冷挤压模具设计及其成形过程_毕业论文.doc

安徽建筑工业学院毕业论文 1 目录 目录1 冷挤压模具设计及其成形过程3 第一章 绪论3 1.1 冷挤压成形技术发展概况.4 1.2 选题依据和设计主要内容 6 1.2.1 毕业设计（论文）的内容.6 1.2.2 毕业设计（论文）的要求6 第二章 冷挤压工艺设计7 2.1 挤压工艺步骤.7 2.2 工艺设计步骤 9 2.2.1 计算毛坯的体积.9 2.2.2 确定坯料尺寸.10 2.2.3 计算冷挤压变形程度.11 2.2.4 确定挤压件的基本数据.13 2.2.5 确定挤压次数.13 2.2.6 工序设计.13 2.2.7 工艺方案确定.19 2.2.8 各主要工序工作特点进一步分析.21 第三章 压力设备选择24 3.1 各主要工序所需镦挤力 24 3.2 主要设备选用 25 第四章 模具设计26 4.1 冷挤压模具设计要求.27 4.2 凸模设计依据.28 4.3 冷挤压组合凹模设计依据.29 4.4 凸模设计.34 4.4.1 镦平凸模设计.34 4.4.2 凹模设计.36 4.5 预成形模具设计 37 4.5.1 预成形凸模设计.38 4.5.2 预成形凹模设计.39 4.6 终成形模具设计 41 4.6.1 终成形凸模设计.41 4.6.2 终成形凹模设计.42 4.7 冷挤压模架设计.43 4.7.1 冷挤压模架设计的基本原则.43 4.7.2 模架的设计.44 4.7.3 其它零件设计.46 安徽建筑工业学院毕业论文 2 第五章 挤压模具零件加工工艺的编制51 5.1 加工工艺编制原则 51 5.2 加工工艺的编制 51 第六章 总结及课题展望54 6.1 本文工作总结 54 6.2 课题展望 55 参考文献56 谢 辞57 附录一：英文科技文献翻译58 英文翻译：63 附录二 毕业设计任务书67 安徽建筑工业学院毕业论文 3 冷挤压模具设计及其成形过程冷挤压模具设计及其成形过程 机械与电气工程学院 机械设计制造及其自动化专业 06 城建机械 乔红娇 指导老师 雷声 第一章第一章 绪论绪论 挤压就是零件金属毛坯放在挤压模腔中，在一定温度下，通过压力机上 固定的凸模或凹模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的 加工方法。挤压的加工原理是金属坯料处于三向压应力状态下变形时，能大 大提高金属的塑性，允许金属有较大的变形。挤压变形的特征是由大截面向 小截面的变形。挤压即可在专用挤压机上进行，也可在一般的机械压力机、 液压机、摩擦压力机以及高速锤上进行。挤压加工有许多特点，主要表现在 挤压变形过程的应力应变状态、金属流动行为、产品的综合质量、生产的灵 活性与多样性、生产效率与工艺流程简单、设备投资较少等方面。而冷挤压 除了前面列出的共性优点外，还有它自己独特的优点。如能够得到强度大、 刚性好而质量轻的零件；零件的精度等级较高、表面粗糙度值较低；节约能 源，工作环境得到较大改善。 挤压按照挤压坯料的温度分类一般可分为冷挤压、温挤压、热挤压三类， 而其中冷挤压应用范围最广。冷挤压一般是指在回复温度以下的挤压，对于 黑色金属常指在室温中对坯料进行的挤压。由于冷挤压具有很多优点，所以 它已越来越多地用来大量生产软质金属、低碳钢、低合金钢零件。但是冷挤 压的优点往往不能用简单的方法发挥出来，因为冷挤压是金属在冷态下、强 烈的三向压应力状态下变形的，变形抗力较大。因此它也有些自己的缺点。 如模具易磨损，易破坏，因此要求模具材料好、对挤压设备要求较高、对所 加工的原材料要求高；挤压前坯料处理复杂；工艺流程设计技术水准较高， 研发过程周期长，投入大。 金属材料的冷、温、热变形通常是以金属成形过程中加工硬化、回复和 再结晶状态来判定的。金属塑性变形后，材料处于加工硬化状态，称为冷变 形；金属塑性变形后，材料具有再结晶组织，称为热变形；介于了冷变形与 热变形之间，材料处于回复状态，称为问温变形。各种塑性变形的温度范围 见图 1.1。 安徽建筑工业学院毕业论文 4 图 1.1 各种塑性变形的温度范围 挤压工艺正是在金属材料冷变形、温变形、热变形这三种状态下进行， 并按被挤压材料的温度分为了冷挤压、温挤压、热挤压三大类。 在此我们主要用到的是冷挤压加工。 1.1冷挤压成形技术发展概况 挤压技术的发展经历了漫长的历史过程。19 世纪末，法、英、美、德等 国开始用冷挤压法生产软质有色金属零部件。第一次世界大战期间，美国采 用冷挤压法大批量生产黄铜弹壳，并企图用冷挤压法生产钢质弹壳，但未获 得成功，原因是当时不能用工具钢作为模具材料，也没有找到良好的表面处 理方法和润滑剂。 第一次世界大战以后，德国人于 1921 年制造出冷挤钢管压力机，经过进 十年的研究及实验，知道 1931 年冷挤钢管才在实验室里试制成功，但不能正 式投入生产，其原因也是由于钢冷挤压时变形抗力过大，找不到用于生产的 模具材料和表面润滑处理方法。第二次世界大战前夕，德国对弹壳的需求量 猛增，但是用黄铜材料制造弹壳，因原料来源不足，满足不了战争的需要。 