挤压模具设计汇编

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1、挤压模具设计 邓小民 课程简介 本课程以铝合金挤压模具设计为例，介 绍挤压模具设计的基本方法、思路。主 要内容包括：概述，挤压模具用材料选 择，普通型材模、舌型模、分流模、宽 展模、导流模、保护模的设计方法，模 具修正方法等。 1、概述 所谓挤压，就是对放在挤压筒内的金 属锭坯从一端施加外力，强迫其从特定的 模孔中流出，获得所需要的断面形状和尺 寸的制品的一种塑性成型方法。 挤压方法适合于各种金属材料的塑性 成型，特别适合于有色金属材料的挤压 成型，其中最典型的是铝合金型材的挤 压成型。 挤压模具设计的任务，就是根据制品 的断面形状和尺寸的具体要求，设计能 够生产出合格制品的模具，且符合经济

2、利益原则。 主要内容：铝合金挤压模具设计 1.1铝合金型材分类 目前，铝合金挤压型材的品种规格大约 有50000种以上，其断面是非常复杂的， 有各式各样。其特点是：绝大多数断面是 不对称的；型材断面与锭坯断面不相似； 型材断面各部位壁厚差大；多数带有各种 形状的半空心、空心等。其结果造成金属 流动不均匀，挤压制品出现弯曲、扭拧、 波浪、尺寸不合格、裂纹等各种缺陷；易 造成模具的早期失效及损坏。 不同的铝型材企业，对所挤压的铝合金 型材有自己不同的分类表示方法。按照原 冶金部标准化研究所1984年出版的“铝及 铝合金、镁合金挤压型材图册”，挤压型 材按形状或用途共分为十大类，分别在 XC后面用1

3、、2、3、4、5、6、7、8、9、 0表示。在17类型材中，根据型材的断 面形状及特点，又分为若干个目。在同一 目中，按型材形状又分为若干组，一个图 形即为一组，依自然顺序排列。 XC1角形型材 XC2丁字型材 XC3槽形型材 XC4Z字型材 XC5工字型材 XC6航空用型材 XC7电子工业用型材 XC8民用型材 XC9其他专用型材 XC0空心型材 （1）XC1角形型材，下分5个“目” XC11直角型材 XC12锐角型材 XC13钝角型材 XC14圆头角型材 XC15异形角型材 XC112 XC121 XC131 XC141 XC1510 （2）XC2丁字型材，下分6个“目” XC21直丁字型

4、材 XC22斜丁字型材 XC23双丁字型材 XC24圆头丁字型材 XC25异形丁字型材 XC26专用异形丁字型材 XC211 XC221 XC231 XC246 XC254 （3）XC3槽形型材，下分7个“目” XC31普通槽形型材 XC32凸边槽形型材 XC33弯边槽形型材 XC34圆头槽形型材 XC35异形槽形型材 XC36叉形槽形型材 XC37燕尾槽形型材 XC311 XC321 XC331 XC344 XC353 XC362 XC373 （4）XC4Z字型材，下分5个“目” XC41等边等壁Z字型材 XC42等边不等壁Z字型材 XC43不等边等壁Z字型材 XC44圆头Z字型材 XC45

5、异形Z字型材 XC411 XC421 XC434 XC441 XC452 （5）XC5工字型材，下分5个“目” XC51等边等壁工字型材 XC52等边不等壁工字型材 XC53不等边不等壁工字型材 XC54圆头工字型材 XC55异形工字型材 XC511 XC521 XC531 XC541 XC551 （6）XC6航空用型材，下分7个“目” XC61边条、铰链型材 XC62尾刃、窗框等型材 XC63管夹型材 XC64大梁型材 XC65变断面型材 XC66异形型材 XC67毛坯型材 XC611 XC621 XC637 XC649 XC6571 XC6571 XC66601 XC673 （7）XC7电

