热挤压模设计的基本要素培训资料

第六部分热挤压模具设计的基本要素第一节挤压制品与模具的关系•金属加工制品都是通过一定的成形工具而获得的，热挤压生产加工也不例外，必须先根据产品进行模具设计，加工制作模具后交付生产车间使用。从事模具设计工作，必须对模具设计基础、基本要素、常用模具设计方法与相关内容等较为明确并能综合应用，这是至关重要的依据。当然，模具设计的好坏，只能以实际生产效果来进行评判，因而，了解生产工艺，推广先进技术，不断总结和积累经验是设计出高质量模具不可缺少的途径。挤压制品断面尺寸与模具断面尺寸的大小有因果相存的关系，挤压制品的断面尺寸的大小又同挤压力和挤压模具工作端面尺寸密切相关。挤压制品的断面尺寸越大，所需要的挤压力就越大，因而挤压模具工作端面的尺寸也就要相应增大。一般不同吨位的挤压机都有相应的固定挤压筒，其直径大小又限制着挤压制品断面直径的取值范围，这些关系表明了互相依存的因果关系。挤压制品断面大小，对于圆棒材、圆管材，以其外圆直径来确定；对于非圆棒、非圆管、型材（包括排材），常用各自的外接圆直径来衡量，如图6-3-1所示。图6-3-1型材的外接圆直径外接圆Dw一、断面尺寸与模具的关系•为了确定一台挤压机能否生产某种制品，就看挤压简直径的大小。表6-3-1模具类型模具直径铝棒规格型材外接圆max平模Φ159Φ101Φ80Φ200Φ101Φ110Φ177.5Φ127Φ100Φ195Φ127Φ100Φ140Φ115Φ220Φ178Φ120Φ240Φ178Φ140Φ270Φ178Φ160Φ280Φ178Φ170Φ328Φ178Φ190Φ310Φ228.6Φ200Φ254Φ200Φ360Φ228.6Φ235Φ400Φ228.6Φ250Φ254Φ250Φ430Φ254Φ270Φ496Φ254Φ285模具类型模具直径铝棒规格型材外接圆max分流模Φ159Φ101Φ65Φ200Φ101Φ100Φ177.5Φ127Φ78Φ195Φ127Φ95Φ140Φ100Φ220Φ178Φ110Φ240Φ178Φ130Φ270Φ178Φ160Φ280Φ178Φ170Φ328Φ178Φ190Φ310Φ228.6Φ190Φ254Φ190Φ360Φ228.6Φ230Φ400Φ228.6Φ240Φ254Φ250Φ430Φ254Φ270Φ496Φ254Φ285二、断面形状•挤压制品断面与其对应的模孔有形状相似而尺寸不等关系，特别是型材的这种关系尤为突出。型材根据其断面形状可以分为实心型材、空心型材、半空心型材三大类，有的型材又再分为不同的级别，如图6-3-2所示。Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级图6-3-2型材断面形状的分类、等级(a)实心型材；(b)半空心型材（ⅠⅡⅢ）级；(c)空心型材（ⅠⅡⅢ）级Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级（c）（b）（a）4.断面形状因素是指型材断面周长与其面积之比（或型材断面周长与其单位质量之比），即F形＝SC/FC或F形＝SC/GC式中：SC,FC,GC分别为型材断面的周长，断面积及其单位质量。断面形状因素F形数值越大，则表示这种型材越难挤压。因而模具设计时就需慎重考虑设计要素、模孔排布及挤压设备的选取等诸多因素。反映型材挤压难易程度的数量指标，一般有以下几个因素：1.挤压系数（挤压比）是指挤压筒断面积与型材断面积（多孔模是断面的总面积）的比值。λ＝S挤压筒断面积/∑型材断面积一般的对于6063合金，λ取20～200，建筑型材最佳的20～80。2.宽厚比K是指型材外接圆与断面上最小壁厚的比值,即K=W/t。宽厚比K是型材扁宽化，薄壁化的重要指标，也是反映型材加工难易程度的主要指标。当K小于130时，一般的能较顺利的生产出合格产品；当K大于130时，成型较为困难，断面尺寸和形状精度难以保证，产品质量大为降低，生产率和成品率下降。3.舌比R是指悬臂部分面积A与开口尺寸W平方的比值。即R=A/W2一般的模具舌比大于3就有断裂的危险。