安徽建筑工业学院毕业论文 5 为了扩大弹壳的生产量，德国秘密试验用冷挤压法生产钢弹壳，但一直没有 成功，直到 1942 年德国人找到了采用表面磷化、皂化处理法，并用合金工具 钢作为模具材料，成功地用冷挤压法大批量生产了钢弹壳，当时在战场上引 起了极大的震动和惊诧。第二次世界大战一结束，美国查明了德国人关于钢 的冷挤压的全部资料，并聘用德国专家，继续深入地研究钢的冷挤压，大规 模地开办了用冷挤压法生产弹壳和弹体的军工厂。第二次世界大战以后冷挤 压工艺的应用开始由军工向民用转化。从 949 年开始，美、德等国在民用工 业中采用冷挤压法加工各种钢质零件，并进一步开展了钢的冷挤压研究工作。 日本于 1957 年引进第一台专用冷挤压力机，首先在钟表等精密仪器工业中采 用冷挤压加工。由于这种加工方法的经济效益显著，不久，便在大批量生产 的汽车和电器等工业部门中得到广泛应用，现在已成为一种重要的加工手段， 遍及于各个工业部门。 在我国，解放前的冷挤压技术是很落后的，当时只有极少数工厂用铅、 锡等有色金属挤压牙膏管、线和管材等。解放后冷挤压技术得到了一定不敢 程度的发展，20 世纪 50 年代开始了铜及其合金的冷挤压，60 年代开始了黑 色金属的冷挤压，近年来随着我国工业生产和科学技术的蓬勃发展，冷挤压 技术也得到了迅猛发展。这种先进的压力加工工艺已在我国的工业建设中起 着令人瞩目的作用。目前，我国已对铝、锡、银、纯铜、无氧铜、黄铜、锡 青铜、锌及其合金、纯铝、防锈铝、锻铝、硬铝、可伐合金、泊莫合金、低 碳钢以及中碳钢等多种金属进行冷挤压，甚至对轴承钢、高速钢等也可进行 一定变形量的冷挤压。我国可以制造的冷挤压件及型材的品种也多种多样。 在模具材料的使用方面，除了采用高速钢、高碳高铬钼钢、滚珠轴承钢、弹 簧钢等以外，还采用不少新型模具钢、硬质合金以及钢结硬质合金等。在模 具结构方面，采用近代的最优化设计方法以及计算机辅助设计，在保证强度、 刚度、可靠性等要求的提下充分发挥了模具材料的潜力。在冷挤压技术的理 论研究方面，国内不少高校和研究院所正在采用有限元等计算方法、数值模 拟冷挤压成形全过程，以及揭示冷挤压时的金属流动规律及应力应变规律， 这些都会对冷挤压技术的发展这更大的推动作用。 综上所述，我国冷挤压技术的研究水平还是较高的，在冷压技术推广方 面曾一度达到轰轰烈烈的局面，但发展速度较为缓慢。其主要原因有：作为 作为冷挤压零件最广泛应用领域的汽车工业尚不发达，汽车零部件生产厂点 安徽建筑工业学院毕业论文 6 多、批量小，达不到规模经济生产；缺少专用冷挤压力机，用通用压力机又 满足不了冷挤工艺的特殊要求；缺少冷挤压专用钢种，虽有标准件拥抱过冷 镦钢，但品种少，规格小，不能满足较大零件冷挤压的要求等。今年来，我 国汽车工业、摩托车工业得到迅速发展，给冷挤压技术应用带来了新的机遇。 当代轿车某些关键部件，从设计开始就是立足于精密成形，从结构反方面很 难用机加工方法来代替，这些关键零件的国产化，大大促进了精密锻造特别 是冷挤压技术的发展。 1.2 选题依据和设计主要内容 1.2.1 毕业设计（论文）的内容 螺钉是重要连接零件，要求结构强度高，宜采用冷精锻成形。杆部变截 面，采用正挤压工步；头部采用先聚料后镦挤的方法。挤压变形力较大，模 具设计时要保证模具有足够的强度。 1.2.2 毕业设计（论文）的要求 1)正确排工步，在满足工艺要求的前提下，采用最少的工步； 2)模具结构要合理； 3)掌握组合凹模优化设计方法； 4)手绘总装图 1 副和主要工作零件图； 5)使用三维造型软件, 画局部总装图； 安徽建筑工业学院毕业论文 7 第二章第二章 冷挤压工艺设计冷挤压工艺设计 从坯料变为挤压件成品需要一系列工序。挤压工艺设计要确定一系列必 要的工序，达到以最少的工序，最短的流程，使坯料逐步变形成要求的挤压 件形状，经济合理地生产出符合质量要求的挤压件。典型的挤压工艺过程， 由许多工序组合而成，其中包括下料、镦粗、校形（坯料准备工序），预成 形工序和最终成形工序（正挤压、反挤压、复合挤压或镦挤相结合的组合工 艺），以及中间的辅助工序（除油、酸洗、退火、润滑）和最后的机械加工 工序。无论是制坯工序、中间工序还是成形工序都是冷挤压过程中的重要组 成部分。 冷挤压适合加工软质且延展性好，硬度大致在 100hbs 一下的金属材料。 冷挤压件的形状应保证金属在挤压方向的变形均匀，流速一致，同时使单位 挤压力较低，使模具寿命较高。最好的挤压件形状是轴对称的回转体。挤压 件内、外型面应避免直角过渡，直径变化小的零件不应采用挤压工艺成形， 用切削加工方法较为有利。挤压零件应尽量避免壁面上的环形槽和径向孔， 避免挤压成形小直径的深孔。 冷挤压工艺设计是在确定挤压件形状、尺寸、精度和材料之后着手设计 模具之前的一个阶段，在此之前要拟定制定的挤压加工工艺和有关的工艺顺 序和数量，并研究如何具体实现符合要求的质量控制、经济性问题。 2.1挤压工艺步骤 工艺设计时，从研究产品图进行工艺分析开始，首先根据变形前后材料 体积不变法则及所设计的挤压件图形，计算出坯料体积，并由挤压件尺寸或 中间工序尺寸，按照体积公式确定毛坯尺寸，再按变形程度，挤压力大小和 形状复杂程度，确定工序数目，然后进行工序设计，决定中间成形工序的成 形预备形状和尺寸，并选定成形方法，安排加工工序。