《金属建材成型工艺》课程设计指导书
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《金属建材成型工艺》课程设计指导书
一、课程设计目的
《金属建材成型工艺》课程设计是建筑型材成型工艺课程的最后一个教学环节，同时第一次对学生进行全面的挤压模具设计训练。
其基本目的是：
1、综合运用建筑型材成型工艺课程和其它有关先修理论课程的理论及生产实践的知识去分析和解决挤压模具设计问题，并使所学专业知识得到进一步的巩固和深化。
2、学习挤压模具设计的一般方法，了解和掌握常用模具整体设计、零部件的设计过程和计算方法，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，特别是总体设计和计算能力。
3、通过计算和绘图，学会运用标准、规范、书册、图册和查阅有关技术资料等，培养挤压模具设计的基本技能。
二、课程设计的内容
课程设计的题目是常用简单挤压零件的挤压模具设计，其具体内容如下：
1、挤压模具整体方案设计
包括挤压零件的工艺分析、挤压模具类型的确定、压力中心的计算、刃口尺寸的计算、挤压机的选择等。
2、挤压模具总装配图和挤压模具重要零件设计。
3、编写设计计算说明书
三、课程设计工作量要求和考核成绩说明
挤压模具总装配图1张，凸模、凹模、凸凹模等重要零件图1-3张，20页左右的设计计算说明书一份。
设计应贯彻保证产品质量、节能降耗的原则；制图应符合国家标准，图面整洁、美观、布局合理；说明书应有条理，文字简洁，字迹工整，各种数据图表的
选用应标明出处。
课程设计考核成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五等。
四、课程设计参考实例：渐开线圆柱齿轮零件挤压模具的设计
图6-48所示的为渐开线圆柱齿轮零件，材质为20CrMo,热处理为渗碳淬火，淬火深度为0.9-1.2mm ，硬度为50~55HRC 。
齿形精度为8级（按GB10095~10096-1988），尺寸公差为±0.1，
（一）挤压图的设计
该产品成形的重点在齿形和内孔，环形沟槽须由车削加工完成。
齿形可通过正挤压成形；内孔可通过机械加工或挤压成形。
如果考虑内孔成形后再进行齿形挤压成形，则断面减缩率为%73f =A ε，
若采用齿形挤压前进行前进行内孔挤压工艺，反挤压断面减缩率为%5b =A ε。
该值远低于材料反挤压的许用变形范围，说明在齿形成形前挤压内孔的方案是不可取的；而在齿形挤压前机械加工内孔和挤压后机械加工内孔，在成本上差别不大，考虑到挤压模具的结构和复杂性等因素，设计的挤压件图见图6-49，其体积为92500 mm 3，质量为726.1g 。
（二）工步流程图的设计
所谓工步流程图就是挤压件图和挤压件坯料图。
该零件的坯料应为圆棒料，依据体积不变原理计算，坯料直径尺寸为：mm 1.07.439.510
05.0-±⨯Φ。
坯料外径的加工方式可以车削，也可以冷拉外圆。
车削的成本较低，但工作效率低，材料利用率低，外圆表面粗糙；冷拉外圆成本较高，但可连续作业，材料利用率亦高，除棒材的一端冷拉夹持部分有变形无法使用外，其余均可使用，外圆表面光滑。
需指出的是，可以冷拉φ50mm 范围棒材的设备吨位要求较大；另外，虽然国家标准有φ53mm 规格的棒材，而市场购买较为困难，以φ55mm 规格的棒材居多，所以切削加工为好；而大批量加工时以冷拉为好。
如此直径的材料常用高速带锯床锯断下料。
（三）分析和设备的选择
断面减缩率为%69f =A ε，该产品变形程度已接近20CrMo 材质的变形极限，
根据前面学习过的变形力计算方法进行计算，可以得到凸模的平均单位压力1750Mpa ，成形力约为3720KN 。
将凸模与坯料开始接触的位置设定为行程的零点，成形过程可分为两个阶段（图6-50）：
（1）圆锥部分成形阶段（行程位置0~5mm ） 此时，变形程度逐步增大，凸模受到的单位压力也逐步增大，凸模平均 成形力由0KN 增加到3720KN 。
（2）齿形部分成形阶段（行程位置5~12.7mm ） 齿形开始成形到成形结束。
此时，断面减缩率保持不变，为稳定变形过程，凸模所受平均成形力也基本保持不变（随着材料内部变形的增加，摩擦力的加大，平均成形力也会有小幅上升）。
由此可以选择公称能力为4000KN 的液压精锻机，或行程-压力曲线可以覆盖成形力变化的曲柄连杆压力机。
（四）模具总装图的设计
