有色金屬塑性加工工藝設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).doc

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1、 緒言1.1擠壓加工的特點(diǎn)所謂擠壓，就是對放在容器（擠壓桶）中的錠坯一端施加以壓力，使之通過?？壮尚偷囊环N的壓力加工方法。擠壓方法有很多種，最基本的方法是正擠壓與反擠壓，按坯料溫度區(qū)又可分為熱擠壓、冷擠壓和溫?cái)D壓3種。作為生產(chǎn)管、棒、型材以及線坯的擠壓法與其他加工方法，如型材軋制和斜扎穿孔相比具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：（1）具有比軋制更為強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖，金屬可以發(fā)揮其最大的塑性；（2）不只是可以再一臺設(shè)備上生產(chǎn)形狀簡單的管、棒和型材，而且還可以生產(chǎn)斷面及其復(fù)雜的，以及變斷面的管材和型材；（3）具有極大的靈活性，在同一臺設(shè)備上能夠生產(chǎn)出很多的產(chǎn)品品種和規(guī)格；（4）產(chǎn)品尺寸精確，表面質(zhì)量高；（5）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化和封閉化比較容易。綜上所述可知，擠壓法非常適合于生產(chǎn)品種、規(guī)格和批數(shù)繁多的有色金屬管、棒、型材以及線坯等。在生產(chǎn)斷面復(fù)雜的或薄壁的管材和型材，直徑與壁厚之比趨近于2的超厚壁管材，以及脆性的有色金屬和鋼鐵材料方面，擠壓法是唯一可行的壓力加工方法。1.2鋁合金的特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)地位鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，可分為防銹鋁、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，以供使用者選用。鋁合金的一系列優(yōu)良特性，使之在金屬材料的應(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)展到了國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人民生活的各個(gè)層面。1.3鋁合金型材的成分性能鋁合金型材具有強(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（可達(dá)50100年）、回收性好以及可回爐重?zé)挼忍攸c(diǎn)。表1：鋁合金型材化學(xué)成分(Chemical Composition Limits wt%),GB/T3190-1996牌號SiFeCuMnMgCrZnTi其它元素Al備注每種合計(jì)60630.20.60.350.100.100.450.90.100.100.100.050.15余量LD3160050.60.90.350.100.100.400.60.100.100.100.050.15余量60610.400.80.70.150.400.150.81.20.040.350.250.150.050.15余量LD3060820.71.30.500.100.401.00.61.20.250.200.10.050.15余量本設(shè)計(jì)選用6063鋁合金,由于其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、加工性能好，在退火狀態(tài)下，該合金有優(yōu)良的耐蝕性及物理機(jī)械性能，是一種可以時(shí)效強(qiáng)化的Al-Mg-Si系合金，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)性建筑行業(yè)以及一些機(jī)械制造業(yè)。6063合金中的主要合金元素為鎂與硅，具有加工性能極佳、優(yōu)良的可焊接性、擠出性及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性，易于拋光、上色膜，陽極氧化效果優(yōu)良，是典型的擠壓合金，廣泛應(yīng)用于建筑型材、灌溉管材、供車輛、臺架、家具、升降機(jī)、柵欄等用的管、棒、型材。表2：6063室溫下的機(jī)械性能（Mechanical & Physical Properties）合金狀態(tài)彈性模量E/剪切模量G/抗拉 強(qiáng)度/屈服強(qiáng)度/伸長率/%泊松系數(shù)u布氏硬度HB密度/6063淬火自然時(shí)效71002700145186120.3160732.69表3：6063鋁合金隨溫度變化的力學(xué)性能合金狀態(tài)溫度T/抗拉強(qiáng)度/屈服強(qiáng)度/伸長率/%6063淬火+人工時(shí)效1501421332020562454026031247531523178037016141052、 工藝設(shè)計(jì)2.1擬定工藝流程以及工藝條件金屬制品是經(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，就形成了工藝流程。