（材料加工工程专业论文）蓄电池外电极冷挤压方法研究及模具结构模拟仿真.pdf

摘要 蓄电池外电极是蓄电池上的一个零件，它作为蓄电池上盖板注射成型时的 一个嵌件。其形状复杂，上部有较多的环台，塑性成形比较困难；下部的形状 是倒的空心圆台形。蓄电池外电极的传统成形方法主要有铸造成形和压铸成形。 但传统成形方法存在：生产效率低、零件质量差、环境污染大等弊端，所以有 必要采用新的成形方法来制造外电极零件。 本文研究了蓄电池外电极的冷挤成形及变形，开展了对外电极冷挤压成形 工艺与成形过程的数值模拟研究，拓宽了冷挤压的使用范围并提高了蓄电池外 电极零件的工艺水平。利用模具c a d 技术对外电极以及模具进行三维实体建模， 然后采用有限元技术对电极的成形过程进行模拟分析。分析了金属在成形过程 中金属的流动以及各种场量的变化，并就两种可行的毛坯进行了模拟，确定了 最优的毛坯形状尺寸。 鉴于外电极零件形状的复杂性，若采用普通冷挤压模具则无法顶出成形完 的零件，所以需要设计一套新型的冷挤压模具。其核心是在冷挤压工艺中采用 分模顶出技术。文中应用三维造型软件对瓣合凹模以及油缸曲肘机构进行建模， 然后装配。 运用机械原理计算出刚性结构合模力大致位置，然后运用有限元分析软件 a n s y s 计算考虑了弹性变形时精确的合模位置并对曲肘机构进行非线性静力学 有限元模拟，得出各机构零件的应力和变形的分布规律。推断出最危险的时刻 和位置。最后将三维模型导入a d a m s 进行动力学分析，得到机构运动和受力 的规律。 研究和实验表明，利用冷挤压技术可以很好地成形该类零件，最合适的毛 坯形状为圆柱形，所需的成形力的大小约为1 0 0 k n 。并证实了采用该套分模顶 出机构具有切实的可行性和实现性。 关键字：蓄电池外电极，冷挤压，有限元模拟，虚拟样机，动力学 i i a b s t r a c t s u b s t r a t ee l e c t r o d e ，k e yp a r to na c c u m u l a t o ro fc a r , h a sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e a n di sh a r dt od e f o r m t h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa r ec a s t i n ga n dd i e - c a s t i n g ， b u tt h e r ea r es e v e r nd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s i n e f f i c i e n c y , i n f e r i o rq u a l i t y ， e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n s oan e w p r o c e s s m u s tb ea d o p t e dt om a n u f a c t u r et h i sp a r t t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h ec o l de x t r u s i o na n dd e f o r m a t i o no ft h e s es h a p ep a r t s a n dt a k i n gt h es u b s t r a t ee l e c t r o d ea st h er e s e a r c hs u b j e c t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ef o r m i n gp r o c e s si ss t u d i e d ，w h i c he x p e n dt h ea p p l i c a t i o no fc o l de x t r u s i o na n d i m p r o v et h et e c h n o l o g i c a ll e v e l i nt h i sr e s e a r c hak i n do fs u b s t r a t ee l e c t r o d ew a s i n t r o d u c e d ，w h o s em o d e lw a sm a d eb yt h ec a d t h ef o r m i n gp r o c e s so fs u b s t r a t e e l e c t r o d ew a ss i m u l a t e db yf e ms o f t w a r e t h et r a n s f o r m a t i o n so ff i e l d sd u r i n gt h e p r o c e s so fm e t a lf o r m i n gw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h em e t a l l i cf l o ww a sd e s c r i b e d a n d a n a l y z e dt o w k i n d so fs t o c k s ，a n dt h e nc h