挤压工艺与模具设计概要.docx
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挤压工艺与模具设计概要
目录
1、挤压相关知识及发展状况..............2
2、总设计过程概论......................5
3、实心型材模设计......................7
4、总结与体会..........................19
1.1挤压加工方法
挤压是有色金属、钢铁材料生产与零件成型加工的主要方法之一，也是各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。
从大尺寸金属铸锭的热挤压开坯、大型管棒型材的热挤压加工至小型精密零件的冷挤压成型，从粉末、颗粒料为原料的复合材料直接固化成型到金属间化合物、超导材料等难加工材料，现代挤压技术得以广泛的应用。
挤压加工的方法主要有正挤压，反挤压，侧向挤压，玻璃润滑挤压，静液挤压，连续挤压。
挤压加工特点是处于强烈的三向压应力状态，这有利于提高金属的塑性变形能力，提高制品的质量，改善制品内部微观组织和性能。
除此以外，挤压加工还具有应用范围广，生产灵活性大，工艺流程简单和设备投资少的特点。
应用挤压加工工艺最多的材料是低熔点的有色合金，如铝及铝合金。
1.2铝加工行业的分布
中国的铝加工企业主要集中于沿海（广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、河北、天津、北京、辽宁）地区，即珠江三角洲（广州一深圳为中心的经济圈）、长江三角洲（上海为中心的经济圈）、环渤海湾地区（京津经济圈）所占比例较大，许多铝加工企业都云集于此三大经济圈。
在珠三角地区，主要集中在佛山地区，其中大沥更是全国，甚至世界地区铝加工业的佼佼者。
1.3铝及铝合金的特点与应用
铝及铝合金具有一系列特性，在金属材料的应用中仅次于钢材而居第二位。
目前全世界铝材的消费量在1800万吨以上，其中用于交通运输（包括铁道车辆、汽车、摩托车、自行车、汽艇、快艇、飞机等）的铝材约占27%，用于建筑装修的铝材约23%，用于包装工业的铝材约占20%。
随着中国经济建设的高速发展，人民生活水平的不断提高，中国的建筑行业发展迅速，包括铝型材在内的建筑装饰材料不断增加。
铝型材的应用已经扩展到了国民经济的各个领域和人民生活的各个层面。
根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为变形铝合金与铸造铝合金两大类。
变形铝合金也叫熟铝合金，根据据其成分和性能特点又分为防锈铝，硬铝，超硬铝，锻铝和特殊铝等五种。
铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：
易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。
铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。
铝合金型材具有强度高、重量轻、稳定性强、耐腐蚀性强、可塑性好、变形量小、无污染、无毒、防火性强，使用寿命长（可达50—100年），回收性好，可回炉重炼。
1.4挤压工模具的材料
常用挤压工具钢化学成分
钢号
ω（C）/%
ω（Si）/%
ω（Mn）/%
ω（Cr）/%
ω（Mo）/%
ω（W）/%
ω（V）/%
5CrMnMo
0.5~0.6
0.25~0.6
1.2~1.6
0.6~0.9
0.15~0.3
5CrNiMo
0.5~0.6
≤0.4
0.5~0.8
0.5~0.8
0.15~0.3
3Cr2W8V
0.3~0.4
≤0.4
≤0.4
2.2~2.7
7.5~9.0
0.2~0.5
4Cr5MoSiV1
0.32~0.42
0.8~1.2
≤0.4
4.5~5.5
1.0~1.5
0.8~1.1
本设计选用模具材料为4Cr5MoSiV1，又称H13钢。
钢中碳化物类型有
、
。
钒在钢中起回火时二次硬化作用；Cr、Mo、W、V能提高钢抗回火软化能力，保持高温下的强度、韧度；硅提高钢的回火稳定性和抗热疲劳能力。
铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性。
常用挤压工具钢及其机械性能：
钢号
试验温度T/℃
/MPa
/MPa
/%
/%
HB
热处理工艺
5CrMnMo
300
400
500
600
1150
1010
780
430
990
860
690
410
47
61
86
84
11.0
11.1
17.5
26.7
351
311
302
235
850℃空淬，600℃回火
3Cr2W8V
300
400
450
500
600
-
1491
1520
1430
1280
-
1373
1363
1304
-
-
-
-
15
-
-
5.6
-
8.3
-
429
429
405
325
325
1100℃在油中淬火，550℃回火
4Cr5MoSiV1
400
450
500
550
600
1360
1300
1200
1050
825
1230
1135
1025
855
710
49
52
56
58
67
6
7
9
12
10
-
-
-
-
-
1050℃油淬，625℃回火在油中两小时
二、总设计过程概论
2.1挤压工艺流程
金属制品是经若干个工序制作出来的，每个工序按一定顺序连接起来，就形成了工艺。
工艺要在一定条件下完成，有特定的工艺参数。
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→包装入库
2.2挤压工艺及工艺参数条件的确定
