凸缘长拉杆的挤压成型模具设计论文

河南科技大学毕业论文 1 目 录 第一章 前言 1 1.1 引言 1 1.2 挤压的分类 1 1.3 挤压技术的特点及应用范围 2 第二章 正文 4 2.1 设计任务书 4 2.2 工艺分析 5 2.3 工艺方案的确定 5 2.4 工艺方案的校核 6 2.5 毛坯选择与制备 7 2.6 工艺参数的计算 8 2.7 模具设计 10 2.8 挤压过程 毛坯与模具的润滑及中间退火工艺 13 第三章 结论 15 第三章 致谢 16 第四章 参考文献 17 拉杆挤压工艺及其模具设计 摘要 本文的主要内容是对挤压模 具的设计。通过对冷挤压模具设计过程的阐述，详细的说明了冷挤压模具的设计步骤 设计要领 设计细节 与注意事项。重点表述了冷挤压实心件 空心件的模具设计。 此件为一个长为 428mm,最大外径为 64mm，中间还有一 30mm 深，长为342mm 的拉杆。考虑到此制件机加工十分困难，因此，选择挤压工艺来成形此制件。另外此制件的材料为 42CrMo,硬度很大。因此，本设计的重点是单位挤压力的计算及校核。还有此制件的长为 428mm，压力机开模高度及顶出行程的校核也是本设计的主要内容。 本设计采用冷挤压正挤工艺来成形此制件。 模 具作为一种高效快捷的加工工具，在现代工业中得到了广泛的应用并日益完善。随着加工技术的提高和先进工具的应用，模具设计越来越显示其河南科技大学毕业论文 2 独特的创造性和艺术感。在日益完善的过程中，模具设计保留了其永恒不变的一面，如挤压模具的顶出方式 固定方法和上下模结构等。因此，可以利用以前加工的模具的大部分结构，在加上一些成形零部件即可组成一套全新的模具。这便最大限度的节约了模具成本，充分利用了现有的资金。本设计的两个成形工艺就是通过更换凸模来完成该制件。 关键词 ：挤压， 冷挤压， 模具设计， 凸模， 成形工艺 Pull the pole to squeeze the craft and molding tool design Summary The textual and main contents design squeeze molding tool. Pass right cold squeeze the describe that molding tool design process, expatiation cold squeeze the molding tools design step the design the main theme the design the details and announcements. Point form cold squeeze the molding tool design for. Hollow piece of solid piece. This for a long for 428 mms, biggest and outside path is 64 mm, in the center still reach a 30 mms are deep, long for 342 pulling of mms pole.In consideration of this make a machine to process very difficult, therefore, the choice squeeze the craft. Another this make the pieces material to 42 CrMo, degree of hardness very big. Therefore, the point of this design is an unit to squeeze the calculation and the examination of the dint.Still have this to make a examination for of longly for 428 mms, pressure machine open the mold high degree and crest to out the