铝合金挤压模具技术演示课件.ppt

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制品能顺利通过模字并保证高表面质量的重要参数。若模子出口直径,d,出,过小，则易划伤制品表面，甚至引起堵模，但出口直径,d,出,过大，则会大大削弱定径带的强度，引起定径带过早地变形、压塌、明显地降低模具的使用寿命。,D,入口圆角,r,模子的入口圆角是指被挤压金属进入定径带的部分，即模子工作端面与定径带形成的端面角。制作入口圆角,r,可防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减少金属在流入定径带时的非接触变形，同时也减少在高温挤压时模子棱角的压塌变形。但是，圆角增大了接触摩擦面积，可能引起挤压力增高。,37,5.3.2,挤压模具结构,分流组合模,实心平模,38,导流孔,导流模,5.3.2,挤压模具结构,39,双孔模,模芯,5.3.2,挤压模具结构,40,5.3.2,挤压模具结构,新结构模具,-,蝶形模,41,蝶形模,42,蝶形模使用性能,-,大大提高了模芯的抗弯性能；,-,模芯弹性失效减少；,-,减小了铸锭的突破挤压力；,-,温度和工作压力减少；,-,挤压速度提高,50%,，因而大大提高生产率。,蝶形模（,Butterfly Die.,）的优秀结构适用于用在普通的四孔模上，这很容易用计算机辅助设计（,CAD,）系统进行设计，并能得到传统结构的挤压模难以达到的表面质量。,43,蝶形模与常规模挤压压力比较,44,多孔模,多孔模即一模多孔，即可以一次挤压出很多根型材产品，与单孔模相比有以下优势：,(1),提高挤压产品的生产效率；在挤压速度相同的情况下，多孔模具较单孔模具的生产效率成倍提高，大大降低了生产成本。,(2),提高模具寿命；挤压模具的失效形式之一是模孔的磨损，模具寿命以模孔挤出余属材料的长度来计算，理论上多孔模具的寿命将成倍提高。,(3),提高模具材料的利用效率，减少模具钢消耗：高强度耐热模具钢是昂贵模具的材料，国产材料的价格约,26000,元,/,吨左右，进口材料的价格达到,65000,元,/,吨,100000,元,/,吨，多孔模具技术的采用将大大提高材料的利用效率。,45,(4),提高成品率；采用多孔模具技术不仅可咀减小挤压系数，降低挤压力，在压余不变的情况下，通过提高铸锭长度，可以减少几何废料所占比率来提高型材的成品率。,多孔分流模,46,冷却模,现以液氮冷却模具技术加以简单介绍,液氮冷却模具技术是铝型材在挤压时在模具的专用模垫上加开冷却通道，通过控制系统在设定的通道开度下，液氮通过冷却通道喷射在模具的表面，吸收铝棒带来的热量，直接降 低模具温度，使模具温度、型材 出料口温度保持在稳定温度范 围内，达到提高挤压速度的目 的；同时，液氮气化后，体积 膨胀,600,多倍，将出料口型材周 围的空气排开，形成惰性保护，提高型材表面光洁度。其技术 基本原理示意图如图,1,所示。,47,液氮的冷却通道布置应尽量保证模具表面上冷却介质均匀分配。目前，最理想的冷却通道布置是在模子本体上直接机加工出来，但由于技术相当复杂，实时控制比较难，很难实现氮冷介质的均匀分配，至今未见到在工业应用上有良好的效果。因此，在一般工业应用中，大多采用在专用模垫上机加工出冷却通道的方法。冷却通道布置示意图如图,2,。