铜合金热挤压模具设计及可靠性分析毕业论文(编辑修改稿)

铜合金热挤压模具设计及可靠性分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

几乎不影响基体金属固有的物理化学性质 [11]。 因此，其软化温度高 达930℃，同时导电和导热以及硬度和强度都能保持得很好。 弥散强化铜的制造是将粉末冶金工艺和传统金属成型加工技术相结合的典范，借鉴国外先进的粉末内氧化工艺，采用惰性气体保护雾化、低分压粉体优化处理、纳米增强相择优培育、等静压致密烧结、热挤压成型、速锻及柔性冷挤等工艺技术。 第 3 页 上 篇 热挤压模具有限元分析 第 一 章 热挤压模具概述 热挤压模具概述 挤压是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大压力和一定速度 作用 下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及 具有一定力学性能的制品 [14]。 因此，挤压加工是利用模具来控制金属流动，使金属体积大量转移来形成零件。 挤压的成形速度范围很广，它既可在专用挤压机上进行，也可在一般的机械压力机、液压机、磨擦压力机以及高速空气锤上进行；挤压的成形温度范围也很广，它既可在常温、中温下进行，也可在高温中进行。 根据制品形状的要求，有各种与之相配的模具。 挤压模具是挤压生产中最重要的工具，它的结构形式、各部分尺寸、模具材料、模具的装配形式等，对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳定性、制品表面质量以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响。 热挤压就是将金属材料加热到热锻成形温度进行挤压，即在挤压前将坯料加热到金属的再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。 生产实践证明，热挤压是一种生产效率高、劳动强度低、加工质量好、省料、省工和成本低的金属压力加工方法。 这种先进的加工方法，可以取代或部分取代金属切削加工，为机械加工实现少无切削创造了条件。 挤压模具 ，包括一个进料孔，一方面利用圆形的中心预膨 化或减速 孔 与一基本上锥形的收敛形中心挤压导管连通，另一方面利用至少一个环形的预膨化或减速孔阑与至少一个基本上锥形的收敛形同轴管状挤压导管连通，中心挤压导管和同轴管状挤压导管各自具有同心的中 第 4 页 心出口小孔和环形出口小孔。 热挤压模具一般是有模架、导向装置、紧固装置、卸料装置、冷却装置和热挤压模工作部分（突模和凹模等）。 热挤压模具的类型及简图 生产实践证明，热挤压是一种生产效率高、劳动强度低、加工质量好、省料、省工和成本低 的金属压力加工方法 【 6】。 热挤压模的种类可以分为如下几种： 热锻模压力机或热挤压压力 机用热挤压模、摩擦压力机用热挤压模、液压机用热挤压模、正挤压模、反挤压模、镦挤压和多公位的复合模等。 如图 11 所示以 反挤压模 ： 由图中可以看出，凹模 24 以凹模垫板 15 与下模板 12 定位。 凹模与凹模压紧圈 18 采用锥面配合，用内六角螺钉 19 与下模板紧紧连接。 由顶杆导向套 16 和顶杆 17 组成顶出机构，在气垫的作用下将挤压件从凹模内顶出。 顶杆导向套的一部分伸出下模板，主要是为了解决压力机闭合高度不够而采取的措施，将热挤压模安装到压力机上时，它将伸进压力机工作台孔内。 图 11 热挤压 模 具结构示意图 脱料板 22 和 带凸肩螺钉 13 及弹簧 7 组成卸料机构，用于将箍在凸模 第 5 页 23 上的挤压件脱下，弹簧的作用是支承脱料板，并能保证脱料板和带凸肩螺钉上下移动，从而减少凸模的长度，弥补压力机行程不够大的不足。 