route of travel is also main contents this design. This design the adoption is cold to squeeze the positive craft to take shape this to make the piece. The molding tool be used ases an efficiently fast process the tool, and got the extensive application in the modern industry and increasingly perfect. A long with the exaltation that application, molding tool design that processing technology more and more show its special creation to feel with art with the advanced tool .At increasingly inside of perfect process, molding tool the design reserved its eternal constant of a crest for, if squeezing the molding tool out way, fix method with top and bottom mold construction etc. Therefore, can make use 河南科技大学毕业论文 3 of the molding tools big and part of constructionses that process befores, at plus some to take shape the zero parts to can immediately constitute an all new molding tool. This is then utmosted to economize the molding tool cost, to share profit to use current funds. This design of two take shape the craft is to pass to replace the convex mold to complete to should make the piece. Key phrase: squeeze, cold squeeze, molding tool design, convex mold, take shape the craft 第一章 前言 1.1 引言 挤压是将金属毛坯放入模腔内，在强大的压力和速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状，尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。 挤压的成型速度很广，它既可以在专用挤压机上进行，也可以在一般的机械压力机 、 摩擦压力 机以及高速锤上进行；挤压的成型温度也很广，它既可以在常温 、 中温中进行，可以在高温中进行。 1.2 挤压的分类 1.2.1 挤压按毛坯的温度不同可分为以下几类 ： 1. 冷挤压 在室温中对毛坯进行挤压。 2. 温挤压 将毛坯加热到再结晶温度以下的某个适当范围进 进行挤压 3 热挤压 将毛坯金属加热到再结晶温度以上的某个适当范围内进行挤压 河南科技大学毕业论文 4 1.2.2 按毛坯材料不同可分为以下两种： 1. 有色金属挤压 被挤压金属材料为有色金属及其合金。 2. 黑色金属挤压 被挤压金属材料为黑色金属及其合金。 1.2.3 根据挤压时金属流动方向和凸模运动的方向一般可分为 ： 1. 正挤压 正挤压时，金属的流动方向和凸模的运动方向一致。正挤压也可以分为实心件正挤压和空心件正挤压。挤压的断面形状可以是圆形 、 椭圆形 、 扇形 、 矩形或者棱柱形，也可以是不对称的等断面挤压件和型材。 