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客车水槽铝型材挤压模具设计

摘 要

本设计开始就对客车水槽做了结构工艺分析，综合考虑采用卧式挤压机进行热正挤压的成型方式，并进一步分析了6063铝合金的各项性能，确定了生产过程的各个详细的工艺参数及生产流程。
紧接着选择了500吨的挤压设备，选用4Cr5MoSiV1作为模具材料，并确定使用平面模来对产品进行生产，确定平面模的外形尺寸、采用预应力组合凹模、模孔数为2、模孔为中心对称分布、模孔外形尺寸的修正及模孔工作带长度并对平面模进行了强度校核；考虑添加了模孔形状为椭圆形的导流模，计算了锭坯尺寸、挤压比和挤压力。
最后对挤压工具进行了设计，主要涉及挤压筒的设计，其中挤压筒采用内外两层的结构形式；选择内外套的配合形式及各项尺寸，并进行强度校核；挤压轴的设计，主要有挤压轴的结构形式及具体尺寸，并校核；挤压垫片设计，主要有尺寸选取及强度校核。
本套模具投入使用时，可在490℃-530℃的温度下生产出表面粗糙度可达到0.4的客车水槽，最高挤压速度可达80m/min。

关键字：铝型材，挤压，模具设计，制造

Bus sinks aluminum profile extrusion die design

ABSTRACT

The design of space to do the technology analysis of structure sink, comprehensive consideration of the extrusion machine adopts horizontal heat is extrusion molding way, and further analyzes the various properties of 6063 aluminum alloy, determine the production process of each detailed process parameters and the production process.
And then choose the 500 tons of extrusion equipment, use 4 Cr5MoSiV1 as mould material, and make sure to use plane mode to the product production, to determine the size, shape model plane using prestressed concrete combination concave die, die hole for 2, model hole for the symmetric distribution center, model hole shape dimension of fixed and model hole with length of the plane and work strength check module; Consider added model hole shape for the oval diversion module, and calculated the pieces of billet size, extrusion ratio and the impact extrusion.
Finally the design of extrusion tool, mainly relating to the design of the tube extrusion, including extrusion with two layers inside and outside of the tube structure form; Choice of internal and external set with forms and the size and intensity; Squeeze of the axis design, are mainly jostling of the axis structure form and the detailed dimension, and checked; Dummy blocks design, basically have size selection and intensity.
The set of the mould put into use, can be in 490 ℃ to 530 ℃ temperature output grows in the surface roughness of 0.4 bus sinks, highest extrusion speed can reach 80 m/min.

KEY WORDS：Aluminum alloy Profile, extruding mold, design, manufacture

目 录

前 言 1
第一章 结构工艺分析 2
1.1 产品工艺分析 2
1.1.1 产品结构分析 2
1.1.2 挤压方式的分析确定 2
1.1.3 挤压模具的初步选定 3
1.2 6063铝合金工艺分析 3
1.2.1 6063铝合金的应用 3
1.2.2 6063铝合金的特点 4
1.2.3 6063铝合金的组成 4
1.2.4 6063铝合金的性能 4
1.3 挤压工艺流程及工艺参数 5
1.3.1 挤压工艺流程 5
1.3.2 挤压工艺及工艺参数条件的确定 5
第二章 平面模设计 8
2.1 型材挤压方法概述 8
2.2 选择挤压设备 8
2.2.1 型材挤压机的分类 8
2.2.2 典型的型材挤压机 9
2.2.3 选择挤压设备 10
2.3 锭坯尺寸选择 11
2.4 计算挤压比 11
2.5 计算挤压力 12
2.6 模具材料的选用 13
2.6.1 型材挤压对模具材料的要求 13
2.6.2 挤压模具的材料 14
2.7 模组选择 15
2.8 型材模设计 16
2.8.1 组合凹模设计 16
2.8.2 模孔的合理布置 19
2.8.3模孔几何尺寸的确定 21
2.8.4 减少金属流动不均匀的措施 22
2.9导流模设计 26
2.10 强度校核 27
第三章 挤压工具设计 29
3.3 挤压筒的设计 29
3.3.1 挤压筒工作内套的结构 29
3.3.2 挤压筒与模具平面的配合方式 29
3.3.3 挤压筒结构尺寸的设计 30
3.4 挤压轴的设计 31
3.4.1 挤压轴的结构形式 31
3.4.2 挤压轴尺寸的确定 31
3.4.3 挤压轴强度校核 32
3.5 挤压垫片设计 33
3.5.1 垫片尺寸的确定 33
3.5.2 挤压垫片强度校核 34
第四章 模具装配简图 35
结 论 36
谢 辞 37
参考文献 38
外文资料翻译 39

