挤压模具设计

挤压模具设计邓小民课程简介•本课程以铝合金挤压模具设计为例，介绍挤压模具设计的基本方法、思路。主要内容包括：概述，挤压模具用材料选择，普通型材模、舌型模、分流模、宽展模、导流模、保护模的设计方法，模具修正方法等。•1、概述所谓挤压，就是对放在挤压筒内的金属锭坯从一端施加外力，强迫其从特定的模孔中流出，获得所需要的断面形状和尺寸的制品的一种塑性成型方法。挤压方法适合于各种金属材料的塑性成型，特别适合于有色金属材料的挤压成型，其中最典型的是铝合金型材的挤压成型。挤压模具设计的任务，就是根据制品的断面形状和尺寸的具体要求，设计能够生产出合格制品的模具，且符合经济利益原则。主要内容：铝合金挤压模具设计•1.1铝合金型材分类目前，铝合金挤压型材的品种规格大约有50000种以上，其断面是非常复杂的，有各式各样。其特点是：绝大多数断面是不对称的；型材断面与锭坯断面不相似；型材断面各部位壁厚差大；多数带有各种形状的半空心、空心等。其结果造成金属流动不均匀，挤压制品出现弯曲、扭拧、波浪、尺寸不合格、裂纹等各种缺陷；易造成模具的早期失效及损坏。不同的铝型材企业，对所挤压的铝合金型材有自己不同的分类表示方法。按照原冶金部标准化研究所1984年出版的“铝及铝合金、镁合金挤压型材图册”，挤压型材按形状或用途共分为十大类，分别在XC后面用1、2、3、4、5、6、7、8、9、0表示。在1~7类型材中，根据型材的断面形状及特点，又分为若干个目。在同一目中，按型材形状又分为若干组，一个图形即为一组，依自然顺序排列。•XC1—角形型材•XC2—丁字型材•XC3—槽形型材•XC4—Z字型材•XC5—工字型材•XC6—航空用型材•XC7—电子工业用型材•XC8—民用型材•XC9—其他专用型材•XC0—空心型材•（1）XC1—角形型材，下分5个“目”•XC11—直角型材•XC12—锐角型材•XC13—钝角型材•XC14—圆头角型材•XC15—异形角型材•XC112XC121XC131XC141XC1510•（2）XC2—丁字型材，下分6个“目”•XC21—直丁字型材•XC22—斜丁字型材•XC23—双丁字型材•XC24—圆头丁字型材•XC25—异形丁字型材•XC26—专用异形丁字型材•XC211XC221XC231XC246XC254•（3）XC3—槽形型材，下分7个“目”•XC31—普通槽形型材•XC32—凸边槽形型材•XC33—弯边槽形型材•XC34—圆头槽形型材•XC35—异形槽形型材•XC36—叉形槽形型材•XC37—燕尾槽形型材•XC311XC321XC331XC344•XC353XC362XC373•（4）XC4—Z字型材，下分5个“目”•XC41—等边等壁Z字型材•XC42—等边不等壁Z字型材•XC43—不等边等壁Z字型材•XC44—圆头Z字型材•XC45—异形Z字型材•XC411XC421XC434XC441XC452•（5）XC5—工字型材，下分5个“目”•XC51—等边等壁工字型材•XC52—等边不等壁工字型材•XC53—不等边不等壁工字型材•XC54—圆头工字型材•XC55—异形工字型材•XC511XC521XC531XC541XC551•（6）XC6—航空用型材，下分7个“目”•XC61—边条、铰链型材•XC62—尾刃、窗框等型材•XC63—管夹型材•XC64—大梁型材•XC65—变断面型材•XC66—异形型材•XC67—毛坯型材•XC611XC621XC637XC649•XC6571•XC6571•XC66601XC673•（7）XC7—电子工业用型材，下分8个“目”•XC71—边框型材•XC72—骨架型材•XC73—插角型材•XC74—联结型材•XC75—附件型材•XC76—散热型材•XC77—整体型材•XC70—空心型材•XC711XC722XC731XC747•XC754XC7610XC776XC703•代号XC8、XC9、XC0为无“目”的型材类，在类的后面就是组。如XC81-2，即为第8类、第1组中的第2号型材。