角鋼的工藝制定與模具設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書.docx

中南大學(xué) 2014年中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（材料成型與控制專業(yè)向） 專業(yè)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)課題： 角鋼的工藝制定與模具設(shè)計(jì) 組 號(hào)： 第1組 學(xué)生姓名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 目錄1、 擠壓相關(guān)知識(shí)及發(fā)展?fàn)顩r.11.1 擠壓加工方法.11.2 鋁加工行業(yè)的分布.11.3鋁及鋁合金的特點(diǎn)與應(yīng)用.21.4擠壓工模具的材料.32、 總設(shè)計(jì)過程概論.52.1 擠壓工藝流程.52.2擠壓工藝及工藝參數(shù)條件的確定.53、 型材模設(shè)計(jì).83.1相關(guān)參數(shù).83.2選坯和選設(shè)備.93.3擠壓力的計(jì)算.103.4模組及模子外形尺寸確定.113.5組合模相關(guān)參數(shù)的確定.133.6 模子內(nèi)形尺寸的確定.163.7?？坠ぷ鲙чL(zhǎng)度hg的確定.173.8模芯的設(shè)計(jì).173.9上模凸臺(tái)設(shè).183.10定位銷、螺釘.183.11模子強(qiáng)度校核.183.12零件圖裝配圖(見圖紙).194、 總結(jié)與體會(huì).20一、擠壓相關(guān)知識(shí)及發(fā)展?fàn)顩r1.1 擠壓加工方法擠壓是有色金屬、鋼鐵材料生產(chǎn)與零件成型加工的主要方法之一，也是各種復(fù)合材料、粉末材料等先進(jìn)材料制備與加工的重要方法。從大尺寸金屬鑄錠的熱擠壓開坯、大型管棒型材的熱擠壓加工至小型精密零件的冷擠壓成型，從粉末、顆粒料為原料的復(fù)合材料直接固化成型到金屬間化合物、超導(dǎo)材料等難加工材料，現(xiàn)代擠壓技術(shù)得以廣泛的應(yīng)用。擠壓加工的方法主要有正擠壓，反擠壓，側(cè)向擠壓，玻璃潤(rùn)滑擠壓，靜液擠壓，連續(xù)擠壓。擠壓加工特點(diǎn)是處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，這有利于提高金屬的塑性變形能力，提高制品的質(zhì)量，改善制品內(nèi)部微觀組織和性能。除此以外，擠壓加工還具有應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)靈活性大，工藝流程簡(jiǎn)單和設(shè)備投資少的特點(diǎn)。應(yīng)用擠壓加工工藝最多的材料是低熔點(diǎn)的有色合金，如鋁及鋁合金。1.2 鋁加工行業(yè)的分布中國(guó)的鋁加工企業(yè)主要集中于沿海(廣東、福建、浙江、上海、江蘇、山東、河北、天津、北京、遼寧)地區(qū)，即珠江三角洲(廣州一深圳為中心的經(jīng)濟(jì)圈)、長(zhǎng)江三角洲(上海為中心的經(jīng)濟(jì)圈)、環(huán)渤海灣地區(qū)(京津經(jīng)濟(jì)圈)所占比例較大，許多鋁加工企業(yè)都云集于此三大經(jīng)濟(jì)圈。1.3鋁及鋁合金的特點(diǎn)與應(yīng)用鋁及鋁合金具有一系列特性，在金屬材料的應(yīng)用中僅次于鋼材而居第二位。目前全世界鋁材的消費(fèi)量在1800萬噸以上，其中用于交通運(yùn)輸（包括鐵道車輛、汽車、摩托車、自行車、汽艇、快艇、飛機(jī)等）的鋁材約占27%，用于建筑裝修的鋁材約23%，用于包裝工業(yè)的鋁材約占20%。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，中國(guó)的建筑行業(yè)發(fā)展迅速，包括鋁型材在內(nèi)的建筑裝飾材料不斷增加。鋁型材的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人民生活的各個(gè)層面。根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)工藝特點(diǎn),通常分為變形鋁合金與鑄造鋁合金兩大類。變形鋁合金也叫熟鋁合金，根據(jù)據(jù)其成分和性能特點(diǎn)又分為防銹鋁，硬鋁，超硬鋁，鍛鋁和特殊鋁等五種。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號(hào)，以供使用者選用。 