o s e nt h es t o c kw i t ho p t i m u ms h a p e d u et ot h ec o m p l e xs h a p ei fw ea d o p tc o m m o ne x t r u s i o nm o l d ，i t sh a r dt of o r m t h es u b s t r a t ee l e c t r o d e s oi t sn e e d e dt od e s i g nan e wm o l dt om a n u f a c t u r et h i sp a r t t h ec o r ei st h el o c k i n gm e c h a n i s m u s et h e3 dm o d e l i n gs o f t w a r et om o d e lt h e l o c k i n gm e c h a n i s mp a r t s ，a n dt h e na s s e m b l e dt h e mt o g e t h e r t h el o c k i n gl o c a t i o no ft h er i g i dm e c h a n i s mi sc o m p u t e db yu s i n gm e c h a n i c a l p r i n c i p l e ，a n dt h e nt h el o c k i n go ft h ee l a s t i cm e c h a n i s mi sc o m p u t e db yu s i n g a n s y s 。t h el a wo fs t r a i na n ds t r e s so ft h ep a r ta r eg o t t e n a c c o r d i n gt ot h i s ，w ec a n c o n c l u d ew h e na n dw h e r ei st h em o s td a n g e r o u sp l a c eo ft h el o c k i n gm e c h a n i s m t h e m o d e lw h i c hi si m p o r t e da d a m sf r o mp r o ei sk i n e t i c sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t sf r o ma d a m sk i n e t i c sa n a l y s i s ，t h el a w so fk i n e t i c so fl o c k i n gm e c h a n i s ma r e g o t t e n f r o mt h er e s e a r c h ，i ti sp r o v e dt h a tt h ec o l de x t r u s i o ni sv i a b l ef o rt h es u b s t r a t e e l e c t r o d e a n dt h em o s ta p p r o p r i a t es h a p eo fs t o c ki sc y l i n d r i c a l t h ef o r m i n g p r e s s u r ei sa b o u tio o k n f i n a l l yu s i n g t h i sm e c h a n i s mh a sf e a s i b i l i t ya n da c t u a l i t y k e yw o r d s ：s u b s t r a t e e l e c t r o d eo fa c c u m u l a t o r , c o l de x t r u s i o n ，f e m ，v i r t u a l p r o t o t y p e ，k i n e t i c s - i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壅聋躯日期塞竺z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密 研究生签名： 壅聋挞 导师签名： 日期： 垒笙乡 武汉理丁大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 2 1 世纪的塑性加工产品向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的方向发展。 塑性精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少或免除切削加工、 降低成本、节省原材料、降低能耗、提高产品性能等有重要意义。当前生产的 发展，除了要求锻件具有较高的精度外，更迫切地是要解决复杂形状的成形问 题，同时还要不断提高锻件的质量、减少原料消耗、提高模具寿命，促使降低 锻件成本、提高产品的竞争能力。节省材料和能源，降低生产成本，提高生产 效率，这些要求随着制造工业，特别是随着制造业的迅猛发展，工业生产的大 规模化而变得越来越重要。由于汽车工业装备高投入、大批量和高技术含量的 要求，其零部件结构复杂且精度高，特别是某些重要系统中的零件，必须以精 密成形为先决条件【i 】。 