挤压铝型材专业课程设计.doc

一. 题目:
铝合金型材挤压工艺及模具设计
二. 设计基本内容:
设计一件实心型材制品和一件空心型材制品工艺工艺过程及模具设计,涉及挤压工艺参数,模具构造,制造工艺等规定
三. 完毕后应缴资料:
课程设计阐明书一份
实心型材模零件图
空心型材模上模零件图
空心型材模下模零件图
空心型材模装配图
四. 设计完毕期限:
6月11日------6月22日
指引教师_______签发日期___________
教研室主任_______批准日期___________
课程设计评语:

成绩:

设计指引教师_________
_____年_____月____日
目录
一、绪论………………………………………………………4

二、总设计过程概论…………………………………………7
2.1挤压工艺流程………………………………………7
2.2挤压工艺条件………………………………………7

三、实心型材模设计…………………………………………9
3.1所要设计实心型材制品…………………………9
3.2选坯和选设备………………………………………10
3.3挤压力计算………………………………………11
3.4实心型材模详细构造设计…………………………12
3.5. 实心模尺寸数据设计……………………………13

四、空心型材模设计…………………………………………18
4.1所要设计制品………………………………………18
4.2选坯和选设备…………………………………………18
4.3挤压力计算…………………………………………19
4.4模组及模子外形尺寸拟定……………………………20
4.5组合模有关参数拟定………………………………20
4.6 模子内形尺寸拟定…………………………………23
4.7模孔工作带长度hg拟定……………………………24
4.8模芯设计……………………………………………24
4.9上模凸台设计…………………………………………24
4.10定位销，螺钉………………………………………24
4.11模子强度校核………………………………………25
4.12零件图装配图………………………………………26

五、总结与体会……………………………………………….26

参照文献………………………………………………… 26

一. 绪论
近来，随着建筑行业高速发展，国内民用建筑铝型材工业也从无到有，从弱到强地迅猛迈进。至今，广东省建筑铝型材产品已约占全国三分之二左右，铝型材生产能力超过社会需求，如何提高产品质量，减少成本是获得市场竞争胜利核心环节。
铝合金型材具备强度高、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—1），回收性好，可回炉重炼。6063合金中重要合金元素为镁及硅，具备加工性能极佳，优良可焊性，挤出性及电镀性，良好抗腐蚀性，韧性，易于抛光，上包膜，阳极氧化效果优良，是典型挤出合金，广泛应用于建筑型材，灌溉管材，供车辆，台架，家具，升降机，栅栏等用管，棒，型材。近年来世界各国均采用6063铝合金（铝合金近百种）作为门窗框架。重要是为了该金属表面阳极氧化效果好，开始阳极氧化是白色，后进一步变化电解质才达到古铜色，这两种主体颜色在国内用了十近年。
铝材在挤压过程中，如挤压模具不是较好或模具挤压铝材过多，铝材表面会产生挤压痕，用手也许触摸到铝材表面不平，因而，在当代化大生产中实行挤压加工技术，其成败核心是模具，模具设计以及其质量，事关产品质量，成本。
在挤压设计过程中挤压工艺条件：应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类、形状、尺寸等）、切压余、淬火、冷却、切头切尾等多方面因素。其中，选取挤压筒直径 D0 是一种最核心问题，有如下选取原则：1）保证产品表面质量原则；2）保证挤压模强度原则；3）保证产品内在质量原则；4）经济上优化原则－生产成本最低；成材率最大；产量最高。
这次设计任务是设计一种实心型材和一种空心型材模，实心型材模采用单模，空心型材模采用分流组合模，挤压制品所有材料是6063。由于其强度高，质量轻，加工性能好，在退火状态下，该合金有优良耐蚀性及物理机械性能，是一种可以时效强化AL-Mg-Si系合金，广泛应用于基本性建筑行业以及某些机械制造业。
其化学成分表达如下:
6063AL成分：GB/T3190-1996：
表1:
牌号
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Zn
Ti
其他元素
每种
总量
6063
0.2～0.6
≤0.35
0.10
0.10
0.45～0.9
0.10
0.10
0.10
0.05
0.15
6063机械性能：（《铝合金及应用》）

