挤压工艺与模具设计

目录

一、挤压相关知识及发展状况..............2

二、总设计过程概论......................5

三、实心型材模设计......................7

四、总结与体会..........................19

1

挤压工艺与模具设计

1.1 挤压加工方法

挤压是有色金属、钢铁材料生产与零件成型加工的主要方法之一，也是各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。从大尺寸金属铸锭的热挤压开坯、大型管棒型材的热挤压加工至小型精密零件的冷挤压成型，从粉末、颗粒料为原料的复合材料直接固化成型到金属间化合物、超导材料等难加工材料，现代挤压技术得以广泛的应用。

挤压加工的方法主要有正挤压，反挤压，侧向挤压，玻璃润滑挤压，静液挤压，连续挤压。挤压加工特点是处于强烈的三向压应力状态，这有利于提高金属的塑性变形能力，提高制品的质量，改善制品内部微观组织和性能。除此以外，挤压加工还具有应用范围广，生产灵活性大，工艺流程简单和设备投资少的特点。应用挤压加工工艺最多的材料是低熔点的有色合金，如铝及铝合金。 1.2 铝加工行业的分布

中国的铝加工企业主要集中于沿海(广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、河北、天津、北京、辽宁)地区，即珠江三角洲(广州一深圳为中心的经济圈)、长江三角洲(上海为中心的经济圈)、环渤海湾地区(京津经济圈)所占比例较大，许多铝加工企业都云集于此三大经济圈。在珠三角地区，主要集中在佛山地区，其中大沥更是全国，甚至世界地区铝加工业的佼佼者。 1.3铝及铝合金的特点与应用

铝及铝合金具有一系列特性，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

2

挤压工艺与模具设计

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。

根据铝合金的成分和生产工艺特点,通常分为变形铝合金与铸造铝合金两大类。变形铝合金也叫熟铝合金，根据据其成分和性能特点又分为防锈铝，硬铝，超硬铝，锻铝和特殊铝等五种。

铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、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，可回炉重炼。 1.4挤压工模具的材料

常用挤压工具钢化学成分

钢号 ω(C)/% ω(Si)/% ω(Mn)/% ω(Cr)/% ω(Mo)/% 0.15~0.3 0.15~0.3 7.5~9.0 1.0~1.5 0.2~0.5 0.8~1.1 ω(W)/% ω(V)/% 5CrMnMo 0.5~0.6 0.25~01.2~1.6 0.6~0..6 5CrNiMo 0.5~0.6 ≤0.4 9 0.5~0.8 0.5~0.8 3Cr2W8V 0.3~0.4 ≤0.4 ≤0.4 2.2~2.7 4Cr5MoSiV1

0.32~0.42 0.8~1.2 ≤0.4 4.5~5.5 3

挤压工艺与模具设计

本设计选用模具材料为4Cr5MoSiV1，又称H13钢。钢中碳化物类型有

M23C6、M6C。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。铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性。 常用挤压工具钢及其机械性能：

试验温钢号 度/MPa /MPa T/℃ 300 400 5CrMnMo 500 600 300 400 3Cr2W8V 450 500 600 400 450 4Cr5MoSi500 V1 550 600

b 0.2   热处理工HB 艺 /% /% 1150 990 1010 860 780 430 - 690 410 - 47 61 86 84 - - - 15 - 49 52 56 58 67 11.0 351 850℃空11.1 311 淬，600℃17.5 302 回火 26.7 235 - 429 1100℃在油中淬1491 1373 1520 1363 1430 1304 1280 - 5.6 429 - 405 火，550℃8.3 325 回火 - 6 7 9 12 10 325 - 1050℃油- 淬，625℃- 回火在油- 中两小时 - 1360 1230 1300 1135 1200 1025 1050 855 825 710 4

挤压工艺与模具设计

二、总设计过程概论

2.1 挤压工艺流程

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。

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 →时效→表面处理→包装入库 2.2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

3003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

5

挤压工艺与模具设计

中温度最好控制在500℃左右。 6）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，本设计的挤压速度取V锭0.8~2.0m/min，V流出60~80m/min。 7）工模具的润滑

因本设计采用热挤压，故不采用润滑。 8）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。 9）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。 10）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。 11）冷却

直接露置在空气中冷却，达到自然时效的目的。 12）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。 13）切定尺

本次设计取每根制品6m长作为切定尺的标准。

6

挤压工艺与模具设计

14）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3xxx系铝合金可在180～240℃下保温6～8h。 15）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。 16）包装入库

