安徽工业大学挤压模具设计毕业论文.docx

安徽工业大学挤压模具设计毕业论文.docx

《安徽工业大学挤压模具设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《安徽工业大学挤压模具设计毕业论文.docx（58页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

安徽工业大学挤压模具设计毕业论文

适合12MN挤压机直径为130mm挤压筒的

配套挤压工具及模具设计

摘要

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，挤压生产业日趋连续化、自动化和专业化。

本设计先介绍了挤压工艺流程、参数、规程的制订，然后阐述了轻合金挤压工模具的分类、结构、工作原理、工作条件以及工模具的设计原理、方法和步骤，并结合挤压模具CAD/CAM技术对挤压模具进行设计，最后给出了各强度校核的程序。

本设计主要针对12MN挤压机的工模具尺寸参数进行了设计计算和强度校核。

其中挤压工具包括挤压筒、挤压杆、挤压垫片；挤压模具包括生产XC321号型材用单孔模以及生产XC040号型材用平面分流模。

设计中还配以图片及表格数据对设计过程进行详尽的说明。

最后编制了各强度校核用程序。

关键词：

铝型材,轻合金挤压,工模具设计，工艺设计

ExtrusionProcessandDieDesignofSingle—holeandPortholediesfor12MNExtrudingPress

Abstract

Atpresent,theinternationalaluminumalloyprofileextrusiontechnologyisdevelopingrapidly,thedevelopedcountriesoftheworldhavebeenequippedwithavarietyofforms,structures,differenttonnagealuminumextrusion,aluminumprofileextrusionislargeandcomplex，sophisticated,morevariety，morespecifications,multi-purposedirection,extrusionindustrybecomesmorecontinuous,automationandspecialization.

Thisdesignfirstintroducestheextrusionprocess，parameters,formulationofrules，andthenexplainsthecharactersofthetoolsanddies,theclassifiedconstruction，theworkprinciple,methodandstepsoftheextrusiontoolsanddiesdesign,combinedwithCAD/CAMtechnologyforextrusiondiedesign。

Theprogramsofstrengthcheckaregivenatlast.

Thedesignaimsatsizeparametersofdieandstrengthcheckcalculationfor12MNextrusionmachine。

Extrusiontoolscontaintheextrusioncylinder,extrusionrodandextrusionpad。

Extrusiondiesincludesingle—holedieofproducingXC321andportholedieofproducingXC040。

Therearemanypicturesandtablesinthepapertoexplainthedesignindetail。

Finally,accordingtotheselectedaluminumprofilesweestablishareasonableprocessandprogramsofthestrengthcheck。

Keywords：

aluminumprofile，lightalloyextrusion，diedesign,processdesign

1.概述

1.1铝挤压工业的发展概况

随着科技技术的飞速发展，经济全球化已成为全球发展的格局。

铝合金挤压工业不仅在世界经济发展中占有重要的地位,对我国的工业的发展也具有不可估量的作用。

在世界经济发展的今天，铝工业的发展符合降低能源与能源消耗、改善环保、降低成本与提高经济效益的世界经济发展的需要，因此铝材部分代替钢材成为了人民生活和经济部门基础的材料地位.从2007年到2020年世界原铝的产量以5％左右速度递增,估计到2020年能达到6800万t/a以上。

2007年世界铝材的产量达3200万t/a，其中挤压材1320万t/a左右,并且每年以6%左右的速度递增，估计到2020年铝材的产销量有可能超过5500万t/a.因此说,现代世界铝及铝加工业发展正向以调整产业结构、增加产量和品种、节能降耗、减轻环境污染、提高安全舒适度的方面发展，这是世界铝及铝加工业发展的重要特征。

我国的铝工业和挤压加工业正处于高速持续发展的第三次高潮期。

它是从50世纪50年代年代开始，经过60—70年代和80-90年代的两个高速发展的高潮期。

在我国80年代以前仅仅以生产硬铝合金管、线、型、棒等为主的西北铝加工厂、东北轻合金加工厂、和西南铝加工厂三大厂家和为数不多的几个生产普通铝材的地方性企业，现在已发展到近千家铝挤压加工企业，共拥有4000余台挤压机,年生产量超过10000kt，已经成为一个铝挤压加工生产的大国。