2. 反挤压 挤压时金属的流动方向和凸模的运动方向相反。反挤压法适用于制造断面形状是圆形 、 方形 、 长方形 、 “山“形 、 多层圆形 、 多层盒形的空心件。 3. 复合挤压 挤压是毛坯的一部分金属的流动方向和凸模 的运动方向一致，毛坯的一部分金属的流动方向和凸模的运动的方向相反。复合挤压法适用于制造断面形状是圆形 、 方形 、 六角形 、 齿形 、 花瓣形的双杯类 、 杯 -杯类 、杯杆类 、 杆 -杆类挤压件，也可以制造等断面不对称挤压件。 1.3 挤压技术的特点及应用范围 1.冷挤压的特点及应用范围 采用冷挤压法加工可以降低原材料消耗，材料利用率高达 70% 90%，因此与切削加工相比，生产率可以大幅提高，生产成本也大为降低。在冷挤压中，金属材料处于三向不等的压应力作用下，挤压后金属材料的晶粒组织更加细小密实；金属流线不被切断，而是沿着挤 压件轮廓连续分布；同时，由于冷挤压利用了金属材料经冷加工而产生加工硬化的特性，使冷挤压件的强度大为提高，从而提供了低材料钢代替高强度钢的可能性。此外冷挤压件靠强大的压力来熨平毛坯表面，因此可以获得教高尺寸精度和较低表面粗糙度的冷挤压件。 从上述分析可以看出冷挤压件具有高产 、 低耗 、 优质的优点，再技术上和经济上都有很高的实用价值。目前，已在机械 、 仪表 、 轻工 、 电器 、 宇航 、船舶 、 军工等工业部门得到了较广泛的应用，已成为金属塑性成型技术中不可缺少的重要加工手段之一。 当然冷挤压也还有一些的缺点，比如，单位挤压力较大， 模具使用寿命河南科技大学毕业论文 5 短。但是，随着科学技术的发展，模具结构的合理化，缺点会被克服，优越性会得到充分的发挥。可以断言冷挤压技术必然会得到广泛的引用。 2.温挤压的特点及应用范围 温挤压是为了充分体现冷热挤压的优点，改正他们的缺点而发展起来的一种挤压新工艺， 温挤压与冷挤压相比，挤压力大为减少；与热挤压相比，加热是的氧化脱碳都比较小，产品的尺寸精度高，产品的力学性能接近冷挤压件 温挤压是一种有效的毛坯精化加工方法，已经在汽车 、 拖拉机 、 仪表 、航空等方面获得了卓有成效的应用 3.热挤压的特点及应用范围 热挤压时，由于毛坯加 热到再结晶温度以上的某个温度，这就使材料的变形抗力大为降低。因此，它不仅可以成型有色金属及其合金 、 低 、 中碳钢，还可以成型高碳钢 、 结构用特殊钢 、 不锈钢 、 高速工具钢耐热钢等。由于加热是会产生氧化和脱碳等缺陷，必然会降低产品的尺寸精度和表面质量。所以，热挤压一般用于豫成型。 冶金部门已经开始采用热挤压加工型钢 、 钢管及双色金属。它与轧制法相比具有以下优点：小批量生产或加工非标准件时比轧制法经济的多；从一种型钢改为另一种型钢非常简便，只需要更换模具；能够加工一些不能轧制的低塑性合金，适用范围比轧制广；在同一台挤压机上 ，只需更换模具就可以加工出棒 、 条 、 管以及多边断面等异形性材。 河南科技大学毕业论文 6 第二章 正文 2.1 设计任务书 河南科技大学毕业论文 7 2.2 工艺分析 该零件是一个带凸缘的长拉杆 ,零件上部的外径为 42 毫米 ,内孔的外径为30 毫米 ,孔的深度为 342 毫米 ,零件的总长度为 428 毫米 ,此件的精度要求不是很高 ,属于半成品 ,还需要后加工 ,从此件的形状来看 ,它很不适合机加工成型 ,因为此件有一个外径为 30 毫米长 342 毫米的孔 ,很明显此孔很难机加工成型 ,因此该零件选择挤压成型 . 该零件的 材料为 42CrMo,含碳量为 0.42%,这种材料的 s 约为 785Mpa,b 约为 980Mpa, 5约为 9%.另外该件断面形状对称 ,不容易产生不平衡侧向力 ,还有相邻横断面积之差不大 ,且断面过度平缓不宜导致不均匀变形引起的模具局部过载、局部磨损和早期损坏 ,且挤压过程中应力分布较均匀 ,但由于此件为钢件 ,因此模具设计过程中对各种力的较核 ,尤为重要 . 2.3 工艺方案的确定 根据该零件的形状特点一般有以下几种成型方案 . 1.