将铝合金成品进行包装入库。 三、实心型材模设计 3.1所要设计的实心型材制品

图1 v型材截面

（1）已知：要求本制品的形状和尺寸及公差如下

7

挤压工艺与模具设计

牌号XC311-5（v型）

2制品的截面积F制63mm

制品材料为3003，制品挤一米的重量G0.171kg/m 模孔外接圆直径D外12212216.97mm

(2)现有设备

表6

设备吨位 挤压筒直经D0(mm) 挤压截面积F0(mm) 锭坯尺寸Dd³Ld 500T Φ95 7085 Φ90³270/320 冷床长(m) 填充系数K 压余厚(mm) 最大挤压比max 加工范围 最大外接圆直径 D外max (mm) 800T Φ125 12266 Φ120³400/450 32 1.085 25 82 Φ95 150 1630T Φ187 27451 Φ178³0/600/660 44 1.104 30 73.6 Φ147 372 26 1.114 20 97.4 Φ65 72 挤一根最小制品断面积 F制min(mm2) 3.2选坯和选设备

8

挤压工艺与模具设计

选择挤压筒直径D0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≥K1（C为模孔距筒内表面的距离，K1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 可用500T，按成才率最高的原则，进一步优化，计算如下表所示：

序号 D0 (mm) Dd (mm) Ld (mm) 单重Wd(Kg) 填充系数K 填充后长度压余切压余挤压比 λ 制品长度L制 (m) 切头尾后制品长度成品 成品 数 nx6 (m) 重成材率 W制/Wd (％) 2³6 3.82 2³6 3.82 81.8 69.1 厚hy 后的有(mm) 效长度 W制 (kg) /Ldmm /mLdm  L制(m) 1 2 Φ95 Φ95 90 90 270 320 4.67 5.53 1.114 1.114 242 287 20 20 222 267 62.48 13.87 62.48 16.68 13.27 16.68

最后选择成才率最高的81.8％方案1

即：选择500T的挤压机设备，挤压筒内径D0=Φ95mm 锭坯尺寸为：Dd³Ld=Φ90³270mm λ=62.48 3.3挤压力的计算

9

挤压工艺与模具设计

根据挤压力经验系数公式，

P11.775(D0.8)D2b dP——挤压力, N D——挤压筒内直径，mm

d——制品的当量直径，mm；（d4F制）

b——材料在挤压温度下的变形抗力，MPa；查表3，并由外推法得出500℃

时的变形抗力为10MPa。 所以d=4F制=463=8.96mm

P=11.775(D0.8)D2b d=11.775(950.8)95210 8.96 =2610162N

换算成吨位：约266T

P=266T＜额定吨位500T，设备选择符合要求，即理论技术可行 3.4实心型材模具体结构设计 模组的结构如下图

图2 模组的结构

10

挤压工艺与模具设计

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3 模组尺寸如下表

表7模组尺寸

设备吨位 Φ1³Φ2³H 500T Φ160³Φ180³190 H1 H2 H3 挤压模具的尺寸如下表

表8挤压模具的尺寸

设备吨位 d1/d2 500T Φ135/Φ145³20～25 h1

3.5 实心模尺寸数据设计 （1）选坯和选择设备

根据前面的计算 选500T挤压机

800T Φ210³Φ250³240 30 90～100 50～60 1630T Φ310³Φ350³340 30 110～150 60～80 20 80～90 50～60 800T Φ165/Φ175³25～30 12～13 1630T Φ250/Φ260³30～40 12～13 12 11

挤压工艺与模具设计

挤压筒内直径D0=95㎜ 锭坯尺寸：Dd³Ld=Φ90³320mm 挤压比λ=62.48

（2）模组及模子尺寸外形的计算

图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7选取

H=190mm H1=20mm H2=80mm H3=55mm 1＝Φ160mm 模子外形尺寸的确定（如下图4）

2dh1图4 模子外形尺寸

依据表8的数据可以确定

d1=Φ135㎜ d2=Φ145㎜ h1=12㎜ h2=25㎜

（3）模孔几何尺寸的确定

挤压比λ=62.48＜max，故不需要多孔挤压。

12

1＝Φ180mm

挤压工艺与模具设计

①模孔的外形尺寸（指型材的宽与高）AK：由公式

AkAm(1C1)1

式中：Am——型材的名义尺寸，mm

C1——裕量系数，见《金属塑性加工学》，冶金工业出版社，P67表

5－1锻铝取0.007~0.010，本设计取0.010

1——型材外形尺寸的正偏差，mm

②型材的壁厚的尺寸SK由公式

SkSmC22

式中：Sm——型材壁厚的名义尺寸，mm

2——型材壁厚的正偏差，mm

C2——裕量系数，对铝合金取0.05～0.15，其中壁薄的取下限，厚

壁

取上限。本设计取0.1

③计算得出几何尺寸:

