镁合金丝挤压模具设计

一、题目：镁合金丝挤压模具设计二、设计基本内容：设计成品直径为2.0mm的镁合金丝挤压件的模具设计并绘制A2模具结构简图和下模口的零件图。

三、完成后应交材料：课程设计说明书一份；挤压模具结构简图一份；挤压凹模零件图一张；挤压凸模零件图一张；目录一、绪论二、模具设计过程2.1材料工艺分析2.2坯料选择2.3确定挤压比2.4挤压力计算2.5 挤压温度的确定2.6温挤压模具预热2.7温挤压模具特点2.8材料选用2.9凸模设计2.10凹模设计三、设计总结与体会参考文献一、绪论镁是地壳中最丰富的金属元素之一，仅次于铝和铁。

在金属结构中镁合金的密度是最小的，仅次铝的2/3,钢的1/4.镁合金具有比强度高、抗电磁屏蔽效果好、抗冲击、振动衰减能大、尺寸稳定性高、导热性好、切削性能好。

且可以再生使用等众多优点。

因此，镁合金被誉为21世纪最具开发和应用潜力的“绿色工程材料”。

但是，镁合金的力学性能不高，耐腐蚀性较差。

虽然通过挤压、锻造、流变和触变成形的方法可以制造各种镁合金壳体构件，却很难将其作为受力结构材料来使用。

除航空航天军用领域应用外，在汽车等工业领域应用较少。

这也表明变形镁合金的研究严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。

因此，开发镁合金的制造技术，研制高强度、高延性的镁合金是非常必要的。

AZ系列镁合金，即在纯镁中添加不同含量的Al和少量的Zn，具有成本低应用广的特点。

AZ61，作为低成本的变形镁合金，其挤压和轧制制品已取得广泛的商业应用；众所周知，因所含合金元素种类和数量、工艺参数设定、模具设计等因素，以及挤压变形特有的在截面上变形分布不均匀的特点，热挤压合金微观组织通常是非均匀的。

在铝、锌含量和比例对镁铝锌系合金铸态组织及合金相的影响方面，但到目前为止，合金化元素含量变化及挤压前均匀化退火处理，对商用AZ系列合金的变形组织及合金相的影响，鲜有系统的研究报道。

热变形组织的再结晶晶粒尺寸大小均匀性和第二相的尺寸及位置分布等因素，即合金微观组织的均匀程度，直接影响合金的力学性能。

温挤压工艺是在冷挤压工艺基础上发展起来的一种少无切削的成形技术。

所谓温挤压，是指对坯料在室温以上，再结晶温度一下的某一温度区域进行挤压。

温挤压成形的制件尺寸精度和表面粗糙度要明显优于热挤压，稍逊于冷挤压，具有加工硬化等特征。

正是因为温挤压的这些特点，其适用范围要比冷挤压大得多，凡是冷挤压难以成形的大尺寸，高强度材料都可进行温挤压。

温挤压自20世纪60年代问世以来，随着技术的不断完善，已被广泛用于各种机器零件的成形，是零件少无切削成形的有效手段之一.材料在挤压过程中，如挤压模具不是很好或模具挤压镁材过多，镁材表面会产生挤压痕，用手可能触摸到镁丝表面不光滑，因此，在现代化大生产中实施挤压加工技术，其成败的关键是模具，模具设计以及其质量，事关产品的质量，成本。

在挤压设计的过程中挤压工艺条件：应考虑挤压温度、挤压速度、润滑、模具（种类、形状、尺寸等）、切压余、淬火、冷却、切头切尾等多方面的因素。

其中，选择挤压筒直径 D0 是一个最核心的问题，有以下的选择原则：1）保证产品表面质量原则；2）保证挤压模强度的原则；3）保证产品内在质量的原则；4）经济上的优化原则－生产成本最低；成材率最大；产量最高。

二、设计过程2.1、材料的工艺分析AZ61镁合金中大部分为镁及铝，并含有不同比例的Zn、Mn及稀土元素，融化温度650℃，共晶温度436℃，再结晶温度在240℃左右。