最后决定工艺方案， 即选定材料和设备，编制工艺流程和构思模具结构，同时进行全面工艺评价 和核算技术、经济指标。 挤压工艺设计程序可用以下一个工艺流程图来表示： 安徽建筑工业学院毕业论文 8 工艺分析 挤压件图 工艺计算 变形程度 挤压力 坯料体积 坯料尺寸 工序设计 成形工序 辅助工序 工序数目 工序排列 工艺方案 工 艺 流 程 模 具 构 思 工 艺 评 价 经 济 指 标 设 备 材 料 图 2.1 工艺设计程序 在模具设计的过程中，还可能反过来对初始的工艺方案进行修正；在试 验过程中进一步补充完善，并就实际作业条件，重新评价工艺设计。在挤压 工艺方案设计中，需要做出下述的评价和估算： 1、工艺性评价 （1）挤压件形状复杂程度； （2）挤压件成形难易程度； （3）挤压件变形程度的大小； （4）挤压件的尺寸范围； （5）挤压件的精度等级； 零件图 安徽建筑工业学院毕业论文 9 （6）挤压件性能指标； （7）挤压件质量标准； （8）挤压材料的工艺性能； 2、估算项目 （1）总变形程； （2）总工序数目； （3）总工装套数； （4）效果分析及评价 根据上面这些评价和估算，便可确定一种经济合理的最佳工艺方案。 2.2 工艺设计步骤 2.2.1 计算毛坯的体积 vv 坯料挤压件 22 128.4+678 =3798.144+8817.12 3 =12615.264mm 3 12616mm 根据挤压件图，按照坯料体积等于挤压件体积的原则进行计算。 在计算坯料体积时，可以近似计算其体积。参照其最终成品图，可以将 它最终冷挤压成型的零件图绘制出来（如图 2.2） 。 安徽建筑工业学院毕业论文 10 图 2.2 所给挤压件图 2.2.2 确定坯料尺寸 有零件图可知: =20mm, =12mm, =24mm；d0 1 d 2 d 0 2 2 4v h = d 4 12616 =mm 20 =40.178mm 40.2mm 坯料 0 2 1 1 2 2 2 d f= 4 12 =mm 4 =113mm 2 0 0 22 2 d f = 4 1 =20 mm 4 314mm 安徽建筑工业学院毕业论文 11 2 2 2 2 2 d f = 4 24 = 4 452mm 但是在此我们要计算一下预成形后零件头部的高度。 根据变形前后体积不变的原理可得： 22 2 2 67810h =12616 h =12.1mm 解得 式中 毛坯直径，mm； d0 毛坯变形后杆部直径，mm； 1 d 毛坯变形后头部直径，mm； 2 d 毛坯高度，mm； 0 h 毛坯变形后杆部高度, mm； 1 h 毛坯终成形后头部的高度，mm； 2 h 毛坯的横截面积， ； 0 f 2 mm 毛坯变形后杆部横截面积，； 1 f 2 mm 毛坯变形后头部横截面积，； 2 f2 mm 2.2.3 计算冷挤压变形程度 由于下面的杆部是正挤压成形的，上面的头部是镦挤压成形的，所以在 计算时都要分成两部分进行计算。 变形程度是冷挤压工艺设计与计算的重要参数，其表示方法有三种: 杆部断面缩减率 f1 01 f1 0 f1 f -f 100% f =64% 许 头部断面缩减率 f2 20 f2 0 f2 f -f 100% f =44% 许 安徽建筑工业学院毕业论文 12 杆部挤压比 1 g 0 1 1 f g = f =2.778 头部挤压比 2 g 2 2 0 f g f =1.44 杆部对数挤压比 1 0 1 1 f ln f =1.02 头部对数挤压比 2 2 2 0 f ln f =0.36 与 的关系是 f g f1 1 1 =(1-) 100% g =64% f2 2 1 =(1-) 100% g =44% 或 f 1 g= (1-) 由以上公式和结合零件尺寸，可以明显看出杆部的正挤压部分比头部的 镦挤部分变形程度大。 冷挤压时，模具单位面积承受很大的压力，当压力在模具内的合成应力 超过模具钢的许用应力（一般为 20002500mpa）时，模具就容易破坏或降低 模具使用寿命。因此，对于各种材料都有一个许用变形程度。即对于不同的 挤压材料在不同的工艺参数条件下，应按同一许用单位挤压力来决定其冷挤 安徽建筑工业学院毕业论文 13 压变形程度，这就是等压原则。 2.2.4 确定挤压件的基本数据 （1）挤压件的体积； 3 v12616mm 挤压件 （2）坯料规格； 0 d =20mm 0 h =40.2mm 2.2.5 确定挤压次数 在上述的计算变形公式中得到：再按照挤压次数确定方案得知 f f 许 可以进行一次性挤压成型。然而为了有利于卸件，使凸模不易折断，提高模 具使用寿命和改善加工工艺，根据初始坯料经受正挤压，挤压一次；由于螺 钉的头部变形量很大，不能够一次成形，考虑到模具的强度和设备吨位，头 部分两次成形；螺钉头部先聚料和六边形部分成形，各挤压一次，共挤压的 次数是 3 次。 2.2.6 工序设计 变形工序的设计是否合理，应看挤出零件的质量是否合格以及模具使用 寿命长短。从生产的角度来看，工序越少越好，最好一次挤成，这样可减少 附加的中间工序。但有时采用一次成形，会出现挤压件开裂或模具过早地损 坏。究竟设计几道挤压工序合理，应根据零件形状、尺寸不同，所用材料性 能不一样，变形程度大小、零件质量要求和现有设备综合考虑。