凸模 23 与凸模压紧圈 4 也采用锥面配合，以凸模压紧圈的凸肩和上模板 2 的凹槽定位，用内六角螺钉 3 与上模板紧紧连接。 导套 6 和导柱 11 用压配合分别压入上模板和下模板而组成导向系统，使热挤压模有较高的精度和工作可靠。 由于导向系统的连接，从而构成了一套完整的反挤压模。 将自来水由管接头 20 通入 ，实现凹模冷却。 反挤压凹模可做成整体式或镶套式。 在反挤压模的侧面，由上砧块 5 ，下砧块 8 ，高度调节块 9 ，柱销 21 和调节螺钉 14 等组成镦粗台。 设置镦粗台的目的，主要是为了清除氧化铁皮和改变坯料直径。 整副反挤压模在压力机上安装时，是靠模柄 1 与压力机定位的。 由图 1看出，只要更换凸模，凹模和脱料板，便可生产不同规格的反挤压杯形挤压件。 热挤压工艺过程 热挤压是几种挤压工艺中最早采用的挤压成形技术，它是在热锻温度时借助于材料塑性好的特点，对金属进行各种挤压成形。 目前，热挤压主要用于 制造普通等截面的长形件、型材、管材棒料及各种机器零件等。 其工艺过程用 流程图形式表示： 坯料加热 除去氧化皮 放入凹模内 进行挤压 图 1— 1 热挤压工艺过程流程图 第 6 页 首先将要进行挤压的金属坯料加热，加热温度有坯料的化学成分和坯料尺寸的大小来决定。 当坯料加热到所需的温度时，除去其表皮的氧化铁皮并迅速放入热挤压模的凹模模腔内进行挤压。 挤压设备的一次行程结束后，即完成一个热挤压件，假如下到工序还需要切边或冲孔，则根据选择的切变或冲孔形式（系指热切边或冷切边，热冲孔或冷冲孔），进行切边或冲孔工作。 热挤压过程应当迅速进行，否则会使 坯料温度下降，压力急剧上升，金属塑性变形差，影响成形。 所以热挤压过程的持续时间通常在 3～ 6s 之间完成。 第 二 章 热挤压模具的理论计算 挤压模的设计 挤压模类型 挤压模是决定挤压制品外形尺寸的重要工具。 按挤压模的结构类型可以分为以下五种： 图 21挤压模孔的五种类型 （ 1） 锥 模 平模的 090 ，其特点是压力较大时，形成地死区大，可以得到良好的制品。 但在温度高下挤压变形抗力大的合金时，模具的模孔往往会缩小，故影响加工质量。 （ 2） 双 锥模 锥模 的模角小于 90 度，当 00 60~45 时，挤压力最小，但是形成的死区小，无法带溜铸锭表面杂质和润滑剂，容易使制品内缺陷增加，品质下降。 本设计注重产品质量，研究模具的性能，所以选择平模的挤压模具 【 15】。 单孔模设计 挤压铜及铜制品时，常用的模具结构为下图图 2 所示。 第 8 页 （ 1）模具工作带直径的确定 由物体的热胀冷缩和拉伸矫直时的塑性变形可知，磨具工作带直径不等于制品外经。 模具工作带直径可用下式估算 kddz 。 挤压棒材 参数说明 ： dz— 挤压模工作带直径 /mm； d— 挤压制品公称直径 /mm； k — 模孔余量系数。 表 21 挤压模具参数选择 挤压制品的直径与模具孔余量可由下表取得 挤压的金属合金 直径 dx/mm k 紫铜、青铜、含铜量大于 65％的黄铜 ≤ 30；﹥ 30 ～ ； ～ 含铜量不超过 65％的黄铜 ≤ 30；﹥ 30 ～ ； ～ 按要求取 k=， 故得 dz = kd = （ 2）模孔工作带长度的确定 合理的 挤压模工作带长度可以稳定制品尺寸、保证制品表面和延长模具使用寿命 【 2】。 若太短，磨具易损坏；若过长，制品易粘结金属，造成制品表面划伤 【 3】。 挤压紫铜、黄铜和青铜时， h=(8～ 12)mm； 挤压白铜时， h=(5～ 10)mm。 （ 3）模孔入口角半径的确定挤压铜及铜合金时，取 r=(2～ 5)mm。 （ 4）模具出口处直径的确定 图 2－ 2 挤压模具示意图 第 9 页 ）（出 8~4I  dd （ 21） （ 5）模具外形结构与尺寸。 a) 按模具设计及要求及实际情况，本设计中取锥模角为零度。 b)模具的外圆直径与制品的 最大外接圆直径有如下关系： 外接外 ）（ D1 .5~1 .2 5D （ 22） c) 模具的厚度 H 可根据挤压机的能力大小确定。 