年产5000吨H62黄铜棒挤压车间设计

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毕 业 设 计

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指导教师

二0 0九 年 6 月

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李丹：年产5000吨H62黄铜棒挤压车间设计

年产5000吨H62黄铜棒挤压车间设计

摘 要

黄铜材料具有良好的加工特性和物理性能，黄铜棒主要应用于五金、自行车与摩托车、制笔、电池、汽车、钟表、家电、航空航天、兵器、船舶、通讯、拉链等领域。据中国有色金属行业协会统计，2001年国内黄铜合金棒消费总量达到22.33万吨，2008年达到32.43万吨。中国铜加工业规模、产量、铜材消费量已居世界第一位，同时也是世界上最大铜材进口国和重要的铜材出口国，但国内黄铜合金棒加工水平偏低。因此，采用国际先进设备、工艺，生产高品质黄铜合金棒有很大的发展空间。近年来我国各行各业的发展不但对铜材的需求量也增加，而且更加要求高精度、高质量的铜材产品。全球经济危机，对于铜材加工业的发展也有一定的冲击。因此，更加要求我们推创铜材产品生产的新技术。

根据设计任务书的要求和市场调查，现拟建5000吨/年的H62黄铜棒挤压车间。棒材的直径范围在10～100mm范围，本设计取H62黄铜棒的直径为12mm，根据课题，详细的设计此课题的内容。设计的主要内容包括：φ12的H62黄铜棒挤压车间设计的概述，棒材生产的工艺流程过程，挤压方法的选取，主要设备（挤压机、挤压模、挤压垫、挤压筒等）及辅助设备（加热炉、矫直机、锯切机等）的选择及校核，产品设计生产能力的计算（根据年产量5000吨），金属平衡表的编制，劳动定员，主要技术经济指标，车间平面布置图及模具装配图等。

关键词：挤压；卧式挤压机；感应加热炉

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The Design of a H62 Brass Bar Hotextrusion Shop with an Annual

Output of 5 thousand Tons

Abstract

Brass materials have easy processing characteristics and good physical properties, which are widely used in hardware, bicycles and motorcycles, pens, batteries, cars, watches, home appliances, aerospace equipments , weapons, ships, communication equipments, zippers and other fields. According to the statistics of Chinese Nonferrous metals Professional Association, in 2001 the domestic consumption of brass rod is 223,300 tons, which expanded to 324,300 tons in 2008. The production scale and consumption of the copper materials in China have been ranking first in the world，and China is the biggest importing and exporting country of copper products, but the brass alloys processing technology is still not very advanced. So it has great room for development to produce high quality brass rods with internationally advanced equipments. In recent years the development of our country from all walks of life not only

increased the demand for copper, but also required high accurate , high quality copper products. Global economic crisis also has a certain impact on the development of copper processing industry. Therefore we should push forward new technologies to prduce copper products with low energy consumption and high effeciency.

In the light of the market research and design requirements, we propose to build a 5000

tons / year H62 brass rods extrusion plant. The rang of bar diameter is 10～100mm.The bar

diameter is 12mm in this paper. The main contents of this paper are issues such as：the summary of the design of φ12 H62 brass rod extrusion workshop, technological process of the brass rod extrution, selection and checking of main equipments (extrusion machine, extrusion die, extrusion pad, squeeze extinguishers, etc.) and auxiliary equipments(furnace, straightening machine, sawing machine, etc.), the checking of production capacity (based on annual

production of 5,000 tons ), income and expenses of the metals, labor quota, the main technical and economic indicators, the workshop floor plan and die assembly drawing.

Key Words: extrusion； Horizontalextruder； Induction furnace

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目 录

第一章 概 论 ............................................................................................................. 1 1.1 铜材加工的现状及其发展趋势 .......................................................................... 1 1.2 挤压法的优缺点 .................................................................................................. 1 1.2.1 优点 .................................................................................................................. 1 1.2.2 缺点 .................................................................................................................. 2 1.3 挤压工艺的现状及其发展趋势 .......................................................................... 2 1.4 本设计的内容 ...................................................................................................... 2 1.5 本设计的目的和意义 .......................................................................................... 2 第二章 H62黄铜棒挤压车间的工艺设计................................................................... 3 2.1 挤压生产工艺 ...................................................................................................... 3