6、子工业用型材，下分8个“ 目” XC71边框型材 XC72骨架型材 XC73插角型材 XC74联结型材 XC75附件型材 XC76散热型材 XC77整体型材 XC70空心型材 XC711 XC722 XC731 XC747 XC754 XC7610 XC776 XC703 代号XC8、XC9、XC0为无“目”的型 材类，在类的后面就是组。如XC81-2， 即为第8类、第1组中的第2号型材。 1.2断面形状的复杂性 根据断面形状的复杂程度可把型材分 成三大类： （1）实心型材（简单） 指一般的角材、槽材、工字型材、丁 字型材、Z字型材等。 各种实心型材 （2）半空心型材（较复杂） 根据型材断面形

7、状分为三级： 级：从开口中心线看左右是对称的。 级：从开口中心线看左右是不对称的。 级：两个半空心型材。 （3）空心型材（复杂） 根据断面形状也可分为三级： 级：圆形空心，直径较小，断面对称； 或内径较小，外形不对称。 级：除级以外，外接圆大于130 mm ，只有1个空心，空心是非圆 形。 级：除、 级以外所有的空心型材 ，壁厚是均一的，其空心断面是完整 或多孔的，即圆、正方、长方、六角、 椭圆、梯形等。 对于半空心和空心型材，级别越高，其 断面形状越复杂，可挤压性越差，模具 设计的难度就越大。 即便是相同级别的半空心型材或空心型材 ，断面形状不同，其复杂程度也不一样。 因此，除断面复杂性外，

8、还要考虑形状因 素F0：型材断面周长S与单位质量W之比 （或周长与断面积A之比），即： F0 =S/A=S/W。 如果用C表示型材外接圆直径，则SC/A就 是一个反映挤压难易程度的指数，其值越 大，型材越难挤压。 1.3 型材断面设计原则 1.3.1 断面大小 型材断面大小用外接圆来衡量，外接 圆大，所需要的挤压力大。挤压型材的 最大外接圆直径一般比挤压筒直径小 25 50 mm，挤压空心型材时应更小一 些。 1.3.2 挤压比 挤压比小，变形量小；挤压比大，所 需要的挤压力大。一般，纯铝的挤压比 可达300，6063合金可达200，硬铝合金可 在2060之间选择。 有时也可用变形率表示： =

9、（1-1/）100% 通常认为，95%是经济合理的。 1.3.3型材壁厚 壁厚与合金的挤压难易程度有关。如 6063合金壁厚取1mm时，6061合金就应 取1.5mm、7075合金取2.02.5mm左右时 ，其挤压的难易程度相近。 另外，壁厚选择还与外接圆直径、断 面形状等有关。一般情况下，型材的宽厚 比（B/t）小于30为宜；当B/t50时，比较 难挤压；当B/t100时，属于特别难挤压 型材，需要采取特殊措施。 1.3.4型材包围空间面积设计 按包围的空间面积与开口宽度平方的比 值舌比，即A/W2进行计算，然后与表1- 1中的数值对照，比表中数值大的定为半 空心型材，小的定为实心型材。 1

10、.3.5 直角间的圆角半径 凸出的直角上的过渡半径过小易发生 应力集中；凹形的直角在模孔入口处易磨 损。一般像6063一类挤压性能良好的合金 ，其最小圆角半径取R=0.4mm，其它合 金取0.6mm。 1.3.6 断面尺寸偏差 型材断面尺寸偏差应根据产品的加工 余量、使用条件、挤压难易程度、合金牌 号、形状特点及所处的部位来确定，通常 在有关标准和用户提供的图纸中规定。 2 挤压模具用材料 2.1 挤压工模具的工作条件 (1)承受长时间的高温作用。温度可达 550C以上，时间一般为几分钟到几十分 钟，甚至数小时。 (2)承受长时间的高压作用。从挤压纯铝 所需要的最小单位压力100MPa到某些铝

