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1060鋁熱擠壓成形模具設(shè)計(jì)及工藝研究

2021-07-20 12:25:06張學(xué)舟張華黃順利宮敬海張會(huì)焱陳啟銳
金屬加工(熱加工) 2021年6期
關(guān)鍵詞:斜度凸模圓角

張學(xué)舟,張華,黃順利,宮敬海,張會(huì)焱,陳啟銳

中核四〇四有限公司 甘肅蘭州 732850

1 序言

某產(chǎn)品現(xiàn)階段成形方式主要以鑄造為主,由于。在冷卻凝固過程中體積的收縮會(huì)使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或尺寸變形等,使鑄造成形工藝存在生產(chǎn)效率低、脫模困難等缺點(diǎn)。為提升產(chǎn)品成形工藝效率及收得率,提出熱擠壓成形工藝[2]。

2 熱擠壓工藝分析

1060鋁具有良好的導(dǎo)熱性,在試驗(yàn)過程中將模具加熱到一定溫度,再通過熱傳導(dǎo)的方式間接加熱坯料。熱擠壓成形工藝模具三維圖如圖1所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)

由于空間限制,擬采用反擠壓工藝。第一階段金屬在凸模作用下首先在橫向充滿凹模模腔,然后在凸模的中間向上有少量的流動(dòng),這一瞬間壓力是呈直線上升的。第二階段凸模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),迫使金屬沿凸模中心向上流動(dòng),壓力數(shù)值增加幅度不大,在這一階段的最后,是反擠壓過程中壓力數(shù)值最大的時(shí)刻。第三階段是熱擠壓力變?yōu)榱阍俎D(zhuǎn)為拉力的過程,直到退件結(jié)束[3]。

3 熱擠壓模具設(shè)計(jì)

3.1 影響擠壓力的主要因素

影響擠壓力的主要因素有變形程度、變形速度、熱擠壓模的幾何形狀,以及被擠壓金屬的化學(xué)成分和擠壓溫度等[4]。在被擠壓金屬成分確定的條件下,要想獲得低的擠壓力,需要對(duì)熱擠壓模的幾何形狀進(jìn)行合理設(shè)計(jì),對(duì)其他影響參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算。擠壓溫度一般控制在再結(jié)晶溫度以上30~50℃。

3.2 變形程度的確定

在擠壓成形加工中,一般采用下式計(jì)算斷面縮減率來評(píng)判產(chǎn)品的變形程度[5-6]。

式中εF——斷面縮減率(%);

F0——熱擠壓變形前毛坯的橫截面積 (mm2);

F1——熱擠壓變形后擠壓件的橫截面積 (mm2);

通過計(jì)算,得鍛件的斷面縮減率為

由于1060鋁的許用變形程度在反擠壓的條件下可達(dá)到90%~99%,所以本產(chǎn)品97.2%的斷面縮減率可以滿足擠壓要求。

3.3 擠壓件圓角半徑的確定

模具圓角半徑越小,金屬材料的流動(dòng)性越差,充型能力也就越差[7]。模腔內(nèi)圓角半徑過小的地方經(jīng)常會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋,還會(huì)使熱擠壓模型腔的相應(yīng)部位很快被磨損,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致模具破裂。

因?yàn)閿D壓產(chǎn)品為細(xì)長(zhǎng)件,在與熱擠壓模型腔的凸圓角半徑相對(duì)應(yīng)的熱擠壓件凹圓角半徑上,被擠壓的金屬會(huì)發(fā)生劇烈的流動(dòng),所以如果圓角半徑過小,則會(huì)使熱擠壓模此部位很快被壓塌。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,當(dāng)擠壓件的高度H>40mm時(shí),圓角半徑R不應(yīng)<3mm,如圖2所示。

圖2 擠壓件的尺寸

3.4 擠壓斜度的確定

由于摩擦力的存在,擠壓件最終會(huì)滯留在模具內(nèi),要順利從凸模退出有一定難度,但因凸模沒有頂出裝置,因此需要設(shè)計(jì)擠壓斜度來減小摩擦力[8]。一般情況希望擠壓斜度小一些,影響擠壓斜度大小的主要因素是摩擦系數(shù)和擠壓件在熱擠壓模型腔內(nèi)的法線壓力,根據(jù)孔徑(D)和孔深(H)的比值(即H/D),可制定出擠壓斜度,試驗(yàn)中H/D>5,故擠壓斜度取50′。

