课 程 设 计 任 务 书

题目:铝合金型材挤压工艺及模具计算

学院:材料与能源学院

专业: 03金属材料工程（1）

学号:3203003692

学生:袁飘

指导老师：袁鸽成

日期：2006年6月21日

        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:

       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:

2006年6月14日------2006年6月23日

指导老师  袁鸽成  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………………………………………………………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…………………………………………20

五: 后记………………………………………………………29

一  绪   论

铝合金是十分重要的轻金属结构材料，由于它具有许多独特性能，因而被广泛应用于建筑(22％)、包装(21％)和交通运输(30％ 左右)等方面。铝合金挤压技术成熟，挤压装备、挤压模具也在不断研制与完善，铝合金挤压型材有广阔的应用前景，当前尤其在交通运输行业方面。铝合金型材挤压技术在汽车、船舶、铁路、航空、航天等工业领域以及建筑等民用领域越来越显示出其重要地位。

铝加各种金属元素制成的各类合金，具有其他材料所无法比拟的优点，质量轻并且强度高，可挤压成各个时期所用各种新的复杂断面材料。专家预测，尽管近年来铝合金门窗在低档次产品的冲击下，市场表现疲软，但未来在房地产业发展的带动下，因铝合金门窗的耐腐蚀性、变型量孝防火性强，及使用寿命长、环保节能等特性，决定其仍是今后市场上的主流。

铝合金在国民经济中起着非常重要的作用。目前，国际上铝合金型材挤压技术发展迅速，世界各发达国家已装备了各种形式、各种结构、不同吨位的铝型材挤压机，铝型材挤压正在向大型化、复杂化、精密化、多品种、多规格、多用途方向发展，挤压生产也日趋连续化、自动化和专业化。

根据产品的类型、规格以及合金牌号的不同，壁板挤压的方法可分为圆挤压筒挤压、扁挤压筒挤压、宽展挤压和空心壁板挤压等。圆挤压筒挤压法又可分为圆筒平板法、圆筒型法和圆筒圆管法。扁挤压筒挤压法也可分为扁筒平板法和扁筒3型法。空心壁板挤压法和宽展挤压法近年来发展较快并得到广泛应用。

目前，不仅发展了一些先进的特殊结构的大型挤压机，而且研制了多种类型的挤压结构的模具以及新的挤压工艺，并能挤压出各种外形复杂的实心和空心制品。我国的铝型材挤压技术起步较晚，尽管目前已有很多家生产铝型材的国有企业，拥有许多台挤压机，但无论从挤压产品的质量还是从挤压生产的效率和标准化程度来看，都与世界先进水平存在较大差距。

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

表2

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，本设计的挤压速度取40～60m/min。

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。

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（XC311-14）

用CAD制图计算得:

制品的截面积F制= 133.4411 mm2  

   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（0，6.3779）

  模孔外接圆直径D外＝40.66mm

现有设备     （表3）

根据加工范围要求（F制≥F制min,及D外≤D外max）有500和800T,1630T的设备可用，但800T和1630T的挤压比均超出范围,按成才率最高的原则，进一步优化，计算列表,

表4

即500T的挤压机设备

锭坯尺寸为：Dd * Ld=Φ90*320mm

                λ=53.09              α＝90°

3.挤压力的计算

根据经验系数公式

P=α*Kf(㏑λ+4υL/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

A――挤压筒内孔的面积，mm2

λ――挤压系数

Kf－――材料在挤压温度下的变形抗力（查表），MPa

υ――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

υ取0.30

故P=1.1×16(㏑53.09+4×0.30×287.3/95)

=133.78MPa

        F=133.78*95×95×∏/4=947781.13N

换算成吨位：约96.7123T

F=96.7123T＜额定吨位500T，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

表6

1)．选坯和选择设备

根据前面的计算

挤压筒内直径D0=95㎜      锭坯尺寸：Dd X Ld＝Φ90mm×320mm

挤压比λ=53.09mm            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=90mm     H3=60mm    H=190mm

φ1=160mm   φ2=180mm

模子外形尺寸的确定（如下图4）

图4            

依据表6的数据可以确定

d1=135㎜   d2=145㎜ h1=12㎜ h2=25㎜

3)模子内形尺寸的确定

挤压比λ=53.09＜λMAX=97.4,所以不需要多孔挤压

确定模孔尺寸：由公式

A=A0+M+(Ky+Kp+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20±0.45的模孔尺寸为:

δ=20+0.45＋（0.015＋0.015＋0.007）×20＝21.19㎜

尺寸30±0.60的模孔尺寸为:

B=30+0.60＋（0.0065＋0.0075＋0.007）×30＝31.23㎜

尺寸2±0.2的模孔尺寸为:

   h=2+0.20＋（0.035＋0.025＋0.007）×2=2.334mm

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）

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,得出重心的位置（0，6.3779）

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＝3㎜。

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。

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96.7123吨，远远低于额定吨位500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：

M=P*a*l*l/2=(P*a*l)/2

抗弯断面系数为：W=b*h/6

则弯曲应力为：

=M/W=3*p*l*a/(h*b)≤[]

固模具的最小厚度为

h=

式中：h——模具（包括模子和支承环的总厚度）的最小厚度，mm

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的（0.4-0.5）倍左右，在温度450-500C下对于4Cr5MoSiVi取[]=600Pa