蓄电池常用于汽车摩托车。外电极是蓄电池上盖板注射成型时的一个嵌件。 为防止蓄电池液渗漏，零件形状较为复杂，上部有较多的环台，需要一定精度； 装配时焊接，对质量有要求。该零件的形状决定了其塑性成形比较困难。蓄电 池外电极的传统成形方法主要采用铸造成形和压铸成形。 铸造成形是较早的生产外电极的工艺，其流程为：熔炼、浇注、出模、清 理。但是铸造成形工艺生产出的外电极外表面质量不好，内部有缩孔。难以达 到质量要求。而且还存在生产效率低、工作环境差、能源消耗大等不足，并且 铸造时产生的铅蒸汽影响环境。 压铸也可用于外电极的制造，其流程为：浇料、压铸机压射保压、开模取 件、清理。采用压铸相比铸造成形时，零件的外观以及内部质量都要好。但是 对设备要求较高，而且制造成本偏高，另外同样对环境有污染。 现在本文将研究能否采用冷挤压成形的工艺方法来制造蓄电池外电极，流 程预计为：下料、冷挤。若采用该工艺生产，将具有设备简单，生产效率高， 外电极表面质量好，后续加工少等优点。但是由于该零件是多台阶设计，金属 武汉理工大学硕十学位论文 不仅是沿轴向流动，还会径向( 横向) 的流动。一般冷挤压方法无法实现，模 具需要改进。 1 2 冷挤压技术的国内外研究现状 多年来，研究人员综合运用理论、数值和试验方法研究了金属冷挤压成形、 变形规律。在8 0 年代及9 0 年代早期，人们主要采用一些传统理论方法研究。 k o n d ok 等提出了分流减压原理，o h g ak 等论述了其适用范围。k o h m a n nf 等 用数值逼近法和主应力法分析了冷挤压成形时的金属流动和模具应力情况，给 了沿构件轮廓法向的应力分布图。c h i t k a r a nr 等用基于主应力法的自由平体模 拟了各种轴对称坯料增量锻造的过程。王洪义设计了用带减压孔的坯料挤压的 压力计算模型。随着研究的深入，上限元法被证明是一种用于冷挤压分析和预 测的好方法。a b d u lna 等早在1 9 8 6 年就用上限法分析了冷挤压过程中构件的 规格、摩擦等因素对金属流动和锻造变形能力的影响。随后，c h o ijc 用上限法 对此进行了较为精确的分析。c h i k t a r anr 等用上限元法分析了变形规律，在此 基础上用计算机模拟了增量锻造时的变形力和应力应变规律。林治平等用上限 元法对用空、实心坯料冲、锻、挤等各种工艺方案进行了理论分析和模拟。 近年来，国内一些学者也采用三维刚塑性、刚粘塑性有限元法对复杂零件 的体积成形过程进行了研究。如：张清萍、赵国群、王广春等对直齿圆柱齿轮冷 挤压成形工艺及三维有限元模拟热成形过程进行了系统的研究；赵玉民、彭巍 对车用发电机磁极的精密成形技术进行了研究；赵玉民、刘进采用三维有限元 模拟方法对电机极靴冷锻过程进行研究，总结了初锻预成形毛坯对终锻模具受 力的影响，确定初锻毛坯的最佳成型高度，达到降低终锻模具的受力，延长模 具使用寿命的目的；周思柱等对金属成形的三维有限元模拟系统未来的发展趋 势进行了预见性分析。同时在国内外不少单位根据有限元法模拟分析金属体积 成形过程开发了实用的模拟分析软件，如：美国b a t t l e 实验室开发的a l p i d 程序， o h 等人在a l p i d 的基础上，增加了网格自动再生成等特性，发展成为商业软件 的d e f o r m ，日本用j n i k e 模拟锻造过程，国内北京机电研究所9 0 年代开发 的大型体积成形过程的模拟分析软件m a f a p ( m a s sf o r m i n ga n a l y s i sp r o g r a m ) 等 丝【l 】 弋丁a 武汉理丁大学硕士学位论文 虽然金属挤压理论有了一定发展，但是以往的数值方法和解析方法，如主 应力法，界限法( 上限法和下限法) 、滑移线法和能量法尽管能够预测应力、应变 和材料的流动，但只适用于稳态成形过程的分析，并且解决问题的范围、复杂 程度和精度都有限，不能适用于精密塑性体积成形技术的发展需要。而随着计 算机技术的发展，采用小变形本构关系，有限元方法来分析模拟成形过程，可 以更精确的反应真实变形过程。不过由于实际变形过程中的变形可能过大，造 成模型网格畸变过大，而且实验条件具有复杂性，模拟变形与真实变形过程还 是有较大差别。 1 3 虚拟样机技术与虚拟样机设计介绍 介于该零件的特殊结构，需要采用虚拟样机技术来设计分合模机构。所谓 虚拟样机技术是指一个基于计算机仿真的原型系统或原型子系统，与物理原型 机相比，在一定程度上达到功能的真实。而虚拟样机设计是指利用虚拟样机代 替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。 由于虚拟样机技术的研究正处在探索中，目前还没有一个统一的定义，不 过有学者对几种有代表性的论述进行了归纳： 1 虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，设计人员利用计算机技术 建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析，以图形方式显示该系统在真实工 程条件下的各种特性，从而修改并获得最优设计方案的技术。 2 虚拟样机是一种计算机模拟，它能够反应实际产品的特性，包括外观、空 间关系以及运动学和动力学的特性。借助这一技术，设计人员可以在计算机上 建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动 和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统。 