表3:
惯用挤压工具钢及其机械性能：
钢号
成分（％）
实验温度

/MPa

/MPa

/%

/%
HB
热解决工艺

5CrMnMo
0.55C
1.51Mn
0.67Cr
0.26Mo
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

油淬600
回火
3Cr2W8V
0.30C
0.23Cr
8.65W
0.29V
300
400
500
600

1520
1430
1280

1373
1363

15

5.6
8.3
429
429
405
325
1100
在油中淬火，550
回火
4Cr5MoSiV1
0.37C
4.74Cr
1.25Mo
1.05Si
1.11V
0.29Mn

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

油淬第一次回火600

二.总设计过程概论
2.1挤压工艺流程:
铸锭加热→挤压→切压余→淬火→冷却→切头尾 或（切定尺 ）→时效→表面解决→包装→出厂
2.2挤压工艺条件:
1）.铸锭加热温度
6063铝最高容许加热温度为550℃，下限温度为320℃，为了保证制品组织，性能，挤压时锭坯加热温度不适当过高，应尽量减少挤压温度。
2）.挤压筒加热温度
模具成分多为合金钢，由于导热性差，为避免产生热应力，挤压前挤压筒要预热，为保证挤压制品质量，并且具备良好挤压效应，挤压筒温度可取400℃～450℃。
3）.挤压温度
热挤压时，加热温度普通是合金熔点绝对温度0.75～0.95倍，本设计挤压温度为450℃～500℃，挤压过程温度控制在470℃左右。
4）.挤压速度
考虑金属与合金可挤压性，制品质量规定及设备能力限制，本设计挤压速度取0.7～0.8m/s。
5).工模具润滑
因本设计采用热挤压，故不采用润滑。
6）.模具
模具应具备足够耐高温疲劳强度和硬度，较高耐回火性及耐热性，足够韧性，低膨胀系数和良好导热性，可加工性，及经济性，本设计采用4Cr5MoSiV1作为模具材料，热解决硬度为HRC40～47。
7）.切压余
依照所选设备而定。
8).淬火
本工艺过程中，制品挤出后可通过设立电扇对制品进行吹风来达到风淬目。
9）.冷却
直接露置在空气中冷却，达到自然时效目。
10）.切头尾
因头尾组织性能不均匀，为保证产品质量，本工艺过程统一去头尾各300mm。

三.实心型材模设计
3.1所要设计实心型材制品:
本制品形状和尺寸如下
图1：

牌号（XC311）
制品截面积F制＝212.9mm2
型材外接圆直径D外＝43.86mm

既有设备：

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
3.2选坯和选设备:
依照加工范畴规定（F制≥F制min,及D外≤D外max）有500T、800T可选，按成材率最高原则，进一步优化，计算列表：
表5：
序号
D0
(F0)
Dd
(mm)
Ld
(mm)
单重wd（kg/根）
填充系数K
填充后长度Ld’
压余厚hy
(mm)
切压余后有效长度Ld”
挤压比λ
制品长
L制
(m)
成品数
nx6
(m)
成品重
W制(kg)
成材率
W制/Wd
(％)
1
Φ
95
90
270
4.62
1.114
242
20
222
33.29
7.39
1X6
3.44
74.40%
2
Φ
95
90
320
5.47
1.114
287
20
267
33.29
8.89
1X6
3.44
62.77%
3
Φ
125
120
400
12.20
1.085
369
25
344
57.61
19.82
3X6
10.32
84.95%
4
Φ
125
120
450
13.73
1.085
415
25
390
57.61
22.47
3X6
10.32
75.38%
最后选取成材率最高84.95％相应方案3
3.3挤压力计算:
依照挤压力公式：
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——制品当量直径，mm
σb——某一挤压温度下材料抗拉强度，MPa
故P＝11.775×[（125/16.46）1/2－0.8 ] ×1252×16.2
＝5829.21KN
换算成吨位：约595T
P＜额定吨位800T，设备选取符合规定，即理论技术可行。
3.4实心型材模详细构造设计:
模组构造如下图
图2：

