最新东北大学材料成型课程设计.docx

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最新东北大学材料成型课程设计

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附件

（二）：

1.9吨直径30mm7075铝合金挤压棒材生产工艺设计及成本核算

授课教师

学生

班级

学号

摘要

本文根据所提供的订单信息，设计了设计了完整的工艺过程，并对成本进行了相应核算。

1合金概况及总体工艺流程制定

1.1订单信息

订单详细信息如表1.1所示。

表1.1订单信息

订单信息

名称

铝棒

合金

7075

规格（直径×壁厚）/mm

外径公差/mm

0.05

内径公差/mm

壁厚公差/mm

定尺/m

2.5

状态

数量/Kg

1900

平直度

抗拉强度/MPa

1.2合金成分及合金概况

7075铝合金是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢。

7075是商用最强力合金之一。

普通抗腐蚀性能、良好机械性能及阳极反应。

细小晶粒使得深度钻孔性能更好，工具耐磨性增强，螺纹滚制更与众不同。

锌是7075中主要合金元素，向含3%-7.5%锌的合金中添加镁，可形成强化效果显著的MgZn2，使该合金的热处理效果远远胜过于铝-锌二元合金。

提高合金中的锌、镁含量，抗拉强度会得到进一步的提高，但其抗应力腐蚀和抗剥落腐蚀的能力会随之下降。

经受热处理，能到达非常高的强度特性。

7075材料一般都加入少量铜、铬等合金，该系当中以7075-T651铝合金尤为上品，被誉为铝合金中最优良的产品，强度高、远胜任何软钢。

此合金并具有良好机械性及阳极反应。

代表用途有航空航天、模具加工、机械设备、工装夹具，特别用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构体。

1.2.1合金的名义成分

7075铝合金各成分元素含量如表1.2所示。

表1.27075合金名义成分

元素

含量（%）

0.4

0.5

1.2-2.0

0.3

2.1-2.9

0.18-0.28

5.1-6.1

0.2

余量

1.2.2合金的用途

7075的主要合金元素为锌，强度很高，具有良好的机械性能及阳极反应。

主要用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件，如飞机上、下翼面壁板、桁条等。

固溶处理后塑性好，热处理强化效果好，在150度以下有良好的强度，并且有特别好的低温强度，焊接性能差，有应力腐蚀开裂倾向。

还广泛应用于模具加工、机械设备、工装夹具等。

1.2.3合金的工艺特点

　7075铝合金是一种冷处理锻压合金，强度高，远胜于软钢。

7075铝合金是商用最强力合金之一。

普通抗腐蚀性能、良好机械性能及阳极反应。

细小晶粒使得深度钻孔性能更好，工具耐磨性增强，螺纹滚制更与众不同。

其主要物理特性：

抗拉强度524Mpa，0.2%屈服强度455Mpa：

伸长率11%，弹性模量E/Gpa：

71，硬度150HB，密度：

2810。

特点：

1.高强度可热处理合金。

2.良好机械性能。

3.可使用性好。

4.易于加工，耐磨性好。

5.抗腐蚀性能、抗氧化性好。

1.3工艺流程制定

铝合金棒材因其为实心制品，沿其纵向全长为等断面形状，且尺寸精度较低，可通过挤压方式直接获得，其工艺流程较简单。

拉制棒材因尺寸精度高，通过挤压方式获得的尺寸精度无法满足成品因要求，需要进行后续冷加工工艺，通过拉直模控制最终的产品尺寸精度，其生产工艺流程相对复杂。

根据订单提供的信息（合金尺寸、定尺长度、处理状态），以及7075合金的特点现有设备能力，制定合理的生产工艺流程。

生产工艺流程：

熔铸→锯切→车皮→均匀化退火处理→挤压→锯切头尾→固溶与淬火→辊矫→锯切→包装。

合金熔铸后对铸锭进行锯切头尾，以保证铸锭整体质量；然后根据计算的铸锭长度按要求锯切铸锭，得到一定段数，作为挤压的原材料；由于采用反向挤压，因而为保证制品的质量要对铸锭进行车皮；为使铝合金铸锭成分和组织均匀化，车皮完成后进行均匀化退火处理；挤压结束后对棒材进行锯切头尾以满足立式淬火炉设备要求；根据订单要求成品T6状态，对棒材进行固溶时效处理；根据7075合金的工艺特点，即固溶后应该很快自然时效，故辊式矫直应该在淬火后2小时内完成；最后按定尺要求进行锯切并包装。

