机械毕业设计-隔环的挤压工艺分析及模具设计.docxVIP

中北大学分校毕业设计隔环的挤压工艺分析及模具设计摘要：隔环是一种常见的机械零件，广泛用于阀门、泵、变速箱、汽车、拖拉机上起到密封、防漏、垫片的作用。它是一个圆形的普通零件，其尺寸精度根据其不同的用途而有很大的差异。本设计通过对工件挤压工艺进行分析，拟采用落料表面润滑处理冷挤压冲去连皮的工序，以保证工件成形后的使用要求。其中，冷挤压工序是该零件成型过程中的关键，它需要精确计算挤压力，还要考虑金属的塑性及流动性对挤压成型的影响。在设计中，对各工艺过程中的工艺力及其它相关参数进行了计算，设计了各工序的模具，并绘制了各工序的模具图和装配图。关键词：隔环，冷挤压，表面润滑处理，冲压，装配图The extrusion process analysis and mold design of the Septum ringAbstract：Septum ring is a kind of common mechanical parts ,widely used in valve ,pump ,gear-box ,car and tractor to act as airtight ,anti-leak,and sealing gasket. Septum ring is a common round parts, it s dimensional accuracy according to its different purposes and there is a big difference. By analysing the extrusion technology of this workpiece we decided adopt the following process to finish this design. We begin with blanking,then surface lubricate treatment ,cold extrusion and finally rushed the skin to ensure the septum ring we made fulfill the request of our user. among all the process cold extrusion is the most important one . we not only need to calculate the precise extruding force of this process,but also need to consider the influence of the metals plasticity and fluidity when extruding. In the design of each process,the technology force and other related parameters are calculated. in the mean time ,I have finished the mold-design,parts drawings and assembly drawings of every process.Key words : septum ring , cold extrusion , surface lubricate tratement , stamping , assembly drawings .2目 录1前言11.1挤压的概述、分类、特点及运用范围11.1.1挤压的定义:11.1.2挤压的基本方法11.1.3挤压的分类11.1.4冷挤压加工的特点及运用范围21.2挤压技术的历史与发展21.3我国挤压技术的发展情况32冷挤压工件的工艺分析42.1材料性能42.2零件挤压的工艺分析42.2.1零件的尺寸及公差42.2.2零件挤压成型的设计难点52.3工艺方案的确定53.3.1相对变性程度A的计算53主要的工艺参数计算及工序的确定73.1坯料的原始尺寸及重量的确定73.2毛坯的制备83.2.1下料83.3 