毕业设计论文正文文本.docx
《毕业设计论文正文文本.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文正文文本.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计论文正文文本
借助pro/e的铝型材模具设计
摘要
介绍铝合金型材挤压平面分流组合模[1]设计中模具结构的选择,系统地分析了平面分流组合模分流孔的布置、分流桥的结构，以及模芯焊合室工作带等重要参数的确定方法。
另外借助pro/e在复杂分流组合模具设计中的有限元分析[2]功能，来分析挤压模具在工作中是否出现应力集中，变形程度和疲劳寿命，并对不合理的部分进行设计分析[3]满足使用性能。
实践表明,Pro/e在实际应用中，更加智能性的完成了模具的设计工作,更加促进了模具的改进。
关键词：
铝合金型材,挤压模具,有限元分析
Abstract
Theintroduceofaluminumprofilesextrusionmoldstructureintheplaneportholediedesignandsystematicallyanalysisoftheplanetheportholediediversionholearrangementandthebridgingstructure,aswellasotherimportantparametersofthemoldcoreandweldingchamber.Whatismore,usingthefunctionoffiniteelementanalysisofpro/ecanhelppeopleanalyzethetroubleoftheextrusiondieifthereisastressconcentration,thedegreeofdeformationorfatiguelife,atthesametime,whichhelppeoplemakeadecisiontooptimizethedesignandmeettheuseofperformances.Thisstudyfocusingonpro/einthecomplexportholemolddesignshowsthatpro/eisamoreintelligentcompletionofthedesignofthemold,andmorepromotetheimprovementofthemold.
Keywords：
Aluminumalloy,Extrusiondie,FiniteelementanalysisAlpha
目录
1绪论3
1.1铝型材挤压概述3
1.1.1铝合金型材分类3
1.1.2挤压种类及基本方法3
1.1.3型材挤压模具分类4
1.1.4分流组合模热挤压过程5
1.2挤压模具在挤压过程中的关键作用5
1.3影响热挤压模具寿命的主要因素6
2模具结构要素设计要求7
3分流组合模具各个部分设计7
3.1挤压机的选择8
3.2模具材料的选择8
3.3挤压比的选择计算10
3.4分流比的选择计算10
3.5分流孔的总体设计11
3.5.1分流孔的形状11
3.5.2分流孔的断面尺寸11
3.5.3分流孔的数目与布置11
3.6分流桥的设计13
3.7模芯的设计14
3.8焊合室的设计14
3.9模孔尺寸的设计计算16
3.10模孔工作带长度的确定17
3.11模孔空刀结构设计17
3.12强度校核18
4结论22
致谢22
参考文献23
1绪论
1.1铝型材挤压概述
1.1.1铝合金型材分类
目前,铝合金挤压型材的品种规格大约有5万种以上,可以根据以下3个基本特征进行分类：
根据第一个特征,铝合金型材分为通用型材和专用型材。
根据第二个特征,通用型材一般可分为4组:
直角型材、斜角型材、带圆角和圆弧的型材、回头型材。