1.4变形过程中各段定尺计算

根据成品的截面积并利用体积不变原理计算铸锭锯切的定尺长度，应考虑挤压过程中的压余，头尾切除量等因素。

在保证定尺的前提下尽量提高铝合金加工过程中的成品率。

1.4.1变形过程各段已知条件

成品棒规格：

30mm，定尺2.5m，总重量1900kg；

熔铸系统：

容量1吨的碳棒熔炼炉，水平连铸，铸锭直径为152mm，每个铸次可铸造2根，铸造机有效行程9m，最大铸锭长度9m，铸造完成后，铸锭头部切除200mm，尾部切除150mm，一个铸次烧损1%，另有50kg形成废铝；

锯切系统：

铸锭锯缝宽度约为1.5mm；

挤压部分：

对于实心型棒材而言，挤压坯料的长度不超过490mm，普挤压过程压余设定为20mm，挤压后，根据经验直径30mm的棒材尾部切除0.2m，头部切除0.8m；

车削工艺：

铸锭车皮量规定为2.5mm。

1.4.2定尺计算

根据设备能力及合金特点，7075铝合金挤压过程中长度应小于490mm。

根据订单信息，定尺为2.5m，因而成品棒尺寸，应该为4、6、8米，为提高成品率应尽量提高成品长度，先按8米进行计算。

成品棒底面积S

考虑锭坯压余20mm，挤压棒切尾0.2m，切头0.8m，棒材体积V1

根据体积不变定律，挤压铸锭体积

，铸锭底面积S1

铸锭锯切长度L

长度小于490mm，故铸锭锯切定尺长395mm

1.5成品率计算

根据铝棒订单需求量1900kg，每根成品重m

则成品共有根数n=1900/4.8243=393根

由于挤压棒定尺5m，故一根挤压管可以切成2根成品管，故需要挤压棒根数为393/2=197根，即需要挤压坯料197根。

考虑到一根铸锭最长9m，挤压坯料定尺395mm，因而需要9根铸锭。

各工序损失如下：

锯切量：

头尾损失：

车皮量：

压余量：

成品率：

1.6熔铸投料量计算

根据成品率，计算所需要铸锭质量为

由于铸锭质量不足3t，因而设计五个铸次；

总投料量约为

有上述计算得知，

前四个铸次铸锭长

；

第五个铸次铸锭长

。

前四个铸次铸锭体积为

第五个铸次体积为

考虑到一个铸次烧损1%，另有50kg形成废铝，则前四个铸次的投料量为

第五铸次的投料量为

2具体工艺安排及操作步骤

2.1熔铸工艺安排及计算

2.1.1熔铸工艺的工艺流程

熔铸基本工艺过程设计为：

计算配料→制定工艺→熔化→调质（添加元素）→净化（精炼）→扒渣→静置保温→液体转注（在线净化处理）→过滤→铸造→均热→检验出厂

2.1.2铸次分配

根据上章计算，考虑熔铸所需的总吨数以及设备能力，设计五个铸次，每个铸次铸两根铸锭，共锯切成197根挤压坯料。

前四个铸次铸锭长

；

第五个铸次铸锭长

。

前四个铸次铸锭体积为

第五个铸次体积为

考虑到一个铸次烧损1%，另有50kg形成废铝，则前四个铸次的投料量为

第五铸次的投料量为

2.1.3合金的成分计算

合金的设计成分及内控范围见表2.1。

表2.17075合金设计成分及内控范围（w%）

元素

设计成分（%）

1.6

2.5

0.23

5.6

余量

内控范围（%）

0-0.4

0-0.5

1.4-1.8

0-0.3

2.3-2.7

0.2-0.26

5.3-5.9

0-0.2

余量

2.1.4配料计算

第一炉配料方式如下：

（1）根据合金的设计成分，考虑满足各元素的内控范围并满足经济性要求，原料采用牌号为Al99.00的重熔铝锭、纯铜板、纯镁锭、纯锌锭和Al-Cr中间合金，所使用的各种原料的化学成分见表2.2。