2.1.1.挤压生产工艺流程图 ....................................................................................... 3 2.1.2挤压方法与挤压设备的选择 ........................................................................... 4 2.1.3 挤压时的润滑 .................................................................................................. 5 2.1.4 锭坯尺寸选择 .................................................................................................. 6 2.2 挤压制品的组织性能及质量控制 ...................................................................... 6 2.2.1挤压制品组织的不均匀性 ............................................................................... 6 2.2.2挤压制品的粗大晶粒组织 ............................................................................... 7 2.2.3挤压制品的层状组织 ....................................................................................... 7 2.3 H62黄铜的性能 .................................................................................................. 9 2.3.1 H62黄铜的化学成分 ....................................................................................... 9 2.3.2 H62黄铜的物理性能 ....................................................................................... 9 2.3.3 H62黄铜的力学性能 ..................................................................................... 10 2.3.4 H62黄铜的工艺性能 ..................................................................................... 10 2.3.5 H62黄铜的化学性能 ..................................................................................... 11 2.3.6 H62黄铜的杂质影响 ..................................................................................... 11 2.3.7 H62黄铜的特性及主要用途 ......................................................................... 12 第三章 主要设备的选择与计算 ............................................................................... 13 3.1 挤压力计算 ........................................................................................................ 13 3.2 挤压工具及其设计 ............................................................................................ 15

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3.2.1 挤压工具的组成 ............................................................................................ 15 3.2.2 挤压模的设计 ................................................................................................ 15 3.2.3 挤压杆的设计 ................................................................................................ 19 3.2.4 挤压垫的设计 ................................................................................................ 20 3.2.5 挤压筒的设计 ................................................................................................ 22 3.3 挤压机的选型 .................................................................................................... 25 3.3.1 卧式挤压机 .................................................................................................... 26 3.3.2 立式挤压机 .................................................................................................... 26 3.4 剪切力计算 ........................................................................................................ 26 3.5 绘制金属平衡表 ................................................................................................ 27 3.5.1 确定计算产品的成品率 ................................................................................ 28 3.5.2编制金属平衡表 ............................................................................................. 28 第四章 辅助设备的选择与计算 ................................................................................. 30 4.1 加热设备的选择 ................................................................................................ 30

4.1.1 火焰炉 ............................................................................................................ 30 4.1.2 感应加热炉 .................................................................................................... 30 4.2 剪切设备的选择 ................................................................................................ 30 4.3 矫直机的选择 .................................................................................................... 31 4.4 冷却设备的选择 ................................................................................................ 32 第五章 劳动定员 ........................................................................................................... 33 第六章 主要技术经济指标 ........................................................................................... 34 第七章 挤压过程动态模拟 ........................................................................................... 36 参考文献 ......................................................................................................................... 40 致 谢 ......................................................................................................................... 40

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第一章 概 论

1.1 铜材加工的现状及其发展趋势

铜材，是各国均高度重视的战略物资和发展现代工业的重要基础材料和功能材料。我国是近些年来铜加工业发展最快的国家，也是铜材消费最多的国家之一。1990年生产能力为78万吨，产量不到50万吨，消费量达50万吨左右；1995年生产能力达253万吨，产量达到156万吨，消费量超过了180万吨；2000年与1995年比生产能力和产量变化不大，但消费量增到215万吨。这里说明两个问题：一是生产能力远大于产量，有生产能力储备，这是好的一面。另外，能生产产品品质不高的大路货能力大，无市场；二是消费量大于产量，主要是技术含量高的、产品品质好和产品精度高的产品大部分靠进口。因此我国铜材加工业需要提高技术水平、生产水平和管理水平。

我国铜加工先进与落后并存，传统经典的生产技术仍然占据主导地位，其加工工艺仍然是：合金熔炼—半连续铸造—热加工—冷加工，因此工艺流程长、能耗高、成品率低、环保条件差、迫切需要技术和装备创新。

中国经济稳定增长为铜材加工业提供了宽广的内需市场，这在全球范围内也是唯一的。各行各业对铜加工材，特别是高、精、尖的铜加工材的需求量猛增，加之我国加入WTO，给我国铜加工企业带来了机遇和挑战，这就要求我们要大力改进技术，提高生产技术水平，提高产品品质。高度重视技术创新、发展以短流程、节流、环保、高效的生产技术，建设连续化、自动化、专业化生产线；重要产业创新技术：潜流式铸造、连续挤压、管材行星轧制等。加强信息标准等研发工作，为铜加工业发展服务。

新增板带工程中，铜陵、江西、大冶、紫金矿业等均为我国重要的矿产铜产地，约32万吨板带产能。这是铜原料企业向下游延伸产业链的重要部署，对节约运输成本，综合利用资源意义重大，将长远造福我国铜加工业。

