模具第五章成形模.ppt

第五章成形模 第一节胀形第二节翻边第三节缩口第四节冷挤压 在冲压生产中 除冲裁 弯曲 拉深等工序外 还有一些工序包括 胀形 翻边 缩口 校形等 把这类工序统称为成形工序 成型工序即 用各种局部变形的方式来改变工件或毛坯形状的各种加工方法 从变形的特点来看 这类工序有相同之处 也有不同 如胀形和翻边等主要是受拉力产生伸长变形 易被拉裂而破坏 缩口和外缘翻凸边 则主要受压应力产生压缩变形 易起皱而破坏 针对不同的工序 分析其不同的受力与变形 设计出合理的成形工艺和模具 在生产中 成形工序往往和其他冲压工序组合在一起 加工某些复杂形状的工件 在冲压过程中 整个工件的应力 应变状态是很复杂的 应根据实际情况认真分析和解决 下面分各种工序介绍其变形特点 工艺计算 模具结构等 第一节胀形 如图所示 当用球形凸模胀形平板毛坯时 毛坯被带有拉深肋的压边圈压死 变形区限制在凹模口以内 在凸模的作用下 变形区大部分材料受双向拉应力作用 忽略板厚方向的应力 沿切向和径向产生伸长变形 使材料厚度变薄 表面积增大 形成一个凸起 这种成形称为胀形 胀形工艺与前面的拉深工艺不同 毛坯的塑性变形区局限于变形区范围内 材料不向变形区外转移 也不从外部进入变形区内 是靠毛坯的局部变薄来实现的 从工件的形状来分 胀形分为平板毛坯的局部胀形 起伏 和空心毛坯的胀形 从胀形模具来分 有刚模胀形和借助液体 气体和橡胶成形压力的软膜胀形 一 胀形的变形特点及成形极限 对图5 1所示的胀形工件分析发现 当从毛坯的变形区内取出一小块单元体时 见上图 该单元体为双向拉应力状态 在一般情况下变形区内金属不会产生失稳起皱 表面光滑 质量好 由于毛坯的厚度相对于毛坯的外形尺寸极小 胀形时双向拉应力在变形区板厚方向上的变化很小 从毛坯的内表面到外表面分布较均匀 因此当胀形力卸除后 零件内 外回弹方向一致 弹复较小 工件形状容易冻结 尺寸精度容易保证 对于某些曲率半径较大的曲面工件 如汽车的覆盖件 车门 车顶等 在成形时 通常采用加大其胀形成分的方法 增大压边力或加拉深肋 来减少回弹 使工件表面平滑 保证工件质量 胀形的应变状态可以用网目法表示 胀形前先将毛坯变形区画出许多圆圈 胀形后毛坯变形区变薄 表面积增大 圆圈形状发生变化 如图5 3所示 当观察变形区的底部 侧面和边缘的圆圈时 发现其部位不同 圆圈的变化不同 即应变力不同 图5 4a所示为底部产生双向相等拉应变 x y 圆圈直径变大 图5 4b为侧面单向拉应变 x 圆圈变成长圆形 图5 4c为变形区边缘拉应变 x加大 并在y方向有一比较小的压应变 y 圆圈变成细长圆形 由此可以看出 变形区在x方向 x从边缘到底部均大于0 在y方向 y从底部 y x 0变化到边缘 y 0 这是因为边缘上y方向 y 0的结果 在厚度方向 t方向 整个变形区的金属厚度都会变薄 即 t 0 这样最容易产生拉裂的部位是沿x方向开裂 成形方式 工艺条件和材料性能的改变 都会引起变形区的应力与应变发生变化 分析应变区的应力 应变分布与变化情况 可以寻求改善板料塑性变形的措施 以提高零件的表面质量与尺寸精度 胀形的成形极限是衡量零件在胀形时不产生破裂所能达到的最大变形 由于胀形方法不同 变形在毛坯变形区内的分布也不同 模具结构 工件形状 润滑条件及材料性能均影响金属的变形 故各种胀形的成形极限表示方法也不同 即 纯胀形时常用胀形深度表示成形极限 管形毛坯胀形时常用胀形因数表示成形极限 虽然 胀形成形极限表示方法不同 但由于胀形区变形性质相同 且破裂只与变形应变状态有关 所以影响因数类似 影响胀形成形极限的因数主要是材料的伸长率和材料的硬化指数 一般认为 材料的伸长率大 即塑性大 