采用外径为 64 毫米长 197 毫米的棒料为毛胚 ,先进行正挤压，以保证下面实心的高度 ,然后拿出 进行软化处理 ,然后再从毛胚的大径向下钻172毫米深的内孔 ,然后再经过热处理 ,最终进行挤压成型 ,该方案简单可靠 ,但需要加工出两套模具 ,成本较高 .该工序如下： 河南科技大学毕业论文 8 2.取一圆棒料进行钻孔 ,最后进行挤压加工 ,该方案的尺寸计算要求严格 ,且挤压力较大。 该工序如下： 3.下一个圆棒料 ,第一道工序为复合挤压 ,挤压出孔保证圆棒料下部实心的尺寸 ,第二步进行正挤压成型 .该工艺方案中间不需要机加工 ,但是模具设计较为复杂 . 河南科技大学毕业论文 9 经过以上工艺方案分析 ,故选用第一种工艺方案 . 2.4 工艺方案的校核 由于所指定的工艺方案中含有正挤压实心件 ,正挤压空心件工序 ,故对这两套工序的一次成型范围的较合是必要的 ,所谓一次成型范围 ,是指在当前条件下一次成型所允许的加工界限 ,它是根据冷挤压加工的许用变形程度 ,一定的模具使用寿命 ,及冷挤压件的质量等原则来确定的 . (1) 断面收缩率 :由挤压件图得 实心 =(A0-A1) 100%/ A0 100% = (d0/2)2- (da/2)2/ (d0/2)2 100% = (d02 d12) /d02 100% =(642 422)100%/642 =56.93% 空心 =(A0-A1) 100%/ A0 100% =72.97% 实心 空心 皆小于 75%,单位挤压力不会过大 (2) 毛坯的高径比为 h0/d0 正挤压时毛胚的高径比过大 ,会加大摩擦阻力 ,增大挤压力 ,一般应小于 8.本件的高径比为 6.7，在允许范围内 . (3) 正挤压实心件的杆部直径 d1 杆径过小，变形程度会超过许用变形程度 ,杆径过大 ,容易产生内部裂纹 ,对于黑色金属实心件的正挤压 ,一次成型杆径应在下属范围内 0.85Dd10.5d.本件的许用范围是 54.4 与 32 之间 ,而本件的杆径为 42,在允许范围内 . (4) 余料高度 正挤压时余料高度过小单位挤压力会剧增 ,所以对于河南科技大学毕业论文 10 实心件应大于 h1=d1/2,空心件 h1=(d1 d0)/2.本件小于 52,故在成型范围内 . 2.5 毛坯选择与制备 该件的毛坯可用实心的棒料 ,由原材料直接制成 . 因为冷挤压得到零件后 ,还要进行机加工 ,故计算是要加上修边余量 ,即 V0 毛坯体积 (mm3) Vp 挤压件的体积 (mm3) Vs 修边余量 (mm3) 修边余量 Vs 可由表 4 2（挤压工艺及模具设计）得出，对于挤压件高度大 于 100mm，修边余量 h 则采用零件高度的 5%， Vs=428 5% （ 32） 2=68808.704 2 V p=86 （ 21） 2 （ 32） 2 52 （ 15） 2 52 (42/2) 2 290 (30/2) 2 290 =446237.98 V0=Vp+V3=446237.98+68808.704 =515046.684(mm) 但考虑到些工件挤压次序还要钻孔，故毛坯的体积还需加上钻孔体积。经过推算，得毛坯的体积约为 633425.92mm3。所以采用外径为 6 4 高为 197mm的棒料。 对棒料毛坯常有两种备料方法，截切法和锯切法， 截切法是割料在专有的截切模内进行的，这种备料方法的优点是生产率高，材料利用率高，缺点是毛坯形状欠规则，断面不平整。锯切法备料，毛坯断面平整，尺寸精度高，形状规则，但生产率低，并有锯切损失，由于毛坯需要正挤，要求断面平整，直径偏差低故选用锯切法备料。 2.6 工艺参数的计算 应用挤压模具时，挤压机的选择尤为重要。挤压机小了，挤出的制件不合格，挤压机大了，则浪费资源。而挤压力的大小又是合理选择模具材料，进行模具设计及安排变形工序的重要依据。因此，预 先设计计算挤压力是合理进行挤压河南科技大学毕业论文 11 工序设计的先决条件。 2.6.1 单位挤压力的计算 经验公式法 P=x n b 式中 P-单位挤压力。（ MPa） n-各种因素对冷挤压单位挤压力的影响系数平均值。 n =a ln（ A0/A1） b 其中 a,b-与材料有关系数，对于碳钢， a=2.8 ， b=0.75 A0 A1-毛坯挤压前后的截面积 此处 x=x1 x-模具形状影响系数，由图 3-33 查出。 