对于铜合金棒材来说，均以潜流式、多线水平连铸棒坯为开坯手段，然后配合连续拉拔生产机列。这种方法在宁波金田已经产业化，具有产量大、生产成品率高、环保、设备投资少等明显优点。充分发挥挤压开辟能力，生产合金棒坯料，然后采用冷拉伸办法产出成品，这是现代企业挖潜改造的方向。在发展铜及合金棒型线生产中，上引铜杆—连续挤压—高精拉伸法，因其投资少、高效、连续化、节能、环保、高成品率而倍受重视。 1.2挤压法的优缺点 1.2.1 优点

（1）挤压时金属在挤压筒内受到比轧制、锻造更强烈的三向压应力的作用。因此它能充分发挥金属的塑性；实现挤压比达10以上的大变形。可以挤压轧制或锻造难以加工的塑性低的金属；

（2）只要改换挤压模或挤压针，就可以用一台挤压机生产不同品种、不同尺寸规格的制品，操作方便，生产灵活；

（3）挤压制品表面质量好，尺寸精度高。

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1.2.2 缺点

（1）挤压机结构复杂，投资费用大；

（2）挤压残料比较多，要占锭坯的10%～15%，挤压大直径棒材时，成品率较低； （3）正挤压时金属与挤压工具表面的摩擦力大，金属不均匀变形严重，使挤压制品产生缩尾，内部组织与性能不均，使切头、切尾几何损失增加；

（4）挤压工具在高温、高压条件下工作，工具消耗大，增加制品生产成本。 1.3挤压工艺的现状及其发展趋势

挤压法在金属塑性加工领域中出现的比较晚，是一种新的金属加工工艺。据文献记载，大约在1797年英国人J.Bramah首先发明了一种挤压铅管的装置，继而将此原理应用到电缆包铅上面。因为当时尚不能解决挤压时所需要的巨大而持续的压力，所以只能挤压低熔点软金属。直到1894年，由德国人A.Dick设计和制造了第一台可以用来挤压黄铜的挤压机。自此之后，挤压生产日益发展，二战结束后，由于航空、火箭、宇宙航行技术，以及汽车、船舶、铁路运输等各部门的发展，促进了挤压生产的急剧发展。挤压机的台数和能力不断地增加，挤压生产线的自动化程度不断提高，新的挤压技术不断出现，理论研究有突破性的进展。近年来计算机的普及对挤压模具的优化设计创造了条件，并且能够实现更加复杂的断面型材。

应用CAD/CAE/CAM技术可使挤压工艺生产的设计从费时、费钱的传统设计提高到准确、快速、高精度的现代化水平。

挤压工艺生产的发展方向是：减少劳动力和材料消耗，主要体现在尽量缩短更换产品的时间，尽可能在生产过程中更换及自动更换；在挤压生产线控制系统中不断应用感测技术、控制技术和人工智能技术，使制品的质量和生产的稳定性得到进一步的提高。 1.4本设计的内容

本设计的产品生产方案——生产年产量为5000吨H62黄铜棒挤压的车间设计。 1.5本设计的目的和意义

1、通过毕业设计，可以使我们对大学四年所学的知识融会贯通，可以提高我们全面思考的能力，并且使专业课的部分内容得到深化巩固。

2、在设计的过程中通过参观生产现场，可以更直观的了解生产工艺流程及生产设备。 3、还能够培养我们检索文献设计与计算方案制订，编写论文，全面系统地进行一次有关工程设计的基本训练。从而培养学生的工程设计能力。

4、通过毕业设计，培养同学理论联系实际，严谨求实的科学态度，培养和提高学生独立分析问题的能力，检验学生三年所学课程的掌握和综合运用程度，并以此作为评定学生毕业成绩的主要依据之一。

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第二章 H62黄铜棒挤压车间的工艺设计

2.1 挤压生产工艺

最佳的挤压工艺应包括：

1) 正确选择挤压方法及挤压设备； 2) 正确确定挤压工艺参数； 3) 选择优良的润滑条件； 4) 确定合理的锭坯尺寸； 5) 采用最佳的挤压模设计方法等。 2.1.1.挤压生产工艺流程图

各种挤压制品的生产流程基本相同。但是，因制品的种类、合金牌号及对制品质量要求等的情况不同，可采用不同结构的挤压机和不同的挤压方法。下图为管、棒材挤压生产工艺流程图。如图2-1：