,48,空心型材挤压模具,49,铝型材挤压工模具的性能要求,由于铝合金型材挤压生产工模具的工作条件十分恶劣，因此，挤压生产对工模具的要求非常严格。具体要求如下：,(1),高的强度和硬度值。铝合金型材挤压生产时，要求常温下模具材料,b,值大于,1500 MPa,。,(2),高的断裂韧性和冲击韧性值。在常温和高温工作条件下，要求工模具,具有高的断裂韧性和冲击韧性值，以防止工模具在冲击载荷或低应力条件下产生脆断。,(3),高的耐磨性。在高温挤压条件下能抵抗机械负荷而不过早地产生退火,和回火现象。在挤压工作温度下，模具材料的,s,不应低于,1000 MPa,。与此同时，在长时间润滑不良和高温高压的挤压生产条件下，模具表面能抵抗因金属“粘结”作用而产生的磨损。,(4),高的稳定性，工模具在高温条件下不易产生氧化皮，有抗氧化稳定性。,5.3.3,挤压模具材料,50,(5),抗激冷、激热适应能力。防止工模具在长时间周期循环挤压生产过程,中过早产生热疲劳裂纹。,(6),良好的淬透性。确保工模具整个断面有高且均匀的力学性能，特别是,大型工模具。,(7),抗反复循环应力性能强。防止过早出现疲劳破坏，要求有高的持久强度。,(8),高导热性。防止高温挤压过程中被挤压坯料和工模具产生局部过烧或,机械强度损失。,(9),具有良好的抗蠕变和可氮化性能。,(10),具有一定的抗腐蚀性和小的膨胀系数。,(11),工模具材料在国内应较易获得，并符合经济原则，即价廉物美。,(12),良好的工艺性能。即工模具材料容易熔炼、锻造、机加工和热处理。,51,为提高铝合金型材产品质量，降低挤压生产成本，提高挤压模具使用寿命，应根据挤压型材品种、型材形状规格、产量大小、工模具工作条件以及钢材本身的工艺性能等方面情况，选择性价比高的工模具材料。选择挤压工模具材料时一般考虑以下四个方面的因素：,（,1,）被挤压金属或合金的性能。挤压,生产,时，不同的金属或合金具有不同的物理,-,化学性能，不同的挤压工艺条件和不同的温度,-,速度规范，因此，挤压工模具材料应根据被挤压金属和合金的特性来选择。,(2),产品形状，规格和品种。不同的产品形状，规格和品种，要求不同的工模具材料特性。挤压圆管、圆棒等形状简单型材时，,5CrNiW,，,5CrMnMo,等中,等强度的钢材或者强度更低的钢材既能满足工模具材料要求；挤压形状复杂的空心型材时，需选用,3Cr2W8V,和,4CrSMoSiVl,等较高级的钢材来制造工模具。,选择挤压模具材料需考虑因素,52,(3),设备结构、挤压方法与工艺条件。静液挤压时，工模具在高压的液体环境中呈预应力状态，可用,3Cr2WSV,等钢材来制作工模具；工模具材料与挤压方法的选择还有很大关系，热挤压工模具材料要求有较高的热硬度和热强度，高的耐磨性和热稳定性等。,(4),工模具的结构和尺寸。挤压普通实心型材和管材的平面模，可选用,3Cr2WSV,或,5CrNiMo,钢材来制造工模具，而挤压空心型材用的平面分流组合模和形状复杂的特殊型材模等必须用,3Cr2W8V,、,4Cr5MoSiVl,钢或更高级的材料来制造。,53,铝型材挤压变形过程是一个含弹塑性、刚塑性、黏塑性等多种变形的复杂热力耦合过程，因此，型材挤压工模具设计是一项具有很高技术含量的系统工程。,5.3.4,挤压模具设计原则,挤压模具设计时应考虑的因素,A,由模子设计者确定的因素,主要有模子的结构、模子材料、模孔数和挤压系数、制品的形状、模孔的方位和尺寸、模孔的收缩量、变形挠度、定径带与阻碍系统的确定以及挤压时的应力应变状态。