表2.2各种原料的化学成分（w%）

重熔铝锭

0.42

0.50

0.02

0.05

99.00

纯铜板

99.9

纯镁锭

99.9

纯锌锭

99.9

Al-Cr中间合金

10.0

90.0

（2）计算各种成分总的装炉量或最大限量。

主要成分Cu：

877.78×1.6%=14.04kg

Mg：

877.78×2.5%=21.94kg

Zn：

877.78×5.6%=49.16kg

Cr：

877.78×0.23%=2.02kg

杂质限量Fe：

877.78×0.5%=4.39kg

Si：

877.78×0.4%=3.51kg

（3）各种中间合金及纯金属用量计算。

Al-Cr中间合金2.02/10%=20.2kg

Al（重熔铝锭）

（877.78-14.04-21.94-49.16-2.02-20.2×90%）/99%=780.24kg

Mg（纯镁锭）21.94-780.24×0.05%=21.55kg

Cu（纯铜板）14.04-780.24×0.02%=13.88kg

Zn（纯锌锭）49.16-780.24×0.05%=48.77kg

（4）核算

A.核算各种炉料的装入量之和与配料总量是否相等，炉料中各元素的加入量之和与合金中各元素需要量是否相等。

通过各成分所占百分比计算各元素的实际加入量，并进行相应核算，得到如表2.3所示合金配料计算卡片。

表2.37075合金配料计算卡片（单位/kg）

装炉量

配料总量

877.78

≤3.51

≤4.39

14.04

21.94

2.02

49.16

≥782.72

重熔铝锭

780.24

3.28

3.90

0.16

0.39

772.12

纯铜板

13.88

纯镁锭

21.55

纯锌锭

48.77

Al-Cr

20.2

2.02

18.18

经过核算，各种炉料的装入量之和与配料总量相等，炉料中各元素的加入量之和与合金中各元素需要量相等。

B.计算杂质及杂质总量是否在允许范围内。

由于纯铜板、纯镁锭、纯锌锭、Al-Cr中间合金均不考虑所含的杂质，因此杂质总量即为纯铝锭中杂质含量：

Fe=3.90≤4.39kg；

Si=3.28≤3.51kg。

经过核算，杂质及杂质总量在允许范围内。

综上所述，计算基本正确，可以投料。

第二炉配料方式如下：

由于当需要多个铸次时，需考虑后面的铸次要用掉之前铸造过程中产生的废料，回收废料质量为40kg。

则回收率为40/877.78=4.56%。

各种中间合金及纯金属用量计算

Al-Cr中间合金20.2×（1-4.56%）=19.28kg

Al（重熔铝锭）780.24×（1-4.56%）=744.66kg

Mg（纯镁锭）21.55×（1-4.56%）=20.57kg

Cu（纯铜板）13.88×（1-4.56%）=13.25kg

Zn（纯锌锭）48.77×（1-4.56%）=46.55kg

因此第二炉配料方式见表2.4。

表2.4第二炉7075合金配料卡片

废料

Al-Cr

重熔铝锭

纯镁锭

纯铜板

纯锌锭

装炉量（kg）

19.28

744.66

20.57

13.25

46.55

同理，第三炉、第四炉配料表与第二炉相同。

第五炉配料方式如下：

第五炉总投料量795.05kg，考虑可以回收上一炉废料40kg，此炉仅需配料755.05kg。

（1）所使用的各种原料与前四炉相同；

（2）计算各种成分总的装炉量或最大限量。

主要成分Cu：

755.05×1.6%=12.08kg

Mg：

755.05×2.5%=18.88kg

Zn：

755.05×5.6%=42.28kg

Cr：

755.05×0.23%=1.74kg

杂质限量Fe：

755.05×0.5%=3.78kg

Si：

755.05×0.4%=3.02kg

（3）各种中间合金及纯金属用量计算。

Al-Cr中间合金1.74/10%=17.40kg

Al（重熔铝锭）

（755.05-12.08-18.88-42.28-1.74-17.4×90%）/99%=671.12kg

Mg（纯镁锭）18.88-671.12×0.05%=18.54kg

Cu（纯铜板）12.08-671.12×0.02%=11.95kg

Zn（纯锌锭）42.28-671.12×0.05%=41.94kg

（4）核算符合投料要求。

故因此第五炉配料方式见表2.5。

表2.5第五炉7075合金配料卡片

废料

Al-Cr

重熔铝锭

纯镁锭

纯铜板

纯锌锭

装炉量（kg）

17.40

671.12

18.54

11.95

41.94

