角钢的工艺制定与模具设计.docx
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角钢的工艺制定与模具设计
中南大学
2014年中南大学机电工程学院（材料成型与控制专业向）
专业课程设计设计任务书
设计课题：
角钢的工艺制定与模具设计
组号：
第1组
学生姓名：
班级：
学号：
指导教师：
一、挤压相关知识及发展状况.............................1
1.1挤压加工方法..............................................1
1.2铝加工行业的分布..........................................1
1.3铝及铝合金的特点与应用.....................................2
1.4挤压工模具的材料...........................................3
二、总设计过程概论.........................................5
2.1挤压工艺流程...............................................5
2.2挤压工艺及工艺参数条件的确定...............................5
三、型材模设计.............................................8
3.1相关参数...................................................8
3.2选坯和选设备...............................................9
3.3挤压力的计算..............................................10
3.4模组及模子外形尺寸确定....................................11
3.5组合模相关参数的确定......................................13
3.6模子内形尺寸的确定.......................................16
3.7模孔工作带长度hg的确定...................................17
3.8模芯的设计................................................17
3.9上模凸台设................................................18
3.10定位销、螺钉.............................................18
3.11模子强度校核.............................................18
3.12零件图装配图（见图纸）.....................................19
四、总结与体会.............................................20
一、挤压相关知识及发展状况
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。
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
表1.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。
表2.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
一般来说，对6063合金铸锭的加热温度可设定为：
未均匀化铸锭：
460-520℃；均匀化铸锭：
430-480℃。
其挤压温度在操作时视不同制品及单位压力大小来调整。
在挤压过程中铸锭在变形区的温度是变化的，随着挤压过程的完成，变形区的温度逐渐升高，而且随着挤压速度的提高而提高。
因此为了防止出现挤压裂纹，随着挤压过程的进行和变形区温度的升高，挤压速度应逐渐降低。
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450℃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，本设计的挤压速度由设备而定。
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HRC40～47。
9）切压余
本设计视挤压设备而定，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；
6063合金挤压型材的力学性能和电化学性能除了与合金的化学成分有密切关系外，还与人工时效制度有较大关系。
低温长时间时效和高温短时间时效使力学性能有较大提高，但却降低了合金的电化学性能。
为了兼顾两种性能及确保生产效率，采用室温自然时效（停放）2h,再在195～205℃人工时效2h的时效制度是适宜的。
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．型材模设计
3.1相关参数
了解产品技术要求，工艺流程、工艺制度（规程）设计（变形制度、温度制度、速度制度）（包括力能参数计算）、工艺布置图、挤压模具设计（CAD）
表3.已知条件：
（尺寸单位：
mm）
组员
合金牌号
6063
6083
6061
6063
6083
6061
宽度a
50.5
25.4
29.5
65.5
45.5
35.5
宽度b
25
10
15
34
18
18
厚度c
2.2
1.2
1.16
2.5
1.8
1.55
型材断面尺寸（名义尺寸修改如上表，公差不变）
具体参数：
合金牌号：
6061
B=29.5mmH=15mmT=1.16mm
3.2选坯和选设备
制品的截面积：
F制＝29.5×15-（29.5-2×1.16）×（15-2×1.16）=97.86mm2
表4：
设备吨位
500T
800T
1630T
挤压筒直径D0
Φ95
Φ125
Φ187
挤压截面积F0
7085
12266
27451
锭坯尺寸
DdⅹLd
Φ90x270/320
Φ120X400/450
Φ178X540/600/660
冷床长
26m
32m
44m
填充系数
1.114
1.085
1.104
压余厚
20
25
30
最大挤压比
97.4
82
73.6
加工范围
最大外接圆直径
Φ65
Φ95
Φ147
挤一根最小制品断面积
F制min
72
150
372
综合尺寸等各因素，选用500t挤压设备
挤压筒内孔尺寸φ95
锭坯尺寸为：
DdXLd＝Φ90×270mm
3.3挤压力的计算
根据挤压力
P=11.775×[（D/d）1/2－0.8]×D2×σb
P——为单位挤压力，N
D——挤压筒内直径，mm
d——制品的当量直径，mm（此处当量直径为4*29.5*15/（29.5*2+15*2）=19.89mm）
σb——某一挤压温度下材料的抗拉强度，MPa
故P＝11.775×[（95/19.89）1/2－0.8]×952×16.2
＝2385KN
换算吨位：
约243T
P＜额定吨位500T，设备选择符合要求，即所选设备理论可行
3.4模组及模子外形尺寸确定
模组尺寸如下表：
表5.