,B,由模子制造者确定的因素,包括模子尺寸和形状的精度，定径带和阻碍系统的加工精度，表面粗糙度，热处理硬度，表面渗碳、脱碳及表面硬度变化情况，端面平行度等。,54,C,由挤压生产者确定的因素,主要有模具的装配及支承情况，铸锭、模具和挤压筒的加热温度、挤压速度、工艺润滑情况，产品品种及批量、合金及铸锭质量，牵引情况，拉矫力及拉伸量，被挤压合,金铸锭规格，产品出模口的冷却情况，工模具的对中性，挤压机的控制与调整，导路的设置，输出工作台及矫直机的长度，挤压机的能力和挤压筒的比压，挤压残料长度等。,在设计前，拟定合理的工艺流程和选择最佳的工艺参数，综合分析影响模具效果的各种因素，是合理设计挤压模具的必要和充分条件。,55,模具设计的原则与步骤,A,确定设计模腔的工艺参数,设计正确的挤压型材图，拟定合理的挤压工艺，选择适当的挤压筒尺寸，挤压系数和挤压力，决定模孔数。,B,模孔在模子平面上的合理布置,将单个或多个模孔，合理地分布在模子平面上，使之在保证,模子强度的前提下获得最佳金属流动的均匀性。单孔的棒材、管材和对称良好的型材模，均应将模孔的理论重心置于模子中心上，各部分壁厚相差悬殊和对称性很差的产品，应尽量保证模子平面,X,轴和,Y,轴的上下左右的金属量大致相等，但也应考虑金属在挤压筒中的流动特点，使薄壁部分或难成形处尽可能接近中心，多孔模的布置主要应考虑模孔数目、模子强度（孔间隙及模孔与模子边缘的距离等）、制品的表面质量、金属流动的均匀性等问题。,56,模具设计的原则与步骤,C,合理调整金属的流动速度,57,模具设计的原则与步骤,C,合理调整金属的流动速度,58,模具设计的原则与步骤,D,保证足够的模具强度,由于挤压时模具的工作条件十分恶劣，所以模具强度是模具设计中的一个非常重要的问题。除了合理布置模孔的位置，选择合适的模具材料，设计合理的模具结构和外形之外，精确地计算挤压力和校核各危险断面的许用强度也是十分重要的。,分流桥下端开裂,装吊孔开裂,挤压模具失效的主要表现形式：磨损、变形、开裂。,造成模具开裂的主要原因：应力集中和循环载荷,59,模具设计的技术条件及基本要求,60,棒材模的设计,棒材（圆棒、方棒、方角棒）模具是一种简单的挤压模具。铝合金棒材均用平面模进行挤压，棒模的入口角为直角。,（,1,）模孔数目的选择原则：合理的挤压系数,、足够的模子强度、良好的制品表面质量、金属流动尽可能均匀,（,2,）模孔在模子平面上的布置：采用单孔模时，应将模孔的重心置于模子中心上，采用多孔模时，应将,多孔,模的理论重心均匀分布距模子中心和挤压筒边缘有合适距离的同心圆周上，同心圆直径,D,同,与挤压筒直径之间的关系由以下经验关系式来确定：,61,棒材模的设计,（,3,）,模孔尺寸的确定,：,（,4,）,工作带长度的确定：主要,根据棒材的断面尺寸和合金性质及挤压机的吨位等来确定工作带的长度。挤压铝合金棒材时，工作带长度一般取,28mm,最大不超过,10mm,。,（,5,）棒模的强度校核：对于多孔模，需对模孔之间和模孔与模子边缘的危险断面的强度进行校核，而在使用通用的大孔径模垫和垫环的情况下，还需计算抗剪强度和抗弯强度。,62,普通型材模的设计,普通型材模主要用单孔或多孔的平面模来进行挤压。为了提高挤压制品的质量，在设计型材模具时，除了要选择足够强度的模具结构外，还需考虑模孔的位置，模孔制造尺寸的确定和选择保证型材断面各部位的流动速度均匀的方法。