今天无论是从挤压加工企业的数量上来看,还是从挤压机的台数和生产能力挤压加工企业的数量及年产量上来说，我国都能称得上铝业大国、铝加工大国和铝挤压大国。

而且我们目前正在向铝业强国、铝加工强国和铝挤压强国进军,相信不远的明天,我们的铝产业会走向世界，并扬名世界［1］！

1.2工模具在挤压生产中的作用

挤压工具可分为大型基本工具和模具。

挤压生产中的主要工具有挤压筒、挤压轴（或称挤压杆）、挤压垫、挤压模、穿孔针（在挤压无缝管时使用）。

在挤压生产中，工模具费用大约占挤压生产成本的30%左右。

在现代化的大生产中,工具和模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义，模具寿命是评价某一挤压方法经济可行的决定因素，工模具的设计与制造质量是实现挤压生产高产、优质、低耗的最重要的保证之一.

（1）合理的工模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础，因为它是使金属产生挤压变形和传递挤压力的关键部件。

在挤压过程中，依靠挤压轴输出压力，由挤压筒盛容铸锭并使之在强烈的三向压应力作用下产生变形，模具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）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、精度和硬度合格的模具,才能实现产品的成形并具有精确的轮廓形状和断面尺寸.

（3）工具和模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一。

（4）合理的工模具结构、形状和尺寸,在一定程度上可控制产品的力学性能和内部组织，特别是在控制空心制品的焊缝组织和力学性能方面，分流孔的大小、数量和形状以及分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等起着决定性的作用；挤压垫片、挤压筒和模子的结构形状与尺寸及表面质量，对控制产品的粗晶环和缩尾等缺陷也有一定的作用。

（5）工模具的结构形状与尺寸对挤压时金属的流动、挤压速度和挤压力等都有很大的影响，从而对提高生产效率、产品质量和减少能耗有重大作用。

（6）合理的工模具设计对提高其装卸与更换速度，减少辅助时间，改善劳动条件和保证生产安全等方面意义重大。

（7）新型的工模具结构,对于开发新产品、新工艺,研制新材料和新设备，不断提高挤压技术水平起着很大的作用。

如扁挤压筒、舌型模、组合模、多层预紧应力模、变断面模等以及高比压优质圆挤压筒与特种型材模和异形管材模的设计与制造技术等都是铝合金挤压生产的核心和关键技术。

其技术含量在整个挤压技术中占有很大的比例。

（8）合理的工模具设计与制造能大大提高其使用寿命,这对于降低产品成本有重大的意义。

对于中等批量的挤压产品，工模具的成本占总成本的30%～50%左右.如将其使用寿命提高5～10倍，则产品的成本可大幅度下降［2]。

1.3本毕业设计的意义

工模具的设计一般包括设计理论与设计方法的选择、结构的设计计算、尺寸的确定、强度的校核和材料的选择以及经济技术指标的评价等。

其设计不同于一般的机械零件设计，而是介于机械加工与压力加工之间的一种工艺性设计。

可见，模具的设计远比其它工具的设计要复杂。

因此，世界各国的挤压工作者对理论和设计方法进行了大量的研究工作.目前，在工业发达的国家,CAD/CAM/CAE技术已进人实用普及阶段，工模具的设计已成了一个连续的电子计算机自动控制的优化设计过程.

把中国挤压模具的设计及使用情况与发达国家相比较，可以发现：

我国设计制造的模具寿命较短，一次试模的合格率低，且挤压制品的精度不高，等等。

这对挤压技术的发展有很大影响.由此也说明了我国的挤压模具仍有很大的发展空间，需要更多该领域的科研人才与企业单位来为中国挤压工业的发展进步作贡献。

通过这次毕业设计，我基本上掌握了挤压铝型材工模具设计的一般理论及相关知识,也熟悉了设计工作的整个流程,为以后的进一步的学习以及工作打下了坚实的基础[3］.

