（材料加工工程专业论文）冷挤压工艺设计capp系统的研究及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，应用广泛， 成为金属塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。 传统的挤压工艺制定、模具设计效率低、周期长、成本高、设计因人而异 且难以保证设计和生产质量，设计经验不易积累和传承。 冷挤压工艺特点复杂，影响工艺的因素多。因此冷挤压工艺c a p p 系统设计 考虑因素多，难度大，并且难以对冷挤压工艺设计c a p p 系统设计的工艺和模具 进行验证、优化。 论文以此背景作为出发点，首先，介绍了国内外c a p p 系统以及冷挤压c a p p 系统的研究情况；其次，介绍了冷挤压工艺设计的基本流程，总结了冷挤压工 艺设计时各个工艺参数的确定方法，通过冷挤压工艺设计方法详细阐述了冷挤 压零件分类编码系统；最后，介绍了本c a p p 系统的整体结构，详细阐述了系 统各个模块具体功能的实现与开发技术；并利用万向节轴承碗工艺的设计实例 验证了c a p p 系统的实用价值。 论文主要通过v b 6 0 、商用软件d e f o r m 等对冷挤压工艺设计c a p p 系 统展开研究的。主要研究成果有： ( 1 ) 基于派生式设计方法，通过人机交互式手段，对冷挤压零件进行分类编 码，建立了冷挤压零件分类编码系统； ( 2 ) 建立了冷挤压工艺规程库，通过编码检索得到冷挤压工艺和模具的初始 设计； ( 3 ) 建立了有限元模拟模块，利用d e f o r m 软件提供的宏命令，生成各类 典型零件冷挤压有限元模型的模板库，通过修改冷挤压零件有限元模板，得到 具体零件的有限元批处理文件；激活该批处理文件，进行有限元模拟； ( 4 ) 基于模拟结果和经验提供了验证、优化工艺和模具的两种手段：成形极 限参数对比法和输入参数的有限元灵敏度分析法。 关键词：冷挤压工艺，c a p p ，有限元模拟，批处理，灵敏度 i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o l de x t r u s i o ni sa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp r o v i d i n gp r e c i s i o np a r t sw i t h h i g he f f i c i e n c ya n dl o w c o s t ，i tb e c o m e sai m p o r t a n tp r o c e s so fb u l km e t a lf o r m i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h et r a d i t i o n a le x t r u s i o np r o c e s si si n e f f i c i e n t ，l o n gc y c l e a n dt h eh i g hc o s to ft h ed e s i g nv a r i e sf r o mp e r s o nt op e r s o na n di ti sd i f f i c u l tt o e n s u r et h a tt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fq u a l i t y c o l de x t r u s i o np r o c e s s i n gi sc o m p l e x i t y , a n da f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，w h i c h c a u s ed e s i g nd i f f i c u l t y m a n ye x i s t e dc a p ps y s t e mf o rc o l de x t r u s i o nl a c ko ft h e v e r i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o nm e t h o do fp r o c e s sa n dd i ed e s i g n t a k et h i sb a c k g r o u n da ss t a r t i n gp o i n t ，t h ep a p e rs t u d i e sc a p ps y s t e mo ft h e c o l de x t r u s i o n p r o c e s sd e s i g nb yt h eu s i n g o fv b 6 0a n db u s i n e s ss o f t w a r e d e f o r m ，t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s i g nm e t h o d sb a s e do nd e r i v a t i v e s ，t h r o u g h m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v