3 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚 拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。 它在c a d 模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了 一个全新的设计方法。 武汉理- 工大学硕士学位论文 q 搿技今 i 计算机辅助设计 c a d 1 l，- j r 计算机辅助制图c a d计算机辅助分析c a a计算机辅助优化c a oi 有限元分析静力学分析运动学分析动力学分析 i 鋈 计算机辅助制造c a m 图1 1 虚拟设计流程图 与传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下 特点： 1 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，而虚拟 样机技术真正地实现了系统角度的产品优化。它基于并行工程，使产品在概念 设计阶段可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并 通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应， 直至获得最优工作性能。 2 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设计 方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型， 可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟实验，从而无需制造及试验物理样机 就可以获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、 提高了产品质量。 3 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟的概 武汉理下大学硕士学位论文 念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在 一定时间内，通过网络临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造， 加盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型， 通过网络传送产品信息，具有快递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的 活动具有高度的并行性。【2 】 1 4 本文研究的目的及意义 本课题的研究目的在于找到一种生产工艺简单、电极性能质量和生产效率 高的蓄电池外电极塑性成形的方法，即研究能否采用冷挤压成形该类型零件。 目前对此类零件的成形规律和金属流动规律的研究较少，未见报道采用冷挤压 方法生产此类结构的零件，这是由于对金属在该形腔中的填充无法运用现有的 冷挤压类型来概括，它并不同于冷挤压学中定义的正挤、反挤、以及复合挤等 变形规律；另外也因为多台阶结构零件不易完成脱模。若采用冷挤压工艺能够 成形该形状零件，则还需考虑如何让零件脱模。本文运用虚拟样机技术设计了 一套开合模机构，使其在虚拟环境下模拟机械系统运动和动力学系统特性，并 根据仿真结果进行评估，看是否能够满足使用要求，这样可以大大节省开发时 间及花费。对于零件冷挤压成形过程的分析可以借助有限元方法，通过计算机 模拟和实验找到材料的变形流动状态和等效塑性应变的规律以及成形载荷和成 形件的几何缺陷。特别是根据空心多台阶零件挤压成型时金属的流动规律来分 析与常规冷挤压之间的区别并确定合适的挤压工艺和模具结构设计评估，为挤 压件的成形方案确定和工艺参数的选择提供依据。 它对具有相同结构的挤压件生产具有的意义在于：可满足轻量化的发展需 要，同时减少机加工，降低生产成本，具有重大的社会经济效益：有利于型材 精密挤压成形的深入研究，解决原先不能通过挤压完成的复杂零件的生产问题， 且对精密挤压工艺实践具有指导作用。 1 5 论文研究内容 1 研究分析蓄电池外电极的成形工艺； 武汉理工人学硕十学位论文 2 利用三维软件p r o e 对模具以及外电极毛坯进行建模，为后面的模拟分 析创造依据： 3 采用d e f o r m 有限元软件对毛坯进行模拟挤压，选择较合适的毛坯类型， 并得出金属的流动规律及零件缺陷原因； 4 采用d e f o r m 有限元软件分析外电极挤压得出工艺参数，如挤压力、胀 模力等，为下步设计提供依据； 5 基于c a d 软件和a n s y s 对分合模机构进行设计，并用a n s y s 进行静力 分析： 6 运用a d a m s 软件对合模机构完成运动仿真及动力分析； 1 6 本章小结 本章首先介绍了蓄电池外电极的一般制造方法，并提出采用一次冷挤压工 艺加工蓄电池外电极，然后分析了冷挤压技术的国内外现状，介绍了虚拟样机 和虚拟设计，阐述了课题的目的和意义，提出了本文的研究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章冷挤压基本概念及原理 冷挤压成形是指所成形的零件达到或接近成品零件的形状和尺寸，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。