1.4毕业设计的主要内容

本毕业设计主要生产实习，掌握挤压机所使用的挤压筒、挤压杆、挤压垫等基本挤压工具和挤压模具的使用情况；掌握铝型材的基本生产工艺，设计出所给定挤压机所使用的挤压筒、挤压杆、挤压垫的结构和尺寸；并根据所设计的挤压筒，选择1~2种实心型材，一种空心型材,分别设计出能够在该挤压筒上正常进行生产所使用的实心型材模和挤压空心型材用分流模，以及所使用的模支撑.

2.挤压工艺

2.1.挤压工艺流程

本毕业设计选择了三种典型型材分别进行单孔模和分流模设计。

这两种型材的挤压工艺流程如下：

单孔模挤压XC321热挤压状态型材工艺流程如下:

平面分流模挤压XC040空心建筑型材工艺流程如下:

2.2.挤压时的温度—速度条件与挤压比

2.2.1挤压时的温度速度条件

尽管挤压变形具有优越的三向应力状态，但由于变形不均匀性导致金属沿锭坯断面的流速差，会发生大的纵向拉应力，甚至引起制品生产周期性表面裂纹。

在这种情况下，为了保持挤压制品的整体性，在挤压过程中,塑性变形区的温度必须与金属塑性最好的温度范围相适应。

塑性变形区的温度取决于坯料和工具的加热温度、变形热以及被周围介质所吸收的热量.挤压速度或金属流动速度越大，被周围介质所吸收的热量就越小，则塑性变形区的温度就越高，反之亦然。

在一定的变形程度下，或者是选择合适的预热温度,或者是选择合适的变形速度，都可以使塑性变形区的温度保持在规定的范围内，当变形速度较小时，必须提高预热温度。

而变形速度较大时，则必须降低预热温度.因此,利用“锥形”加热和冷却模具的方法可获得较高的挤压速度。

随着挤压条件的变化,挤压过程中的挤压温度和速度是不断变化的。

在挤压铝合金时，挤压温度较低（400—500℃）,挤压速度很慢（≤25mm/s），而且铝合金的导热性很高，所以在计算塑变区的温度场时必须考虑由于挤压金属的热传导和金属与挤压工具之间的热交换而引起的温度变化。

确定挤压的温度制度时，应该考虑以下一些因素：

1）合金的塑性图与状态图，了解合金最佳塑型温度范围和相变情况,避免在多相和相变温度下变形；

2）挤压过程温度条件的特点，影响温度条件变化的因素和调节方法以及温升情况;

3）尽可能的降低变形抗力以减小及压力和作用在工具上的载荷；

4）保证挤压制品中的温度分布均匀；

5）保证最大的流出速度;

6）保持温度不超过该合金的临界温度，以免塑性降低产生裂纹；

7）保证挤压时金属不粘结工具，恶化制品表面质量；

8）保证制品的组织均一和力学性能最佳；

9）保证制品的尺寸精度。

挤压时的速度有三种：

挤压速度vj-表示挤压机主柱塞、挤压杆和挤压垫的移动速度;金属流出速度vL-金属流出模孔时的速度，vL=λvj；变形速度ε，亦称变形速率，即单位时间内变形量变化的大小,。

挤压时的速度和温度是联系在一起的.一般来说，提高挤压速度则必须降低坯锭的加热温度,反之,提高了挤压温度则必须降低挤压速度。

2.2.2挤压比

挤压比（或称挤压系数）的大小对挤压制品的组织、性能、成品率、生产效率以及挤压过程的顺利进行都有很大影响。

当挤压比过大时，会引起挤压力升高，在挤压变形抗力较高的合金时，可能会发生挤不动的“闷车”事故，影响生产的顺利进行；为了避免发生“闷车"事故，必须缩短坯料长度，则使切压余所造成的几何废料所占的比例增大,使成品率降低；还会因为变形热增大而使变形区温度明显升高,从而限制了挤压速度的提高，影响生产效率。