b 冷挤压件材料的抗拉强度 n1=2.8 (ln 3215.36/1384.74) 0.75=3.1 P=x n b=1 3.1 940=2914Mpa n2=ln（ 2508.86/678.24） 28+0.75=4.4 P2=x n2 =1 4.4 940=4136 2.查表法 由图 3-10 单位挤压力与断面缩减率的关系 实心 =56.93%查的 P1=1400Mpa 空心 =73% 查的 P2=2150Mpa P1=ka kh p- =1 1400 1.15=1610Mpa P2=ka kh p-=1 2150 1.12=2408Mpa ka 凹模锥角 kh 毛坯修正系数（冲压手册，图 7-26） 3.冲压手册 p441的公式 p=2- (lnd0/d1+2uh1/d1)e2uh0/d0 此处： -为挤压材料的变形抗力 Mpa d0-为毛坯直径 mm d1 挤压后的直径 mm h1 凹模工作带高度 河南科技大学毕业论文 12 u 摩擦系数 p=2 940 (ln64/42+2 0.13.5/64)e2 0.1 197/64=1309.7 综上所述，采用三种方法对正挤压实心件，正挤压空心件的单位挤压力的计算结果见： 经验公式法 查表法 公式法 正挤压实心件 2914 1610 1390 正挤压空心件 4130 2408 故决定单位挤压力的值选用查表的结果 2.6.2 总挤压力计算 F=cp1A1=1.3 1610 3215.36=6729.7KN F=cp2A2=1.3 2408 2499.41=7824.1KN 2.6.3 压力设备的选择 由计算出的最大挤压力选择压力设备，查锻压手册确定压力机。选择为8000KN 的四柱万能液压机。技术参数如下 公称压力 滑块行程 开口高度 顶出行程 工作台尺寸 8000KN 1000 1800 400 2500 1800 2.7 模具设计 根据冷挤压件结构和冷挤压工艺特点，考虑生产性质和规模，正确设计和合理选择模 具，努力延长冷挤压模具的使用寿命，是冷挤压工艺能否取得成功的关键。 由于冷挤压件的形状，尺寸精度，生产批量和工艺方案以及采用设备的不同，冷挤压件模具具有各种各样的结构。 典型的冷挤压模具有以下几部分组成： （ 1）工作部分 如凸模，凹模，顶出杆等 （ 2）传力部分 如上下压力垫板。 （ 3）顶件部分 如顶杆，顶板，反拉杆等 （ 4）卸件部分 如卸件板，拉杆，弹簧等 （ 5）导向部分 如导柱导套等 河南科技大学毕业论文 13 （ 6）紧固部分 如 上下底模，凸凹模固定圈压板螺钉等 冷挤压时的单位挤压力很大，例如钢的单位挤压力高达 2000Mpa 以上，远远超出一般塑性成型的单位挤压力。由此可见，冷挤压模具的工作环境是十分恶劣的，必须经的住静态高压，经的起冲击，经的住毛坯与模具接触面之间的摩擦，同时还有经的起疲劳。因此，为了确保模具的正常工作和使用寿命，与冷冲压模具相比，冷挤压模具具有以下特点： （ 1） 模具的材料必须具有高度，高的强度，高的耐摩性，一定的韧性以及良好的热硬性，热稳定性，耐热疲劳性等性能，并应合理的选择加工方法和热处理工艺。 （ 2） 模具的工作部分 的过渡处皆应采用光滑的圆角过渡，以防止产生较大的应力而开裂，造成模具的过早失效。 （ 3） 模具工作部分与上下底版之间一定要加上经过淬硬的垫板，以缓和从模具工作部分传来的高压。 （ 4） 为了提高模具的强度，一般不采用整体式结构，而采用施加应力圈的组合式结构，凸模有时也采用组合式结构。 （ 5） 上下模板一般不采用铸铁材料制造，而采用由足够厚度的中碳钢经锻造或直接用钢板做成，以保证模具具有足够的强度和硬度。 （ 6） 为了保证凸模和凹模的定位可靠，且便于更换一般采用最方便的沟槽式或压板结构。 2.7.1 模具的工艺分析 本零件的两次工艺基本相 同，不同之处在于凸凹模的不同，以及单位挤压力的不同，现打算用一套模具通过更换凸模来完成两次工序，这样不仅提高了模具寿命，还大大节约了模具成本。 另外，本模具采用无导向装置的冷挤压模具，凸模采用压板固定，凹模直接用螺钉固定在凹模套上。