e m e a n so fc o l de x t r u s i o np a r t sc l a s s i f i c a t i o na n dc o d i n g ，t h ee s t a b l i s h m e n to fac o l d e x t r u s i o np a r t sc l a s s i f i c a t i o na n dc o d i n gs y s t e m ( 2 ) t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o l de x t r u s i o np r o c e s sl i b r a r y , s e a r c ht h r o u g ht h e c o d et ob ec o l de x t r u s i o np r o c e s sa n dd i ed e s i g no ft h ei n i t i a l ( 3 ) t h ee s t a b l i s h m e n to ft h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm o d u l e ，t h eu s eo f d e f o r ms o f t w a r em a c r oc o m m a n dt o g e n e r a t ea l lk i n d so fc o l de x t r u s i o np a r t s t y p i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et e m p l a t el i b r a r y , c o l de x t r u s i o np a r t sb ym o d i f y i n g t h ef i n i t ee l e m e n tt e m p l a t e s ，s p e c i f i cp a r t so ft h ef i n i t ee l e m e n tb a t c hf i l e ；t oa c t i v a t e t h eb a t c hf i l et oc a t t yo u tf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ( 4 ) b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i e n c et ov e r i f ya n do p t i m i z et h e p r o c e s st h e t w om e a n s ：f o r m i n gl i m i tc o n t r a s tp a r a m e t e r sa n di n p u tp a r a m e t e r s e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d k e y w o r d s ：c o l de x t r u s i o np r o c e s s ， c a p p ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， b a t c hp r o c e s s i n g ， s e n s i t i v i t ya n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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他教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名垒帆 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 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 聊虢迸胁掣 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 冷挤压成形是将金属毛坯放入挤压模具的型腔内，在强大的压力和一定的 速度作用下，迫使金属从模具型腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有 一定力学性能的挤压零件。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( 如切削加工、铸造、锻造) 相比，它具有“优 质、高产、低消耗、低成本”的特点。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。尤其在2 1 世纪 的零件制造业中，我国加入w t o 后，产品价格的市场竞争日益剧烈，冷挤压技 术已成为各企业继续发展与开拓的重要指标之一。普遍认为，一个国家的冷成 形( 冷挤压、冷锻、冷镦及冲压等) 加工技术水平，使这个国家汽车工业水平、 工业化水平乃至现代化水平的一种重要标志和反映【1 1 。 