图2-1 棒材挤压生产工艺流程图

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2.1.2挤压方法与挤压设备的选择

一、挤压方法

挤压不同金属及其合金的管，棒，型，线材时，可以选择不同的挤压方法 选择时可以考虑以下几个方面：

1）在选定的挤压机上实现所需的工艺的可能性； 2）挤压条件下被挤压金属材料的高温塑性； 3）挤压过程中能否满足产品质量要求。

（1）根据被挤压金属材料的不同特性，可以采用不同挤压方法。

1）脱皮挤压 用于挤压因金属流动不均匀而生成挤压缩尾的铜合金棒材，如黄铜和铝青铜。

2）静液挤压 用于挤压低塑性金属材料，复合金属制品，粉末材料成型，以及断面形状复杂的制品。

3）等温挤压 用于挤压热塑性较差的合金材料如硬铝合金，和挤压后立即淬火，要求沿长度上性能均一的合金材料，如LD31锻铝合金等。

4）包套挤压 用于挤压表面摩擦强烈。易氧化或易受大气污染的金属材料，如钛及其合金，铌，铍，锆，铀和钍等金属材料；对一些高脆性的金属材料或热脆性的金属材料，亦可以使用包套挤压法防止过程中产生裂纹。

5）焊接挤压 用于挤压焊接性能良好的，断面形状复杂空心型材或圆形，方形管材的合金材料，如铝，镁，钛及其合金。

6）液体挤压 用于挤压低熔点金属材料，如铝及其合金。 （2）挤压对流动不均匀性敏感的材料，如铅及其合金。

1）润滑挤压 与金属接触的工具如挤压筒，挤压模与穿孔针的表面上，涂以润滑剂以改善表面摩擦条件，减少缩尾与压余长度。

2）反向挤压 挤压筒内不存在正向挤压所特有的锭，筒间相对运动，无摩擦阻力，使流动较为均匀。

3）有效摩擦挤压 挤压筒相对锭坯移向挤压模的速度快。筒壁对锭坯作用的摩擦力为促进外层金属流动的动力，致使筒内金属外层流动较之内层快。

4）静液挤压 锭坯与筒壁不接触，其间存在高压工作介质，摩擦很小。由于筒内的高压，部分工作介质进入模孔，形成模孔内壁上的流体动力润滑，摩擦小，金属流动均匀。

5）多模孔挤压对称排列的型材模孔，使挤压时的金属流动较为均匀，制品质量易有所提高。

铜合金中硬的如铍青铜、锌白铜系合金等通常都用润滑挤压，其它合金大多采用无润滑脱皮挤压，根据本设计的内容，因此选择挤压方法是带润滑脱皮挤压。 二、挤压设备

铜及铜合金管棒材型材的挤压设备主要包括：挤压机、锭坯加热炉、锭坯加热后的运输与供锭机构、挤压制品的受料台和水封挤压用的冷却水槽、以及制品的锯切、矫直等精整设备。

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挤压机的选择

（1）单动挤压机与双动挤压机

单动挤压机无独立穿孔系统，适于挤压实心的型材与棒材；使用空心锭与随动针，或使用实心锭与组合模，亦可挤压管材与空心型材。双动式挤压机具有独立穿孔系统，一般用于挤压管材；更换实心的挤压挤压杆与挤压垫亦可挤压型材和棒材。 （2）正向挤压机和反向挤压机

正向挤压机已使用于所有挤压过程挤压各种制品。在挤压条件相同时，反向挤压机相对于正向挤压机可节能20～40%，制品质量和生产率均较高。但是，由于制品规格受工具强度限制，对锭坯表面质量要求较高，操作交复杂，国内外使用反向挤压机尚不如正想挤压机广泛。

（3）卧式挤压机与立式挤压机

卧式挤压机的操作，监测和维修均较方便，普片使用于所有规格，各种合金制品的挤压。但是卧式挤压机容易失调。长期使用过程中的磨损，变形，各种零部件的热膨胀，可导致主要挤压工具，如挤压杆，穿孔针，挤压筒，模座不对中，使管材壁厚不均或型材挤压时流动不均匀。

根据上述挤压机的类型简介，在此次设计中可以选择卧式挤压机。 2.1.3 挤压时的润滑

（1）挤压时的润滑作用

一次变形量很大，金属与工具接触面上的单位正压力极高，这是挤压所具有的特殊变形条件。在此条件下，变形金属的表面更新作用加剧，从而使金属粘结工具的现象严重。因此，挤压时润滑剂的作用是尽可能的使表面干摩擦转变为边界摩擦。这不仅提高了制品表面质量和工具的使用寿命，而且由于降低了工具对金属的冷却作用，使金属流动不均匀性减少，挤压能耗降低。 （2）常用的润滑剂

在高温高压的热挤压条件下，要求润滑剂具有足够的粘度与活性，具有较高的闪点和较少的灰分，以保证良好的表面润滑状态。同时，还要求润滑剂具有一定的化学稳定性，对金属与工具无腐蚀作用，无污染环境，有害于人体健康的作用。 1）铝及铝合金