鋁合金型材具有強(qiáng)度高、重量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、可塑性好、變形量小、無污染、無毒、防火性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)（可達(dá)50100年），回收性好，可回爐重?zé)挕?.4擠壓工模具的材料表1.常用擠壓工具鋼化學(xué)成分鋼號(hào)(c)/%(si)/%(mn)/%(cr)/%(mo)/%(w)/%(v)/%5crmnmo0.50.60.250.61.21.60.60.90.150.35crnimo0.50.60.40.50.80.50.80.150.33cr2w8v0.30.40.40.42.22.77.59.00.20.54cr5mosiv10.320.420.81.20.44.55.51.01.50.81.1本設(shè)計(jì)選用模具材料為4cr5mosiv1，又稱h13鋼。鋼中碳化物類型有、。釩在鋼中起回火時(shí)二次硬化作用；cr、mo、w、v能提高鋼抗回火軟化能力，保持高溫下的強(qiáng)度、韌度；硅提高鋼的回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞能力。鉻和硅還能提高抗氧化和抗燒蝕性。 表2.常用擠壓工具鋼及其機(jī)械性能：鋼號(hào)試驗(yàn)溫度t/mpa/mpa/%/%hb熱處理工藝5crmnmo300400500600115010107804309908606904104761868411.011.117.526.7351311302235850空淬，600回火3cr2w8v300400450500600-1491152014301280-137313631304-15-5.6-8.3-4294294053253251100在油中淬火，550回火4cr5mosiv1400450500550600136013001200105082512301135102585571049525658676791210-1050油淬，625回火在油中兩小時(shí)二、總設(shè)計(jì)過程概論2.1 擠壓工藝流程金屬制品是經(jīng)若干個(gè)工序制作出來的，每個(gè)工序按一定順序連接起來，就形成了工藝。工藝要在一定條件下完成，有特定的工藝參數(shù)。擠壓工藝流程：鑄錠加熱擠壓切壓余淬火冷卻切頭尾 切定尺 時(shí)效表面處理包裝入庫2.2擠壓工藝及工藝參數(shù)條件的確定應(yīng)考慮擠壓溫度、擠壓速度、潤(rùn)滑、模具（種類形狀、形狀等）、切壓余、切頭尾、淬火、冷卻、等多方面的因素，合理地選擇工藝或參數(shù)。1）鑄錠的加熱溫度一般來說，對(duì)6063合金鑄錠的加熱溫度可設(shè)定為： 未均勻化鑄錠：460-520；均勻化鑄錠：430-480。 其擠壓溫度在操作時(shí)視不同制品及單位壓力大小來調(diào)整。在擠壓過程中鑄錠在變形區(qū)的溫度是變化的，隨著擠壓過程的完成，變形區(qū)的溫度逐漸升高，而且隨著擠壓速度的提高而提高。因此為了防止出現(xiàn)擠壓裂紋，隨著擠壓過程的進(jìn)行和變形區(qū)溫度的升高，擠壓速度應(yīng)逐漸降低。2）擠壓筒預(yù)熱模具的成分多為合金鋼，由于導(dǎo)熱性差，為避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，擠壓前擠壓筒要預(yù)熱，為保證擠壓制品的質(zhì)量，并且具有良好的擠壓效應(yīng)，擠壓筒溫度可取400450。可采用通電自行預(yù)熱。3）模子預(yù)熱避免急熱，延長(zhǎng)模具壽命，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱。4）擠壓溫度熱擠壓時(shí)，加熱溫度一般是合金熔點(diǎn)絕對(duì)溫度的0.750.95倍，擠壓過程中溫度最好控制在450左右。6）擠壓速度考慮金屬與合金的可擠壓性，制品質(zhì)量要求及設(shè)備的能力限制，本設(shè)計(jì)的擠壓速度由設(shè)備而定。7）工模具的潤(rùn)滑因本設(shè)計(jì)采用熱擠壓，故不采用潤(rùn)滑。8）模具模具應(yīng)具有足夠的耐高溫疲勞強(qiáng)度和硬度，較高的耐回火性及耐熱性，足夠的韌性，低的膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性，可加工性，及經(jīng)濟(jì)性，本設(shè)計(jì)采用4cr5mosiv1作為模具的材料，熱處理的硬度為hrc4047。9）切壓余本設(shè)計(jì)視擠壓設(shè)備而定，要控制質(zhì)量，切去縮尾等缺陷。10）淬火本工藝過程中，制品擠出后可通過設(shè)置風(fēng)扇對(duì)制品進(jìn)行吹風(fēng)來達(dá)到風(fēng)淬（固溶強(qiáng)化）的目的，或采用噴水霧的方法。