工藝要在一定條件下完成，有特定要求的工藝參數(shù)。（1） 型材擠壓及其相關(guān)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)效冷卻表面處理包裝（2） 擠壓工藝及工藝參數(shù)條件應(yīng)考慮擠壓溫度、擠壓速度、潤滑、模具（種類、形狀、尺寸等）、切壓余、淬火、冷卻、切頭切尾等多方面的因素，合理地選擇工藝條件或參數(shù)。鑄錠的加熱溫度 6063鋁的最高允許加熱溫度為550，下限溫度為320，為了保證制品的組織、性能和表面質(zhì)量，為了降低變形抗力，擠壓時(shí)錠坯的加熱溫度不宜過高，應(yīng)盡量降低擠壓溫度，一般取490530。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。模子預(yù)熱 避免急熱，延長模具壽命，應(yīng)對模具進(jìn)行預(yù)熱。擠壓溫度 熱擠壓時(shí)，加熱溫度一般是合金熔點(diǎn)絕對溫度的0.750.95倍。本設(shè)計(jì)擠壓溫度為450500，擠壓過程中溫度控制在500左右。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)的擠壓速度取，。工模具的潤滑 因本設(shè)計(jì)采用熱擠壓，故不采用潤滑。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，低的熱膨脹系數(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HRC4852。切壓余 本設(shè)計(jì)視擠壓設(shè)備而定，一般2030mm，要控制質(zhì)量，切去縮尾等缺陷。淬火 本工藝過程中，制品擠出后可通過設(shè)置風(fēng)扇對制品進(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。冷卻 直接露置在空氣中冷卻，達(dá)到自然時(shí)效的目的。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。切定尺本次設(shè)計(jì)取每根制品6m長作為切定尺的標(biāo)準(zhǔn)。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；人工時(shí)效對于6xxx系鋁合金型材，可在180240下保溫68h。表面處理 為了提高制品的耐蝕性和抗疲勞性等，可以對其進(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。包裝將鋁合金成品進(jìn)行包裝入庫。表4：常用擠壓工具鋼及其機(jī)械性能鋼號試驗(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)3、 模組的結(jié)構(gòu)及實(shí)心型材模設(shè)計(jì)3.1實(shí)心型材模制品的形狀與尺寸制品牌號：XC111（L型）制品材料：6063鋁合金制品截面積：制品擠一米的重量：?？淄饨訄A直徑：3.2擠壓設(shè)備的選用現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)如下：表5：500T、800T、1630T臥式擠壓機(jī)具體參數(shù)表設(shè)備噸位500T800T1630T擠壓筒內(nèi)直徑(mm)95125187擠壓桶截面積()70851226627451錠坯尺寸90270 320120400 450 540178600 660冷床長(m)263244填充系數(shù)K1.1141.0851.104壓余厚(mm)202530最大擠壓比97.48273.6加工范圍最大外接圓直徑 (mm)6595147擠一根最小制品斷面積()72150372選擇擠壓筒直徑是一個(gè)最核心的問題，有以下的選擇原則：（1）保證產(chǎn)品表面質(zhì)量原則：（為?？拙嗤矁?nèi)表面的距離，為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可取15、20、30）；（2）保證擠壓模強(qiáng)度的原則；（3）保證產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的原則；（4）經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化原則：生產(chǎn)成本最低，成材率最大，產(chǎn)量最高。