,（,1,）,模孔在模子平面上的合理配置（单孔挤压）,63,普通型材模的设计,（,1,）,模孔在模子平面上的合理配置（多孔挤压,）,64,普通型材模的设计,（,2,）普通型材模孔形状与加工尺寸的设计,普通型材模孔尺寸一般按下式来计算，即,对铝及铝合金，上式中的系数,Ky,和,Kp,可按下表来选择。式中的其他参数如公差，线膨胀系数等可在有关的手册中查取,。,65,普通型材模的设计,（,3,）,控制型材各部分流速均匀性的方法,A,通过改变模孔工作带的几何形状与尺寸,B,阻碍角的作用,C,采用促流角（助力锥或供料锥）来均衡金属流速,D,采用平衡孔或工艺余量均衡金属流速,E,采用多孔对称布置模孔法均衡金属流速,（,4,）型材模具强度校核：用平面模挤压双孔扁条型材或悬臂部分很长的半空心槽形型材时，必须对模子进行抗弯强度校核,66,分流组合模的设计,（,1,）分流组合模的结构特点与分类,分流组合模是挤压机上生产各种管材和空心型材的主要模具形式，其特点是将针（模芯）放在模孔中，与模孔组合成一个整体，针在模子中犹如舌头一样。,67,分流组合模的设计,（,2,）分流组合模的结构设计,68,焊合室形状,a,圆形的；,b,蝶形的；,c,焊合室剖面图,1,分流孔；,2,焊合室；,3,死区,模芯定径带的结构形式,分流组合模的设计,69,应用平面分流模导流成形技术的新式挤压模,该技术是以平面分流为主要研究对象，主要是在焊合腔下增加导流孔，使变形金属能更容易成型（见图,1,），导流孔的设计必须要保证有足够的深（厚）度和合理的形状。为此，将带有焊合腔、导流孔和型孔的下模分成两部分：带有焊合腔、导流孔的中模以及带有型孔的下模。,70,71,可能存在的问题及解决办法,（,1,）可能引起挤压力增加,（,2,）模芯的稳定性减少,由于模厚增加，模芯长度增加，导致模芯刚度降低，在非均匀壁厚的制品中，产生的侧向压力有可能导致模芯偏移。但若设计时加以注意，注意消除和克服对模芯产生侧压的因素，则模芯是稳定的。,总之，挤压模具设计要诀：,孔随形走，避焊定桥，预配流量，定径微调,72,106XC,型材位于车体侧板部位，属于大型、多腔、薄壁、扁宽型材。型材最大外接圆直径,D,外,=500mm,，供料长度,24.6m,，型材各处壁厚相差较大，最大壁厚,4.5mm,，最小壁厚,1.5mm,，型材宽,487.4mm,，属于难成行型材。,实例分析：,106XC,轨道列车车体型材挤压模具设计,73,分级导流、多级分流的型腔结构设计,分级导流、多级,分流的型腔设计,技术通过：,a,）,分层次设计导流,腔、导流槽；,b,）设计不同桥,宽、桥高组合，,与分层次的导流,腔、导流槽配,合，调节金属流,动，保证金属在,模具宽展方向上,的均匀流动和完,全填充，同时降,低挤压阻力。,74,分级孔及模桥结构示意图,内斜筋节点对应分流孔中心位置；分流孔面积由中心向两侧逐渐增,大，且分流孔距型材距离也逐渐减小；越靠近两侧，分流桥降桥量越,大，并且分流桥宽度逐渐减窄。,75,模,芯,结,构,设,计,模芯设计选用锥台式模芯结构；模芯设计比焊合室平面高,1.5mm,；,H,处引流通,孔设计为,18mm10mm,，,J,处及中间立筋处设计为,20mm10mm,；引流斜槽,设计为,26,左右喇叭状且引流斜槽伸入分流孔深度与倒桥角深度大致相当。