1、第 1 页 共 21 页1河南科技学院2009 届本科毕业论文（设计）论文题目：玻璃窗框组合模的设计学生姓名： 连 迎 风所在院系： 机电学院所学专业： 机电技术教育指导老师： 陈锡渠 杨辉论文完成时间：2009 年 5 月 31 日第 2 页 共 21 页2目 录1 概述 .22 挤压产品的工艺分析 .32.1 成形工艺的分析及选择 .32.2 挤压件的结构分析及各个要素对其影响 .42.3 挤压件的尺寸分析 .42.4 挤压机吨位的选择 .52.5 挤压模具失效分析 .63 平面分流组合模 .63.1 结构分析 .63.2 工作原理与特点 .64 模具结构设计 .74.1 模具材料 .74
2、.2 一般结构 .74.3 结构要素设计 .84.3.1 分流比的计算 .84.3.2 分流孔的形状、断面尺寸、数目及其分布 .84.3.3 分流桥的设计 .104.3.4 模芯（或舌头）的设计 .104.3.5 焊合室设计 .104.3.6 模孔尺寸的设计 .114.3.7 模孔工作带长度的确定 .134.3.8 模孔空刀结构设计 .134.4 强度校核 .164.4.1 分流桥弯曲应力的校核 .164.4.2 分流孔道抗剪应力的校核 .164.4.3 模芯的强度校核 .165 结束语 .19致谢 .19参考文献 .19第 3 页 共 21 页31 概述（挤压工艺的历史及简介）17 世 纪
3、法 国 人 用 手 动 螺 旋 压 力 机 挤 压 出 铅 管 ，用 作 水 管 ，是 为 冷 挤 压 之始 。19 世 纪 末 实 现 了 锌 、铜 和 铜 合 金 的 冷 挤 压 ，20 世 纪 初 期 扩 大 到 铝 和 铝合 金 的 挤 压 。30 年 代 德 国 人 发 明 磷 化 、皂 化 的 表 面 减 摩 润 滑 处 理 技 术 ，使 钢的 冷 挤 压 获 得 成 功 ，最 初 用 于 挤 制 钢 弹 壳 。第 二 次 世 界 大 战 后 ，钢 的 冷 挤 压推 广 到 其 他 国 家 ，并 扩 大 了 应 用 范 围 。50 年 代 开 始 采 用 熔 融 玻 璃 润 滑 法
4、 ，钢的 热 挤 压 遂 在 冶 金 和 机 械 工 业 中 得 到 应 用 和 发 展 。挤 压 按 坯 料 温 度 区 分 有 热 挤 压 、冷 挤 压 和 温 挤 压 3 种 。金 属 坯 料 处 于 再结 晶 温 度 以 上 时 的 挤 压 为 热 挤 压 ；在 常 温 下 的 挤 压 为 冷 挤 压 ；高 于 常 温 但 不超 过 再 结 晶 温 度 下 的 挤 压 为 温 挤 压 。热 挤 压 广 泛 用 于 生 产 铝 、铜 等 有 色 金 属 的 管 材 和 型 材 等 ，属 于 冶 金 工 业范 围 。钢 的 热 挤 压 既 用 以 生 产 特 殊 的 管 材 和 型 材 ，
5、也 用 以 生 产 难 以 用 冷 挤 压或 温 挤 压 成 形 的 实 心 和 空 心 （通 孔 或 不 通 孔 ）的 碳 钢 和 合 金 钢 零 件 ，如 具 有粗 大 头 部 的 杆 件 、炮 筒 、容 器 等 。热 挤 压 件 的 尺 寸 精 度 和 表 面 光 洁 度 优 于 热模 锻 件 ，但 配 合 部 位 一 般 仍 需 要 经 过 精 整 或 切 削 加 工 。冷 挤 压 原 先 只 用 于 生 产 铅 、锌 、锡 、铝 、铜 等 管 材 、型 材 ，以 及 牙 膏 软 管（外 面 包 锡 的 铅 ）、干 电 池 壳 (锌 )、弹 壳 （铜 ）等 制 件 。20 世 纪 中
