 σb 率 数 22E G σ0.2 δ u Kg/mm g/ cm 6063 淬火自 7100 2700 12 22 22 0.31 65 2.69 然时效 7 铝合金型材挤压工艺及模具计算 二 总设计过程概论 1.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?出厂 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，挤压过程中温度控制在500?左右。 4).挤压速度 挤压速度快虽然可以提高生产力，但挤压速度过快会影响材料的挤压性和使挤压温度过高，因此必须控制好挤压速度。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40,60m/min。 8 铝合金型材挤压工艺及模具计算 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3Cr2W8V作为模具的材料，热处理的硬度为HRC44,47。 7).切压余 根据所选的设备:500T,切压余厚为20mm;800T，切压余厚为25mm。 8).淬火 本工艺过程中，采用在线淬火，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 本工艺过程统一去头尾各300mm,500mm。 9 铝合金型材挤压工艺及模具计算 三.实心型材模设计 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(XC311-20) 2 用CAD计算得: 制品的截面积F制= 655.1294 mm 以型材的底部为X轴,以型材纵向的对称轴为Y轴,得出重心的位置(0，19.7476) 模孔外接圆直径D外,71.45mm 现有设备 表3 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 X400/450 Φ178X540/600/660 Φ120Φ90x270/320 Dd|?Ld 10 铝合金型材挤压工艺及模具计算 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 加最大外接 工圆直径 范 Φ65 Φ95 Φ147 围 挤一根最 小制品断 面积 72 150 372 F制min 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800T和1630T 的设备可用，按成才率最高的原则，进一步优化，计算列表 表4 序D0 d Ld D单重填充填充压余切压挤压比 制品成成品成材率 (mm) 号 (F0) (mm) wd 系数后长厚hy 余后制/Wd 长 品重 W K 度Le (mm) 的有制 数 W制(,) λ L 效长 nx6 (kg) 度Ld (m) (m) υ125/ 120 400 12.20 1.085 369 25 344 18.723 6.44 0 0 0 1 υ125/ 120 450 13.73 1.085 415 25 390 18.723 7.30 1 10.57 76.69 2 υ187/ 178 540 36.30 1.104 485 30 455 41.90 19.06 3 31.72 87.38 3 υ187/ 178 600 40.30 1.104 544 30 514 41.90 21.53 3 31.72 78.71 4 υ187/ 178 660 44.40 1.104 598 30 568 41.90 23.80 3 31.72 71.44 5 最后选择成才率最高的87.38,对应的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 3 11 铝合金型材挤压工艺及模具计算 锭坯尺寸为:Dd * Ld=Φ178*540mm λ=41.90 α,90? 3.挤压力的计算 根据经验系数公式 P=α*KF(?λ+4,L/D) F=A*P α表征挤压难易程度的经验系数，对于实心型材取α,1.0, 1.1,本设计取α,1.1 P――为单位挤压力，MPa F――为最大挤压力, N 2A――挤压筒内孔的面积，mm λ――挤压系数 Kf,――材料在挤压温度下的变形抗力(查表)，MPa ,――摩擦系数 L――铸锭敦粗后额长度，mm,即填充后长度Le Kf查表取16 ,取0.30 故P=1.1?16(?41.90+4?0.30?485/187) =120.3175MPa F=120.3175*?*187*187/4=3308285.52N 换算成吨位:约337.58T 12 铝合金型材挤压工艺及模具计算 F=337.58T,额定吨位1630T，设备选择符合要求，即理论技术可行 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5 设备吨位 500T 800T 1630T Φ1?Φ2?H Φ160?Φ180Φ210?Φ250Φ310?Φ350 ?190 ?240 ?340 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6 13 铝合金型材挤压工艺及模具计算 设备吨位 500T 800T 1630T Φd1/d2 Φ135/Φ145?Φ165/Φ175?Φ250/Φ260? 20,25 25,30 30,40 h1 12 12,13 12,13 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=187? 锭坯尺寸:Dd X Ld,Φ178mm?540mm 挤压比λ=41.90mm α,90? 2).模组及模子尺寸外形的计算 根据前面计算，从表5选取 H2=100 H3=60 H1=30 模子外形尺寸的确定(如下图4) 14 铝合金型材挤压工艺及模具计算 d2 h1 图4 依据表6的数据可以确定 d1=250? d2=260? h1=12? h2=40? 