前 言

本设计是本科毕业设计的设计课题，主要设计客车水槽铝型材挤压模具。旨在设计能够生产6063铝合金为原材料的客车水槽。
挤压工艺是一种优质、高效、低消耗的少无切削加工工艺，在汽车、机械、轻工、航天、航空、军工、电器等制造领域得到越来越广泛的应用。挤压技术，作为一种先进的制造技术，在目前原材料价格不断上涨，市场竞争日趋剧烈的情况下，开拓了进一步研究和推广应用的广阔前景。从某种意义上来说，挤压技术的发展是衡量一个国家制造业，甚至工业现代化的水平高低的一个重要标志。
由于科学技术的进步，经济的高速发展与人民生活水平的不断提高，对铝及铝合金管、棒、型、线材产品提出了越来越高的要求，近几十年来，国内外的生产技术与装备也获了长足的发展并达到了相当高的水平。我国的挤压工业与技术也有了极大的进步，但与国际先进水平仍有一定的差距。
本课题主要目的就是设计一套能挤压生产出客车水槽的模具。模具的设计是一个比较复杂的过程，设计过程中涉及很多的内容及个方面的数据，本文就是详细的介绍了铝型材热挤压模具的设计过程，其中包括对6063铝合金的分析、坯料尺寸的选择、挤压比的计算、挤压力的计算、选定挤压的温度、模具材料的选用，重点是模具各工种部分的设计，凹模的设计、卸件及顶出装置的设计、导向装置的设计、压力垫板的设计、凸凹模的紧固方法等。最后绘制了模具的总装草图和总装配图以及一些必要的零件图，并且整理打印装订毕业设计说明书。
本设计在设计过程中得到了很多同学的大力支持，特别是胡玉军同学给了我极大的帮助；通过借鉴参考文献中的研究成果，完成了本次毕业设计的全部任务；尤其得到金文忠导师和建材办公室方世杰主任的悉心指导和帮助，在此一并表示衷心的感谢。由于设计者的水平有限，不当之处敬请读者提出宝贵意见和建议。

第一章 结构工艺分析

1.1 产品工艺分析

1.1.1 产品结构分析
本课题的产品客车水槽截面图如图1-1所示：

图1-1 客车水槽铝型材截面

从产品的横截面来看，改产品为实心型材挤压件，产品形状比较复杂而且不是轴对称，其中包含圆弧部分、支架部分和尖角部分。产品的外形尺寸偏小，高24.5mm，宽33.5mm，其中最小厚度为1.5mm，最大厚度不超过4mm。

1.1.2 挤压方式的分析确定
首先需要确定的是本产品采用的挤压方式一定为正挤压，因为该产品就是典型的正挤压件。而正挤压应为设备的不同可分为卧式挤压机和立式挤压机。中、小管材一般可在立式挤压机上生产而无严重壁厚不均。在立式挤压机上甚至可挤压外径小于30mm的薄壁管。所采用的锭坯可使用目前在推广的水平连铸空心小断面铸锭；亦可使用大吨位挤压机挤压的厚壁管毛料。前者可节约一次挤压及其随后切削加工工序的金属损失与工时消耗，降低成本，并且不会是热处理可强化铝合金的挤压效应降低或者消失。
综合考虑，本产品选取卧式挤压机作为生产的挤压设备。

1.1.3 挤压模具的初步选定
普通实心型材主要用单孔或者多孔的平面模进行挤压。由于许多型材的断面不对称，而且锭坯的断面与型材断面没有相似性，且大多数的型材各个部分的壁厚也不相同，使得金属的流动也不均匀，造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷。因此，为了提高挤压制品的质量，在设计实心型材模具时，保证断面各个部分的流动速度均匀，并且要选择有足够强度的模具结构。
综合各方面的资料，由于产品形状等问题，在型材模之前有必要加一个导流模，用以均匀金属流速和保护型材模，具体的分析及设计将在后面相应的章节提到。其次，本产品的模具形式初步选取采用平面模来进行生产，由于是批量生产，平面模很可能要加预应力圈，相关细节在后面会进行设计。