综上所述， 在拟定工艺方案时，即要考虑技术上的可能性和先进性，又要注重经济效益。 为此，在设计工艺方案时，应该拟定两个或两个以上的工艺方案，然后 对这些方案进行经济效益、技术可行性和先进性分析，以便得出最佳方案。 在选定最佳方案后，进行挤压件图设计，确定毛坯尺寸和形状，设计变形工 序的尺寸。当然要做到这一步，应拟定的工艺方案进行大致的计算，才能将 各种方案的主要指标进行比较，才能选出最佳方案。 在此依照上述理念，对本次冷挤压工序数目进行确定。 依据螺钉的形状尺寸计算其总变形程度，得出其应变不超过一次冷挤压 工序的许用应变，从这一点考虑该零件可以一次挤压成形。然而为了利于卸 件，使凸模不易折断，提高模具使用寿命和改善加工工艺，在生产中采用三 安徽建筑工业学院毕业论文 14 次挤压成形方案。另外在挤压成形前，坯料准备阶段还要进行一次整平。具 体有以下几道工序： （1） 制坯工序设计 挤压是一种高效率工艺，特别是对于大批量零件的生产，一旦采用冷挤 压方法投产，那么挤压前毛坯的下料，对实际生产来讲具有重要意义。 目前原材料一般采用棒料、板料、线料及管材等，而多数采用棒料。在 此选为棒料。而棒料一般采用切削下料或剪切下料。由于棒材用切削下料， 材料利用率可达 70%-90%,而用剪切下料，材料利用率可达 95%-100%。故从 材料利用率上考虑，棒料冷态剪切是生产毛坯方法中最迅速和最便宜的一种， 其中包括全封闭式截切模和半封闭式截切模。它们常常用于生产中小尺寸直 径的毛坯,它具有以下一些优点：1.剪切断面质量好，2.废料损失小，3.生产效 率高.但相比较而言前者截切端面质量好一点，故在此采用全封闭式截切模。 用截切模制备坯料，生产效率高，材料利用率高，但截断面比较粗糙， 端面与中心轴线不能保持垂直，有一定的斜度，尤其是半封闭截切模，这种 情况尤为严重。因此坯料在截切后，一般用镦平模将坯料端面压平并校形后 再进行挤压。 （下料由于h0d0=40.220=2.010.8 故选用剪切下料 即采用全封闭式截切模来剪切下料；） 综上所述，得出： 1.原料采用棒料； 2.采用全封闭式截切模来剪切下料； 3.制坯工序包括：剪切下料镦平校形。 （2）预成形工序设计 预成形工序是指得到半成品冷挤压件的工序，它主要是进行材料体积变 形量的分配，为成品冷挤压件作形状和尺寸方面的准备。它对冷挤压工艺的 成败和冷挤压件的质量以及尺寸精度都有重要的影响。 确定预成形工序半成品的形状和尺寸，主要是要符合金属变形的规律和 冷挤压变形的具体要求。要求如下： a预成形工序半成品的设计，应该最大限度地满足工艺和质量要求。 b选择预成形工序半成品形状时，要保证其在变形过程中与模壁之间的 安徽建筑工业学院毕业论文 15 接触面最大。 c在确定半成品的形状与尺寸时，应该考虑冷挤压件局部成形的工艺需 要及所需要的材料储备。 d采用多道工序挤压锥形件时，预成形工序半成品形状不应与成品的锥 体形状一致，而且一般是前者的锥形角要大些，这样能使半成品放入凹模后 与模壁及模腔下部有一定空隙存在、使得在成形过程中成形力减小，最后又 能提高成形件锥体部分的表面质量。 （3）终成形设计 终成形工序是将预成形产品最终一次性成形为所需成品的最终工序。在 这个工序里，将挤出带有一定余量或没有余量，符合挤压件图形状、尺寸及 质量要求的挤压完成品。 终成形工序是按照挤压件图进行设计的。设计时除考虑挤压件图上形状 和尺寸要求，满足变形需要外，还应考虑预成形工件形状及尺寸对它的影响 以及它们之间的配合关系。 （4）辅助工序设计 辅助工序设计是指除坯料准备和成形之外的其他工序，如除油、酸洗、 退火、润滑和机械加工等。接着将分别对这些工序讲述一下： 1） 软化处理 为了改善材料的冷挤压性能和提高模具寿命，大部分材料在冷挤压前需 要进行软化处理。过去对软化的要求，主要是降低材料的硬度，实际上材料 的显微组织对挤压性能的影响也是很重要的。 挤压时，一般都在三向压应力状态下使金属产生塑性变形，金属流动十 分强烈，冷挤压时变形抗力大，冷作硬化严重。因此，钢质坯料在冷挤压前 必须进行软化处理。其目的是降低材料的硬度，提高塑性，消除内应力并得 到良好金相组织。 软化处理有以下两个方面的内容： 坯料的软化处理是为了降低强度和硬度，提高塑性，改善金相组织； 工序间的软化热处理，主要是为了消除加工硬化和内应力。 钢材不同，所选用的软化热处理的方法也不同。一般碳的质量分数在 0.3%以 下的碳钢和合金钢，多采用球化退火。等温退火一般用在合金钢，它比完全 退火的时间短，氧化部脱碳较轻，内部组织和硬度分布较均匀。低温退火只 安徽建筑工业学院毕业论文 16 能作为变形工序间的消除应力退火。固溶处理适用于奥氏体不锈钢的软化热 处理。奥氏体型合金（例如 gh140）也可用淬火软化。铝、铜有色合金则有 的用淬火软化，有的用退火软化。此外，有时还要对冷挤压后的成品进行适 当的热处理（例如不锈钢、黄铜件为防止开裂的热处理） 。 