对铝和铝合金，多采用在粘性矿物油中添加各种固体填料的悬浮状润滑剂。 2）铜及铜合金

大多数铜和铜合金管棒材的挤压，可采用45号机油和20%30%鳞片状石墨调制成的润滑剂；

3）高温高强合金

挤压高温高强合金如铜镍合金、镍、钛及钢时，石墨润滑剂有可能使钢材表面增碳，二硫化钼润滑剂中的硫可能使蒙乃尔合金产生晶间裂纹，都难以满足制品质量要求。所以，目前大多采用玻璃润滑剂。

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4）特种合金

挤压钨、钼、铌、钛及其合金时，大多数使用玻璃润滑剂。

因此，在本设计中采用的润滑剂是45号机油和20%30%鳞片状石墨调制成的润滑剂。 2.1.4 锭坯尺寸选择 2.1.4.1挤压比的选择

挤压比是指在挤压时挤压筒断面积与制品断面积的比值,一般根据金属或合金的塑性、产品性能以及设备能力等因素综合确定，挤压比的数值大致控制在6～100范围内。 为了获得表面质量较好的挤压制品，挤压比一般不得小于20；在挤压时，锭坯与挤压机能力的关系为：挤压力与挤压比的对数（i=lnλ）成正比。因此应综合考虑挤压比和金属材料的塑性。黄铜的塑性较好,因此挤压比可取得大一些，本设计拟定取挤压比λ＝40 2.1.4.2锭坯直径的选择

挤压管材、棒材时，锭坯的直径，一般按照挤压筒与锭坯之间的间隙进行选择：

Dp=D0-△D （2.1）

Dp——锭坯外径；

D0——挤压筒直径；

△D——使锭坯和针顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值 根据经验，取△D＝4。

取产品黄铜棒的直径为d＝12mm，则锭坯直径Dp＝12X40＝76mm

挤压筒直径D0＝76+4=80 2.1.4.3 锭坯长度的选择

一般来说，在一定的锭坯的体积情况下，锭坯的长度越长，在挤压后期压余金属的损失就越少，金属的收得率增加。但是，过分增加锭坯的长度，可能会使挤压后期金属显著冷却，从而导致制品组织和性能不均匀；此外还会出现挤不动的情况。 一般挤压棒材时，锭坯长度为其直径的2～4倍。因此，本设计中取L0=0.27m。 2.2 挤压制品的组织性能及质量控制

金属材料显微组织参量包括：晶粒平均尺寸、亚晶平均尺寸、晶粒形状，亚晶尺寸与取向差，材料不均匀粒度的特征与程度，织构的存在与形式等。 2.2.1挤压制品组织的不均匀性

与其他热加工方法相比较，挤压制品组织的特点是，在其断面上与长度分布都很不均匀。一般来说，总是沿长度上前端晶粒粗大后端细小，沿断面径向上中心晶粒粗大外层细小。挤压制品的组织在断面上和长度上的不均匀性主要是由于变形不均匀引起的。导致挤压制品的组织在断面上和长度上的不均匀的另一个因素是挤压温度和速度的变化。

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2.2.2挤压制品的粗大晶粒组织

许多具有实用价值，通常成分复杂的合金在热变形后的热处理中，经常会形成异常大的晶粒，其尺寸超过原始晶粒尺寸的（10～100）倍，比临界变形后热处理所形成的再结晶晶粒大的多，晶粒这种异常长大过程称为粗化，这种组织称为粗晶粒。晶粒粗化一般只在局部出现，这样的制品组织具有明显的不均匀晶粒尺寸而被称为晶粒不均匀或组织不均匀。

某些铝合金挤压的棒材和低碳钢镦压块，在淬火加热过程中出现制品周边的粗晶区（称为粗晶环），便是粗晶不均匀的典型例子。 （1）粗晶环的分布规律

单孔模挤压的铝合金帮在淬火后形成的周边粗晶环。由于模孔距挤压筒壁的距离相等，故粗晶环均匀的分布在周边上。

多孔模挤压园帮经淬火后，粗晶环出现在局部周边上，呈月牙形。局部周边上的月牙形粗晶环依模孔数不同略有差别。模孔数少，月牙形粗晶环较长，模孔数多则月牙粗晶环短。

型材或异性棒材断面上的粗晶环分布不均匀。在型材角部或转角区，粗晶环的厚度较大、晶粒较粗。

（2）粗晶环的形成机理粗晶环产生的部位会形成粗晶环的金属材料及其出现时间。 （3）形成粗晶环的影响因素： ① 合金元素 ② 铸锭均匀化 ③ 挤压温度 ④ 应力状态 2.2.3挤压制品的层状组织