6、期 冷 挤 压 技 术开 始 用 于 碳 素 钢 和 合 金 钢 ，如 各 种 截 面 形 状 的 杆 件 和 杆 形 件 、活 塞 销 、扳 手套 筒 、直 齿 圆 柱 齿 轮 等 ，后 来 又 用 于 挤 压 某 些 高 碳 钢 、滚 动 轴 承 钢 和 不 锈 钢件 。冷 挤 压 件 精 度 高 、表 面 光 洁 ，可 以 直 接 用 作 零 件 而 不 需 经 切 削 加 工 或 其他 精 整 。冷 挤 压 操 作 简 单 ，适 用 于 大 批 量 生 产 小 制 件 （钢 挤 压 件 直 径 一 般 不大 于 100mm）。温 挤 压 是 介 于 冷 挤 压 与 热 挤 压 之 间
7、的 中 间 工 艺 ，在 适 宜 的 情 况 下 采 用 温挤 压 可 以 兼 得 两 者 的 优 点 。但 温 挤 压 需 要 加 热 坯 料 和 预 热 模 具 ，高 温 润 滑 尚不 够 理 想 ，模 具 寿 命 较 短 ，所 以 应 用 不 甚 广 泛 。挤压是金属压力加工的一种少切削和无切削加工工艺。将挤压模具装在压力机上，利用压力记得往复运动，在室温、中温或高温下使金属在三向 压应力状态下发生塑性变形，从而挤出所需尺寸、形状及性能的零件。挤压加工的优点：1.节约原材料，提高生产率；2.提高零件的力学性能切削加工时，金属内部纤维被割断，力学性能受到影响。但在挤压过程中，金属受三向压应
8、力作用，成型后零件内部的 纤维组织具有连续性，基本沿外形分布，保证了零件的力学性能。另外，冷挤压成形过程中，因为 金属的冷作硬化，制件的的 强度大为提高;3.可加工形状复杂的零件;第 4 页 共 21 页44.提高零件的精度及表面粗糙度。挤压过程中，金属表面粗糙度可达到Ra1.6-0.2,尺寸精度的公差范围最高可控制到0.015mm. 2 挤压产品的工艺分析型材是挤压的主要产品，随着房地产的持续高热， 对铝合金门窗型材的需求量增加、规格品种日渐增多，而且其形状也不断改进 ，以增加 门窗耐用性。铝合金型材可分为普通型材和专用型材两大类。专用型材主要是指变断面型材、空心型材和壁板型材等，普通型材主
9、要是指各种形状规格和各种用途的实心型材。那么门窗型材就属于专用型材。普通型材主要用单孔或多孔的平面模来进行挤压。在挤压断面形状比较复杂，非对 称性很强或型材各 处的壁厚尺寸差别很大的型材时，由于金属流出模孔时的速度不均匀而造成型材的扭拧、波浪弯曲及裂纹等。因此， 为了提高挤压制品的质量，在设计型材模具 时，除了要 选择有足够强 度的模具结构以外， 还需要考虑模孔的配置，模孔制造尺寸的确定和选择保证型材断面各个部位的流动速度均匀的设计。2.1 成形工艺的分析及选择挤压工艺是在金属材料冷变形、温变形、 热变形三种状态下进行的，并按被挤压材料的温度分为冷挤压、温挤压、 热挤压三大类 。设计挤压模具时
10、应根据其挤压变形的规律， 对模具效果 图进行适当修改，使挤压出的零件具有良好的工艺性。 因此，应该对三种挤压工艺合理分析，并选择 最佳工艺：冷挤压不需加热坯料，也就是在室温下进行挤压。 这种工艺节约原材料，生产率高、精度高，但是冷挤压需要的变形抗力大；当 变形抗力大到超过模具材料允许的强度时，就造成模具的破坏，目前一般模具材料在冷挤压时允许的单位挤压力为25003000MPa。所以冷挤压之前，要将材料预先软化退火，在各道冷挤压工序之间也要退火处理。由于金属坯料被预先加热，温挤压中材料的变形抗力比冷挤压要小，可有效降低成形压力机的吨位，模具寿命也有所提高，而且 挤压难加工材料也比冷挤压来得容易。
