年产量4万吨H68黄铜管挤压车间设计方案样本.doc

目 录

摘 要 1
Abstract 2
第1章 概述 - 1 -
1.1 中国铜材加工生产现实状况及发展趋势 - 1 -
1.1.1 中国铜行业发展情况 - 1 -
1.1.2 中国铜制品不停发展发展 - 1 -
1.1.3 科技创新引领中国铜加工业高速发展 - 2 -
1.2 挤压生产发展和现实状况 - 2 -
1.3 挤压法优、缺点 - 3 -
1.4 本设计内容及意义 - 4 -
第2章 挤压工艺设计 - 5 -
2.1 H68黄铜性能分析 - 5 -
2.1.1 H68化学成份 - 5 -
2.1.2 H68物理性能 - 5 -
2.1.3 H68力学性能 - 5 -
2.2 挤压工艺设计 - 6 -
2.2.1 挤压生产工艺步骤简图 - 6 -
2.2.2 挤压方法 - 6 -
2.2.3 挤压工艺参数确定 - 6 -
2.2.4 挤压时润滑条件 - 9 -
2.2.5 锭坯尺寸选择 - 9 -
第3章 挤压设备计算和选择 - 11 -
3.1 挤压力及挤压设备 - 11 -
3.1.1 影响挤压力关键原因 - 11 -
3.1.2 挤压力计算 - 11 -
3.1.3 挤压设备选择 - 13 -
3.2 挤压工具及其设计 - 14 -
3.2.1 挤压模及其材质选择 - 14 -
3.2.2 挤压垫设计 - 20 -
3.2.3 挤压杆设计 - 21 -
3.2.4 挤压筒设计 - 22 -
第4章 辅助设备选择 - 26 -
4.1加热设备选择 - 26 -
4.2供锭机构选择 - 26 -
4.3冷却设备选择 - 26 -
4.4切断设备选择 - 26 -
4.5矫直机选择 - 26 -
第5章 车间劳动定员 - 27 -
5.1车间劳动定员 - 27 -
5.2车间劳动定员 - 27 -
第6章 车间组成和平面部署 - 28 -
6.1 车间平面部署标准 - 28 -
6.2车间平面关键内容 - 28 -
6.2.1 金属步骤线部署 - 28 -
6.2.2 生产设备部署 - 28 -
6.2.3 车间内通路部署 - 28 -
6.2.4 仓库面积确实定标准 - 28 -
第7章 关键技术经济指标和设计遗留问题 - 30 -
7.1 设计中关键技术经济指标 - 30 -
7.2 设计遗留问题 - 30 -
总 结 - 31 -
参考文件 - 32 -
致 谢 - 33 -

插图清单

图2-1 管材挤压产生工图艺步骤..................................................................................................6
图3-1 挤压力分量和模角关系................................................................................................11
图3-2 部分分流孔数目、大小和排列....................................................................................16
图3-3 分流桥横断面形状............................................................................................................17
图3-4 模芯结构形式................................................................................................................17
图3-5 焊合室结构形状............................................................................................................18
图3-6 公用分流孔示意图............................................................................................................19
图3-7 挤压垫结构形式............................................................................................................21
图3-8 挤压杆结构........................................................................................................................22

插表清单

表1-1 ~中国铜行业生产、消费及净进口情况...................................................1
表2-1 H68化学成份...................................................................................................................5
表2-2 H68物理成份...................................................................................................................5
表2-3 H62黄铜力学性能...........................................................................................................5
表2-4 挤压法分类..........................................................................................................................6
表2-5 热挤压时金属材料工艺参数值......................................................................................7
表2-6 挤压时锭坯加热温度..........................................................................................................8
表2-7 铜挤压时金属流出速率..................................................................................................8
表2-8 挤压筒和锭坯间隙值....................................................................................................10
表3-1 挤压机分类应用表........................................................................................................13
表3-2 常见工模具材料................................................................................................................14
表3-3 焊合室高度和挤压筒内径关系....................................................................................18
表5-1 车间劳动定员综合表........................................................................................................27
表7-1 车间综合技术经济指标....................................................................................................30

