挤压模具设计.docx
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挤压模具设计
课程设计
课题挤压模具设计
学生姓名李孝辉
系别机械工程系
专业班级09材控1
指导教师张红云张金标徐向其刘建
二0一二年十二月
课程设计任务书
机械工程系09材控（1,2）班
指导教师：
张红云，张金标，徐向其，刘建。
设计课题：
挤压模具设计
一、设计条件：
在19.6MN挤压机的Φ200mm挤压筒上生产出下列条件的合格型材，设计出相应的型材模具。
1.单模孔模具生产如下图型材。
（1,2，3组同学设计）
2.双模孔生产ф12mm的圆棒材。
（4,5,6组同学设计）
3.三模孔生产ф8mm的圆棒线材。
（7,8,9组同学设计）
4.四模孔生产ф6mm的圆棒线材。
（10,11,12组同学设计）
二、设计内容：
1.模孔布置。
2.设计工作带长度。
3.型材模孔尺寸设计。
4．模子强度校核。
5.画出模具图。
三、设计时间：
2012年12月10日至12月14日
四、设计地点：
实验楼C楼501,502
五、分组情况：
组号
学生安排情况
型材金属种类
1
0910121001----0910121012，0810121039,0810121114
铜及其合金
2
0910121013----0910121023，0810121027
铝及其合金
3
0910121026----0910121036
镁及其合金
4
0910121037----0910121048
铜及其合金
5
0910121049----0910121060
铝及其合金
6
0910121061----0910121072
镁及其合金
7
0910121073----0910121084
铜及其合金
8
0910121085----0910121096
铝及其合金
9
0910121097----0910121108
镁及其合金
10
0910121109----0910121120
铜及其合金
11
0910121121----0910121132
铝及其合金
12
0910121133----0910121140,0906131060,0906121043
镁及其合金
2.3模孔尺寸的计算......................................................................................................................................3
第五章模具的强度校核8
第1章概述
模具是金属压力加工的基础，模具的设计与制造技术是金属压力加工的核心，而模具的质量和使用寿命是决定金属压力加工过程是否经济可行的关键。
模具技术特别是设计制造精密，复杂，大型，寿命长的模具是衡量一个国家工业水平的重要标志之一，因此有“模具是工业之母”之说。
本次设计主要是在给定挤压筒和挤压机的条件下，设计挤压出直径为12mm的圆棒材所用的双模孔模具。
在此次设计中，本组以黄铜为例，对模孔的布置，工作带长度，模孔的尺寸以及模具外形尺寸的进行确定的设计，并对模子的强度进行校核以及绘制各种模具图；
此次的课程设计是对我们所学的专业知识进行的一个总结，对我们以后的学习和工作具有一定的指导意义，同时通过对模具的设计还可以让我们进一步了解挤压模具的工艺过程，通过查阅更多的资料，能够开阔我们的视野和见识，提高我们将理论运用于实践的能力。
黄铜是铜与锌的合金。
最简单的黄铜是铜-锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜，改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。
黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。
铅黄铜即我们通常所说的易削国标铜。
