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实心型材模具设计及空心型材模具设计

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22

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实心型材模设计
1.所要设计的实心型材制品
本制品的形状和尺寸如下
用CAD计算得: 制品的截面积F制= 423。0686mm2
由于此型材为不对称且各部分壁厚不一的型材，尽可能使难以流动的壁厚较薄的部分靠近模子中心,尽量使变形时金属静压力相等

此处取模孔外接圆直径D外＝75mm

现有设备
表3
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
Dd|ⅹLd
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
D外max
Φ65
Φ95
Φ147
挤一根最小制品断面积
F制min
72
150
372

2.选坯和选设备
根据加工范围要求(F制≥F制min,及D外≤D外max）有800T和1630T的设备可用，按成才率最高的原则,进一步优化,计算列表
表4

序号
D0
(F0)
Dd
（mm）
Ld
(mm)
单重wd
填充系数K
填充后长度Le
压余厚hy
（mm）
切压余后的有效长度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
φ125/
120
400
12.20
1.085
369
25
344
18。723
6.44
0
0
0
2
φ125/
120
450
13。73
1。085
415
25
390
18。723
7.30
1
10.57
76。69
3
φ187/
178
540
36。30
1。104
485
30
455
41.90
19。06
3
31.72
87.38
4
φ187/
178
600
40。30
1.104
544
30
514
41。90
21.53
3
31。72
78。71
5
φ187/
178
660
44。40
1。104
598
30
568
41。90
23。80
3
31。72
71。44
最后选择成才率最高的87.38％对应的方案3
锭坯尺寸为：Dd ＊ Ld=Φ178＊540mm
λ=41。90
3。挤压力的计算
根据经验系数公式
P=α＊Kf（㏑λ+4υL/D)
F=A*P
α表征挤压难易程度的经验系数,对于实心型材取α＝1。0～1.1,本设计取α＝1.1
P――为单位挤压力，MPa
F――为最大挤压力, N
A――挤压筒内孔的面积,mm2
λ――挤压系数
Kf－――材料在挤压温度下的变形抗力（查表）,MPa
υ――摩擦系数
L――铸锭敦粗后额长度，mm，即填充后长度Le
Kf查表取16
υ取0.30
故P=1。1×16(㏑41。90+4×0。30×485/178)
=120。3175MPa
F=120。3175*∏＊187＊187/4=3308285.52N
换算成吨位：约337。58T
F=337.58T＜额定吨位1630T，设备选择符合要求,即理论技术可行
4.实心型材模具体结构设计
模组的结构如下图

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
模组的结构：
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3
模组尺寸如下表
表5
设备吨位
500T
800T
1630T
Φ1×Φ2×H
Φ160×Φ180×190
Φ210×Φ250×240
Φ310×Φ350×340
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6
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
5。 实心模尺寸数据设计
1)．选坯和选择设备
根据前面的计算
挤压筒内直径D0=187㎜ 锭坯尺寸：Dd X Ld＝Φ178mm×540mm
挤压比λ=41。90mm α＝90°

2)。模组及模子尺寸外形的计算

根据前面计算，从表5选取
H2=100 H3=60 H1=30
模子外形尺寸的确定(如下图）

依据表6的数据可以确定
d1=250㎜ d2=260㎜ h1=12㎜ h2=40㎜

3)模子内形尺寸的确定
挤压比λ=41.90＜λMAX=73.6，所以不需要多孔挤压
确定模孔尺寸:由公式
A=A0+M+（ +KT）A0
KT=tα－t1α1
假设t1=400℃
故KT＝0.007
Ky和Kp的值查书，计算得到：
尺寸10的纵向模孔尺寸为:
H1=10＋（0.0055＋0.007＋0.007)×10＝10.19㎜
尺寸20的纵向模孔尺寸为:
H2=20＋（0。0055＋0.007＋0。007）×20＝20。39㎜
尺寸15的横向模孔尺寸为：
B1=15＋（0.0065＋0。0075＋0.007）×15＝15。32㎜
尺寸50的横向模孔尺寸为：
B2=50＋（0。0065＋0。0075＋0。007）×50＝51.05㎜
尺寸5的横向模孔尺寸为:
B3=5＋（0。0055＋0。007＋0。007）×5＝5。49㎜
尺寸5的纵向模孔尺寸为：
B4=5＋（0.015＋0。015＋0.007）×5=5.185mm

型材的圆角及圆弧没有偏差要求，故可按名义尺寸设计。
模孔尺寸如下图所示

4）．孔形在模子端面位置的确定
（由于本型材为不等壁厚且不规则的型材，故型材的几何重心靠近壁厚较薄处）
压力中心的计算:用CAD测量计算得:
5）.定径带长度的确定
由于是等壁厚型材，故定径带长度h定各处相等，本次设计取
h定＝4㎜。

6）.出口直径。 dch
由于模子的出口直径一般应比工作带直径大3~6mm，以免因过小而划伤表面。
本设计出口直径dch=6mm。

7)。阻碍角
由于h定≤10~15㎜,故不采用阻碍角.

