鋁材模具擠壓力計算和強度校核方法探討

2021-02-08 模授世界

 目前,計算擠壓力的公式很多,根據假設和推導方法不同大致可分為三類:平均應力法;滑移線法;有限元法和經驗係數法。在生產實際中,最常用經驗公式來計算擠壓力。 
    經驗算式是根據大量實驗結果建立起來的,其最大優點是算式結構簡單,應用方便;其缺點是不能準確反映各擠壓工藝參數對擠壓力的影響,計算誤差較大。在工藝設計中,經驗算式可用來對擠壓力進行初步估計。最典型的經驗算式為:


   P=a+b㏑λ                      (1—1—1)


    式中 p——單位擠壓力;                                       

    a、b——與擠壓條件有關的試驗常數; 
    λ——擠壓係數。 
    由於式(1—1—1)中a、b的正確選定往往比較困難,推薦採用如下半經驗算式進      行估算

   式中σ8——變形溫度下靜態拉伸時的屈服應力,按表(1—1—3)選取; 
     μ——摩擦係數(表1—1—4),無潤滑熱擠壓可取μ=0.5,帶潤滑熱擠壓可取μ=0.2~0.25,冷擠壓可取μ=0.1~0.15; 
      Dt——擠壓筒直徑; 
      dZ——穿孔針的直徑,棒材或實心型材擠壓時dz0: 
      Lt——坯料填充後的長度,作為近似估算,可用坯料的原始計算; 
      λ——擠壓係數; 
      a——合金材質修正係數,可取a=1.3~1.5,其中硬合金取下限,軟合金取上限; 
      b——製品斷面形狀修正係數,簡單斷面棒材或圓管擠壓時,取b=1.0。 
    對於斷面形狀較為複雜的異型材擠壓,根據「製品斷面形狀的影響」中所述型材斷面複雜程度係數五(式1—1—2)的大小,參考表中修正係數kf的取值方法,取b=1.1~1.6。

表1—1—2型材擠壓力計算時的修正係數表


型材斷面複雜程度係數

≤1.1

1.2

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

2.25

2.5

2.75

≥4.O

修正係數kf

1.O

1.05

1.1

1.17

1.27

1.35

1.4

1.45

1.5

1.53

1.55

1.6


表1—1—3計算擠壓力用的各種鋁合金的屈服強度σs

表1—1—4確定擠壓力的摩擦係數μ值


 

變形溫度,℃


250~350

350~450

450~500


鋁合金

0.3~0.35


0.25~0.28


0.30~O.35

0.2~0.25


0.25~0.30

首先計算鋁型材的截面積,然後用擠壓筒的斷面積除以鋁型材的截面積就是擠壓比了。
擠壓比=擠壓用鑄錠的截面積÷擠壓型材的截面積這個算法是不準確的,嚴格點說是錯誤的。
擠壓比=擠壓筒的截面積÷擠壓型材的截面積。

例如:600T擠壓機用直徑90毫米的鑄錠,擠壓筒直徑95毫米,擠壓直徑20毫米的型材。

擠壓比=(1/4X3.14X95X95)÷(1/4X3.14X2020)=22.6

擠壓比(extrusion ratio)是指擠壓筒腔的橫斷面面積同擠壓製品總橫斷面面積之比,也叫擠壓係數。擠壓比是擠壓生產中用於表示金屬變形量大小的參數,


用λ表示:λ=Ft/ΣF1


式中:Ft為錠坯在擠壓筒內填充後的橫斷面積,mm^2;

ΣF1為擠壓製品的總橫斷面積,mm^2

擠壓時金屬變形量的大小也可用變形程度ε表示:ε=λ-1 

擠壓比太小,鋁型材製品變形不充分,密度和表面質量不好,擠壓比太大,模具變形太劇烈,擠壓困難,鋁型材尺寸難以保證,甚至造成堵模。理想值40-80 


(1)擠壓比增大時,金屬流出模孔的困難程度會增大,擠壓力也增大;
(2)當其他條件相同時,擠壓比增大,擠壓時錠坯外層金屬向模孔流動的阻力也增大,因此使內外部金屬流動速度差增大,變形不均勻;

(3)但當擠壓比增加到一定程度後,剪切變形深入到內部,變形開始向均勻方向轉化。研究證明,當擠壓變形程度ε達到85%~90%時,擠壓金屬流動均勻,製品內外層的力學性能也趨於均勻。


       擠壓比λ的選擇與合金種類、擠壓方法、產品性能、擠壓機能力、擠壓筒內徑及錠坯長度等因素有關。

       如果λ值選用過大,擠壓機會因擠壓力過大而發生「悶車」,使擠壓過程不能正常進行,甚至損壞工具,影響生產率。

       如果λ值選用過小,擠壓設備的能力不能得到充分利用,也不利於獲得組織和性能均勻的製品。
擠壓比λ一般應滿足下列要求:一次擠壓的棒、型材≥8~12。

        一般是根據鋁型材載面圖和米重來確定擠壓比,再來定採用鋁大擠壓機。
       擠壓比、用λ表示是指鋁材擠壓筒腔的橫斷面面積同擠壓鋁型材總橫斷面面積之比,也叫擠壓係數。擠壓比是鋁型材擠壓生產中用於表示金屬變形量大小的參數。
       擠壓機的確定多數是按擠壓比來計算,這也與鋁材廠的要求也有關係, 比如一個鋁型材擠壓比算下來只有5-10,這種情況設計都會要求鋁材廠更換大機臺來擠壓產品,但是鋁材廠對型材只有簡單要求,要求模具廠不換壓機進行設計。這時模具廠還是會做下去。

        所以現在設計師們很多時候都是按型材廠指定的信息來設計生產模具。 

平面模和分流組合模的主要破壞和失效形式包括:分流橋因彎曲應力而破壞、分流孔處在危險斷面被剪斷或塌陷,下模型孔處懸臂發生彈性撓趣變形或在危險斷面被剪斷等等,所以模具主要校核分流橋的抗彎,抗剪強度以及模懸臂的抗彎、抗剪強度與剛度。

擠壓時橋面承受垂直於模面的軸向壓力、十字橋將產生彎曲變形,是該擠壓模具強度最弱的結構之一,因此應校核分流橋的高度是否承受最大的壓力下的彎曲載荷。從抗彎強度校核公式可推導出模具分流橋最小的高度的計算公式(按兩端固定,均勻承載的簡支梁模型計算)

 

對於型材半空心的結構,下模模孔設計時必須以一種懸臂是結構來滿足成型要求,但這種懸臂式的模具部位在擠壓過程中承受垂直模面的壓力時,最容易彎曲,甚至發生塑性變形,不僅會改變模孔大小從而影響型材尺寸精度,而且可能降低甚至消除工作帶和阻礙角對金屬流速的調節作用。在受力過大的情況下,下模懸臂會沿根部危險斷面發生斷裂,。因此,必須對模具懸臂結構進行強度校核。

對於上述懸臂結構,還應對其根部截面進行抗剪強度的校核,即:




實踐證明。對於下模懸臂部分是該模具強度最弱的部位,其彈性彎曲將隊友型材的形狀與尺寸精度產生顯著影響,因此必須對該結構進行剛度校核。只有當最大性繞度小於一定值時、才能保證型材的精度。一般情況下,擠壓模具許用撓度

懸臂梁的最大撓曲變形可按力學模型進行計算:


技術要求:

外下方推拉窗斷面模具設計

1:擠壓機880UST,筒徑∅131,擠壓比40

2:模具設計,如圖所示

3:模具上下模厚度,如圖所示

4:模具規格:∅180X120



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