常用冷挤压钢退火后的硬度要求见表 2-1 表 2-1 常用冷挤压钢退火后的硬度要求 钢号 bmax mpa max hb 钢号 bmax mpa max hb 10 15 20 35 550 660 650 680 83 87 91 93 45 15cr 35crmo 710 680 700 95 93 95 对于钢材来说，珠光体组织成为影响挤压性能的重要因素，从降低冷挤 压力来看，球化退火后，组织不仅硬度小，强度低，而且塑性较高，并随着 钢材中含碳量的增加显得越明显。对含碳量较高的材料，除了考虑到改善挤 压性能外，也为改善挤压后的加工性、热处理质量及力学性能，均应采用球 化退火。碳钢的硬度与热处理关系如图 2.3 所示。 其中 1 表示正火（片状珠光体） ；2 表示退火（片状珠光体） ；球化退火（球状珠光体） 。 安徽建筑工业学院毕业论文 17 图 2.3 碳钢硬度与热处理的关系 碳素钢和合金钢的球化退火工艺规范如图 2.4 所示。 图 2.4 碳钢和合金钢热处理规范 2）表面预处理及润滑 冷挤压前，应当对钢坯料进行表面处理。至于在各变形工序之间是否要 重新进行表面处理，则应更具变形条件来决定。冷挤压时，金属材料会产生 强烈的塑性变形，单位挤压力很大，特别是钢的冷挤压，最大的单位挤压力 可达 2500mpa。在这么高的单位压力下，如果没有进行好表面预处理和良好的 润滑是不行的。剧烈的冷挤压变形后，在下一道冷挤压工序前应当再进行磷 酸盐与润滑表面处理。但对于变形并不剧烈的拉延，压底以及镦粗等工序， 则不必在每道工序间都进行表面处理。表面处理的主要内容有：去除表面缺 陷；清洁、去脂、清洗；去除表面氧化层；在坯料表面形成特殊的润滑支承 层磷酸盐处理和润滑处理。其中前三项处理的目的是改善表面质量，并 为以后的磷酸盐与润滑处理做好准备。 表面处理及润滑的目的是除掉毛坯的缺陷，除掉氧化层与油污，便于润 滑，从而减小摩擦，降低挤压力。 如钢在冷挤压时，毛坯与模具的接触压力往往高达 2500mpa，远远超过了 一般压力加工的接触压力。在这种情况下，必需进行良好的润滑，否者将严 安徽建筑工业学院毕业论文 18 重破坏零件的表面质量，并使模具很快地磨损，以致冷挤压工艺无法实现。 如果将普通的润滑剂直接涂在毛坯或模具表面上，则在挤压过程中不能形成 连续的润滑薄膜，不起润滑作用。在毛坯表面上镀铜、镀锌等，虽然能过解 决冷挤压润滑问题，但其成本较高，效果又不是非常让人满意。后来经过研 究发现，能过牢固地黏附在一般金属表面上的磷酸盐薄膜可以作为润滑剂的 支持层，使施加在经磷化处理后的毛坯表面上的润滑剂，在整个挤压过程中 具有良好的润滑效果。 黑色金属冷挤压时，其润滑作用为： 降低冷挤压时被挤压零件与模具的摩擦力； 避免被挤压材料表面与模具具有直接摩擦引起的黏结现象，提高挤压 件表面质量； 降低挤压时变形力和变形功消耗； 提高模具寿命。 黑色金属毛坯表面的处理及润滑，包括钢的表面磷化处理（不锈钢采用 草酸盐处理）和磷化处理前的除油脂、清洗、清除氧化皮和磷化处理后的润 滑。 针对本零件材料（为 45#） ，故而在此采用磷化处理。磷化就是在钢毛坯 表面上生成一层不溶磷酸盐薄膜。 磷化膜具有以下一些特性： 磷化膜是无机盐，由细小片状结晶组织构成，它成多孔状态，对 润滑剂有吸附作用，薄膜的厚度为 7-50 微米； 磷化膜与钢表面结合很牢固，因为钢表面转变成磷酸盐。此结合 层具有一定塑性，在冷挤压时能与钢一起变形； 经过表面磷化处理的钢材，其力学性能，如硬度、韧性等没有改 变，而耐磨性大大提高； 磷酸盐处理层使变形金属与模具隔开，避免了他们之间直接接触， 不会撕坏模腔表面，因而模具工作寿命得到提高； 磷化膜随着模温提高，性能也发生改变，只能短时间耐温 400- 500，当温度达到 500，由于磷酸盐和氧化铁的作用而变为褐 色，磷化膜黏结金属的能力降低，温度再升高时，磷化膜将要破 坏； 安徽建筑工业学院毕业论文 19 磷化膜不抗酸碱。 在挤压时为了最大限度地减少毛坯与模具间的摩擦力，减少变形抗力和 变形功，提高模具的寿命，经过磷化处理后的毛坯需要进行润滑。目前国内 各工厂常用润滑剂有：硬脂酸纳、肥皂、二硫化钼、石墨机油或动物油等。 在此选为硬脂酸纳。 2.2.7 工艺方案确定 根据上述分析，很容易知道冷挤压过程中，零件变形过两次（即正挤压 变形和镦挤变形） 。根据这点我深入分析得出以下两套方案： 一、方案的初步拟定 方案一：分四道工序成形出制件。 （1）初始坯料经受正挤压，成形的杆部直径等于零件底端杆部直径 。12mm （2）将成形的杆部以上的部分进行聚料。 （3）再将挤压件的头部进行镦挤，镦挤成六边形形状。 （4）机加工零件底端杆部的锥角。 方案二：分三道工序成形出制件。 （1）将初始坯料进行镦平，镦成直径为 20mm，高为 40.2mm 的圆柱形坯 料。如图（a）所示。 （2）将镦平后的零件的下端进行正挤压，挤压出来的杆部直径为 12mm，高为 78mm。如图（b）所示。 (3)在将挤压件的头部先聚料后镦挤成六边形，并形成底端杆部的锥角。 如图（c）所示。 安徽建筑工业学院毕业论文 20 图（图（a）镦挤）镦挤 图（图（b）预成形）预成形 图（图（c）终成形）终成形 图 2.5 方案二 以上所绘制的图为草图，各工序中成形后的零件图参见零件图（a） 、零 件图（b） 、零件图（c） ，其对应的三维立体图如图 2.6 所示。 