《挤压坯料的制备》PPT课件.ppt

挤压工艺及模具设计,王春华2012.2,第三章挤压坯料的制备,本章内容：挤压常用材料挤压坯料的制备方法,一、模具在挤压过程中承受的应力,1.承受大的挤压力：金属在冷挤压时的变形抗力很大。如低碳钢反挤压的单位挤压力可达20003000(兆帕)，当润滑和表面处理不当时，甚至高达30003500(兆帕)，这个数值已超过了一般模具钢的弹性极限，有可能使模具在挤压过程中产生微量的塑性变形，而使挤压件尺寸精度较差，严重时将发生模具的破损。,2、因偏心负荷而引起的弯曲应力：因毛坯两端不平，毛坯与凹模间隙大，模具加工及装配的同轴度偏差过大等原因，都会引起凸模承受较大的偏心弯曲应力，而导致模具早期折断。,3、连续作用的冲击力：机械式的冷挤压机，实际上是以连续的冲击式施加负荷于模具上。近年来，虽然广泛采用了液压缓冲装置，但仍不可能完全消除这种冲击负荷。对于高硬度(HRC60)的模具，当存在某些表面和内部缺陷时，会引起应力集中而过早脆裂。,4、模具表面磨损：模腔内的金属在强大外力作用下，产生塑性流动时，会引起模具表面的磨损。当模具表面存在贫碳、软点(硬度偏低)、组织不均匀等缺陷时，会加速模具的磨损产生模具表面早期破坏。,5、模具温度升高而加速模具的磨损：由于金属的变形与摩擦原因而产生的热量，在连续生产过程中，会使模具的温度逐步上升：可能达到200甚至更高，对于一些模具材料，会产生回火作用，而降低模具的性能。,二、冷挤压工艺对模具材料的要求,1.具有高的强韧性：模具在挤压过程中要同时承受极大地挤压力、弯曲应力、冲击等复杂的负荷。故要求所选用的材料，经过热处理后，应具有高的强韧性。因此，模具材料应有良好的淬透性(保证模具能淬透)及均匀的组织。大块的碳化物及严重的偏折，纤维方向性和非金属夹杂等内部缺陷，都会使模具的强韧性降低，或在受负荷时引起应力集中，造成模具早期破坏。,3.良好的耐磨性钢的硬度与耐磨性在一定条件下是成正比的。故要求模具材料不但要有足够的淬透性，还要有高的淬硬性。但除了硬度外，决定钢的耐磨性的还有热处理后基体组织的粗细成分、析出碳化物相多少、大小、类型、分散度等。,如高速钢与低合金工具钢，虽然热处理后具有同样的硬度值，实际使用时，前者耐磨性要高得多，而含有80%以上WC的硬质合金，其耐磨性比钢材高数十倍。所以，在大批量的挤压生产时，为得到模具长的使用寿命，仍然多用价格高、工艺性复杂的高速钢、硬质合金为模具材料。,4.良好的工艺性：冷挤压模具的制造周期长，工艺复杂，精度要求高。一般均须经过锻造、切削加工、热处理、磨削或其它精加工等。故只有工艺性比较良好的材料，才能满足生产上的需要。,三、冷挤压常用材料,四、选用模具材料的原则,1.挤压纯铝、纯铜等有色金属零件时，应选用较差的模具材料。挤压黄铜、硬铝时，尤其是反挤压黑色金属的零件时，应选用高铬合金工具钢、高速钢或硬质合金等优质模具材料。2.用于大批量生产的模具应选较好的模具材料；而对于试制或小批量生产的模具，则可选用寿命短、加工方便，费用低的模具材料。,3.大批量生产形状简单圆形零件，一般应选用硬度高、耐磨性好的模具材料。而对于形状复杂的零件由于过渡部分应力集中较大，且在模具热处理时，该部分会产生较大的内应力，又由于外表部分的摩擦面积显著，单位挤压力加大，因此一般不宜采用高碳合金工具钢作模具材料，宜用中碳合金工具钢作模具材料，以保证良好的强韧性。,4.冷挤压凹模在挤压过程中受到很大的切向拉应力。因此，要求模具材料具有较好的抗拉强度。冷挤压凸模在挤压时受到强烈的反复压缩作用。因此要求模具材料具有足够的抗压强度和耐热疲劳性。,5.较小零件的模具成本较低，一般可选用较好的模具材料；尺寸较大的零件所用的模具也较大，大模具造价较高，一般应选价廉的模具材料。6.反挤压时，凸模是成形的关键零件，极易磨损。因此，反挤压凸模或正挤压凹模应选择耐磨性高的模具材料。