钎套温挤压模具设计毕业设计(论文)1.doc

1 机械工程学院毕业设计（论文）机械工程学院毕业设计（论文） 题 目： 钎套温挤压模具设计 专 业： 机电技术教育 2 目录目录 1、前言.3 2 温挤压工艺简介 3 2.1 温度范围 4 2.2 温挤压工艺的优点 4 2.3 温挤压工艺的缺点 5 3 挤压的基本方法 5 3.1 正向挤压法 5 3.2 反向挤压法 6 3.3 复合挤压法 6 4 温挤压件的工艺方案 6 4.1 钎套材料的选择 7 4.2 钎套形状设计 7 4.2.1 挤压件的形状设计原则 7 4.3 下料 9 4.4 镦粗 .10 4.5 温挤压前润滑 .10 4.6 温挤压温度的确定及毛坯的加热 .11 5 温挤压成型 .13 5.2 温挤压压力 .13 5.2.1 影响温挤压压力的因素 .13 5.2.2 温挤压压力的计算 .14 5.2.3 反挤压压力计算 .14 6 温挤压模具设计 .14 6.1 模具材料的要求及选用 .14 6.2 模具结构.15 6.3 工作零件的设计 .16 6.3.1 反挤压凸模 .16 6.3.2 反挤压凸模尺寸参数设计 .17 6.3.3 反挤压凸模防止失稳措施 .18 6.3.4 反挤压凹模 .19 6.3.5 组合凹模尺寸计算 .21 6.3.6 组合凹模的压合工艺 .22 6.3.7 顶杆设计 .23 7 卸件和顶出装置设计 .24 3 7.1 卸件装置 .25 7.2 顶出装置 .25 8 导向装置设计 .26 8.1 导向方法 .26 8.2 导柱导套导向装置 .26 8.2.1 导柱导套布置形式 .26 8.2.2 导柱导套紧固方法 .26 9 模架的选择 .27 10 压力垫板设计 28 10.1 压力垫板的作用.28 10.2 压力垫板的设计计算.28 11 凸模和凹模的紧固方法 28 结论.30 参考文献.31 致 谢33 1 钎钎套套温温挤挤压压模模具具设设计计 摘摘要要 ：以凿岩工具中的配套件“钎套 ”为例进行温挤压工艺研究,并据此设计 出了成形模具，经实际生产证明所做的工艺理论分析正确可行,选用的工艺参数 温度、压力正确。采用组合式凹模结构可显著提高使用寿命，模具设计合理。 关关键键词词： 钎套、温挤压、模具设计 1 前言 现代工业迅猛的发展使挤压提到了圩广泛的应用，对挤压模具的设计与制造要 求越来越高。由于挤压是挤压生产的主要工艺装备，所以其设计是否合理对挤压件 的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益都有很大的影响。因此提高挤压模具 的设计水平和挤压模具的各项技术指标，对现代工业的发展是十分必要的 1 挤压工艺广泛应用于机械、汽车、五金制品等行业中。挤压是将金属毛坯放入 模具模腔内，在强大的压力和速度作用下迫使金属从模腔中挤出，从而获得达到或 接近成品零件的形状、尺寸及一定力学性能的挤压件。它是在传统的金属塑性加工 基础上发展起来的一项新技术。温挤压成形技术是近年来在冷挤压塑性成形基础上 发展起来的一种少无切削新工艺，是产品零件加工中的重要手段之一，与其他制造 工艺 (如切削加工、铸造、锻造)相比 “它具有优质、高产、低消耗、低成本等优点。 在挤压过程中 “金属材料在三向不等的压应力作用下挤压后金属材料的晶粒组织会 更加细小而密实 “金属流线不被切断 “而是沿着挤压件轮廓连续分布“ 从而提高 了零件的综合机械性能。 钎套是凿岩工具中的配件，其结构见图1，材料为 t10 碳素工具钢。从零 件的结构工艺上看，其内部孔的结构非常复杂变形程度较大，故采用变形抗力较小 的温挤压塑性成形工艺进行成形。这样即保证了零件的质量和强度，又减化了软化 退火热处理工序，压力机吨位也较小，具有较好的技术经济效 2。 2 温挤压工艺简介 温挤压成形技术是近年来在冷挤压塑性成形基础上发展起来的一种少无切削在 室温以上、再结晶温度以下某一温度范围内进行的一种挤压。也有人认为，变形前 将坯料加热主，变形后挤压材料只要具有加工硬化现象，在这样条件下的挤压成形 均可称为温挤压。新工艺是产品零件加工中的重要手段之一与其他低成本等优点。 一般指的是金属材料在挤压过程中“金属材料在三向不等的压应力作用下“挤压 后金属材料的晶粒组织会更加细而密实“金属流线不被切断 “而是沿着挤压件轮 2 廓连续分布 “ 从而提高了零件的综合机械性能 15 2.1 温度范围 温挤压将坯料加热到比热挤压时低的适当温度(金属再结晶温度以下)进行 挤压。一般钢材温挤压的温度范围是高于室温而低于750850的，对铝及铝 合金是从室温以上到达350以下，对铜及铜合金是从室温以上到达50以下 12。 2.2 温挤压工艺的优点 温挤压是在冷挤压和热挤压的基础上发展起来的一种少无切削塑性成形工艺， 它具有优质、高效、耗能少等优点。温挤压的变形温度一般是在室温以上再结晶温 度以下的温度范围内。它在一定程度上兼备了冷挤压与热挤压的优点，同时也减少 了它们各自的缺点。这是因为温挤压是将坯料加热到某一温度进行加工，坯料的变 形力比冷锻小，成形比冷锻容易。可以采用比冷锻大的变形量，从而减少工序数目， 减少模具费用和压力机吨位。还可采用刚性不很大的通用设备，模具寿命也比冷挤 压模具要高很多。