近几年来，冷挤压技术是 各行各业得到迅速发展的新工艺之一，也是产品零件加工中的重要手段，与其 他制造工艺相比，它具有“优质、高产、低消耗、低成本 的优点。目前，在 汽车、电子通信、轻工、建筑、航空航天、军工、日用五金等制造业中都起着 极为重要的作用。 2 2 冷挤压的实质及分类 2 2 1 冷挤压工艺的实质 冷挤压的加工方法是指利用金属材料塑性变形的原理，在室温的条件下， 将冷态的金属毛坯放入装在压力机上的模具型腔内，在强大的压力和一定的速 度作用下，迫使金属毛坯产生塑性流动，通过凸模与凹模的间隙或凹模出口， 挤出空心或断面比毛坯断面要小的实心零件，可获得所需一定的形状及尺寸， 还具有较高的力学性能的挤压件的工艺技术。冷挤压方法一般可以加工有色合 金及黑色金属的零件。冷挤压加工的成形速度范围很广，所用的设备可以在专 用冷挤压机上进行，也可在一般的机械压力机或液压机、摩擦压力机以及高速 锤上进行。 2 2 2 冷挤压工艺的分类 冷挤压一般按照金属流动方向和金属流动速度进行分类。但是主要还是按 照金属流动方向分类。根据冷挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的相互 关系，冷挤压方法有以下几种： 武汉理工大学硕士学位论文 1 正挤压正挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相同。加工时先将毛 坯放在凹模内，凹模底上有一个大小与所制零件外径相当的孔，然后用凸模加 压法挤压毛坯。凸模的压力使金属进入塑性状态，并迫使金属从凹模的小孔中 流出，从而制成所需的工件。一般说来，正挤压可以制造各种形状的实心零件， 也可以制造各种形状的空心零件。 2 反挤压反挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。加工时把扁平 的毛坯放在凹模底上，当凸模向毛坯施加压力时，金属便沿凸模与凹模之间的 间隙向上流动，从而制成所需的空心杯形零件。反挤压可以制造各种断面的杯 形空心零件。 3 复合挤压复合挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同， 而另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反。在凸模的压力作用下，金属 向两个不同的方向流动，发生了双向挤出变形。这是正挤压和反挤压组合在一 起的一种挤压方法。 4 减径挤压它是变形程度较小的一种变态正挤压法，毛坯截面仅作轻度的 缩减。减径挤压主要用于制造直径差不大的阶梯轴类零件以及作为深孔杯形件 的修整工序。 5 径向挤压径向挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直，径向 挤压又分为离心和向心挤压两种，主要用于制造带凸肩的齿轮坯以及十字轴类 零件。 6 斜向挤压挤压时，金属的流动方向倾斜或弯曲于凸模的运动方向。斜向 挤压主要用于制造具有倾斜或弯曲枝芽的各种复杂形状零件。 7 镦挤变形时，金属的流动具有挤压和镦粗的特点，即一部分金属沿凸模 轴向流动，另一部分金属则沿径向流动。它是冷墩和冷挤压相结合的一种的成 形方法。 2 3 冷挤压工艺的优缺点 2 3 1 冷挤压工艺的优点 1 显著降低原材料的消耗冷挤压是一种金属塑性成形的加工方法。它在不 破坏金属的前提下使金属体积作出塑性转移，达到少切削甚至无切削而使金属 武汉理工大学硕士学位论文 成形，制得所需的形状及尺寸的零件。这样就避免了在切削加工时形成的金属 废屑。大大节约了金属材料。 2 提高劳动生产率冷挤压是在压力机上进行，操作方便，容易掌握，生产 效率很高。 3 可成形复杂形状的零件在压力机的往复直线动作下完成复杂的加工工 序，并可以制成形状复杂的零件。 4 提高零件的力学性能在挤压过程中，金属材料处于三向不等的压应力作 用下。挤压变形后，金属材料的晶粒组织更加致密，金属流线不被切断，成为 沿着挤压件轮廓连续分布的金属流线。同时，由于冷挤压利用了金属材料冷变 形的) n - r - _ 硬化特性，使冷挤压件的强度大为提高，从而提供了用低强度钢代替 高强度钢的可能性。 5 可获得较高尺寸精度及较小表面粗糙度值的零件经过冷挤压成形零件的 表面质量十分良好。在冷挤压过程中，金属表面在高压下，受到模具光滑表面 的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面强度也大为提高。 6 减少工序，缩短生产周期冷挤压是在闭式模具型腔中进行金属塑性变形， 所得的挤压件是没有飞边的，故不再需要切边等后续工序，从而缩短了生产周 期。 7 减少设备投资与模锻相比，可以省去切边模以及切边压力机，另外冷挤 压可以在通用液压机上面完成，减少添加新设备的费用。 8 降低零件的生产成本。 2 3 2 冷挤压工艺的缺点 1 变形抗力高冷挤压时，被挤压材料的变形抗力较高，其中最有实用意义 的钢的冷挤压，其变形抗力高达2 0 0 0 m p a 以上。这样的超高压力，对模具材质、 结构以及加工制造等提出了更高的要求。 2 模具寿命短由于冷挤压模具承受着很大的单位压力作用，最高可达到 3 0 0 0 m p a ，模具易磨损、易破坏；虽然在模具材料和模具结构等方面采用了很多 有效的措施，但与冲压模具相比，其使用寿命还是不高的。 