热挤压模设计的基本要素 培训资料

• 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。
一、断面尺寸与模具的关系
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。
W 1.0-1.5 1.6-3.1 3.2-6.3 6.4-12.6 12.7以上
R
2
3
4
5
6
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。
Dw
外接圆
图6-3-1 型材的外接圆直径
• 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 Φ 159 Φ 200 Φ 177.5 Φ 195 Φ 220 Φ 240 Φ 270 铝棒规格 Φ 101 Φ 101 Φ 127 Φ 127 Φ 140 Φ 178 Φ 178 Φ 178 型材外接圆max Φ 80 Φ 110 Φ 100 Φ 100 Φ 115 Φ 120 Φ 140 Φ 160
模具类型
模具直径 Φ 159 Φ 200 Φ 177.5 Φ 195 Φ 220 Φ 240 Φ 270 Φ 280 Φ 328 Φ 310 Φ 360 Φ 400 Φ 430 Φ 496
铝棒规格 Φ 101 Φ 101 Φ 127 Φ 127
型材外接圆max Φ 65 Φ 100 Φ 78 Φ 95
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wk.baidu.com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）
平模
Φ 280
Φ 328 Φ 310 Φ 360 Φ 400 Φ 430 Φ 496
Φ 178
Φ 178 Φ 228.6 Φ 254 Φ 228.6 Φ 228.6 Φ 254 Φ 254 Φ 254
Φ 170
Φ 190 Φ 200 Φ 200 Φ 235 Φ 250 Φ 250 Φ 270 Φ 285
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。
分流模
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。
（a）
Ⅰ级
Ⅱ级 （b）
Ⅲ级
Ⅰ级
Ⅱ级 （c）
Ⅲ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
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。
d定
a
r入
d出 D 图6-3-3 挤压模设计基本要素
h定
H
• 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。
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。
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。
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
黄铜 青铜 L1~L7,LF2,LF3,LF21,LD2,LD31等
1.5
1.0～1.2 1.7 1.0～1.2
LF5,LY11, LY12, LD5,LD8,LC4等
MB1,MB2, MB15等 高美合金
0.7～1.0
1.0～1.2 1.0～1.2
• • •
•
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。
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。
• 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
Φ 140
Φ 178 Φ 178 Φ 178 Φ 178 Φ 178 Φ 228.6 Φ 254 Φ 228.6 Φ 228.6 Φ 254 Φ 254 Φ 254
Φ 100
Φ 110 Φ 130 Φ 160 Φ 170 Φ 190 Φ 190 Φ 190 Φ 230 Φ 240 Φ 250 Φ 270 Φ 285