1、 金属加工制品都是通过一定的成形工具而获得的，热挤压生产加工也不例外，必须先根据产品进行模具设计，加工制作模具后交付生产车间使用。从事模具设计工作，必须对模具设计基础、基本要素、常用模具设计方法与相关内容等较为明确并能综合应用，这是至关重要的依据。当然，模具设计的好坏，只能以实际生产效果来进行评判，因而，了解生产工艺，推广先进技术，不断总结和积累经验是设计出高质量模具不可缺少的途径。l挤压制品断面尺寸与模具断面尺寸的大小有因果相存的关系，挤压制品的断面尺寸的大小又同挤压力和挤压模具工作端面尺寸密切相关。挤压制品的断面尺寸越大，所需要的挤压力就越大，因而挤压模具工作 端面的尺寸也就要相应增大。一
2、般不同吨位的挤压机都有相应的固定挤压筒，其直径大小又限制着挤压制品断面直径的取值范围，这些关系表明了互相依存的因果关系。挤压制品断面大小，对于圆棒材、圆管材，以其外圆直径来确定；对于非圆棒、非圆管、型材（包括排材），常用各自的外接圆直径来衡量，如图6-3-1所示。图6-3-1 型材的外接圆直径 外接圆Dw一、断面尺寸与模具的关系 为了确定一台挤压机能否生产某种制品，就看挤压简直径的大小。表6-3-1模具类型模具直径铝棒规格型材外接圆max平模15910180200101110177.51271001951271001401152201781202401781402701781602801781
3、70328178190310228.6200254200360228.6235400228.6250254250430254270496254285模具类型模具直径铝棒规格型材外接圆max分流模15910165200101100177.51277819512795140100220178110240178130270178160280178170328178190310228.6190254190360228.6230400228.6240254250430254270496254285 挤压制品断面与其对应的模孔有形状相似而尺寸不等关系，特别是型材的这种关系尤为突出。型材根据其断面形状可以分
4、为实心型材、空心型材、半空心型材三大类，有的型材又再分为不同的级别，如图6-3-2 所示。级级级 图6-3-2型材断面形状的分类、等级(a)实心型材；(b)半空心型材（）级；(c)空心型材（）级级级级（c）（b）（a）W1.0-1.51.6-3.13.2-6.36.4-12.612.7以上R23456加工率 是指金属变形前后断面积变化的绝对量与变形前断面积比值的百分数，常用 来表示：=(F-f)/F100%(3-7)对于圆棒、圆管，可以写成以下简写形式：棒材：=(Dt2-dk2)/Dt2100%(3-8)管材：=(Dt2-Dk2)/(Dt2-Dz2)100%(3-9)(式中各符号意义同前)。挤
5、压比（）与加工率（）之间的关系为：=(F-f)/F=1-f/F=1-1/=(-1)/(3-10)=1/(1-)(3-11)挤压比 的选择与合金种类、挤压方法、挤压机能力、挤压简直径以及锭坯长度等因素有关。如果 选用过大，对挤压生产不利，因为挤压力是随着变形程度的增大而增大的，当 过大时，常使挤压力超过挤压机的负荷能力而发生闷车、挤压不动，甚至损坏工模具等现象；如果 选用过小，则难以保证挤压制品沿长度或断面方向上具有一定的、均匀的机械性能和均匀的内部组织，而且生产率过低。根据生产实践，的最小值宜按以下的经验值进行选取：一次挤压的成品型、棒材：812(88%92%)锻造用毛坯：5 (80%)二次挤
6、压用的毛坯：可不限 通常认为在95%以上是经济合理的，而有时纯铝的挤压比可达300，6063合金可达200，硬铝只在2060 之间。模具设计时除了注意选择合理的挤压比外，还应注意模孔排列的合理性，合理的模孔排列使挤压比相同的情况下挤压力可能达到最小。挤压制品拐角情况常见，多成直角形式。制品是凸形直角，则模孔便是凹形直角，总是与它对应而相反。这种部位不管是在模具上，还是在制品上，挤压中都会出现应力集中的情况，而且易于磨损，影响非常不好。同时也给加工带来一定的难度。因为一般模孔是线切割成形的，因此最小圆角受到线切割机床所用钼丝或铜丝的直径所限制。为了避免这类尖角，模具设计时往往采用圆角过渡。这类过