11）冷卻直接露置在空氣中冷卻，達(dá)到自然時(shí)效的目的。12）切頭尾一般擠壓制品的頭部和尾部都存在缺陷，為了不影響制品的性能，需要進(jìn)行切頭尾的工作。切頭尾的量可以是300500mm或5001000mm，本次設(shè)計(jì)頭尾各切300mm。13）切定尺 本次設(shè)計(jì)取每根制品6m長(zhǎng)作為切定尺的標(biāo)準(zhǔn)。14）時(shí)效 時(shí)效處理可以分為兩種：自然時(shí)效和人工時(shí)效。自然時(shí)效即讓擠壓制品在空氣中停放；6063合金擠壓型材的力學(xué)性能和電化學(xué)性能除了與合金的化學(xué)成分有密切關(guān)系外，還與人工時(shí)效制度有較大關(guān)系。低溫長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效和高溫短時(shí)間時(shí)效使力學(xué)性能有較大提高，但卻降低了合金的電化學(xué)性能。為了兼顧兩種性能及確保生產(chǎn)效率，采用室溫自然時(shí)效（停放）2h,再在195205人工時(shí)效2h的時(shí)效制度是適宜的。15）表面處理為了提高制品的耐蝕性和抗疲勞性等，可以對(duì)其進(jìn)行表面處理。表面處理一般有：陽極氧化、著色、噴粉、噴涂、電泳、拋光等。16）包裝入庫 將鋁合金成品進(jìn)行包裝入庫。三型材模設(shè)計(jì) 3.1相關(guān)參數(shù) 了解產(chǎn)品技術(shù)要求，工藝流程、工藝制度（規(guī)程）設(shè)計(jì)(變形制度、溫度制度、速度制度)（包括力能參數(shù)計(jì)算）、工藝布置圖、擠壓模具設(shè)計(jì)(cad)表3.已知條件： (尺寸單位：mm) 組員合金牌號(hào)606360836061606360836061寬度a50.525.429.565.545.535.5寬度b251015341818厚度c2.21.21.162.51.81.55型材斷面尺寸（名義尺寸修改如上表，公差不變） 具體參數(shù)：合金牌號(hào)：6061b=29.5mm h=15mm t=1.16mm 3.2選坯和選設(shè)備 制品的截面積：f制29.515-（29.5-21.16）（15-21.16）=97.86mm2表4：設(shè)備噸位500t800t1630t擠壓筒直徑d095125187擠壓截面積f070851226627451錠坯尺寸ddld90x270/320120x400/450178x540/600/660冷床長(zhǎng)26m32m44m填充系數(shù)1.1141.0851.104壓余厚202530最大擠壓比97.48273.6加工范 圍最大外接圓直徑6595147擠一根最小制品斷面積f制min72150372綜合尺寸等各因素，選用500t擠壓設(shè)備 擠壓筒內(nèi)孔尺寸95錠坯尺寸為：dd x ld90270mm 3.3擠壓力的計(jì)算根據(jù)擠壓力p = 11.775（d/d）1/20.8 d2bp為單位擠壓力，nd擠壓筒內(nèi)直徑，mmd制品的當(dāng)量直徑，mm （此處當(dāng)量直徑為4*29.5*15/（29.5*2+15*2）=19.89mm）b某一擠壓溫度下材料的抗拉強(qiáng)度，mpa故p11.775（95/19.89）1/20.8 95216.22385kn 換算噸位：約243tp額定噸位500t，設(shè)備選擇符合要求，即所選設(shè)備理論可行 3.4模組及模子外形尺寸確定 模組尺寸如下表：表5.設(shè)備噸位500t800t1630t12h160180190210250240310350340h1203030h2809090100110150h35006050606080 擠壓模具的尺寸如下表：表6：設(shè)備噸位500t800t1630td1/d2135/1452025165/1752530250/2603040h11212131213模組及模子尺寸外形的計(jì)算 根據(jù)前面計(jì)算，從表6選取h2=90mm h3=50mm h1=20mm模子外形尺寸的確定（如下圖4）依據(jù)表7的數(shù)據(jù)可以確定d1=135 d2=145 h1=12 h2=25本設(shè)計(jì)采用孔道式分流組合模取h上40 h下40 圖3：圖4： 3.5組合模相關(guān)參數(shù)的確定 1).分流孔的個(gè)數(shù)取4個(gè)，形狀為扇形 2)扇形面積的確定： 因?yàn)榉至骺酌娣e與制品斷面積的比值f分/f型k,k即為分流比，一般k對(duì)于空心型材時(shí)，取1020，本設(shè)計(jì)取k=15分流孔的面積f分 =k* f型=1597.86=1467.9 mm2且分流孔面積的大小按f大/f小=f大/f小其中,f-分流孔的面積, f-相應(yīng)型材面積f分2x(f大f小)故f大486.6 mm2 f小=247 mm2 3).