随着当今社会竞争的日益加剧，低成本、低能耗、高质量、高效率以及追 求环保性和可持续发展已成为制造业厂商在竞争中取胜的重要因素，也成了制 造业追求的目标，冷挤压成形在很大程度上能够满足这些技术、经济和社会上 的要求。然而，如何高效、高质地制定出冷挤压成形工艺，设计和加工出能成 形高质量冷挤压零件的冷挤压成形模具己成为冷挤压成形领域的关键问题。 2 0 世纪中后期，现代高科技的快速发展缩短了空间上的距离和时间上的间 隔，全球性的竞争要求制造业紧跟时代步伐、与时俱进、紧紧把握当代科技发 展的脉搏。开创了计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造以 及计算机辅助工程以等新领域，这些新领域的出现为冷挤压工艺设计的发展提 供了契机2 卅。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 冷挤压工艺研究现状 1 2 1 传统冷挤压工艺研究方法 传统的冷挤压工艺设计由于缺乏必要的分析工具，基本上都是由设计人员 根据个人的经验以及书本上的专业知识通过试错法来实现的。显然，这种试错 法由于主观和客观上的原因，肯定会不时地、或多或少地引起无法保证质量、 人力物力的浪费以及生产周期的增加等许多问题，导致设计的误差以及由此引 起的质量不稳定性和高废品率，通过这种方法生产制造产品必然会降低产品的 质量和企业的竞争力。 近年来，随着高科技的发展和新前沿学科的出现，冷挤压工艺设计方法的 发展主要有两条不同的途径第一条是实验与模拟途径，先后经历了经验性设计、 基于物理模拟技术的设计以及基于数值模拟技术的设计等阶段。第二条途径为 人工智能研究途径，经历了检索式、变异式、创成式和基于知识的设计等阶段， 该方法的研究与计算机软硬件技术、人工智能技术、信息技术、数据库技术等 的发展相互关联、相互促进。 1 2 2 实验和模拟方法 实验和模拟途径自从冷挤压技术出现以来，冷挤压成形过程就与实验过程 密不可分，各种实验手段和方法取得了较大的进步和完善，它对人们研究和认 识冷挤压的成形规律起了重要的作用。如今，实验仍然是一种不可代替的科学 活动，通过科学实验能够分析各种材料特性，从而建立材料特性数据库利用实 验同计算机辅助设计技术相结合，能够分析金属流动的规律，从而获取最佳工 艺方案和工艺参数等。 ( 1 ) 实际生产实践 人们对工艺设计技术的认识始于生产实践，从长期的生产实践过程中，人 们总结了非常丰富的经验性知识。然而由于受技术条件的限制，在过去的时代 里缺乏良好的分析手段，以这些经验性知识为基础总结得出的一些指导性原则 便成了工艺设计的依据。实际生产对于人们充分认识冷挤压成形规律起到了积 极的作用，并且也为后来冷挤压工艺设计提供了丰富的指导性原则1 5 - 6 1 。 ( 2 ) 基于物理模拟技术的工艺设计 2 武汉理工大学硕士学位论文 传统的工艺设计过程在运用试错法进行工艺和模具设计时，必须采用真实 材料进行实验，然后根据实验结果检验所设计工艺是否合理。这样，将带来严 重的设备和材料浪费。为减少这一浪费，人们用较为廉价、流动性好、能重复 利用的软材料代替真实材料进行模拟实验。在此基础上，人们为了更好地掌握 金属的流动规律，发展了密栅云纹法、硬度法、网格法、低倍组织法、视塑性 法、光敏涂层法和光塑性法等多种物理模拟方法。 物理模拟技术作为验证工艺和模具设计、验证数值模拟结果的手段，以及 研究金属塑性成形规律的实验手段等方面具有重要的意义。 ( 3 ) 基于数值模拟技术的工艺设计 随着计算机软硬件技术的迅速发展和金属塑性流动理论的日趋成熟，利用 计算机模拟金属塑性成形过程得以实现。利用数值模拟方法，可以方便地确定 塑性成形过程各个阶段所需的变形力、工件内部应力应变分布和金属的流动情 况，获得模具的应力、应变分布和合理形状，预测工件的成形状况，为了解金 属成形和工艺和模具设计提供了强有力的工具r 7 。1 1 】。 1 2 3 计算机智能研究方法 冷挤压成形工艺的显著特点是变形抗力大，设计合理的冷挤压工艺一直是 研究的热点。针对这方面的研究，人们进行了大量的实践，当冷挤压工艺设计 实践进行到一定阶段时，人们从大量的事实中总结了很多经验性的规则，有定 性的也有定量的。这些知识的不断积累为在冷挤压成形领域内开展人工智能方 面的研究奠定了基础。随着计算机技术和人工智能技术在冷挤压成形领域中的 不断应用，冷挤压工艺设计先后经历了变异式设计、创成式设计、基于知识的 设计和基于知识的集成系统等四个阶段。 从上述研究方法的发展方向可以看出，对于实验和模拟方法，用有限元代 替真正实验己经是大势所趋。但是，也存在着各种各样困难，并且很难确定各 个工序的工艺参数等，从而限制了它们在实际过程中的应用。而对于计算机智 能研究方法，经过无数国内外研究者多年的辛勤钻研，加上迅速发展的现代科 学技术的支撑，冷挤压工艺设计方面的研究取得了不断的进步。但是，目前同 样存在着很多尚待解决的问题，主要包括应用范围比较窄，智能化水平比较低， 需要更加深入的研究【1 2 。13 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3c a p p 研究现状 随着计算机技术的发展和广泛应用，计算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 被用在工业制造的很多领域，可以保证产品质量、提高 劳动生产率、降低成本、缩短生产周期，是现代制造中不可或缺的技术和管理 措施【2 】。 