【加工】有色金属塑性加工工艺设计课程设计

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一、绪言

1.1挤压加工的特点

所谓挤压，就是对放在容器（挤压桶）中的锭坯一端施加以压力，使之通过模孔成型的一种的压力加工方法。挤压方法有很多种，最基本的方法是正挤压与反挤压，按坯料温度区又可分为、和3种。

作为生产管、棒、型材以及线坯的挤压法与其他加工方法，如型材轧制和斜扎穿孔相比具有以下一些优点：（1）具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性；（2）不只是可以再一台设备上生产形状简单的管、棒和型材，而且还可以生产断面及其复杂的，以及变断面的管材和型材；（3）具有极大的灵活性，在同一台设备上能够生产出很多的产品品种和规格；（4）产品尺寸精确，表面质量高；（5）实现生产过程自动化和封闭化比较容易。

综上所述可知，挤压法非常适合于生产品种、规格和批数繁多的有色金属管、棒、型材以及线坯等。在生产断面复杂的或薄壁的管材和型材，直径与壁厚之比趋近于2的超厚壁管材，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面，挤压法是唯一可行的压力加工方法。

1.2铝合金的特点及经济地位

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属，其低，但强度比较高，接近或超过优质，好，可加工成各种，具有优良的、和抗蚀性，可分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。

铝合金的一系列优良特性，使之在金属材料的应用中，仅次于钢材而居第二位。目前全世界铝材的消费量在1800万吨以上，其中用于交通运输（包括铁道车辆、汽车、摩托车、自行车、汽艇、快艇、飞机等）的铝材约占27%，用于建筑装修的铝材约23%，用于包装工业的铝材约占20%。随着中国经济建设的高速发展，人民生活水平的不断提高，中国的建筑行业发展迅速，包括铝型材在内的建筑装饰材料不断增加。铝型材的应用已经扩展到了国民经济的各个领域和人民生活的各个层面。

1.3铝合金型材的成分性能

铝合金型材具有强度高、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—100年）、回收性好以及可回炉重炼等特点。

表1：铝合金型材化学成分(Chemical Composition Limits wt%),GB/T3190-1996

本设计选用6063铝合金,由于其强度高、质量轻、加工性能好，在退火状态下，该合金有优良的耐蚀性及物理机械性能，是一种可以时效强化的Al-Mg-Si系合金，广泛应用于基础性建筑行业以及一些机械制造业。

6063合金中的主要合金元素为镁与硅，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，阳极氧化效果优良，是典型的挤压合金，广泛应用于建筑型材、灌溉管材、供车辆、台架、家具、升降机、栅栏等用的管、棒、型材。

表2：6063 室温下的机械性能（Mechanical & Physical Properties）

表3：6063铝合金随温度变化的力学性能

二、工艺设计

2.1拟定工艺流程以及工艺条件

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，就形成了工艺流程。工艺要在一定条件下完成，有特定要求的工艺参数。

（1）型材挤压及其相关工艺流程

铸锭加热→挤压→切压余→淬火→冷却→切头尾→ 切定尺→时效→冷却→表面处理→包装

（2）挤压工艺及工艺参数条件

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、切头切尾等多方面的因素，合理地选择工艺条件或参数。

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、性能和表面质量，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，为躲免产生热应力，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

躲免急热，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。本设计挤压温度为450℃～500℃，挤压过程中温度控制在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，。

⑥工模具的润滑

因本设计采用热挤压，故不采用润滑。

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。本设计采用4Cr5MoSiV1作为模具的材料，热处理的硬度为HRC48～52。

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。

?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。

?切定尺

本次设计取每根制品6m长作为切定尺的标准。

?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；人工时效对于6xxx系铝合金型材，可在180～240℃下保温6～8h。

?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。

?包装

将铝合金成品进行包装入库。

表4：常用挤压工具钢及其机械性能

三、模组的结构及实心型材模设计

3.1实心型材模制品的形状与尺寸

制品牌号：XC111（L 型） 制品材料：6063铝合金

制品截面积：221141.140cm mm F ==制 制品挤一米的重量：m kg G /317.0= 模孔外接圆直径：28mm .28202022=+=外D

3.2挤压设备的选用

现有设备参数如下：

表5：500T 、800T 、1630T 卧式挤压机具体参数表

选择挤压筒直径0D 是一个最核心的问题，有以下的选择原则：

（1）保证产品表面质量原则：C '≥1K （C '为模孔距筒内表面的距离，1K 为经验数据，可取15、20、30）； （2）保证挤压模强度的原则； （3）保证产品内在质量的原则；