另一方面，与热挤压相比，由于其加热温度低，氧化脱碳减轻， 产品尺寸公差等级较高，产品的力学性能也较高。温挤压将坯料加热到比热挤压低 的，某个适当的温度进行挤压，一般不需要进行坯料预先软化退火和工序之间的退 火，也可以不进行表面之间的磷化处理。 (1)由于被挤压后金属坯料的变形抗力比冷挤压时要小（温挤压的温度在 750850时，材料的屈服应力大约降低成1/3）,因此可以显著减小挤压时模具 所受有压力；并可用于挤压难加工材料；显著提高材料挤压变形程度，因此可以减 少工序和中间处理次数。 （2）坯料的变形抗力减小使得成形压力的吨位也可以减小，如果控制合理，模 具的寿命也比冷挤压时要高。 （3）温挤压坯料在较低的温度范围内加热，使氧化，加热、脱碳大大减轻，所 以产品的尺寸精度较高，表面粗糙度值降低。温挤压件的力学性能比退火时要高。 如果在低温范围内挤压，产品的力学性能与冷挤压件的差别不大。 (4)在较高温度（ 650800）进行温挤压时，材料不需要软化退火和各工艺之 间的退火，也没需要进行表面的磷化处理，可以减少许多的工序（磷化，退火等）， 更便于组织连续生产。 (5)温挤压成形比冷挤压更容易，可以采用大量的变形，从而减少工序的数目使 模具费用大为减少，特别是在制造工序复杂的非轴对称的异形零件时，温挤压的优 势更加突出。 3 （6）温挤压主要适用以下几种情况。 a、用冷挤压对高合金钢、高强度钢进行加工有困难时。 b、一般材料变形尺寸或零件尺寸较大，以致冷挤压时现有设备能力不足时。 c、打算组织连续生产时。 d、形状复杂或者为了改善产品综合力学性能时而不宜采用冷挤压变形时 （7）温挤压主要适用的材料 a、变形时硬化剧烈或者变形抗力不高的不锈钢、高碳合金钢、轴承钢和不锈 钢等。 b、在室温下难加工的材料，不锈蚀钢和一些铬含量高的钢、耐热钢合金、镁 及镁合金、钛及钛合金等。 c、冷变形时塑性差，容易开裂的某些铝合金、铜合金、钛合金材料。 d、冷态难加工而热态易氧化，吸气的材料，如钛，钼，铬等。 2.3 温挤压工艺的缺点 温挤压与冷挤压相比，需要增加加热装置，产品尺寸精度与表面粗糙度虽与冷 挤压相近，但总不免稍差一些由于坯料需要加热，使劳动条件较冷挤压差一些。温 挤温度难以控制。温度过高，超出再结晶温度，影响产品的机械性能；温度过低， 既会影响成形，又加大了挤压力。温挤润滑剂至今还未完全解决，这就影响了温挤 技术的大力推广。 3 挤压的基本方法 根据挤压时金属流动方向与挤压轴运动方向之间的关系，常见的挤压方法有： 3.1 正向挤压法 正向挤压是挤压生产中应用最广泛的一种方法，主要特点是挤压时金属的流 动方向与挤压轴的运动方向一致。在挤压过程中挤压筒固定不动，锭坯在挤压轴压 力的作用下沿着挤压筒内壁向前移动，使得锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈的摩擦 并引起锭坯的温度升高。正向挤压又分为实心件正向挤压和空心件正向挤压，空心 件正向挤压又分为固定针空心挤压和随动针空心挤压。 正向挤压生产的特点是：制品的尺寸范围广，灵活性大，自动化简单，投资费 用少，易分离残料；但由于挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁的激烈摩擦，从而使 挤压力损失 ，同时，摩擦产生的温度使锭坯的温度不均匀，导致金属流动不均匀。 为避免由于流动不匀造成制品产生裂纹等缺陷必须降低挤压速度，从而导致生产效 率降低，挤压残料较厚。 4 3.2 反向挤压法 反向挤压法是针对正向挤压法在挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈摩 擦的情况出现的另一种挤压方法。主要特点是：挤压时金属的流动方向与挤压轴的 运动方向相反，使挤压过程中的锭坯表面与挤压筒内壁之间无相对运动，改变了金 属在挤压筒内流动的力学条件，减小了所需的挤压力，降低了变形的不均匀性。常 见的反向挤压法有带堵头反向挤压和双挤压轴反向挤压两种，如图c 和图 d 所示。 反向挤压生产的特点是：可减小总挤压力的，适用于硬合金挤压生产，金属的 流动性较好，从而使挤压制品的组织和性能均匀，但由于受到挤压轴、挤压模的限 制，使挤压制品的表面质量欠佳，而且对锭坯表面质量要求严格，分离残料困难。 由于受到设备条件及分离残料困难等因素的限制，因而使其在工业生产中的运用受 到很大限制，但近年来随着生产技术的发展和设备结构的改进，在实际生产中反向 挤压又有新的发展。 3.3 复合挤压法 复合挤压法将正向挤压法和反向挤压法的特点结合起来，生产断面形状为圆形、 方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、杯杆类和杆杆类挤压件，也可以制造等断 面的不对称挤压件。复合挤压法是在挤压时使锭坯的一部分金属的流动方向与挤压 轴的运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与挤压轴的运动方向相反，如图 所 基于以上各挤压法的特点以及钎套的结构，在此选用反挤压法来对钎套进行塑 性成形 17。 