图（图（a）镦挤）镦挤 图（图（b）预成形）预成形 安徽建筑工业学院毕业论文 21 图（图（c）终成形）终成形 图 2.6 各工序三维立体图 三、两种方案的比较与选择 方案一中成形工序较多，且毛坯不规范，尺寸不精确，因此第一步不能 直接就进行正挤压，而要将毛坯进行镦平。方案一与后一个方案相比，工艺 设计不合理。所以选择方案二更合理。 2.2.8 各主要工序工作特点进一步分析 综上所述，此零件所需主要工序如下：准备材料下料镦平、校形 预成形退火与磷皂化终成形机加工渗碳淬火电镀。各主要工序工 作特点如下： 准备材料 先前讲述过，在此我们选择的材料为棒料。 下料 考虑到剪切断面质量、废料损失、生产效率这些方方面面，在此采用全 封闭式截切模来剪切下料。 镦平 下料完毕后，由于截断面比较粗糙，端面与中心轴线不能保持垂直，有 一定的斜度，尤其是半封闭截切模，这种情况尤为严重。因此坯料在截切后， 一般用镦平模将坯料端面压平并校形后再进行挤压。 在此要确定毛坯的相关尺寸，其具体尺寸如图 2.7 所示； 安徽建筑工业学院毕业论文 22 图 2.7 镦挤零件图 预成形 为了最终能够获得所需精度的零件，在成形过程中一般不采用一次性成形 而获得零件，实际中为获得高精度零件，中间都要增加一道工序，尽管有时一 次性成形的变形程度小于许用变形常数。这样可以在毛坯与最终成形之间有一 过渡成形过程，以便于获得满足我们所需冷挤压样品。 在此要确定毛坯的相关尺寸，其具体尺寸如图 2.8 所示 图 2.8 预成形零件图 退火与磷化处理 由于工件经过镦平、预成形之后，其内部晶粒被挤压拉长而成细长晶粒， 形成纤维组织。变形程度愈大，晶粒挤得愈长，细长晶粒要再变形所需变形 力更大，因而冷挤压后金属得到强化。 安徽建筑工业学院毕业论文 23 由于挤压是三向压应力状态，经过挤压后金属材料组织结构更加致密， 微小的气孔、缩松和微裂被压合了，使金属进一步强化。从而这时金属已不 适合于再次冷挤压，为了取得较好的冷挤压性能，一般采用等温退火或球化 退火，本工序要注意保护工件以防氧化脱碳，应使用真空炉退火、或用普通 炉子加保护罐的方式加热退火。最后磷化处理 终成形 在之前工序的基础上，最终将零件冷挤压成所需形状，这就是所谓的终 成形。 在此要确定毛坯的相关尺寸，其具体尺寸如图 2.9 所示。 图 2.9 终成形零件图 机加工、渗碳淬火、电镀 为了获得所需产品，并满足各项精度要求以及形状，在终成形之后，零 件要经过机加工、渗碳淬火、电镀处理。 安徽建筑工业学院毕业论文 24 第三章第三章 压力设备选择压力设备选择 3.1 各主要工序所需镦挤力 下料：材料 45#钢，坯料直径，热处理硬度小于 170hb。20mm 2 450410mmn b 下料工作力 222 1 410()(10)()128740pn mmmmn 整平：凸模工作力 2 2 1.3 1 4 500 b pkznan mm 22 10816400mmn （注：由于凸模是用来挤压毛坯的，所以它的抗拉强度一定要大于毛坯的 b 抗拉强度值，在此取为 500。 ） 2 450410mmn 2 mmn 式中 k安全系数，一般取 1.3； z模具形状系数，z=1； n变形程度系数，n=4；见表 3-1 a凸模工作面积，; 2 0 d a=() 2 表 3-1 变形程度系数 挤压方式变形程度 安徽建筑工业学院毕业论文 25 f 40% f 60% f 80% 正挤压 反挤压 3 4 4 5 5 6 预成形：与整平时相似，只是凸模工作面积对应的直径变为，另12mm 外材料硬度已上升至 180hb-200hb， 2 600mmn b 工作力约为 2 3 1.3 1 46006352684.75(n)p 终成形： 2 3 p1.3 1 3 600121058054.4n （注：n 在此取 n=3，由前面所述，再根据表 3.1 可得 n 取 3。 ） f 2 44% 镦挤变形的单位挤压力p -2 2 2 -2 d p10 h 124 =600(1+0.07) 10 mpa 38.4 =6.4mpa 1 （1+） 3 式中 自由镦挤的单位挤压力，；pmpa 挤压材料变形抗力，；（由上可知）mpa 摩擦因数，有下表 3-2 可知取；0.07 镦挤后的直径，mm（由挤压零件图可知） ； 2 d 镦挤后的高度，mm（由挤压零件图可知） ； 2 h 表 3-2 镦挤钢质挤压件时不同润滑状态的摩擦因数 润滑剂摩擦因数润滑剂摩擦因数 磷化处理+皂化 石墨+机油 0.060.08 0.08 0.10 二硫化钼+机油 矿物油 0.07 0.08 0.120.14 3.2 主要设备选用 安徽建筑工业学院毕业论文 26 下料采用 j21-63 冲床，整平、预成形均可采用 ja88-160a 专用挤压机， 终成形采用 j88-400 专用挤压机。 第四章第四章 模具设计模具设计 冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形，其单位挤压力相当大，同 时由于金属材料的激烈流动所产生的热效应可使模具工作部分温度高达 200 以上，加上剧烈的磨损和反复作用的载荷，模具工作条件相当恶劣。