1 3 1c a p p 概述 c a p p 是指计算机辅助工艺规划，它是年代后期出现并得到不断发展的一个 新的技术领域。其本质上来说就是模拟人编制工艺的方式，代替人完成编制工 艺的工作，也是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的 设计。 随着机械制造生产技术的发展和当今市场对多品种、小批量生产的要求， 特别是系统向集成化、智能化、网络化、可视化方向发展，计算机辅助工艺过 程设计也就日益为人们所重视。采用技术可以大大提高工艺设计效率，从而缩 短技术准备周期。在企业信息化建设中，c a p p 扮演了重要的角色。 1 3 2c a p p 国内外研究现状 c a p p 的研究始于国外。第一个c a p p 系统是挪威在1 9 6 9 年推出的 a u t o p r o s 系统，它是根据成组技术原理，利用零件的相似性去检索和修改标 准工艺来制定相应的零件规程，1 9 7 3 年正式推出商品化a u t o p r o s 系统。美 国是2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初开始研究c a p p 的，并于1 9 7 6 年由c a m i 公 司推出颇具有影响力的c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统，成为c a p p 发展史的里程碑。以上早期的c a p p 软件采用的都是所谓的“标准工艺法”，即 派生式( v a r i a n t ) c a p p 系统。7 0 年代中期开始了创成式( g e n e r a t i v e ) 系统的研究 和开发，而且很快被认为是最有前途的方法。理想的创成式c a p p 系统是通过 决策逻辑效仿人的思维，在无需人工干预的情况下自动生成工艺。1 9 7 7 年w y s k 首次提出了一个创成式c a p p 系统一a p p a s 。可是经过多年的努力，这种理想的 c a p p 系统也未能达到真正意义上的创成式。因此有人提出了半创成式系统，即 综合派生法和创成法，在多数情况下使用派生法，在没有典型工艺的情况下使 4 武汉理工大学硕七学位论文 用创成法生成工艺。这种半创成式系统目前被认为是最有前途的发展方向之一。 随着计算机及其相关技术的发展，各种c a p p 系统在发展中不断改进提高 和互相渗透，从2 0 世纪8 0 年代开始探索将人工智f l 皂( a j ) 、专家系统、人工神经 元网络、模糊推理、基于实例的推理等技术应用于c a p p 系统的研究中，进行 c a p p 建造工具及混合式c a p p 系统的开发【1 4 1 。 我国对c a p p 的研究始于2 0 世纪8 0 年代初，1 9 8 2 年上海同济大学正式推 出了我国第一个c a p p 系统t o j i c a p 。在此之后，国内掀起了研究c a p p 的热 潮。随着计算机辅助技术的发展和应用，企业对c a p p 的需求更加迫切。现已 形成了一支由高等院校、企业和科研院所组成的人数众多的具有相当技术实力 的研究队伍。已开发出许多c a p p 系统，其中有些系统已开始在工厂中实际使 用，取得良好效果。1 9 8 5 年至1 9 9 0 年其间，北京航空航天大学、北京理工大学、 南航、西北工业大学等一些高等学校开发出了具有一定水平c a p p 系统。清华 大学与西北工业大学在国内较早开展c a d c a p p c a m 智能集成化研究与原型 系统开发并具有实用价值、并取得突出社会和经济效益。近几年来，我国市场 上出现了多种有代表性的c a p p 软件，这在一定程度上满足了国内企业的需求。 在不同杂志、会议上发表c a p p 研究、开发、应用成果了大量文章和专著，客 观上讲国内c a p p 研究与应用，已取得了丰硕的成果，在现代生产中了也获得 了较大应用。但是我们应该清楚的看到，c a p p 系统的应用还是不十分广泛，现 已研制成功的c a p p 系统应用范围也比较狭窄，功能不足，智能化水平不高， 无法完成所有工艺设计功能，所以我们仍需提高研究c a p p 的水平，使其真正 能够适应现代制造业的快速发展【l 习。 1 3 3c a p p 存在问题 c a p p 的研究虽已取得很多成果，国内外也开发了众多c a p p 系统，有些己 在生产中的得到应用，但其效果还不能令人满意。目前，存在的主要问题有： 1 、系统开发周期长、费用高、难度大、适用性差、难以推广应用，功能有 限，现有的系统无法完成所有工艺设计任务。 2 、有些功能人机交互可轻松完成，而c a p p 系统做起来却非常困难，系统 运作时人机交互过程繁冗，需交互输入大量的信息，麻烦而又容易出错。 3 、c a p p 系统的针对性过强。 4 、一般c a p p 系统通用性差，缺少柔性。 5 武汉理工大学硕七学位论文 5 、c a d 、c a p p 、c a m 、c a e 等系统之间没有流畅的信息通道，这对生 产系统的有效集成产生了极大障碍1 8 1 7 1 。 1 3 4c a p p 发展趋势 c a p p 的研究一直受到广泛的重视，经历了变异型、创成型和综合型、智能 型系统等阶段的发展，如今又步入了一个新的历史阶段，从总体上讲，当今正 在朝着如下几个方法发展： 1 、智能化：由传统的c a p p 向智能c a p p 发展。 