3 对毛坯要求较高冷挤压加工时对毛坯的要求比其他金属塑性成形加工工 艺都高，否则会使模具受到损坏。 武汉理丁大学硕士学位论文 4 对冷挤压设备要求较高除了要求冷挤压设备应有较大的强度以外，还要 有较好的刚度。 2 4 冷挤压基本原理 2 4 1 冷挤压金属流动规律 根据蓄电池外电极的形状，推测大部分时间都符合反挤压成形工艺，所以 这旱简单介绍反挤压杯形件的金属流动情况。 用实心毛坯反挤压杯形零件时，在达到稳态后，可以分为三个区域：a 金 属死区，它紧贴这凸模断面，呈倒锥形。锥形大小随凸模端面与毛坯间的摩擦 力大小而变化。这部分金属基本不产生变形。b 剧烈变形区，毛坯金属在这个区 内的金属产生强烈的流动，当凸模下行到毛坯底部高度大于此界限尺寸时，尽 管变形区内的金属产生了强烈的流动，而底部的一部分金属仍处于稳定变形状 态。但当凸模再继续往下运动，剩余的全部金属均参与塑性流动，变成非稳定 状态。c 刚性平移区，强烈变形区的金属流动至形成杯壁后，就不再变形了，而 是以刚体平移的形式往上运动，一直到凸模停止工作时为止。 2 4 2 应力与应变对变形的影响 冷挤压时的应力与应变是冷挤压变形力学的基础。 2 4 2 1 应力与应变状态的定性分析 挤压变形时，变形区内任一点的应力与应变状态，皆可以用应力简图和主 应变简图来表示。挤压变形区内的基本应力状态皆为三向压应力。但是，在整 个变形区的不同区域中，主应力与主应变的顺序和种类是不相同的。这里主要 研究反挤压的应力与应变状态。 凸模底下的杯形反挤压区域与圆毛坯镦粗相类似，而凸模与凹模之间的变 形区域则与受内压的圆筒相类似。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 2 应力与应变的关系 冷挤压变形的主应力与相对应变之间的关系可以用应变比例定律来表示。 所谓应变比例定律是指相对应变与相应的应力偏量成正比例。 图2 1 三向压应力作用下的单元体 设从挤压变形体中任取一单元体，它承受三向压应力q 、c r 2 、吒的作用， 如图2 - l 所示。变形前的尺寸为、，2 、毛，变形后尺寸的微量变化为f l 、厶、 厶，则毛坯的相对应变为： 点：丛、最：丝、反：丝， ( 2 1 ) 厶 。 毛 这三个方向的应力与应变关系可以用下式表示： 上：上：上：五 0( 2 2 ) q 一吒 c r 2 一吒巳一 式中一平均应力，= 妻( 吼+ 吒+ 巳) ：兄一正值比例常数。 j 式( 2 - 2 ) 就是变比例定律方程式。该式没有反映加载过程的经历，对于加 载过程中应力比值不恒定的过程严格说来是不适用的，仅适用于简单加载的情 况。但是由于该式运算简便，因此，可用来近似表示冷挤压中的应力与应变关 系。由应变比例定律可以得出如下一些关系。 i 三种典型压缩变形 ( 1 ) 单向压缩假说c r 3 o - 3 时，则由式( 2 2 ) 可得 岛=一24=一26：(2-4) 式( 2 4 ) 表明：当材料的三个方向上受压时，其中两向压力代数值相等且 大于另一向压力，则在此两相等压力吼、盯，方向上受到相等的压缩应变，而又 以此压缩应变的两倍向第三方向伸长。例如，实心件正挤压变形区中的伸长变 形区就属于这种情况。 ( 3 ) 平面应变压缩假设0 2 = ( 仃。+ 0 r 2 ) 2 ，则由式( 2 2 ) 可得 暖= o ，4 = 一 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 表明：当在金属材料的三个方向上加压时，其中一向压应力以等 于另两向压应力q 、叽的平均值。此时在吼方向上不产生变形，故为平面应变 状态，q 方向上的压缩应变恰好等于吼方向上的伸长应变。 2 体积不变方程式 把式( 2 2 ) 的分子和分母分别加起来，可以得到： 垒垒垒：垒垒垒：卫 q + 吼+ o - 3 3 吒0q 一吒 为使此分数不变成无限大，必须使下式成立 磊+ 嗄+ 嗔= 0 ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 为体积不变方程式。它表示冷挤压变形前后的体积是相等的，故 又称为体积不变定律。它是冷挤压中原材料体积不变的理论依据。1 3 - - 1 6 】 2 5 本章小结 本章简要介绍了冷挤压的实现原理和基本类型，冷挤压的优缺点和使用范 围，以及涉及冷挤压的一些基本理论。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章外电极冷挤压工艺分析及模具设计 3 1 零件图 本文所涉及的蓄电池外电极来至湖北省某公司，零件材料为铅锑合金 p b s e 8 ，其提供的零件图如下： b b 图3 1 蓄电池外电极零件图 1 3 武汉理上丈学硕士学位论文 32 工艺分析 圉3 2 外电极的三维实体造型 生产原料为1 6 的铅锑合金棒料，通过一次冷挤压得到产品。只需要一套挤 压模。 从图3 1 、3 2 中可以看到该零件的下端是倒的空心圆台形状顶部有环 形和齿环形多台阶迷宫。其形状较为复杂，成形比较困难。拟采用类似反挤压 的工艺来成形。其思路是：闭式挤压时，在毛坯与模腔壁接触后，金属受到侧 向阻碍，向上流动。开始填充模腔，最终在闭式模具内成形。但是与普通的反 挤压零件有所不同，该零件有多台阶和迷宫设景，因此有个径向挤压阶段，两 种挤压类型结合在一起，这造成普通顶出方式不能将成形好的零件顶出所以 不能由一般反挤压模具来制造生产该零件。