表面润滑处理83.4挤压力的计算93.4.1用公式计算法进行冷挤压力的计算93.4.2用图算法进行挤压力的计算103.5冷挤压设备的选择103.5.1冷挤压对设备的要求103.5.2确定压力机的类型及型号113.5.3做功校核114冷挤压模具的设计124.1.1正挤压凸模的设计124.1.2顶出杆的设计144.1.3正挤压凹模的设计154.1.4组合凹模的压合工艺184.2导向装置的设计184.3压力垫板的设计194.4模架的选用194.5冷挤压模具材料的选定205冲压的工艺分析及模具设计215.1工艺分析及工艺方案的确定215.3模具工作部分尺寸和公差计算225.4冲裁力的计算235.5冲裁凹模的设计计算245.5.1凹模孔口形式的选择245.5.2凹模的主要技术要求255.6固定板的设计计算265.7卸料板的设计计算265.8.1凸模的类型265.8.3凸模材料285.9垫板的设计285.10模具其他零件的结构尺寸285.10.1选取模架285.10.2导柱导套的参数选择295.11压力机的选择与校核305.11.1压力机的参数305.11.2校验模具的闭合高度315.12模柄的选择316 结论32参考文献34致谢35II1前言1.1挤压的概述、分类、特点及运用范围1.1.1挤压的定义:挤压是对放在模具模腔(或挤压筒)内的金属坯料施加外力,迫使金属从模孔中挤出,或金属在固定的模腔内形成所需的断面形状,尺寸并具有一定的力学性能的挤压制件的塑性加工方法。挤压变形的特征是由大截面向小截面的变形。1.1.2挤压的基本方法 正挤压 挤压时金属坯料流动方向与凸模的运动方向相一致. 反挤压 挤压时金属坯料的流动方向与凸模的运动方向相反. 复合挤压 一部分金属坯料的挤出方向与凸模的运动方向相同,另一部分金属坯料的挤出方向与凸模的运动方向相反,是正挤压和反挤压的复合. 减径挤压 它是一种变形程度较小的变态正挤压法,坯料断面仅作轻度减缩. 径向挤压 挤压时金属流动方向与凸模的运动方向垂直. 镦挤复合法 它是将局部镦粗与挤压结合在一起的加工方法.1.1.3挤压的分类按照挤压坯料的温度分类： 冷挤压 一般指在回复温度以下挤压,对于黑色金属常指在室温中对料进行的挤压。 温挤压 将坯料加热到金属再结晶温度以下,回复温度以上某个适当的温度范围类进行的挤压。对黑色金属,又以600为界,划分为低温温挤压和高温温挤压。 热挤压 将坯料加热至金属再结晶温度以上的某个温度范围内进行的挤压。黑色金属的热挤压再结晶温度一般在1000以上,铝的热挤压温度则为450以上。严格的说,冷挤压和温挤压皆属冷压力加工范畴,是指在金属再结晶温度以下进行的挤压变形。1.1.4冷挤压加工的特点及运用范围（1）挤压加工的优点:挤压加工是一种可以降低原材料的消耗,材料利用率高达70%90%是工业化大生产中一种非常实用灵活的加工方法,它有许多的优点: 提高金属的变形能力 提高制品的综合质量 节约原材料 产品范围广 生产灵活性大 工艺流程简单,设备投资少 能够得到强度大,刚性好而质量轻的零件,提高金属的强度指标 所加工出来的零件精度等级高,表面粗糙度值底 节约能源,工作环境得到较大改善（2）冷挤压存在的主要问题: 由于冷挤压的以上优点,它被大范围的用于工业生产中,但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。由于变形抗力高,所以导致以下的缺点: 模具容易磨损,易破坏 对挤压设备要求高,吨位要大 对所加工的原材料要求要高 挤压前坯料处理复杂 工艺流程设计技术水准较高从上述分析可以看出,冷挤压加工具有“高产、优质、低消耗”的优点,在技术上和经济上都有很高的实用价值。目前,已在机械,仪表,电器,轻工,宇航,船舶,军工等工业部门中得到广泛的运用,已成为金属塑性成型技术中不可缺少的重要的加工手段。1.2挤压技术的历史与发展 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制弹壳,但未获成功,原因是当时还不可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.第一次世界大战后,德国人于1921年制造出冷挤压钢管专用的挤压机,经过近十年的研究及实验,直到1931年冷挤压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,当时用黄铜材料制造弹壳,因原料来源不足,满足不了战争的需求.为了扩大弹壳的生产量,德国秘密试制用冷挤压法生产钢弹壳,但一直未获成功,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,成功的用冷挤压方法生产大量的钢弹壳,当时在战场上引起了极大地轰动与震撼。