7、渡圆角半径的取值，对于6063 合金挤压可取=0.4mm，其他铝合金挤压可取=0.6mm；对于难变形的其他有色金属，其过渡圆角的半径取值要适当增大一些。与别的加工材料类似，对于有色金属制品，特别是挤压型材制品，随着截面形状的不同，各部位的标注尺寸有的可能相等，但偏差值则可能不同，这就反映出模具制造上尺寸精度的偏差。模孔尺寸由于变形、磨损及检验时的测量误差等因素影响，都将使实际挤出制品的尺寸有差异，高温加工制品冷却后有相应的冷缩量等。这些因素均会影响制品出现尺寸偏差，甚至出现次品和废品的现象。故在模具设计与制造中就应保证挤压制品在处于常温状态时也不超过规定的尺寸偏差范围，同时要求模具最大限度地延
8、长使用寿命。通常选取一定的模孔裕量系数（）来给予补偿，一般模孔裕量系数在0.0070.02范围内取值。不同金属的模孔裕量系数值见表6-3-2所列。表6-3-2不同金属模孔裕量系数/金属种类模孔裕量系数紫铜1.5黄铜1.01.2青铜1.7L1L7,LF2,LF3,LF21,LD2,LD31等1.01.2LF5,LY11,LY12,LD5,LD8,LC4等0.71.0MB1,MB2,MB15等1.01.2高美合金1.01.2一、模角的选取l模角是指模具的轴心线与模具工作端面所构成的夹角，如图6-3-3所示。当=90时，即为平模。平模多用于挤压铝合金型材、棒材及铜合金、镍合金等的管材与棒材。图 6-
9、3-3 挤 压 模 设 计 基 本 要 素r入ah定HDd出d定 当90时，即为锥模。锥模的模角有合理的取值 范围，为4560。但根据不同金属和工艺条件的要求，的取值也有变化。例如，带润滑剂的挤压钢和一些稀有、难熔的金属，常选为5570；在有色金属挤压中一般选取为5565；高温材料如钨、钼、锆之类的金属，取=45即可，锥模用于铝、铜合金管材较为普遍。双锥模的模角由两部分组成：靠近工作端面部分用1表示，靠近工作带部分用2表示。一般选用1为6065，2为1045，这对于加工铜合金、铝合金管材较为有利。实践证明，挤压铝合金选用2为1013为最佳。工作带又称为定径带，是模具中垂直模具工作端面并保证挤压
10、制品的形状、尺寸和表面质量的区段，也是模孔重要的组成部分，如图6-3-3所示的h定。正确选择工作带长度h，有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性。工作带长度h的选择应根据挤压机的结构形式（立式或卧式）、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等因素来确定。若工作带长度h太长，则挤压金属残料易粘结在工作带表面，使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷，同时增大模具与被挤压金属的摩擦力，金属流速变慢，增大挤压力等现象；若工作带长度h 过短，则会加快模孔的磨损，使制品尺寸不稳定，出现超差现象，且因金属流速较快致使制品断面各部分金属流动不均匀而形成波浪、扭拧、弯曲等缺陷。工作带合理长度h的确定原
11、则如下：1 按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定h的最小值。一般来说，工作带h 的最小值hmin为1.5mm3.0mm。2 根据挤压时金属与模孔工作带最大有效接触宽度来确定工作带长度的最大值。超过此值的那部分工作带，就将失去塑性成形的定径和调节金属流速的作用。铝及铝合金工作带最大长度一般不超过1520mm。3挤压型材的模具工作带长度取值时，应视情况不同而有所区别。例如，一些简单断面实心型材，如等壁厚角形、丁字形、工字形之类，模孔各部位的工作带长度可以是相同的，一般取值为28mm；而对于建筑型材，因挤压比大，挤压速度快，制品长度较长，即使是等截面等壁厚的情况，模具工作带取值