年产4万吨H68黄铜管挤压车间设计

摘 要

铜和铜合金在航天、航空、电子、电力、信息、能源、机械、冶金、建筑和交通等领域得到广泛应用。铜合金材料加工技术是控制和改善材料形状、组织、性能和尺寸关键手段，而用于铜合金管材加工生产塑形加工方法关键有挤压技术和轧制技术。
此次设计为年产4万吨H68黄铜管挤压车间设计，其中最关键是挤压工艺设计。锭坯尺寸为2801000mm，挤压制品尺寸为303mm，采取单动卧式挤压机，挤压方法为带润滑正向挤压。设计关键内容包含：总结中国铜材加工行业现实状况及发展、挤压工艺参数（挤压比、锭坯尺寸、挤压温度、挤压速度、挤压机选择等）设计、挤压力计算和挤压模具（挤压模、挤压筒、挤压垫、挤压杆等部件）设计及计算、辅助设备选择、车间劳动定员、车间组成和平面部署和关键技术经济指标。
此次设计挤压力为38.84MN。考虑到制品质量，挤压模为平面分流模。在计算模具厚度时，确定模具危险截面，利用弯矩得出模具厚度。
关键词：H68黄铜；挤压技术；车间设计；挤压工艺；挤压模具
With an annual output of 40000 tons of H68 brass extrusion workshop design
Abstract

Copper and copper alloy have been widely used in aerospace，aviation，electronics，electric power, information, energy, machinery, metallurgy,construction，transportation and other fields.The processing technology of copper alloy materials is the main method to control and improve the material shape, structure, performance and size.Plastic processing methods for pipe processing production of copper alloy mainly include extrusion technology and rolling technology.
This design is about an annual output of 40000 tons of H68 brass tube extrusion workshop ,in which the extrusion process is the most important part in the design.The billet size and the extrusion products’ size are2801000mm and30×3mm,respectively.The extrusion equipment is single-acting horizontal extruding machine，and the extrusion method is lubrication forward extrusion.The contents of the design mainly includes：summarizing the present situation and the development of China's copper processing industry，designing extrusion process parameters (extrusion ratio，the size of the ingot billet，extrusion temperature，extrusion speed，extruding machine selection，etc.)，extrusion pressure calculation and extrusion die design，(extrusion die，extrusion tube，extrusion，extrusion rod and other components) design and calculation，the selection of auxiliary equipment，and forming workshop labor capacity，the workshop layout and main technical and economic indicators.
The extrusion force of the design is 38.84 MN.Considering the quality of the products ,the flat die is chosen as extrusion die.When calculating the thickness of the mold, it is obtained by the dangerous section of the mold and bending moment .
Keywords：H68 brass；extrusion technology；plant design；extrusion process；extrusion die

第1章 概述
1.1 中国铜材加工生产现实状况及发展趋势
1.1.1 中国铜行业发展情况
12月，中国开采铜精矿含铜量为113.93万吨，比以往调高11.07%，加工铜材产量935.87万吨，比以往增加11.45%，生产精铜质量为517万吨，总体取得较大结果。近几年中国铜材发展情况如表1-1所表示。
年度
项目
铜精矿
精铜
加工铜材

生产量
115.6
457.3
1009.3
消费量
261.7
610.0
1049.5
净进口量
646.43
288.3
40.2

生产量
123.7
517.0
935.9
消费量
195.4
733.0
——
净进口量
581.3
227.3
26.0
表1-1 ~中国铜行业生产、消费及净进口情况 （万吨）

