挤压模具课程设计.docx
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挤压模具课程设计
学号_0910121083_
课程设计
课题挤压模具设计
学生姓名徐松
系别机械工程系
专业班级09材料成型及控制工程1班
指导教师张红云,张金标,徐向其,刘建
二零一二年十二月
课程设计任务书
机械工程系09材控(1,2)班
指导教师:
张红云,张金标,徐向其,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)
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:
2012年12月10日至12月14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
0910121001----0910121012,0810121039,0810121114
铜及其合金
2
0910121013----0910121023,0810121027
铝及其合金
3
0910121026----0910121036
镁及其合金
4
0910121037----0910121048
铜及其合金
5
0910121049----0910121060
铝及其合金
6
0910121061----0910121072
镁及其合金
7
0910121073----0910121084
铜及其合金
8
0910121085----0910121096
铝及其合金
9
0910121097----0910121108
镁及其合金
10
0910121109----0910121120
铜及其合金
11
0910121121----0910121132
铝及其合金
12
0910121133----0910121140,0906131060,0906121043
镁及其合金
目录
TOC\o"1-2"\h\u
第一章绪论-1-
1.1铜和铜合金简介-1-
1.2挤压的概念-1-
1.3挤压成形的特点-1-
1.4挤压模具设计的目的和意义-2-
第二章工艺计算-3-
2.1坯料尺寸计算-3-
2.2挤压机的选择-4-
第三章挤压模具结构设计-5-
3.1模具材料的确定-5-
3.2模孔尺寸的确定-5-
3.3工作带长度h的确定-6-
3.4模具的外形尺寸-7-
3.5模具入口处圆角半径r-8-
3.6模具出口部位结构尺寸-8-
3.7模孔的合理配置-8-
3.8棒材模的强度校核-9-
3.9模具图-11-
第四章总结-12-
参考文献-13-
第一章绪论
1.1铜和铜合金简介
铜和铜合金的开发应用具有悠久的历史,随着人们物质文化生活的提高和信息时代的到来,铜和铜合金成为人类生活不可或缺的基础材料。
由于具有高导电导热性、高耐蚀耐磨性、抑菌性、可镀性、装饰性、易加工性等特性,铜和铜合金的应用领域非常广泛,在人类生活和国民经济中起着巨大作用。
近年来,铜合金材料和铜加工工艺技术及装备发展迅猛,许多新的材料被开发、新的工艺技术不断的被突破,并在实际生产中大量应用。
铜做为古老的金属材料,在当今国民经济的发展中焕发了新的生机和活力。
1.2挤压的概念
挤压就是将金属毛坯放入模具腔内,在强大压力和一定速度的作用下,迫使金属从模腔中挤出,从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的制品。
因此,挤压加工是利用模具来控制金属流动,是金属体积大量转移来形成零件。
挤压模具是挤压生产中最重要的工具,它的结构形式、各部分尺寸、模具材料、模具的装配形式等,对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳定性、制品表面质量以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响。
1.3挤压成形的特点
挤压成形有下列特点:
(1)在挤压过程中,被挤压金属在变形区能获得比轧制锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力状态,这就可充分发挥被加工金属本身的塑性。
因此,用挤压法可加工那些用轧制法或锻造法加工有困难,甚至无法加工的低塑性,难变形金属或合金。
对于某些必须用轧制或锻造法进行加工的材料,也常用挤压法先对铸锭进行开坯,以改善其组织,提高其塑性。
目前,挤压仍然是可以用铸锭直接生产产品的最优越的方法。
(2)挤压法不但可以生产截面形状较简单的棒,管,型,线产品,而且可生产截面变化形状极其复杂的型材和管材,如阶段变截面型材,逐渐变截面型材,带异性加强肋的整体壁板型材,形状极其复杂的空心型材和变截面管材等。
这类产品用轧制法或其他压力加工方法生产是很困难的,甚至是不可能的。
异形整体型材可简化冷成形,铆焊,切削,镗铣等复杂的工艺过程,这对于减少设备投资,节能,提高金属利用率,降低产品的总成本具有重大的社会经济效益。
挤压加工灵活性大,只需要更换模具等挤压工具即可在一台设备上生产形状,规格和品种不同的制品,更换挤压模具的操作简便快捷,费时少,工效高。
随着工艺水平的提高和模具质量的改进,现已能生产壁厚为0.6
0.10mm,超薄,超高精度,高质量表面的型材。
这不仅大大减少总工作量和简化后步工序,同时也提高了被挤压金属材料的综合利用率和成品率。
1.4挤压模具设计的目的和意义
目的:
挤压模具课程设计是让学生熟悉所学知识,掌握挤压成形的基本原理;掌握挤压模具设计过程;能够综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题。
课程设计是锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
意义:
本次关于挤压模具设计具有重要的意义。
首先,好的挤压模具能够保证产品的质量,提高生产率,降低生产成本,并增加产品的使用寿命,所以本次课程设计十分必要;其次,通过本次课程设计使自己掌握了常用挤压模具的设计过程和计算方法,加深了自己对专业知识的理解和掌握,培养了自己查阅资料、运用软件制图以及团队协作等各方面的能力;最后,此次课程设计,让我发现了自己的不足,使自己在以后的学习生活中,有机会完善自己,为以后的学习和工作打下了坚实的基础。
第2章工艺计算
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:
(2-1)
式中:
—挤压筒直径;
—使锭坯顺利送入又不产生纵向裂纹的间隙值,如表2-1
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,MN
铜
卧式
—
≤100
100~300
≤300
1~3
5
10
立式
6
75~120
1~2
这里取间隙值
=8mm,所以计算出坯料直径为:
=200-5=195mm
在挤压生产中,为保证铸锭在加热后顺利装入挤压筒内,常把挤压筒截面积与铸锭截面积之比成为填充系数
或镦粗系数。
(2-2)
式中:
—填充系数
计算得
,在参考文献
中查的
,故符合要求。
2.1.1锭坯长度的确定
在实际生产中,坯料一般是圆柱形的,在挤压有色金属时,坯料的长度
为直径的2.5~3.5倍。
所以锭坯长度为:
=(487.5~682.5)mm(2-3)
取L0=600mm
2.1.3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:
(2-4)
式中:
—挤压筒内腔断面积;
f—单根挤压制品断面积;
n—同时挤压制品的根数或模孔数。
图2-2热挤压各种金属材料时工艺参数值
金属材料
挤压温度/℃
挤压比
流出速度/(
)
单位挤压力/MPa
铜及铜合金
纯铜
α+β黄铜,青铜
含10%~13%Ni白铜
含20%~30%Ni白铜
820~910
650~840
700~780
980~1000
10~400
10~(300~400)
10~(150~200)
0.10~5.0
0.10~3.3
0.10~1.67
0.10~(0.4~0.6)
300~650
200~500
600~800
500~850
镁及镁合金
纯镁
MB2,MB5,MB7
镁铝合金
350~440
300~100
300~420
100
10~(50~80)
10~80
0.25~0.50
0.016~0.16
0.008~1.25
800
1000
由表2-2中挤压比可可以看出,本设计为热挤压纯铜圆棒线材。
2.2挤压机的选择
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。
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。
由于本设计选用19.6MN的挤压机,所以为卧式挤压机。
第3章挤压模具结构设计
3.1模具材料的确定
(1)根据挤压金属和合金的性能选择最合适、最经济的工模具材料。
我国主要用4Cr5MoSiV1和3Cr2W8V钢作为挤压铜合金的模具材料;选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrNiW等作为基本工具的材料。
(2)根据产品品种、形状和规格选择工模具材料。
挤压圆棒和圆管时,可选择中等强度的5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW钢;挤压复杂形状的空心型材和薄壁管材时,选用高强度的4Cr5MoSiV1或3Cr2W8V钢;对于形状非常复杂的空心型材、宽厚比大于50的扁宽薄壁型材和带筋壁板型材等,则希望选用更高级的材料(如日本的AF31钢)。
(3)根据挤压方法、工艺条件与设备结构,合理选择模具材料。
冷挤压时工模具在高压力下工作(可达1500~2000MPa),局部温度可达150~200oC,挤压速度快,受冲击力作用大。
除3Cr2W8V钢外,可选用硬质合金材料制造挤压工模具。
静液挤压时,模具处于高压液体包围中,呈预应力状态,可选用3Cr2W8V钢。
(4)根据挤压工模具的结构形状和尺寸选择模具材料。
挤压管、棒、普通实心型材的平面模,一般选用5CrNiMo或3Cr2W8V钢制造;形状复杂的特殊型材模、舌型模、平面组合模等,用4Cr5MoSiV1、3Cr2W8V或更高级的材料。
由上述选择原则,可以选定模具材料为3Cr2W8V。
3.2模孔尺寸的确定
3.2.1模角模角
的选取
模角
是指模具的轴心线与模具工作端面所构成的夹角。
当
=90º时,即为平模。
当
<90º时,即为锥模。
锥模的模角
有合理的取值范围,
为45º~60º.,但根据不同金属和工艺的要求,
的取值也有变化。
平模多用于挤压铝合金型材、棒材及铜合金、镍合金等管材与棒材。
锥模用于铝、铜合金管材比较普遍。
由于本设计为铝及铝合金圆棒线材,所以选用平模。
3.2.2模孔尺寸的确定
模孔尺寸的确定主要考虑及压制品的金属成分、断面形状、尺寸偏差、各部位几何形状特点和型材的冷却收缩量、张力矫直时的断面收缩量等因素的综合影响来进行设计或计算确定。