,76,焊,合,室,结,构,设,计,焊合室采用二级焊合室结构。一级焊合室高,34mm,，选用蝶形焊合室结构；二,级焊合室高,6mm,，型材斜筋连接节点处，二级焊合室宽度适当缩窄；型材两,端二级焊合室扩宽；型材平模部二级焊合尺寸也较窄。,77,模,孔,及,工,作,带,尺,寸,设,计,模孔尺寸确定为型材尺寸的,1.01,倍，型材部分截面在经验系数基础上还加上了,适当的修正值；,确定分流桥下、远离分流孔、最窄的模孔，最难进料部分作为工作带最低部,位，模芯工作带出口端设计比下模模孔工作带长,1.5,2mm,。,78,CAE,虚拟试模及模具优化设计,在挤压成形过程中，铝合金要经历加热、整体流动、分流、焊合、定型、,冷却等多个交叉耦合阶段，采用物理实验和现有的测量仪器与手段基本上,无法了解铝合金的成形机理和变形规律。运用仿真技术则可以模拟挤压成,形过程，揭示金属的流动规律和各种物理场量的分布、变化情况，可用于,指导开展模具优化设计，从而减少实际试模次数，降低试模成本。,挤压方向,79,Diagram,优化设计方案流程图,80,计算机仿真模拟初始参数设置,计算机仿真模拟模型,81,初始设计数值模拟结果分析,初始设计挤出型材图,初始设计挤出型材变形分布图,型材上、下,大面与各斜,筋连接节点,内凹，八条,斜筋不平,整。,型材上、下大,面与各斜筋连,接节点、型材,八条斜筋变形,量均较大，最,大变形量达到,8.65mm,。,82,Diagram,型材中间斜筋部位金属流速太慢，与此对应，型材右下角平模部位金属流,速,48mm/s,左右；且型材下边大面右侧部分与左侧部分流速不均衡，右侧部,分金属流速整体偏快,10 mm/s,以上。,模孔出口处金属流速分布与型材出口处金属流速分布规律一致。,83,第一次优化设计数值模拟结果分析,模具引流通孔第一次优化前后对比图,模具引流斜槽优化前后对比图,将原来,J,处,1020mm,的引,流通孔调整为,1323mm,；将,原来,H,处,1018mm,的引,流通孔调整为,1321mm,增大引流斜槽的,斜度，将引流斜,槽,26,喇叭角,调整为,30,84,Diagram,缩窄右下侧及平模部位二级焊合室尺寸，降低其对应处金属流速。,扩宽左下侧部分二级焊合室尺寸，加大对左下侧部位金属供料。,85,Diagram,型材上、下大面与各斜筋连接节点内凹趋势缓解，八条斜筋不平整现象得,到有效改善。,型材各部分变形量大大降低，最大变形量降低近半，说明模具优化设计措,施合理。,86,中间斜筋流速得到较大程度改善但仍偏慢，速度普遍只有,20mm/s,左右；,型材上侧大面左右两角部,A,、,B,处金属流速偏快，达到,38mm/s,以上；型材,中间立筋,C,处及平模部位金属流速稍快，流速,34mm/s,左右，因此，还需进,一步优化设计。,87,第二次优化设计数值模拟结果分析,将,J,处引流通孔,尺寸由,1323,mm,调整为,1525mm,，,将,H,处引流通孔,尺寸由,1321,mm,调整为,1523mm,。,88,Diagram,缩窄左上侧,A,处对应二级焊合室尺寸,4mm,。,调整右上侧,B,处、立筋,C,处及平模部位工作带长度，,B,处对应工,作带长度加长,2mm,，立筋,C,处及平模部位工作带长度调高,1mm,。,B,C,A,89,第三次优化设计,D,E,挤出型材成型,好，各处平整，,无明显异常变,形。,除左上侧,D,处变,形量超过,1,外，,其它部位变形均,较小。