2 、工具化、模块化：开发应用面广、适应性强的c a p p 系统，即大力发展 工具型c a p p 系统。 3 、集成化、网络化、可视化：由孤立的c a p p 向集成化的c a p p 发展1 8 _ 2 0 。 1 4 冷挤压工艺c a p p 系统的研究现状及问题 c a p p 系统在冷挤压工艺设计过程中的应用研究已经取得一定成果。如基于 知识的冷挤压工艺设计智能系统及其关键技术研究，主要基于知识利用人工神 经网络、模糊逻辑技术的专家系统；该系统主要的特点是利用智能技术可以有 效的设计冷挤压的工艺，但该系统开发周期长，所需成本大，对使用者的计算 机知识要求更耐3 1 。上海交通大学张兴全、彭颖红、阮雪榆等人对冷挤压工艺规 划的集成系统研究，该系统包含了基于特征的产品模型建立、可行性分析、工 艺规划模块；从特征的角度建立的系统，也可以有效的进行冷挤压工艺设计， 但该系统开发周期长【2 1 1 。前面的两个系统共同的特点是缺乏对冷挤压工艺设计 c a p p 系统设计的工艺和模具进行验证、优化。本系统的特点是采用派生式的设 计思路进行系统设计，开发周期短，节约成本；系统内有有限元模拟模块；并 提供验证、优化工艺的手段，能够有效的进行冷挤压工艺设计，提高了设计质 量。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 论文选题的来源、目的及意义 1 5 1 课题来源 课题来源于基金项目：湖北省自然科学基金资助项目、企业横向项目。 1 5 2 本文的目的及意义 冷挤压成形是一种利用金属材料的塑性，对金属毛坯施加适当的能量和载 荷，使金属毛坯发生塑性变形而形成具有一定尺寸、形状和力学性能的零件或 半成品件的成形工艺。冷挤压工艺是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工 艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产。传统挤压工艺制定、模具设计以 经验和试错实验为基础，效率低、周期长、成本高，难以保证设计和生产质量， 设计经验不易积累和传承，无法适应现代市场需求。 传统的c a p p 系统分为创成式、派生式、半创成式。创成式c a p p 系统就像 工艺人员的逻辑思维一样，自动进行工艺决策，选择零件成形方法，安排工艺 路线、工艺过程；创成式系统优点明显，但开发周期长，需要大量的人力、物 力、财力。派生式c a p p 系统是利用零件的结构和工艺相似性，通过检索和修改 零件族主样件的标准工艺而获得当前零件的工艺规程；派生式系统技术上比较 容易实现，可减轻工艺文件的编制工作，但派生式系统在碰到全新的加工条件 和要求时，往往难以进行工艺决策和验证工艺设计的准确性。半创成c a p p 系统 将派生式与创成式结合起来，即采取派生与自动决策相结合的工作方式。半创 成式有一定优点，但是开发周期长。现有冷挤压工艺c a p p 系统缺乏对工艺和模 具的验证、优化手段。与机械制造工艺的特点不同，冷挤压工艺不但要考虑零 件形状、材料的挤压变形性能，摩擦润滑条件，设备力学参数，而且还要考虑 模具结构，模具材料性能等繁多的影响因素。冷挤压工艺特点复杂，影响工艺 的因素多。因此冷挤压工艺c a p p 系统设计考虑因素多，难度大，并且难以对冷 挤压工艺设计c a p p 系统设计的工艺和模具进行验证、优化。 针对以上问题和特点本文的目的建立可以高效、准确完成冷挤压工艺设计 的c a p p 系统；系统开发周期不太长，费用低，能够验证、优化系统设计的工艺 和模具。即采用派生式设计思路，对冷挤压零件进行分类，通过对零件进行交 互式编码，检索出零件初步工艺规程，同时提供修改初步工艺规程的手段。通 7 武汉理工大学硕士学位论文 过将冷挤压c a p p 系统与有限元模拟软件集成，能够判断设计工艺的可行性，优 化系统设计的工艺和模具，提高了设计质量。 综上所述，选定此研究课题，不仅是对c a p p 系统与c a e 结合这一领域的 进一步探索，而且也为c a p p 技术的发展奠定了基础。由于与实际生产结合紧 密，该课题的研究结果可以解决实际生产问题。 1 6 论文研究内容 本文以冷挤压工艺设计流程理论为依据，以v b 6 0 为开发工具，以商用软 件d e f o r m 作为有限元运算平台，开发研究出冷挤压工艺设计c a p p 系统。 本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 建立友好的界面，实现系统的模块化设计并实现各模块的集成； ( 2 ) 对冷挤压零件进行分类编码，建立了冷挤压零件分类编码系统； ( 3 ) 建立了冷挤压工艺规程库，通过编码检索得到冷挤压工艺和模具的初始 设计； ( 4 ) 建立了有限元模拟模块，利用d e f o r m 软件提供的宏命令，生成各类典 型零件冷挤压有限元模型的模板库，通过修改冷挤压零件有限元模板，得到具 体零件的有限元批处理文件；激活该批处理文件，进行有限元模拟； ( 5 ) 基于模拟结果和经验提供了验证优化工艺和模具的两种手段：成形极限 参数对比法和交互式输入参数的有限元灵敏度分析法。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章冷挤压工艺及工艺设计 2 1 冷挤压的实质 冷挤压是一种少无切削压力加工新工艺。