如果挤压比过小，一方面，由于变形量不足，使产品的力学性能降低,甚至不能满足要求；另一方面，在相同的坯料长度条件下，挤出制品的长度缩短，使切头、尾所引起的几何废料所占的比例增大，成品率降低。

因此，选择挤压比时要综合考虑合金的性质、制品的品种及质量要求、设备能力、生产效率、成品率以及其它工艺因素的影响。

（1）合金的性质

金属的变形抗力越高,使其产生塑性变形所需要的挤压力就越大。

挤压力的大小与挤压比的对数值成正比关系.在挤压变形抗力较高的硬合金时，如果挤压比过大，就可能因所需要的挤压力过大而出现挤不动的“闷车"现象，甚至损坏工具。

金属的塑性好，适合塑性变形的温度范围宽，则挤压比可大一些。

（2）制品的质量要求

挤压制品的组织性能与挤压时的变形量大小有关。

对于不再进行冷加工变形的热挤压制品，挤压比一般不得小于8-10，以免因变形量较小,制品中有铸态组织或铸态组织轮廓残余而使得性能达不到要求。

（3）设备能力

挤压机上所配备挤压筒的规格，是根据所要挤压合金的强度、作用在挤压垫上的最大单位压力（通常称比压）的大小及工模具的强度、使用寿命等来确定的。

在挤压机能力（吨位）一定的情况下，挤压筒的最大直径，应保证作用在挤压垫上的使金属产生塑性变形的单位压力（扣除了克服外摩擦所要消耗的挤压力部分后）,不低于挤压温度下金属的变形抗力。

显然,挤压筒直径越大，作用在挤压垫上的单位压力越小。

这时，如果挤压比增大，则所需要的单位挤压力增大，就有可能超出设备能力而出现挤不动的“闷车”现象.如果挤压筒的直径减小，则能够使作用在挤压垫上的单位压力增大,在其它条件不变的情况下，就可以增大挤压比，以充分发挥金属的塑性。

因此，在确定挤压比时，对于同一台挤压机来说，在大规格挤压筒上生产时,挤压比应小一些;在小规格挤压筒上生产时，挤压比可相对大一些.

（4）生产效率及成品率

挤压时，变形能的绝大部分将转变为热量，使变形区中金属的温度升高。

挤压比越大，变形能越大,产生的变形热越多,变形区中的温升就越高，易造成制品晶粒粗大,降低制品的表面质量和尺寸精度，并使挤压速度降低.因此,为了提高制品的质量，提高挤压速度,提高生产效率，希望挤压比应小一些。

挤压比越大，在坯料长度不变的情况下，挤出的制品越长,切头、切尾等几何废料所占的比例就越少,成品率也就越高。

因此,从提高成品率的角度来说,则希望挤压比稍大一些。

（5）其它因素的影响

a、坯料加热温度

当坯料的加热温度较高时，挤压比应小一些，以防变形热过大,造成变形区温度过高，降低挤压速度，降低生产效率，并影响制品的质量.

b、工具温度

当挤压筒、穿孔针及模子的温度较低时，易造成坯料金属发生温降，使其变形抗力升高，使挤压力升高。

为防止发生“闷车”事故，挤压比应相应小一些。

c、坯料长度

坯料的长度影响摩擦力的大小.坯料越长,摩擦力越大,所需要的挤压力也越大。

因此，当采用长坯料挤压时,应采用相对较小的挤压比。

如果因为设备条件的限制,挤压比不能小时,可采用较短的坯料，但不能小于允许的最短坯料长度.