,除,D,处及,E,处,外，型材其余各,处金属流速基本,在,31.774,mm/s,范围内。,90,模具强度校核,分流桥最小高度：,H,min,=,L,分流桥抗剪强度较核：,本设计中分流桥符合抗弯、抗剪强度要求，满足受力要求，可直接,用于加工生产。,91,上模加工流程：,锯料,粗车,划线打字码,镗床镗边,钻起吊孔攻牙,CNC,粗铣,钻螺销孔攻牙,普铣床接顺,打金钢磨头,前工质检,热处理,精车配止口,CNC,精铣,平面磨磨工头,电火花套打工头,线切割割引流,电火花打芯头内空刀,电火花打引流,去应力退火,CNC,精铣上空刀,平面磨精磨,打磨,抛光,手工位,模具装配,精镗,精车外圆总厚,后工序检验,下模加工流程：,锯料,粗车,划线打字码,镗床镗边,钻起吊孔攻牙,CNC,粗铣,钻螺销孔攻牙,前工质检,热处理,精车配止口,平面磨磨出料面,CNC,精铣,慢走丝线切割,电火花粗打,电火花精打,去应力退火,精车外圆,平面磨精磨,打磨,抛光,精镗,模具装配,后工序检验,模垫加工流程：,锯料,粗车,划线打字码,钻起吊孔攻牙,镗键槽,CNC,粗铣,钻螺销孔攻牙,前工质检,热处理,精车外圆,平面磨,打磨,模具装配,后工序检验,模具加工工艺流程,92,Diagram,106XC,型材挤压模各零件图,93,型材,A,处大面有轻微内凹且壁厚比要求下公差薄,0.15mm,；,B,处上侧角部、下侧角部及立筋分别偏薄,0.15mm,，,0.10mm,及,0.2mm,。,第一次挤压试模及修模,A,B,修模措施：,对模芯间工作带则用平挫及砂纸仔细抛光，保证工作带垂直度及其表面粗糙度；选用磨枪对偏薄壁所对应上模分流孔及模桥打磨扩孔，加大对偏薄处金属供给。,94,型材除红色标记所示小爪壁厚比下公差薄,0.1mm,外，其它部位尺寸均,在要求公差范围内。红色小爪部位初次试模偏薄小，第一次修模对其对应,分流孔及模桥打磨不到位，导致处供料略微不足壁厚仍偏薄,0.1mm,。,修模措施：,继续用磨枪对偏薄小筋对应上模分流孔及模桥打磨扩孔，加大,对偏薄处金属供给。,第二次挤压试模及修模,95,Diagram,修模完成的模具装配好后再次上机挤压，第三次试模挤出的铝合金型材表面光滑明亮，没有擦伤、划伤和明显的挤压纹路，型材各处平面度、弯曲度、扭曲度及断面尺寸均满足要求，试模成功后的模具后续生产成功挤料,58,吨。,96,5.3.5,挤压模具制造工艺,挤压模具加工方法,制造铝材挤压模具的方法有：,机械加工,手工研磨法；,机械加工,电加工法,机械,加工,化学加工或电化学加工法,按工装和技术水平可组成如下专业的挤压模制造生产线：,单机组成的手工操作生产线；自动化单机和部分工序机械化组成的生产线；计算机控制的自动化生产线；,计算机控制,的机加工,电加工或电化学加工自动生产线,97,铝型材挤压模具制模工艺流程图,98,主要制模工序,A,自动制图,B,铣削,加工,C,放电加工,D,电解,加工,E,电极,成形,F,热处理,和,表面处理,影响挤压模具使用寿命的主要因素：,A,、模具结构设计与强度校核,B,、模具材料,C,、冷热加工与电加工工艺,D,、热处理与表面处理工艺,E,、挤压工艺与使用条件,F,、维护与修理,G,、挤压产品材料特性和形状、规格；,H,、科学管理,影响模具寿命的诸多因素是互相影响、互相制约，又互为补充、互为促进的，一种影响因素又会波及到其他方面的因素。,99,谢 谢！,100,