12、也应不相同，要参照生产实际经验确定。4断面形状复杂、壁厚不等的型材，工作带长度应根据壁厚变化的不同而设计各对应不等的h值。挤压有色金属时，一般h 值在29mm范围内选取。总之，工作带长度的确定，除事先遵照上述原则和生产实际经验确定总之，工作带长度的确定，除事先遵照上述原则和生产实际经验确定一个数值后，根据挤压制品的质量情况，还需进行调整，以保证最后一个数值后，根据挤压制品的质量情况，还需进行调整，以保证最后生产出合格的挤压制品。生产出合格的挤压制品。模孔尺寸的确定主要考虑挤压制品的金属成分、断面形状、尺寸偏差、各部位几何形状特点和型材的冷却收缩量、张力矫直时的断面收缩量等因素的综合影响来进行设
13、计或计算确定。若用A表示模孔长度，用B表示模孔的宽度，则用以下算式进行计算：管材与棒材模：A=A0（1+）（3-12）型材模：A=A0（1+）+（3-13）B=B0+（3-14）式中：A0管、棒、型材断面的名义尺寸。圆棒A0为直径，圆管A0为外径，方棒A0为边长，六角棒A0为内切圆直径；模孔裕量系数，见表6-3-2；型材外形或壁厚的正偏差值，可按有关标准规定查取；B0型材壁厚名义尺寸。金属种类模孔裕量系数紫铜1.5黄铜1.01.2青铜1.7L1L7,LF2,LF3,LF21,LD2,LD31等1.01.2LF5,LY11,LY12,LD5,LD8,LC4等0.71.0MB1,MB2,MB15等
14、1.01.2高美合金1.01.2 模孔在模具工作面上的合理配置，有利于挤压加工成形，更有利于金属流速均匀，而避免局部不充满、长短不齐、制品扭拧、弯曲、裂纹等缺陷的出现。模孔配置将在具体模具设计时加以叙述。五、模具入口处圆角半径r 模具入口处圆角是指被挤压金属进入工作带时，模具工作端面与工作带表面间形成的拐角，如图6-3-3所示的r入。这个角若为尖棱角时，在挤压过程中则易开裂或压秃、压堆，从而改变模孔尺寸，导致难以保证挤压制品的尺寸精度，因此必须采用过渡圆角半径r。制作入口圆角半径!，还可以防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹，减小金属在流入模孔时的非接触变形。但是，圆角增大了接触磨损面积，可能会
15、引起挤压力增加。入口圆角半径r 选取与金属的强度、挤压温度和制品的断面尺寸、模具结构有关。根据生产经验，r值可在表6-3-3所列数值范围内选取。金属种类铝合金紫铜、黄铜白铜镍合金镁合金钢、钛合金入口处圆角半径r0.400.75254810151338R31 32 31.520.5R0.5h1（d）1.53（e）（c）h11.52.51.52.52322.5R2h1（b）（a）图6-3-4 模孔空刀结构形式h1R122.523 模孔空刀既要保证模具工作带强度，又要便于模具的加工制作，同时使制品能顺利导出模孔而不刮伤其表面。若模具空刀尺寸过大，会大大削弱工作带强度，引起工作带过早变形和压塌，明显降
16、低模具的使用寿命。因此，对于圆形管、棒挤压模来说，可按以下方式选取：空刀直径：d1=d+(35)式中：d模孔直径。如图6-3-4所示为不同结构形式的模具空刀。一般情况下，对于其他模孔形状的挤压模，模孔空刀可选用比模孔边线扩大距离h1可取1.52.5mm的形式；型材壁厚小于1mm 以及较窄槽形部位（如小的燕尾槽等），槽孔空刀h1可取0.51mm的形式。为了防止模具出口部位划伤制品表面，也可设计成锥体出口，锥度为15。模具的外形尺寸主要是根据挤压机吨位大小和挤压模的强度以及装配模具的相关部件结构等因素来确定，同时应当考虑模具的系列化、标准化，便于使用和管理。1模具外径D 挤压制品的最大外接圆直径D