模孔外型尺寸： 长度方向25±0.45mm尺寸

Bk=Bm(1+ C1）+1

=32³（1＋0.01）+0.45

=12.57mm

宽度方向13±0.45mm尺寸

Hk=Hm (1+C1）+1

=13³（1＋0.01）+0.45

=12.57mm

13

挤压工艺与模具设计

壁厚的尺寸 SkSmC22

=2.4＋0.1＋0.2 =3.4㎜

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，角度取91° 制造偏差为 0.45㎜，主要尺寸如下图

图5 模孔几何尺寸

（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，故型材的重心与模子的中心重合。 模孔重心的计算，如下图建立坐标系：

14

挤压工艺与模具设计

图6模孔几何中心确定

设压力中心为（x0，y0 ）由于v型截面具有一条对称轴，如图6关于Y轴称 所以x0=0 ，则压力中心为（0，y0 ） 各边中心坐标为：

lx,y4.44l1x1,y132,32,l2x2,y24.252,6.752,l3x3,y34.52,6.752,

2,6.752,l5x5,y54.252,6.752,l6x6,y632,32

各边长分别为：l1=12mm，l2=3mm，l3=9mm，l4=9mm，l5=3mm,l612mm

y0=

y1l1y2l2y3l3y4l4y5l5y6l6y7l7y8l8

l1l2l3l4l5l6l7l8 =4.24mm

由于制品对称，所以（x0，y0）=（0，4.24）

（5）工作带长度的确定

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h定＝4㎜

模角工作带与工作端面的连接都有一个尖棱角，挤压过程中易于出现裂纹和压秃、压塌等现象从而会改变模孔尺寸，导致难以保证挤压制品的尺寸精度，因此，必须采用过渡圆角半径r。 （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4mm。工作带与出口的过渡部分以圆角半径等于4～5mm的圆弧连接，或做成20°~45°的斜面。

15

挤压工艺与模具设计

（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，一般取r=0.2~0.5mm。 （8）阻碍角

由于h定≤10～15㎜，故不采用阻碍角 3.6校核

（1）设备能力的校核

根据前面P挤=266T<500T,即挤压力小于所选设备的吨位。所以符合要求。 （2）模子强度的校核

对于半空心型材,可以认为是一个悬臂梁突出的舌部，可按下述步骤校核其危险面I-I处的模子最小厚度。舌部尺寸如图5所示。

图5

1）求单位挤压力p

p

P26610009.8==332.08MPa F0708516

挤压工艺与模具设计

式中：p——单位挤压力，MPa

P——挤压力，N

F0——挤压筒断面面积，mm2

2）舌部载荷QpFsh=pbshlsh=332.0812262=47819.5N 式中：Q——作用在舌部的总载荷，N Fsh——舌部的面积，mm2 lsh、bsh——舌部的长宽尺寸，mm 3）舌部弯曲应力w计算

w=

Mw W式中：w——舌部弯曲应力，MPa

Mw——弯矩，N²mm；Mw=Qe=47819.5³

为重心至危险断面出的距离）

bshH2122252 W——截面模数，mm；W===1915.08mm3

66362=202850.4N²mm（e2（H为模子高度） 所以w=

Mw202850.4==105.9MPa W1915.084）剪切应力τ的计算

τ=

Q47819.5==112.7MPa bshH122255）等效应力e的计算

2(1.73)2=105.92(1.73112.7)2=221.87MPa e=w计算的等效应力e应小于工作温度下的模子的材料的屈服强度s。在500℃下,

17

挤压工艺与模具设计

对于4Cr5MoSiV1取s=1025Pa左右。e=221.87MPa<1025MPa，故模具强度符合要求。 四、总结与体会

通过几个星期的课程设计，我对模具以及模具设计的一般步骤有了初步的了解。

原来以为专业知识学得好就能做得好,事实上实践动手能力与书本知识有很大的区别.这样的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.

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，还让我把今年暑假实习中观察学习到的模具知识应用于其中。也算是把理论和实际初步的结合了起来。

由于个人水平的及专业知识的有限，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：

【1】 刘静安 邵莲芬主编. 《铝合金挤压工模具典型图册》 化学工业出版 【2】 郝滨海主编 《挤压模具简明设计手册》化学工业出版社 【3】刘静安 谢建新主编 《金属挤压理论与技术》冶金工业出版

【4】刘静安 谢建新主编. 《大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计》 【5】刘庆谭主编. 《材料力学教程》 机械工业出版社

18