表2-1、AZ61镁合金的成分镁合金在室温中的塑形较差，所以不宜进行冷挤压成形，但镁合金丝的直径较小，综合分析宜采用温挤压的成形方式。

2.2、坯料的选择与冷挤压一样，坯料的体积可按照零件变形前后体积不变的原则来计算。

为了保证挤压件的质量和模具寿命，坯料的直径尺寸基本上要接近凹模模腔直径的尺寸，但要考虑到坯料加热后直径会因膨胀而增加，否则坯料在加热后可能会放不进凹模模腔。

坯料加热后的直径Dt可按下列公式计算：D t=D0(1+αt)式中D0——室温时的毛坯直径，mm；α——材料的线膨胀系数，1/℃；t——坯料高于室温的温差，℃。

1、坯料的长径比h/D 正挤压时，毛坯长径比过大，会加大摩擦阻力，增大挤压力，一般应限制h/D<5.2、正挤压坯料的直径D 镁的挤压比上限为200，但是挤压比小于10不符合工艺的经济性，所以在本次设计选择D=10mm作为坯料的直径。

3、坯料长度h h/D<5,所以h<50mm。

本次我们选用h=40mm的坯料长度。

综上所述，我们决定选用Φ10×40的圆柱形坯料。

2.3、挤压比的确定挤压比GG=D²/d²=100/4=25D为挤压前坯料的直径，d为挤压变形后的直径。

2.4、挤压力的计算影响温挤压力的因素主要有挤压温度、被挤压材料的化学成分、组织状态、变形程度、挤压方式、模具结构、润滑剂性能和挤压件的尺寸、形状等。

出来挤压温度外，其他的影响因素与冷挤压的情况类似。

分析温度对变形抗力的影响可知道，随着温度是升高，挤压变形抗力逐步下降，温挤压力也明显下降。

温挤压的成形范围较宽，与冷、热挤压相比，影响温挤压压力的因素相对较多。

在实际生产中，较多的使用经验计算法和图表计算法来确定温挤压压力。

由于镁合金属于比较不常用的金属，前面的两种计算法特别不适用于有色金属和合金。

在无法使用上述的两种方法时，可采用近似计算法。

计算方法如下：正挤压时，凸模单位挤压力（即单位挤压力）为P p=Cnσ式中，C为拘束系数，可查表2-2；n是材料的硬化指数，可查表2-2，挤压温度较低时，取较大值，反之，取较小值；σ为温挤压温度时的抗拉强度(Mp)。

选取拘束系数C为2.2，硬化系数n为2，σ在挤压温度下的抗拉强度为。

镁合金在室温时的抗拉强度为300MPa，所以：P p=Cnσ=2.2×2×300=1320 Mpa则凸模挤压时的挤压力P，P= P p×A=1320×3.14×10²/2²=103620 N换成吨位，即：约为10.6 T则可以选择吨位为15T的压力机表2-2 拘束系数C和硬化系数n2.5、挤压温度的确定成形温度时温挤压工艺能否顺利进行的关键因素。

确定温挤压成形温度是原则是：1）选择在金属材料的塑形好、变形抗力显著下降的范围。

2）选择在金属材料发生剧烈氧化前的温度范围，以保证在非保护气氛中加热时氧化极微、无脱碳现象。

3）选择在润滑剂能达到最小摩擦因数，不致因高温或低于其使用温度而失效。

4）选择在金属材料成形后能强化和不改变其组织结构的温度范围。

金属材料加热温度越高，加热时间越长，氧化越严重。

被加热坯料表面若生成较厚的氧化皮，将直接影响到加压件的表面质量、尺寸精度及模具的使用寿命。

温挤压时，由于挤压前模具需预热到150-250℃，加之高温坯料热量的传递和塑性变形时产生的热量，使模具的温度可升高到400-450℃，从而容易是模具材料产生回火软化，使模具强度降低，使模具磨损和局部变形加剧。