层状组织也叫片状组织，其特征是折断后的制品断口呈现出与木质相似的形貌。分层的断口凹凸不平并带有裂纹，各层分界面近似平行于轴线。继续压力加工或热处理均无法消除这种层状组织。它对制品纵向力学性能影响不大而使横向机械性能有所降低。层状组织的产生，主要归因于铸造组织不均匀，其次，由于挤压时，在强烈的两压一拉的主变形状态下，铸造组织内所存在的这些缺陷在周向上压薄、轴向上延伸，而呈层状。 挤压制品的质量控制

当挤压工艺、模具与挤压机的各参数控制不当时，这些行为的综合作用致使制品出现种种缺陷，降低质量，增加工艺废品量，降低成品率。挤压制品的质量包括：横断面上和长度上的形状与尺寸，表面质量，以及其组织和性能等。 （1）制品断面形状与尺寸

无论是热加工态的成品还是毛料，其实际尺寸最终都应控制在名义尺寸的偏差范围内，其形状也应符合技术条件要求。由于下述一些原因，挤出的制品断面尺寸和形成形状可能与要求不符。

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1）型材挤压时的流动不均匀性 其所致的缺陷有拉薄、扩口、并口等。一般可用更改模孔设计、修模或型辊矫正的方式克服。

2）工作带过短，挤压速度和挤压比过大 可能产生工作带内的非接触变形缺陷，使制品的外形与尺寸不规则。

3）模孔变形 在挤压变形抗力高、热挤温度也高的白铜、镊合金制品时，模孔极易塑性变形从而导致制品断面形状与尺寸形状与尺寸不符合要求。

4）工模具不对中或变形 挤压机运动部件的磨损不均匀或调整不当，致使各工模具间装配不对中，未更换变形了的工模具，都有可能导致管材偏心。 （2）制品长度上的形状

由于工艺控制或模具上的问题，常产生沿长度方向上的形状缺陷。某些较轻微的缺陷可在后续的精整工序中纠正，严重时则报废。 1）弯曲

没孔设计不当与磨损，使制品出模孔时单边受阻，流动不均匀，立式挤压机上制品掉入料框受阻等，都可使挤压制品弯曲。一般，可以用矫直工序予以克服。 2）扭拧

由于模孔设计及工艺控制不当，金属的不均匀流动常出现型材扭拧缺陷。轻度扭拧可用牵引机或拉伸矫直克服，重度扭拧因操作困难或拉伸矫直引起断面尺寸超差往往使废料量增加

(3)制品表面质量

挤压制品表面要清洁、光滑，不容许有起皮、气泡、裂纹、粗划道、夹杂以及腐蚀斑点，容许表面有深度不超过直径与壁厚容许偏差的轻微擦伤、划伤、压坑、氧化色和矫直痕迹等。对需继续加工的毛料，可在挤压后进行表面修理，以除去轻微气泡、起皮、划伤与裂纹等缺陷以保证产品质量。 1）裂纹

裂纹的产生与流动不均匀所导致的局部金属内附加啦应力大小有关。裂纹产生的过程，是一种能量聚集与释放的过程，裂纹的产生与扩展是能量的消耗或释放的过程。由上

述可知，裂纹的产生原因主要是由于金属流动不均匀导致出现拉应力的结果。但是如果合金在此条件下具有足够的强度，则不一定会产生裂纹。 2）气泡与起皮

铸造过程中，析出的或未能溢出的气体分散于铸锭内部。挤压前加热时，气体通过扩散与聚集形成明显的气泡。在较高的加热温度下，气泡界面上的金属可能被氧化而未能在挤压焊接时焊合。如H62和H68黄铜的气泡内表面上监测出氧化锌膜。若冷却水与润滑油进

入筒壁上，锭坯与筒壁间间隙较大，挤压时有可能生成金属皮下气泡。 若挤压过程中，特别是在模孔内，浅表皮下气泡被拉破。则形成起皮缺陷。挤压末期产生的皮下缩尾，在出模孔前表面金属不连续，也会以起皮缺陷呈现出来。

3）异物压入异物压入是指，非基本金属压入制品表面成为表面的一部分或剥落留下凹凸的疤痕等缺陷。异物来源可能是，工具表面上粘结的冷硬金属；不完整的脱皮；锭坯带入筒内的灰尘与异物等。

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4）划伤与擦伤

挤压过程中，残留工具与导路、承料台上的冷硬金属，摩擦后的凹凸不平的工具表面，都会在制品表面上留下纵向沟槽或细小擦痕，使制品表面存在肉眼可见的缺陷 5）挤压制品焊接质量