17、W是确定模具外径D的一个主要参数。也可以根据挤压筒内径Dt，来确定该挤压筒所允许的制品的外接圆直径DW，即：DW=(0.80.85)Dt （3-16）模具外径取决于挤压制品的断面形状、角度差异以及合金品种。对于简单断面形状的棒、管以及扁口型材，模具外径可根据DW按经验公式来确定：D=(1.251.45)DW （3-17）当DW处于边界状态时，即为最大值时，则可根据挤压筒内径Dt来确定：Dmax（1.11.36）Dt （3-18）对于较复杂的断面形状，包括薄壁或难挤压金属型材，模具外径的最小值可按以下经验公式确定：Dmin（1.451.60）DW （3-19）考虑到节约模具钢材等因素，所选用的模
18、具外径一般都低于最大值。为了便于制造和更换，模具外径可标准化与系列化。模具外径尺寸标准化、系列化的必要性有三个方面：减少模具设计与制造的工作量，降低产品成本，缩短生产周期，提高生产效率；通用性大，互换性强，只需配备几种规格的模支承和模架，可节约模具钢材，容易备料，便于维修和管理；标准化有利于提高产品的尺寸精度。因此，对于一台挤压机来说，模具外径最好根据挤压机配备各种规格的挤压筒，有13种规格为宜。模具厚度H应根据被挤压合金的变形抗力（即挤压力）的大小来考虑。在保证模具组件（模具、模垫、垫环等）有足够的强度的条件下，模具的厚度应尽量减薄，规格应尽量减少。但为了安装和调整方便，模具的厚度尺寸应尽可
19、能系列化，便于管理和使用，一般模具的厚度按下述数值（单位：mm）选用：20，25，30，40，50，60，70，80，100，110 在挤压机设计时，通常选取单位压力为1000MPa时的挤压筒内径Dt作为基本参数来确定模具的厚度，其关系为：H=(0.120.22)Dt 挤压模具的外形结构根据其安装方式的不同可以有不同的结构形式，卧式挤压机上用的挤压模有圆柱形、带正锥和带倒锥三种形式，如图6-3-5所示。带正锥的挤压模在操作时逆着挤压方向放到模支承中，为了便于装卸，锥度不能太小，否则，人工取模困难；但如果锥度过大，则可能出现在模座靠紧挤压筒时，挤压模容易从模支承中脱落出来，故正锥的锥度在1304
20、范围内选取。带倒锥的挤压模在操作时顺着挤压方向装入模支承中，其锥度为310，一般取6左右，为了便于机械加工挤压模的外形锥度，一般在锥体上有一段长10mm左右的圆柱部分。（c）h1hD2D1HHD2（b）（a）D1hh1h1hHD图6-3-5 卧式挤压机用挤压模的结构形式(a)圆柱形 （b）带正锥 （c）带倒锥 立式挤压机上用的挤压模有圆柱形和带台肩的两种形式，如图6-3-6所示。R5R3HhD1d+4dDR1.5251+0.125r2R1.5D-0.05（b）（a）d-0.05(d+4)+0.2D-0.11H0.1hR3 图6-3-6 挤压模设计基本要素(a)挤压铝合金的立式挤压机用 （b）挤
21、压铜合金的立式挤压机用h2h1圆柱形的挤压模用于每次挤压后将挤压模与压余顶出挤压筒外进行分离操作的情况。带台肩的挤压模用于每次挤压后用冲头切断制品和提取压余的情况。表6-3-4和表6-3-5分别列出了挤压管材用的部分模具外形尺寸和挤压棒、型材用的部分模具形尺寸，以供参考。表6-3-4 管材用部分模具外形尺寸挤压机能力/MN挤压筒直径/mm模具外形尺寸/mmD0D1D2(或D)h5.8880204681.72100246096.721202876116.6231353080131.6315.971402003080140234.4220309016015832604017023022833701
22、5223723032856表6-3-5 型、棒材用部分模具外形尺寸挤压机能力/MN模具外形尺寸/mmD1D2HhH111.76148150.6303231.5148152.5403231.5148154.5702231.519.6200203.4403341.5200204.5603341.5200207.5803341.549265275.5608482.5350370.9609482.5300324.67010482.5350384.47010482.5 棒材（如圆棒、方棒、六角棒、异型棒等）模具是挤压模具中最简单的一种。挤压铝合金棒材用平模，其工作端面的入口处一般为直角或仅带工艺圆角，r