为了解决这个难题，设计了一个分 合模装置。把成形多台阶部分的凹模做成瓣台块形式，左右对称。采用两套油 缸曲肘机构作为分合模装置，分别与两个瓣合块铰接，瓣合块可以在光滑的导 轨上滑动，这样就可以进行丌合模动作，方便将成形好的零件顶出。 零件在模腔内的变形过程可以分为三个时段区域：镪粗阶段、反挤压阶段、 型腔充满阶段( 径向挤压阶段) 。 镦粗阶段：从凸模与变形体顶端面接触时开始，到变形体侧表面与模腔侧 武汉理- 大学硕十学位论文 壁接触时为止。此阶段变形体高度减小，材料向水平方向流动，变形特征为镦 粗、成形镦粗或镦挤复合变形。 反挤压阶段：从变形体与模腔侧壁接触开始，到变形体向上刚性运动受到 凸模上部阻碍为止。此阶段变形的特点符合反挤压变形的特点，即变形体随着 凸模的下行而往上运动。 型腔充满阶段：从变形体向上刚性运动受到凸模的上部阻碍开始，到全部 型腔充满为止。此阶段金属的流动情况最为复杂，金属在挤压力的作用下开始 径向流动，并不断受到来自瓣合凹模的阻碍，被迫改变流向。所以可以预料到， 最后填充完毕的应该是零件最大法兰处，因为此处材料需要横向流动的距离最 长。所以看整个零件是否填充完成主要是看法兰处是否填充饱满。 3 冷挤压模具设计 3 3 1 冷挤压模具结构设计 1 凹模固定型腔结构的确定 凹模的结构形式有整体式凹模、组合凹模和可分凹模，在精密冷挤压中较 多的采用了组合凹模。 预应力组合凹模的优点： ( 1 ) 可以施加预应力，使凹模能承受较高的单位压力，提高凹模的强度； ( 2 ) 使凹模尺寸减少，节约了高价格的模具材料的使用； ( 3 ) 凹模尺寸的减少，降低了热处理难度，而提高了模具的热处理质量； ( 4 ) 由于电极分为正负两种，两者仅是圆台处尺寸不同，所以这样便于凹 模芯的更换； 对于外电极零件的生产，无疑采用组合式凹模最合适，因此在挤压模具中 采用预应力组合凹模，并设计顶杆顶出装置。 2 凹模固定型腔设计 确定凹模的工作型腔，要考虑坯料的形状和尺寸、挤压件的精度、模具的 结构和强度、模具的弹性变形和温升、工艺性、经济性以及模具的磨损和寿命 等因素。 3 活动瓣合凹模设计 。1 5 武汉理工大学硕士学位论文 两个瓣合模的方向设计要正确，方便零件脱模，两个面要贴合紧密，否则 会有毛边存在。拟设计的成形过程是：首先分合模机构推动瓣合块滑动，当两 个瓣合块紧贴在一起后，机构进入合模状态。凸模下行进行挤压，完成挤压后， 油缸曲肘机构同时再将两个瓣合块拉开，即进入分模状态，顶出机构将零件顶 出。完成一个生产周期。 4 冷挤压模具其它零件设计 模具工作部分零件与上下模板之间要设置合适的压力垫板以扩大承压面 积，减小上下模板单位压力，以防止压坏上下模板。挚板和模板应有足够的厚 度，保证其刚度才能减少弹性变形，对于该挤压模具，初步确定其它的组成成 分如下，其构成部件为： ( 1 ) 传力部分：上、下压力垫板。 ( 2 ) 顶出部分：顶杆，顶块。 ( 3 ) 导向部分：导柱，导套，导轨压板。 ( 4 ) 紧固部分：上，下模板，凸模固定板，凹模固定板，螺钉等。 3 3 1 1 冷挤压模具结构要求 选择冷挤压模其技术要求有以下三点： 1 模具的钢性要好，若钢性不好，则易产生弹性变形，而使得工件尺寸精度 达不到要求。 2 模具的强度要高由于挤压模具承受的挤压力，为了确保模具在长期使用下 不变形，不损坏，要采用优质钢锻件。 3 模具精度要高，模具的精度必须保证凸凹模相对位置的精确性和工件中部 出现偏心载荷，不产生测向推力，因此，严格( 导套) 对模板的垂直度小于o o l m m 。 导柱与导套配合精度要高于7 级。 模板和模坐分开来加工。用螺钉销钉固定垫板和模座。 该模具具有制造简单，拆卸更换方便等优点。适用于大批量的挤压生产。 只要更换凸凹模几个工作零件便能够进行不同形状的外电极的挤压操作。 3 3 1 2 模具部件结构设计 1 模具上部分结构设计 ( 1 ) 模具上部分结构形式的确定，主要取决于模板结构和凸模的紧固方法。 1 6 武汉理工人学硕十学位论文 利用螺栓将固定套，垫板同模板或模座固定并将凸模压入固定板并紧贴在挚板 上。 ( 2 ) 模板是压力机滑块与工作零件进行连接的过渡零件，也是传递压力的 重要零件，模板利用压板螺钉固定在滑块底平面上。模板一般可选用4 5 钢。 ( 3 ) 垫板一般是一块工具钢淬硬的挚块，分散作用在凸模上的压力。一般 采用优质碳素钢t 10 a 热处理到较高硬度h r c 6 0 。 ( 4 ) 在挤压模中，凸模固定板是将凸模紧固于模座上的重要辅助零件。通 常采用圆柱式，在上面打出螺钉孔和销孔，形位公差( 凸模垂直度，位置精度) 有一定要求。并且厚度在1 3 r a m 以上。 2 成型模具下部分结构设计 ( 1 ) 由于零件不大，可以仿照冲压模具。将凹模，垫板同模座直接固定在 一起。但考虑到冷挤压的成型力较大，为了延长凹模寿命，不宜在凹模上钻孔。 因此可以在凹模外加一个凹模套圈。一来可以避免在凹模上钻孔，二来提高凹 模承载力，三来更换凹模方便。并在模具下部分设置顶出装置。 ( 2 ) 由于模座受到较大的集中载荷，并传递压力，因而它应具备有： 1 ) 足够强度，满足承载力的要求。 2 ) 足够刚度，防止过大弹性变形。 3 ) 足够大的面积，以便分散集中载荷。 4 ) 足够厚度，防止压塌变形。 5 ) 要有一定质量，以便吸收挤压时冲击力。 6 ) 对于模座尺寸和规格，可以选用较简单并且适用广泛的平板形状，材料 定为4 5 钢。 ( 3 ) 凹模支撑挚板 挤压时，凹模受的压力较大。