或者舌比也可按照下表取值（舌比控制在R以内）W1.0-1.51.6-3.13.2-6.36.4-12.612.7以上R23456三、变形程度在挤压生产中，金属的变形量大小常用挤压比λ或加工率（ε）来表示。挤压比是指挤压成形前锭坯充满挤压筒时的断面积与挤成形后制品断面积总和之比值，以λ表示：λ＝Ft/n·f(3-4)式中：Ft———挤压筒内腔断面积；f———单根挤压制品断面积；n———同时挤压制品的根数或模孔数。对于圆棒、管材的挤压，其挤压比可以写成以下简写形式：棒材：λ=1/n·(Dt/dk)(3-5)管材：λ=1/n·[(Dt-St)·St/(Dk-tk)·tk](3-6)式中：Dt———挤压简直径；dk———棒材直径；Dk———管材外径；tk———管材壁厚；St———锭坯填充挤压筒并穿孔后环形锭坯断面的壁厚：即St=Dt-DZ/2,DZ为穿孔针直径，即管材内径。•加工率ε是指金属变形前后断面积变化的绝对量与变形前断面积比值的百分数，常用ε来表示：ε=(F-f)/F×100%(3-7)对于圆棒、圆管，可以写成以下简写形式：棒材：ε=(Dt2-dk2)/Dt2×100%(3-8)管材：ε=(Dt2-Dk2)/(Dt2-Dz2)×100%(3-9)(式中各符号意义同前)。挤压比（λ）与加工率（ε）之间的关系为：ε=(F-f)/F=1-f/F=1-1/λ=(λ-1)/λ(3-10)λ=1/(1-ε)(3-11)挤压比λ的选择与合金种类、挤压方法、挤压机能力、挤压简直径以及锭坯长度等因素有关。如果λ选用过大，对挤压生产不利，因为挤压力是随着变形程度的增大而增大的，当λ过大时，常使挤压力超过挤压机的负荷能力而发生闷车、挤压不动，甚至损坏工模具等现象；如果λ选用过小，则难以保证挤压制品沿长度或断面方向上具有一定的、均匀的机械性能和均匀的内部组织，而且生产率过低。根据生产实践，λ的最小值宜按以下的经验值进行选取：一次挤压的成品型、棒材：λ≥8~12(ε≥88%~92%)锻造用毛坯：λ≥5(ε≥80%)二次挤压用的毛坯：λ可不限•通常认为ε在95%以上是经济合理的，而有时纯铝的挤压比λ可达300，6063合金可达200，硬铝只在20~60之间。模具设计时除了注意选择合理的挤压比外，还应注意模孔排列的合理性，合理的模孔排列使挤压比相同的情况下挤压力可能达到最小。四、直角部位的圆角半径挤压制品拐角情况常见，多成直角形式。制品是凸形直角，则模孔便是凹形直角，总是与它对应而相反。这种部位不管是在模具上，还是在制品上，挤压中都会出现应力集中的情况，而且易于磨损，影响非常不好。同时也给加工带来一定的难度。因为一般模孔是线切割成形的，因此最小圆角受到线切割机床所用钼丝或铜丝的直径所限制。为了避免这类尖角，模具设计时往往采用圆角过渡。这类过渡圆角半径的取值，对于6063合金挤压可取γ=0.4mm，其他铝合金挤压可取γ=0.6mm；对于难变形的其他有色金属，其过渡圆角的半径取值要适当增大一些。五、尺寸偏差与别的加工材料类似，对于有色金属制品，特别是挤压型材制品，随着截面形状的不同，各部位的标注尺寸有的可能相等，但偏差值则可能不同，这就反映出模具制造上尺寸精度的偏差。模孔尺寸由于变形、磨损及检验时的测量误差等因素影响，都将使实际挤出制品的尺寸有差异，高温加工制品冷却后有相应的冷缩量等。这些因素均会影响制品出现尺寸偏差，甚至出现次品和废品的现象。故在模具设计与制造中就应保证挤压制品在处于常温状态时也不超过规定的尺寸偏差范围，同时要求模具最大限度地延长使用寿命。通常选取一定的模孔裕量系数（κ）来给予补偿，一般模孔裕量系数κ在0.007~0.02范围内取值。不同金属的模孔裕量系数κ值见表6-3-2所列。表6-3-2不同金属模孔裕量系数κ/％金属种类模孔裕量系数κ紫铜1.5黄铜1.0～1.2青铜1.7L1~L7,LF2,LF3,LF21,LD2,LD31等1.0～1.2LF5,LY11,LY12,LD5,LD8,LC4等0.7～1.0MB1,MB2,MB15等1.0～1.2高美合金1.0～1.2第二节热挤压模设计的基本要素一、模角α的选取模角α是指模具的轴心线与模具工作端面所构成的夹角，如图6-3-3所示。当α=90°时，即为平模。