图6-52是该产品的模具总装图机构图
（五）模具零件设计
1、凹模结构的确定
φ凹模采用三层预应力圈组合形式。
初始设计第一层外径尺寸设计为mm
90
φ（为内径的1.78倍），第三层外（为内径的1.73倍)，第二层外径尺寸为mm
160
φ（为内径的1.75倍）。
径是mm
280
2、模具材料的选择
采用Cr12或Cr12MoV,硬度为60~62HRC；模座由于受力不大，可以采用45或55钢，硬度为45~50HRC；导柱导套需要有良好的耐磨性能，表面硬度要求高，而材料内部要有韧性，可以使用GCr15等轴承钢，硬度为58~62HRC；模具固定件要兼顾韧性和抗变形能力，可以采用中碳合金钢，如35CrMo,硬度45~50HRC；凸模的情况比较复杂，如回转体形状的凸模，仅对抗压能力有要求时，可以选用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V以及硬质合金等，也可以选用进口材料，如日立金属的SKH系列和HAP系列刚才、大同特殊钢的DEX系列、一百胜的ASP系列钢材等；而带有形状的凸模，需要考虑韧性的情况下，常使用W6Mo5Cr4V2、7Cr7Mo2V2Si(LD)、6Cr4W3Mo2VNb((65Nb)、6W6Mo5Cr4V(6W6)等材料，进口材料有日立金属的YXR系列钢材等。
凹模的模芯材料可以选择日本的GT硬质合金。
凹模的预应力圈材料应该根据装配工艺的不同来选择，本例选择4C-5MoSiV1(H13或SKD61),它具有热处理性能稳定、抗拉强度高、不开裂、加工性能好等优点，使用硬度为45~48HRC。
可供以选择的材料还有35CrMo、45钢等。
外预应力圈选择45钢。
3、模具强度的校核
凹模强度校核，主要是根据圆筒理论，计算凹模内腔和各个配合面的周向拉应力是否砸死模具材料的强度许可范围以内，并且根据计算结果对模架的材料、配合面直径和相应的过盈量进行修正，使模具达到强度设计要求。
工作时模具的应力状态近似计算的结果如下：
取材料G7的弹性模量E为500GPa,泊松比ν为0.22；H13的弹性模量E为215GPa，泊松比ν为0.3；45钢的弹性模量E为210GPa,泊松比ν为0.28.。
得到模芯上段内腔的周向拉应力σ
θ1为666MPa,相应的内径应力圈内壁周向拉应力σθ2为710MPa ，,相应的外预应力圈内壁周向拉应力σ
θ3为707MPa 。
模芯齿形段内腔的周向拉应力σ
θ1‘为404MPa ，相应部分内套圈内壁周向拉应力σθ2’为570MPa ，相应的外预应力圈内壁周向拉应力σθ3‘为623MPa 。
硬质合金的抗压强度和耐磨性都非常好，但抗拉强度很低，一般在200MPa 以下，因此在内腔周向拉应力为666MPa 的情况下，可以预见模具的寿命会很差。
因此调整如下：
模芯外径尺寸设计为φ80mm （为内径的1.54倍），第二层外径尺寸设计为φ160mm （为内径的2倍），第三层外径尺寸为φ280mm （为内径的1.75倍），过盈量分别为：φ80mm 直径取0.52mm ，φ160mm,直径取0.8mm 。
改进后的校核计算结果表明，在这样的应力状态下，由于模芯始终工作在三向压应力状态，可以大幅度改善其使用条件，提高模具使用寿命；而外应力圈的内腔周向拉应力为842MPa ，已经接近45钢材料本身的抗拉强度，所以外预应力圈的材质应该更改为H13。
在有条件的情况下，还可以根据设计的结果采用有限元方法，利用计算机仿真软件进行成形过程模拟，可以得到更为精确的校核结果。
4、模具尺寸的确定
凹模内腔尺寸的确定要充分考虑模具材料在成形过程中因为受力而发生的尺寸变化，这种变化根据模具材质和过盈配合以及内腔形状的不同，数值上也有很大差异。
一般情况下的计算结果与实际情况的出入比较大，所以设计时不能根据计算数值或仿真结果来进行补正，在尽可能将成形尺寸落在公差范围内的情况下，尺寸设计要使模具保留修正的可能，因此内腔直径要设计在下偏差。
比如产品尺寸为φ52±0.05mm ，在模芯材料为硬质合金，凸模单位应力为1750MPa 时，估算挤压时模具会有0.03mm 左右的扩大，所以静态模具尺寸可以设定为φ51.92（+0.02）mm ，而当产品尺寸为φ52±0.1mm 时，静态模具尺寸就可以设定为φ51.90（+0.02）mm 。
外形尺寸主要考虑装配关系，确定好定位面，从而决定精度和公差范围。
依据以上所述的步骤，我们设计的凹模形状见图6-54。