加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，
黄铜以锌作主要添加元素的铜合金，具有美观的黄色，统称黄铜。
铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。
三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。
含锌低於36％的黄铜合金由固溶体组成，具有良好的冷加工性能，如含锌30％的黄铜常用来制作弹壳，俗称弹壳黄铜或七三黄铜。
含锌在36～42％之间的黄铜合金由和固溶体组成，其中最常用的是含锌40％的六四黄铜。
为了改善普通黄铜的性能，常添加其他元素，如铝、镍、锰、锡、硅、铅等。
在铜合金的热挤压过程中，对金属流动性的影响除挤压温度外，挤压载荷、热加工特性、合金的组织与性能都对铜在挤压筒中的流动情况产生影响。
对于塑性很差的低塑性铜合金，可以进行二次挤压成型的方法。
铜合金的热挤压有时需要有润滑剂，润滑剂可以减少摩擦力和温度损失，但要考虑到润滑剂对制品表面质量的影响。
铜合金的毛坯加热温度应根据合金的性能、铸锭和被挤压制品的尺寸和挤压设备能力来确定。
第2章模孔布置
2.1挤压比的计算
挤压比λ值可以根据挤压机的能力、挤压机装料台和冷却台的长度、挤压筒的规格、单位压力、对制品的力学性能与组织的要求以及被挤压合金的变形抗力等因素来确定。
由于本次课程设计已经给出模孔数目、挤压筒直径以及所要求生产的棒材制品的直径。
因此在进行模具设计之前，为了能够保证生产所要的挤压制品，应当先计算黄铜圆棒材的挤压比，验算其是否在经验数据范围内。
根据公式
式中：
λ—挤压比；
n—多孔棒材模的模孔数目；
Ft—挤压筒内腔横断面积；
Fk—单根棒材的横断面积。
代入数据，求得λ=（
×200×200）/（2×12×12）=138.89；查表1-1，可知黄铜挤压比为10～（300～400），则符合要求。
表1-1铜及其合金的挤压比
金属材料
挤压比
铜及铜合金
纯铜
10～400
α+β黄铜，青铜
10～（300～400）
含10～13﹪Ni白铜
10～（150～200）
含20～30﹪Ni白铜
－
2.2模孔的布置
采用多孔棒材模时，金属流动要比单孔模均匀，故可以减少中心缩尾形成的几率。
但是，如果模孔排列不当，会使挤出的制品长短不齐，增加几何废料，恶化表面质量；如果模孔靠近挤压筒边缘，也会使制品表面产生起皮、分层等缺陷。
此外，多模孔过于靠近挤压筒边缘时由于内侧金属供应量大、流动速度快，而外侧由于金属供应量不足，流动速度慢，会造成制品出现外侧裂纹；当模孔太靠近挤压筒中心时，外侧金属供应量大与内侧，则制品易出现内侧裂纹。
应将多孔模模孔的理论重心均匀的分布在距模具中心和挤压边缘有适当距离的同心圆周上。
多孔模的同心圆直径D心与挤压筒直径Dt之间的关系可以按以下的经验公式来确定：
式中：
D心—多孔模模孔断面重心分布的同心圆直径；
Dt—挤压筒内径；
n—模孔数目；
a—经验系数，一般可取2.5～2.8；n值较大时取下限，挤压筒内径大时取上限，一般取2.6。
代入数据，求得D心=200/[（2.5～2.8）-0.1（2-2）]=71.43～80，取D心=80mm。
D心通过上式求出后，还必须考虑节约模具钢材和工模具规格的系列化及互换性（如模垫、导路的通用性等），再对D心进行必要的调整。
对于本设计而言，不需要再作调整。
为了延长模具的使用寿命，模孔离模具外径圆周的距离和模孔之见的距离都应保持一定的数值，这个数值与挤压机的大小有关。
对于49MN以下的挤压机，这个距离可取15~50mm；对于大型挤压机，应加大到30~80mm，如下表所例的经验数据，以供参考。
模孔间的最小距离/mm
挤压筒直径
80~95
115~130
150~200
220~280
300~500
最小距离
15
20
25
30
50
为了防止铸件表面上的异物流入挤压制品中，应使模孔与挤压筒内壁之间保持一个最小距离，这个距离一般取挤压筒直径的10%~30%。