所以在选择温挤压温度时，必须考虑到模具允许承受的单位挤压力不要超过2000-2200Mpa。

根据上述温挤压确定的原则及生产实践的经验，镁及镁合金的温挤压温度推荐在175-390℃进行温挤压。

镁合金的再结晶温度为260℃以上，所以本设计所选的挤压温度区间为200℃。

2.6、挤压模具的预热挤压模（包括凸模、凹模、顶杆等工作部分）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。

本设计的预热温度应选择在150-200℃左右。

模具预热的方法有三种：在模具上安装专门的电阻预热器；用喷灯进行预热；在模具上方烧红的钢块进行预热。

预热的目的如下:①使挤压坯料放入模具时降温不致过大，以免使塑形降低，变形力增加；同时避免坯料表面和中心的温差过大，增加变形不均匀性，以致造成挤压件或模具损坏。

②减小模具与坯料的接触温差。

生产中，常因挤压前没有预热模具或模具预热不够，使模具与坯料的温差太大，造成模具表面温度迅速上升，使模具表层和中心层的温差过大，产生很大的内应力，加上挤压时变形力对模具造成的应力很大，从而使模具开裂破坏。

2.6、挤压模具的冷却模具在550-600℃以上连续工作时，硬度急剧下降，强度显著降低，从而影响模具的寿命。

如果能是模具的工作温度保持在200℃左右，就可以进行连续生产而不失去原有性能。

连续自动生产时，可用接触温度计或红外线温度计监测模具的实际温度。

同时调节冷却润滑剂的流量和喷射量，使模具在200-300℃趋于稳定，从而保证模具正常使用。

小批量生产时，每次挤压后，可以用压缩空气冷却凸、凹模等工作部分，并适当增加各次挤压之间的间隔时间。

如采用石墨水剂作冷却润滑剂，在挤压过程中可使石墨水剂由上模向下模流放，并由集水槽将其收集起来重复使用。

石墨水剂既有润滑作用，也有冷却作用。

2.7、温挤压模具的特点温挤压模具在挤压成形过程中，要经受高压及变形热的作用，最大单位压力可高达2000-2500Mpa，在连续生产时的模具温度可达300-500℃或更高。

因此，作为温挤压模具应具备如下特点;1)具有抗室温及中温破坏的足够的硬度、强度与韧性。

2)在反复变形力与热的作用下，必须具有高的抗磨损、耐疲劳性能。

3)模具工作部分易损零件应装拆方便，固定可靠。

4)在模具上应设计循环冷却系统。

5)所选用的模具材料应有良好的加工工艺性。

2.8、模具材料的选用作为温挤压模具材料应具备如下特点：模具升温后模具材料的屈服强度应高于挤压时作用在模具上的单位挤压力；在高温下具有足够的耐磨性；能承受一定程度的冲击，应有足够的韧性，防止裂纹产生；要求较好的物理性能。

表2-3是常用温挤压模具材料种类及性能，在200-400度范围内挤压时，可以采用与冷挤压相同的模具材料，如Cr12MoV或高速钢W18Cr4V、W6Mo5CrV2和6W6Mo5Cr4V等。

表2-3 温挤压模具材料综合各方因素，决定选用Cr12MoV作为本次设计的模具材料。

2.9、凸模设计挤压凸模的作用主要是传递挤压力，设计时应考虑期强度。

在凸模与凹模之间应具有合适的间隙，这是因为：1）要避免在挤压后零件上形成毛刺，这就要求较小的间隙，这一点在挤压比较软的有色金属材料时特别重要。

2）为必须保证挤压时由于凸模弹性变形而产生的直径增大，凸、凹模之间仍要有一定的间隙。

正挤压凸模的形式主要有五种，图1.画出了最常见的4中形式。

图中A用于正挤压实心件，其下端面是平的，形状比较简单，制造方便。

图中B到D用于正挤压空心件。

其中B为整体式结构，可用于挤压软金属，其过渡部分应用光滑圆弧连接，以避免应力集中而导致芯棒折断。

C和D为组合式凸模。