3.5 擠壓速度的計(jì)算

擠壓速度對(duì)產(chǎn)品的成形尤為關(guān)鍵,擠壓速度過低時(shí)生產(chǎn)效率低下,反之?dāng)D壓速度過高時(shí),則容易形成表面裂紋,特別是無潤(rùn)滑擠壓時(shí),會(huì)對(duì)模具及壓機(jī)造成較大負(fù)載。

根據(jù)體積不變的原則可知:

式中υ——金屬的擠壓速度(mm/s);

V——凸模的運(yùn)動(dòng)速度(mm/s)。

按照1060鋁常規(guī)擠出速度υ≤50mm/s計(jì)算,則

即壓機(jī)壓下速度≤1.39mm/s。

3.6 熱擠壓力的計(jì)算

正確地計(jì)算熱加壓所需的壓力,從而合理地選擇擠壓設(shè)備噸位,可以有效避免因設(shè)備能力不足或過剩造成的生產(chǎn)事故,提高模具工作壽命,降低生產(chǎn)和維護(hù)成本。

在熱擠壓中,最大單位擠壓力及變形功都隨著變形程度的增加而增大,其變化規(guī)律與拋物線類似。

根據(jù)反擠壓力計(jì)算公式:

式中F——反擠壓的擠壓力(N);

D——反擠壓模凹槽的工作直徑(mm);

d——反擠壓模凸模的工作直徑(mm);

σb——擠壓結(jié)束是金屬材料的極限強(qiáng)度(kPa)。

1060鋁極限強(qiáng)度σb=44.36kPa,D=60mm,d=9.5mm,故

考慮環(huán)境因素的影響,熱擠壓力給予1.5倍的冗余值,最終設(shè)備可選壓力0~441000N。

3.7 模具材質(zhì)的選擇

由表1可知,溫度對(duì)擠壓力影響非常大,當(dāng)溫度在330℃時(shí),最大擠壓力只有168℃的1/5。由于試驗(yàn)采用包圍式加熱,通過加熱模具間接加熱坯料,考慮輻射散熱及界面熱阻影響,需對(duì)模具加熱至700℃以上才能確保坯料達(dá)到規(guī)定擠壓溫度,因此模具材質(zhì)需要更好的熱強(qiáng)性、抗回火軟化性。選用牌號(hào)為8418熱作模具鋼作為凹模材質(zhì),凸模熱強(qiáng)性要求較低,可使用H13模具鋼。熱處理采用三次淬火加三次回火處理,后續(xù)再做深冷處理,以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。熱處理硬度在60~62HRC,抗拉強(qiáng)度σb可以達(dá)到110~125kg/mm2。

表1 溫度對(duì)擠壓參數(shù)的影響(指定擠壓比)

單位側(cè)壁壓力為

式中F——壓力(N);

εF——斷面縮減率(%);

T——毛坯橫截面積(mm2)。

由上式可以求得單位側(cè)壁壓力,則

由此可知,單位側(cè)壁壓力遠(yuǎn)小于模具抗拉強(qiáng)度,可滿足生產(chǎn)工藝。

4 工藝驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)工藝及模具設(shè)計(jì)的合理性,通過1060鋁開展驗(yàn)證試驗(yàn),按照上述參數(shù)進(jìn)行模具及工藝設(shè)計(jì)。對(duì)模具在700℃下加熱30min,溫控儀表顯示物料已達(dá)到預(yù)定擠壓溫度,對(duì)物料以1.39mm/s的速度加壓,開始?jí)毫徛仙?dāng)壓力到達(dá)2.8×105N左右時(shí)呈平穩(wěn)波動(dòng)狀態(tài),物料從凸??字芯鶆驍D出。熱擠壓工藝試驗(yàn)過程及擠壓后物料的形狀如圖3所示。由圖3可知,熱擠壓加工后物料無明顯缺陷,未發(fā)現(xiàn)金屬局部流動(dòng)性差及工件表面出現(xiàn)裂紋等問題。

圖3 熱擠壓成形過程及產(chǎn)品

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某產(chǎn)品鑄造過程中產(chǎn)生的問題確立了熱擠壓成形工藝。根據(jù)1060鋁的物理性質(zhì),通過計(jì)算及參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),得出擠壓圓角半徑R不應(yīng)<3mm,壓機(jī)壓下速度≤1.39mm/s,擠壓斜度取值50′,熱擠壓力0~441000N。根據(jù)加熱特點(diǎn),凹模材質(zhì)選用8418熱作模具鋼,凸模采用H13模具鋼,可滿足工作中的強(qiáng)度要求。通過對(duì)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬料的技術(shù)驗(yàn)證,擠壓出的產(chǎn)品滿足相關(guān)技術(shù)要求。

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