根據(jù)加工范圍要求：（1）（擠壓一根最小制品斷面積）,即114 72；（2）（最大外接圓直徑），即；（3）則初步確定設(shè)備為500T臥式擠壓機(jī)，再進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，按成材率最高的原則，計(jì)算列表如下：序號(mm)(mm)(mm)單重(Kg/根)填充系數(shù)K=/填充后的長度(mm)壓余厚(mm)切壓后有效長度(mm)擠壓比制品長度(m)成品 數(shù)nx6米成品重(kg)成材率（%）195902704.621.1142422022262.1513.80263.882.25295903205.481.1142872026762.1516.59263.869.34最后選擇成材率最高（82.25%）對應(yīng)的方案1即：500T臥式擠壓機(jī)設(shè)備錠坯尺寸為：擠壓比：3.3擠壓力的計(jì)算根據(jù)擠壓力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)公式： 單位擠壓力，N擠壓筒內(nèi)直徑，mm擠壓制品的當(dāng)量直徑，mm材料在擠壓溫度下的抗拉強(qiáng)度，MPa查表3，由外推法得出500時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度=12MPa換算成噸位：即設(shè)備選擇符合要求，即理論技術(shù)可行。3.4實(shí)心型材模設(shè)計(jì)擠壓模和它的附件整個(gè)組合，叫模組。本次設(shè)計(jì)采用橫動(dòng)式模座結(jié)構(gòu)，如下圖所示：1、 模子 2、模墊 3、前環(huán) 4、后環(huán) 5、保護(hù)墊板6、 前機(jī)架 7、模座 8、模套 9、剪刀 10、擠壓筒對于不同噸位的擠壓機(jī)，下圖中的主要結(jié)構(gòu)尺寸都是配套設(shè)置的，可以從表6、表7中查得。表6：模組尺寸設(shè)備噸位500T800T1630T12H160/180190210/250240310/350340H1203030H2809090100110150H3506050606080表7：擠壓模具外形尺寸設(shè)備噸位500T800T1630Td1/d2h2135/1452025165/1752530250/2603040h11212131213（1） 模組尺寸選擇設(shè)備噸位：500T取：1=160 2=180 H=190 H1=20 H2=80 H3=50（2） 擠壓模具外形尺寸選擇設(shè)備噸位：500T?。篸1=135 d2=145 h1=12 h2=20（3） ?？讕缀纬叽绱_定由于擠壓比，故不需要多孔擠壓?？椎耐庑纬叽缒？椎拿x尺寸，mm裕量系數(shù),見金屬塑性加工學(xué)，冶金工業(yè)出版社，P67表51,取=0.010型材外形尺寸的正偏差，mm，?？椎耐庑纬叽纾盒筒牡谋诤癯叽缧筒谋诤竦拿x尺寸，mm裕量系數(shù)，對鋁合金取0.050.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限，本設(shè)計(jì)取=0.10型材壁厚的正偏差，mm，型材的壁厚尺寸：型材的圓角及圓弧 型材的圓角及圓弧沒有偏差要求，故可按名義尺寸設(shè)計(jì)，由于這種型材在擠壓的過程中有并口現(xiàn)象，角度取91。?？椎闹饕叽缛缦聢D所示：孔形在模子端面位置的確定 由于本型材為等壁厚的型材，故型材的幾何重心位于置模子的中心。?？字匦牡挠?jì)算，如下圖建立直角坐標(biāo)系：設(shè)壓力中心為 各邊得中心坐標(biāo)為： 故定徑帶長度的確定 工作帶又稱定徑帶，是用以穩(wěn)定制品尺寸和保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵部分。由于是等壁厚型材，故定徑帶長度各處相等，一般可取23.5，生產(chǎn)實(shí)踐中對鋁合金常用38，本次設(shè)計(jì)取。出口直徑 模子的出口直徑一般應(yīng)比工作帶直徑大35mm，以防止劃傷制品表面，本設(shè)計(jì)取3mm。工作帶與出口的過渡部分以圓角R1連接。入口圓角半徑 入口圓角半徑r的作用是為了防止低塑性合金在擠壓時(shí)產(chǎn)生表面裂紋和減輕金屬在進(jìn)入工作帶時(shí)所產(chǎn)生的非接觸變形，也是為了減輕在高溫下擠壓時(shí)模子的入口棱角被壓頹而很快改變?？壮叽缬玫?，但擠壓鋁合金時(shí)不應(yīng)有入口圓角，而要求保持銳利的角度，一般r=0.20.5mm，取r=0.5mm。阻礙角 由于1015，故不采用阻礙角。模子強(qiáng)度的校核 對于L型材,在滿足擠壓比的情況下可以不進(jìn)行校核。畫圖（見圖紙）4、 空心型材模設(shè)計(jì)4.1空心型材模制品的形狀與尺寸制品編號：I502制品材料：6063鋁合金制品截面積：制品擠一米的重量：模孔外接圓直徑：4.2擠壓設(shè)備的選用根據(jù)加工范圍要求：（1）（擠壓一根最小制品斷面積）,即76.78 72；（2）（最大外接圓直徑），即；（3）則初步確定設(shè)備為500T臥式擠壓機(jī)，再進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，按成材率最高的原則，計(jì)算列表如下：序號(mm)(mm)(mm)單重(Kg/根)填充系數(shù)K=/填充后的長度(mm)壓余厚(mm)切壓后有效長度(mm)擠壓比制品長度(m)成品 數(shù)nx6米成品重(kg)成材率（%）195902704.621.1142422022292.2820.49363.8382.90295903205.481.1142872026792.2824.64465.1193.25最后選擇成材率最高（93.25%）對應(yīng)的方案2即：500T臥式擠壓機(jī)設(shè)備錠坯尺寸為：擠壓比：4.3擠壓力的計(jì)算換算成噸位：即設(shè)備選擇符合要求，即理論技術(shù)可行。