,四、冷挤压常用原材料的形态,1、线材：线材主要用于镦挤螺栓之类的标准件或火花塞壳体等大批量的小型挤压件。一般线材的直径为3-25mm，个别情况可达35mm。线材料表面进行特殊的表面及润滑处理，用于多工位自动冷镦机成形，材料利用率高，生产效率极高。,2、棒材冷挤压坯料采用棒料较多，一般用于单工序的挤压设备。与线材相比其生产效率较低，但其全部表面可以进行表面及润滑处理,3、管料管料为无缝钢管或热挤铝管、铜管等，可以作为空心件的正挤压或反挤压坯料使用。某些形状尺寸冷挤压件，采用管料作为挤压坯料比用实心棒料来得经济，同时挤压力也有较大的下降。4、板料当毛坯的长径比较小时，或者在挤压有色金属零件外形为非圆形时，可以采用板料，板料采用冲床落料。,五、坯料的形状和尺寸,冷挤压坯料的形状应该根据零件相应横截面形状来确定。(e)鼓形坯料,坯料体积计算公式：V0=VP+VX,VP挤压件体积,mm3VX修边余量体积，mm3,一般为挤压体积的3%5%坯料外径尺寸确定：d坯=d凹-(0.10.2)mmd坯坯料外径，mmd凹凹模型腔内径，mm,空心坯料内径尺寸确定：,当内径尺寸精度不高时：d坯=d芯+(0.10.2)mm当内径尺寸精度较高时：d坯=d芯+(0.010.05)mmd坯坯料内径尺寸，mmd芯凸模芯棒直径，mm,坯料高度：H0=V0/A0,汽车齿轮轴零件图(35#)齿数：20模数1.0压力角：20分度圆直径：14.5mm,作业：根据轴的切削零件图，作如下计算：1）确定坯料直径及厚度尺寸2）计算该轴的最大断面收缩率，判断挤压工序次数。,六、坯料的制备方法,坯料制备方法有截切下料、冲裁下料、切削下料、锯切下料等多种方法。1、棒料或管料截切下料：生产效率高，材料利用率高，但截切断面粗糙，端面与轴线不能保持垂直，一般用镦平模将坯料端面压平后再进行挤压。注意：要增加去除边棱毛刺可倒角工序，将截切坯料不经校形工序而直接进行挤压的情况较少见。,2、板料冲裁下料生产效率高，坯料尺寸精度高，端面平整，但利用率低，只有60%左右。,3、棒料锯切下料高速带锯或圆盘锯切下料，坯料断面平整，尺寸精度较高，生产效率高。4、车床切削下料坯料尺寸精度较高，形状规则，生产率低，材料利用率不高。,七、冷挤压坯料的表面及润滑处理,为了改善冷挤压坯料的挤压性能和提高模具的使用寿命，大部分材料在挤压前和多道挤压工序之间必须进行软化处理，以降低材料的硬度，提高材料的塑性，得到良好的显微组织，消除内应力。对于钢来说，材料显微组织中的珠光体形态对挤压性能影响较大。从挤压性能来说，球化退火组织最佳。球化退火组织不仅硬度、强度低，而且塑性较高。除了考虑改善其挤压性能外，也要改善挤压后的机加工性、热处理质量及力学性能，故均应采用球化退火,八、坯料的表面处理,冷挤压时，金属材料产生剧烈的塑性变形，单位挤压力很大。如果没有良好的润滑，坯料的微粒就会与模具型腔胶合而导致工件表面严重刮伤，使挤压力急剧增加，模具使用寿命大大下降，甚至碎裂。此外，润滑还能改善挤压时的不均匀流动，避免因为金属材料与模壁之间产生剧烈的摩擦而形成较大的附加拉应力。在很高的单位压力下，一般所涂刷的润滑剂会被完全挤掉，起不到润滑作用。因此，在冷挤压之前必须将坯料进行表面处理，以取得表面支承层，以便在后道的润滑处理时起到储存润滑剂的作用。,(一)碳钢和合金钢坯料的表面处理碳钢和合金钢坯料冷挤压前的表面处理为磷化处理。磷化处理又叫磷酸盐处理，也就是把钢坯料放在磷酸盐中进行处理。处理时金属表面发生溶解和腐蚀。由于化学反应的结果，在金属表面上形成一层很薄的磷酸盐覆盖层。根据磷化处理配方的不同，该薄层分别呈暗灰色、浅灰色和褐色。,磷酸盐薄膜的硬度略高于铜与黄铜，而低于钢，其导热性很差，是热的不良导体。经磷化处理后，可减少坯料与模具间的接触摩擦，降低单位挤压力，提高冷挤压件的表面质量和模具使用寿命。