它是根据金属塑性成型原理，将 冷态的金属毛坯放入装在压力机上的模具模腔内，在强大的压力和一定的速度 作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定机械 性能的挤压件1 1 。 2 2 冷挤压的基本方法 根据冷挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，常用的冷挤压方 法可以分为以下几种： ( 1 ) 正挤压 挤压时，金属的流动方向与凸模运动方向相一致。分为单阶单向阶梯轴类、 多阶单向阶梯轴类、单阶通孔单向阶梯轴类零件。正挤压典型轴类零件图如图 2 1 。 ( 2 ) 反挤压 挤压时，金属的流动方向与凸模的运动刚好相反分为直孔不通孔套筒类、 阶梯孔不通孔套筒类、阶梯孔不通孔套筒类零件。反挤压典型套筒类零件图如 图2 2 。 ( 3 ) 复合挤压 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 属流动方向则与凸模运动方向相反。有一端带凸缘双向带孔类零件。复合挤压 典型零件图如2 3 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 i 、 ll ， l i i 图2 1 正挤压轴类图图2 - 2 反挤压套筒类图图2 - 3 复合挤压类图 前面三种是冷挤压中应用最广的几种方法。它们的共同特点是：金属流动 方向都与凸模轴线平行，因此又统称为轴向挤压法。冷挤压零件的分类：阶梯 轴类、套筒类、凸缘类、盘形类、锥形类、齿轮【1 1 。 2 3 冷挤压工艺设计概述 冷挤压是根据金属塑性变形原理，在模腔内产生塑性变形，使毛坯变成所 需形状、尺寸及具有一定性能的零件的成形工艺。采用冷挤压工艺成形零件可 以降低原材料消耗，材料利用率高达一，冷挤压成形与切削加工相比，具有高 产、优质和低消耗的优点，生产率可以大幅度提高，生产成本也大为降低，在 技术上和经济上都有很高的实用价值，目前已成为金属塑性成形技术中不可缺 少的重要工艺手段之一。当然，冷挤压成形也有一些缺点，比如单位冷挤压力 较大、冷挤压模具使用寿命较短等。但是，随着科学技术的进一步发展，工艺 设计水平的进一步提高，模具材料的进一步研究开发，模具结构设计的进一步 合理化，缺点会被逐渐得到克服，冷挤压成形的优越性会得到更加充分的发挥。 可以断言，冷挤压成形技术必将得到越来越广泛的应用【5 】。 冷挤压工艺设计内容主要包括冷挤压件图设计、工艺计算、工序设计和工 艺方案制定等。工艺设计工作的基本流程如图2 - 4 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 工艺设计流程 按照传统的常规设计思路，设计者进行冷挤压工艺设计时，首先要研究产 品图纸并进行产品的工艺性分析，然后利用变形前后材料体积不变原则根据所 设计的冷挤压零件图计算出坯料体积，并按照体积计算公式根据冷挤压零件尺 寸或中间工序半成品件的尺寸确定毛坯尺寸，再根据冷挤压零件变形程度、冷 挤压力大小和冷挤压零件形状复杂程度确定成形工序数目，而后再进行工序设 计，决定中间工序半成品件的形状和尺寸，并选定成形方法，安排成形顺序， 最后确定成形工艺方案，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以及核算经济技术指标。 由上述可以看出，这种传统的工艺设计是由人工编制的，劳动强度较大， 效率很低，而且会因设计人员设计思路、业务能力等的不同而制定出不同的工 艺方案，有时还会采取一些不合适甚至错误的工艺方案。方案的质量在很大程 度上依赖于工艺设计人员的水平和能力，很难做到工艺设计的最优化和标准化， 武汉理工大学硕七学位论文 而且设计过程繁琐，设计周期冗长，难以适应瞬息多变的市场需求，因此在科 学技术高速发展、追求经济效益的今天，传统的工艺设计方法己远远不能适应 当前机械制造行业发展的需要。 为了解决传统的工艺设计方法存在的弊端，从世纪年代起研究人员开始对 计算机辅助工艺设计理论与应用进行研究。 2 4 冷挤压工艺具体设计 冷挤压工艺设计主要包括工艺分析、挤压件图设计、工序设计、工艺方案 设计，以及模具设计1 11 2 2 - 2 3 1 。 2 4 1 冷挤压工艺分析 ( 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； 6 ) 挤压件表面粗糙度的大小； 7 ) 挤压件性能指标； 8 ) 挤压件质量标准； 9 ) 挤压材料的工艺性能。 ( 2 ) 估算项目： 1 ) 总变形程度； 2 ) 总工序数目； 3 ) 总工装套数； 4 ) 单件工时； 5 ) 材料利用率及单价； 6 ) 设备台数及负荷能力； 7 ) 模具成本； 8 ) 初步经济预算； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 9 ) 效果分析及评价。 2 4 2 冷挤压件的原材料及毛坯准备 ( 1 ) 原材料形态：线材用来生产较小的零件；棒材用于形状复杂、尺寸较大 零件，毛坯长径大于3 4 ；板材冲裁毛坯长径小于3 4 。 ( 2 ) 对冷挤压材料的要求：可塑性，材料变形抗力，材料表面质量，毛坯 的尺寸精度，材料加工硬化。 ( 3 ) 冷挤压用材料：有色金属，主要是铝、铜；黑色金属，可成形的钢， 成形工艺可提高零件力学性能的钢，可通过热处理提高零件力学性能的钢。 ( 4 ) 毛坯下料方法：锯切、车切、板料冲裁、剪切。 ( 5 ) 毛坯软化处理：不同的材料不同的热处理、软化处理。 ( 6 ) 毛坯表面处理与润滑：去除表面缺陷，清洁、去脂、去除表面氧化物、 磷酸盐处理、润滑处理。 2 4 3 毛坯设计 ( 1 ) 毛坯的形状：片状、圆柱、管形毛坯。 ( 2 ) 毛坯的尺寸 毛坯的体积是根据挤压件图按照毛坯体积等于挤压件体积的原则计算 的。如果冷挤压还要进行切削加工，则计算毛坯体积时还应加上修边余量， 即式2 - 1 。 v o = 匕+ k ( 2 1 ) 式中k 一毛坯体积( 1 1 1 1 1 1 3 ) ； u 一挤压件体积( n l n l 3 ) v 修边余量体积( m l t l 3 ) 。 不同挤压件的修边余量a h 可参照表2 - 1 、表2 - 2 选取。 表2 1 轴对称冷挤压件高度修边余量h 值( 单位：姗) 1 3 武汉理t 大学硕十学位论文 表2 - 2 大量生产铝制外壳所用的修边余量a h 值( 单位：r a m ) 毛坯的内外径尺寸可根据凸模与凹模的相应尺寸决定。通常情况下，毛 坯的外径尺寸要接近成品零件的直径。为了方便将毛坯自由地放入模具型腔 内，毛坯的外径应比凹模型腔尺寸小0 1 - 0 2 m m 。为了便于将凸模伸入毛坯 内孔，毛坯内孔一般比凸模相应尺寸大0 0 5 - 0 1 m m 。在使用硬质合金模具时， 间隙一般为0 0 2 r a m 左右。因此，毛坯的外径尺寸玩可以用式2 - 2 表示。 d o = d 件一z ( 2 2 ) 式中d 件挤压件的外径( r a m ) ； z 毛坯与模具之间的间隙( 舢) 。 毛坯径向尺寸确定以后，就可以算出横截面积。 毛坯的体积及横截面积确定以后，它的高度可由式2 - 3 求得 芝 ( 2 3 ) 式中毛坯高度( m m ) i 毛坯体积( m m 3 ) ； 昂毛坯的横截面积( m m 2 ) 2 4 4 摩擦因子选择 影响摩擦力的因素主要有金属化学成分，模具表面状态( 主要是指表面粗 糙度、加工痕迹的方向及硬度等) ，接触面上的单位压力，接触面积，变形程度， 变形速度，变形温度，润滑条件及其他因素的影响。 关于不同冷挤压条件下的摩擦因素数值，参考表2 3 选取。 1 4 武汉理1 = 大学硕士学位论文 表2 - 3 摩擦因数f 值 加工条件摩擦因数f 模具表面研磨加工，润滑良好 模具表面研磨加工，无润滑 模具及被挤毛坯均为一般加工表面 模具及被挤毛坯均为粗加工表面 0 0 5 - 0 1 0 0 1 0 - 0 1 5 0 1 5 0 2 0 2 - 0 3 2 4 5 变形程度计算 冷挤压加工中，表示变形程度的方法主要有 ( 1 ) 断面缩减率 如式2 - 4 。 岛= 警刈0 0 式中磊挤压件变形前毛坯横截面积( m m 2 ) ； 巧冷挤压变形后制件的横截面积( m m 2 ) 。 断面缩减率的数值越大，就代表冷挤压的变形程度越大。 ( 2 ) 挤压比g 如式2 - 5 。 g ：= r o e g 的数值越大，表示的冷挤压变形程度越大。 ( 3 ) 对数变形程度 式2 - 6 。 纠噜 2 4 6 冷挤压力计算 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 1 ) 影响单位挤压力的主要因素有材料性质，变形方式，变形程度，挤压 速度，模具几何形状，毛坯的高度，润滑条件等。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 总压力的计算如式2 7 p = c p f ( 2 7 ) 其中c 为安全系数，般去c = 1 3 ； p 为平均单位挤压力，习惯上称为单位挤压力( m p a ) ； p 为挤压力( k n ) ； f 为凸模与毛坯直接接触表面在水平面上的投影面积( m m 2 ) ； 单位挤压力p 可以从表2 4 中选取。 表2 - 4 挤压时单位挤压力的近似值( m p a ) 单位挤压力的计算方法主要有简易计算法，经验公式计算法，主应力法，上 限元法等。 2 4 7 确定挤压次数 当断面缩减率小于小于许可变形率时，岛= e f 锄时，多道工序。同时要考虑挤压件的尺寸因素， 挤压件形状复杂程度，设备状况。 2 4 8 工序设计 ( 1 ) 下料 毛坯的高径比大于等于0 8 时剪切下料。 毛坯的径高比大于等于3 时冲裁下料。 ( 2 ) 冷墩 ( 3 ) 校形 ( 4 ) 中间工序 1 6 武汉理工大学硕十学位论文 最大变形量的挤压加工安排在中间成形工序；按体积不变规律，决定预备 形状的横截面积及其尺寸；各工序间的圆角半径基本一致。 ( 5 ) 最终成形工序 ( 6 ) 辅助工序 当硬度大于等于1 3 0 h b s ( 低碳钢) 时，安排退火工序，原则上每道挤压工 序之前，毛坯或半成品均应退火并经润滑处理。 2 5 冷挤压模具设计 2 5 1 模具结构形式的确定 ( 1 ) 挤压件因素 当挤压件是有色金属、形状简单时，模具结构形式是实心底封闭模腔， 不设顶出装置，带有卸料板。 当挤压件是铝合金、低碳钢，变形程度大，形状复杂时，模具结构形式 是预应力组合凹模，各种镶块的分割形式，上下双级卸、退料装置。 当挤压件的精度为普通级时，模具结构形式是无导向、简易敞开模。 当挤压件的精度为精密级时，模具结构形式是精密导向模具l 】【6 】。 ( 2 ) 生产批量因素 小批量时，模具结构形式是简易模具，整体结构。 