为了防止发生模座上的产生了弹性形变，因 此需要在模座和垫板之间放置垫板，起支撑和缓冲作用。 挚板应具备以下性能： 1 ) 有足够的抗压强度，要选用优质材料，选用t 1 0 a 的优质结构钢。热处 理后硬度达到h r c 6 0 。 2 ) 要有较大面积，以免发生塑性变形，使工作台和压力机减少损害。 3 ) 具有较高的精度，要求支撑的上下两端面平行度必须高。为了顶出压好 的外电极，可以在下模座和挚板在凹模配合打通孔，放入顶块和顶杆，液压机 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 下部的插下项杆，然后可以推动顶块，进而推动顶料杆，最后顶出电极。 ( 4 ) 瓣合模活动导轨以及压板 瓣合活动凹模在导轨和压板的约束下，水平左右移动，所以要求压板安装 平稳且表面光滑。 3 冷挤压模具的配合要求 对于采用导柱来导向的模具来说有几个主要配合部位：a 凸模和垫板b 上垫 板与上模座c 凹模与挚板d 下垫板与下模座。对于这些部位如有配合不正常，将 无法保证制品的精度要求。 ( 1 ) 零件配合 导柱与下模座，导套与上模座，采用七级精度第五种间隙配合，表面粗糙 度要求r a 0 8 以上。下模座与顶杆以h 1 0 c 1 2 进行配合粗糙度要求r a 6 3 。上 顶料杆与凹模底孔的配合要求h 7 h 6r a 0 8 。 ( 2 ) 主要零件加工要求 导套孔h 7r a 0 8 上模板工作面r a l 6 平行度要求o 0 5 螺钉孔h 1 0r a l 2 5 下模座孔面要求 顶料杆孔h 8r a 0 8 导柱孔h 7r a 0 8 螺钉孔h 1 0r a l 2 5 工作面r a l 6 固定销h 6r a o 8 凹模外径h 7r a 0 8 凸模颈部m 6r a 0 8 项杆d 6r a l 6 4 导向垂直设计 导向垂直采用导柱导套导向：在上死点或当凸模工作接触时导柱进入不小 于1 5 1 8 m m 。 5 顶出设计 将挤压件从凹模中顶出的方式很多，根据外电极的形状和成型要求，采用 顶杆顶起外电极圆台底部。 1 8 武汉理t 大学硕士学位论文 6 模具的固定 j 下确的固定方法，可保证模具零件在工作中经久耐用，牢靠稳定，其基本 要求是：a 凸凹模式上下模相互对正，间隙均匀；b 模具压力中心与压力机滑块 中心线吻合；c 闭合高度适当；d 能顺利退料；e 紧固可靠，模具在使用过程中 毫无松动。 ( 1 ) 上模座的固定 选择利用t 型和压板将它固定在滑块上，在模座四个角上对称布置。 ( 2 ) 下模座的固定 选择采用压板，利用t 型螺钉将其固定在工作台面上，采用较常见的平压 板和矩形块紧固模座。 ( 3 ) 凹模的固定 将凹模精确的固定在模座上，对确保挤压工作的正常进行和提高模具寿命 十分重要。其固定方式是利用凹模将凹模固定然后通过销钉、螺钉与模座固定。 ( 4 ) 凸模的固定 采用常见的凸模与固定板相配合形式，然后将上模座垫板和固定板利用螺 钉和销钉进行连接，这种方法的优点是拆卸安装方便，较适合用于对外电极这 种小型挤压件的成型上。 3 3 2 冷挤压模具尺寸设计 1 凸模设计 不考虑弹性变形，凸模尺寸可以按照外电极尺寸设计。 采用反挤压凸凹模尺寸计算。 这属于要求内形尺寸所以有公式： 九= ( d x + 1 a ) ! 屯，取晶= ；1 而1 ，为工件的尺寸公差。 凸模高度为：三= 日。+ h ：+ 日，+ 日 其中日：凸模固定板高度日，：凸模压入凹模的深度日，：瓣合滑块高 度h ：自由高度 1 9 武汉理1 大学硬士学位论文 图3 3 挤压模凸模 2 凹模设计 模腔的工作尺寸，基本取决于挤压件尺寸。 对于凹模的模腔大小 11 一般模具制造误差j 为工件公差的；斋， 为工件的尺寸公差。 凹模型腔尺寸的各尺寸有尺寸公差公式：= ( d 。一0 7 5 a ) ；蛔 。涉 图3 4 挤压模叫模图3 5 挤压瓣合凹模 3 其它模具零件设计 主要考虑的是模具的强度与刚度上的要求。并且要保证滑块运动流畅。【5 ) 3 4 冷挤压模虚拟设计 前文已经讲解了蓄电池外电极的冷挤压模的设计，现在采用c a d 软件 - 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 p r o e ，对模具进行设计工作和装配。 先分别为各模具零件进行建模然后根据零件之自j 的关系进行装配，所有 模具零件如圈3 - - 6 - , 3 - - 1 5 。 图3 6 上模板 图3 8 上模固定板 _ l 图3 7 上模垫板 图3 一1 0 下模板 0 1 - 图3 9 上模装配 图31 1 下模垫板 武汉理工大学硕士学位论文 p r o e ，对模具进行设计工作和装配。 先分别为各模具零件进行建模然后根据零件之自j 的关系进行装配，所有 模具零件如圈3 - - 6 - , 3 - - 1 5 。 图3 6 上模板 图3 8 上模固定板 _ l 图3 7 上模垫板 图3 一1 0 下模板 0 1 - 图3 9 上模装配 图31 1 下模垫板 武汉理t 大学硕士学位论文 图3 一1 9 为模具的投影视图。 3 5 本章小结 图3 1 9 模具投影视图 本章分析了蓄电池外电极的成形工艺，提出了挤压模具设计的具体要求， 根据挤压模设计手册设计出了外电极模具。 在确定了工作零件的关键尺寸的基础上，完成整副模具的虚拟设计c a d 建 模工作：对模具不同零件分别进行建模，然后完成装配。运用p r o e 干涉检查 分析模块分析整副模具c a d 模