凹模采用组合式凹模，凹模和下模板之间有经过淬硬的垫块，凸模和上模板之间加有经过淬硬的垫板，以缓解从凸凹模上传来的高压。顶出方式采用顶杆直接顶出。 2.7.2 模具工作部分的设计 模具的工作部分是指凸凹模的设计。 按照已定的成型方案正积压模具的工作部分采用如下图所示： 河南科技大学毕业论文 14 该成型 方案使用于实心件的正挤。 凸模的结构形式如下图所示：该模具结构简单， 制造方便。 （ 1）下面是第一次正挤凸模的设计： 凸模的直径 d=64h6 凸模工作部分的长度 h=挤压行程 +容腔余量 +凸模容量 =39+13+13=65 定位直径 d2=(1.2 1.4)d d2取 84mm 定位部分高度 h 取 15mm 支撑部分的直径 d1=(1.8 2.0)d d1取 120mm 圆角半径 R=（ 0.5 1.0） d R 取 20mm (2)第二次挤压的凸模设计 第二次挤压采用如右图设计。 此图的芯棒与凸模的配合为间 隙配合 H7/h6. 在挤压过程中，芯棒可随变形金属下行 一段距离，从而改变了芯棒的受拉情况， 可使芯棒不至于被拉断，这种凸模主 要适用于黑色金属空心件的正挤压。 芯棒的直径 d0=15h6 凸模的直径 d=64h6 凸模的定位直径 d2=84mm 凸模的支撑部分的直径的 d3=120mm 芯棒的长度 l=158mm 凸模的长度 h=140mm 圆角半径 R 取 20mm. (3)正挤压凹模的设计 河南科技大学毕业论文 15 凹模的设计如下所示： 凹模型腔的容料部分的 直径 D0=64+(0.1 0.2)H7 工作带直径 D=42H7 退让 槽直径： D2=D+（ 0.5 1.0） D 较直部分直径 D1=D 工作带高度 h 取 3 4mm 较直部分高度 h1 取 3 4mm 凹模锥角 =1200 容料部分的高度： H1=毛坯高度 +r1+(5 10)mm =197+3+10=210mm 成型部分高度 H2=（ 1.1 1.2） D 取 较直部分的高度 H3=（ 1.0 1.5） D 锥面与工作带交接处的圆角半径 r2 取 0.5 2.0mm 凹模入口处的圆角半径 r1 锥面与型腔的交接处的圆角半径 R （ 3 5） mm 倒锥角 30 50 2.7.3 闭合高度的较核 经计算，这套模具的最大闭合高度为 1120mm,而压力机的开口高度为1800mm，制件的总高度为 428mm,所以，经校核，对于此模具，该压力机完全可以胜任。 2.7.4 凸凹模材料的选择及热处理 冷挤压模具是在极其恶劣的条件下进行的，单位挤压力高达 20002500Mpa,在连续工作条件下变形热与摩擦热可使模具温度高达 3000c 左右，同时模具还有经受流动金属的强烈冲刷。因此，冷挤压模具的工作部分的材料应具备高硬度，高强度，高耐摩性，一定的韧性以及良好的热硬 性，热稳定性，耐热疲劳性等性能。 河南科技大学毕业论文 16 目前，常用的冷挤压模具工作部分的材料主要有碳素工具钢，合金工具钢，高速钢，硬质合金以及钢结硬质合金等，有时也可用一些合金成分较低的低合金工具钢和部分合金结构钢。 由于该挤压模具的单位挤压力较大，故决定凸凹模的材料均选用Cr12MoV.该材料的热疲劳强度和冲击韧性均已达到本此设计要求。一般情况下，挤压情况下，挤压模成型部分的硬度应达到 HRC-56 62，据此来决定热处理工序。对于 Cr12MoV,则采用如下热处理工艺： 预热温度 5000c 5500c,时间为 30 60min,然后加热到 10200c 10500c,单位深度所需时间为 0.25 0.35minmm-1,冷却选用 2800c 3200c 的硝盐，处理后的硬度可 HRC60。 2.8 挤压过程 毛坯与模具的润滑及中间退火工艺 2.8.1 挤压过程 挤压时，上模下行，接触毛坯后，积压开始，毛坯的在强大的压力下，流经工作带成形。凸模下行到一定的距离后停止，并开始回程，在上升到足够大的高度后停止。同时定出缸动作，顶杆在顶出缸的作用下，把制件从凹模内顶出。挤压完成。 2.8.2 毛坯与模具的润滑 冷挤压 时，单位挤压力很大，使用一般的涂刷润滑剂极易被挤掉，起不到润滑的目的，毛坯也容易被拉毛。因此，为确保润滑剂起到良好的润滑作用，在挤压前，必须对毛坯进