第二次世界大战一结束,美国查明了德国人关于钢冷挤压的一切资料,并聘用德国专家,继续深入的研究钢的冷挤压,大规模的开办了用冷挤压法生产钢制弹壳和弹体的军工厂.第二次世界大战以后冷挤压开始由军用转向民用化。从1949年开始,美、德等国在民用工业中采用冷挤压法加工各种钢制零件,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的运用,现已成为一种重要的加工手段,遍及于各个工业部门。1.3我国挤压技术的发展情况在我国,解放前的冷挤压技术是很落后的。解放后随着我国工业生产及科学技术的蓬勃发展,冷挤压技术得到了迅猛的发展。并且冷加压技术在我国的工业化建设中起到了令人瞩目的成就。目前,我国已能对铝、锡、纯铜、无氧铜、黄铜、锡青铜、锌及其合金、纯铝、防锈铝、锻铝、硬铝、镍、可伐合金、泊莫合金、低碳钢、以及中碳钢等许多金属进行冷挤压,近几年还可以对轴承钢、高速钢进行一定变形量的冷挤压。综合来说我国的冷挤压技术的研究水平还是很高的,在冷挤压技术的推广过程中也曾达到非常发达的阶段,但由于我国工业制造业本身不是十分发达,冷挤压零件运用最广的汽车制造业不发达；缺乏专用的压力机；缺乏冷挤压专用钢种；国内冷挤压生产类企业分散,规模小,达不到规模经济。这都影响了我国冷挤压技术的发展及广泛的推广与运用。由上可知冷挤压技术的前期发展是从软金属到硬金属,从手工到机械化,半连续化,连续化的过程，未来挤压将更多的向小断面超精密型材与大型型材的挤压,等温挤压,水封挤压,冷却模挤压,高速挤压,静液挤压,粉末挤压,半固体金属挤压,多坯料挤压,超导材料的挤压方向发展。 2冷挤压工件的工艺分析2.1材料性能隔环零件所用的Q235钢属普通碳素结构钢，一般情况下这种钢是不需要热处理的，而在供应状态下直接使用。Q235含碳的质量分数在0.12%0.22%之间，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，主要用于制造工程构建及机械零件，如船舶、建筑构件、齿轮、轴、螺钉、螺母等。2.2零件挤压的工艺分析2.2.1零件的尺寸及公差根据零件高径比HD=1530=0.51.2 ，查它的极限偏差查重庆大学王晓培主编的冲压设计资料冷挤压的相关部分，第298页表6-8得：零件的外径D的极限偏差0.10。内径的极限偏差0.100.20。所以零件内孔的最大极限尺寸为：Dmax=ES+D=0.10+17=17.10mm ,最小极限尺寸Dmin=EI+D=-0.10+17=16.90mm 。外径的最大极限尺寸dmax=es+D=30+0.10=30.10，最小极限尺寸dmin=ei+D=-0.10+30=29.90mm 。图2.1 零件图2.2.2零件挤压成型的设计难点如何确保下料的准确如何保证挤压模具的强度,以及坯料良好的流动性和塑性如何准确的计算出挤压力,降低对挤压成型设备的要求尽量简化工艺流程,缩减生产成本2.3工艺方案的确定3.3.1相对变性程度A的计算为了保证挤压时不超出模具的许用单位压力,根据挤压单位压力与变形程度的关系,内孔径的一次成型范围应受最小和最大许用变形程度的限制。Q235反挤压时，最大许用变形程度应满足A75%。而我们根据零件图按反挤压筒形件实际计算得断面缩减率为：A=A0-A1A0100%=d12d02100%=172302100%=32.1%如上式计算我们可以看出,这个零件的变形程度非常的小,远远小于许用变性程度，挤压时变形抗力很小，在加之Q235有一定的塑性，在润滑充分的情况下一次挤压成型是完全没有问题,模具承压强度肯定不会超过250Kg/mm2,并且能够保证模具寿命在万件以上。由于零件的变形程度非常小,零件结构也非常简单, 还可以通过一次挤压成型，所以可用的挤压方式和方法比较多。但在挤压过程中不应该只注意断面缩减率这一个方面,综合考虑安全、经济、金属的流动的性能、和零件的综合质量等诸方面问题,我们选定以正挤压方案作为本次零件挤压成型的方案。在此方案中用正挤压成型,因为正挤压的挤压力相对来说比反挤压小一些,这对设备的要求就会低一些。在挤压这个零件我们准备选用棒料作为原始坯料,当然如果有壁厚达到要求的钢管挤压起来势必会更加方便,但根据实际及我国现有的钢料的规格,符合零件壁厚的管材没有,所以还是选择棒料作为原始坯料。实心棒料在挤压成空心件或管材件时,一次挤压成型在理论上是可行的,但在实际生产中及现有的模具制造技术及制造公差范围内是非常困难的,所以我们会选择在零件的中孔留下一层连皮,以防止在一次成型过程中上面的凸模与下面凸模直接接触而造成挤压力的陡然增大进而导致模具的破损及压力机的损坏，所以在此我们按杯型件挤压成型计算。