23、 可0.40.75mm如图6-3-7 所示。挤压铜合金、镍合金、镁合金等也多采用平模，只是这些棒材挤压模的工作面入口处均带有一个过渡圆角，如表6-3-3所示，图 6-3-7 挤 压 铝 合 金 棒 材 的 平 模工 艺 圆 角6R1.5dDhH一、模孔数目的确定 多孔棒材模的模孔数目一般按以下原则进行确定：1 选择合适的挤压比 一般情况下，模孔数目n可以按以下计算式：n=Ft/Fk (3-21)式中：n多孔棒材模的模孔数目；Ft挤压筒内腔横断面积；Fk单根棒材的横断面积；挤压比。挤压比值可以根据挤压机的能力、挤压机装料台和冷却台的长度、挤压筒规格、单位压力、对制品的力学性能与组织的要求以及被挤
24、压合金的变形抗力等因素来确定。铝加工中一般可取1040其中软合金取上限，硬合金取下限，纯铝和软合金棒材有时可达=100以上。2保证足够的模具强度 为了延长模具的使用寿命，模孔离模具外径圆周的距离和模孔之间的距离都应保持一定的数值，这个数值与挤压机的大小有关。对于49MN以下的挤压机，这个距离可取1550 mm；对于大型挤压机，应加大到3080mm，如表6-3-6所列经验数据，以供参考。挤压筒直径8095115130150200220280300500最小距离1520253050 采用单孔棒材模时，应将模孔的断面重心设置在模具中心上。采用多孔棒材模时，金属流动要比单孔模均匀，故可减少中心缩尾形成
25、的几率。但是，如果模孔排列不当，会使挤出的制品长短不齐，增加几何废料，恶化表面质量；如果模孔靠近挤压筒边缘，也会使制品表面产生起皮、分层等缺陷。此外，多模孔过于靠近挤压筒边缘时由于内侧金属供应量大、流动速度快，而外侧由于金属供应量不足，流动速度慢，会造成制品出现外侧裂纹；当模孔太靠近挤压筒中心时，外侧金属供应量大于内侧，则制品易出现内侧裂纹。如图6-3-8所示，图6-3-8 多孔模模孔的布置情况(a)布置合理流速均匀；(b)布置在同一D心上，模孔大的流速快；(c)模孔过于集中在模具中心；金属量供应不足，中心流速慢；(d)模孔过于靠近边缘，中心金属供应量富裕，流速快；(e)离中心近的模具流速快；
26、(f)模孔太靠近边缘引起外侧裂纹；(g)模孔太靠近中心引起内侧裂纹1-中心线；2-挤压筒中心；3-同心圆圆心轨迹；4-外侧裂纹；5-内侧裂纹54（g）（f）（e）（d）（c）（a）（b）cba32CBA1表示了模孔分布对制品长度的影响，从而了解模孔位置布置的重要性，故应将多孔模模孔的理论重心均匀地分布在距模具中心和挤压边缘有适当距离的同心圆周上，如图6-3-9,所示；多孔模的同心圆直径D心与挤压筒直径Dt，之间的关系可以按以下经验公式来确定：D心=Dt/a-0.1(n-2)式中：D心多孔模模孔断面重心分布的同心圆直径；Dt挤压筒内径；n模孔数目（n2）；a经验系数，一般可取2.52.8;n值较
27、大时取下限，挤压筒内径大时取上限，一般取2.6。D心通过上式求出后，还必须考虑节约模具钢材和工模具规格的系列化及互换性（如模垫、导路的通用性等），再对D心进行必要的调整。图6-3-9 多孔模的模孔同心圆直径OD心xy 棒材模模孔尺寸的确定可按,3-12式计算。挤压铝、镁合金圆棒材的模孔尺寸，见表6-3-7、表6-3-8 所列，以供参考。表6-3-7挤压铝合金棒材的模孔尺寸棒直径/mm挤压筒直径/mm模孔个数D/mmk.A0/mm模外径/mm工作带/mm计算采用3.548512374957700.0514824.55.59510304456800.0514836.57.0115102731688
28、00.051483691308263169800.050.0714839.511.51306213163680.08148310131701017311001100.060.08200314170818.5901000.1200315171706162181800.01520031817051878800.15200319251704162074700.2200326282003171983650.3200329372002142068600.250.32003394317011520-0.320044460200114-0.30.420046068300210121201300.526547