d、挤压方法

反向挤压时坯料与挤压筒壁之间无摩擦,挤压力比正向挤压时的小,故挤压比可比正向挤压时的大。

用组合模挤压空心型材时，希望挤压比稍大一些。

因为，挤压比大，可以在焊合室内建立起足够大的静水压力，从而有利于提高焊合质量[4］。

2.3.挤压工艺规程

2.3.1坯料加热

2.3.1.1加热方法

坯料的加热方式主要有火焰炉加热、电阻炉加热和感应炉加热。

（1）火焰炉加热

火焰炉加热是挤压生产中应用非常广泛的一种坯料加热方式，在中国南方和电力较缺乏地方的铝型材挤压企业也基本上都采用火焰炉加热。

常用的火焰炉加热方式主要有柴油（或重油）炉加热、煤气（或天然气）炉加热和直接燃煤加热。

火焰炉加热时，产生的火焰直接与坯料接触，温度高，加热速度较快，生产成本低，这是其主要优点。

但是，火焰炉加热也存在着加热质量不高，金属烧损大,自动化程度低，劳动条件较差等许多缺点.例如：

加热温度很不均匀，坯料断面温差大，造成挤压时的变形不均；火焰接触到的部位温度过高甚至会产生局部过烧,制品难以获得最佳性能;如果采用燃煤直接加热，虽然其成本可能是最低的，但对坯料、对环境的污染也是最大的。

（2）电阻炉加热

电阻炉是通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热.电阻炉加热是铝合金挤压生产中经常采用的一种加热方式，在我国北方一些铝挤压企业应用较多。

电阻炉和火焰炉相比较，具有热效率较高，可达50－80℅；加热温度均匀，坯料断面温差小，温度容易控制；劳动条件较好；炉体寿命长等优点。

但电阻炉耗电量高，通常一块坯料从进入炉子到出炉需要好几个小时，加热成本高。

（3）感应炉加热

感应炉是通过电磁感应原理，在金属表面层产生感生电流（涡流），依靠这些涡流的能量达到加热金属的目的。

感应加热特点：

加热温度高，而且是非接触式加热；加热效率高,虽然从表面上看耗能较高，但由于加热速度很快（一般为几十秒到几分钟），生产效率高，因而是节能的,而且金属的氧化烧损很少；温度容易控制,加热均匀性好，产品质量稳定；可实现梯度加热，从而可实现等温挤压，制品纵向组织性能和尺寸的一致性好；容易实现自动控制；作业环境好，几乎没有热噪声和灰尘；加热炉体积小，工作占地少。

2.3.1.2坯料加热操作规程

（1）加热前，应认真检查加热炉仪表定温，确认无误后才能开始生产。

（2）在连续生产过程中，交接班时，应检查加热炉仪表定温、仪表指示温度和坯料的实际温度。

（3）装炉前应按卡片规定的批次、炉号、合金、规格、数量等，对坯料进行认真核对，确认无误后才能装炉。

（4）装炉前应清除坯料表面上的油污、灰尘、金属屑及其它赃物。

（5）装炉时严防混料,坯料应逐块检查,不同批次之间应有明显的标志予以区分。

（6）挤压6061、6063合金T5状态型材时，为保证挤压热处理效果，应采用较高的坯料加热温度（480~520℃）。

其他合金的加热温度范围为350～450℃。

（7）用分流模挤压空心型材时,坯料应加热到挤压温度的上限或接近最高允许加热温度。

2.3.2挤压

2.3.2.1挤压前的准备

（1）按设备使用规程及安全规程检查、润滑设备，进行空行程运转,证明设备正常才能开始生产.在连续生产的过程中,应认真交接班，仔细了解上一班的生产、质量、设备和工具等情况。

（2）检查坯料加热炉、模具加热炉、挤压筒的仪表定温和实际指示温度，以及坯料的实际温度是否符合规定要求。

铝合金挤压时的模具加热炉温度范围一般控制在400~450℃.

（3）检查工模具（包括挤压模、挤压垫、穿孔针等）的规格、型号和尺寸是否与生产卡片一致，质量是否符合要求。

（4）根据所要生产的合金、品种及挤压生产方式,配制好工艺润滑剂.

（5）认真检查出料台的情况，消除可能造成制品划伤的各种隐患。

（6）各机台当班的班长应提前2～3小时向模具工提交下一班次准备生产的各种规格产品的工具任务单，以便模具工及时准备和加热有关工具。

各机台用模具在加热炉内的保温时间一般为:

6MN挤压机的不少于1小时,8MN挤压机的不少于1.5小时，10MN以上吨位挤压机的不少于2小时.穿孔针加热时，其螺纹部分不允许加热。

2.3.2.2普通型材挤压

（1）挤压前要进行试模，经试模合格后才能正式挤压.对于断面形状较复杂的硬合金型材,试模时的坯料最好用软合金.