3)模子内形尺寸的确定 挤压比λ=41.90,λMAX=73.6,所以不需要多孔挤压 确定模孔尺寸:由公式 A=A0+M+( +KT)A0 KT=tα,t1α1 对于3Cr2W8V钢，取α1,0.000014/C, t1=400? 对于6063合金，α,0.000025 t=500? 故KT,0.007 Ky和Kp的值查书第82页，计算得到: 尺寸50?0.60的模孔尺寸为: δ=50+0.60，(0.0055，0.007，0.007)?50,51.575? 尺寸38?0.60的模孔尺寸为: B=38+0.60，(0.0065，0.0075，0.007)?38,39.398? 尺寸5?0.3的模孔尺寸为: H=5+0.3，(0.015，0.015，0.007)?5=5.485mm 15 铝合金型材挤压工艺及模具计算 型材的圆角及圆弧没有偏差要求，故可按名义尺寸设计. 由于这种角材在挤压的过程中出现并口现象,角度取91? 模孔尺寸如下图所示 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:用CAD制图计算得: 以型材的底部为X轴,以型材纵向的对称轴为Y轴,x=0，y=19.7476 5).定径带长度的确定 由于是等壁厚型材，故定径带长度h定各处相等，本次设计取 h定,4?。 6).出口直径. dch 由于模子的出口直径一般应比工作带直径大3~6mm,以免因过小 而划伤表面。 本设计出口直径dch=6mm。 16 铝合金型材挤压工艺及模具计算 7).阻碍角 由于h定?10,15?，故不采用阻碍角。 8).校核 (1)挤压力的校核 挤压力为337.58吨，远远低于额定吨位1630吨，所以符合要求。 (2)模子强度的校核 对于槽形模的突出部分,可以认为是一个悬臂梁，可按下述步骤校核其危险面I-I处的模子最小厚度。 危险面I-I处在挤压是所受的弯矩为: 2M=P*a*l*l/2=(P*a*l)/2 2抗弯断面系数为:W=b*h/6 22则弯曲应力为 =M/W=3*p*l*a/(h*b)?[] ,,弯弯 3pa固模具的最小厚度为 h= l*mim,b[]弯 式中 h——模具(包括模子和支承环的总厚度)的最小厚度，mm mim l——槽型模子悬臂梁的长度，即槽形型材的槽深尺寸，mm P——挤压筒的比压，挤压机吨位与挤压筒内截面积之比，MPa A——模孔悬臂梁根部断面处的宽度，mm B——模孔悬臂梁根部断面出口处的宽度，mm,b=a-2c, C——模孔悬臂梁根部出口空刀尺寸(一般取1.5-3)，mm [,]——模具材料的许可弯曲应力，其植一般取许用抗拉应力弯 0的(0.4-0.5)倍左右，在温度450-500C下对于4Cr5MoSiVi 17 铝合金型材挤压工艺及模具计算 取[]=600Pa ,弯 符合要求 模子的最大挠曲变形按如下公式计算 4ql* ,,最大8*ej ——悬臂梁端部最大挠度，mm ,最大 l——悬臂梁长度，mm q——等于Q/l，悬臂梁单位长度上的压力，N/mm 5E——模具材料的弹性模量2.2?10MPa 3bh*J——悬臂梁断面惯性矩，J= 12 B,h——分别为悬臂梁的宽度和高度，mm Q——悬臂梁承受的总压力 本设计中 要是模子的抗剪强度. 对于抗剪强度的校核,取角型材斜边为危险端面,进行强度校核 危险面I-I处的弯距为:M= P*a*l*l/2 = 185kg.m 3 抗弯断面系数:W= b*h*h /6 =0.73 m 弯曲应力:σ弯 ,M/W ,253.4MPa < 600 MPa，符合要求。 1/2最小模具厚度:hmin =l * (3P * a / b [σ弯]) = 9.1 mm 4δ最大 , (q * l)/ ( 8E * J ) = 0.368 mm < 1 mm 各项指标均满足要求，故强度符合。 9).画图 (见图纸) 18 铝合金型材挤压工艺及模具计算 四.空心型材模设计 1.所要设计的制品 本设计制品的的牌号为I531回型管 具体参数为 B=101.6 H=44.5 T=2.8 重量:2.215 Kg/m 具体如下图 2.选坯核选设备 2制品的截面积:F制,786.8 mm 模孔外接圆直径D外,55.46*2=110.92? 根据加工范围要求(F制?F制min,及D外?D外max)由表3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 19 铝合金型材挤压工艺及模具计算 序D0 d Ld D单重填充填充压余切压挤压制品成成品成材率 (mm) 号 (F0) (mm) wd 系数后长厚hy 余后制/Wd 比 长 品重 W K 度Le (mm) 的有制 数 W制(,) L 效长 nx6 (kg) λ 度Ld (m) (m) υ178 540 36.30 1.104 485 30 455 34.889 15.9 2 25.34 69.8 1 187/ υ178 600 40.30 1.104 544 30 514 34.889 17.9 2 25.34 62.9 2 187/ υ178 660 44.40 1.104 598 30 568 34.889 19.8 3 38.10 85.8 3 187/ 表7 最后选择成才率最高的85.8,对应的方案3 即1630T的挤压设备 锭坯尺寸为:Dd X Ld=Φ178X660mm λ=34.889 3.挤压力的计算 根据经验系数公式 P=α*KF(?λ+4,L/D) F=A*P α表征挤压难易程度的经验系数，对于空心型材取α,1.1,1.5, 本设计取α,1.5 P――为单位挤压力，MPa F――为最大挤压力, N 2A――挤压筒内孔的面积，mm λ――挤压系数 20 铝合金型材挤压工艺及模具计算 Kf,――材料在挤压温度下的变形抗力(查表)，MPa ,――摩擦系数 L――铸锭敦粗后额长度，mm Kf查表取16 ,取0.30 故P=1.5?16(?34.889+4?0.30?544/187) =169.0MPa F=169.0*?