1.2 6063铝合金工艺分析

1.2.1 6063铝合金的应用
6063铝合金广泛应用于建筑铝门窗、幕墙的框架，为了保证门窗、幕墙具有高的抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能，对铝合金型材综合性能的要求远远高于工业型材标准。在国家标准GB/T3190中规定的6063铝合金成分范围内，对化学成分的取值不同，会得到不同的材质特性，当化学成分的范围很大时，其性能差异会在很大的范围内波动，以致型材的综合性能会无法控制。
6063铝合金的主要合金元素为镁和硅，具有加工性能极佳、优良的可焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性，易于抛光、上色膜，阳极氧化效果良好，是典型的挤压合金。6063铝合金型材以其良好的塑形、适中的热处理强度、良好的焊接性能以及阳极氧化后表面华丽的色泽等诸多优点而被广泛应用于建筑型材、灌溉管材、供车辆、台架、家具、升降机、栅栏等用的管、棒、型材。

1.2.2 6063铝合金的特点
6063合金具有以下特点：
（1）具有良好的可挤压性，可满足各种截面形状散热表面的要求。
（2）具有良好的可加工性。
（3）有着优越的机械强度及物理性能。
（4）可保证型材有光滑的外观。
（5）有一定的耐腐蚀性和着色处理能力。

1.2.3 6063铝合金的组成
6063铝合金的化学组成主要有铝、硅、铜、镁、锌、锰、钛、铬、铁等几大元素。6063铝合金中各元素的含量如表1-1所示

表1-1 6063铝合金成分
元素
铝
硅
铜
镁
锌
锰
钛
铬
铁
含量（%）
余量
0.2-0.6
0.10
0.45-0.9
0.10
0.10
0.10
0.10
0.35

1.2.4 6063铝合金的性能
6063铝合金的机械性能如表1-2所示。

表 1-2 6063铝合金机械性能
合金
状态
弹性模量（MPa）
抗拉强度（MPa）
屈服强度（MPa）
布氏硬度（MPa）
密度
g/cm³
6063
淬火自然时效
7100
145
186
60-73
2.69

6063铝合金会随着温度的变化而发生一定的变化，具体如表1-3所示。

表 1-3 6063铝合金随温度变化的力学性能
合金
状态
温度
(℃)
抗拉强度(MPa)
屈服强度(MPa)
伸长率
(%)
6063
淬火+人工时效
150
142
133
20
205
62
45
40
260
31
24
75
315
23
17
80
370
16
14
105