•1.2断面形状的复杂性根据断面形状的复杂程度可把型材分成三大类：•（1）实心型材（简单）指一般的角材、槽材、工字型材、丁字型材、Z字型材等。•各种实心型材•（2）半空心型材（较复杂）根据型材断面形状分为三级：•Ⅰ级：从开口中心线看左右是对称的。•Ⅱ级：从开口中心线看左右是不对称的。•Ⅲ级：两个半空心型材。•（3）空心型材（复杂）根据断面形状也可分为三级：•Ⅰ级：圆形空心，直径较小，断面对称；或内径较小，外形不对称。•Ⅱ级：除Ⅰ级以外，外接圆大于130mm，只有1个空心，空心是非圆形。•Ⅲ级：除Ⅰ、Ⅱ级以外所有的空心型材，壁厚是均一的，其空心断面是完整或多孔的，即圆、正方、长方、六角、椭圆、梯形等。••对于半空心和空心型材，级别越高，其断面形状越复杂，可挤压性越差，模具设计的难度就越大。•即便是相同级别的半空心型材或空心型材，断面形状不同，其复杂程度也不一样。因此，除断面复杂性外，还要考虑形状因素F0：型材断面周长S与单位质量W之比（或周长与断面积A之比），即：F0=S/A=S/W。•如果用C表示型材外接圆直径，则SC/A就是一个反映挤压难易程度的指数，其值越大，型材越难挤压。•1.3型材断面设计原则•1.3.1断面大小型材断面大小用外接圆来衡量，外接圆大，所需要的挤压力大。挤压型材的最大外接圆直径一般比挤压筒直径小25~50mm，挤压空心型材时应更小一些。•1.3.2挤压比挤压比小，变形量小；挤压比大，所需要的挤压力大。一般，纯铝的挤压比λ可达300，6063合金可达200，硬铝合金可在20~60之间选择。有时也可用变形率ε表示：ε=（1-1/λ）×100%通常认为，ε95%是经济合理的。•1.3.3型材壁厚壁厚与合金的挤压难易程度有关。如6063合金壁厚取1mm时，6061合金就应取1.5mm、7075合金取2.0~2.5mm左右时，其挤压的难易程度相近。另外，壁厚选择还与外接圆直径、断面形状等有关。一般情况下，型材的宽厚比（B/t）小于30为宜；当B/t50时，比较难挤压；当B/t100时，属于特别难挤压型材，需要采取特殊措施。1.3.4型材包围空间面积设计按包围的空间面积与开口宽度平方的比值—舌比，即A/W2进行计算，然后与表1-1中的数值对照，比表中数值大的定为半空心型材，小的定为实心型材。•1.3.5直角间的圆角半径凸出的直角上的过渡半径过小易发生应力集中；凹形的直角在模孔入口处易磨损。一般像6063一类挤压性能良好的合金，其最小圆角半径取R=0.4mm，其它合金取0.6mm。•1.3.6断面尺寸偏差型材断面尺寸偏差应根据产品的加工余量、使用条件、挤压难易程度、合金牌号、形状特点及所处的部位来确定，通常在有关标准和用户提供的图纸中规定。•2挤压模具用材料•2.1挤压工模具的工作条件•(1)承受长时间的高温作用。温度可达550ºC以上，时间一般为几分钟到几十分钟，甚至数小时。•(2)承受长时间的高压作用。从挤压纯铝所需要的最小单位压力100MPa到某些铝合金空心型材的1000MPa。•(3)承受激冷激热作用。挤压铝合金时，工模具工作和非工作时间的温差可达200~300ºC以上。•(4)承受反复循环应力作用。大部分工具在挤压时受压应力，在非工作时间突然卸载，应力下降到零；穿孔针在穿孔时受压，在挤压过程中受拉应力作用。•(5)承受偏心载荷和冲击载荷作用。•(6)承受高温高压下的高摩擦作用。•(7)承受局部应力集中的作用。•2.2挤压工模具材料的合理选择•2.2.1对工模具材料的要求•(1)高的强度和硬度值。一般要求在常温下其σb值应大于1500MPa。•(2)高的耐热性。一般在工作温度(500ºC)下挤压工具材料的σs不应低于650MPa，模具材料的σs不应低于1000MPa。•(3)具有高的冲击韧性和断裂韧性值。•(4)在高温下具有高抗氧化稳定性，不易产生氧化皮。•(5)高的耐磨性。•(6)具有良好的淬透性。确保工具整个断面有高、均匀的力学性能。•(7)具有抗激冷、激热的适应能力。•(8)高的导热性。能迅速散发热量，防止工件产生局部过烧，防止工具强度损失。•(9)抗反复循环应力性能强。防止过早疲劳破坏。