考虑到第二个和第三个特征,专用型材可分为4组:
空心型材、变断面型材壁板型材和建筑型材。
空心型材可分为4小组:
具有一个圆形孔的;具有一个方形孔或矩形孔的;具有一个异形孔的;具有两个或多个异形孔的空心型材。
此外,按型材的合金状态与力学性能不同,还可分为一般强度型材和高强度型材。
1.1.2挤压种类及基本方法
1.挤压种类
1）按毛坯的温度不同分类
冷挤压:
在室温中对毛坯进行挤压。
温挤压:
将毛坯加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度范围内进行挤压。
热挤压:
将毛坯加热至金属再结晶温度以上的某个温度范围内进行挤压。
2）按毛坯材料种类不同分类
有色金属挤压:
被挤毛坯材料为有色金属及其合金。
黑色金属挤压:
被挤毛坯材料为黑色金属及其合金。
2.挤压的基本方法
根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系,将常见的挤压方法分为如下几种：
正挤压:
挤压时,金属的流动方向与凸模的运动方向相一致。
正挤压又分为实心件正挤压和空心件正挤压。
反挤压:
挤压时,金属的流动方向与凸模的运动方向相反。
复合挤压:
挤压时,毛坯一部分金属的流动方向与凸模的运动方向相同,而另一部分金属的流动方向则与凸模的运动方向相反。
减径挤压:
是一种变形程度比较小的变态正挤压法,毛坯断面仅有轻度缩减。
径向挤压:
挤压时,金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直。
径向挤压法又分为离心式和内心式径向挤压两种。
墩挤复合法:
是将局部锻粗和挤压结合在一起的加工方法。
1.1.3型材挤压模具分类
铝型材挤压模具的种类很多,一般按如下形式分类:
1.按模孔压缩区断面形状可分为:
平模、锥形模、平锥模、流线形模和双锥模等。
2.按被挤压的产品品种可分为棒材模、普通实心型材模、壁板模、变断面型材模和管材模、普通管材模、空心型材模等。
3.按模孔数目可分为单孔模和多孔模。
4.按挤压方法和工艺特点可分为热挤压模、冷挤压模、静液挤压模、反挤压模、连续挤压摸、水冷模、宽展模、卧式挤压机用模和立式挤压机用模等。
5.按模具结构可分为整体模、分瓣模、可卸模、活动模、舌型组合模、平面分流组合模、嵌合模、插架模、前置模、保护模等。
6.按模具外形结构可分为带倒锥体的锥形模、带凸台的圆柱形模、带正锥体的锥形模、带倒锥体的锥形-中间锥形压环的模具、带倒锥的圆柱-锥形模、加强式模具等。
上述各类分类方法是相对的,往往是一种模具同时具有上述各类分类方法中的几种特征。
1.1.4分流组合模热挤压过程
对于空心铝型材的热挤压[4],要使用结构复杂的模具,如平面分流组合模、桥模或星形模。
图1为一空心铝型材平面分流组合模热挤压过程示意图。
铝坯锭在工频炉中加热至指定预热温度后,通过剪切机将长坯料剪切成指定长度的铝锭,再通过送料机械手送入挤压筒中。
实心铝锭在挤压机挤压力的作用下,在经过分流孔时被劈成几股金属流,汇集于焊合室（模腔）,在高温、高压、高真空的模腔内又重新被焊合,然后通过模芯与模子所形成的间隙流出,而形成符合一定尺寸要求的管材或空心型材。
图1空心型材平面分流组合模热挤压过程示意图
1.2挤压模具在挤压过程中的关键作用
挤压模具是使铸锭完成最终的塑性变形并获得所需形状的工具,其作用主要体现在以下几个方面:
1．合理的模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础。
在挤压过程中,挤压筒中的铸锭在挤压轴输出的压力作用下,因承受强烈的三向压应力而产生变形,模具是使金属产生挤压变形和传递挤压力的关键部件,是使金属最后完成塑性变形获得所需形状的工具。
在目前的条件下,还不能想象无挤压筒，无模具的挤压工艺。