*187*187/4=4639162.385N 换算成吨位:约473.38T F=473.38T,额定吨位1630T，设备选择符合要求，即所选设备理论可行 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=90? H3=60? 模子外形尺寸简图如前图4依据表6的数据可以确定 d1=250? d2=260? h1=12? h2=40? 因为本设计采用孔道式分流组合模 故:取H上,80mm H下,60 mm 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 21 铝合金型材挤压工艺及模具计算 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K=10,30。本设计取K=10 分流孔面积的大小按Fmax/Fmin=fmax/fmin 2fmax =(101.6-2.8*2)=268.8mm 2Fmax=10* fmax=2688mm 2fmin=944.5*2.8=124.6mm 2Fmax=10*fmin=1246mm 3).分流孔位置的确定 ?分流孔中心圆的直径D分,0.7D0=0.7?187=130.9mm ?暂时先取其外接圆直径为148mm ?确定a，α，β的大小如图 图7 α β 依据经验a一般取2,5?，有的取8?.本设计取8? 图8 22 铝合金型材挤压工艺及模具计算 α 关于α的计算，由上图知 h=H/2+8=101.6/2+8=58.8? 0.5 Fmax=f扇,f三角形得 α?42? 同理 关于β的计算，由下图知 b=B/2+8=44.5/2+8=30.25? 0.5 Fmin=f扇,f三角形得 β?71.0? 图9 β 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3? 5).分流桥 23 铝合金型材挤压工艺及模具计算 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=26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:Φ95,130? h=10,15? 本设计取h=14，形状为碟形如图: 图11 6. 模子内形尺寸的确定 工件及模具如图所示 图12 模具图如下 24 铝合金型材挤压工艺及模具计算 图13 按经验公式A=A0+K 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=0.012 得BK=101.6*(1+0.012)=102.82mm, HK=44.5*(1+0.012)=45.03mm 制品型材壁厚可由经验公式B=B0+?确定 由于B0=2.8<3.0?.本设计?,0.1 25 铝合金型材挤压工艺及模具计算 故Tk=2.8+0.1=2.9? 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2,8?，生产实践中对铝合金常用8,15? 本设计取hg,8mm 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。 9.上模凸台长取21mm.用于装配定位 10.定位销，螺钉按GB标准选取标准件 定位销的直径取Φ8，螺钉采用M10,具体说明见装配图 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争对模子的分流桥，模桥的弯曲应力和抗剪强度: ? 分流桥弯曲应力校核 Hmin=L?P/2*?[σb] 式中: Hmin=分流桥的最小高度 L分流桥宽度,经计算L=80mm P挤压机的最大的比压 P=1630?1000?9.8/27451=581.91 [σb]模具材料在温度下的许用应力.在450~500?下,对于 26 铝合金型材挤压工艺及模具计算 4Cr5MoSiVi取[σb]=900Pa 代入数据得 Hmin?12mm 由于上模厚度H上,20,12mm 故符合要求 ?分流孔道抗剪强度的校核 τ=P /n*F?[τ]有: τ=(0.5~0.6) [σb],在450~500?下,对于4Cr5MoSiVi 取[σb]=900Pa P挤压机的公称压力 P=(1630?1000?9.8/27451) ?125.68?41.6=3042393.07N n 分流孔的数目:4 F. 以分流孔间的最短距离为长度.以模子厚度为高度所形成的面积 2F=2411.97mm 代入公式有: τ=3042393.07?4?2411.97=315.3?450MPa 故强度符合要求 12(零件图装配图 (见图纸) 27 铝合金型材挤压工艺及模具计算 后 记 通过两周的课程设计以及袁老师的细心指导，我对模具以及模具设计的一般步骤有了初步的了解。值得骄傲的是我的实践动手能力有了很大的提高，尤其是在电脑AutoCAD制图方面。 我想象中的大学生活本来就应该以手动为主,而不是整天只接受书本知识的”填鸭式”教育.这种类型的课程设计无疑体现了崇尚西方素质教育的袁老师的一贯主张和作风.虽然课程设计的最终目的不是为了体现某一种思想,而是为了在很大程度上提高了我们的实践水平,事实上我们也的确在这个过程中受益匪浅. 在大量反复的计算中，进一步培养了科学严谨的态度。同时通过这次设计，也感受到了袁老师在模具知识这方面经验丰富以及自己的孤陋寡闻所以在这里讨论模具方面的知识无疑是班门弄斧。 模具在制造业的地位举足轻重，这并不是我们要学好模具知识的唯一原因,我们更多的是要在最短的时间了学到最好对多的知识,为祖国的将来为模具事业作出贡献.. 由于学识有限，水平有限，设计中有许多疏漏和错误之处，恳请袁老师的指正，今后我定当努力改正. 金材1班34号 甄堂 2006年6月22日 参考书籍:《铝型材挤压模具设计?制造?使用及维修》——刘静安 主编—— 冶金工业出版设出版 《轻合金挤压工具与模具》,湖南科学技术出版社 28