,1、磷化处理具有以下特点：(1)磷酸盐薄膜由细小片状结晶组织构成，单个结晶之间存在着孔隙或小孔，比起较光滑的钢表面能吸收与储存更多的润滑剂，成为储存润滑剂的“仓库”。(2)磷酸盐薄膜与钢表面结合牢固，且有一定的塑性，可以与基体金属一起伸长变形。,(3)在钢冷挤压时温度可高达300，而磷酸盐薄膜仍然具有与高粘度润滑剂相类似的性质。(4)磷酸盐薄膜使变形金属与模具型腔隔离开来，避免了它们之间的直接接触。(5)经磷酸盐处理的坯料浸入润滑剂时，其覆盖层还进一步与润滑剂发生化学反应。,2、磷化处理的具体工艺为了使磷酸盐溶液与坯料表面直接接触，在磷化处理前要进行酸洗去锈及化学去油，在磷化处理后还要进行中和处理。(1)化学去油。(NaOH60-100g/L，Na2CO360-80g/L，Na3PO425-80g/L，水玻璃Na2SiO310-15g/L，处理温度85，处理时间15-25min)(2)流动冷水洗。(3)酸洗。(H2SO4120-180g/L，NaCl8-10g/L，处理温度65-75，处理时间5-10min),(4)流动冷水洗。(5)热水洗。为磷化处理预热。(6)磷化处理。(7)流动冷水洗。(8)中和处理。,3、磷化处理的配方比较常用的一种配方：ZnO9g/L，H3PO423mg/L，水1L，温度为85-95，处理时间30-40min。,(二)奥氏体不锈钢坯料的表面处理奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)因与磷酸盐基本上不发生化学反应，所以不能用磷化处理，故用草酸盐处理代替。其配方如下：草酸(H2C2O4)50g，钼酸铵(NH4)2MoO4)30g，氯化钠(NaCl)25g，氟化氢钠(NaHF2)10g，亚硫酸钠(Na2SO3)3g，水(H2O)1L。处理温度为90，处理时间15-20min。处理后坯料用热水洗涤。草酸盐处理后的坯料表面呈绿黑色。,为不使不锈钢坯料能与草酸盐溶液直接接触，坯料在草酸处理前应进行酸洗，配方(质量分数)为：盐酸(HCl)40%，硝酸(HNO3)40%，水(H2O)20%。酸洗时间约5min，然后用热水洗，洗净后进行草酸盐处理。,(三)有色金属坯料的表面处理硬铝坯料2A11(LY11)、2A12(LY12)塑性差，在挤压过程中，为了避免产生裂纹，应使硬铝坯料表面形成一层氧化膜或磷化膜。这是一层多孔、致密的结晶膜，呈灰黑色，可用氧化处理、磷化处理或氟硅化处理来获得。由于这层薄膜中可以充填大量的润滑剂，所以在冷挤压时能取得较好的润滑效果,1、氧化处理其工艺流程如下：(1)汽油清洗，以去除油污。(2)热水清洗(60-100)。(3)流动冷水清洗。(4)酸洗。(工业硝酸400-800g/L，2min)(5)冷水清洗2次。(6)氧化处理(工业氢氧化钠NaOH40-60g/L，温度50-70，时间1-4min。以表面呈均匀细致的多孔灰黑色结晶膜为宜。(7)流动热水洗。,2、磷化处理配方为：磷酸二氧锌(Zn(H2PO4)2)28g，磷酸(75%)，铬酸(H2CrO4)10g，十二烷基硫酸钠(湿润剂)0.5g，水1L。处理温度为55-60，处理时间2-3min。,纯铜、黄铜在挤压中为了获得较高的表面质量，往往进行钝化表面处理，以便在坯料表面形成一层钝化膜作为润滑剂的支承层。钝化处理工艺流程如下：(1)汽油清洗，以去除油污。(2)热水清洗(60-100)。(3)冷水清洗(2次)。(4)钝化(5)冷水清洗。(6)干燥钝化液配方为：铬酐200-250g/L，硫酸8-16g/L，硝酸30-50g/L。处理温度20，时间5-10s。,(四)黑色金属坯料的润滑处理碳钢和合金钢的坯料在磷化表面处理后还需要进行润滑处理。皂化是一种常用的方法，皂化处理的配方有以下两种：配方一：硬脂酸钠(C17H35COONa)5-9g/L，水1L，处理温度60-70，处理时间10min。配方二：工