2．挤压模具是保证产品形状，尺寸和精度的基本工具。
只有结构合理，精度和硬度合格的挤压模具,才能实现产品的成形并具有精确的内外廓形状和断面尺寸。
同时,合理的模具和工具（包括模垫，支承环和导路等）设计能保证产品仅有最小的翘曲和扭曲，最小的纵向弯曲和横向波浪度。
3．模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一。
挤压模具本身的表面粗糙度，表面硬度对产品的内外表面粗糙度有着决定性的影响,只有通过精磨抛光[5]和氮化处理或表面硬化处理的模具,才能挤压出具有光亮表面的挤压制品,经过表面处理后可获得色调美观，厚度均匀，附着牢固的表面氮化膜。
4．合理的模具结构，形状和尺寸,在一定程度上可控制产品的内部组织和力学性能,特别是在控制空心制品的焊缝组织与力学性能方面,分流孔的大小和形状及其分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等起着决定性的作用。
5．合理的模具设计与制造能大大提高模具的使用寿命,这对于降低产品成本有着十分重要的意义。
因此,合理地设计与制造模具,对于提高生产效率，提高产品的质量,减少能耗等有着重大的意义。
1.3影响热挤压模具寿命的主要因素
铝型材制品质量的高低,关键取决于挤压模具的设计质量。
而模具的使用寿命则是评价挤压生产过程是否经济可行的决定性因素,也是实现挤压生产高效，优质，低耗的最重要保证。
综合企业界多年的生产[6]实践经验,借鉴大量的同行业资料,可将影响热挤压模具使用寿命的主要因素归列为:
模具结构;
模具材料;
模具的热处理及表面处理工艺;
模具的制造工艺（冷加工，热加工与电加工）;
挤压工艺与使用条件;
模具的维护与修理;
挤压产品材料特性，形状，规格;
模具的科学化管理等。
以上影响热挤压模具使用寿命的各种因素,既互相影响,又互相制约,构成了一个有机整体。
因此,应把模具寿命当作一个系统工程的问题对待,抓住并解决关键问题,达到提高模具使用寿命之目的。
2模具结构要素设计要求
型材是挤压的主要产品，随着航空工业和其他工业部门的飞速发展，特别是建筑工业及民用事业的发展，对铝合金型材的要求不仅数量增加、规格扩大、品种增多，而且其形状日见复杂，并广泛用来制造承受重载的整体结构件。
铝合金型材可分为普通型材和专用型材两大类。
专用型材主要指变截面型材，空心型材和壁板型材等。
普通型材主要是指各种形状规格和各种用途的实心型材。
普通型材的应用最广，品种规格多，是常用的铝合金型材。
普通型材主要用于单孔或多空的平面模来进行挤压。
在挤压断面形状比较的复杂，非对称性很强或型材各处的壁厚尺寸差别很大的型材时，往往由于金属流出模孔的速度不均匀而造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等废品，因此，为了提高挤压制品的质量，在设计型材模具时，除了要选择有足够强度的模具结构以外，还需要考虑模孔的配置[7]，模孔制造尺寸的确定和选择保证型材断面各个部位的流动速度均匀的设计。
铝型材挤压模具寿命的高低,与模具的结构形状及几何尺寸有很大关系。
实践表明,挤压模具的结构尤其是模具厚度和分流孔的位置，形状和大小以及分流桥等对模具的寿命影响很大。
模具几何形状影响材料流动和工件-模具界面的压力分布,而且接触压力对失效机理有强烈的影响。
生产空心型材用的平面分流组合模一般是由上模（阳模）,下模（阴模）,定位销,联结螺钉四部分组成。
在上模上有分流孔，分流桥和模芯,分流孔是金属通往型孔的通道,分流桥是支承模芯（针）的支架,而模芯（针）用来形成型材内腔的形状和尺寸。
在下模上有焊合室，模孔型腔，工作带和空刀。
焊合室把分流孔流出来的金属汇集在一起重新焊合起来,形成以模芯为中心的整体坯料,由于金属不断聚集,静压力不断增大,直至挤出模孔。