先将其挤压成中间带连皮的杯型件，再冲去连皮。本着最大限度的实现经济利益,节约原材料及能源的原则。中心的连皮不能留的太厚,因为太厚就会造成这一部分金属的极大浪费,同时也会造成下一道工序即冲掉连皮时耗能过大。太薄在挤压成型的过程中会产生较大的变形力而会影响模具的寿命，所以综合考虑工艺可行性、安全性、经济性能的指标,我们选择中间连皮厚度为2mm。根据金属流动的特点,以及外界的条件影响和金属本身的惯性,在单作用立式冷挤压压力机上金属总是向上流得快,而向下流的慢,所以连皮的位置会在零件靠下的位置,为了使凹模制造更为方便,我们将连皮的位置放在离零件下表面 1mm处,这样既方便挤压凹模的制造,又方便轻松地冲掉连皮。所以我就拟选定上面的方案,其他可能的方案这里就不一一去列举分析了。这一方案的生产流程是：落料表面润滑处理 复合挤压成型 冲去连皮。3主要的工艺参数计算及工序的确定3.1坯料的原始尺寸及重量的确定因为挤压是一种成型精度较高的成型方法,所以坯料的落料一定要精确,所以在计算坯料体积时把零件分成各个小的块,分别计算在做算术运算，最后得出一个准确的总体积。根据图1的零件图计算坯料: V0=V1+V2V0为坯料的总体积；V1为零件最终的体积；V2为机械加工要除去的体积 V1=430215 - 417215 - 41(182-172)- 41(302-292)=10597.5 3402.975 27.475 46.315=7121mm3V2= 4172 2 + 4112(172-162)=453.73 + 12.9525=467mm3V0=V1+V2V0=7121+467 V0=7588mm3根据查相关资料得Q235钢的密度为=0.00779g/mm3。则毛坯的总质量G=*V0G=0.007797588G=59g选用截面直径=30mm的棒料作为毛坯,高度h为 h=4V02=10.74mm。3.2毛坯的制备3.2.1下料在冷挤压成型生产中，下料准确是非常重要的，它直接关系的挤压件的外形尺寸和公差，而在挤压生产中毛坯的制备方法与其外形尺寸有很密切的关系，一般棒料和管料是采用截切的方法，一般需要设计专用的截切模，这种方法备料生产率高，材料利用率高，但是截切后断面不整齐，这对挤压模具的寿命会有很大的影响，所以该例中我们不考虑这种备料方法。棒料还可以通过锯切方法备料，这种方法备料断面会很平整，尺寸精度也很高，但生产率太低，并且锯屑的损失很大，所以这里也不予以考虑。为了精确下料，我们在此采用线切割备料的方法，这样既可以得到断面平整尺寸精度高的坯料，又不会浪会太多的坯料，经济效率也很高，所以我们选用线切割的方法来切割直径为30mm的棒料，棒料的厚度h=10.74mm。3.3 表面润滑处理 毛坯表面去油及清楚氧化皮之后,进行磷化加皂化处理。具体操作步骤如下：（1）化学去油(氢氧化钠NaOH 60100g/L, 碳酸钠 Na2CO3 6080g/L,磷酸钠Na3PO4 2580g/L, 水玻璃Na2 SiO3 1015g/L,处理温度85,处理时间1525min)。（2）流动冷水洗。（3）酸洗(硫酸H2 SO4 120180g/L ,氯化钠NaCl 810g/L ,处理温度6575,处理时间510min)。（4）流动水洗,是为了防止吸附在坯料表面的酸洗液带入下道磷化液中,影响磷化效果。 （5）热水洗,为磷化处理预热。（6）磷化处理(配方为：氧化锌ZnO 9g/L ,磷酸H3PO4 23g/L ,水H2O 1L。该配方的总酸度为1620点,游离酸度为2.54.5点,温度为8595,处理时间为2030min。（7）流动冷水洗。（8）中和处理 ,采用氧化钠溶液对坯料磷酸盐薄膜上附着的酸性物质进行中和,防止残留的磷酸对润滑液产生不良影响,保证润滑质量。皂化处理(硬脂酸钠C17H35COONa 59g/L,处理温度6070,处理时间10min。也可不用上面这种方式,而采用猪油或机油拌二硫化钼做润滑,也可取得较满意的润滑效果,其中猪油的效果较机油更好。经过皂化处理以后,在正挤压过程中可降低15%左右的挤压力。3.4挤压力的计算3.4.1用公式计算法进行冷挤压力的计算 冷挤压的公式计算法可按金属的塑性变形区的平衡微分方程式与塑性条件联立求解得出。