分流孔位置的確定 分流孔中心圓的直徑d分0.7d0=0.795=66.5mm 應(yīng)保證分流孔最大外接圓直徑比設(shè)備可加工范圍的孔最大外接圓直徑小5mm。本設(shè)計(jì)設(shè)備的可加工最大外接圓直徑為65,故分流孔最大外接圓直徑60mm 綜合各因素考慮，暫時(shí)先取其外接圓直徑為60mm 確定a，的大小如圖 圖7 其中a,b為模孔與模腔的最小距離，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)a,b一般取38，本設(shè)計(jì)取a=4，b=3mm.圖8 由h=15/2+4=11.5mm,h=60/2=30mm，由幾何知識(shí)可得方程式： ，用代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得出75， 同理，計(jì)算，40。圖9 4).分流孔的形狀 分流孔由一定的傾斜錐度，這樣可以改善焊縫的質(zhì)量，孔道錐面與其軸線的夾角為24，本設(shè)計(jì)取4 5).分流橋 分流橋的寬窄和模具的強(qiáng)度以及金屬的流量有關(guān)，從增大分流比，降低擠壓力來考慮，分流橋的寬度b應(yīng)該選擇小些，但為了改善金屬流動(dòng)的均勻性，模孔最好受到分流橋的遮蔽，則b應(yīng)該選擇得寬些，一般?。?b=b(320) 本設(shè)計(jì)采用倒梯形結(jié)構(gòu)，取b=20mm 6).焊合室 焊合室的形狀和大小對(duì)焊縫的質(zhì)量有很大的影響。 按經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)d095時(shí)，h15，焊合室直徑比分流孔出口處約小5mm，本設(shè)計(jì)取h=10mm，形狀為圓形如圖： 3.6 模子內(nèi)形尺寸的確定工件如圖所示: 圖12: 模具圖如下: 圖13: 按經(jīng)驗(yàn)公式a=a0k a0 a-制品外形的?？壮叽?a0制品外形的公稱直徑 k-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由于本設(shè)計(jì)爭(zhēng)對(duì)6063合金，取k=0.010 得bk=29.5（10.010）+0.2=30.00mm hk=15(10.010)+0.2=15.35mm制品型材壁厚可由經(jīng)驗(yàn)公式b=b0確定由于b0=1.16.本設(shè)計(jì)0.1故tk=1.160.1=1.26 3.7?？坠ぷ鲙чL(zhǎng)度hg的確定 由于本型材制品的對(duì)稱性較好，外形相對(duì)較小，一般可取26。 本設(shè)計(jì)取hg5mm 3.8模芯的設(shè)計(jì) 一般伸出下模工作帶35mm，本設(shè)計(jì)取4mm，模腔外形按空心型材的空心部分確定。 3.9上模凸臺(tái)設(shè) 上模凸臺(tái)高取7mm，直徑為105mm，用于裝配定位 3.10定位銷、螺釘（按gb標(biāo)準(zhǔn)選取標(biāo)準(zhǔn)件）定位銷的直徑取兩個(gè)：8x75，螺釘采用m10x85,具體說明見裝配圖。 3.11模子強(qiáng)度校核這種模子在工作時(shí)承受載荷最不利的情況是分流孔道和焊合室尚未進(jìn)入金屬和金屬充滿焊合室以后流出?？字H，故強(qiáng)度的校核主要是針對(duì)模子的分流橋，模橋的彎曲應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度： 分流橋彎曲應(yīng)力校核hminlp/(2 b)1/2，式中:hmin分流橋的最小高度 l分流橋兩個(gè)危險(xiǎn)斷面的長(zhǎng)度，經(jīng)計(jì)算l45mm p作用在擠壓墊片上的單位壓力b 模具材料在溫度下的許用應(yīng)力。在450500c下，對(duì)于4cr5mosiv1取b1000mpa代入數(shù)據(jù)得：p=500x9.8x1000/7085=691.6mphmin45691.6/（2 1000）1/2hmin26.5mm由于上模厚度h上40mm26.5mm，故符合要求分流孔道抗剪強(qiáng)度的校核qq / fq qq分流橋面上的總壓力；fq分流橋受剪應(yīng)力的總面積；許用剪應(yīng)力，(0.50.6) b，450500c下，對(duì)于4cr5mosiv1取b=1000mpa代入公式有:=（500x9.8x1000/7085）1410/（22.5404）270.88mpa600mpa故強(qiáng)度符合要求。 3.12