29、08136029.8131301300.62655829530011013-0.826551001253601813-0.91.226551301604201711-1.31.62656170280500138.5-1.72.836068表6-3-8挤压镁合金棒材的模孔尺寸棒直径/mm挤压筒直径/mm模孔个数D/mmk.A0/mm模外径/mm工作带/mm入口R/mm计算采用1417062581800.14200311517052678800.152003118241703173074650.180.24200312532170211.52361600.250.322003135200216.5
30、71600.3520031364017011822-0.4200414650360317201331300.526553554204141601300.526553609042037161331300.60.92655310013042015.417-1.01.8265583 棒材模的工作带长度是决定棒材尺寸精度和表面质量的基本参数。工作带过长，容易在其表面粘结金属，使制品表面出现部分毛刺、麻面等缺陷；工作带过短，不能稳定地控制棒材，常易出现椭圆等缺陷，同时，由于工作带易磨损，致使模具寿命缩短。棒材模的工作带长度可根据被挤压金属的不同有不同的选择。在挤压铝、镁合金圆棒时，模孔的工作带长度可根据
31、棒材的直径确定如下：棒材直径/mm 模孔工作带长度/mm 40 23 4070 4 70120 5 130280 68五、棒材模的外形尺寸 棒材模的外形尺寸，主要指模具的外圆直径D1和厚度H，常以挤压机的能力来确定。外圆直径D1可以参照表6-3-7，表6-3-8及表6-3-9选用，为了便于模具的更换和管理，对一台挤压机最好用13种规格。表6-3-9模具外形标准尺寸挤压机能力/MN挤压筒直径/mmD1/mmH/mm17.3585,95113,13216,32311.7614.7115,13014832,50,70319.6170,20019840,60,80334.3270,320,370230
32、,33060,80349300,360,420,500270,306,360,42060,806122.5420,500,650,300,420,570,670,88060,80,120,1506,10196650,800,11005,706,709,001,00080,120,150,20010,15根据模套内腔形状与尺寸，将模具设计成整体或正锥体，锥体模的外缘斜角常为310模具厚度H的选择，见表6-3-9。厚度取值应从挤压金属强度和模具的强度上考虑，再进行系列化及标准化处理，对每台挤压机可设计几种厚度不同的模具。目前，模具是向厚度减薄的方向发展。六、棒材模的强度校核 单孔棒材模工作条件与受
33、力状态要比其他模具好一些，它的强度问题基本上已在模具外形尺寸标准化、系列化中作了完全的考虑。但是，对于多孔棒材模，特别是异型棒材多孔模来说，仍需要对模孔之间和模孔与模具外径圆周之间的危险断面进行强度校核。多孔棒材模的剪切强度计算公式如下，如图6-3-10所示。Od图6-3-10 多孔棒材模的强度校核yxQ/F=0.8P/(2rx-nd)r （3-23）式中：Q模具上承受的总压力，一般取Q=0.8P，有时为了安全起见，可取Q=P；P挤压机的公称压力；rx各模孔均布的同心圆半径；d棒材直径；n多孔模的模孔数；r模具材料允许的抗剪强度，在450时，3Cr2W8V钢取)=700MPa；4Cr5MoSiV1钢取=600MPa；H模具允许的最小厚度；由上式可得到：Hmin0.8P/(2rx-nd)(3-24)即多孔棒材模具的厚度为：H0.8P/(2rx-nd)(3-25)