1.模子 2.模垫 3.前环 4.后环 5.保护垫板 6.前机架 7.模座
8.模套 9.剪刀 10.挤压筒
模组构造：
对于不同吨位挤压机，下图中重要构造尺寸都是配套设立，可以从关于资料中查得。模组重要构造尺寸如图3
模组尺寸如下表：
表6：
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
50～60
50～60
60～80
挤压模具尺寸如下表：
表7：
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
3.5. 实心模尺寸数据设计:
1)．选坯和选取设备
依照前面计算
挤压筒内直径D0=125mm 锭坯尺寸：Dd × Ld＝Φ120×400
挤压比λ=57.61
2).模组及模子尺寸外形计算
图3：

依照前面计算，从表6选用
H2=100 H3=60 H1=30
模子外形尺寸拟定（如下图4）
图4：

根据表7数据可以拟定
d1=165㎜ d2=175㎜ h1=12㎜ h2=30㎜
3)模子内形尺寸拟定
挤压比λ=57.61＜λMAX=82，故不需要多孔挤压
拟定模孔尺寸：
型材外形尺寸公式：Ak=Am＋(1＋C1)＋△1
Ak——模孔实际尺寸
Am——型材名义尺寸
C1——欲量系数（对于6063合金，C1＝0.017～0.010，本设计C1取0.010）
△1——型材外形尺寸正偏差值
计算得到:
Bk＝40(1＋0.010)＋0.60＝41.00mm
Hk＝18(1＋0.010)＋0.45＝18.63mm
型材壁厚尺寸公式：Sk=Sm＋△2＋ C2
Sk——模孔实际壁厚处尺寸
Sm——型材壁厚名义尺寸
C2——欲量系数，对铝合金普通取0.05～0.15，本设计取0.10
△2——型材壁厚正偏差
计算得到：
Sk＝3＋0.25＋0.10＝3.35mm
模孔重要尺寸如下图5
图5：

4)．孔形在模子端面位置拟定
由于本型材为等壁厚型材，故型材几何重心在置模子中心压力中心计算（如下图示）

X0＝0
Y0＝(l1y1＋l2y2＋l3y3＋l4y4＋l5y5)×2/(l1＋l2＋l3＋l4＋l5)×2
Y0＝（20×0＋18×9＋3×18＋17×10.5＋8.5×3）×2/（21＋4＋17＋32＋17＋4＋21＋40）×2＝6.32
压力中心为X0＝0，Y0＝6.32
5).工作带长度拟定
由于是等壁厚型材，故定径带长度hg各处相等，本次设计取
hg＝5mm
6).阻碍角
由于hg≤10～15㎜，故不采用阻碍角
7)．模子强度校核
型材模强度较核重要是其悬臂梁某些，取型材上端AB为危险端面,进行强度校核.

、求单位压力p：p＝P / F0（P为挤压力，F0为挤压筒断面积）
P＝800吨，p＝800×1000×9.8/12266＝639.17Mpa
舌部载荷Q＝pFsh（Fsh为舌部即阴影某些面积）
Q＝639.17×32×15＝306801.6N
、舌部弯曲应力σw计算：σw＝Mw / W
式中Mw——弯矩，Mw＝Qe（e为阴影某些重心到危险断面处距离）；
W——截面模数，W＝bshH2/6（H为模子厚度）。
bsh＝34mm
Mw＝306801.6×7.5＝2301Nm
W＝34×302/6＝5.1cm3
σw＝2301/5.1＝451.2MPa
、剪应力τ计算：τ＝Q / bsh×H
τ＝306801.6/(34×30)＝300.79MPa
、等效应力σe计算：σe＝[σw2＋(1.73τ) 2]1/2
σe＝[451.22+(1.73×300.79)2] 1/2＝688.74MPa
500°C时4Cr5MoSiV1屈服强度为1025MPa，远不不大于σe，因此模子强度合格。
8).作图
（见图纸）