2.1.5熔炼工艺参数

（1）加料方式：

合金元素一般以四种方式加入熔体：

纯金属，中间合金，添加剂，盐类。

一般铜，镁，锌等熔点低，在铝中溶解度大，直接以纯金属形式加入铝合金中，所以Cu，Mg，Zn元素以铜板，镁锭，锌锭的形式加入。

Cr元素熔点较高，以Al-Cr中间合金的形式加入。

因而加料形式确定为重熔铝锭、纯铜板、纯镁锭、纯锌锭和Al-Mn中间合金。

（2）装料顺序：

在确定装炉顺序时应考虑如下基本原则：

易烧损的小块、薄片废料应装在炉底。

在合金组成中，量大的金属（铝锭）应先入炉。

易氧化、易挥发的金属宜最后入炉。

合金中组元熔点相差很大时，宜先装入易熔金属，然后加入难熔金属。

中间合金一般装在中上层。

为保证铜板的烧损，并保证其有充分的溶解时间，铜板应该在炉料熔化下塌且熔体能将铜板淹没时加入，并保证铜板不露出液面。

因而装料顺序确定铝锭—铜板—Al-Mn中间合金—纯锌锭—纯镁锭。

（3）熔炼：

7075合金的开始融化温度（固相线温度）为502℃，融化完成温度（液相线温度）为630℃。

实际生产中，熔炼温度通常选择高于液相线温度50~60℃，以避开半熔融状态的温度范围。

因而熔炼温度确定为为700℃-750℃。

A．覆盖

炉料装完后即可升温，熔化过程中随着炉料温度的升高，特别是当炉料开始熔化后，金属外层表面所覆盖的氧化膜很容易破裂，将逐渐失去保护作用。

气体在这时候很容易侵入，造成内部金属的进一步氧化。

并且已熔化的液体或液流要向炉底流动，当液滴或液流进入底部汇集起来时，其表面的氧化膜就会混入熔体中。

所以为了防止金属进一步氧化和减少进入熔体的氧化膜，在炉料软化下塌时，应适当向金属表面撒上一层粉状熔剂覆盖，粉状溶剂为KCl：

NaCl按1：

1混合，加入量占投量的1~2%。

B．搅动熔体

熔化过程中应注意防止熔体过热，在较高的温度下容易产生局部过热。

为此当炉料熔化之后，应适当搅动熔体，此处采用电磁搅拌即可，以使熔池里各处温度均匀一致，同时也利于加速熔化。

C．扒渣

当炉料在熔池里已充分熔化，并且熔体温度达到熔炼温度时，即可扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣。

扒渣前应先向熔体上均匀撒入粉状熔剂，以使渣与金属分离，有利于扒渣，可以少带出金属。

扒渣要求平稳，防止渣卷入熔体内。

扒渣要彻底，因浮渣的存在会增加熔体的含气量，并弄脏金属。

D．取样及调整成分

在熔炼过程中，由于各种原因都可能会使合金成分发生改变，这种改变可能使熔体的真实成分与配料计算值发生较大的偏差。

因而需在炉料熔化后，取样进行快速分析，以便根据分析结果是否需要调整成分，调整成分可采用补料或冲淡的方法。

（4）保温时间：

容量1吨的碳棒熔炼炉，炉子的功率为100KW，可根据铝的热热容量、炉子功率以及炉子的热效率（40%）计算熔化时间，熔炼1炉大约需要8小时。

（5）各种元素合适加入

考虑7075合金除投料元素外，均为杂质元素，不含其它微量元素，因而不加入其它元素。

（6）精炼

为进一步提高熔体的纯净度，进一步的降低氢含量和排除非金属夹杂物，考虑采用高效的在线净化处理技术。

除氢净化过程为：

炉料全部熔化后，当合金液温度到700～740℃时，采用Ar气法精炼10min。

精炼后，将熔体导入静置炉用Ar气精炼30min，静置30min，然后去除合金液表面的熔渣，再将合金液转入保温炉或直接浇注。

2.1.6铸造工艺条件

查阅资料可知，7075铝合金浇铸温度为690℃~710℃，冷却水压0.1MPa，铸造速度为70mm/min。

[1]

为了细化晶粒得到较好的合金组织，考虑在在线净化过程中加入Al-5Ti-B晶粒细化剂，对晶粒进行变质处理。

2.1.7铸造过程中损耗率计算

一般铸造过程中会烧损1%，考虑溜槽，扒渣产生的废料，没铸次按50Kg损耗算，其中40kg可以回收。

铸锭总质量M1

投料总质量M2

因而铸造过程中损耗率为

2.1.8成品铸锭计算

根据装炉量、铸锭尺寸及根数，估算所铸造的铸锭的长度。

一般铸锭头部去除200mm，尾部去除150mm。

由上述计算可知，设计五个铸次，每个铸次铸两根铸锭，前四个铸次铸锭长8278.5mm；第五个铸次铸锭长7485.5mm。

2.2锯切定尺安排

铸锭切割机器为圆盘式切割机器，锯缝宽度约为1.5mm,一共五个铸次，铸锭总长度为

锯切出的坯料总长度为

则锯切过程中废品率为

2.3车削工艺安排

由于挤压工艺采用反向挤压，本设计设定的为车皮，铸锭车皮量规定为2.5mm。

车皮损失量计算如下：

铸锭直径D1=152mm，车皮后D2=（152-2×2.5）mm=147mm;