模孔型腔的工作带部分确定型材的外部尺寸和形状以及调节金属的流速,而空刀部分是为了减少摩擦,使制品能顺利通过,免遭划伤,以保证表面质量。
3分流组合模具各个部分设计
分流组合模[8]的主要结构参数有分流孔的形状、大小和分布、分流桥、模芯、焊合室、工作带等,这些因素对产品的质量和模具寿命均有重大影响,必须认真计算和慎重选择。
3.1挤压机的选择
图2型材断面的图
从图1-2可以得知该型材断面的外接圆直接约为210mm，取直接D1=230mm,可以通过查下面的表格数据获得挤压筒的直径D=320mm，选择的挤压筒吨位为35MN。
表1部分模具外形标准尺寸表
挤压机/MN
挤压筒直径/mm
D1
20
Φ170,Φ200
Φ198
35
Φ270,Φ320,Φ370
Φ230,Φ330
50
Φ300,Φ360,Φ420
Φ270,Φ306,Φ360
3.2模具材料的选择
热挤压模具是在高温（450℃—550℃）、高压（700Mpa-1200Mpa）环境下作业,并要承受周期载荷的作用。
因此,要求热挤压模具必须具有高温下的各种良好性能[9],如硬度、强度、热稳定性、耐冲击性、热疲劳性、抗变形等性能。
为此,用于挤压铝合金型材的模具材料必须具备下列条件：
1．高强度和高硬度值。
热挤压模具一般在高比压条件下工作,在挤压铝合金时,要求模具材料在常温下ðb大于1500Mpa。
2．高耐热性。
即在高温（挤压铝合金时的工作温度为500℃左右）下,有抵抗机械负荷的能力而不过早地（一般为550℃以下）产生退火和回火现象。
生产经验表明,在工作温度下,热挤压模具材料的ðb不应低于1000Mpa。
3．在常温和高温下具有高的冲击韧性和断裂韧性值,以防止工模具在低应力条件下或在冲击载荷作用下产生脆断。
4．高稳定性。
即在高温下有高抗氧化稳定性,不易产生氧化皮。
5．高耐磨性。
即在长时间的高温高压和润滑不良等工作条件下,表面有抵抗磨料磨损的能力,特别是在挤压轻合金时,有抵抗金属的/粘结0和模具表面磨损的能力。
6．具有良好的淬透性,以确保模具的整个断面有高且均匀的力学性能。
7．具有抗激冷、激热的适应能力,以防止模具在连续、反复、长时间使用中产生热疲劳裂纹。
8．高导热性。
能迅速地从模具工作表面散发热量,防止被挤压工件和模具本身产生局部过烧或过多地损失其机械强度。
9．抗反复循环应力性能强。
即要求高的持久强度,防止过早疲劳破坏。
挤压模具材料经历了一个由碳素工具钢——低合金工具钢——高合金工具钢——高级合金模具材料的发展过程。
20世纪80年代初,国内多采用3CrZWSV钢,但是它的韧性低,抗疲劳性不好,耐磨性不足,易导致模具早期失效。
近几年来,被4Cr5Mosivl钢所取代，4Cr5MoSiV1钢又称H13钢,其化学成分见表2,高温力学性能分别见表3。
与3Cr2W8V钢相比,4Cr5MoSiV1钢具有以下几个突出特点：
化学成分设计合理,易采用先进的熔铸技术,从而使钢材本身质量较高;
具有好的热处理特性,热处理工艺稳定,且有十分好的表面化学热处理性能,组织中含有较多的Cr，Mo元素,氮化处理时能生成丰富稳定的氮化物并弥散分布;
热处理后,具有良好的高温综合性能（特别是韧性，塑性，断裂韧性）和较高的热疲劳抗力。
因此,就延长模具使用寿命而言,选用4Cr5MosiVI钢加工模具是比较合适的。
统计数字表明,用4Cr5MoSiV1钢和3CrZw8V钢制造同种模具,前者的使用寿命是后者的3-5倍。
表24Cr5MoSiV1钢的化学成分表%
C
Cr
Mo
V
Si
Mn
P
Ni
Cu
Fe
0.6
4.2
1.4
1.3
0.6
0.5
0.21
0.51
0.54
微量
表34Cr5MoSiV1钢高温力学性能
试验温度
/℃
屈服强度
/Mpa
抗拉强度
/Mpa
断面收缩率
/%
伸长率
/%
550
902
1058
51
6.5
600
960