因此冷 挤压模具应具有以下特点： 模具应有足够的强度和刚度，要在冷热交变应力下正常工作 模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、搞耐磨性，并有一定 的韧性。 凸、凹模几何形状应合理，过渡处尽量用较大的光滑圆弧过渡，避免 应力集中 模具易损部分应更换方便，对不同的挤压里零件要有互换性和通用性。 为提高工作部分强度，凹模一般采用预应力组合形式，凸模有时也采 用组合形式。 模具工作部分零件与上下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板， 以扩大承载面积减小上下模板的单位压力，以防止压坏上下模板。 上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应有足够的厚度，以 保证模板具有较高的强度和刚度。 模架能牢固的安装在压力机上。 制造简单，成本费用低。 安徽建筑工业学院毕业论文 27 坯料放置容易，定位准确，在大量生产时有可能采用半自动或全自动 送料。 在设计模具时要知道模具到底有哪几部分组成，典型的冷挤压模具有以 下几个部分组成： 工作部分，如凸模、凹模、顶出杆等。 传力部分，如上、下压力板。 顶出部分，如顶杆、反拉杆、顶板等。 卸料部分，如卸料板、卸料环、弹簧等。 导向部分，如导柱、导套、导板、导筒等。 紧固部分，如上下模板、凸模固定圈、固定板、压板、模柄、螺钉等。 挤压成形的过程中，挤压设备通过挤压模具对挤压坯料施加挤压力使其 变形，而被挤压材料对模具施以反作用力以反抗变形，如果模具的承载能力 大于挤压力，就可以顺利地挤出工件，如果模具的承载能力小于挤压力，将 使模具损坏。为了使挤压能够顺利进行，必须合理的设计挤压工艺；合理地 选择挤压模具结构；设法降低挤压工艺力，提高模具的承载能力。 挤压模具设计时应考虑的主要问题见表 4-1。 表 4-1 挤压模具设计时应考虑的主要问题 序号主要问题 1 挤压件的使用条件，如受力情况（力的大小及静、动、交变、冲击 等性质） 、工作温度、工作环境等 2 挤压件的性能要求，如强度、硬度、冲击韧性、金相组织等 3 挤压件的结构状况，脱模是否有困难 4 挤压件的精度要求，如尺寸精度位置和形状等 5 挤压件的生产量，如批量及长远的需要情况 4.1 冷挤压模具设计要求 冷挤压时单位单位挤压力较大，必须慎重考虑模具结构的设计、材料的 选择、制造工艺及热处理等问题。与一般的冷挤压模具相比，冷挤压模具工 作部分（凸、凹模等）材料的选择应更为严格。模具工作部分应尽量采用光 安徽建筑工业学院毕业论文 28 滑的圆角过渡，防止由于大小直径剧烈变化，造成应力集中而损坏模具，在 设计钢质挤压件冷挤压模具时更应特别注意。冷挤压模具应当符合的一般要 求见表 4-2。 表 4-2 冷挤压模具应当符合的一般要求 序号要求 1 凸、凹模等工作部分应当有较高的强度与较长的使用寿命 2 凸、凹模等工作部分能简捷而可靠地固定在模架上 3 凸、凹模等工作部分与上下模座之间的支撑面积应当足够大，以减小 上下模座上的单位挤压力。并应有足够厚度的中碳钢淬硬垫板，以保 证模具的刚性 4 上下模座必须采用足够厚度的中碳钢制造，不能用铸铁制造 5 模具的易损部分拆换方便 6 坯料放置容易，定位准确，在大量生产时有可能采用半自动或全自动 送料 7 挤成的工件可以方便地取出 8 模架能牢固地安装在压力机上 9 制造简单，成本费用低 10 保证操作工人的安全 4.2 凸模设计依据 凸模设计时要认真研究使用中凸模所受应力的大小和性质，以及当使用 细长凸模时，可能出现的失稳问题。造成失稳的因素有模具或挤压设备本身 的对中精度；挤压操作上的问题，例如凸模松动、初始对中不好、使用坯料 上下断面不平行等。凸模长径比也影响凸模的稳定性，例如，用模具钢凸模 挤压钢质零件时，长径比应不大于 3。 正确选择凸模工作部分尺寸和形状，可以降低挤压力，有利于挤压时金属 的流动成形，同时保证模具有较高的寿命。实践证明，工具钢和硬质合金钢 材料凸模挤压时的成形压力不应超过 2400mpa，如果超过极限值，则要减小变 形程度或者降低模具寿命要求。 凸模的长度尺寸 凸模的长度尺寸包括夹持部分、导向部分和凸模的全长尺寸。一般根据凸 模受力情况和模具的结构需要而确定，可有经验公式可得。 安徽建筑工业学院毕业论文 29 图示 4.1 凸模长度的确定 12 l=h +h +h 式中凸模长度；l 凸模固定套厚度； 1 h 凸模进入模腔的深度； 2 h 考虑到磨损、调整和安全因数附加的数值，一般取 1015mm。h: 正实心件正挤压凸模如下图 4.2 的带锥柄的凸模所示。 正实心件正挤压凸模的设计尺寸如下表 4-3 所示。 图示 4.2 实心件正挤压凸模 表 4-3 实心件正挤压凸模的设计尺寸 符号名称经验数据 4 d 3 h 模柄直径 模柄厚度 1.31.5d（） 4 d 2 安徽建筑工业学院毕业论文 30 d3 2 h r 夹持部分直径 夹持部分高度 锥角 1.3d 3 d 2 5 15 4.3 冷挤压组合凹模设计依据 为了提高凹模强度，防止纵向裂纹产生，生产中普遍使用预应力组合凹模。 