4 温挤压件的工艺方案 挤压件的工艺性对挤压的质量、模具的寿命和生产效率影响很大。挤压件的外 形多是轴对称形状，设计挤压零件时应根据其挤压变形的规律，对产品零件图进行 适当的修改，使之成为具有良好挤压工艺性的适合挤压加工的零件。温挤压件是适 合挤压成形的零件，应依据产品零件图，考虑依据产品零件图，考虑压力工艺和机 加工工艺的要求进行设计 6。 4.1 钎套材料的选择 钎套是凿岩工具中的配件，其材料为t10 碳素工具钢。 t10 碳素工具钢 ， 强度及耐磨性均较t8 和 t9 高,但热硬性低 ，淬透性 不高且 淬火 变形大， 晶粒 细,在淬火 加热时不易过热 ,仍能保持细 晶粒 组织 ；淬火 后钢中有未溶的过剩碳 5 化物 ，所以耐磨性高 ,用于制造具有锋利刀口和有少许韧性的工具。适于制造切削 条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋 利刃口的各种工具，也可用作不受较大冲 击的耐磨零件 。 4.2 钎套形状设计 挤压件的工艺性对挤压件的质量、模具寿命和生产效率有很大的影响。 4.2.14.2.1 挤压件的形状设计原则挤压件的形状设计原则 1 挤压工件横断面尽可能保持对称，侧面应保持平直，不得有凸出或凹进的形状。 2 反挤压或复合挤压时底部厚度不应小于壁厚。在内孔底面制成斜面，以利于金 属流动并降低挤压力。 3 挤压过度的截面应避免尖角，因为尖角处金属流动困难，阻力升高，模具转角 处容易磨损和开裂。在允许和情况下尽量将尖角改为圆角，以利于金属流动。 4 多次挤压时要合理分配悉听各次的变形量，并考虑各次挤压的定位问题。 5 避免内锥体形状。挤压内锥体零件，模具寿命低。对此应加大余量，挤压后用 切削加工得到 。 6 零件径向应尽量避免有幅板、十字筋或局部凸出等形状。因为成形这此形状时， 金属流动非常困难 。 7 避免挤出阶梯变化小的零件。当阶梯变化小时，用切削加工方法做出阶梯比较 有利。但当阶梯的直径较大时也可挤压阶梯。 8 避免零件壁上有环形槽。挤压时不能做出凹槽，可在挤压加工后用切削加工方 法加工 。 9 避免挤小而深的孔。零件有10mm 以下的深孔（一般孔深大于直径的话1.5 倍） ，用挤压加工方法加工不经济，这类孔可在挤出后钻出。 10 避免侧壁有径向孔 4。 设计挤压件形状时应考虑的因素 工艺性 ： 挤压工艺性好，成形容易 模具结构 ：模具结构简单，加工制造容易 材料利用率 ：切削加工部位少，余量小，耗材低 工艺力 ：挤压工艺小 成形工序 ：所需的成形工序和中间退火次数少 挤压设备 ：对挤压设备的要求 质量 ：质量和精度容易控制和保证 6 成本 ：生产成本低 图 4-1 钎套零件图 挤压件是适合挤压成形的零件，应依据产品零件图，考虑依据产品零件图，考 虑压力工艺和机加工工艺的要求进行设计。钎套是凿岩工具中的配件，其结构见图 1，其材料为 t10 碳素工具钢。从零件结构上看，其内部孔的结构复杂，变形程度 较大，故采用变形抗力较小的温挤压塑性工艺成形。这样即保证了零件的强度的质 量，又简化了软化退火热处理工序，压力机吨位也减小了，且钎套属于轴对称零件， 生产手手批量较大，为了提高材料的利用率，并使材料的力学性能得到提高，采用 温挤压加工钎套，具有较好的技术经济效益 4。 4.3 下料 使用剪切模下料。 剪切下料的特点：利用剪切模具或型剪机进行下料没有材料损耗，是最有效、 节约的下料方式。剪切坯料的形状和尺寸精度高，可满足一般温挤压的要求。 剪切下料又可分为冷剪切和热剪切两种。为了减少剪切时的工序以及提高剪切 后棒料的端面平整度，在此选用冷剪切进行下料 温挤压坯料的形状应该根据零件相应横断面积来确定。一般旋转体及轴对称多 角类零件可以选用圆柱形坯料，毛坯用料为实心棒料，下料前先计算坯料长度。毛 坯的体积按体积不变条件计算，并应加上修边量，即： vo= vp +vs =92692mm+3708mm 7 =96400mm 式中： vo 是毛坯体积（ mm） ，vp 挤压件体积， vs 是修边量体积vs 取 3%5%的 vp。 毛坯的切断长度为： =/ 0 h 0 v 0 a =96400mm/438 =85mm 式中：为坯料的长度（ mm）为坯料的横断面积 (mm)，根据市的供应情 0 h 0 a 况，坯料的规格为38mm85mm。 4.4 镦粗 用剪切模制备坯料时， 剪断的坯料端面比较粗糙，端面与中心轴线不能保持 垂直，有一定的斜度。因此坯料在剪切后， 一般用镦平模 将坯料端面压平后再 进行挤压镦粗后，坯料规格为：41.5mm71.3mm 冷镦力计算公： p=pf=0.785pd。 式中 p 为单位挤压力，钢材取10002000mpa，变形程度大时取上限，变形 程度小时取下限。 f 为镦粗后工件的横断面积 (mm),d 为工件镦粗后直径 (mm)。冷镦力 p=1352 kn，考虑安全系数，选设备：偏心式压力机j87-1605。 4.5 温挤压前润滑 由于挤压时的单次变形量很大，金属与模具接触面上的单位正压力极高，相当 于金属变形抗力的310 倍，甚至更高。在此条件下，变形金属的表面发生剧烈 的更新，从而使金属黏结工模具的现象严重。