（1） 消费量和年产量连续保持稳定增加。中国在十一五期间，精铜产量从260万吨（）增加到458万吨（），年平均增加12%。大于同一时间GDP增加率。消费精铜相对来说提升15%，由374万吨（）增加到753万吨。中国铜加工产品消费量和产量连续保持较快增加速度。
（2） 铜矿资源实现较大发展。近几年来因为铜材价格一直上升影响，使中国铜矿开采工作显著增加，接连发觉部分矿产储量丰富铜矿，比如，西藏冈底斯铜矿成为中国最大铜矿床，资源储量高达1200万吨以上。
（3） 铜矿产冶炼企业生产规模不停矿大，产业密集度深入增加。江西铜业集团在生产105万吨精铜；大冶有色企业精铜产量达成历史最高，为35万吨。生产规模不停提升同时，冶炼企业密集度也不停增大。，中国铜材冶炼企业CR产量指标为0.631，HHI（Herfindahl-Hirsch man Index）为911，和中等密集水平向靠近。
（4） 铜材生产工艺水平和装备有了深入提升。在近几年，因为中国经济不停高速增加和全球范围内产业转移，中国铜材加工业不停发展，尤其是铜板带材，消费量和年产量连续告诉增加。同时，中国不停引进和自主开发一批水平优异铜材生产设备和生产工艺，不停提升技术创新水平，促进中国铜加工业高速发展。
1.1.2 中国铜制品不停发展发展
近几年来，中国铜产品品种发生了较大改变，新产品和新材料不停出现，传统铜材不停完善向现代铜加工产品转变，其中最显著、最突出特点是向高精度、环境保护、节能、高性能方向发展。很多产品达成世界优异水平，在铜材市场享誉中国外。
（1）空调和制冷设备超波、超细、高精度、复杂齿形和高清洁度产量不停增加。
（2）建筑用铜气、水管、采暖管在中国应用不停加大。
（3）冷凝器用铜合金管伴随电力工业不停发展，即使受到不锈焊接铜管影响，其产量不停提升。而且，冷凝器用铜合金管在造船业、海洋工程和化工行业应用也不停增加。
（4）焊接用带材大多用于铜包铝线材生产，品种规格为0.38×132mm，其要求含有严格宽度公差和较高导电率。
（5）桐线杆已成为作为线材坯料关键产品。合金线用铜杆大多使用水平连铸方法生产，关键产品有异形线、高速列车导线等
（6）无铅环境保护型铜及铜合金新材料、高导电材料和多种大长度异形铜材生产实现较大进展。
1.1.3 科技创新引领中国铜加工业高速发展
近60年来，中国铜加工行业由小变大、由弱到强，尤其是在十一五期间快速发展，七年来，产量居世界第一位。中国铜材产量为世界二分之一以上。中国铜加工业取得蓬勃发展关键原因即是科技创新。最近以来，由技术创新引发产业变革有：铜材产品性能由传统指标向现代化发展；产品品种由传统机械用铜材向现代电子行业用铜材发展；生产工艺由长步骤向环境保护、节能、高水平短步骤工艺发展。中国有些自主创新技术，如高精度内螺纹管生产技术已经达成世界优异水平。
（1） 工艺技术关键结果
打破了传统三级式铜及铜合金生产方法，深入缩短生产工艺步骤，向节能、环境保护、高水平生产工艺发展，卧式水平连铸坯→上引连铸线坯→高精度拉伸已经成为热点产品，如合金线材、内螺纹管等关键生产方法；光亮铜线杆连铸连轧技术取缔了能耗高、耗铜高、质量低、污染大陈旧设备和工艺，成为生产线坯关键方法；在中国管材生产中管材卷式生产法是经典优异技术，其中有很多技术已经达成世界优异水平。
（2） 装备技术关键成就
中国自主研发铜材加工技术装备有较高性价比，使项目投资显著减小，逐步在中国铜材加工企业得到应用，拜托了完全依靠国外优异生产装备局面，自主研发技术装备不仅在中国被广泛使用，而且深受全球铜加工业喜爱。关键技术装备结果有：中国铜及铜合金感应熔炉已经潜流话、连体化，含有节能、结构简单、环境保护优点；用于板带材生产轧机如粗轧机、中轧机和精轧机等完全国产化；管棒型材生产装备也已经基础上国产化。
（3）铜材加工技术创新
节能、环境保护、提升成品率和产品质量、增加产品品种、使生产成本降低、提升企业经济效益，铜材加工技术不停向着连续化、智能化、自动化和精细化生产前进。十一五期间中国铜材加工行业在生产技术方法创新中实现了较大进步，其中连续铸造技术、行星轧制技术和连续挤压技术三大技术为中国铜材加工生产提供了强有力地技术确保。
1.2 挤压生产发展和现实状况