(备注：在该零件的制备过程中我们选的挤压方式为正挤压,但因为挤压力是很难通过计算得出准确值的,为保障安全,我们宁愿选用较大一点的挤压力,所以在此我们运用反挤压的公式来计算挤压力,因为一般情况下反挤压的挤压力比正挤压的挤压力大)。 P=Kfd02d12d02d02-d12 + (1+3)(1+d02d02-d12 ) 式中:P 单位挤压力,Kg/mm2。 Kf 被挤压材料的真实流动阻力,Kg/mm2。 d0 毛坯直径,mm。 d1 工作内径,mm。 摩擦系数,有润滑时=0.1。 首先要确定 Kf的值,所以必须先算出对数挤压比 =F0F1 F0 为变形前毛坯的横截面积 =302302-172 =0.387 F1 变形后毛坯的横截面积 根据上面计算出的值,查上海人民出版社1976出版的冷挤压技术第63页,表3-2低碳钢的流动曲线得Kf=60Kg/mm2 又已知 d0=30 d1=17 =0.1 则可得：P=60302172302302-172 + (1+3O.1)(1+302302-172)=180.5Kg/mm2 总挤压力=PF凸模=180.54172 =40949Kg=41吨因为挤压力很难计算准确,为保证能够准确的选择挤压设备故在这里我们再用另一种计算方法：图解法,进行校核性计算。3.4.2用图算法进行挤压力的计算 查贾俐俐主编的挤压工艺及模具第57页图4-16 黑色金属反挤压计算压力用图算表，得：F=400KN 由此可知,利用公式计算法和图解计算法所得出的挤压力基本吻合。3.5冷挤压设备的选择3.5.1冷挤压对设备的要求（1）刚度要求高 挤压时工艺力大,载荷集中,为保证冷挤压质量、提高模具寿命，挤压机必须具备较大的刚度。（2）共键变形能量大 （3）设备精度高 为提高冷挤压件的质量和模具寿命,要求滑块的导向精度高。（4）合适的挤压速度 （5）可靠地顶料装置3.5.2确定压力机的类型及型号由于该零件所需的挤压力很小,并且零件形状简单,加工工艺也很简单,在这里我们考虑比较简单通用的曲柄压力机。根据所计算的挤压力F=400KN,再根据工艺计算力图,又考虑到顶出的零件能轻易地从压力机落下,选择机构简单的可倾式压力机比较适宜。可初选开式可倾压力机J23-40,因为此时工艺计算力图完全落在压力机许用负荷图安全区内。3.5.3做功校核对J23-40压力机查得其参数 标称压力Fg=400KN 标称压力行程Sg=7mmh0 =0.4Fg =8mm压力机做功能力 A1 =0.315Fgh0=0.3154008=1008J而此时工件变形功A1、为 A1、 =Fs=400KN7mm=2800J故选J23-40压力机做功不够,设备过载。改选J23-80压力机则有 Fg=800KN Sg=9mm h0 =11.3mmA1=0.315Fgh0=0.31580011.3=2851故J23-80为所选压力机。表3.1 J23-80压力机的参数一览表标称压力标称压力行程滑块行程标称行程次数(不小于)最大封闭高度封闭高度调节量工作台尺寸固定行程调节行程左右前后800KN9mm130mm12mm60次380mm100mm800mm540mm 4冷挤压模具的设计冷挤压时单位压力较大,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,模具的工作条件相当恶劣。为保证模具寿命及压力机结构形式不被损坏,设计模具应当符合下列要求：工作部分凸模、凹模、顶出器应当具有较高的强度与较长的使用寿命。工作部分能简捷而可靠地的固定在模架上。模具的易损部分拆换方便。毛坯放置容易,在大量生产时可采用自动或半自动送料装置。完成的工件可以方便的卸出。模架能紧固的安装在压力机上。能保证操作人员的安全。制造简单,成本费用低。4.1正挤压模工作部分的设计冷挤压模具工作部分是指凸模、凹模、顶杆等在挤压时直接参与挤压过程的一些零件。4.1.1正挤压凸模的设计正挤压凸模的作用主要是传递挤压力, 设计时应考虑其强度及凸模与凹模的间隙,因为如果间隙太大挤压后的零件上容易形成毛刺,间隙太小又无法保证当凸模变形后直径增大其与凹模的配后关系,所以设计时一定要选择合适的凸模尺寸及公差范围。根据经验公式再综合考虑该挤压件的形状特点,工艺特点,材料特性,制造公差等,得出如下尺寸：挤压内孔凸模顶尖直径：d凸=（D- 1 2 ）-凹= （17-120.2）-0.02=16.9-0.020mm。式中D为挤压件内孔的基本尺寸，D=17mm。为挤压件公差，由本文第二章所述的零件最大极限尺寸和最小极限尺寸之差即为值，=17.10-16.90=0.2 。