角钢的工艺制定与模具设计

中南大学2014年中南大学机电工程学院（材料成型与控制专业向）专业课程设计设计任务书设计课题：角钢的工艺制定与模具设计组号：第1组学生姓名：班级：学号：指导教师：目录一、挤压相关知识及发展状况.............................11.1挤压加工方法..............................................11.2铝加工行业的分布..........................................11.3铝及铝合金的特点与应用.....................................21.4挤压工模具的材料...........................................3二、总设计过程概论.........................................52.1挤压工艺流程...............................................52.2挤压工艺及工艺参数条件的确定...............................5三、型材模设计.............................................83.1相关参数...................................................83.2选坯和选设备...............................................93.3挤压力的计算..............................................103.4模组及模子外形尺寸确定....................................113.5组合模相关参数的确定......................................133.6模子内形尺寸的确定.......................................163.7模孔工作带长度hg的确定...................................173.8模芯的设计................................................173.9上模凸台设................................................183.10定位销、螺钉.............................................183.11模子强度校核.............................................183.12零件图装配图(见图纸).....................................19四、总结与体会.............................................201一、挤压相关知识及发展状况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。21.3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。31.4挤压工模具的材料表1.常用挤压工具钢化学成分钢号ω(C)/%ω(Si)/%ω(Mn)/%ω(Cr)/%ω(Mo)/%ω(W)/%ω(V)/%5CrMnMo0.5~0.60.25~0.61.2~1.60.6~0.90.15~0.35CrNiMo0.5~0.6≤0.40.5~0.80.5~0.80.15~0.33Cr2W8V0.3~0.4≤0.4≤0.42.2~2.77.5~9.00.2~0.54Cr5MoSiV10.32~0.420.8~1.2≤0.44.5~5.51.0~1.50.8~1.1本设计选用模具材料为4Cr5MoSiV1，又称H13钢。钢中碳化物类型有623CM、CM6。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。4表2.常用挤压工具钢及其机械性能：钢号试验温度T/℃b/MPa2.0/MPa/%/%HB热处理工艺5CrMnMo300400500600115010107804309908606904104761868411.011.117.526.7351311302235850℃空淬，600℃回火3Cr2W8V300400450500600-1491152014301280-137313631304----15--5.6-8.3-4294294053253251100℃在油中淬火，550℃回火4Cr5MoSiV1400450500550600136013001200105082512301135102585571049525658676791210-----1050℃油淬，625℃回火在油中两小时5二、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）铸锭的加热温度一般来说，对6063合金铸锭的加热温度可设定为：未均匀化铸锭：460-520℃；均匀化铸锭：430-480℃。其挤压温度在操作时视不同制品及单位压力大小来调整。在挤压过程中铸锭在变形区的温度是变化的，随着挤压过程的完成，变形区的温度逐渐升高，而且随着挤压速度的提高而提高。因此为了防止出现挤压裂纹，随着挤压过程的进行和变形区温度的升高，挤压速度应逐渐降低。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6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450℃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限制，本设计的挤压速度由设备而定。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HRC40～47。9）切压余本设计视挤压设备而定，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。711）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。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；6063合金挤压型材的力学性能和电化学性能除了与合金的化学成分有密切关系外，还与人工时效制度有较大关系。低温长时间时效和高温短时间时效使力学性能有较大提高，但却降低了合金的电化学性能。为了兼顾两种性能及确保生产效率，采用室温自然时效（停放）2h,再在195～205℃人工时效2h的时效制度是适宜的。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。8三．型材模设计3.1相关参数了解产品技术要求，工艺流程、工艺制度（规程）设计(变形制度、温度制度、速度制度)（包括力能参数计算）、工艺布置图、挤压模具设计(CAD)表3.已知条件：(尺寸单位：mm)组员合金牌号606360836061606360836061宽度a50.525.429.565.545.535.5宽度b251015341818厚度c2.21.21.162.51.81.55型材断面尺寸（名义尺寸修改如上表，公差不变）具体参数：合金牌号：6061B=29.5mmH=15mmT=1.16mm93.2选坯和选设备制品的截面积：F制＝29.5×15-（29.5-2×1.16）×（15-2×1.16）=97.86mm2表4：综合尺寸等各因素，选用500t挤压设备设备吨位500T800T1630T挤压筒直径D0Φ95Φ125Φ187挤压截面积F070851226627451锭坯尺寸DdⅹLdΦ90x270/320Φ120X400/450Φ178X540/600/660冷床长26m32m44m填充系数1.1141.0851.104压余厚202530最大挤压比97.48273.6加工范围最大外接圆直径Φ65Φ95Φ147挤一根最小制品断面积F制min7215037210挤压筒内孔尺寸φ95锭坯尺寸为：DdXLd＝Φ90×270mm3.3挤压力的计算根据挤压力P=11.775×[（D/d）1/2－0.8]×D2×σbP——为单位挤压力，ND——挤压筒内直径，mmd——制品的当量直径，mm（此处当量直径为4*29.5*15/（29.5*2+15*2）=19.89mm）σb——某一挤压温度下材料的抗拉强度，MPa故P＝11.775×[（95/19.89）1/2－0.8]×952×16.2＝2385KN换算吨位：约243TP＜额定吨位500T，