11、如果在较低温度范 围内挤压， 产品的力学性能与冷挤压件差别不大，唯一的缺点是：热环境使尺寸精度稍有降低。热挤压的加热温度为热锻温度，材料变形抗力显著降低，成形压力机的吨位进一步降低，同时挤压零件的尺寸范围也很宽泛。热挤压的表面质量和尺寸精度较模锻高，而且具有良好的力学性能。但是，因为热挤压特殊的热环境，其工艺缺点也很突出：其一，材料氧化、脱碳及热膨胀等 问题不容忽视， 挤压产品须经过切削才能最终成形；其二，模具寿命较低，普通合金工具钢凹模只能生产 1000到 2000 只热挤压件；第三， 对于大型挤压零件， 难以保 证有效的高质量加热。第 5 页 共 21 页5本次的模具设计，坯料是铝合金，采
12、用冷 挤压完全满足要求，但金属 挤压机的吨位太大，对模具要求也高。温 挤 压 是 介 于 冷 挤 压 与 热 挤 压 之 间 的 中 间 工艺 ，在 适 宜 的 情 况 下 采 用 温 挤 压 可 以 兼 得 两 者 的 优 点 。按 坯 料 的 塑 性 流 动 方 向 ，挤 压 又 可 分 为 ：流 动 方 向 与 加 压 方 向 相 同 的 正挤 压 ，流 动 方 向 与 加 压 方 向 相 反 的 反 挤 压 ，坯 料 向 正 、反 两 个 方 向 流 动 的 复合 挤 压 。在 本 设 计 中 ，型 材 长 度 最 适 合 正 挤 压 。润 滑 和 表 面 处 理 为 降 低 挤 压
13、力 和 模 具 的 磨 损 率 ，并 防 止 金 属 坯 料 与 模具 面 的 热 胶 合 ，挤 压 时 必 须 有 良 好 的 润 滑 。温 挤 压 和 热 挤 压 因 温 度 高 ，不 适宜 用 磷 化 -皂 化 润 滑 ，一 般 采 用 玻 璃 粉 (高 温 时 熔 融 )、二 硫 化 钼 、石 墨 等 配 成的 油 剂 润 滑 。2.2 挤压件的结构分析及各个要素对其影响挤压件的极限成形尺寸取决于坯料的破坏极限、模具的强度以及挤压过程中的润滑和工作条件。给出必要的挤压斜度（若采用卸料装置，也可以不给出挤压斜度），可以使挤压件在模腔内的摩擦阻力大大减少，从而能方便地从凹模型腔内取出挤压件
14、。挤压件截面过度处必须设计成圆角，并给出适当半径，圆角半径越小，金属材料在此处的流动性越差，就越难充满模具型腔， 还 会使型腔的相应部位严重磨损。在圆 角半径过小处，由于应力集中会产生裂缝，以致热挤压模型腔破裂。所以，在保证产品零件要求的前提下，挤压件的圆角半径 应稍大。温挤压时，铝合金棒料的温度在250 0C以下，为减少坯料表面的氧化，挤压温度不宜太低。但同时要考虑 到温度对挤压力的影响。对于纯铝，如将室温 200C时的挤压力设为100%，那么在 1500C时的挤压力为59%，200 0C时的挤压力为41% 2 。本设计将工作温度设定为240 0C，挤压力约为室温时 的30%。2.3 挤压件
15、的尺寸分析挤压件的尺寸及偏差是由模具、挤压设备和其他相关因素决定的。其中受模具尺寸变化的影响很大，而影响模具尺寸变化的原因有模具的弹性变形、模具的温升、模具的材料以及模具的制造精度和模具磨损等。本设计的挤压件材料为最为常用的6063铝合金，根据挤压模具简明设计手册表2.8中查得，挤出入模角 为90 0120 0，挤出直径d0.1D（其中D是挤压筒的直径），坯料直径d 0D，挤出余料厚度b0.20.3mm。由挤压模具简明设计手册表2.10中查得，壁厚0.1，其尺寸精度范围在（0.030 0.075）mm 。图1所示的零件厚度最厚为1.2mm ,宽为64.9mm 1，截面积为232.96mm 2，
16、外界圆直径约70mm。第 6 页 共 21 页6图 1-窗框型材截面图图 2-型材截面拉伸图2.4 挤压机吨位的选择挤压比是以数值表示模具实现挤压的难易, 一般来说挤压比10到150之间是可以适用的.挤压比低于10,产品机械性能低;反之产 品容易出现表面粗糙或角度偏差等缺陷。实心型材常推荐 挤压比在30左右,中空型材在45左右,特别是硬铝合金挤压比应在20至30之间。 为了选择合适的设备， 拟 定合理的工艺， 设计经济而合理的模具，必须精确的计 算挤压比。第 7 页 共 21 页7根据图-1 提供的尺寸，可大致算出挤压件外接圆直径为70mm，为保证足够的分流空间，采用130mm 直径的挤压筒。