综合铝合金各项工艺参数及相关文献，本产品应采用热挤压的成型方式。

1.3 挤压工艺流程及工艺参数
金属制品是经若干个工序制作出来的，每个工序按一定顺序连接起来，就形成了工艺。工艺要在一定条件下完成，有特定的工艺参数。

1.3.1 挤压工艺流程
挤压工艺流程：铸锭加热→挤压→切压余→淬火→冷却→切头尾→ 切定尺 →人工时效→表面处理→包装入库

1.3.2挤压工艺及工艺参数条件的确定
应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类形状、形状等）、切压余、切头尾、淬火、冷却、等多方面的因素，合理地选择工艺或参数。
（1）铸锭的加热温度
6063铝的最高允许加热温度为550℃，下限温度为320℃，为了保证制品的组织，性能，表面质量，为了降低变形抗力，挤压时锭坯的加热温度不宜过高，应尽量降低挤压温度。一般取490～530℃。
（2）挤压筒预热
模具的成分多为合金钢，由于导热性差，为避免产生热应力，挤压前挤压筒要预热，为保证挤压制品的质量，并且具有良好的挤压效应，挤压筒温度可取400℃～450℃。可采用通电自行预热。
（3）模子预热
避免急热，延长模具寿命，应对模具进行预热。
（4）挤压温度
热挤压时，加热温度一般是合金熔点绝对温度的0.75～0.95倍，挤压过程中温度最好控制在500℃左右。
（5）挤压速度
考虑金属与合金的可挤压性，制品质量要求及设备的能力限制，本设计的挤压速度取，=08-2.0m/min，=60-80m/min。
（6）工模具的润滑
对于铝及铝合金，多采用在粘性物油中添加各种固态填料的悬浮状润滑剂，应用最广泛的是润滑剂为70%-80%的72号汽油加20%-30%的石墨。
（7）模具
模具应具有足够的耐高温疲劳强度和硬度，较高的耐回火性及耐热性，足够的韧性，低的热膨胀系数和良好的导热性，可加工性，及经济性。
（8）切压余
本设计视挤压设备而定，一般20～30mm，要控制质量，切去缩尾等缺陷。
（9）淬火
本工艺过程中，制品挤出后可通过设置风扇对制品进行吹风来达到风淬（固溶强化）的目的，或采用喷水雾的方法。
（10）冷却
直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。
（11）切头尾
一般挤压制品的头部和尾部都存在缺陷，为了不影响制品的性能，需要进行切头尾的工作。切头尾的量可以是300～500mm或500～1000mm，本次设计头尾各切300mm。
（12）切定尺
本次设计取每根制品6m长作为切定尺的标准。
（13）时效
时效处理可以分为两种：自然时效和人工时效。自然时效即让挤压制品在空气中停放；人工时效对6xxx系铝合金可在180～240℃下保温6～8h。
（14）表面处理
为了提高制品的耐蚀性和抗疲劳性等，可以对其进行表面处理。表面处理一般有：阳极氧化、着色、喷粉、喷涂、电泳、抛光等。
（15）包装入库
将铝合金成品进行包装入库。
第二章 平面模设计

2.1 型材挤压方法概述

型材挤压方法可按三个基本特征分类。按挤压成型的类型，可分为实心型材挤压、空心型材挤压和沿型材长度方向断面变化的实心型材挤压；按坯料相对于挤压筒的移动特点，可分为正挤压、反挤压和联合挤压等；按挤压时所采用的工具类型及工艺装备，可分为卧式挤压机挤压、T.A.C反向挤压、热挤压、蠕变挤压和冲击挤压、辊挤法和有效摩擦连续或半连续挤压、静液挤压及无残挤压等。本课题属于实心型材加压。实心型材挤压采用两种基本方法，即金属正向流动的挤压、金属反向流动挤压，实心型材挤压见图2-1。

图2-1 实心型材正向挤压
1—挤压杆 2—挤压垫 3—挤压筒
4—挤压模 5—锭坯 6—挤压制品

2.2 选择挤压设备

2.2.1 型材挤压机的分类
型材挤压设备使用最广泛的是液压传动的挤压机。按其结构及用途有以下几种类型。
1. 单动挤压机与双动挤压机 单动挤压机无独立穿孔系统，适于挤压实心型材于棒材；使用空心锭与随动针，或者使用实心锭与组合模，亦可挤压管材与空心型材。双动挤压机有独立穿孔系统，一般用于挤压管材；若更换实心挤压杆与挤压垫亦可挤压型材于棒材。
2. 正向挤压机及反向挤压机 正向挤压机已使用与所有的挤压过程，挤压各种制品。条件相同时，反向挤压机相对于正向挤压机可节能20%-40%，制品质量、成品率和生产率均较高。但由于制品规格受模具强度限制，对锭坯表面质量要求高，操作较复杂，国内外使用反向挤压机尚不如正向挤压机广泛。
3. 卧式挤压机与立式挤压机 卧式挤压机的操作、监测和维修均方便，使用较普遍。但是长期使用过程中的磨损、变形及各种零部件的热膨胀，可导致主要挤压工具如挤压杆、穿针孔、挤压筒、模座不对中，是管材壁厚不均或型材挤压时流动不均匀。
中、小管材一般可在立式挤压机上生产而无严重壁厚不均。在立式挤压机上甚至可挤压外径小于30mm的薄壁管。所采用的锭坯可使用目前在推广的水平连铸空心小断面铸锭；亦可使用大吨位挤压机挤压的厚壁管毛料。前者可节约一次挤压及其随后切削加工工序的金属损失与工时消耗，降低成本，并且不会是热处理可强化铝合金的挤压效应降低或者消失。