8）.校核
(1）挤压力的校核
挤压力为337.58吨，远远低于额定吨位1630吨，所以符合要求。

(2)模子强度的校核
对于模的突出部分,可以认为是一个悬臂梁，可按下述步骤校核其危险面I-I处的模子最小厚度.

危险面I-I处在挤压是所受的弯矩为:
M=P*a*l*l/2=(P＊a＊l）/2
抗弯断面系数为：W=b＊h/6
则弯曲应力为 =M/W=3＊p*l*a/(h＊b)≤[］
固模具的最小厚度为 h=

式中
h—-模具(包括模子和支承环的总厚度）的最小厚度，mm
l——槽型模子悬臂梁的长度，即槽形型材的槽深尺寸,mm
P——挤压筒的比压，挤压机吨位与挤压筒内截面积之比,MPa
A——模孔悬臂梁根部断面处的宽度,mm
B——模孔悬臂梁根部断面出口处的宽度，mm,b=a—2c，
C-—模孔悬臂梁根部出口空刀尺寸(一般取1。5-3），mm
［］-—模具材料的许可弯曲应力，其植一般取许用抗拉应力的（0。4-0。5）倍左右，在温度450—500C下，取[]=600Pa
符合要求

模子的最大挠曲变形按如下公式计算
——悬臂梁端部最大挠度，mm
l—-悬臂梁长度，mm
q——等于Q/l，悬臂梁单位长度上的压力，N/mm
E——模具材料的弹性模量2。2×10MPa
J——悬臂梁断面惯性矩，J=
B，h——分别为悬臂梁的宽度和高度,mm
Q——悬臂梁承受的总压力
本设计中,要是模子的抗剪强度，对于抗剪强度的校核，取角型材斜边为危险端面,进行强度校核

危险面I-I处的弯距为：M= P*a*l*l/2 = 185kg.m
抗弯断面系数：W= b＊h＊h /6 =0。73 m3
弯曲应力:σ弯 ＝M/W ＝253.4MPa 〈 600 MPa，符合要求。
最小模具厚度：hmin =l * （3P * a / b ［σ弯］) 1/2 = 9.1 mm
δ最大 ＝ （q ＊ l4)/ （ 8E * J ） = 0.368 mm 〈 1 mm

各项指标均满足要求，故强度符合。

空心型材模设计
1。所要设计的制品

2.选坯核选设备
制品的截面积：F制＝53014 mm2 模孔外接圆直径取D外＝75㎜
根据加工范围要求（F制≥F制min,及D外≤D外max）由表3知

有800T和1630T的设备可用，按成才率最高的原则，进一步优化，计算列表
按成才率最高的原则，在进一步计算优化，计算列表如

序号
D0
Dd
Ld
单重wd
填充系数K
填充后长度Le
压余厚hy
切压余后的有效长度Ld
挤压比
制品长
成品数
成品重
成材率
1
φ125/
120
400
12。2
1。085
369
25
344
18.72
6。44
0
0
0
2
φ125/
120
450
13。73
1。085
415
25
390
18.72
7。3
1
10.57
76.69
3
φ187/
178
540
36.3
1.104
485
30
455
34。89
15.9
2
25。34
69.8
4
φ187/
178
600
40。3
1。104
544
30
514
34.89
17。9
2
25。34
62。9
5
φ187/
178
660
44.4
1。104
598
30
568
34.89
19。8
3
38。1
85.8