为了减少或消除这种现象的出现，在 挤压时一般要采用润滑剂。温挤压前工序之间不需要进行软化退火处理，只需进行 表面处理及润滑。润滑剂在温挤压过程中能提高模具寿命和产品成形率，但润滑剂 不同所表现的效果也不同。对润滑剂有如下要求： (1)可耐 2000 mpa 以上的高压。 (2)能覆盖温挤压时形成的大片新生表面。 (3)尽量保持低的摩擦系数。 (4)应具有足够的热稳定性、耐热性和绝热性，在温挤压时仍能保持很好的润滑 效果，良好的绝热性可防止坯料与模具接触时温度急剧降低，也避免模具温度升得 太高，有利于提高模具寿命。 8 (5)要保证有较好的湿润性(即成膜性 )，能均匀地扩散到坯料与模具表面，形成 均匀而牢固的润滑膜，并应具有一定的冷却性能，在连续高速成形时有利于提高模 具的使用寿命。 (6)在加热温度范围内，有足够的黏度和附着性能，能均匀地粘附在毛坯或模具 表面上，而不形成堆积的薄膜。 (7)化学稳定性好，保证温挤时不分解，不氧化变质，无毒，无公害，对产品和 模具没有腐蚀作用。 当挤压温度在 250以上时， 采用冷挤压时的润滑方法，会使磷化层和皂化 层烧毁，使润滑条件恶化，因此，在温挤压时，对润滑剂有更高的要求在 600800范围内，采用水剂石墨(成分：石墨、二硫化鉬、滑石粉、纤维素和水) 为润滑剂。 挤压前将坯料作喷砂或抛丸等处理，清理锈迹、污垢等。然后加热至 200 左右， 出炉浸入水剂石墨润滑剂中，快速捣匀，吊起沥干残液，在干燥处摊 开晾干。干燥后的坯料即可进行加温挤压。浸涂润滑剂后的坯料表面必须留有 0.030.1mm 厚的薄膜， 呈黑炭色，并有明显的黑灰色小点，若不然必须重新浸 涂。 4.6 温挤压温度的确定及毛坯的加热 成形温度是温挤压工艺能否顺利进行的关键因素。确定温挤压成形温度的原则是： (1)选择在金属材料塑性好、变形抗力显著下降的温度范围。 (2) 选择在金属材料发生剧烈氧化前的温度范围，以保证在非保护性气氛中加 热时氧化极微。 (3)能使所用润滑剂能达到最小摩擦因数，不因高温或低于其使用温度而失效。 (4) 选择在金属材料成形后能强化和不改变其组织结构的温度范围。 图 4-2 为 t10a 加工温度与变形抗力的关系，可知在 300450之间 出 现上升峰值， 这一区间就是蓝脆区，下降较为剧烈。为了降低变形力，加热温度 应高于蓝脆区。 为满足挤压时对钢塑性的要求， 在温挤压高强度的材料时往 往选择在钢的相变温度进行挤压。在相变区挤压， 即铁 碳平衡相图 acac线之间挤压，此时很多高强度钢及合金在相变区内正处于珠光体向奥氏体 转变，塑性好，变形抗力小，有利于挤压成形。t10a 的温塑性变形温度通常 在 650750之间，高于 750时工件的氧化变得剧烈，低于 650时工件的 变形抗力迅速增大。 由于工件的变形程度较大，故将温挤压温度定在700 在这温度下 t10a 的变形抗力为常温下的 10 氧化极微。考虑到加热温度的波动， 最终将挤压温度定为(70020)8。 9 图 4-2 t10 的温度曲线 坯料加热后的直径可按公式： t d 0(1 ) tt dd 式中：温室时毛坯直径 0 d 材料的线性膨胀系数， t坯料高于室温的温差， 查表得 t10 的线性膨胀系数为13.510 其中挤压定为720，室温为 20 则 =38（1+0.0095）=38.3mm t d 5 温挤压成型 5.1 断面变形程度的计算 钎套温挤压件的断面变形程度： 10 01 0 () 100% f ff f 式中； fo 为温挤压变形前毛坯的横断面积(mm) 为温挤压变形后制件的横断面积() 1 f 01 0 () 100% f ff f =(1422-985)/1422 100% =31% 在 700时 t10a 的许用变形程度为60%，因此可一次成形。 5.2 温挤压压力 温挤压压力大小对温挤压变形工艺的制定、压力机的吨位的选用、模具结构的 设计以及对模具寿命的影响等，都有有很大的作用。 5.2.15.2.1 影响温挤压压力的因素影响温挤压压力的因素 与冷挤压一个样，影响温挤压压力和因素也很多，其主要有化学材料成分、组 织状态、变形程度、挤压方式模具结构、挤压件形状尺寸及加热温度。 除了加热温度以外，其它影响因素与冷挤压因素相似，随着温度的升高，挤压 变形抗力逐渐下降，温挤压力也明显下降。 与冷挤压相比，低温温挤压变形抗力要降低于15%，中温或高温温挤压变形 抗力要下降 50%70%，由此可见，温挤压压力较冷挤压有明显的下降，这对于挤 压加工硬化敏感材料更为突出。 5.2.25.2.2 温挤压压力的计算温挤压压力的计算 温挤压压力计算有图算法和公式计算法，由于公式计算法相对方便一点，在此 就用公式计算法，用理论计算法求得温挤压时的单位挤压力的精确值是比较困难的， 在生产实际中一般用经验公式 9， 5.2.35.2.3 反挤压压力计算反挤压压力计算 t10 温挤压单位挤压 t10 在 700的变形程度为60%，所以由上表可以查得此时的单位挤压力为了 1090mpa。则总挤压力由公式： p=pf =109038.36 4 =1259718n =1259.7kn 11 6 温挤压模具设计 6.1 模具材料的要求及选用 温挤压模具在挤压成形过程中%要经受高压及变形的作用，在连续生产时模 具温度可达 300500或更高。 