（4）经济上的优化原则：生产成本最低，成材率最大，产量最高。 根据加工范围要求：

（1）制制＞min F F （挤压一根最小制品断面积）,即1142mm ＞722mm ； （2）max 外外＜D D （最大外接圆直径），即mm mm 6528.28ΦΦ＜； （3）15.62114

7085

0===

制F F λ＜4.97max =λ 则初步确定设备为500T 卧式挤压机，再进一步优化计算，按成材率最高的原则，计算列表如下：

最后选择成材率最高（82.25%）对应的方案1

即：500T 卧式挤压机设备 锭坯尺寸为：27090?Φ=?d d L D 挤压比：15.62=λ

3.3挤压力的计算

根据挤压力经验系数公式：

P ——单位挤压力，N 0D ——挤压筒内直径，mm

d ——挤压制品的当量直径，mm

b σ——材料在挤压温度下的抗拉强度，MPa

查表3，由外推法得出500℃时，材料的抗拉强度b σ=12MPa 换算成吨位：T T P 50027.261＜= 即设备选择符合要求，即理论技术可行。

3.4实心型材模设计

挤压模和它的附件整个组合，叫模组。 本次设计采用横动式模座结构，如下图所示：

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，可以从表6、表7中查得。

表6：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

表7：挤压模具外形尺寸

（1）模组尺寸选择 设备吨位：500T

取：Φ1=Φ160 Φ2=Φ180 H=190 H1=20 H2=80 H3=50 （2）挤压模具外形尺寸选择 设备吨位：500T

取：Φd1=Φ135 Φd2=Φ145 h1=12 h2=20 （3）模孔几何尺寸确定

由于挤压比max 15.62λλ＜=，故不需要多孔挤压 ①模孔的外形尺寸k A

m A ——模孔的名义尺寸，mm

1C ——裕量系数,见《金属塑性加工学》，冶金工业出版社，P67表5－1,取1C =0.010

1?——型材外形尺寸的正偏差，mm ，45.01=?

模孔的外形尺寸：()mm B H k k 65.2045.0010.0120=++?== ②型材的壁厚尺寸k S

m S ——型材壁厚的名义尺寸，mm

2C ——裕量系数，对铝合金2C 取0.05～0.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限，本设计取2C =0.10

2?——型材壁厚的正偏差，mm ，25.02=?

型材的壁厚尺寸：mm 35.325.010.03=++=δ ③型材的圆角及圆弧

型材的圆角及圆弧没有偏差要求，故可按名义尺寸设计，由于这种型材在挤

压的过程中有并口现象，α角度取91°。 模孔的主要尺寸如下图所示： ④孔形在模子端面位置的确定

由于本型材为等壁厚的型材，故型材的几何重心位于置模子的中心。

模孔重心的计算，如下图建立直角坐标系： 设压力中心为()000,Y X P 各边得中心坐标为： 故()()39.6,39.6,00=Y X P ⑤定径带长度的确定

工作带又称定径带，是用以稳定制品尺寸和保证制品质量的关键部分。由于是等壁厚型材，故定径带长度h 定各处相等，一般可取2～3.5㎜，生产实践中对铝合金常用3～8㎜，本次设计取mm h 4=定。 ⑥出口直径

模子的出口直径一般应比工作带直径大3～5mm ，以防止划伤制品表面，本设计取3mm 。工作带与出口的过渡部分以圆角R1连接。 ⑦入口圆角半径

入口圆角半径r 的作用是为了防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减轻金属在进入工作带时所产生的非接触变形，也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压颓而很快改变模孔尺寸用的，但挤压铝合金时不应有入口圆角，而要求保持锐利的角度，一般r=0.2～0.5mm ，取r=0.5mm 。 ⑧阻碍角

由于h 定≤10～15㎜，故不采用阻碍角。 ⑨模子强度的校核

对于L 型材,在满足挤压比的情况下可以不进行校核。 ⑩画图（见图纸）

四、空心型材模设计

4.1空心型材模制品的形状与尺寸

制品编号：I502 制品材料：6063铝合金

制品截面积：()()278.761.127.121.124.247.124.24mm F =?-??--?=制 制品挤一米的重量：m kg G /213.0=

模孔外接圆直径：mm 51.277.2124.422=+=外D

4.2挤压设备的选用

根据加工范围要求：

（1）制制＞min F F （挤压一根最小制品断面积）,即76.782mm ＞722mm ； （2）max 外外＜D D （最大外接圆直径），即mm mm 6551.27ΦΦ＜； （3）28.9278

.767085

0===

制F F λ＜4.97max =λ 则初步确定设备为500T 卧式挤压机，再进一步优化计算，按成材率最高的原则， 计算列表如下：

最后选择成材率最高（93.25%）对应的方案2

即：500T 卧式挤压机设备 锭坯尺寸为：32090?Φ=?d d L D 挤压比：28.92=λ

4.3挤压力的计算

N P b D d

D 46.293214212958.089.995775.118.0775.112200

=??????