1117
51
6.5
650
980
1078
52
7.0
700
451
500
80
11.0
3.3挤压比的选择计算
为使挤压型材具有一定的变形量,同时又不致于难挤压,选择合理的挤压比是很重要的,现所采用的挤压机的挤压筒直径为90mm,型材断面断面面积为1587。
0311mm2。
根据挤压比计算公式
（1）
F挤表示挤压筒的面积；
F型表示型材断面的面积
可得计算结果：
计算结果在允许范围内，所以满足要求。
将挤压比调整为51。
3.4分流比的选择计算
分流比的大小直接影响到挤压阻力的大小、制品的成形和焊合质量,其值愈小时则挤压时变形阻力愈大,对模具的使用和挤压生产是不利的,在保证模强度的前提下,选择大的分流比是有利的,一般情况下,在生产空心型材时,取分流比K为10—30。
分流比K就是各个分流空的断面积
与型材断面积
之比，即：
（2）
将
=19907.8mm2,
=1587.0311mm2,代入以上公式可得计算结果：
K=15。
考虑到分流比越大，越有利于金属流动与焊合，减少挤压力，所以在设计模具时选K=20。
3.5分流孔的总体设计
分流孔[10]是平面分流模的基本结构部分,其形状、断面尺寸、数目及不同的排列方式都直接影响到挤压制品的质量、挤压力和模具的使用寿命,对于每一特定的产品必须设计特定的分流孔。
3.5.1分流孔的形状
分流孔的断面形状有圆形、腰子形、扇形及异形等。
对于方管、矩形管或断面复杂的型材,多取扇形和异形分流孔;对于管材或断面简单的型材可取圆形和腰子形的分流孔;对于扁、宽型材或空心壁板,则应取矩形或弧形的分流孔。
3.5.2分流孔的断面尺寸
分流孔的断面尺寸主要根据制品的外形尺寸、制品的断面积以及所要求的分流比、模具的强度等因素来确定。
为了减小挤压力,提高焊缝质量或者对制品的外形尺寸较大,想扩大分流比又受到模子强度的限制时,分流孔可做成斜形孔（分单锥形和双锥形两种）,一般情况下,其内斜度为1°—3°,外锥度取3°—6°。
3.5.3分流孔的数目与布置
分流孔的数目有两孔、三孔、四孔和多孔等几种,主要根据制品的外形尺寸、断面形状、模孔的排列位置等来确定。
对小直径的管材,多采用3个圆形的或2-3个扇形分流孔;对大直径管材,多采用2-3个扇形分流孔;对外形尺寸大,断面形状复杂的管材和型材或空心壁板,采用4个以上的异形分流孔;对于宽厚比大的扁宽型材或空心壁板,有时采用多达10个以上的矩形分流孔。
在一般情况下,分流孔数目要尽量少,以减少焊合缝,增大分流孔的面积,降低挤压力。
分流孔在模子平面上的合理布置,对于平衡金属流速,减少挤压力,促进金属的流动与焊合,提高模具寿命[11]等都有一定的影响。
对于对称性较好的空心制品,各分流孔的中心圆直径应大致等于0.7D筒,此时金属流动较为均匀,而且挤压力最小,模具强度较高;对于非对称空心型材或异形管材,应尽量保证各部分的分流比基本相等,以利于金属均衡流动。
此外,分流孔的布置应尽量与制品保持几何相似性。
为了保证模具强度和产品质量,分流孔不能布置得过于靠近挤压筒或模具的边缘,但是为了保证金属的合理流动及模具的寿命,分流孔也不宜布置得过于靠近挤压筒中心。
综上所述，由于挤压筒的直径为320mm,所以选择分流孔数为6个，分布于R125mm的圆上。
图3分流孔布局
3.6分流桥的设计
分流桥[12]的结构可以分成两种形式,一种是与上模模套连为整体的,称之为固定式分流桥,一种是与上模模套分开的,称为可拆卸式分流桥,又可称之为叉架式分流桥。
分流桥的宽窄与模具强度、金属的流量有关,分流桥的高度直接影响模具寿命、挤压力以及焊缝质量。
从增大分流比、降低挤压力来考虑,分流桥宽度B应选择得小些,但从改善金属流动均匀性来考虑,模孔最好受到分流桥的遮蔽,则B应选择得宽些。
一般取:
（3）
式中：
B为分流桥宽度;
b为型腔宽度;
3-20为经验系数,制品外形及内腔尺寸大的取下限，反之取上限。