因此作为温挤压模具材料应具备如下特点。 (1) 模具温升后模具材料的屈服强度应高于挤压时作用在模具上的单位挤压力。 (2)模具材料除具有高强度“高硬度 “一定的韧度外， 还应具有高的热硬性“ 高温耐磨及耐热疲劳性。 (3)模具材料的热膨胀率要小，热导率要大%比热容也要大。 (4)制造工艺好，有利于热锻“热处理及切削加工等。 凸模对抗压性能有很高的要求，而且温度可300500或更高，故选用 w18cr4v 高速 w18cr4v 具有较高的变形抗力“ 耐磨性及断裂抗力。有很高的热 硬性，热处理硬度要求达到5063hrc。 凹模对耐磨性有较高的要求， 一般需用组合凹模。凹模选用 yg20 硬质 合金，其加热到800时还能保持高的热硬性和耐磨性。 yg20 硬质合金冲击 韧性很差，性脆、易开裂，所以选用三层组合式凹模结构见图 4，内预应力圈 与凹模和外预应力圈是过盈配合， 内预应力圈的材料必须具有足够的强度与韧 性，选用 cr12mo，热处理硬度达到6062hrc，外预应力圈选用 45钢。这 样提高了凹模的强度，延长了模具的寿命， 还可以减少昂贵的高级模具材料的 消耗，大大地降低模具成本。 6.2 模具结构 温挤压成形用的模具， 要能承受温挤压塑性成形时引起的较大轴向压力和径 向压力， 要求其强度高，刚度和精度都能适用各种成形工序的要求，尤其是模架， 要通用性好，便于安装、调整与更换。温挤压模具的结构设计如图3 所示。 工作部分由凹模、凸模和下顶出器组成。在开始温挤压之前应使用喷灯或在模具工 作部分放上烧红的钢块进行预热， 使模具工作部分具有约 150300的温度。 每次温挤压以后，用压缩空气冷却凸凹模等工作部分，并增加每次温挤压工序之间 的间隔时间 10。 6.3 工作零件的设计 正确选择凸、凹模工作部分尺寸和形状，可以保证模具有较高的寿命，降低挤 压力，同时有利于挤压时金属的流动成形。 12 6.3.16.3.1 反挤压凸模反挤压凸模 反挤压凸模一般由夹紧和成形两部分组成，当反挤压凸模在挤压时靠模口导向时，则 还需增加导向部分。 图 6-1 温挤压模具结构 1、反挤压凸模形式 合理的反挤压凸模成形部分形状和尺寸，可以有利于金属的流动， 降低单位挤压力，从而提高模具的使用寿命。按反挤压凸模成形部分的形状不同有三种常 用形式，图 4 中的尖顶锥形凸模，斜角越大则单位挤压力越小，生产中一般斜角为 59。但是斜角越大，当毛坯表面不平时，挤压时凸模要歪斜，造成零件壁厚不均匀。平 底凸模用于挤压件内孔要求平底或单位挤压力较低的场合。因此我们选用尖顶锥形凸模。 反挤压凸模的有效工作部分是图中高度为 h 的圆柱形表面，称之为工作带，工作带以 上的凸模直径略小些，工作带的作用有以下三点： （1）减小凸模与挤压金属的接触面积，可大大降低摩擦阻力； （2）防止挤压结束时，挤压件粘在凸模上； （3）挤压时，不会由于凸模工作带以上部分的弹性变形而产生的直径增大，影响挤压 件内孔的尺寸精度。 工作带又称为定径带，是模具中垂直模具工作端面并保证挤压制品的形状、尺寸和 13 表面质量的区段，也是模孔重要的组成部分。 正确选择工作带长度，有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性。工作带长度的 选择应根据挤压机的结构形式（立式或卧式）、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等 因素来确定。若工作带长度 太长，则挤压金属残料易粘结在工作带表面，使制品表面出现 划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷，同时增大模具与被挤压金属的摩擦力，金属流 速变慢，增大挤压力等现象；若工作带长度 过短，则会加快模孔的磨损，使制品尺寸不稳 定，出现超差现象，且因金属流速较快致使制品断面各部分金属流动不均匀而形成波浪、 扭拧、弯曲等缺陷。 工作带合理长度的确定原则如下： （1）按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定的最小值。一 般来说，工作带的最小值为 1.53.0mm。 （2）根据挤压时金属与模孔工作带最大有效接触宽度来确定工作带长度的最大值。超 过此值的那部分工作带，就将失去塑性成形的定径和调节金属流速的作用。 （3）挤压型材的模具工作带长度取值时，应视情况不同而有所区别。例如，一些简单 断面实心型材，如等壁厚角形、丁字形、工字形之类，模孔各部位的工作带长度可以是相 同的，一般取值为 ；而对于建筑型材，因挤压比大，挤压速度快，制品长度较长，即使是 等截面等壁厚的情况，模具工作带取值也应不相同，要参照生产实际经验确定。 6.3.26.3.2 反挤压凸模尺寸参数设计反挤压凸模尺寸参数设计 反挤压凸模所受到的单位挤压力比正挤压时大。同时由于坯料放 偏斜或坯料端面不 平整，会使凸模在反挤压时受到偏心载荷而弯曲折断。所以其工作条件比正挤压凸模更为 恶劣，因此必须合理设计和正确选择反挤压凸模的尺寸参数11。 