17、 根据下面的公式 计算出挤压比r为：（1）98.56.23140Ar其中A 是铸锭的截面积；A1是挤压件的截面积。由这个挤压比综合挤压机的参数和型材的外接圆直径，应取挤压机吨位为15MN。2.5 挤压模具失效分析挤压时，凹模部分承受着定载荷，但 细分到各个部分数值差别较大，模具存在危险截面。挤压凸模主要承受不同流速产生的压应力的作用，并有分流孔所引起的弯曲应力，受力状态比 较复杂。挤压时凹模承受着很大的内应力，在凹模圆周方面产生很大的拉应力。过大的拉应力是使凹模破坏的主要原因。模具的早期失效是因冲击破裂、塑性变形黏附撕坏以及过早的磨损和开裂等原因造成的；当模具达到正常寿命之后，由于磨损或疲劳破
18、损，则属于正常失效。模具早期失效的主要原因就是模具材质差、模具结构不合理、模具加工和热处理工艺不达标；其次是模具材料选用不当、锻造工艺和模具使用不当的影响。3 平面分流组合模3.1 结构分析根据空心型材的外形、孔的数目孔对型材断面中心位置的非对称分布程度以及一系列其它因素，可以采用两种基本方法挤压空心型材：（1）对于空心或实心铸锭可以采用管材挤压法挤压；当采用实心铸锭时，在挤压之前，先要对坯料进行穿孔；（2）利用组合（舌型）模进行挤压，在这种情况下，将组合针和模具做成一个整体或者装配成一个刚性结构；为了使模具在挤压时模孔各部的流速均匀、挤压平稳，在设计其模具结构时，打破了一般型材大都采用平模形
19、式的常规设计理念，将此型材模具设计成带有流口、分流桥的平面分流组 合模的形式。第 8 页 共 21 页83.2 工作原理与特点平面分流组合模采用实心铸锭，在挤压机挤压力的作用下，铝锭经过分流孔时被分成几股金属流，流入 焊合室（模腔），在高温、高 压、高真空的条件下重新焊合，然后通过模芯与模具所形成的间隙流出，而形成符合一定尺寸要求的管材或空心型材。其主要优点是：（1）可以挤双孔或多孔的内腔十分复杂的空心型材或管材，也可以同时生产多根空心工件，所以生产效率高，这一点是桥式舌型模很难实现甚至无法实现的；（2）可以挤压悬臂梁很大，用平面模很难生产的半空心型材；（3）可以实现连续挤压，根据需要截取任意
20、长度的工件；（4）可以改变分流孔的数目、大小和形状，使断面形状比较复杂、壁厚差 较大，难以用工作带、阻碍角和促流角等调节流速的空心型材很好成形；（5）可以用带锥度的分流孔，实现在小挤压机上挤压外形较大的空心工件，而且能保证有足够的变形量；（6）可拆换，易加工，成本较底；（7）易于分离残料，操作简单， 辅助时间短，可在普通的型棒挤压机上用普通的工具完成挤压周期，同时 残料短，成品率高。 但是，它也有一定的缺点：（1）焊缝较多，可能会影响工件的组织和力学性能；（2）要求模具的加工精度高，特别是多孔空心型材，上下模要求严格对中；（3）残料分离不干净，不便于修模 3 。4 模具结构设计4.1 模具材料
21、模具材料将采用钨钢，其典型钢种为3CrW8V。3CrW8V钢广泛地用来制造重载荷模具，这种钢是含碳量为03%0.4%的Cr-W系的一种亚 共析奥氏体合金 钢。它的特点是具有很高的室温 强度性能：当温度为650时，s仍可保持1100MPa ，HRC可达47。但超过650 时，强度和硬度值则急剧下降。实验研究表明，3CrW8V 钢的上述性能随钢材中的碳含量的增加而提高。由于3CrW8V钢的化学成分和生产、使用条件在各国存在差异，所以，其热处理工艺也不尽相同，因此所得到的性能也有区别。 3CrW8V钢的另一个特点是热处理后具有良好的耐磨性和符合模具使用要求的热疲劳强度 4 。第 9 页 共 21 页