在保证模具有足够强度的条件下,分流桥应尽量设计得短而窄。
分流桥的截面形状主要有矩形、矩形倒角和水滴形等3种形式,如图4所示。
采用矩形截面分流桥时,金属在桥下形成一个死区,不利于金属流动与焊合。
矩形倒角截面和水滴形（或近似水滴形）截面的分流桥有利于金属的流动与焊合,而且便于模具加工。
因此,在强度允许的条件下,应尽量采用这两种截面的分流桥。
矩台式矩锥式水滴式
图4分流桥的断面图
3.7模芯的设计
模芯[13]相当干穿孔针。
其定径区，决定制品的内腔形状和尺寸。
其结构直接影响模具的强度、金属焊合质量和模具的加工方式。
（1）圆柱形模芯多用于挤压圆管，具有加工方便，易于清理模具，挤压力较低等优点，但不宜挤压型材和异形管材。
（2）双锥体模芯，用于生产方管和空心型材．不便于加工和清理，但易于修模和调整流速。
（3）锥体模芯，用于挤压方管，矩形管及空心型材。
模芯的定径带有凸台式、锥台式和锥式三种，模芯宽度[15]在b<10㎜时多采用锥式；在10㎜20㎜时，多采用凸台式。
在某些情况l:
l可采用特殊的模芯结构。
模芯的结构形式，常见的有三种
abc
a—凸台式；b—锥台式；c—锥式
图5几种模芯定径带结构
3.8焊合室的设计
焊合室[14]的形状、入口方式、尺寸大小,对于金属流动、焊接质量、挤压力的大小有很大的影响。
常用的焊合室截面形状有圆形和蝶形两种,当采用圆形焊合室时,在两分流孔之间会产生一个十分明显的死区,这个死区不仅增大挤压阻力,而且会影响焊缝质量。
蝶形焊合室有利于消除这种死区,提高焊缝质量,为了消除焊合室边缘与模孔平面之间接合处的死区,可采用大圆角（R=5mm-20mm）,或将焊合室的入口处作成150左右的角度,同时,在与蝶形焊合室对应的分流桥根部也做成相应的凸台,这样就改善了金属的流动,减少了挤压阻力。
因此,应尽量采用这种蝶形截面的焊合室。
焊合室一般设计在下模（阴模）上,也可设计在上模（阳模）上,有时也有在上、下模设计各半的情况。
焊合室是金属集聚并焊合的地方,焊合腔的容积越大,焊合腔的截面积与制品断面之比越大,则焊合腔所建立起来的静水压力就越大,金属在焊合腔中停留的时间就越长,因而,焊接的质量就越高,可能采用的挤压速度就越大。
当分流孔的形状、数目及分布确定之后,焊合室的断面积也基本确定,因此,合理设计焊合室的高度有重大意义。
当焊合室太浅时,由于摩擦力太小不能建立起足够的反压力,使焊合压力不足,导致焊合不良,同时,还限制了挤压速度的提高。
但太深又会影响模芯的稳定性,易出现空心制品壁厚不均匀现象,同时分离残料后,积存金属过多,会降低制品的成品率。
为了获得高强度的焊缝,在焊合室中必须建立一个超过挤压金属屈服强度10-20倍高的静水压力。
随着管材壁厚的增加和空心型材断面积增大,焊合室的高度也应增大,一般情况下,焊合室高度应大于分流桥宽度的一半。
对于中小型挤压机来说,焊合室高度可取10-20mm或等于管壁厚度的6-10倍。
图6焊合室的平面轮廓图7焊合室的剖面结构
3.9模孔尺寸的设计计算
在模孔的尺寸确定中，主要考虑型材的尺寸偏差、模具制造偏差、型材的装配关系、收缩率、模具弹性变形的影响、金属流动的状况和模具的可修复性。
在设计中必须考虑到径向方向的变化量，金属流动快的部位壁厚是增大的，在以往的设计中很少注意到这个问题。
避免产生这种情况的方法是：
设法改变金属的流动，对壁厚容易增大的部位，在分流孔的布置工作带的选择分流桥的结构等方面应设法增加该部分的变形抗力，增加流动的阻力；还可以考虑预留变化量。
模孔的布置，对于分流模主要考虑空心部分，也即是模芯部分，尽量使空心部分的几何中心与模具中心一致，实心部分尽可能安排在桥底。
用平面分流模生产的产品，绝大多数为铝合金民用型材和管材，这些材料的形状复杂，外部尺寸大，壁厚很薄。
并要求在保证强度的情况下尽量减轻重量，减
升级会员 