凸模制造公差凸 等于凹模制造公差凹即：凸=凹=（15110） ，在此凹=1100.2=0.02mm 。内孔顶尖长度l=12mm。凸模工作部分直径d1=凹模型腔-0.02mmd1=30-0.02=29.98mm确定凸模挤压的工作部分高度h h =凹模工作部分高度+卸料板厚+3mm该例中挤压件均留在凹模内。不需要卸料板。所以：h=23.74+0+3=26.74mm支撑部分直径d4 =(1.82.0)dd4=1.429.98=42mm支撑部分高度h1=(0.30.5)dh1=0.329.98=9mm圆角半径R=(0.51.0)d R=0.529.98=15mm图4.1 凸模尺寸图4.1.2顶出杆的设计在这套模具中顶杆的作用非常重要，一方面它起到把工件从凹模腔内顶出去的作用，更重要的一方面它还是凹模型腔的一部分，起到成型的作用。顶出杆与凹模顶出孔的配合部分不做成直径相同的圆柱体，而应该做成下图6的结构。为了防止顶出杆因弹性变形产生横向加粗而卡死在凹模内，顶出杆与凹模顶出孔的配合部分不做成直径相同的圆柱体，而做成下图所示结构，顶出杆直径d1与凹模顶出孔配合的部分高度h=4mm。顶出杆直径d1与凹模孔配合，应按挤压时不产生纵向毛刺、且又便于顶出的原则来选取二者配合关系，一般情况采用基孔制间隙配合H7h6。图4.2 顶出杆尺寸图4.1.3正挤压凹模的设计(1)凹模的结构形式：在冷挤压生产实践中人们发现,整体式凹模在挤压中受到单位挤压力较大时,往往导致凹模向外扩张而产生切向开裂。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较长的使用寿命,一般采用预应力组合凹模的结构形式。组合凹模有很多优点：组合凹模能显著提高凹模在挤压时的承载能力,提高内凹模的强度。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。由于内凹模尺寸小,热处理容易,提高了模具钢热处理质量,同时小尺寸规格模具钢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,仅需要调换内凹模,预应力圈仍可继续使用。内凹模可以采用硬质合金。大大的延长了模具的使用寿命,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。但当组合凹模设计使得凹模内壁挤压时完全没有切向拉应力过切向拉应力较小时,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,这样就拓宽了模具材料的范围。综上分析,在做隔环这一零件冷挤压过程中,我们选择三层组合凹模，对一定尺寸的组合凹模进行强度分析得知，三层组合凹模的强度时整体式凹模强度的1.8倍。(2)组合凹模的尺寸计算内凹模尺寸的计算：凹模型腔内径D凹=（D-34 )+凹 =（30- 340.2）+0.02 =29.850+0.02mm。但是考虑毛坯尺寸会有一定的偏差，在这里根据经验公式应该再加上0.2 ，D凹= D凹+0.2=29.850+0。020.2=30.050+0.02。式中D为挤压件外形的基本尺寸，D=30mm。为挤压件公差，它等于工件外形最大极限尺寸与最小极限尺寸之差，由本文第二章中的数据=30.10-29.90=0.20 。凹模制造公差凹=110=0.02mm 。凹模圆角半径r=3mm凹模工作模腔高度h2=工作部分高度+凸模入口圆角半径+(23mm)即：h2 =（10.74+7）+3+3=23.74mm 。刃口高度h1=2.04.0 。在这里我们取h1=4.0mm 。刃口部分直径d1=28mm顶件部分高度h3=（0.51.0）D=0.530=15mm 。顶件部分直径d3=d1+1=28+1=29mm 。凹模总体高度H=h1+h2+h3=4+23.74+15=42.74mm 。凹模腔壁做成15脱模斜度，便于金属流动和容易顶卸工件，顶杆和凹模配合应密合，以免金属流入顶杆和凹模底间隙，造成卡死现象。加强圈与紧固圈的计算：凹模的总直径比一般取46。