11、 合金空心型材的1000MPa。 (3)承受激冷激热作用。挤压铝合金时， 工模具工作和非工作时间的温差可达200 300C以上。 (4)承受反复循环应力作用。大部分工具 在挤压时受压应力，在非工作时间突然卸 载，应力下降到零；穿孔针在穿孔时受压 ，在挤压过程中受拉应力作用。 (5)承受偏心载荷和冲击载荷作用。 (6)承受高温高压下的高摩擦作用。 (7)承受局部应力集中的作用。 2.2 挤压工模具材料的合理选择 2.2.1 对工模具材料的要求 (1)高的强度和硬度值。一般要求在常温 下其b值应大于1500MPa。 (2)高的耐热性。一般在工作温度(500C) 下挤压工具材料的s不应低于650MP

12、a， 模具材料的s不应低于1000MPa。 (3)具有高的冲击韧性和断裂韧性值。 (4)在高温下具有高抗氧化稳定性，不易 产生氧化皮。 (5)高的耐磨性。 (6)具有良好的淬透性。确保工具整个断 面有高、均匀的力学性能。 (7)具有抗激冷、激热的适应能力。 (8)高的导热性。能迅速散发热量，防止 工件产生局部过烧，防止工具强度损失。 (9)抗反复循环应力性能强。防止过早疲 劳破坏。 (10)具有一定的抗腐蚀性能和良好的可氮 化性能。 (11)具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性 。 (12)良好的工艺性能。易于熔炼、锻造、 加工和热处理。 (13)材料易获得，且价格较廉价。 2.2.2 常用挤压工

13、模具钢材的性能特点 挤压铝合金最常用的工模具钢有钼钢 和钨钢两大类。 钼钢具有较好的导热性，对热裂纹不 太敏感，韧性较好，典型代表是 5CrNiMo钢。 钨钢具有较好的耐高温性能，但韧性 较低，典型钢种是3Cr2W8V钢。 在挤压模具制造方面，我国长期以来 一直使用3Cr2W8V钢。其特点是： 具有很高的室温强度性能，当温度为 650C时，s仍可达到1100MPa，HRC可 达47；热处理后具有良好的耐磨性和符合 模具使用的热疲劳强度。 但也有许多缺点： (1)冶金过程工艺性能较差，难以制造超 过1000kg的大型优质锻件。 (2)导热能力较差，引起温度场不均匀。 (3)加热时易产生脱碳现象，

14、使表面层的 强度和耐磨性降低。 (4)在200500C范围内的传热能力低。 近十几年来，铝合金挤压厂家逐渐开 始采用4Cr5MoSiV1（H13）钢制作挤压 模具。与3Cr2W8V钢比较有以下特点： (1)化学成分设计较合理,易于采用先进的 熔铸技术提高钢材本身的质量。 (2)钢的锻造、冷加工和电加工工艺稳定 ，容易控制。 (3)比3Cr2W8V钢有更好的热处理特性， 热处理工艺稳定，有十分优良的表面处理 和化学热处理性能。但易氧化和脱碳，应 在真空炉或保护性气氛炉中热处理。 (4)热处理后比3Cr2W8V钢具有更好的综 合性能，除了强度略低外，其余性能均优 于3Cr2W8V钢，特别是韧性、塑

15、性、断 裂韧性、热磨损抗力、热疲劳抗力尤为突 出。 2.2.3 热挤压工模具材料的合理选择 (1)根据挤压金属和合金的性能选择最合 适、最经济的工模具材料。 我国主要用4Cr5MoSiV1和3Cr2W8V钢 作为挤压铝合金的模具材料；选用 3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、5CrNiMo、 5CrNiW等作为基本工具的材料。 (2)根据产品品种、形状和规格选择工模 具材料。 挤压圆棒和圆管时，可选择中等强度的 5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW钢；挤 压复杂形状的空心型材和薄壁管材时，选 用高强度的4Cr5MoSiV1或3Cr2W8V钢 ；对于形状非常复杂的空心型材、宽厚比 大于50的扁宽薄壁型材和带筋壁板型材等 ，则希望选用更高级的材料（如日本的 AF31钢）。 (3)根据挤压方法、工艺条件与设备结构 ，合理选择模具材料。 冷挤压时工模具在很高的压力下工作（可 达15002000MPa），局