所以切皮损失质量为

2.4均火工艺

2.4.1均匀化退火

均匀化退火是将铝合金加热到略低于固相线温度（Ac3或Acm以上150-300℃），长时间保温（10-15h），然后随炉冷却，以使铝合金的化学成分和组织均匀化。

均匀化退火能耗高，易使晶粒粗大。

为细化晶粒，均匀化退火后应进行完全退火或正火。

这种工艺主要用于质量要求高或偏析较严重的合金钢铸锭、铸件或锻坯。

固溶处理，是指将合金加热至第二相能全部或最大限度地溶入固溶体的温度，保持一段时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却，获得过饱和固溶体的过程。

固溶处理的主要目的是改善钢或合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。

2.4.2均匀化退火工艺设计

根据文献上查的7075铝合金的工艺特点并结合生产实际，设计均匀化退火制度为：

460℃下保温24h。

2.5挤压工艺

2.5.1挤压比

挤压比为挤压筒面积与挤压成品面积之比，计算如下：

2.5.2挤压工艺参数确定

挤压过程采用1000吨卧式反向双动挤压机通过查找手册[2],确定挤压过程各工艺参数如下：

（1）压余设计为20mm；

（2）挤压长度根据上述计算设计为6.03m；

（3）挤压温度：

铸锭加热温度设计为420℃，挤压筒温度设计为385℃；

（4）挤压速度：

7075属于硬铝合金，挤压比较大，因而挤压速度设计为0.5mm/s。

2.5.3挤压工艺设计

由于7075铝合金属于硬铝合金，为保证挤压棒材尺寸精度好，使挤压力全部用于金属变形，采用反向挤压。

挤压过程中：

上料、铸钢前进、敦实、挤压。

2.6固溶淬火工艺

根据订单要求，成品管状态为T6状态。

T6状态指固溶处理后人工时效状态。

淬火是可强化热处理铝合金的最重要和要求最严格的热处理操作，目的是得到高浓度的过饱和固溶体，给自然时效和人工时效创造必要的条件，因此制定淬火工艺制度时，必须认真选择加热温度、加热时间等因素。

铝合金的淬火加热温度主要是根据合金中低熔点共晶的最低熔化温度来确定的，同时应考虑生产工艺和其他方面的要求如工件尺寸、变形程度、晶粒度等因素。

综合以上因素，加热温度选为520℃，根据棒材直径30mm确定加热保温时间为3h，淬火介质选择水，淬火时的冷却速度越大，淬火材料的残余应力和残余变形也越大。

而且本次生产的管材形状简单，故水温定为30-40℃。

淬火速度为5℃/s。

2.7矫直工艺

淬火前采用拉伸矫直，矫直效率3根/min，最大拉伸力80吨，有效行程1.5m，功率20kw。

淬火后采用辊式矫直，矫直速度为5m/min。

功率15Kw。

2.8锯切

完成矫直后，按要求对产品按定尺2.5m进行锯切。

2.9包装

由于客户对包装没明确要求，可按场内标准进行包装。

对制品的尺寸精度，表面质量及平直度进行检查，合格后进行包装，采用3层包装，由内至外：

塑料纸，牛皮纸，发泡塑料包装膜，15根1包。

3成本核算

3.1成品率计算

铸锭体积：

成品体积：

成品率：

3.2各工序工时及成本计算

3.2.1熔铸工时及成本计算

（1）熔炼：

采用容量1吨的碳棒熔炼炉，炉子的功率为100KW，根据铝的热热容量、炉子功率以及炉子的热效率（40%）计算熔化时间，熔炼1炉大约需要8小时，共熔炼5炉，此部分是生产需要2人进行操作。

因而熔炼时间T1

所需工时数N1

熔炼共耗电量H1

考虑到晚上11点到第二天早上8点的电价为0.5元/度，白天电价为1元/度，因而熔炼设计排班如表3.1。

表3.1熔炼排班表

第一天晚上11点到早上8点

第二天早上

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