挤压作为一个新金属塑性加工方法在成型领域出现不是太早。第一台挤压机出现是在1797年，是一位英国人为了生产铅管而发明，然后经过不停发展和改善。不过因为当初条件限制，挤压力不是很大，只能挤压部分像铅较软金属。以后技术条件不停发展，在1894年第一台挤压黄铜等硬金属挤压机问世。以后，这种加工方法日益发展。二战以后，挤压法应用在不一样领域，如宇航、汽车、船舶、运输、桥梁等，尤其是建筑业大量采取挤压制品，使挤压生产急剧发展，关键表现在以下方面。
（1） 挤压机性能不停提升、生产自动化水平显著调高。挤压机实现自动化把劳动力解放出来，是劳动力利用率最优，同时降低劳感人员，和计算机使用使加工生产效率很大程度上提升，甚至在一些生产线实现无人化操作。
（2） 产品规格和品种不停增加。挤压制品品种不停扩大，从开始简单断面型材如管棒线材到复杂断面异型材。挤压材料从软金属如铅到硬金属如铜、钢等。
（3） 挤压生产过程不停强化，不停出现新挤压技术。比如，在挤压有色合金挤压方面，经过控制金属流出速度，避免在制品表面上有周期性裂纹产生，发明了等温挤压技术，使用润滑挤压和冷挤压技术技术，使挤压速度显著提升。连续挤压出现，使生产效率和成材率大大增加。因为黄铜和紫铜易氧化则采取水封挤压、真空挤压和惰性气体保护挤压。
（4） 理论研究有突破性进展。因为当初只是看中技术可行性和生产效率，对其理论依据没有过多研究。对理论研究最早开始于H.C.库尔纳科夫，她关键研究不一样情况下金属流动情况、在流动时挤压力。随即，视塑形法出现使挤压理论有了突破性进展，即一个讲金属流动试验测量和应力计算结合起来方法。现在因为计算机发展和在挤压领域应用，能够做到在实际生产前模拟试验，结合模拟情况改善工艺等使挤压理论不停向前发展。
1.3 挤压法优、缺点
挤压法之所以能够快速发展，在不一样领域广泛使用是有其优点，相比其它加工方法有以下优点：
（1）工作条件为三向压应力状态，使锭坯塑像最大化发挥出来。对于硬质金属材料挤压是很有力。因为挤压应力状态充足发挥了金属塑形，所以金属能够承受很大塑形变形，挤压比可达成50或更大。
（2） 生产不一样产品不需要更换设备。操作方便、简单，工作时间短。挤压法比较适合生产小批量、多品种、规格挤压产品。
（3）挤压法不仅能够生产简单断面管、棒、型材，还能够在一台挤压设备上生产复杂断面挤压制品。
（4）挤压质量好，尺寸正确、缺点少。
（5）生产自动化高、比较轻易管理。
一个加工方法不可能只有优点而没有缺点，所以挤压法也存在一定缺点：
（1）锭坯利用率不高，如挤压后通常留有压余量、组合模具挤压时金属残留等。在挤压终了时要留压余和挤压缩尾。不一样挤压方法和挤压制品，金属集合损失不一样。
（2）加工速度低，辅助时间长。挤压时，锭坯变形程度较大和较大外摩擦力而且塑性变形区又完全被挤压筒缩封闭，使金属在变形区中快速升温，从而有可能达成金属脆性温度区，会引发挤压制品表面出现裂纹而成为废品。
（3）锭坯不均匀变形，使成品沿长度和断面上制品组织和性能分布不均。
（4）工具消耗较大。
1.4 本设计内容及意义
本设计，即年产4万吨H68黄铜管挤压车间设计，关键包含挤压车间工艺设计、关键设备计算和选择、辅助设备选择和车间平面部署等方面内容。
本设计意义在于：首先，能够为相关企业提供设计样例，缩短其在生产前理论研究和准备阶段，从而节省时间，在一定程度上提升经济效益和生产效率，愈加好愈加快地满足市场和用户需求，从而愈加好地服务于社会；其次，能够深入深化设计者对设计挤压车间熟练程度，培养扎实细致工作作风，锻炼自己全方面考虑问题能力，时理论知识转化为实践能力，未来能够愈加好地工作。
第2章 挤压工艺设计
2.1 H68黄铜性能分析
铜和锌铜基合金称为黄铜，一般黄铜含锌量大全部在40%内，且锌大量固溶于铜。通常把一般黄铜按其组织分为：单相黄铜（α黄铜），含Zn<36%；双相黄铜（α+β黄铜），含Zn为36~46.5%；β黄铜含Zn为46.5~50%。本设计采取黄铜为H68,含Zn量为32%，即单相黄铜（α黄铜）。其组织特征是：在铸态时，晶内偏析不严重，在快冷条件下，α黄铜铸态组织会析出少许β相。加工和退火状态时，带双晶等轴α晶粒大小和冷加工率和退火时间、温度相关。
α黄铜塑性很好，可冷热加工，其室温伸长率随锌含量增加而增大，到30~32%时，达成最大值。黄铜热加工前加热不仅能使其软化，又能消除枝晶偏析，深入改善室温塑性。
2.1.1 H68化学成份
H68化学成份见表2-1。
表2-1 H68化学成份