四.空心型材模设计

4.1所要设计制品:
本设计制品牌号为I529系列回型管
详细参数为
B＝92mm，H＝25.4mm，T＝1.8mm,重量：1.09Kg/m
详细如下图
图6

4.2选坯和选设备:
制品截面积：F制＝409.68 mm2
模孔外接圆直径D外＝ 95.44 ㎜
依照加工范畴规定（F制≥F制min,及D外≤D外max）由表4知
只有1630T可用
按成才率最高原则，在进一步计算优化，计算列表如下
表8
序号
Do
(Fo)
Dd
(mm)
Ld
(mm)
单重wd(kg/根)
填充系数K
填充后长度Le
压余厚hy
(mm)
切压余后有效长度Ld
挤压比λ
制品长
L制

(m)
成品数
nx6
(m)
成品重
W制(kg)
成材率
W制/Wd
(％)
1
Φ
187
178
540
36.15
1.10
491
30
461
67.01
30.9
5X6
33.06
91.5
2
Φ
187
178
600
40.16
1.10
545
30
515
67.01
34.5
5X6
33.06
82.3
3
Φ
187
178
660
44.18
1.10
600
30
570
67.01
38.2
6X6
39.67
89.8
最后选取成才率最高91.5％相应方案1
即1630T挤压设备
锭坯尺寸为：Dd X Ld＝Φ178×540mm
挤压比λ＝67.01
4.3挤压力计算:
依照挤压力公式：
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——制品当量直径，mm
σb——某一挤压温度下材料抗拉强度，MPa
故P＝11.775×[（187/22.84）1/2－0.8 ] ×1872×16.2
＝13750.3KN
换算成吨位：约1403.1T
P＜额定吨位1630T，设备选取符合规定，即所选设备理论可行
4.4模组及模子外形尺寸拟定：
模组尺寸构造简图如前图3所示
依照前面计算，从表6选用
H2=150 H3=70 H1=30
模子外形尺寸简图如前图4根据表7数据可以拟定
d1=250㎜ d2=260㎜ h1=13㎜ h2=150㎜
由于本设计采用孔道式分流组合模
故：取H上＝80㎜ H下＝70㎜
4.5组合模有关参数拟定：
1).分流孔个数取4个，形状为扇形
2)．扇形面积拟定：
由于分流孔面积与制品断面积比值∑F分/F型＝K,K即为分流比，普通K对于空心型材时，应等于λ1/2。本设计取K=8..19
分流孔面积∑F分＝K. F型=8.19×409.68=3355.28 mm2
且分流孔面积大小按F大/F小=f大/f小
其中,F---分流孔面积，f----相应型材面积
∑F分＝2X(F大＋F小)
故F大＝1329.58 mm2 F小=348.06 mm2
3).分流孔位置拟定
①分流孔中心圆直径D分＝0.7D0=0.7×187=130.9mm

②应保证分流孔最大外接圆直径比设备可加工范畴孔最大外接圆直径小5mm。本设计设备可加工最大外接圆直径为Φ147,故分流孔最大外接圆直径≤Φ142mm
③综合各因素考虑，暂时先取其外接圆直径为Φ132mm
④拟定a，α，β大小如图
图7

其中a,b为模孔与模腔最小距离，根据经验a,b普通取3～8㎜，本设计取a=8㎜，b=7.5.
图8

由h=25.4/2+8=20.7,H=132/2=66，由几何知识可得方程式：，用代入有关数据可得出α≈40°，
同理，得出β≈30°，由AutoCAD菜单栏“工具”→“查询”→“面积”功
能验算得出成果基本对的。
图9

4).分流孔形状
分流孔由一定倾斜锥度，，这样可以改进焊缝质量，孔道锥面与其轴线夹角为2°～4°，本设计取4°
5).分流桥
分流桥宽窄和模具强度以及金属流量关于，从增大分流比，减少挤压力来考虑，分流桥宽度B应当选取小些，但为了改进金属流动均匀性，模孔最佳受到分流桥遮蔽，则B应当选取得宽些，普通取：
B=b＋(3～20)㎜
本设计采用倒梯形构造，取B=45见下图
图10