在无穿孔系统挤压机上用实心锭坯挤压焊接性能良好的良好的铝合金空心型材与管材时，一般使用组合模。镦粗后的锭坯在挤压力作用下被迫分为2～5股通过分流孔，然后在环状焊合腔内高温高压条件下焊合并流出模孔成材。因此，实际上存在着纵向直焊缝，焊接数即为分流空数。焊缝强度不合要求的制品横向机械性能差。 为了获得高强优质焊缝，可采取如下措施：

1）正确设计组合膜焊合室高度，使焊合室内存在一个超过被挤压金属材料屈服强度约为10～15倍的均衡高压应力。

2）采用适当的工艺参数，如较大的挤压比，较高的挤压温度，以及不太快的，不波动的挤压速度。

3）洁净焊合舱内表面，不得使用润滑剂。 (4)制品组织与性能

挤压制品的组织性能对结构用途特别重要。对成品或毛料，都要求低倍组织不得存在偏析聚集、缩尾、裂纹、气孔、成层及外来夹杂物，要求粗晶环的深度不超过容许值；对成品还要求高倍显微镜显微组织不得过烧。 2.3 H62黄铜的性能 2.3.1 H62黄铜的化学成分

H62黄铜的化学成分如下表2-1

2.3.2 H62黄铜的物理性能

H62黄铜的物理性能如下表2-2

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李丹：年产5000吨H62黄铜棒挤压车间设计

2.3.3 H62黄铜的力学性能

H62黄铜的力学性能如下表2-3

2.3.4 H62黄铜的工艺性能

黄铜的凝固温度范围小，偏析小，流动性好，易形成集中缩孔。高锌黄铜（30%～33%）的凝固温度较宽，若冷却速度快，铸锭中心部含锌量可能高一些，会出现少量β相。

单相α黄铜有良好的加工性能，其塑性随着锌含量的增加而增加，出现β‘相之前达到最大值 热轧前的加热一方面能提高铸锭的塑性，另方面能消除其大部分偏析，达到接近平衡结晶的状态。

双相黄铜组织中存在硬而脆的β‘相，强度高、塑性低，但在高温下β相的软化速度比α相的快。

β黄铜于室温下即硬又脆，但在高温有良好的塑性，比α更易加工。 黄铜在200～700℃区间内存在脆性区，因此应避免在脆性区加热。脆性区大小与高低决定合金的锌含量。脆性的出现十分复杂，主要决定于微量杂质铅、锑、铋等的含量。

双相黄铜挤压材前后组织和性能往往会有较大差别。（α+β）黄铜的加工硬化比α黄铜的快，且其塑性随着β‘相的增加而急剧下降，应严格规定冷加工率。加工率的双相黄铜在退火时α相在300℃左右开始再结晶，而β相的再结晶则高一些。生产中的退火温℃为600～700℃，最好采用快速加热法，以获得细晶粒组织。

冷加工黄铜材应在270～350℃进行应力消除退火，以消除应力腐蚀开裂。

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2.3.5 H62黄铜的化学性能

2.3.6 H62黄铜的杂质影响

H62黄铜中不可避免的杂质有铁、铅、铋、锑、砷等 2.3.6.1 铁

铁在固态铜中的溶解极少，呈富铁相质点分布于α基体中，有细化晶粒的作用。杂质铁对黄铜的力学性能无明显影响。 2.3.6.2 铅和铋

铅和铋在简单黄铜中是有害杂质，铋的危害比铅的达4～9倍。铅呈颗粒状存在于晶界上的易熔共晶体中。

铋在黄铜中呈连续的脆性薄膜分布于晶界上，使黄铜在冷、热加工时发脆。

向含铅、铋的简单黄铜中添加少量的锆之类的元素，使它们形成ZrXPby(2000℃)、ZrXBiy(2200℃)高熔点化合物，可消除它们的危害。

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2.3.6.3 锑

锑在铜中的溶解度随着温度的下降而急剧减小，在其含量还不到0.1%时，就会形成脆性的Cu2Sb,呈网状分布于晶界，使黄铜的冷加工性能大幅度下降。锑还使铜合金产生热脆性。向黄铜添加微量锂可形成高熔点（1145℃）化合物Li3Sb,呈细小颗粒分布于晶粒内，从而消除了锑的不利影响。由于锑在高温下在铜中的溶解度较大，因而固溶处理可提高含锑黄铜的冷加工性能。 2.3.6.4 磷

黄铜中磷含量大于0.05%时，就会形成脆性的Cu3P，降低黄铜的加工性能。磷显著提高黄铜的再结晶温度，使再结晶晶粒粗细不均。 2.3.6.5 砷

砷在室温黄铜中溶解度小于0.01%，量大时则形成脆性的化合物Cu3As,分布于晶界，降低黄铜的加工性能。含0.02%～0.05%的黄铜抗腐蚀性能得到提高，不会产生脱锌现象。 2.3.7 H62黄铜的特性及主要用途