4.4空心型材模設(shè)計(jì)（1）模組尺寸選擇設(shè)備噸位：500T?。?=160 2=180 H=190 H1=20 H2=80 H3=50（2）擠壓模具外形尺寸選擇設(shè)備噸位：500T取：d1=135 d2=145 h1=12 h2=20（3） 上下模坯尺寸設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用孔道式分流組合模，下模起到模墊的作用，故不需要設(shè)計(jì)模墊=+=80mm取50mm30mm4.5組合模相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)（1)分流孔的選擇 方形管成軸對稱布置，故分流孔的個(gè)數(shù)取4個(gè)。分流孔的形狀一般有圓形、腰子形矩形、扇形等，對于方形管分流孔形狀一般為扇形或矩形。本設(shè)計(jì)采用扇形分流孔，其中尖角倒圓角R1。（2) 分流孔面積的確定因?yàn)榉至骺酌娣e與制品斷面積的比值K，K即為分流比，一般K對于空心型材時(shí)，取K=1030。本設(shè)計(jì)初步取K=20分流孔的面積且分流孔面積的大小按=、大、小分流孔的面積、大、小型材部分的面積根據(jù) 有：故求得，（3)分流孔位置及尺寸的確定分流孔內(nèi)邊緣距離型材外邊緣要有一定的距離，分流孔出口邊離型材外邊緣38mm，可避免從上?？椎揽吹较履？障?，取。由于型材的長寬比大于1.5，故分流孔的外接圓接近橢圓，如下圖所示：扇形分流孔的和的確定分流孔最外邊緣按經(jīng)驗(yàn)公式：分流孔最外邊緣的外接圓直徑，mm擠壓筒內(nèi)直徑，mmC取取分流孔外接橢圓的長軸為100mm，短軸為80mm由上圖可知：由=求得：由上圖可知：由=求得：（4） 分流橋?qū)挾鹊脑O(shè)計(jì) 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，?？鬃詈檬艿椒至鳂虻恼诒危瑒tB應(yīng)該選擇得寬些， 一般?。篵型腔寬度，b=12.7mm取 分流橋斜度（焊合角），對焊縫質(zhì)量有影響，一般取=45，底圓角R=4mm本設(shè)計(jì)采用倒梯形結(jié)構(gòu)，如下圖所示：（5） 焊合室的設(shè)計(jì) 常用的焊合室截面形狀有圓形和蝶形兩種，為了提高焊縫質(zhì)量，本次設(shè)計(jì)采用近似蝶形焊合室，這樣有利于消除焊合室邊緣與?？灼矫嬷g的結(jié)合死區(qū)，圍繞著分流孔的形狀，在恰當(dāng)?shù)牡胤郊拥箞A角，可以采用大圓角R520mm。 焊合室的高度有重大意義，因?yàn)楹负锨坏娜莘e越大，焊合截面與制品斷面之比越大，則焊合腔建立起來的靜水壓力就越大，金屬留在焊合腔時(shí)間就越長，因而制品質(zhì)量越高。一般h=1015mm為合適，取h=12。主要尺寸如下圖所示（其余圓角部分為R6）：4.6模子內(nèi)形尺寸設(shè)計(jì)由于擠壓比，故不需要多孔擠壓（1）?？椎耐庑纬叽缒？椎拿x尺寸，mm裕量系數(shù),見金屬塑性加工學(xué)，冶金工業(yè)出版社，P67表51,取=0.010管材外形尺寸的正偏差，mm模孔的外形尺寸：查表取，查表取，（2）管材的壁厚尺寸管材壁厚的名義尺寸，mm裕量系數(shù)，對鋁合金取0.050.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限，本設(shè)計(jì)取=0.10管材壁厚的正偏差，mm，查表取管材的壁厚尺寸：最終尺寸如下圖所示：4.7模孔工作帶長度的設(shè)計(jì)組合模的工作帶應(yīng)比一般結(jié)構(gòu)的模子工作帶長些，并在其入口方向帶1的錐度，以利改善焊縫質(zhì)量。由于本空心型材制品的對稱性較好，外形相對較小，一般可取23.5mm，生產(chǎn)實(shí)踐中對鋁合金常用38mm。取?？坠ぷ鲙чL度4.8模芯的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的模芯與橋?yàn)橐徽w，因?yàn)橛糜跀D壓方管、矩形管，則使用錐體模芯，又由于模芯尺寸10mmb20mm，因此模芯定徑帶采用錐臺式。舌芯長度宜短，稍伸出工作帶即可，過長則造成管子偏心，過短則形成橢圓型。對于小型擠壓機(jī)，一般伸出下模工作帶13mm，本設(shè)計(jì)取3mm，模腔外形按空心型材的空心部分確定。成型部分以上的部分要形成圓角R1，這樣有利于焊合質(zhì)量提高。4.9上模凸臺的設(shè)計(jì)上模凸臺取高度7mm，寬度10mm，倒圓角R1，用于與下模裝配定位。4.10定位設(shè)計(jì)及螺釘?shù)倪x用定位方面采用不對稱布置的固定銷，在上模做一個(gè)凸出5mm，8mm的圓柱，下模作相應(yīng)的孔來定位，而省去采用定位銷，固定