反挤压凹模各部分尺寸参数的确定如下 反挤压凸模尺寸参数设计计算 工作带高度 h 23mm 底部平坦部分直径 0.5d 锥顶角 727 非工作部分直 d1 （0.970.98）d 斜面与工作带交接处 r0 0.51.5mm 斜面与平坦部分交接处 r 0.81.8mm 定位直径 d2 (1.21.4) d 定位高度 h2 (0.60.7) d 支承部分直径 d3 (1.41.6) d 支承部分高度 h3 (0.51.0) d3 支承部分锥半角 515 支承锥面与 d2交接处 r1 1.0d2 d 与 d2交接处 r2 2.0d 14 d 与 d1交接处 r3 1.5d 依据上表可得出突模的尺寸参数如下： 工作带直径： d=25mm 工作带高度取： h=4mm 锥顶角取 9 度： 非工作部分直径： d1=0.98d1=0.9825=24.5mm 斜面与工作带交接处： r0=1mm 定位直径： d2=1.4d=1.425=35mm 定位高度： h2=0.7d=0.725=17.5mm 支撑部分直径： d3=1.5d=1.525=37.5mm 支撑部分高度： h3=1.0d3=37.5mm 支撑部分锥半角度 10 度： 6.3.36.3.3 反挤压凸模防止失稳措施反挤压凸模防止失稳措施 反挤压凸模的成形部分长度 h1 应当越短越好，这样可以避免凸模在挤压时产生纵向弯 曲而失稳。 凸模的成形部分长度按照经验数值，其许用范围如下：h1/d12.53。 图 6-2 凸模 6.3.46.3.4 反挤压凹模反挤压凹模 组合凹模的优点是： （1）显著地提高内凹模在挤压时的承载能力，提高内凹模的强度。 （2）节省了昂贵的模具钢。原来整个凹模要用高级合金工具钢制成，现在仅内凹模用 15 高级合金工具钢即可，预应力圈可改用较差一些的合金钢或中碳钢来制成。 （3）由于内凹模尺寸小，热处理容易，提高了模具钢热处理的质量，同时小尺寸规格 模具钢的碳化物偏析情况得到改善，提高了模具钢的原始材质。当内凹模损坏后，仅需调 换内凹模，预应力圈仍可继续使用。 (4)内凹模可以采用硬质合金，大大地延长模具使用寿命。硬质合金呈脆性、抗拉性能 差，其不可能作为整体式凹模的材料。但当组合凹模设计得使内凹模内壁在挤压时完全没 有切向拉应力或切向拉应力较小时，硬质合金就能作为内凹模的材料充分发挥其硬度高、 极耐磨的特点，可广泛地应用于大批量挤压的场合 反挤压凹模形式 根据零件的形状、尺寸、精度及材料种类不同，反挤压凹模也有各种形式。一般反挤 压凹模有成形和顶出两部分组成。在挤压外壁粗糙度较低，同时壁厚精度较高的有色金属 零件时，可以采用在凹模口部设置盛料腔，挤压时，凸模先以略为减径的方式将坯料压入 成形型腔，然后再进行反挤压。这样可以减小坯料与成形型腔之间的间隙，同时坯料外周 表面也通过减径挤压而粗糙度大为降低，并且盛料腔又可起到模口导向作用。图 5 为其他 一些常用反挤压凹模形式。图 a图 d 用于有色金属薄壁件反挤压，挤压后工件不会卡在凹 模内，所以不需要顶出装置。其中图 a 为整体式，其特点是结构简单、制造方便，缺点是 转角半径 r 处容易开裂下沉。图 b 也为整体式，但凹模型腔底部有 25斜度，挤压时有利 于金属流动。图 c、图 d 为分割式凹模，寿命比整体式凹模长。图 c 为纵向分割式凹模，其 镶块在装配前与凹模为过盈配压，压入预应力圈后，其过盈量将更大，这样可以避免在角 部产生毛刺。图 d 为横向分割式凹模，为了避免挤压时金属材料钻入上下模的贴合面，贴 合面也要像前述正挤压横向式组合凹模一样，要有特殊的要求。生产实践证明，就是象纯 铝这样流动性好的金属也不含钻入拼缝中。同时，上下凹模应有较高的制造精度，以避免 挤压件底部产生联接痕迹。图 e、图 f 均带有顶出装置，以适用于黑色金属或厚壁工件的反 挤压。图 e 适用于工件底部外形呈尖角的反挤压件，图 f 适用于工件底部外形呈一定圆角 半径的反挤压。如果工件底部要求平整，其顶杆的高度要略高出凹模型腔底平面，以抵消 挤压时顶杆长度由于弹性压缩变形而缩短顶杆的高出量根据材料和变形程度的不同而有所 区别。 a b c 16 d e f 图 6-3 常用凹模形式 在温挤压的生产实践中，人们经常发现，如果整体式凹模在挤压中受到的单位挤压力 较大时，往往导致凹模向外扩展而产生切向开裂，如图 6-20 所示。为了提高冷挤压凹模的 强度，确保凹模在较大的单位挤压力下有较长的使用寿命，一般均采用预应力组合凹模结 构形式。所谓组合凹模就是利用过盈配合，用一个或两个预应力图将凹模紧套起来而制成 的多层凹模结构。 根据单位挤压力大小，冷挤压凹模可采用三种类型，即：整体式凹模图 a，两层组合 凹模图 b，三层组合凹模图 c。其中左半图为末压合前，右半图为压合后。 为了提高反挤压凹模使用寿命，节省模具材料，一般反挤压凹模都采用组合凹模形式， 内凹模外面加压上预应力,预应力组合凹通过外套对内圈施加预应力，使温挤压所收起的切 向拉应力被迫预压时产生的切向压应力部分或全部抵消，从而提高的模具强度。通常 3 层 组合凹模是整体式凹模的 1.8 倍。 6.3.56.3.5 组合凹模尺寸计算组合凹模尺寸计算 组合凹模尺寸计算首先要确定凹模的形式，即采用整体式还是采用两层或三层组合凹 模；其次要确定组合凹模内凹模和各层预应力圈的直径；最后决定内凹模和各层预应力圈 的径向过盈量和轴向压合量。