22、94.2 一般结构平面分流组合模一般由上模，下模，定位销，联结 螺钉四部分组成。上下模组装后装入模支承中，为了保证模具的强度，减少或消除模具变形，有 时还要配备专用的模垫和环。在上模有分流孔，分流桥和模芯，分流孔是金属通往型孔的通道，分流桥是支承模芯的支架，而模芯用来形成型材内腔的形状和尺寸。在下模有焊合室，模孔型腔，工作带和空刀。 焊 合室是把分流孔流出来的金属汇集在一起重新焊合起来形成以模芯为中心的整体坯料，由于金属不断聚集，静压力不断增大，直至挤出模孔。模孔型腔的工作带部分确定型材的外部尺寸和形状以及调节金属的流速，而空刀部分是为了减少摩擦，使工件能顺利通过，免遭划伤，以保证表面质量。定
23、位销用来进行上下模的装配定位，而联结螺钉是把上下模牢固地联结在一起，使平面分流模形成一个整体，便于操作，并可增大强度。此外，按分流桥的结构不同，平面分流 组合模又可分为固定式个可拆式的两种。带可拆式分流桥的模具又称之为叉架式分流模，用这种形式的模子，可同时挤压多根空心制品。 4.3 结构要素设计平面分流组合模的主要设计要素有模孔的选择，分流比，分流孔的形状、大小和分布，分流桥，模芯， 焊合室，定径 带等，这些因素对产品质量和模具寿命均有重大的影响，必须认真的 计算和慎重选择。4.3.1 分流比的计算分流比(K)就是各分流孔的断面积(F 分)与型材断面 积(F 型)之比。分流比K的大小直接影响到
24、挤压阻力的大小，工件成型和焊合质量，K值越大，越有利于金属流动与焊合，也可减少 挤压力。因此，在模具强 度允许的范围内，应尽可能选取较大的K值。在一般情况下，对于生产空心型材时，取K=1030， 对于生产管材时，取 K=815。根据（2）这里我们取 K=214.3.2 分流孔的形状、断面尺寸、数目及其分布分流孔是平面分流模的基本结构部分，其形状、断面尺寸，数目及不同的排列方式都直接影响到挤压工件的质量、挤压力和模具的使用寿命，对于每一特定75.2096.348型 分FK第 10 页 共 21 页10的产品必须设计特定的分流孔。分流孔的断面形状有圆形、腰子形、扇形及异形等。对于方管，矩形管或断面
25、复杂的型材多取扇形和异形分流孔，对于管材或断面简单的型材可取圆形的和腰子形的分流孔，对于扁、宽型材或空心壁板， 则应取矩形或弧形的分流孔。本设计的工件型材断面复杂，所以选用异形分流孔。分流孔的数目有两孔、三孔、四孔和多孔多种，这要根据工件的外形尺寸，断面形状，模孔的排列位置等来确定。因为本设计的工件型材断面形状比较简单，所以这里将采用两个对称分流孔。分流孔的断面尺寸主要是根据工件的外形尺寸，工件的断面积，以及所要求的分流比，模具的强度等因素来确定。为了减少挤压力，提高 焊缝的质量或对工件的外形尺寸较大，想扩大分流比又受到模具强度的限制时，分流孔可做成斜形孔，一般来说，起内斜度为13，外锥度取3
26、6 。分流孔在模具平面上的合理布置，对于平衡金属流速，减少挤压力，促 进金属的流动与焊合，提高模具寿命等都有一定的影响。本工件属于对称性交好的空心工件，各分流孔的中心圆 直径应大致等于0.7D筒，此 时金属的流动性较为均匀，而且挤压力最小，模具强度 较高。此外，分流孔的布置 应尽量与工件保持几何相似性。为 了保证模具强度和 产品质量，分流孔不能布置得过于靠近挤压筒或模具的边缘，但是为了保证金属的合理流动及模具的寿命，分流孔也不宜布置的过于靠近挤压筒中心。对比本次型材的截面，属于矩形管范畴，应该采用扇形分流孔；在分流孔数目的选择上，考虑到该型材 悬臂较长，截面形状不太复杂，可以（ 这也是唯一的选择）使用两个分流孔。初设 定扇形圆弧半径为45mm，两弦相距28mm。如 图-3所示：