6).焊合室
焊合室形状和大小对焊缝质量有很大影响。
按经验公式：当D0＝Φ190～200㎜时，h＝20㎜，焊合室直径比分流孔出口处约小5mm，本设计取h=20mm，形状为圆形如图：
图11:

4.6 模子内形尺寸拟定:
工件如图所示:
图12:

模具图如下:
图13:

按经验公式A=A0＋K A0
A--制品外形模孔尺寸
A0－制品外形公称直径
K-经验系数，由于本设计争对6063合金，取K=0.010
得BK=92（1＋0.010）+0.95=93.88，HK=25.4(1＋0.010)+0.7=26.36
制品型材壁厚可由经验公式B=B0＋△拟定
由于B0=1.8㎜.本设计△＝0.1
故Tk=1.8＋0.1=1.9㎜
4.7模孔工作带长度hg拟定:
由于本型材制品对称性较好，外形相对较小，普通可取2～6㎜。
本设计取hg＝5mm
4.8模芯设计:
普通伸出下模工作带3－5mm，本设计取4mm，模腔外形按空心型材空心某些拟定。
4.9上模凸台设计：上模凸台高取7mm，直径为Φ256mm，用于装配定位
4.10定位销，螺钉（按GB原则选用原则件）:
定位销直径取两个：Φ8x75，螺钉采用M10x85,详细阐明见装配图
4.11模子强度校核：
这种模子在工作时承受载荷最不利状况是分流孔道和焊合室尚未进入金属和金属布满焊合室后来流出模孔之际，故强度校核重要是针对模子分流桥，模桥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——分流桥最小高度
L——分流桥两个危险断面长度，经计算L＝mm
P——作用在挤压垫片上单位压力
[σb] ——模具材料在温度下许用应力。
在450～500°C下，对于4Cr5MoSiV1取[σb]＝1000MPa
代入数据得：
P=1630x9.8x1000/27451=582MP
Hmin＝125[582/（2× 1000）]1/2
Hmin≈67.43mm
由于上模厚度H上＝80mm＞67.43mm，故符合规定
②分流孔道抗剪强度校核
τ＝Qq / Fq ≤[τ]
Qq——分流桥面上总压力；
Fq——分流桥受剪应力总面积；
[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=（1630×9.8×1000/27451）×9918/（80×45×4）＝399MPa≤500MPa
故强度符合规定。
4.12零件图装配图(见图纸)
五、总结与体会
在两个星期挤压模课程设计将近结束。设计开始前几天，袁教师跟咱们解说铝合金应用，惯用加工办法，加工挤压模基本构造，本次设计环节以及设计注意问题，这些都对我本次课程设计提供了很大协助，意义重大。使我接触到了诸多关于挤压模具设计知识，例如某些挤压成型模具基本构造等，并且学到了许多课本上学不到关于铝合金材料知识！
设计过程中，除了最后三天画图以外，我每天准时来到制图室，虽然教师有事没来也同样！在计算，设计过程中遇到过诸多细节问题。我积极地与同窗们讨论，通过思考后还是不懂问题就向教师请教。在教师指引下诸多问题迎刃而解！
此外，在绘图过程中也遇到某些问题，例如我这学期练习PRO/E软件比较多，但本次设计我用是AUTO CAD，使我用些命令混淆了，导致绘图速度较慢，但日后随着画图进行，状况逐渐好转，相信后来会更加纯熟！
本次设计我已经基本完毕了，虽然存在之许多局限性，需要一定修改。但是我通过这次设计，已经基本学会了如何设计一套挤压模具基本过程，看着自己劳动成果，感到很开心。更重要是，它使我对模具设计产生了强烈兴趣，后来会在模具设计这方面继续加强！

参照文献：
【1】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
【2】刘静安《轻合金挤压工具与模具（上）》冶金工业出版社
【3】中华人民共和国机械工程学会 李春胜《钢铁材料手册》江西科学技术出版社 .7
【4】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
【5】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