2.2.2 典型的型材挤压机
型材挤压机主要用于多品种、中小批量的各种型、棒、线材加工。主要有JDL型棒材挤压液压机和JSL型管材挤压液压机。JDL、JSL型型材挤压液压机机具有如下特性：
（1） 可以进行PC全自动控制，能实现主机和机后搬运设备或其他外围设备的自动控制，且可靠程度高。
（2） 机架采用张力柱结构形式，机座刚性好，导向装置精度高。
（3） 改挤压模架为双工位移动模架，故调模换模方便。
（4） 设有挤压主运动周期故障巡检盘和安全显示器监控，可实现安全生产运转。
（5） 挤压筒滑动模架采用“X”型导向，保证看它与挤压机动梁之间的较高的同轴度。
（6） 动力系统采用定变量液压泵组合，调速精度高，低速运动稳定性能好。
（7） 设置了锭坯送给、挤压垫片调节、残余材料自动处理运输系统等外围辅助设备后，可以节省劳动力，减轻劳动强度。

2.2.3 选择挤压设备
现有三种型号的挤压机供选择，具体参数如表2-1所示。

表2-1 挤压机参数
设备吨位
500T
800T
1630T
挤压筒直径(mm)
Φ95
Φ125
Φ187
挤压截面积(mm)
7085
12266
27451
锭坯尺寸(mm)
Φ90
Φ120
Φ178
冷床长L(m)
26
32
44
填充系数K
1.114
1.085
1.104
压余厚h(mm)
20
25
30
最大挤压比
97.4
82
73.6
加工范围
最大外接圆直径
(mm)
Φ65
Φ95
Φ147
挤一根最小制品断面积()
72
150
372

挤压机的选择主要是根据挤压筒的直径进行选取。挤压筒直径必需满足三个条件：
（1）挤压比大小应满足制品质量要求。
（2）单位挤压力大小应满足金属塑性成形的需要。
（3）挤压力不能超过设备能力。
模孔外接圆直径=37.96mm,制品截面积=132.9mm²。根据加工范围要求（=132.9mm2≥，及=37.96mm≤）所以500T挤压机可用，则挤压筒的直径=95mm。

2.3 锭坯尺寸选择

锭坯尺寸选择得是否合理，直接影响到挤压制品的质量、产品率、生产效率等技术经济指标。选择锭坯直径时，应在满足制品断面力学性能的要求和均匀性要求的前提下尽可能采用较小的挤压比。但是，在挤压外接圆大的复杂形状断面型材时，要考虑模孔轮廓不能太靠近挤压筒壁，以免制品出现分层缺陷。多孔模挤压时，还应考虑各模孔间的最小距离，既保证各模孔间的流动速度均匀，又要考虑挤压模的强度。
计算锭坯直径时，应综合考虑挤压筒直径的问题。锭坯直径的计算有多种方法，我们就按间隙值计算：
（2-1）
（2-2）
式中，、分别为锭坯外径与空心锭内径（mm）；Do、do分别为挤压筒直径与穿针孔直径（mm）。在金属铝的实心型材挤压中挤压筒与锭坯的间隙ΔD一般取3-10mm，在空心挤压中Δd一般取4-8（mm）。本课题是实心型材挤压，所以选取ΔD=5mm，则

=95-5
=90mm
所以本课题选取的锭坯直径=90mm。

2.4 计算挤压比

挤压时的挤压比是很重要的指标，挤压比太小不符合工艺的经济性，一般的挤压比都要选择大于10.挤压比太大，则会超过设备的承受能力，不能实现挤压过程。本设计中铝合金锭坯的直径=90mm，则挤压比G，
（2-3）
=
=23.9
可得=97.4﹥G=23.9﹥=10，所以所选取的挤压比在工艺上可行，在经济上划算。

2.5 计算挤压力

影响挤压力的因素很多，主要有金属的化学成分与组织性能、挤压温度、挤压速度、挤压系数（变形程度）、工模具的形状结构、表面接触摩擦条件、成品形状与尺寸，以及锭坯的形状、尺寸与表面状态。热挤压力常用的计算方法有公式计算法和图解计算法，图解计算法方便实用，但是数据由于缺乏某些金属的实测数据而阻碍了其适用的广泛性。公式计算法虽然不是很精确，但是能够提供工程上可以使用的参数数值。
热正挤压是挤压力的计算公式为
（2-4）
式中 P——正压力，N；
——挤压筒内直径，mm；
d——制品的当量直径，mm；
——材料在挤压温度下的变形抗力，MPa；查表1-3，并由外推法得出500℃时的变形抗力为12MPa。
(2-5)
=
=18.39 mm
所以
=
=1878227 N
换算成吨位约为191T，P=191T＜额定吨位500T，设备选择符合要求。