一、H62黄铜的特性

H62黄铜有很高的强度，热加工性好，冷加工性中等，可切削性好，易焊接，抗腐蚀性能强。

二、H62黄铜的主要用途

H62黄铜主要用于制造导管、夹线板、环形件、热交换器的零件、制糖机械、船舶、造纸机械等零部件，乐器等的原材料。

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第三章 主要设备的选择与计算

3.1 挤压力计算

已知条件：锭坯直径φ76mm产品的尺寸φ12mm、H62黄铜的性能、润滑条件等 计算：挤压力

皮尔林公式在结构上由四部分组成：为了实现塑性变形作用在挤压垫上的力Rs，为了克服挤压筒壁上的摩擦力作用在挤压垫上的力Tt，为了克服塑性变形区压缩锥面上的摩擦力作用在挤压垫上的力Tzh，以及为了克服挤压模工作带壁上的摩擦力作用在挤压垫上的力Tg。

2

2Szh， （3.1） （1）RS 0.785icos 2()D0 其中i为挤压比：

i＝lnλ， （3.2） 代入公式（3.2）得：i＝lnλ=ln40=3.7；

D0＝80；α=60°；

Szh为边线球压缩锥入口的Szh0值与变形区压缩锥出口的Szh1值的算术平均值。但是，有的研究者认为（金属塑性加工学，P4142），挤压时的变形程度很大，建议采用几何平均值确定Szh值，即：

Szh zh0 Szh1 Cy Szh0 （3.3）

其中

（3.4） Szh0 0.5 b 40MPa（550℃）

σb的取值根据图3-1查得：

图3-1 H62黄铜的力学性能与温度的关系

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Cy是硬化系数，在选取数据Cy之前，应先计算出挤压比和金属在塑性变形区压缩锥内的停留时间ts。

0.25660.2566

ts ( D0 D1） 15 80 12） 0.5s， （3.5）

vj40 15当α=60°时， 其中：λ为挤压比，λ＝40；

vl为金属流出速度，根据《铜及铜合金加工手册》表114取得vl=0.4,因此金属挤压速度vj：

vj=vl/λ， （3.6）

代入公式（3.6）得：vj=0.4/40＝10mm/s

D0、D1分别为挤压筒和制品直径。查《金属塑性加工学》表3-4得 ：Cy＝2.7，带入公式（3.3）得：

Szh zh0Szh1 ySzh02.7 40 65.7MPa 将Szh 65.7MPa代入公式（3.1）得：

Rs＝0.785×3.7×cos230°×0.082×2×65.7＝3.25MN

（2）Tt D0(L0 hs)ftSt （3.7）

其中：L0为填充挤压后的锭坯长度，L0＝0.27m， hs为死区高度

D D10.08 0.012

(0.58 cot ) (0.58 cot60) 0.1m （3.8） hs 0 22

ft为摩擦系数。大多数的金属材料使用平模挤压时，平模工作面与挤压筒壁交接处存在着一个环形的死区，它可以有效地阻止锭坯表面的氧化物、夹杂与灰尘进入制品表面，可以大大提高制品表面质量。因此，在平模挤压时，挤压筒壁不允许涂抹润滑剂，否则形不成死区。

本设计采用锥模润滑热挤压黄铜，根据经验（金属塑性加工学，P42）可取ft＝fzh＝0.25。 St为挤压筒内金属的平均塑性剪切应力，对于带润滑且氧化皮很软能起润滑作用（如紫铜、黄铜）时，可取St＝0.5 b＝40Mpa，代入（3.7）得：

Tt＝π×0.08×（0.27－0.1）×0.25×40＝0.43MN

（3）Tzh＝iF0fzhSzh/sinα=ln40×0.082×0.25×65.7/ sin60＝0.46MN， （3.9） 代入公式（3.9）得：

Tzh＝iF0fzhSzh/sinα=ln40×0.082×0.25×65.7/ sin60＝0.46MN

（4）Tg＝λπD1hgfgSzh1 （3.10）

代入公式（3.10）得：

Tg＝λπD1hgfgSzh1＝40×3.14×0.012×0.01×0.5×2.7×40＝0.8MN

其中： Szh1＝Cy Szh0 ， fg取0.5 （ 3.11）代入公式（3.11）得：

Szh1＝Cy Szh0＝2.7×40=108

（5）P＝Rs＋Tt＋Tzh＋Tg （3.12）

代入公式（3.12）得：

P＝Rs＋Tt＋Tzh＋Tg＝3.25+0.43+0.46+0.8=4.94MN

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