最后选择成才率最高的85。8％对应的方案3
即1630T的挤压设备
锭坯尺寸为：Dd X Ld=Φ178X660mm
λ=34。889

3。挤压力的计算
根据经验系数公式
P=α＊Kf（㏑λ+4υL/D）
F=A*P
α表征挤压难易程度的经验系数，对于空心型材取α＝1.1～1。5，
本设计取α＝1.5
P――为单位挤压力，MPa
F――为最大挤压力, N
A――挤压筒内孔的面积，mm2
λ――挤压系数
Kf－――材料在挤压温度下的变形抗力（查表），MPa
υ――摩擦系数
L――铸锭敦粗后额长度，mm
Kf查表取16
υ取0。30
故P=1。5×16(㏑34。889+4×0.30×544/187）
=169.0MPa
F=169.0＊∏＊187＊187/4=4639162.385N
换算成吨位：约473.38T
F=473。38T＜额定吨位1630T，设备选择符合要求,即所选设备理论可行

4。模组及模子外形尺寸确定：
模组尺寸结构简图如前图3所示

根据前面计算，从表6选取
H2=90㎜ H3=60㎜
模子外形尺寸简图如前
图4

依据表6的数据可以确定
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
d1=250㎜ d2=260㎜ h1=12㎜ h2=40㎜
因为本设计采用孔道式分流组合模

5.组合模相关参数的确定：
1).分流孔的个数取4个,形状为扇形

2)．分流孔面积的确定:
因为分流孔面积与制品断面积的比值∑F分/F制＝K，K即为分流比，，一般K对于空心型材时，取K=10～30。本设计取K=10
分流孔面积的大小相等
∑F分= 10×F制 ＝530。14×10=5301。4mm²

3)。分流孔位置的确定
①分流孔中心圆的直径D分＝0.7D0=0。7×187=130.9 mm
②暂时先取其外接圆直径为148 mm
③确定a的大小如图

依据经验a一般取2~5㎜，有的取8㎜。本设计取8㎜

4）。分流孔的形状
分流孔由一定的倾斜锥度,，这样可以改善焊缝的质量，孔道锥面与其轴线的夹角为2°～4°，本设计取3°

5).分流桥
分流桥的宽窄和模具的强度以及金属的流量有关，从增大分流比，降低挤压力来考虑，分流桥的宽度B应该选择小些，但为了改善金属流动的均匀性，模孔最好受到分流桥的遮蔽，则B应该选择得宽些，一般取:
B=b+（3~20㎜
本设计采用倒梯形结构，取B=26见下图
图10
6）.焊合室
焊合室的形状和大小对焊缝的质量有很大的影响。
按经验公式：Φ95～130㎜ h=10～15㎜
本设计取h=14,形状为碟形如图：
图11

6。 模子内形尺寸的确定
工件及模具如图所示

按经验公式A=A0+K×A0
A-—制品外形的模孔尺寸
A0－制品外形的公称直径
K-经验系数，取K=0.012
得 DK=70＊(1+0。012）= 70。84 mm,

制品型材壁厚可由经验公式B=B0+△确定
由于B0=2。5<3。0㎜。本设计△＝0。1
故 Tk=2。5+0.1=2.6㎜

模具图如下

7。模孔工作带长度hg的确定
由于本型材制品的对称性较好，外形相对较小，一般可取2～8㎜，生产实践中对铝合金常用8～15㎜
本设计取hg＝8mm

8。模芯的设计
一般伸出下模工作带3－5mm，本设计取4mm，模腔外形按空心型材的空心部分确定.

9。上模凸台长取21mm.用于装配定位

10.定位销，螺钉按GB标准选取标准件
定位销的直径取Φ8，螺钉采用M10，具体说明见装配图

11。模子强度校核:
这种模子在工作时承受载荷最不利的情况是分流孔道和焊合室尚未进入金属和金属充满焊合室以后流出模孔之际，故强度的校核主要是争对模子的分流桥，模桥的弯曲应力和抗剪强度:
① 分流桥弯曲应力校核
Hmin=L√p/2*√［σb]
式中: Hmin=分流桥的最小高度
L分流桥宽度，经计算L=80mm

P挤压机的最大的比压
P=1630×1000×9。8/27451=581。91
[σb]模具材料在温度下的许用应力.在450~500℃下，取[σb]=900Pa
代入数据得
Hmin≈12mm
由于上模厚度H上＝20＞12mm
故符合要求

②分流孔道抗剪强度的校核
τ=P /n*F≤［τ］有:
τ=（0。5~0。6） [σb］，在450~500℃下，取[σb］=900Pa
P挤压机的公称压力
P=（1630×1000×9.8/27451) ×125。68×41。6=3042393。07N
n 分流孔的数目:4
F。 以分流孔间的最短距离为长度.以模子厚度为高度所形成的面积
F=2411.97mm2

代入公式有:
τ=3042393.07÷4÷2411。97=315.3≤450MPa
故强度符合要求