在本设计中，通过计算，可以知道这个距离是符合要求的。
计算过程如下：
（10﹪～30﹪）Dt=（20～60）mm≤（D-D心）/2=60mm。
具体模孔位置分布见图6.1与图6.2。
2.3模孔尺寸的计算
2.3.1工作带直径dg
模子工作带直径与实际所挤压出制品直径并不相等。
在设计时应保证在冷状态下不超过所规定的偏差范围，同时又能最大限度的延长模子的使用期限。
通常是用裕量系数
来考虑各种因素对制品尺寸的影响。
为挤压不同金属与合金时的模孔裕量系数
的值。
裕量系数
合金
值
含铜量不超过65%的黄铜
紫铜、青铜及含铜量大于65%的黄铜
纯铝、防锈铝及镁合金
硬铝和锻铝
0.014~0.016
0.017~0.020
0.015~0.020
0.007~0.010
对于棒材，按标准规定只有负偏差。
在挤压铜合金一类温度较高的材料时，因模孔会逐渐变小，所以工作带直径的设计应使开始的一批棒材的直径接近其名义尺寸。
随着模孔变小，挤压棒材的实际直径接近最大的负偏差。
挤压棒材的模孔直径dg可用下列式计算：
式中：
—棒材的名义直径；
—裕量系数（本设计中为挤压黄铜圆棒材，故取为0.015）。
代入数据得：
dg=12+0.015×12=12.18mm
2.3.2出口直径
模子的出口直径一般应比工作带直径大3～5mm，因过小会划伤制品表面,在本设计中取4mm。
故出口直径为：
=12.18+4=16.18mm。
2.3.3入口圆角半径r
在工作带模孔入口设有圆角半径r，可以防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减轻金属在进入工作带时所产生的非接触变形，同时也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压颓而很快改变模孔尺寸用的，以保证制品尺寸精度。
入口圆角半径的选用与被挤压金属的强度、挤压温度、制品断面尺寸有关。
根据表2-3，本设计中的入口圆角半径取值为r=4mm。
2-3模具入口处圆角半径/mm
金属种类
铝合金
紫铜、黄铜
白铜
镍合金
镁合金
钢、钛合金
入口处圆角半径r
0.40~0.75
2~5
4~8
10~15
1~3
3~8
第3章工作带长度的确定
工作带又称定径带，是模具中垂直模具工作端面并保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段，也是模孔重要的组成成分。
正确选择工作带长度h有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性。
工作带长度h的选择应根据挤压机的结构形式（立式或卧式）、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等因素来确定。
若工作带长度h太长，则挤压金属材料易粘结在工作带表面，使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷，同时增大模具与被挤压金属的摩擦力，金属流速变慢，增大挤压力等现象；若工作带长度h过短，则会加快模孔的磨损，使制品尺寸不稳定，出现超差现象，且因金属流速较快致使制品断面各部分金属流动不均匀而形成波浪、扭拧、弯曲等缺陷。
工作带长度h的确定原则如下：
1）工作带的最小长度，应按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定。
一般最短1.5~3mm。
2）工作带的最大长度，是按照挤压时金属与工作带的最大有效接触长度来确定。
铝及铝合金一般最长不超过15~20mm。
3）挤压型材的模具工作带长度取值时，应视情况不同而有所区别。
通常情况下，一些简单断面实心型材，如壁厚角形、丁字形、工字形之类，模孔各部位的工作带长度可以是相同的，一般取值为2~8mm；而对于建筑型材，因挤压比大，挤压速度快，制品长度较长，即使是等截面等壁厚的情况，模具工作带取值也应不相同，要参照生产实际经验确定。