对于管材和棒材模由公式:
(3-1)
式中:
—为所生产的线材的直径;
k—是模孔裕量系数,见表3-1:
表3-1不同金属模孔裕量系数k/%
金属种类
模孔裕量系数k
紫铜
1.5
黄铜
1.0~1.2
青铜
1.7
L1~L7,LF2,LF3,LF21,LD2,LD31等
1.0~1.2
LF5,LY11,LY12,LD5,LD8,LC4
0.7~1.0
MB1,MB2,MB15
1.0~1.2
高镁合金
1.0~1.2
这里取k=1.1%,所以计算出模孔长度为:
=8
(1+1.1%)=8.08mm
3.3工作带长度h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。
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。
铜及铜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。
4)断面形状复杂、壁厚不等的型材,工作带长度应根据壁厚变化不同而设计各对等的h值。
挤压有色金属时,一般取值为2~9mm。
另外黄铜、紫铜、青铜为8~12mm。
白铜、镍合金为3~5mm。
稀有难熔金属为4~8mm。
在挤压铜、镁合金圆棒时,模孔的工作带长度可根据棒材的直径确定如表3-2:
表3-2模孔工作带长度
棒材直径/mm
模孔工作带长度/mm
<40
2~3
40~70
4
70~120
5
130~280
6~8
由于前面计算出棒材直径为8mm,所以这里选取模孔工作带长度为2mm。
3.4模具的外形尺寸
3.4.1模具外形D
模子外圆直径主要依据挤压机吨位和挤压筒大小、模孔的合理布置及制品尺寸来确定,并考虑模具外形尺寸的系列化,便于更换、管理,一般一台挤压机上最好只有1~2种规格。
型材部分模具外形尺寸如下所示:
表3-3型材、棒材用部分模具外形尺寸
挤压机能力/MN
挤压筒直径/mm
/mm
H/mm
7.35
11.76~14.7
19.6
34.3
49
122.5
196
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
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
3º
3º
3º
3º
6º
6º,10º
10º,15º
又因为挤压筒的内径为200mm,挤压机能力为19.6MN,则选取
=198mm。
3.4.2模具厚度H
在挤压机设计时,通常选取单位压力位1000MPa时的挤压筒
作为基本参数来确定模具的厚度H,其关系为:
H=(0.12~0.22)
(3-2)
所以:
H=(0.12~0.22)
=(0.12~0.22)×200=24~44mm
又因为模子厚度主要是根据强度要求及挤压机吨位来确定,在保证模具组件(模子+模垫+垫环)有足够强度的条件下,模子的厚度应尽量薄。
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。
3.4.3模具的外形锥度
挤压模的外形结构根据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1º30'~4º范围内选取。
带倒锥的挤压模在操作是顺着挤压方向装入模支承中,其锥度为3º~10º,一般取6º左右。
由表3-3可知该模具的外形锥度为6º,所以本设计采用卧式挤压机上带正锥的结构形式。
3.5模具入口处圆角半径r
模具入口处圆角是指被挤压金属进入工作带时,模具工作端面与工作带表面间形成的拐角。
这个拐角若尖棱角时,挤压过程中则易开裂、压堆,从而改变模孔尺寸,难以保证挤压制品的尺寸精度,因此必须采用过渡圆角。
制作入口圆角半径,还可以防止低塑性合金在挤压时;表面产生裂纹,减小金属流入模孔时的非接触变形。
但圆角增大接触摩擦面积,引起挤压力增加。
表3-4模具入口处圆角半径r/mm
金属种类
铝合金
紫铜、黄铜
白铜
镍合金
镁合金
铜钛合金
入口圆角处
0.40~0.75
2~5
4~8
10~15
1~3
3~8
由表3-4可以选取模具入口圆角半径为r=5mm。
3.6模具出口部位结构尺寸
模具的出口部分是保证制品顺利通过模具并确保表面质量的重要通道。
模具出口部位又称为模口空刀,也是指模具出口尺寸大于模具工作带对应的模孔部分。
模孔空刀既要保证模具工作带强度,又要变与模具的加工制作,同时使制品能顺利导出模孔而不刮伤其表面。
若模具空刀尺寸过大,会大大削弱工作带强度,因其工作带过早变形和压塌,明显降低模具的使用寿命。
因此,对于圆棒形管、棒挤压模来说,可按以下方式选取,空刀直径为:
(3-3)
式中:
d—模孔直径。
所以模具空刀直径为:
=8.08+(3~5)=11.08~13.08mm
这里可取
。
一般情况下,对于其他模孔形状的挤压模孔空刀可选用比模孔边线扩大距离
可取1.5~2.5mm的形式,这里取
=2mm。
3.7模孔的合理配置
本设计采用三孔模挤压圆棒线材,其布置原则为:
(1)模孔布置在距模子中心一定距离同心圆上,且各孔之间的距离相等;多模孔的同心圆直径
与挤压筒直径
之间的关系可按以下经验公式来确定:
(3-4)
式中:
—多模孔孔模断面重心分布的同心圆直径;
—挤压筒内经;
n—模孔数目(n>2)
—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,一般可取2.7。
所以得到多模孔的同心圆直径为:
mm
在这里取同心圆直径为80mm.