平模多用于挤压铝合金型材、棒材及铜合金、镍合金等的管材与棒材。图6-3-3挤压模设计基本要素r入ah定HDd出d定•当＜90°时，即为锥模。锥模的模角α有合理的取值范围，α为45°~60°。但根据不同金属和工艺条件的要求，α的取值也有变化。例如，带润滑剂的挤压钢和一些稀有、难熔的金属，常选α为55°~70°；在有色金属挤压中一般选取α为55°~65°；高温材料如钨、钼、锆之类的金属，取α=45°即可，锥模用于铝、铜合金管材较为普遍。•双锥模的模角由两部分组成：靠近工作端面部分用α1表示，靠近工作带部分用α2表示。一般选用α1为60°~65°，α2为10°~45°，这对于加工铜合金、铝合金管材较为有利。实践证明，挤压铝合金选用α2为10°~13°为最佳。二、工作带长度h的确定工作带又称为定径带，是模具中垂直模具工作端面并保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段，也是模孔重要的组成部分，如图6-3-3所示的h定。正确选择工作带长度h，有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性。工作带长度h的选择应根据挤压机的结构形式（立式或卧式）、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等因素来确定。若工作带长度h太长，则挤压金属残料易粘结在工作带表面，使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷，同时增大模具与被挤压金属的摩擦力，金属流速变慢，增大挤压力等现象；若工作带长度h过短，则会加快模孔的磨损，使制品尺寸不稳定，出现超差现象，且因金属流速较快致使制品断面各部分金属流动不均匀而形成波浪、扭拧、弯曲等缺陷。工作带合理长度h的确定原则如下：•1．按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定h的最小值。一般来说，工作带h的最小值hmin为1.5mm~3.0mm。•2．根据挤压时金属与模孔工作带最大有效接触宽度来确定工作带长度的最大值。超过此值的那部分工作带，就将失去塑性成形的定径和调节金属流速的作用。铝及铝合金工作带最大长度一般不超过15~20mm。•3．挤压型材的模具工作带长度取值时，应视情况不同而有所区别。例如，一些简单断面实心型材，如等壁厚角形、丁字形、工字形之类，模孔各部位的工作带长度可以是相同的，一般取值为2~8mm；而对于建筑型材，因挤压比大，挤压速度快，制品长度较长，即使是等截面等壁厚的情况，模具工作带取值也应不相同，要参照生产实际经验确定。•4．断面形状复杂、壁厚不等的型材，工作带长度应根据壁厚变化的不同而设计各对应不等的h值。挤压有色金属时，一般h值在2~9mm范围内选取。总之，工作带长度的确定，除事先遵照上述原则和生产实际经验确定一个数值后，根据挤压制品的质量情况，还需进行调整，以保证最后生产出合格的挤压制品。三、模孔尺寸的确定模孔尺寸的确定主要考虑挤压制品的金属成分、断面形状、尺寸偏差、各部位几何形状特点和型材的冷却收缩量、张力矫直时的断面收缩量等因素的综合影响来进行设计或计算确定。若用A表示模孔长度，用B表示模孔的宽度，则用以下算式进行计算：管材与棒材模：A=A0（1+κ）（3-12）型材模：A=A0（1+κ）+△（3-13）B=B0+△（3-14）式中：A0———管、棒、型材断面的名义尺寸。圆棒A0为直径，圆管A0为外径，方棒A0为边长，六角棒A0为内切圆直径；κ———模孔裕量系数，见表6-3-2；△———型材外形或壁厚的正偏差值，可按有关标准规定查取；B0———型材壁厚名义尺寸。表6-3-2不同金属模孔裕量系数κ/％金属种类模孔裕量系数κ紫铜1.5黄铜1.0～1.2青铜1.7L1~L7,LF2,LF3,LF21,LD2,LD31等1.0～1.2LF5,LY11,LY12,LD5,LD8,LC4等0.7～1.0MB1,MB2,MB15等1.0～1.2高美合金1.0～1.2四、模孔配置模孔在模具工作面上的合理配置，有利于挤压加工成形，更有利于金属流