2.6 模具材料的选用

2.6.1 型材挤压对模具材料的要求
1、高的强度和硬度 挤压模具一般在高比压条件下工作，因此，模具材料要求高温下有高的强度和韧性，以防过早的（一般为550℃以下）产生退火和回火现象。通常模具材料在常温下的应大于1500MPa。在工作温度下，挤压工具材料的不应低于650MPa，模具材料的不应低于1000MPa。
2、高导热性和稳定性 能迅速地从模具的工作表面散发热量，防止被挤压工件和模具本身产生局部过烧或损失应有的机械强度，具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性能。在高温下具有抗氧化稳定性，不易产生氧化皮。
3、高的耐磨性 在长时间的高温高压和润滑条件不良的情况下，表面有抵抗磨料磨损的能力，特别是在挤压铝合金时，有抵抗因金属的“粘结”作用而磨损模具表面的能力。
4、良好的淬透性 以确保模具的整个断面有均匀的力学性能。并且有一定的抗腐蚀性和良好的渗氮特性。
5、抗激冷、激热的适应能力 以抗高热应力和防止模具在连续、反复、长时间使用中产生热疲劳裂纹。另外，抗反复循环应力性能强，即要求高的持久强度，防止过早疲劳破坏。
6、良好的工艺性能 材料易于熔炼、锻造、加工和热处理。所用的模具材料在国内应易于获取，价廉物美。

2.6.2 挤压模具的材料
对于不同的模具，对材料的要求也不完全相同，表2-2列出了几种常用的挤压工具钢；表2-3列出了几种工具钢的机械性能。

表2-2 常用挤压工具钢的成分
钢号
ω(C)/%
ω(Si)/%
ω(Mn)/%
ω(Cr)/%
ω(Mo)/%
ω(V)/%
5CrMnMo
0.5~0.6
0.25~0.6
1.2~1.6
0.6~0.9
0.15~0.3

5CrNiMo
0.5~0.6
≤0.4
0.5~0.8
0.5~0.8
0.15~0.3

4Cr5MoSiV1
0.32~0.42
0.8~1.2
≤0.4
4.5~5.5
1.0~1.5
0.8~1.1

表2-3 常用工具钢的机械性能
钢号
温度
℃

MPa

MPa

%

%
HB
热处理工艺
5CrMnMo
500
780
690
86
17.5
302
850℃空淬，600℃回火
3Cr2W8V
500
1430
1304
15
8.3
325
1100℃油淬，550℃回火
4Cr5MoSiV1
500
1200
1025
56
9
-
1050℃油淬，625℃回火在油中两小时
550
1050
855
58
12
-

本设计选用模具材料为4Cr5MoSiV1，又称H13钢。钢中碳化物有、。钒在钢中起回火时二次硬化作用；Cr、Mo、W、V能提高钢抗回火软化能力，保持高温下的强度韧度；硅提高钢的回火稳定性和抗热疲劳能力。铬和硅能提高抗氧化和抗腐蚀性。
2.7 模组选择

模组的结构如下图

图2-2 模组的结构
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

对于不同吨位的挤压机，下图中的主要结构尺寸都是配套设置的，可以从有关资料中查得。模组的主要结构尺寸如图2-4
模组尺寸如下表

表2-4模组尺寸
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

挤压模具的尺寸如下表

表2-5挤压模具的尺寸
设备吨位
500T
800T
1630T
d1/d2
Φ135/Φ145×20～25
Φ165/Φ175×25～30
Φ250/Φ260×30～40
h1
12
12～13
12～13