??-?=?

??

?

?

?

-?=σ换算成吨位：T T P 50020.299＜= 即设备选择符合要求，即理论技术可行。

4.4空心型材模设计

（1）模组尺寸选择 设备吨位：500T

取：Φ1=Φ160 Φ2=Φ180 H=190 H1=20 H2=80 H3=50 （2）挤压模具外形尺寸选择 设备吨位：500T

取：Φd1=Φ135 Φd2=Φ145 h1=12 h2=20 （3）上下模坯尺寸设计

本设计采用孔道式分流组合模，下模起到模垫的作用，故不需要设计模垫

2H =上H +下H =80mm

取上H ＝50mm 下H ＝30mm

4.5组合模相关参数设计

（1)分流孔的选择

方形管成轴对称布置，故分流孔的个数取4个。分流孔的形状一般有圆形、腰子形矩形、扇形等，对于方形管分流孔形状一般为扇形或矩形。本设计采用扇形分流孔，其中尖角倒圆角R1。 （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型分F F ∑∑/＝K ，K 即为分流比，一般K 对于空心型材时，取K=10～30。本设计初步取K=20 分流孔的面积26.153578.7620mm F K F =?=∑=∑型分 且分流孔面积的大小按大型材大孔f F /=小型材小孔f F /

大孔F 、小孔F ——大、小分流孔的面积

大型材f 、小型材f ——大、小型材部分的面积

根据()小孔大孔分F 2+=∑F F 有： 故

1

.17.1226.15351.14.24?-=?大孔

大孔F F

求得297.504mm F =大孔，283.262mm F =小孔 （3)分流孔位置及尺寸的确定

①分流孔内边缘距离型材外边缘要有一定的距离，分流孔出口边离型材外边缘3～8mm ，可避免从上模孔道看到下模空隙，取mm b mm a 6,7==。由于型材的长宽比大于1.5，故分流孔的外接圆接近椭圆，如下图所示： ②扇形分流孔的α和β的确定 分流孔最外边缘按经验公式：

外D ——分流孔最外边缘的外接圆直径，mm

D ——挤压筒内直径，mm C 取mm 20~10

取分流孔外接椭圆的长轴为100mm ，短轴为80mm 由上图可知： 由大孔F =三角型扇型f f -＝2

tan

360

22α

πα

?-?h R

求得： 80≈α 由上图可知： 由小孔F =三角型扇型f f -＝2

tan 3602

2β

πβ?-?b R

求得： 14≈β

（4）分流桥宽度的设计

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 ——型腔宽度，b=12.7mm

取mm b B 7.32207.1220=+=+=宽 mm H 50=高

分流桥斜度（焊合角θ），对焊缝质量有影响，一般取θ=45°，底圆角R=4mm 本设计采用倒梯形结构，如下图所示： （5）焊合室的设计

常用的焊合室截面形状有圆形和蝶形两种，为了提高焊缝质量，本次设计采用近似蝶形焊合室，这样有利于消除焊合室边缘与模孔平面之间的结合死区，围绕着分流孔的形状，在恰当的地方加倒圆角，可以采用大圆角R ＝5～20mm 。 焊合室的高度有重大意义，因为焊合腔的容积越大，焊合截面与制品断面之比越大，则焊合腔建立起来的静水压力就越大，金属留在焊合腔时间就越长，因而制品质量越高。一般h=10～15mm 为合适，取h=12。 主要尺寸如下图所示（其余圆角部分为R6）：

4.6模子内形尺寸设计

由于挤压比max 28.92λλ＜=，故不需要多孔挤压 （1）模孔的外形尺寸k A

m A ——模孔的名义尺寸，mm

1C ——裕量系数,见《金属塑性加工学》，冶金工业出版社，P67表5－1,取1C =0.010

1?——管材外形尺寸的正偏差，mm

模孔的外形尺寸：

查表取20.01=?，()mm B k 84.2420.0010.014.24=++?= 查表取15.01=?，()mm H k 98.1215.0010.017.12=++?= （2）管材的壁厚尺寸k S

m S ——管材壁厚的名义尺寸，mm

2C ——裕量系数，对铝合金2C 取0.05～0.15，其中壁薄的取下限，厚壁取上限，本设计取2C =0.10

2?——管材壁厚的正偏差，mm ，查表取1.02=?