(2)为了保证模具的强度,各模孔之间的距离应适当,不能过小。
在实际生产中模孔之间的距离大体在20~70mm范围内,在19.6MN以下的挤压机可取20~30mm;19.6~49MN的挤压机可取30~50mm;49~78.4MN挤压机可取50~60mm;78.4MN以上的挤压机取60mm以上。
本次设计选取的挤压机是19.6MN,所以模孔间距应在30~50mm,因为本次设计多模孔同心圆直径是80mm,所以模孔之间的距离符合要求。
模孔分布图如图3-1所示:
图3-1模孔分布图
3.8棒材模的强度校核
单孔棒材模工作条件与受力状态要比其他模具好一些,它的强度问题基本上已在模具外形尺寸标准化、系列化中作了完全的考虑。
但是,对于多空孔棒材模,特别是异型棒材多孔模来说,仍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。
多空棒材模的剪切强度计算公式为:
(3-5)
式中:
Q—模具承受的总压力,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;
—孔均布的同心圆半径;
d—棒材直径;
n—多孔模的模孔数;
—模具材料允许的剪切强度,一般可近似取为:
=(0.5~0.6)
(3-6)
可由表3-5查得,满足上式条件者,则可认为通过抗剪强度校核;
H—模具允许的最小厚度;
表3-5常用挤压工具钢及其机械性能
牌号
试验温度℃
力学性能
MPa
MPa
HB
KJ/
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℃在油中淬火,550℃回火
由上式可得到:
(3-7)
由式3-7可得到模具最小厚度为:
mm
因为选取H=80mm,
,故符合要求。
由式3-5可得模具剪切强度为:
MPa
由表3-5及式3-6可以得到3Cr2W8V钢,在450~500℃时,取
=750Mpa,则
,故抗剪切强度符合要求。
3.9模具图
模具图如下图3-2所示:
图3-2模具图
第四章总结
本次设计的是生产ф8mm的圆棒线材的三模孔挤压模具。
设计的主要工作包括对挤压的相关介绍、坯料尺寸的计算(主要包括锭坯直径计算、锭坯长度的确定、挤压比的计算)挤压模具的结构设计(主要包括确定模具材料、模孔尺寸的确定、工作带长度的确定、模具的外形尺寸的确定、模具入口处圆角半径的确定、模具出口部位结构尺寸的确定、模孔的合理配置和强度校核)两大部分。
本次课程设计采用的同组协作共同设计,每个人负责自己擅长的领域,自己这次主要负责的是关于锭坯的工艺计算(包括锭坯直径计算、锭坯长度的确定、挤压比的计算)以及运用Word对整篇设计进行排版。
本次课程设计的不足和完善的可能方向:
由于本次设计采用的锭坯材料虽然是和铝一样具有较高的塑性和较小的变形抗力的纯铜,但在挤压加工的可挤压性和成品的质量上仍有待改善,所以本次设计的锭坯材料有待提高;其次本次设计中由于相关条件的限制,本次设计的精度仍有待提高;最后就是本次设计的挤压模具没有经过DEFROM软件模拟棒材的挤压过程,所以具体效果仍未知。
对于上面的不足之处,只能更加的努力学习专业知识,同时开发更加先进的挤压技术,以求使以后的设计更加完美。
本课题
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- 关 键 词:
- 挤压 模具 课程设计