预应力组合凹模公内圈采用硬质合金，中外圈采用一般材料， 从而结省了昂贵材料。由于其凹模尺寸较整体式要小，从而提高了热处理的质量。凹模损 坏后，不不必调换外圈，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，整体式凹模强度不够的情况下使用。 （1）凹模形式的确定 在设计组合凹模时，根据内凹模使用材料可分为两种情况： a、一般工具钢制成的内凹模，有足够的抗拉强度，允许在一定的拉应力状态下工作。 当单位挤压力 p1100mpa 时，可采用整体式凹模。当 1100mpap1600mpa 时，可采用 两层组合凹模（即具有一层预应力圈）。当 1600mpap2500mpa 时，可采用三层组合凹 模（即具有两层预应力圈）。 b、硬质合金作为内凹模材料，由于抗拉强度很低甚至为零。设计时就必须设定其不允 许在拉应力状态下工作。当 p1100mpa 时，采用两层组合凹模；当 1100mpap1900mpa 时应采用三层组合凹模。整体式凹模在这种情况下没有使用价值 12。 (2)组合凹模各圈尺寸确定： 17 凹模的总直径比 a 一般取 46 的数值，但对于多层组合凹模而言，中间各圈直径的 确定必须合理，否则会影响凹模的强度。 反挤压内层凹模尺寸确定，一般内凹模型腔尺寸参数见图 6-17，其尺寸计算见表 6-3。 对于要求不高的反挤压件，为了减小挤压时金属流动的阻力，同时也为了送料和取料的方 便，凹模内孔可略带锥度，一般单边斜度为 1020。凹模型腔抛光至 ra0.2m，使挤 压时金属阻力减小到最低限度。 查表： 凹模入口处圆角半径： r=3mm 凹模型腔高度： =82.3mm 2 h 顶件部分高度： =d=68mm 1 h 凹模总高度： h=2.5=170mm 2 h 型腔转角处圆角半径： r=2mm 内应力圈内径： =68mm 2 d 内层预应力圈外径： =108.8mm 3 d 外层预应力圈： =174.8mm 4 d 预应力圈倾角： =2 （3）三层组合凹模径向过盈量 、3 与轴向压合量 c、c的确定： 在决定了三层组合凹模的各圈直径之后,便可查出径向过盈系数 与轴向压合系数 , 然后按下式计算径向过盈量、与轴向压合量 c、c 2 u 3 u 由挤压模具简明设计手册查表 6.30 得 =0.2004 =0.0106 =0.12 =0.006 2 2 3 3 =d=0.7208 ， 2 u 2 c=d=13.87 2 =d=0.6528， 3 u 3 =d=13.056 3 c 3 式中： 、d、d处的径向双向过盈量（mm）； 2 u 3 u 、 d、d处的轴向压合量（mm）； 2 c 3 c 、d、d处的径向过盈系数； 2 3 、d、d处的轴向压合系数； 2 3 6.3.66.3.6 组合凹模的压合工艺组合凹模的压合工艺 根据组合凹模过盈量的大小及具体的生产条件，选用适当的压合工艺。目前在生产实 践中主要有以下三种方法： 18 1、热压配合法 先将外圈加热后再套到内圈上，利用热胀冷缩的原理使外圈在冷却后 将内圈包紧，也俗称为“红套”。采用这种方法，各圈的配合面均为圆柱面，加工容易。 但当预紧过盈量较大时，预应力圈的加热温度可能高于材料的回火温度（一般回火温度为 500600），就会使材料的硬度下降，缩短凹模的使用寿命。外圈加热选择的热膨胀变 形要比实际所需的热膨胀变形大 10。对于加热温度高于 450时，必须采用防氧化措施。 因此热压配合法仅适用于小过盈量的压合。 2、冷压配合法 采用干冰或低温处理装置将内凹模冷却，然后再将预应力圈套在内凹 模外。这种方法各圈的配合面也均为圆柱面。由于冷却温度有一定限制，该法也仅适用于 小过盈量的压合。 3、常温强力压合法 常温强力压合时各圈的配合面均为锥面，锥面配合斜度 一般 采用 130，不宜超过 3，否则在使用过程中会自动松脱。各圈配合面要有 70以上的面 积相贴合，否则将造成预紧力达不到要求而使得内凹模开裂。 三层组合凹模压合时，各圈的压合次序是自外向内，即先将中预应力圈压入外预应力 圈中，再将内凹模压入中预应力圈中。压出次序则相反。 压合后的内凹模的型腔尺寸有所收缩，必须进行修正，也可以对收缩量进行理论计算 或凭经验数据，预先把收缩量计入，以便压入后内凹模型腔尺寸为所需的尺寸。 常温压合法一般在油压机上进行，压合时必须采用一些必须的防护装置，如有机玻璃 挡板，以保证操作者的安全。 图 6-4 凹模 6.3.76.3.7 顶杆设计顶杆设计 反挤压顶件在挤压中直接承受较大的单位挤压力，设计时应考虑其有足够的强度，同 时为了使较大的单位挤压力能和缓地传递给下压力垫板，其支承部分的直径应适当放大， 挤压黑色金属冷挤压件用的顶杆，其杆部直径一般比凹模型腔直径小 0.1mm，这样既不 1 d 会产生很大的纵向毛刺，又能使顶部及时退回便于送料。其支承部分直径 d=(1.31.5) 19 ，过度圆弧应尽可能大。图 7 顶杆是考虑到其因弹性变形而产生横向变粗而卡死在凹模 1 d 内，顶杆与凹模顶出孔配合部分不做成直径相同的圆柱体。