在此我们根据一些经验取=5查贾俐俐主编的挤压工艺及模具一书,第126页图6-30 在三层组合凹模中32r及21r合理数值与总直径比41之间的关系得：41 =d4d1=d430=4d4 =120mm21r =d2rd1d2 =d121r=301.55=46mmd3=d222r=2.4530=74mm同样查上书的第127、128页,图6-33三层组合凹模的径向过盈系数与总直径比41的关系,图6-34三层组合凹模的轴向压合系数与总直径比41的关系得：径向过盈系数 2 =0.0106 3 =0.006轴向压合系数 2 =0.204 3 =0.12根据公式计算得到：径向过盈量 2 =2d2=0.010646=0.487mm 3 =3d3=0.00674=0.444mm轴向压合量 C2 =2d2=0.20446=9.4mm C3 =3d3=0.1274=8.88mm4.3：组合凹模图结构图4.1.4组合凹模的压合工艺根据组合凹模过盈量的大小及具体生产条件,选用常温强力压合法。常温下在液压机上先将加强圈压入紧固圈中,再将内凹模压入加强圈中。压合时必须采用一些必须的防护装置,以保证操作者安全。4.2导向装置的设计为保证冷挤压时凸凹模同轴度要求,减少因偏心负荷所产生的弯曲力矩而损坏凸模,并提高冷挤压件的精度,一般在冷挤压模具都有必要设计导向装置。由于隔环的挤压这一实例中，凸模的长度不长，挤压力也不是很大,所以我们选取导柱导套的布置形式为：双导柱中间布置。表4.1 滑动导套的相关参数 材料 20钢 热处理 渗碳深度0.81.2 硬度5862HRC d 基本尺寸 25极限偏 差H6 +0.013 0 H7 +0.021 0 D 基本尺寸 38 极限偏差 +0.050 +0.034 L A型 8095 H A型 2838表4.2 滑动导柱的相关参数 材料 20钢 热处理渗碳深度0.81.2 硬度5862HRC d 基本尺寸 25 极限偏 差h5 0 -0.009h6 0 -0.013 L 1101804.3压力垫板的设计挤压时，模具型腔中的单位挤压力很高，如果凸模、凹模所传递的轴向压力直接作用在上下模板上有可能造成模板的压塌。因此需在模板与凸、凹模之间设置淬硬压力垫板，以减缓轴向压力作用。查洪深泽主编的挤压工艺及模具设计第126页图-6-43：压力的传递情况和图6-44：压力比、直径比与相对板厚的关系。初步确定上凸模压力垫板厚度t1=6mm，直径D1=50mm。凹模压力垫板t2=6mm , 直径D2=120mm。材料为45钢，热处理硬度4348HRC。4.4模架的选用根据凸凹模外径、厚度等尺的关系，查模架设计与制造简明手册第175页表1-107：复合模圆形厚凹模典型组合尺寸，我们选用闭合高度H=140165mm的模架。凸、凹模固定板厚度分别为14mm，16mm。上下模座厚度分别为20mm，25mm。闭合高度的校核：H模=下模座厚度+上模座厚度+垫板厚+凸模高+凹模高+坯料厚度即： H模=25+20+（6+6）+49.74 +42.74+10.74=160.22mm该模架符合要求。 4.5冷挤压模具材料的选定冷挤压时,模具型腔中单位挤压力可高达20002500MPa，还要经受着极高的摩擦阻力和温度变化,所以冷挤压模具的工作条件是十分恶劣的,因此合理的选择冷挤压模具的材料在冷挤压工艺中是非常重要的一环。因为冷挤压模具的材料的性能关系着所生产出产品的质量,并直接影响着模具的使用寿命,所以模具材料必须要具有较高的强度和较高的硬度,这样才能在挤压过程中避免工作零件本身的塑性变形,破坏和磨损；它还必须具备相当高的韧性,这样可以避免由于冲击,偏心载荷疲劳应力集中而引起的折断或开裂破坏；它还必须具备较高的耐磨性,以保证制造出来的模具具有较高的使用寿命；它必须具备足够的耐热性能,在挤压过程中模具工作零件的局部温度可高达300左右.在此高温下要求材料保持硬度不变。它必须具有良好的加工性能,在热加工时,锻造性能要好,机加工时容易进行切削,热处理时,应有较宽的温度区间变形和热裂倾向小。综上各方面因素，在考虑之前设计的模具结构形式及经济性,模具工作部位的稳定性,可靠性等因素,在此凸、凹模我们选用高合金工具钢Cr12MoV。因为该种钢热处理变形小,淬透性好,耐磨性较高,韧性优良,并且价格不贵,加工起来容易。冷挤压模具其他零件在工件中也受到一定的压力作用，根据其受力情况及工作环境而选择以下材料。冷挤压模具其他零件材料的选用明细表4.3 冷挤压模具其他零件材料的选定零件名称材料牌号热处理硬度HBC凸、凹模具Cr12MoV6062模柄、模板、模座45 凸、凹模压力垫板45淬硬4348顶杆Cr12MoV淬硬6062内预应力圈5CrNiMo淬硬4244外预应力圈45淬硬3840导杆、导套20表面渗碳、淬火5660螺钉、螺栓45弹簧65Mn淬硬4048 5冲压的工艺分析及模具设计5.1工艺分析及工艺方案的确定 冲压该工件的各工序简单，工件厚度t=3mm，较薄。