棒材挤压课程设计

第一章 坯料及工艺参数的确定1.1 坯料的选择坯料尺寸的确定十分重要，坯料尺寸的选择是否合理，直接影响到挤压制品的质量、成品率、生产率等技术经济指标。

坯料尺寸（直径和长度）越大，制品越长，从而使切头尾、切压余的几何损失和挤压周期内的辅助时间所占的比例降低，对压余所导致的金属几何损失，增大直径或者增加长度对成品率的影响不同。

坯料体积一定时，增大直径和减短长度使几何损失增加，减小直径增加长度，几何损失减小。

（1）坯料直径m D 的确定选择坯料直径时，一定要在满足制品断面机械性能要求和均匀性要求的前提下，尽可能采用较小的挤压比。

查热挤压各种金属材料时的工艺参数值表可知，黄铜棒（DIN_CuZn40Pb2）的挤压比)400~300(~10=λ，选取70=λ，因为22220mmm m d D d D F F ===ππλ （1-1） 式中，m D —坯料直径，mm ；m d —挤压制品的直径。

由上式，坯料的直径为m m d D λ= （1-2） 已知制品直径mm 12φ，故有mm mm D m 4.1001270=⨯=圆整，取mm 100=m D 。

（2）坯料长度的确定在实际生产中，坯料一般是圆柱形的，在挤压有色金属时，坯料长度为其直径的2.0~3.5倍。

本设计取坯料长度m H 为其直径的3倍，即坯料长度m H 为300mm 。

1.2 挤压工艺参数的确定 1.2.1摩擦系数的确定摩擦系数对挤压有着重要的影响，对挤压力的影响最为显著。

根据设计要求，故挤压垫与坯料之间的摩擦系数可取0.5，挤压筒与坯料之间的摩擦系数为0.2，挤压模与坯料之间的摩擦系数为0.2。

1.2.2挤压杆速度的确定挤压时的速度一般可分为三种：挤压速度；金属流出速度；金属变形速度（也称变形速率）。

通常挤压速度越大，不均匀性流动加剧，附加应力增大，在挤压制品上会引起周期性周向裂纹或破裂。

挤压速度的影响通过以下三个方面起作用：第一，挤压速度高，流动更不均匀，副应力增大；第二，挤压速度提高来不及软化，加快了加工硬化，使金属塑性降低；第三，挤压速度的提高，增加了变形热效应，是铸锭温度上升，可能进入高温脆性区，降低金属加工塑性。

综上所述，挤压速度的确定需在一个允许的范围内(如下表1-1所示)，因此在黄铜的允许挤压速度范围内本设计取挤压速度值为501s mm -⋅。

1.2.3挤压温度的确定确定挤压温度的原则与确定热轧温度的原则相同，也就是说，在所选择的温度范围内，保证金属具有良好的塑性及较低的变形抗力，同时要保证制品的获得均匀良好的组织性能等。

根据设计要求及“三图”（合金的状态图、金属与合金的塑性图、第二类再结晶图）原则，可取挤压温度为590℃。

1.2.4 定径带长度的确定定径带是用以稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。

如果定径带过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面，导致出现压痕和椭圆等缺陷。

但是，如果定径带过长，又极易在其上粘结金属，使制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷，而且挤压力将升高。

结合设计要求，本设计取定径带长度为40mm 。

1.2.5工模具预热温度的确定工模具预热的目的：使挤压坯料放入模具时温降不致过大，以免使塑性降低，变形抗力增加；同时避免坯料中心的温差过大，增加变形的不均匀性；减小模具与坯料的接触温差。

除了坯料在挤压前加热以外，挤压模，挤压垫及挤压筒在挤压前均要进行预热。

预热温度一般在150~300℃，应按挤压坯料的温度作调整。

由已给条件知，工具模预热温度为C o 300。

第二章 模具尺寸的确定2.1 工模具尺寸的确定根据挤压机的结构、用途以及所生产的制品类别的不同，挤压工具的组成和结构形式也不一样。

挤压工具一般包括：模子、挤压垫、挤压杆和挤压筒。

此外，还包括其他一些配件如：模垫、支撑环、压力环、冲头、针座和导路等。

本设计主要针对挤压筒、挤压模、挤压垫进行结构及尺寸的设计。

选择模具与坯料部分尺寸，并根据给定的主要尺寸，运用Auto CAD 绘出挤压过程平面图形并设计挤压工艺参数。

2.1.1 挤压示意图本设计的挤压制品是mm 12φ的黄铜棒，挤压示意图如图1所示。

2.1.2挤压筒尺寸的确定根据设计任务书可知，挤压制品的直径m d 为mm 12φ，坯料的规格为mm 300100⨯φ，坯料直径mm 100=m D ，长度mm 300=m h 。

（1）挤压筒内径1d 的确定挤压筒内径根据挤压合金的强度、挤压比和挤压机能确定的。

筒的最大直径图1-1 挤压示意图应能保证作用在挤压垫上的单位压力不低于金属的变形抗力。

显然，筒径越大，作用在垫上的单位压力就越小。

再根据产品品种、规格确定筒的内径尺寸。

挤压筒内径1d 可按间隙值计算D D d m ∆+=1 (2-1)式中，m D —坯料的外径，mm ； D ∆—是坯料顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值，mm ，如表2-1所示。

因为挤压示意图所给挤压为卧式挤压机，坯料直径为mm 100φ，故可知挤压筒直径在mm 100≤范围内，即可知间隙值mm D 3~1=∆,取mm D 2=∆。

挤压筒内径1d 为mm d 10221001=+=（2）挤压筒外径1D 的确定根据经验，一般挤压筒外径1D 是挤压筒内径1d 的4~5倍，故mm 510~408102)5~4()5~4(11=⨯==d D本设计取1D =450mm 。