4）断面形状复杂、壁厚不等的型材，工作带长度应根据壁厚变化不同而设计各对等的h值。
挤压有色金属时，一般取值为2~9mm。
另外黄铜、紫铜、青铜为8~12mm。
白铜、镍合金为3~5mm。
稀有难熔金属为4~8mm。
在挤压铝、镁合金圆棒时，模孔的工作带长度可根据棒材的直径确定如表3-1：
表3-1模孔工作带长度
棒材直径/mm
模孔工作带长度/mm
<40
2~3
40~70
4
70~120
5
130~280
6~8
本设计为挤压黄铜，因而模孔工作带长度h为8～12mm，取h=10mm。
第4章模具尺寸的确定
4.1模具材质的选取
对于热挤压模具，由于工作环境十分恶劣，在挤压生产中长时间的承受高温、高压、强摩擦及循环载荷的冲击作用，导致模具使用寿命低且损耗大，通常模具费用占挤压生产成本的10%到15%。
因此，延长模具寿命，降低模具成本，一直是挤压生产过程中人们最关心的一个重要问题。
模具寿命不仅与挤压工艺、模具制造工艺过程有关，而且还与模具的材质选择有重要的关系。
模具材料必须具备以下条件：
足够的高温强度、良好的抗磨损性能、足够高的抗疲劳性、良好的导热性能以及良好的热处理淬透性和可氮化性；这些是模具材料选择的首选条件。
热挤压模具中，主要是含碳量为0.3%—0.5%的钢中，添加W，Mo，V，Cr，Ni的合金元素的高合金亚共析钢。
添加上述合金元素，可提高模具的高强度、耐热性、抗热磨损的性能。
目前，我国用于热挤压生产的模具材料，基本上是3Cr2W8V，4Cr5MoSiV1登高温耐热钢。
对于3Cr2W8V模具钢，其特点是较好的高温强度，但存在较高的脆性和热裂行，不是个用于挤压断面形状复杂的铝合金制品挤压模具；所以采用3Cr2W8V模具钢对于挤压简单型面的棒线材叫适合。
4.2模具外形尺寸设计
4.2.1模具外径D
挤压制品的最大外接圆直径
是确定模具外径D的一个主要参数。
可根据挤压筒内径
来确定该挤压筒所允许的制品的外接圆直径
，即：
模具的外径取决于挤压制品的断面形状、角度异差以及合金品种。
对于简单断面形状的棒材，模具外径可根据
按经验公式来确定：
根据设计条件可知：
挤压筒的内径
=200mm；
代入公式，可得：
D=200~246.5mm，本设计中取D=204.5mm（参考表4-1）
4.2.2模子厚度H
模子厚度H应根据被挤压合金的变形抗力（即挤压力）的大小来考虑的。
在保证模具组件（模具、模垫等）有则够的强度的条件下，模具的厚度应尽量减薄，规格应尽量减少。
但为了安装和调试方便，模具厚度应尽可能系列化，便于管理和使用，一般模具的厚度按下述数值（单位：
mm）选用：
20，25，30，40，50，60，70，80，90，100
本设计中模子厚度取H=80mm（参考表4-1）
模子的外形形状可分正锥体与倒锥体两种配合形式，正锥体用于型材棒材模，倒锥体一般用于管材模。
正锥体模在操作时顺挤压方向放模支持中，为了便于安分和取出，锥度一般为
的范围内。
如果角度小，人工取模困难，但是角度也不能太大，否则在模座靠紧挤压筒时，模子容易由模支持中弹出来。
在本设计中模具的外形锥度β取β=3°（参考表4-1）。
表4-1型、棒材用部分模具外形尺寸
挤压机能力/MN
模具外形尺寸/mm
β
19.6
200
200
200
203.4
204.5
207.5
40
60
80
3°
3°
3°
3~4
3~4
3~4
1.5
1.5
1.5
第五章模具的强度校核
单孔棒材模工作条件与受力状态要比其他模具好一些，它的强度问题基本上已在模具外形尺寸标准化、系列化中作了完全的考虑。
但是，对于多空孔棒材模，特别是异型棒材多孔模来说，仍需要对模孔之间和模孔与模具外径圆周之间的危险断面进行强度校核。
多孔棒材模的剪切强度计算公式为
式中：
Q—模具承受的总压力，一般取Q=0.8P，有时为了安全起见，可取Q=P；
P—挤压机的公称压力；
rx—孔均布的同心圆半径；
d—棒材直径；
n—多孔模的模孔数；
—模具材料允许的剪切强度，一般可近似取为：
=（0.5~0.6）
。