需要的冲裁力不会太大，但是由于该零件是经过挤压后的半成品，且外形是圆形，不容易实现自动化送料，所以这里考虑的手工送料。同时对于该零件的冲裁定位也相当重要，在这里我们没有设计专门的定位装置，我们是利用零件自身与凸模之间的配合而实现定位。本工序为冲去连皮,在冷冲压里属于冲孔。因此应以冲孔凸模为设计基准,考虑凸模磨损后会较小孔件的尺寸,为提高模具的寿命,在制造新模具时应把凸模尺寸做得趋向于冲孔件的最大极限尺寸。间隙在模具磨损后会增大,所以在设计凸模时区初始间隙的最小值Zmin 。传统的冲裁模具制造方法有两种,即：分别加工法和单配加工法。因为我们这里冲裁隔环零件中间的连皮形状简单、间隙较大、精度要求不是十分严格，所以我们选用分别加工法来制造冲裁模具。因为运用分别加工法制造模具制造周期短,便于成批制造,凸模、凹模具有互换性。要得到我们所需要的隔环零件下一个工序我们需要冲去孔中的连皮。该连皮如上图所示厚2mm。在靠近环壁处还有一个小斜角,在冲掉连皮时将隔环零件翻个面即：把带有斜角的一面朝上,然后再进行冲裁。5.2毛皮材料的规格及形状图5.1 冲压毛坯零件图5.3模具工作部分尺寸和公差计算 查丁松聚主编的冷冲压技术第46页表3-3：冲裁模初始双面间隙Z 得：最小间隙Zmin =0.460mm最大间隙Zmax =0.640mm Zmax-Zmin= 0.640-0.460=0.180mm查第49页表3-6：简单形状冲裁时凸、凹模的制造偏差 得：凹模的制造偏差凹=+0.020mm凸模的制造偏差凸=-0.020mm凹+凸=0.020+0.020=0.0400.180mm故能满足分别加工时凹+凸Zmax-Zmin的要求查49页表3-5：磨损系数得x=0.5 d凸=(dmin + x)-凸0 =(17+0.50)-0.020=17-0.020 d凹=(d凸+Zmin)0+凹=(17+0.460)0+0.02=17.460+0.02其中：d凸、d凹分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸 dmin为冲孔件的最小极限尺寸 为冲裁件的公差 X为磨损系数 凹、凸分别为凹模和凸模的制造偏差5.4冲裁力的计算该零件的冲裁连皮是普通平口冲裁冲裁力F=KLt =1.3(3.1417)3340 =70782N其中：K系数,是考虑到刃口钝化、间隙不均、材料力学性能与厚度波动等因素而增加的安全系数。常取K=1.3 L为冲裁件的周长(mm) t为板料厚度(mm) 为材料的抗剪强度(MPa),查Q235钢的抗剪强度为304373MPa。在这里我们折中取=340MPa。卸料力F卸=K卸F顶件力F顶=K顶F查第57页表3-8卸料力、推件力和顶件力系数得：K卸=0.02 F顶=0.05F卸=0.0270782=1415NF顶 =0.0570782=3539NF总 =F+F卸+F顶F总 =70782+1415+3539=75736N5.5冲裁凹模的设计计算5.5.1凹模孔口形式的选择凹模孔口形状是指凹模型孔的轴剖面形状。其基本形式主要有直壁式、斜壁式、凸台式等。直壁式刃口冲裁时磨损大，洞口磨损后会形成倒锥形，因此每次修磨的刃磨量大，总寿命低。冲裁时，工件易在孔内积聚，严重时使凹模涨裂。斜壁式的特点与直壁式相反，在一般的工件或废料向下落的模具中应用广泛。凸台式洞口，其淬火硬度为3540HRC，是一种低硬度的凹模刃口。可用捶打斜面的方法来调整冲裁间隙，直到试出合格的冲裁件为止，所以这种形式又称铆刀口凹模，主要用于冲裁板料厚度0.3mm以下的小间隙、无间隙模具。连皮厚度t=3mm，经分析比较选用凸台式凹模， 凹模的外形尺寸一般按照经验方法确定。连皮厚度t=3mm，属厚料冲裁，经分析比较选用直刃壁式凹模。凹模的外形尺寸一般按照经验方法确定，凹模的孔口高度一般不宜过大，一般是按材料厚度（t）选取。在这里凹模厚度Ha=0.1F总 =19mm。但在这里我们根据经验，考虑不需要这么厚的凹模，所以我们选取凹模厚度Ha=15mm。壁厚A=1.2Ha=1.215=18mm。图5.2 凹模结构形式图5.5.2凹模的主要技术要求 凹模模的型孔轴线与顶面应保持垂直，凹模底面与顶面应保持平行。为提高凹模寿命与冲裁精度，凹模的底面和型孔的孔壁应光滑，表面粗糙度为 Ra=0.80.4m ， 底面与销孔的Ra=1.60.8m。，模具刃口要有高的耐磨性并能承受冲裁时的冲击力，因此应有高的硬度与适当的韧性。形状简单的凸