（2）挤压前对出炉待压的坯料进行测温,至少每挤压10个坯料应测温一次，但每批不少于一次.并如实把挤压筒温度、坯料温度记录在卡片上。

（3）为防止闷车，应迅速装配、更换挤压工具.在开始挤压时采用规定的上限温度,挤压3～5个坯料后可转入正常温度挤压.

（4）为防止缩尾、成层和气泡等，挤压垫、挤压轴、挤压筒内套等不允许涂润滑油或弄脏.

（5）平模挤压时，模面允许涂油润滑。

分流模挤压时，不允许涂润滑剂，应保持模面清洁，以保证焊缝质量。

（6）挤压速度应根据制品的合金、规格、形状、尺寸、表面状况等因素而决定.对于空心型材，为保证焊缝质量，速度不宜过快。

（7）变换规格时，应检查第一和第二根制品的头尾尺寸、表面和外形质量及定尺压出长度。

只有全面检查合格后才能投入生产.生产过程中，质检员、操作手和助手都应随时注意制品的表面、外形和尺寸等的变化情况，发现问题应及时处理。

（8）多孔模挤压时，各孔流出的长度差不得超过下值:

2孔应小于500mm；3~6孔小于800mm;6孔以上小于1500mm。

当长度差超过上述规定时，应通过修模等予以调整.

（9）挤压生产过程中对每批产品都必须认真、仔细地检查，发现不合格时要及时处理，并将具体情况反映给修模工，以便修模工正确地修模。

（10）为了避免表面擦伤,要保持滚道、中断锯台、石墨导路无铝屑等异物；要防止冷床上料积成堆，互相摩擦。

型材之间要保持一定的间隔.

（11）操作人员所使用的手套、石棉布等严防沾污、潮湿，制品不得触及酸、碱、盐等物。

（12）产品的挤压尺寸偏差应保证拉伸矫直后能够满足标准的要求.

2.3.2.3建筑型材挤压

挤压建筑用6061、6063铝合金型材时,除了应严格执行上述普通型材挤压的有关操作规程外,还应在以下几方面加以注意：

（1）对于6061、6063合金型材，应测量制品出模孔温度，其温度一般应在520～530℃。

如果温度低于500℃，应及时通过提高挤压速度或提高坯料加热温度的方法来提高出模孔温度.

（2）对于6063合金T5状态型材，当其断面最大壁厚小于3mm时，制品出模孔后应吹风冷却；大于3mm时,应喷水冷却。

T4、T6状态制品必须采用大冷却强度进行喷水冷却。

（3）对于6061合金T5状态型材，制品出模孔后应采用喷水冷却.

（4）挤压6061合金T4、T6状态型材时，如果没有在线热处理装置,一般不能直接在挤压机上进行水冷淬火，需要在专门的淬火炉上进行固溶处理。

（5）当放在冷床上的制品冷却到70℃以下时,进行拉伸矫直。

矫直前应认真检查、测量型材各部位的形状、尺寸，避免拉伸后型材尺寸超负偏差或形状不合格。

（6）为了减少拉伸矫直时的夹头损失，应尽可能缩短矫直夹头的长度。

当型材长度不一致时,应根据型材的实际长度，调节矫直机的钳口位置,不允许将型材折弯后矫直。

（7）大开口型材、空心型材在矫直时,夹头部位内腔要配有专用塞垫，减少型材变形部分的长度,或防止型材形状发生变化。

（8）矫直时的拉伸率一般控制在0.5%～1。

5％，不得超过1。

5%（以表面不产生桔皮现象或有明显的变形痕迹为原则）。

（9）矫直时，应根据每一根型材的具体弯曲、扭拧情况，采用不同的矫直方法，控制合适的拉伸率.不得一次矫直多