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
50060
50～60
60～80
挤压模具的尺寸如下表：
表6：
设备吨位
500T
800T
1630T
Φd1/d2
Φ135/Φ145×20～25
Φ165/Φ175×25～30
Φ250/Φ260×30～40
h1
12
12～13
12～13
模组及模子尺寸外形的计算
根据前面计算，从表6选取
H2=90mmH3=50mmH1=20mm
模子外形尺寸的确定（如下图4）
依据表7的数据可以确定
d1=135㎜d2=145㎜h1=12㎜h2=25㎜
本设计采用孔道式分流组合模
取H上＝40㎜H下＝40㎜
图3：
图4：
3.5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10~20，本设计取K=15
分流孔的面积∑F分=K*F型=15×97.86=1467.9mm2
且分流孔面积的大小按F大/F小=f大/f小
其中,F---分流孔的面积,f----相应型材面积
∑F分＝2X（F大＋F小）
故F大＝486.6mm2F小=247mm2
3）.分流孔位置的确定
①分流孔中心圆的直径D分＝0.7D0=0.7×95=66.5mm
②应保证分流孔最大外接圆直径比设备可加工范围的孔最大外接圆直径小5mm。
本设计设备的可加工最大外接圆直径为Φ65,故分流孔最大外接圆直径≤Φ60mm
③综合各因素考虑，暂时先取其外接圆直径为Φ60mm
④确定a，α，β的大小如图
图7
其中a,b为模孔与模腔的最小距离，依据经验a,b一般取3～8㎜，本设计取a=4㎜，b=3mm.
图8
由h=15/2+4=11.5mm,H=60/2=30mm，由几何知识可得方程式：
，用代入相关数据可得出α≈75°，
同理，计算β，β≈40°。
图9
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4°
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）㎜
本设计采用倒梯形结构，取B=20mm
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。
按经验公式：
当D0＝Φ95㎜时，h＝15㎜，焊合室直径比分流孔出口处约小5mm，本设计取h=10mm，形状为圆形如图：
3.6模子内形尺寸的确定
工件如图所示:
图12:
模具图如下:
图13:
按经验公式A=A0＋KA0
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，由于本设计争对6063合金，取K=0.010
得BK=29.5（1＋0.010）+0.2=30.00mm
HK=15（1＋0.010）+0.2=15.35mm
制品型材壁厚可由经验公式B=B0＋△确定
由于B0=1.16㎜.本设计△＝0.1
故Tk=1.16＋0.1=1.26㎜
3.7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㎜。
本设计取hg＝5mm
3.8模芯的设计
一般伸出下模工作带3－5mm，本设计取4mm，模腔外形按空心型材的空心部分确定。
3.9上模凸台设
上模凸台高取7mm，直径为Φ105mm，用于装配定位
3.10定位销、螺钉（按GB标准选取标准件）
定位销的直径取两个：
Φ8x75，螺钉采用M10x85,具体说明见装配图。
3.11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针对模子的分流桥，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]）]1/2，式中:
Hmin——分流桥的最小高度
L——分流桥两个危险断面的长度，经计算L＝45mm
P——作用在挤压垫片上的单位压力
[σb]——模具材料在温度下的许用应力。
在450～500°C下，对于4Cr5MoSiV1取[σb]＝1000MPa
代入数据得：
P=500x9.8x1000/7085=691.6MP
Hmin＝45[691.6/（2×1000）]1/2
Hmin≈26.5mm
由于上模厚度H上＝40mm＞26.5mm，故符合要求
②分流孔道抗剪强度的校核
τ＝Qq/Fq≤[τ]
Qq——分流桥面上的总压力；
Fq——分流桥受剪应力的总面积；
[τ]——许用剪应力，τ＝（0.5～0.6）[σb]，450～500°C下，对于4Cr5MoSiV1取[σb]=1000MPa
代入公式有:
τ=（500x9.8x1000/7085）×1410/（22.5×40×4）＝270.88MPa≤600MPa
故强度符合要求。
3.12零件图装配图（见图纸）
四、总结心得与体会
这恐怕是我大学最后的课程设计了，这一次我投入的感情与以往完全不一样，其中包含着许许多多的珍惜，怀旧的情感，来完成这次的课程设计，黄老师对我们的指导，我每一句话都深深地记在心里，因为我享受老师的敦敦教诲，让我知道，我还是一名大学生，虽然只剩下了最后半学期，可是我想给老师留下一个好学生的印象。
设计开始的前几天，老师跟我们讲解铝合金的应用，常用的加工方法，加工挤压模的基本结构，本次设计的步骤以及设计的注意问题，这些都对我本次课程设计提供了很大帮助，意义重大。
使我接触到了很多关于挤压模具设计的知识，比如一些挤压成型模具的基本结构等，并且学到了许多课本上学不到的关于铝合金材料的知识！
本次设计我已经基本完成了，虽然存在之许多不足，需要一定的修改。
不过我通过这次设计，已经基本学会了如何设计一套挤压模具的基本过程，看着自己的劳动成果，感到很开心。
更重要的是，它使我对模具设计产生了强烈的兴趣，以后会在模具设计这方面继续加强！
参考文献
【1】刘传聚《矩形风管当量直径的算法》同济大学出版社1989年
【2】赵云路《挤压工模具材料热处理及表面强化处理》冶金工业出版社2008年
【3】刘静安《铝型材挤压模具设计·制造·使用及维修》冶金工业出版社2010年
【4】李春胜《钢铁材料手册》江西科学技术出版社2004年7月
【5】刘静安《轻合金挤压工具与模具（上）》冶金工业出版社
【6】王树勋林法禹魏华光《实用模具设计与制造》国防科技大学出版社
【7】马怀宪《金属塑性加工学—挤压、拉拔与管材冷扎》冶金工业出版社
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