可由表3-4查得，满足上式条件者，则可认为通过抗剪强度校核。
H—模具允许的最小厚度；
表5-1常用挤压工具钢及其机械性能
牌号
试验温度℃
力学性能
MPa
MPa
HB
KJ/
热处理制度
3Cr2W8V
20
300
400
450
500
550
600
1863
—
1491
1471
1402
1314
1255
1716
—
1373
1363
1304
1206
—
7
—
5.6
—
8.3
—
—
25
—
—
—
15
—
—
290
—
607
506
556
570
621
481
429
429
402
405
363
325
1100℃在油中淬火，550℃回火
由上式可得到
即多孔棒材模具的厚度为
可得到模具最小厚度为
因为选取H=80mm，
，故抗弯强度符合要求。
则模具剪切强度为
由表5-1可以得到3Cr2W8V钢，在450～500℃时，取
=（0.5~0.6）[σb]=882.6Mpa，则
，故剪切强度符合要求。
第六章设计的模具示意图
图6.1棒材平模示意图
图6.2圆棒材平模实体示意图
设计总结与体会
我们本次的课程设计是设计在19.6MN挤压机的Φ200mm挤压筒上生产12mm的圆棒材的双模孔模具。
在此次设计中我主要负责的是模具尺寸的确定、数据表格的整理插入以及模具三维图形的绘制。
本次课程设计的时间为一周，通过我们大家的不懈努力终于制作完成。
在制作过程中，我们又重新回顾了模具设计方面的知识，并参考了大量书籍，进一步加深了我们对这一方面知识的理解与体会。
在设计初期，我们各自为政，闭门造车，没有很好的交流，都在独立的完成着各自的设计，浪费了很多的精力和时间。
在临近交付之时，才及时发现，组织分工，明确了各自的任务和要求，大大提高了我们的工作效率，及时完成设计。
从中反映出了一个问题，那就是团队合作的重要性。
因为每个人都有自己所擅长的内容，不可能面面俱到，只有分工合作才能最大程度的将每个人的能力利用起来，提高工作效率；团队合作也是当今社会的主流，只有具备了团队精神，才能更好的发挥出自己的才能，适应将来的工作和学习。
在设计模具尺寸时，我为了工作带长度和模孔长度的大小，陷入了无穷的困惑之中，原因很简单，我将它们两个概念给混淆了，这使我迟迟无法进行下一步工作，直到遇到并请教指导老师，弄清楚了工作带，出口带以及模孔长度之间的关系后才得以继续进行。
这一方面反映出我知识概念理解不清的缺点；另一方面也告诉大家：
在设计时，遇到分歧和不懂得地方之时一定要及时的请教指导老师；同时也提醒了大家一定要理解并掌握模具中各个词语的概念，才能更方便的进行设计，节约时间。
回顾整个设计过程，感触最深的就是在绘制挤压模实体图时的感觉，以前明明会使用pro-e软件来熟练的进行绘制，可当我现在再进行绘制时，却突然发现：
好多快捷键和图标，不知道是什么意思，怎么进行操作了。
直到翻出书本看了半天，在同学的帮助下才找到感觉，深深的有了一种温故而知新的体会。
这使我下定决心，要重新温习一下以前所学过的专业知识以及软件的应用。
总而言之，从这次课程设计中我意识到了自己知识的缺乏、交流请教的重要以及团队合作的重要性。
加强了我继续努力学习并不断回顾温习专业知识和各种软件运用的毅力与决心。
也让我明白了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，将理论运用于实践，才能提高自己的实际动手能力和思考创新能力。
最后，在此对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示衷心的感谢！
参考文献
[1]马怀宪.金属塑性加工学—挤压、拉拔与管材冷扎[M].北京:
冶金工业出版社，1991.5
[2]郝斌海.挤压模具简明技术手册[M].北京:
化学工业出版社，2006.2
[3]樊纲.挤压模具设计与制造基础[M].北京:
重庆大学出版社，2001.2
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