牌号
化学成份/%

产品形状
Cu
Fe
Pb
Ni
Zn
杂质总和
H68
66.5～68.5
0.15
0.08
0.5
余量
0.5
板、带、管、棒、线
2.1.2 H68物理性能
H68物理性能见表2-2。
牌号
液相点/℃
固相点/℃
密度/(g/cm3
线膨胀系数α/*104/℃-1 (20～300℃)
热导率/J.(cm.s.℃)-1
电阻率
电阻温度系数/℃2
(20～100℃)
和HPb63-3比较可切削性/%
H68
939
910
8.5
20
117.23
0.064
0.0015
30
表2-2 H68物理成份
2.1.3 H68力学性能
H68黄铜力学性能表2-3。
牌号
弹性模量
E/×1000MPa
抗拉强度
σb/MPa
屈服强度
σa/MPa

弹性极限
σe/MPa

疲惫强度
σn

伸缩率δ/%
布氏硬度
HB
软态
硬态
软态
硬态
软态
硬态
软态
硬态
软态
硬态
软态
硬态

H68

10.6

320

660

90

520

70

500

120

150

55

3

--

150
表2-3 H62黄铜力学性能
2.2 挤压工艺设计
2.2.1 挤压生产工艺步骤简图
挤压生产工艺步骤通常没有多大差异。结合对产品要求、厂房面积和生产效率原因能够采取不一样生产工艺。挤压生产工艺步骤为铸锭→加热→挤压→冷却→切头尾→矫直→切定尺→检验→入库。步骤简图图2-1所表示。
图2-1 管材挤压产生工图艺步骤
铸锭
加热
挤压
冷却
切头尾
矫直
切定尺
检验
入库

2.2.2 挤压方法
在挤压生产中有很多挤压方法，通常依据不一样特点后用途进行分类，如表2-4。在挤压生产工艺中正挤压和反挤压是最常见方法。二者区分关键是金属流动方向和杆运动方向是否一致。一致则为正挤压，正是因为这么所以存在较大摩擦力。反之则为反挤压。显然挤压筒和锭坯没有相对滑动，没有外摩擦力。二者不一样特点影响着挤压过程、产品精度、成品质量和生产效率等。对于空心型材和管材最常见方法也是挤压法。因为设备结构或能力影响，锭坯能够是空心也能够是实心。
表2-4 挤压法分类
分类特征
分 类
挤压方向
正向挤压
反向挤压
侧向挤压
变形特征
平面变形挤压
轴对称变形挤压
通常三维变形挤压
润滑状态
无润滑挤压
常规润滑挤压（润滑穿孔针挤压、一般润滑剂全润滑挤压）
特种润滑挤压
挤压温度
冷挤压
温挤压
热挤压（一般热挤压、等温挤压）
挤压速度
低速挤压、高速挤压、冲击挤压
综合所述，此次设计为管材挤压，选择挤压方法为正向热挤压。
2.2.3 挤压工艺参数确定
确定挤压工艺参数时，通常要考虑多种原因综合作用对金属压力加工时可挤压性和对挤压制品质量要求（形状和尺寸偏差、组织和性能、表面精度等），从而达成提升生产率和成品率要求。热挤压进程当中基础参数是挤压速率（金属出口速率）和挤压温度，这两个基础参数组成为了温度——速率前提，对挤压进程节制十分关键。
在确定具体挤压工艺参数规模时，找到一个既斟酌出产请求理论方法和全部影响原因是不易。以是，在选择挤压工艺参数时，在理论阐发基础上举行各类工艺试验，考查产品质量，并参考现实出产经验值。通常挤压工艺参数值见表2-5。
表2-5 热挤压时金属材料工艺参数值