顶杆仅在直径=d2(凹模顶出 1 d 部分孔径)、高度 h=510mm 处与凹模顶出孔配合，以下做出一定的退让量：=- 1 d 2 d 1 d (0.51)mm。如在挤压有色金属时，要求不产生纵向毛刺，顶杆与凹模顶出部分孔径的配 合可采用基孔制间隙配合。 顶件上端面在挤压时，其中心处的单位压力最大。如挤压件下端面的平整度要求高时， 可以在顶杆上端面做成圆锥面，如图 7 所示，其顶部中心处高出 0.050.1mm，这样可以 抵消单位挤压力造成的弹性变形，以确保挤压件得到平整的底平面13。 图 6-5 顶杆 7 卸件和顶出装置设计 挤压结束后，挤压件由于弹性变形的恢复，有可能紧包在凸模上，也有可能卡在凹模 型腔内，需要将挤压件卸下或顶出。将挤压件从凸模上卸下的装置称为卸件装置，将挤压 件从凹模型腔内顶出的装置称为顶出装置。 7.1 卸件装置 当凸模向下运动进行挤压时，卸料板下面的弹簧被压缩。当挤压结束后凸模向上运动 时弹簧恢复，使卸料板与固定螺栓的螺母端面相靠紧。凸模继续向上运动时，挤压件碰到 卸料板被卡下。这种结构可以减小凸模的长度。装在卸料板内的卸件环经热处理淬火，提 高其耐磨性，延长卸料板的使用寿命，同时使卸料板具有通用性，通过更换卸件环来满足 20 不同尺寸挤压件的需要。黑色金属反挤压件的壁部较厚，一般选用整体式卸件环。 还有一种采用固定卸料板进行刚性卸料,如图 8 所示。此形式结构简单、卸料力大、动 作可靠,多用于工件尺寸不大,浅形杯形反挤压件。图 a 用支杆支承;图 b 用套管支承。 图 7-1 卸料板的固定方式式 7.2 顶出装置 如果挤压件卡在凹模内,就需要专用的顶出装置将之顶出。顶出装置一般装在下模部分。 如压力机上没有专用顶出机构,就需要设计如图 9 那样的顶出装置，通过安装在上模板上的 反拉杆,当上模回程时带动顶板、顶杆、推动顶出杆顶出挤压件。当压力机备有专用顶出机 构,模具的顶出装置就较简单常见的顶出装置主要有三种基本类型：(1)垫块顶料；(2)顶杆顶 料；(3)套筒顶料。垫块顶料其利用装在凹模型腔中的扁形垫块和顶杆将挤压件从凹模内顶 出。 这种顶出形式结构简单,便于加工,节省材料，但顶出挤压件时有可能将垫块一起顶出 凹模。顶杆顶料见将顶料杆安置在下凸模中，这种形式用于大型正挤压的空心或筒形件。 图 b 用于杆径较小的长杆形件的正挤压，为了便于加工和更换方便，将顶料杆 2 做成圆柱 形,镶在顶杆 5 的凹窝内。这种结构使用可靠、调整方便、经济耐用。图 c 是使用得最为广 泛的顶出装置,结构简单,使用方便,不仅用于正挤压和反挤压,也可用于复合挤压模具。还有 为套筒顶料方式。套在下凸模上的具有粗大端部的筒状环形顶出器兼有从下凸模上卸料和 与凹模中顶出的双重功能,主要用下部带孔零件的卸料和顶出。该装置借助下部三个均布的 圆柱销带动环形顶出器,将挤压件从凹模中顶出14。 8 导向装置设计 为了保证冷挤压时凸、凹模的同心度要求，减少因偏心负荷所产生的弯曲力矩而损坏 凸模，并提高温挤压件的精度，一般在温挤压模具上,都设有必要的导向装置。 21 8.1 导向方法 常用的温挤压模具的导向方法主要有导柱导套导向、模口导向和导筒导向。由于导柱 导套导向精度高，安装方便，使用寿命长，其应用得最为广泛，在此我们就用这种导向方 法。 8.2 导柱导套导向装置 8.2.18.2.1 导柱导套布置形式导柱导套布置形式 温挤压模具的导柱导套布置方式有（1）双导柱中间布置；（2）双导柱对角布置； （3）四导柱封闭布置。其中四导柱封闭布置适用于模板面积较大，受力不均匀有偏心载荷 的场合，是冷挤压模具中采用得较多的一种布置形式。 8.2.2 导柱导套紧固方法 1、导柱导套与模板的紧固方法主要有三种： （1）基孔制过渡配合。该方法采用压板螺钉将导柱、导套紧固在上、下模板上， （2）基孔制过盈配合，将导柱、导套直接压入上、下模板。（3）采用低熔点合金、 环氧树脂或无机粘结剂将导柱导套直接紧固在上、下模板上。在此我们选用第一种紧固方 法，如图 9。 2、导柱导套尺寸 为了克服挤压时可能产生的偏心负荷，导柱导套的刚性要尽可能设计得高些。根据模 具的结构，导柱直径 d 一般取 4060mm，有时压入模板长度 l 不得小于 1.5d，总长度 l 一般按模具的结构尺寸来确定，但必须保证凸模进入凹模之前，导柱伸入导套 10 mm 以 上。导套内孔径与导柱直径 d 的配合为基孔制间隙配合。由于导套压入上模板后其内孔 0 d 要略有缩小，因此尺寸应比导柱直径 d 大 0.5 mm 以上。导套压入段的长度 l 及其外径 d 1 d 不得小于 1.5d；导向段长度（l-l）（23）。 0 d 导柱直径： d=40mm 压入模板长度： l=1.5d=60mm 导向断长度： =2.5=100mm 1 l 0 d 22 图 8-1 导柱导套的固定方式 滑动式导柱导套在工作时为了保持良好的润滑状态，要在导柱或导套上开油槽，以便 贮存润滑油。当挤压件精度要求高时，可采用滚珠式导柱导套来确保上、下模更高的导向 精度。 导柱导套材料常用渗碳钢来制造，经表面渗碳淬火处理，以保证其表面硬度高而耐磨 性好、同时其芯部又有较高的韧性。导柱导套相配合部分的表面粗糙度不高于 ra0.2m。 9 模架的选择 依据凹模的最大直径为 1