大批量时，模具结构形式是标准、通用模架，分割形式，组合结构，具 有导向装置，具有机械、自动上料装置1 1t 6 。 ( 3 ) 设备类型因素 小型设备时，模具结构形式是整体结构形式，模柄紧固。 大型设备时，模具结构形式是分体结构形式，压板或t 型螺栓紧固1j 【6 】。 2 。5 2 反挤压模具设计 ( 1 ) 反挤压凸模计算【6 】 首先计算凸模，凸模形状如图2 - 5 所示。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 各部分尺寸计算公式如下： d = d ( 零件小径) d l = 0 9 8 d d 2 = 1 2 d d 3 = 1 8 d d 4 = 0 5 d l 1 = h 1 ( 零件高度) + 5 l 2 = 0 8 d 3 h = 4 h l = 3 r = 0 5 r o = 1 ( 2 ) 反挤压凹模计算 如图2 - 6 ，凹模形状图。 图2 - 5 凸模具形状图 1 8 武汉理t 大学硕十学位论文 各部分尺寸计算公式如下： d i = d ( 零件大径) d 2 = o 5 d 1 h i = d 1 h 2 = h ( 毛坯高度) + 4 + 3 r = i r = 2 2 5 3 正挤压模具设计 图2 - 6 凹模形状图 首先计算凸模1 11 6 ，凸模形状如图2 7 所示： 各部分尺寸计算公式如下： d = d ( 零件大径) d 2 = ( 1 8 2 0 ) d d l = ( 1 2 1 3 ) d 11 = 挤压工作行程+ 卸件板厚度+ l o m m r i = o 1 d 其余r 2 = o 2 m m h 1 = 3 m m 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 l 篁 二= 囊一 c 蠢】 iq i 融l 图2 7 正挤压凸模的基本形状 最后是凹模各部分尺寸计算 凹模形状如图2 - 8 所示： 图2 - 8 正挤压凹模的基本形状 各部分尺寸计算公式如下： d o = d o + ( 0 1 叼2 ) 咖 d = 挤压件外径 d 2 = d + ( o 5 1 0 ) i 姗 h = 3 _ 一4 m m a = 1 5 0 一3 5 o r = o 2 2 o m m r = 3 5 砌 h l = h o + l o m m ( h o 为毛坯高度) h 2 = ( 1 1 1 2 ) d 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章冷挤压零件工艺分类编码系统 3 1 成组技术的基本原理 从广义上讲，成组技术( g t ，g r o u pt e c h n o l o g y ) 就是将许多各不相同，但 有具有相似性的事务，按照一定的准则分类成组，使若干种事物能够采用同一 解决方法，从而达到节省人力、时间和费用的目的。成组技术的普遍原理可以 适用于各个领域 2 5 - 2 6 】。 成组技术的核心和关键是按照一定的相似性准则对产品零件的分类成组。 3 2 零件分类和编码的原理及概念 就零件的分类和编码理论而言，可以说至今仍未完备，尤其在冷挤压零件 利用分类编码系统进行零件分类，在国内至今还没有一个通用的分类方法 2 7 - 2 8 】。 以下通过对分类和编码的原理的阐述并结合冷挤压生产企业的实际情况， 提出本文对冷挤压零件的分类编码系统。 3 2 1 零件分类的原理及概念 分类系统是为了达到一定分类目的和要求而采用的相应分类原理、规则和 步骤所构成的一个体系的总称。可以将分类系统看成是一系列分类环节和分类 标志的总和。因为被分类的事物总是顺序通过分类系统所规定的一个个分类环 节，以及接受每个环节上的分类标准的对比检验而实现分类的垮2 8 1 。 3 2 2 零件编码的原理及概念 零件通过分类系统中每个分类环节上所赋予的分类标志而被最终区分或聚 合成类。这样便得出一定的分类结果。对于每个零件分类结果如何去描述或表 达呢? 这可以有许多方法。但最为简便有效的，莫过于编码。 编码的目的是用规定的字符来代表复杂的概念。将编码技术用于成组技术 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 的零件分类系统中，也就是用规定的字符来代表每个纵向环节的分类标志所描 述的零件的特征和属性。从而便于记忆和应用。零件分类中采用编码后，还能 使零件复杂的结构形状转化成数码，也即实现“以数代形 的目的。这样便能 充分利用计算机善于处理数字信息的能力拄2 8 1 。 零件分类所用的代码，可以分成三种类型：用阿拉伯数字( o 、1 、9 ) 作为 代码、用英文字母( a 、b 、c 、z ) 作为代码以及数字一字母混合作代码。一 般零件分类编码系统采用数字代码居多，少量采用数字一字母代码，而纯粹用 字母代码者极少f 2 5 - 2 8 】。 3 3 冷挤压零件分类编码系统 3 3 1 冷挤压零件分类编码的原则 编码的目的就是用数字或字符代替描述零件复杂的特征概念，在产品生产 的全过程中，利用零件的编码可以使零件的特征属性简单化和代码化，从而便 于记忆和计算机处理，冷挤压产品编码原则主要有以下4 个方面： ( 1 ) 分类编码的结构应尽量简单； ( 2 ) 分类编码应能满足计算机处理要求，便于信息的传输、存储和检索； ( 3 ) 一种零件只能有一种编