（3）挤压筒长度t L 确定挤压筒长度可按如下公式进行计算321l l l L t ++= (2-2)式中，1l —挤压垫进入挤压筒的深度，mm ； 2l —挤压垫的厚度，mm ； 3l —坯料的长度，mm 。

表2-1 筒、锭间隙选择因为mm 3003==m H l ，mm 402=l ，为保证开始挤压时准确定位和挤压杆在挤压过程中保持稳定，1l 可取20mm 。

=++=321l l l L t 20+40＋300=360mm.2.1.3挤压垫尺寸的确定挤压垫是用来防止高温的锭坯直接与季亚杆接触，消除其端面磨损和变形的工具。

垫片的外径应比挤压筒内径小D ∆，太大，可能形成局部脱皮挤压，从而影响制品质量，特别是在挤压管材时不能有效的控制针的位置，以致造成管子偏心；但是D ∆也不能太小，以防与挤压筒内衬套摩擦加速其磨损。

D ∆值与挤压筒内径有关：卧式挤压机取0.5~1.5mm 。

由表2-1本次设计采用卧式挤压机，坯料的直径为100mm ，所以挤压筒的内径应mm 100≤，D ∆取0.5~1.5mm 。

所以挤压垫的直径为D d d ∆-=1 （2-3） 由于本设计选用卧式挤压机，则 1.5~0.5=∆D mm ，故=d 102-（0.5~1.5）=100.5~101.5mm 本设计取挤压垫的直径mm 101=d 。

由于挤压垫的厚度2l 可等于其直径的0.2~0.7倍，所以mm 7.70~2.20101)7.0~2.0()7.0~2.0(2=⨯==mm d l可在范围内取挤压垫的厚度=2l 40mm 。

2.1.4 挤压模尺寸确定 （1）模角的确定模角是模子的最基本的参数之一，是指模子的轴线与其工作断面间所构成的夹角，挤压模锥角ω为20~900。

（2）定径带长度的确定工作带又称定径带，是稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。

倘若工作带过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面导致出现压痕和椭圆等缺陷。

但是，如果工作带过长，又极易在其上粘结金属，则制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷，而且挤压力将升高。

本设计取定径带长度为40mm 。

（3）定径带直径的确定模子工作带直径与实际所挤压的制品直径并不相等。

在设计时应保证制品在冷状态下不超过所规定的偏差范围，同时又能最大限度地延长模子的使用期限。

通常是用一裕量系数1C 来考虑各种因数对制品尺寸的影响。

表2-2为挤压不同金属与合金时的模孔裕量系数1C 值。

对于棒材，按标准规定只有负偏差。

在挤压铜合金一类温度较高的材料时，因模孔会逐渐变小，所以工作带直径的设计应使开始一批棒材的直径接近其名义尺寸。

随着模孔变小，挤压棒材的实际直径接近最大的负偏差。

对于轻合金，因挤压温度低，没有模孔的问题。

挤压棒材的模孔直径2d 用下式计算：m m d C d d 12+= （2-4）式中，m d —棒材的名义直径，mm 。

由于所给挤压坯料为黄铜DIN_CuZn40Pb2，含铜量为58%，所以查表2-2，1C 值可取0.015。

故由式（2-4）得=2d 12+12⨯0.015=12.18mm （4）出口直径3d 的确定模子的出口直径一般比工作带直径2d 大3~5mm ，如果尺寸过小会划伤制品的表面。

mm )5~3(23+=d d （2-5）由式得mm 18.17~18.15)5~3(18.123=+=d ，本设计取mm 163=d 。

（5）入口圆角半径（过渡圆角）r 的确定入口圆角半径（过渡圆角）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（定径带）时所产生的非接粗变形，同时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。

在设计任务书中已给定过渡圆角的半径为5mm 。

图1-1 挤压示意图（6）挤压模的外形尺寸2D 和H 的确定挤压模的外圆直径与厚度主要是根据其强度和标准系列化来考虑。

它与挤压的型材类型、难挤压的程度及合金的性质有关。

一般所挤压的型材的外接圆最大直径max w D 等于挤压筒内径1d 的0.8~0.85倍。

根据经验，对棒材、管材、带板和简单的型材，模子的外径2D =（1.25~1.45）w D 。

故挤压模外径()112)23.1~1(85.0~8.0)45.1~25.1()45.1~25.1(d d D D w =⨯⨯==代入mm 1021=d 得，mm 25.123~25.106102)23.1~1()23.1~1(12=⨯==d D ，本设计取2D =110mm 。

因为本设计中挤压模的锥角是可以变化的，取值在090~20，在设计时可取030，故挤压模的长度H 需根据定径带长度4l 、出口带长度5l 和模角处垂直长度共同决定，因为模角处垂直长度为9288.2560cot 218.12102cot 2021=-=-ωd d mm 出口带长度5l =30mm ，则挤压模长度=H 25.9288+40+30=95.9288mm 。

第三章挤压方案的分配与模拟过程3.1方案的分配由于本设计以挤压垫摩擦系数为变化量来探究挤压过程中对各个参数的影响，即挤压垫摩擦系数取0~0.6，分成8组进行实验模拟。

具体方案见表3-1所示。

挤压方案如表3-1所示。

序号学生学号挤压垫摩擦系数挤压筒挤压模摩擦系数挤压杆速度/1-smm⋅挤压模锥角ω/°挤压温度/℃定径带长度4l/mm工模具预热温度/℃10 101~112 0.5 0.2 50 2030405060708090590 40 300根据给定的几何尺寸，运用CAD或Pro/E分别绘制挤压垫、挤压模/挤压筒和坯料的几何实体，文件名称分别为“jiyadian”、“jiyamo”、“jiyatong”、“piliao”，输出STL格式。