预应力组合凹模通过外套对内圈施加预应力，使冷挤压所引起的切向拉应力 被预压时产生的切向压应力部分或全部抵消，从而提高了模具的强度。通常， 三层组合凹模的强度是整体式凹模强度的 1.8 倍，两层组合凹模的强度是整 体式凹模的 1.3 倍。 预应力组合凹模仅内圈采用高级工具钢，中、外圈可采用一般材料，从 而节省了昂贵的模具材料。由于其凹模尺寸较整体模减少，因此提高了模具 热处理质量。凹模损坏后，不必调换外圈，节省了材料和加工费用。但组合 凹模的加工面多，压合工艺要求较高。因此，组合凹模只在单位挤压力较大， 用整体式凹模强度不够时采用。冷挤压组合凹模设计的三种组合形式见图 4.3 所示，其设计依据件表 4-4 所示。 （a） 整体式 （b） 两层组合式 （c） 三层组合式 图 4.3 冷挤压凹模的三种形式 表 4-4 冷挤压凹模的设计依据 安徽建筑工业学院毕业论文 31 项目说明 层数选择 凹模的层数按单位挤压力 p 确定，p1100mpa 时，采用整体 凹模【图示(a)】;1100 p140 时，采用两层式组合mpampa 凹模【图示(b)】; 1400 p2500 采用三层式组合凹mpampa 【图示(c)】. 组合凹模各圈 尺寸 整体式凹模的外径应为内径的 4-6 倍，即 d2=（4-6）d1.两层组 合凹模各圈尺寸。两层 组合凹模各圈尺寸的确定见下表，三层 组合凹模各圈尺寸同样参考下表。 工作时各层过 盈值的变化及 修正量 挤压过程中，模具温升较大，使得组合凹模的内外层温度梯 度较大，从而使内层凹模各圈尺寸与外层预应力圈的热胀存在 差别，使过盈量比设计值增大，所以需要修正。设内层与外层 的平均温差为 0，内层凹模的外径为 d，模具材料线胀系数 为 ，则过盈量的修正值 aa=d0(mm). 过盈值的公差 配合直径 d2、d3 处的加工精度将直接影响对内层凹模的预压应 力，即影响组合凹模的强度，因此应尽可能提高其精度。加工 误差分为各层的内外径误差与形状误差。内外径的公差应为设 计过盈量的+10%、-5%以下形状公差应取内外径公差的 30%- 50% 以下。 预应力组合凹 模的装配 预应力组合凹模的预应力是通过预应力圈与凹模的配合得到的。 永久性配合可加热外圈或冷却内去圈进行装配。可置换的凹模 芯通常用锥形配合面并涂以二硫化钼润滑剂后进行机械加压装 配。常用的装配锥度是 0.51。装配时要使对应的两个接触 面之间紧密贴合。也可以将第一个预应力圈用锥度压力配合， 而第二个预应力圈（外圈）用缩紧配合。 预应力圈的材 料 预应力圈的材料必须具有足够的强度、韧性和淬透性，且材料 的回火温度高。内外圈采用加热压合工艺时，预应力圈的回火 温度必须高于压合需要的加热温度。 安徽建筑工业学院毕业论文 32 二层组合凹模设计 见表 4-5 表 4-5 二层组合凹模的设计 mm 设计步骤 两层组合凹模各圈尺寸的确定：， 13 64dd 根据与的关系可在表 4-6 中查得与的 3 d 1 d 2 d 1 d 关系，从而计算出的数值。其压合量，可由 2 d 表 4-7 查得系数，然后计算处的径向过盈 2 2 d 量，即，再计算处的轴向压合量， 222 d 2 d 即。一般取，所以tan2 22 c2 22 23.19c 图示参数说明 凹模内径（挤 1 d 压件最大外径） （4-6） 3 d 1 d （斜度可以2 向上，也可以向下） 处的轴向 2 c 2 d 压合量，= 2 c 2 2 d 二层组合凹模压合 处轴向压合 2 2 d 系数 内层： 5crnimo、35c rmoa 外层： 5crnimo、35c rmoa、40cr、 45 预应力圈淬火 硬度： 中层为 42- 44hrc，外层 为 38-40hrc 反复使用条件 下的预应力圈 应进行 200 安徽建筑工业学院毕业论文 33 处的轴向 2 2 d 过盈量， 222 d 处的径向 2 2 d 过盈系数 的低温回火， 以消除内应力 表 4-6 二层组合凹模设计参数 3 d 2 d 2 2 4 1 d1.8 1 d0.160.0083 5 1 d2.0 1 d0.1630.0085 6 1 d2.2 1 d0.1660.0088 三层组合凹模设计 见表 4-7 表 4-7 三层组合凹模的设计 mm 设计步骤 三层组合凹模各圈尺寸的确定：，根据 14 64dd 与的关系可在表 4-8 中查得与、的关系，从 4 d 1 d 2 d 1 d 3 d 而计算出、和的数值。其压合量，也可由表 4-8 查 2 d 3 d 得系数、，然后计算和处的径向过盈量，即 2 3 2 d 3 d 、。仍取 222 d 333 d2 图示参数说明 凹模内径（挤压件 1 d 最大外径） 预应力圈的材 料必须具有足 够的强度与韧 表 5.1-4 二层组合凹模设计参数数 安徽建筑工业学院毕业论文 34 （4-6） 4 d 1 d （斜度可以向上，2 也可以向下） 处的轴向压合 2 c 2 d 量，= 2 c 2 2 d 处轴向压合系数 2 2 d 处的轴向过盈 2 2 d 量， 222 d 处的径向过盈 2 2 d 系数 -处的轴向压合量， 3 c 3 d 333 dc 处的径向过盈量， 3 3 d 333 d -处的径向过盈系