一般取 H=（ 20~80） mm。 按照本设计的设计压迫球及实际情况的限制 【 7】 ，以上几种设计参数分别取为： mmh 10 ； mmr  ； mmd 出 ； mmD 135外。 挤压轴的设计 挤压轴的结构 挤压 轴分空心和实心两种。 空心挤压轴用于挤压管材，实心挤压轴用于挤压棒材和型材。 其轴的工作长度部分用优质耐热合金刚制作，轴的基座用稍差的钢材制造。 这样可以节约优质耐热合金刚 【 9】。 挤压轴的尺寸 (1） 挤压轴的外径 挤压轴的工作长度的 外径要比挤压筒的内径小。 一般立式挤压机 mmD ）（筒轴 3~2D 。 (2）挤压轴的长度 挤压轴长度包括工作 及 基座长度。 挤压轴工作长度一般比挤压筒长。 (3）挤压轴的抗压强度校核 挤压轴的工作长度一般与其直径之比为 45时，不会产生纵向失稳。 挤压轴除受压缩应力作用外，还受到挤压轴与挤压筒安装的不完全同心。 使其挤压时受到偏心载荷引起的 弯曲应力作用 【 4】。 因此，在校核挤压轴抗压强度时，应同时考虑上述两个压应力的共同作用 ， 并应满足下式： 第 10 页    )( 39。 39。 39。 （ 23） 式中  — 挤压轴上的压应力 /MPa； 39。  — 压缩应力 /MPa； 39。  — 挤压轴弯曲产生的压应力 /MPa；  — 挤压轴的许用应力 / MPa； 对于高强耐热模具钢  =1000～ 1200MPa 挤压垫的设计 挤压垫是用来防止挤压轴与铸锭直接接触的重要工具。 它要承受全部挤压力。 (1）挤压垫的结构形式如下图。 (2） 挤压垫的外径比挤压筒直径小，其差值 D 可由下表取 得。 (3） 挤压垫的厚度，一般直径的 ～ 倍 ， 由实际 的 需要， 可以 取得挤压垫的 直径 为 mmD ~  ）（筒垫 ； 挤压垫 的 厚度 为mmH ~  ）（垫垫。 挤压筒的设计 挤压筒的结构 图 2－ 3 挤压垫结构形式 第 11 页 挤压筒可以使单层的，也可以是有过盈装配的多层结构。 多层挤压筒在壁厚上的应力分布比单层挤压筒均匀，因此，在铜及铜合金材料挤压时，一般采用 2～ 3层结构的挤压筒。 在本设计中采用双层结构的挤压筒。 双层挤压筒应力计算与单层挤压筒不同之点是要考虑其各层间过盈配合产生的预应力。 既要计算出各层在内壁、外壁处由内压力 和预应力 产生的迭加应力 【 5】。 然后根据第三或第四强度理论进行强度校核。 （ 1）计算装配预应力 1sp        12 112 2222122122222221212121   k kkdErRr rRrRdEp s  （ 24） 式中 0d ； 0d — 配合面直径 ；  — 过盈配合系数，一般取 ～； 2d —— 双层配合面直径 12 Dd 。 若将  式代入 1sp 式得预应力为：   1 112222211   k kkEps  （ 25） 式中  — 过盈系数，双层筒一般取。 （ 2）挤压筒的迭加应力 内衬 ： 内 壁 ：       1111 rpsrprrrr p  （ 26）       1211 21 211221111  k kpkkp srpsprr   （ 27） 外 壁：      12211111 11 srpsrprrRr pkkp   （ 28） 第 12 页       1111 212112211111  kkpkkp srpsprR   (29) 外套 ： 内壁：      12221112 11 srpsrprrrr pkkp   (210)      22112 1 1 211rsr p r p s kkpp           （ 211） 外壁：       0112  psrprrRr  (212)       112 1 1 22 211rsR p r p s ppkk         （ 213） 式中  1rr — 内衬内壁的径向迭加应力。