符合要求

模子的最大挠曲变形按如下公式计算

——悬臂梁端部最大挠度，mm

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

E——模具材料的弹性模量2.2×10MPa

J——悬臂梁断面惯性矩，J=

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

抗弯断面系数：W= b*h*h /6 =0.693 m3

  弯曲应力：σ弯 ＝M/W ＝266.95 MPa < 600 MPa，符合要求。

最小模具厚度：hmin =l * (3P * a / b [σ弯]) 1/2 = 7.9 mm

δ最大 ＝ （q * l4）/ ( 8E * J ) = 0.243mm < 1 mm

 各项指标均满足要求，故强度符合。

9).画图   （见图纸）

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I529回型管

具体参数为    

B=90mm   H=25.4mm     T=1.8mm 重量：1.09    Kg/m

具体如下图

2.选坯核选设备

制品的截面积：F制＝402.48 mm2

模孔外接圆直径D外＝93.52㎜

根据加工范围要求（F制≥F制min,及D外≤D外max）由表3知

有500T和800T，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7

即1630T的挤压设备

锭坯尺寸为：Dd X Ld=Φ178X540mm

                λ=68.20

            α＝90°

3.挤压力的计算

根据经验系数公式

P=α*Kf(㏑λ+4υL/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

A――挤压筒内孔的面积，mm2

λ――挤压系数

Kf－――材料在挤压温度下的变形抗力（查表），MPa

υ――摩擦系数

L――铸锭敦粗后额长度，mm

Kf查表取16

υ取0.30

故P=1.5×16.7(㏑68.20+4×0.30×485/187)

=188.9MPa

        F=188.9×∏×1872 /4=5185768.41N=5185.77kg

换算成吨位：约529.16T 

F＝529.16T＜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=130 mm    H3=60mm   

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=130㎜

因为本设计采用孔道式分流组合模

故：取H上＝70mm      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

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

且分流孔面积的大小按Fmax/Fmin=fmax/fmin

fmax=（90－2×1.8）×1.8=155.52 mm2

Fmax =10×fmax=1555.2 mm2

fmin=25.4*1.8=45.72mm2

Fmin=10*fmin=457.2mm2

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暂时先取其外接圆直径为132mm

③由于本空心型材设计长宽比很大B=90mm，H=25.4mm

如果用同心圆扇形分流孔则大孔扇形的圆心角很小造成流动不均匀，因此本设计采用腰子形分流孔

图7

分流孔的位置形状按如下公式设计

S=L*D+π*(D/2) 2

S——分流孔面积  L——分流孔除两个半圆外的长度（预设）

D——圆的直径

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

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)㎜

b=25.4mm

B=41.7mm

本设计采用水滴形结构，见下图 

v

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。随着管材壁厚的增加和空心型材短面积增大，焊合腔的高度也增大，一般情况下，焊合腔的高度应大于分流桥宽度一半。对中小型挤压机来说。焊合腔的高度可取10-20mm或等于管壁厚度的6-10倍现根据挤压筒直径来确定焊合腔的高度

按经验公式：Φ150～200㎜        h=20～25㎜

本设计取h=20，形状为碟形如图：

图8

6. 模子内形尺寸的确定

工件如图所示

图8     

模具图如下

图9

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，由于本设计为6063合金，取K=0.012

得BK=90×（1+0.012）=91.08mm

HK=25.4×(1+0.012)=25.7048mm

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㎜

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㎜，生产实践中对铝合金常用8～15㎜

本设计取hg＝5mm

8.模芯的设计

一般伸出下模工作带1－2mm，本设计取2mm，模腔外形按空心型材的空心部分确定。如图

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：

1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=125.68mm

     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4Cr5MoSiVi取[σb]=900Pa

代入数据得

Hmin=71.45mm

由于上模厚度H上＝75＞71.45mm

故符合要求

②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

F=22.4×75=1680mm2

代入公式有:

τ=452.73≤540MPa

故强度符合要求

12．零件图装配图见图纸

后   记

在袁老师的谆谆教导下，通过两个星期的课程设计，我对模具以及模具设计的一般步骤有了初步的了解。

原来以为专业知识学得好就能做得好,事实上实践动手能力与书本知识有很大的区别.我想袁老师之所以会出一个这样的强调动手能力的课程设计,原因也在于此吧!!这样的课程设计可以激发人的主动性和创造性,很好的锻炼人的思维.我们在这两个星期的课程设计中受益颇丰.

经过反复的计算和核对，培养了我们科学严谨的态度。同时通过这次设计，感受到了老师在模具知识的丰富以及自己在这方面的欠缺,特别是平面分流组合模方面，还有许多地方要向老师请教,自己觉得异常惭愧.

模具制造技术迅速发展，已成为现代制造技术的重要组成部分. 如模具的CAD/CAM技术，模具的激光快速成型技术，模具的精密成形技术，模具的超精密加工技术，模具在设计中采用有限元法、边界元法进行流动、冷却、传热过程的动态模拟技术，模具的CIMS技术，已在开发的模具DNM技术以及数控技术等，几乎覆盖了所有现代制造技术。  

     现代模具制造技术朝着加快信息驱动、提高制造柔性、敏捷化制造及系统化集成的方向发展.模具在制造业的地位起着不容忽视的作用，甚至关系到国民经济的发展.退一步来讲,对于我们自己挑选的专业,不能根据其重要性或不重要性来决定我们学还是不学,即使本专业一点也不重要,我们也更应该投入其中更努力的研究,为促进模具事业的飞跃发展而加倍努力.

由于个人水平的及专业知识的有限，设计存在许多疏漏和错误之处，恳请恩师指正教导，我今后改正. 

金材1班28号  袁飘

                                            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下载本文