•(10)具有一定的抗腐蚀性能和良好的可氮化性能。•(11)具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性。•(12)良好的工艺性能。易于熔炼、锻造、加工和热处理。•(13)材料易获得，且价格较廉价。•2.2.2常用挤压工模具钢材的性能特点挤压铝合金最常用的工模具钢有钼钢和钨钢两大类。钼钢具有较好的导热性，对热裂纹不太敏感，韧性较好，典型代表是5CrNiMo钢。钨钢具有较好的耐高温性能，但韧性较低，典型钢种是3Cr2W8V钢。在挤压模具制造方面，我国长期以来一直使用3Cr2W8V钢。其特点是：具有很高的室温强度性能，当温度为650ºC时，σs仍可达到1100MPa，HRC可达47；热处理后具有良好的耐磨性和符合模具使用的热疲劳强度。但也有许多缺点：(1)冶金过程工艺性能较差，难以制造超过1000kg的大型优质锻件。(2)导热能力较差，引起温度场不均匀。(3)加热时易产生脱碳现象，使表面层的强度和耐磨性降低。(4)在200~500ºC范围内的传热能力低。近十几年来，铝合金挤压厂家逐渐开始采用4Cr5MoSiV1（H13）钢制作挤压模具。与3Cr2W8V钢比较有以下特点：•(1)化学成分设计较合理,易于采用先进的熔铸技术提高钢材本身的质量。•(2)钢的锻造、冷加工和电加工工艺稳定，容易控制。•(3)比3Cr2W8V钢有更好的热处理特性，热处理工艺稳定，有十分优良的表面处理和化学热处理性能。但易氧化和脱碳，应在真空炉或保护性气氛炉中热处理。•(4)热处理后比3Cr2W8V钢具有更好的综合性能，除了强度略低外，其余性能均优于3Cr2W8V钢，特别是韧性、塑性、断裂韧性、热磨损抗力、热疲劳抗力尤为突出。•2.2.3热挤压工模具材料的合理选择•(1)根据挤压金属和合金的性能选择最合适、最经济的工模具材料。我国主要用4Cr5MoSiV1和3Cr2W8V钢作为挤压铝合金的模具材料；选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、5CrNiW等作为基本工具的材料。•(2)根据产品品种、形状和规格选择工模具材料。挤压圆棒和圆管时，可选择中等强度的5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW钢；挤压复杂形状的空心型材和薄壁管材时，选用高强度的4Cr5MoSiV1或3Cr2W8V钢；对于形状非常复杂的空心型材、宽厚比大于50的扁宽薄壁型材和带筋壁板型材等，则希望选用更高级的材料（如日本的AF31钢）。•(3)根据挤压方法、工艺条件与设备结构，合理选择模具材料。•冷挤压时工模具在很高的压力下工作（可达1500~2000MPa），局部温度可达150~200ºC，挤压速度快，受冲击力作用大。除3Cr2W8V钢外，可选用硬质合金材料制造挤压工模具。•静液挤压时，模具处于高压液体包围中，呈预应力状态，可选用3Cr2W8V钢。•穿孔挤压时的针尖，水冷或液氮冷却的模具等，应选用良好抗激冷激热的材料；正向无润滑挤压时，模具的耐腐蚀性、表面硬度、氮化性能等，应比润滑挤压时的材质好。•(4)根据挤压工模具的结构形状和尺寸选择模具材料。挤压管、棒、普通实心型材的平面模，一般选用5CrNiMo或3Cr2W8V钢制造；形状复杂的特殊型材模、舌型模、平面组合模等，用4Cr5MoSiV1、3Cr2W8V或更高级的材料。一般情况，用5CrNiW、5CrNiMo、5CrMnSiMoV等材料制造挤压筒。但小挤压筒、高比压挤压筒、扁挤压筒，内套选用3Cr2W8V或4Cr5MoSiV1，中套选用5CrNiMo，外套可选用45号锻钢。组合式挤压杆、针支承等，其工作部分选用3Cr2W8V或4Cr5MoSiV1钢，基座部分选用5CrNiMo。受重载荷的小尺寸工模具，应选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1或更高级的材料；对于大尺寸，质量超过300kg的模具和500k