模组及模子尺寸外形的计算

图2-3模组主要结构尺寸标注

模组主要结构尺寸确定
根据前面计算，从表2-4选取Φ1=160，Φ2=180，H=190，H1=20，H2=80，H3=55
模子外形尺寸的确定（如下图2-4）

图2-4模子外形尺寸

根据表3-4选取d1=135，d2=145，h1=12，h2=25

2.8 型材模设计

2.8.1 组合凹模设计
普通的实心型材主要用单孔或者多孔的平面模来进行挤压。由于许多的断面不对称，而且锭坯的断面与型材的断面没有相似性，且大多数型材的断面没有相似性，且大多数的型材各个部分的壁厚也不相同，使得金属的流动很不均匀，造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷。因此，为了提高挤压制品的质量，在设计实心型材模具时，应考虑模孔的配置、模孔制造尺寸的确定和选择，保证型材断面各个部位的流动速度均匀，并且要选择足够强度的模具结构。
根据单位挤压力的大小，挤压凹模可采用三种类型（图2-5），即：整体式凹模图a；两层组合凹模图b；三层组合凹模图c。其中左半图为压合前，右半图为压合后。

a b c
图2-5 挤压凹模的三种结构形式
a)整体式凹模 b）两层组合凹模 c)三层组合凹模
挤压时，整体式凹模内模腔受到变形金属材料的径向压力，这种受力状况近似于厚壁圆筒承受径向内压的受力状态。整体式凹模的受力有两个特点：
a.当作用在整体式及凹模内壁的最大切向拉应力超过凹模材料抗拉强度时，就要从凹模内壁处产生裂纹而造成切向开裂。
b.当作用在整体式凹模内壁的最大等效应力超过凹模材料许用应力时，就要从内壁处开始产生破坏。
分析可知，由于组合凹模中的内凹模与预应力圈采用过盈配合，压入后两者的接触面产生接触预应力，该接触预应力使内凹模上产生切向压应力；而预应力圈产生切向拉应力。因此，组合凹模挤压时，内凹模所产生的切向拉应力就被抵消而减小，而预应力圈上所产生的切向拉应力就被叠加而增大。这样，内凹模与预应力圈的切向应力趋于相同。预应力组合凹模的优点有：
a、显著地提高内凹模在挤压时的承载能力，提高内凹模的强度。
b、节省了昂贵的模具钢。
c、由于内凹模尺寸小，热处理容易，提高了模具钢热处理的质量，同时小尺寸规格模具钢的碳化物偏析情况得到改善，提高了模具钢的原始材质。
d、内凹模可以采用硬质合金，大大地延长了模具使用寿命。
虽然预应力组合凹模具有众多的优点，但是结构相对复杂，制造麻烦。本设计中是镁合金挤压力小，尺寸小，考虑成本及各方面因素，最终选用整体式凹模作为本次模具设计的凹模形式。
确定凹模的结构和工作型腔尺寸时，要考虑坯料的形状和尺寸，挤压件的精度要求，模具的结构和强度，模具的弹性变形和温升，模具磨损、寿命和经济性以及工艺特点和挤压变形的需要等。挤压过程中凹模所受的压力很大并且压力的分布不均匀，设计凹模时，必须计算凹模内壁的切向拉应力并提出适当的加强措施。
考虑经济性，内凹模由一般工具钢制成，有足够的抗拉强度，允许在一定的拉应力状态下工作。当单位挤压力p≤1100MPa时，可采用整体式；当1100MPa≤p≤1600MPa时可采用两层组合凹模（即具有一层预应力圈）。当1600MPa≤p≤2500MPa时可采用三层组合凹模（即具有两层预应力圈）。本次设计的挤压力P=1878227N，面积为S=7088.218mm²，则单位挤压力p，
（2-6）
=
=264.97MPa
由于单位挤压力比较小，考虑到批量生产，我们采用两层组合凹模（即具有一层预应力圈）。

2.8.2 模孔的合理布置
1、单孔挤压模的模孔布置 在设计单孔模具时，当型材的断面有两个或两个以上的对称轴时，应将型材断面的重心布置在模子中心上，见图2-6a；当型材断面只有一个或者没有对称以及壁厚相差很大时，必须将型材的重心相对于模子的中心做一定的偏移，使难流动的部分（薄壁部分）更靠近模子的中心，见图2-6b；对于壁厚虽然相差不大，但断面形状较复杂、对称面少的型材，应将型材的断面外接圆的中心布置在模子的中心上，见图2-6c；对于挤压比很大或流动很不均匀的某些型材，有时可采用平衡模孔，即再配置一个调整金属流动的辅助模孔，见图2-6d；当模具的装配方向不能改变时，应将型材的大面放在下面，以防止型材由于自重而产生的扭拧和弯曲，见图2-6e。