管材的壁厚尺寸：mm T 3.11.010.01.1=++= 最终尺寸如下图所示：

4.7模孔工作带长度的设计

组合模的工作带应比一般结构的模子工作带长些，并在其入口方向带1°的锥度，以利改善焊缝质量。由于本空心型材制品的对称性较好，外形相对较小，一般可取2～3.5mm ，生产实践中对铝合金常用3～8mm 。 取模孔工作带长度mm h g 5=

4.8模芯的设计

本设计的模芯与桥为一整体，因为用于挤压方管、矩形管，则使用锥体模芯，又由于模芯尺寸10mm ＜b ＜20mm ，因此模芯定径带采用锥台式。舌芯长度宜短，稍伸出工作带即可，过长则造成管子偏心，过短则形成椭圆型。

对于小型挤压机，一般伸出下模工作带1～3mm ，本设计取3mm ，模腔外形按空心型材的空心部分确定。成型部分以上的部分要形成圆角R1，这样有利于焊合质量提高。

4.9上模凸台的设计

上模凸台取高度7mm ，宽度10mm ，倒圆角R1，用于与下模装配定位。

4.10定位设计及螺钉的选用

定位方面采用不对称布置的固定销，在上模做一个凸出5mm ，Φ8mm 的圆柱，下模作相应的孔来定位，而省去采用定位销，固定销布置时应采用不对称布置。螺钉采用内六角圆柱头螺钉M10, 长度为50mm ，按GB70-85标准选取标准件。

4.11模子强度校核

组合模在使用过程中，常因受较高的压力而使桥被压塌和压断，根部还被拉断，而且在舌芯根部和分流孔周围也可能产生裂纹，因此在设计中应对其强度进

行校核。

孔道式组合模在工作时，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以及金属充满焊合室以后流出模孔之际，故强度的校核主要是针对模子的分流桥，模桥的弯曲应力和抗剪强度。 （1）分流桥弯曲应力的校核

min H ——分流桥的最小高度，mm

L ——分流桥支座间的中心距离，mm p ——作用在挤压垫片上的单位压力，MPa

[]b σ——模具材料在工作温度下的许用应力，在450～500℃下,对4Cr5WSiV1取[]b σ=900MPa

由图可知：max L =40mm

由于上模厚度mm mm H 18.1950＞上=，故符合要求 （2）分流孔道抗剪强度的校核

平面分流模的抗剪强度可按一下公式进行校核：

Q 桥——分流桥端面上所承受的总压力，KN F 桥——分流桥受剪切的总面积，2mm

τ——模具材料的许用剪切应力，τ＝（0.5～0.6）。在450~500℃下，对于4Cr5WSiV1取[]b σ=900MPa

[]τ＝（0.5～0.6）[]b σ=(0.5～0.6)×900=450～540MPa

即τ＜[]max τ，故符合要求

4.12零件图装配图（见图纸）

五、总结与体会

通过两个星期的课程设计，使我对模具以及模具设计有了初步的了解。在这次课程设计中，不但让我学到了铝合金挤压模具设计的基本知识，还让我运用了Auto CAD 进行平面的绘图，使我能够对学过的知识有效地串联起来，这培养了

我们的实践力和想象力。课程设计是对我们一种能力的检验，是培养我们解决实际问题的能力的一种重要途径，我们应该感谢这样难得的锻炼机会。

课程设计可以激发人的主动性和创造性，很好的锻炼人的思维，我们在这次课程设计中受益匪浅。经过反复的计算和核对，培养了我们科学严谨的态度，同时通过这次设计，感受到了老师在模具知识的丰富以及自己在这方面的欠缺。

模具制造技术迅速发展，已成为现代制造技术的重要组成部分。现代模具制造技术正朝着加快信息驱动、提高制造柔性、敏捷化制造及系统化集成的方向发展。模具在制造业的地位起着不容忽视的作用，甚至关系到国民经济的发展。为此，我们更好加倍努力，在这片天地中，发挥出我们的青春和想象。

由于个人水平的限制及专业知识的有限，设计存在许多疏漏和错误之处，恳请老师指正教导。

参考文献：

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【2】李积彬，伍晓华，毛大恒，马建哲.铝型材挤压模具3D设计.北京：冶金工业出版社，2004.8

【3】刘静安，谢建新.金属挤压理论与技术.北京：冶金工业出版社，2001.5 【4】赵云路，唐志玉.铝塑型材挤压成型技术.北京：机械工业出版社，2000，9 【5】刘静安，谢水生.铝合金材料应用与技术开发. 北京：冶金工业出版社，2004.1

【6】张玉龙，赵中魁.实用轻金属材料手册.北京：化学工业出版社，2006.3

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