金属材料
挤压温度
/℃
挤压比
流出速度
/m•s-1
单位挤压力
/MPa
铜及铜合金
纯铜
α+β黄铜，青铜
10~13%Ni白铜
20~30%Ni白铜
820~910
650~840
700~780
980~100
10~400
10~400
10~200
—
0.1~5.0
0.1~3.3
0.1~1.67
0.1~0.6
300~650
200~500
600~800
500~850
2.2.3.1 挤压温度
（1） 金属和合金可挤压性
挤压成型可能是否关键依据材料可挤压性，通常和材料相关。关键包含在高温条件下金属变形抗力和塑形两个指标。
选择金属加热温度关键在熔点温度0.75~0.95倍周围。所以，应查找金属熔点和成份合金在相图上固定点温度，确定挤压温度上限，预防挤压时出现热脆性。其次，对于存在相变合金，单相区最适合挤压。金属应尽可能在高温塑形温度范围内进行热挤压，避免产生周期性裂纹。同时，应注意到金属和合金在热状态下表面性质，预防锭坯表面过分氧化和粘接。
（2）制品质量要求
挤压制品温度在模孔出口出沿长度方向上下波动，冷却后断面尺寸沿长度方向上也存在偏差。制品断面尺寸出现波动时，首先检验和调整锭坯初始温度，无法立即调整时应控制挤压速度。
对于成份和组织状态不一样合金，锭坯初始温度影响着金属流动不均匀性和组织性能。通常，锭坯表面易产生硬氧化金属材料，挤压温度不宜过高；对有相变合金应阻止在相变温度区挤压。为确保制品组织均匀性可采取等温挤压技术。
易于粘接工具锭坯，不管是挤压工具损伤还是粘接金属，全部会使挤压制品表面质量恶化。所以，这类金属合金应在较低温度下加热。
（3）挤压温度控制值
总而言之，挤压温度范围考虑到合金状态图、高温塑形图、再结晶图，还要参考车间实际生产规程和设备能力，用以确保成品率、生产率和制品质量要求等指标，同时还应估量到挤压过程中金属热量平衡关系。
铜及其合金在不一样挤压条件下实际挤压温度见表2-3。此次设计为H68黄铜挤压，依据表2-5、表2-6选择挤压温度为700℃、锭坯原始温度为800℃。
表2-6 挤压时锭坯加热温度
金属种类
合金及牌号
锭坯原始温度/℃
挤压筒温度/℃
棒材
管材
铜
黄铜
H68，HSn70-1
H62，HSn62-1
HFe59-1-1
HPb59-1
HAl77-2
HMn57-3-2
HSi80-3
700~750
640~690
——
580~630
750~800
580~630
720~770
780~840
700~760
——
580~630
770~820
——
600~650

350~400

2.2.3.2 挤压速率和金属流出速率
挤压速率有三种不一样表示方法：挤压杆移动速度率vg ；金属流出模孔速率 v= λvg，此法最常见、最直观；金属变形速率 ε ，此方法实际生产中不用。
依据产品质量和设备能力（吨位、速度）要求去选择挤压速率，通常选择较大挤压速率。确定实际挤压时金属流出速率，依据挤压温度已知前提下，综合考虑挤压材料变形抗力、合金塑性、挤压比和工模具预热影响来确定金属流出速率，铜及铜合金许可金属流出速率如表2-7所表示。
表2-7 铜挤压时金属流出速率 （m/min）
金属材料
<40
=40~100
>100
管材
棒材
管材
棒材
管材
棒材
H68、HAl77-2
2.4~6.0
2.4~6.0
2.4~6.0
2.4~6.0
2.4~6.0
2.4~6.0
H90、H85
12~48
12~60
——
——
——
——
H62、HPb59-1
42~48
24~90
120~140
36~180
——
60~240
依据上述可知，挤压金属为H68黄铜、挤压比120、挤压成品为管材，所以挤压金属流出速率为2.4~6.0m/min，本设计取3m/min。
2.2.3.3 挤压比
挤压比通常依据挤压生产工艺步骤来确定，其值通常控制在6~100范围内。
（1）金属和合金