图2-6 单孔模模孔排列示意图
在布置模孔时还应注意型材的装饰面最好不与出料台接触，以防止划伤装饰面；此外，模孔的布置还应便于修模等。
2、多孔挤压模的模孔布置 对于对称性较差且断面面积较小的型材，可以采用多孔模挤压，这样不仅可以改善金属的流动均匀程度，而且还能降低挤压比，提高挤压生产效率。对于壁厚相差很大的型材，应将壁厚的部位布置在模孔的外沿，而将壁薄的部位布置在靠近模子的中心；对于壁厚相差不大的型材，采用多孔模挤压时可将型材模重心均布在以模子中心为圆心的某一同心圆上。

a b
图2-7 多孔型材模模块的配置方案
a)不合理 b）合理

在布置多孔模的模孔时，不仅需要考虑型材断面的各部分流动的均匀性，有时还要考虑模子的强度问题。为了摆正模具的强度，多孔模各个模孔之间的距离应当适合，不能过小。在实际生产中模孔之间的间距大体在1550mm范围内，对于19.6MN以下的挤压机取2030mm；49MN左右的挤压机取3550mm；对于78.4MN以上的大型挤压机，可取60mm以上。同时，模孔间距也应系列化，以便模垫可互相交换使用。
为了防止锭坯表面的杂质流入挤压制品中去，不论是单孔模还是多孔模，模孔边缘距挤压筒内壁应保持一个最小距离，此值一般取挤压筒直径的10%15%，见表2-6。因本设计的挤压筒直径为95mm，所以模孔与挤压筒壁间的最小距离选取值为15mm。
表2-6 型材模孔与挤压筒壁间的最小距离
挤压筒直径/mm
8595
115130
150200
200280
350500
＞500
最小距离/mm
1015
1520
2025
3040
4050
5060

2.8.3模孔几何尺寸的确定
在确定模孔几何尺寸时，应考虑型材和模子的收缩、工作带在载荷作用下的畸变、不均匀变形引起的拉缩变形、金属在流入模孔时不能急转变而引起的非接触变形以及型材在拉伸矫直时的断面尺寸收缩等因素。此外，还应当考虑到型材早拉伸矫直时，不论是在长度上还是在断面上，各个部分的变形时不相同的。
1、外形尺寸的确定 实心型材的模孔尺寸A可按以下公式进行计算：
（2-7）
式中，为型材外形的基本尺寸（mm）；K为模孔裕量系数，不同金属的K可在有关国家标准查取；为型材外形尺寸的正偏差，可按有关国家标准查取。
2、壁厚处模具间隙尺寸的确定 实心型材的壁厚处模具间隙尺寸B可按以下公式进行计算：
(2-8)
式中，为型材壁厚的基本尺寸（mm）；为型材壁厚尺寸的正偏差，可按有关国家标准查取。由于受型材断面形状的影响、挤出制品的壁厚往往小于所要求的尺寸，因此，在设计这些型材壁厚尺寸时，还必须加上一定的修正量。修正量的值是用型材断面尺寸乘以壁厚系数。对于一般断面形状的型材，壁厚系数可取0.002；对于H形、角形和深槽形型材，还应适当加大修正量。
3、圆角、圆弧和角度的确定 对于没有偏差要有的圆角和圆弧型材，模孔可以按名义尺寸设计。对于有偏差要求的圆角、圆弧以及由圆角与圆弧组成的型材，其模孔尺寸可按前述的式（2-7）或者（2-8）计算，并根据生产经验加以修正。
对于带有角度的型材，其模孔的角度与型材的名义角度相同；但对于易并口的角型材和易扩口的槽型材，在设计时应将其角度相应增大和减少1°-2°。如果采用辊式矫直机矫形，当型材壁厚﹤2.5mm时可按增大角度设计；而当型材壁厚﹥2.5mm时可不必考虑增大角度。
修正后的模孔如图2-8所示。

图2-8 修正的模孔

2.8.4