应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类形状、形状等）、切压余、切头尾、淬火、冷却、等多方面的因素，合理地选择工艺或参数。
1）铸锭的加热温度
3003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，表面质量，为了降低变形抗力，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。
一般取490～530℃。
2）挤压筒预热
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℃。
可采用通电自行预热。
3）模子预热
避免急热，延长模具寿命，应对模具进行预热。
4）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，挤压过程中温度最好控制在500℃左右。
6）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限制，本设计的挤压速度取
，
。
7）工模具的润滑
因本设计采用热挤压，故不采用润滑。
8）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，低的热膨胀系数和良好的导热性，可加工性，及经济性，本设计采用4Cr5MoSiV1作为模具的材料，热处理的硬度为HRC48～52。
9）切压余
本设计视挤压设备而定，一般20～30mm，要控制质量，切去缩尾等缺陷。
10）淬火
本工艺过程中，制品挤出后可通过设置风扇对制品进行吹风来达到风淬（固溶强化）的目的，或采用喷水雾的方法。
11）冷却
直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。
12）切头尾
一般挤压制品的头部和尾部都存在缺陷，为了不影响制品的性能，需要进行切头尾的工
作。
切头尾的量可以是300～500mm或500～1000mm，本次设计头尾各切300mm。
13）切定尺
本次设计取每根制品6m长作为切定尺的标准。
14）时效
时效处理可以分为两种：
自然时效和人工时效。
自然时效即让挤压制品在空气中停放；
人工时效对3xxx系铝合金可在180～240℃下保温6～8h。
15）表面处理
为了提高制品的耐蚀性和抗疲劳性等，可以对其进行表面处理。
表面处理一般有：
阳极氧化、着色、喷粉、喷涂、电泳、抛光等。
16）包装入库
将铝合金成品进行包装入库。
三、实心型材模设计
3.1所要设计的实心型材制品
图1v型材截面
（1）已知：
要求本制品的形状和尺寸及公差如下
牌号XC311-5（v型）
制品的截面积
制品材料为3003，制品挤一米的重量
模孔外接圆直径
（2）现有设备
表6
设备吨位
500T
800T
1630T
挤压筒直经
（mm）
Φ95
Φ125
Φ187
挤压截面积
（mm）
7085
12266
27451
锭坯尺寸
×
Φ90×270/320
Φ120×400/450
Φ178×540/600/660
冷床长（m）
26
32
44
填充系数K
1.114
1.085
1.104
压余厚（mm）
20
25
30
最大挤压比
97.4
82
73.6
加工范围
最大外接圆直径
（mm）
Φ65
Φ95
Φ147
挤一根最小制品断面积
（
）
72
150
372
3.2选坯和选设备
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
≥
（
为模孔距筒内表面的距离，
为经验数据，可取15、20、30）
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
可用500T，按成才率最高的原则，进一步优化，计算如下表所示：
序号
D0（mm）
Dd（mm）
Ld
（mm）
单重Wd（Kg）
填充系数K
填充后长度
/mm
压余厚hy
（mm）
切压余后的有效长度
/mm
挤压比
λ
制品长度L制
（m）
切头尾后制品长度
（m）
成品数
nx6
（m）
成品重
（kg）
成材率
W制/Wd
（％）
1
Φ95
90
270
4.67
1.114
242
20
222
62.48
13.87
13.27
2×6
3.82
81.8
2
Φ95
90
320
5.53
1.114
287
20
267
62.48
16.68
16.68
2×6
3.82
69.1
最后选择成才率最高的81.8％方案1
即：
选择500T的挤压机设备，挤压筒内径D0=Φ95mm
锭坯尺寸为：
Dd×Ld=Φ90×270mm
λ=62.48
3.3挤压力的计算
根据挤压力经验系数公式，
P——挤压力,N
D——挤压筒内直径，mm
d——制品的当量直径，mm；（
）
——材料在挤压温度下的变形抗力，MPa；查表3，并由外推法得出500℃时的变形抗力为10MPa。
所以d=
=
=8.96mm
P=
=
=2610162N
换算成吨位：
约266T
P=266T＜额定吨位500T，设备选择符合要求，即理论技术可行
3.4实心型材模具体结构设计
模组的结构如下图
图2模组的结构
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
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7模组尺寸
设备吨位
500T
800T
1630T
Φ1×Φ2×H
Φ160×Φ180×190
Φ210×Φ250×240
Φ310×Φ350×340
H1
20
30
30
H2
80～90
90～100
110～150
H3
50～60
50～60
60～80
挤压模具的尺寸如下表
表8挤压模具的
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