破裂前允许的变形程度大 其成形极限大 对胀形有利 材料的硬化指数大 变形后材料硬化能力强 扩展变形区 使应变分布趋于均匀 提高材料的局部应变能力 故成形极限大 对胀形有利 一般来讲 胀形破裂总是发生在材料厚度变薄最大的部位 变形区的应变分布对胀形破裂有很大影响 工件的形状和尺寸不同 胀形时应变分布也不同 当用球头凸模或平底凸模胀形时 前者的应变分布比较均匀 各点应变量较大 能获得较大的胀形高度 其成形极限较大 润滑条件和材料厚度对胀形极限也有影响 一般认为 良好的润滑使凸模与毛坯间摩擦力减小 变形不过分集中 应变分布均匀 使胀形高度增加 材料厚度增大 胀形成形极限有所增加 但料厚与工件尺寸比值较小时 影响不太显著 x方向 二 平板毛坯的局部胀形 起伏 平板毛坯在模具作用下 产生局部凸起的冲压方法称为起伏成形 如图所示 起伏成形主要用于增加工件的刚度和强度 如压加强肋 压凸包 压字 压花纹等 起伏成形常采用金属冲模 1 压加强肋常见的加强肋形式和尺寸见表5 1 起伏成形的极限变形程度 主要受材料的塑性 冲头的几何形状和润滑等因数影响 在计算起伏极限变形程度时 可以概略地按单向拉伸变形处理 即 极 l1 l0 l0 0 7 0 75 单 其中因数0 7 0 75视胀形时断面形状而定 球形肋取大值 梯形肋取小值 极 起伏成形的极限变形程度 单 材料单向拉深时的伸长率 l0 l1 变形前后长度 如果计算结果符合上述条件 则可一次成形 否则应先压制成半球形过渡形状 然后再压出工件所需形状 如图所示 表5 1列出了加强肋的形状 尺寸等可供参考 当加强肋与边框距离小于 3 3 5 t时 应留切边余料 冲压加强肋的变形力 F KLt b F 变形力 K 因数 K 0 7 1 加强肋形状窄而深时取大值 宽而浅时取小值 L 加强肋的周长 t 料厚 b 材料的抗拉强度 若在曲柄压力机上用薄料 t 1 5mm 对于小件 面积 2000mm2 压肋或压肋兼有校形工序时 变形力 F KAt 2 压凸包压凸包时 毛坯直径与凸模直径的比值应大于4 此时毛坯法兰部位不会向里收缩 属于胀形性质的起伏成形 否则便成为拉深 冲压凸包的高度受材料塑性限制不能太大 表5 2列出了平板毛坯压凸包时的许用成形高度 凸包成形高度还与凸模形状与润滑有关 球形凸模较平底凸模成形高度大 润滑条件较好时成形高度较大 如果工件凸包高度超出表5 2中所列数值 则采用类似于多道工序压肋的方法冲压凸包 如图5 6所示 三 空心毛坯胀形 空心毛坯胀形是将空心件或管状坯料沿径向向外扩张 胀出所需凸起曲面的一种加工方法 用这种方法可以制造出许多形状复杂的工件 空心毛坯的胀形根据模具的不同分为两类 一类是刚性凸模胀形 如图5 7所示 利用锥形芯块将分块凸模向四周胀开 是毛坯形成所需形状 其特点 分块数目越多 所得到的工件精度越高 但也很难得到精度较高的旋转体零件 且模具结构复杂 成本较高 另一类是软体凸模胀形 包括 橡胶 石蜡 液压等 橡胶胀形如图5 8所示 是以橡胶为凸模 在压力作用下使橡胶变形 把工件沿凹模胀开所需的形状 其特点 模具结构简单 工件变形均匀 能成形复杂形状的工件 空心毛坯胀形 续一 上图所示为液体胀形 液体胀形时 凹模内的毛坯在高压液体作用下直径胀大 最终贴靠凹模成形 其特点 可加工大型零件 且液体的传力均匀 工件表面质量好 空心毛坯胀形的变形程度用胀形因数K表示 K dmax d0 胀形因数K与坯料的伸长率的关系式 dmax d0 d0 K 1或K 1 空心毛坯胀形时 若两端不固定 毛坯的原始长度 L0 L 1 0 3 0 4 h软模胀形空心毛坯工件时 所需的单位压力p分下面两种情况计算 两端不固定 允许毛坯轴向自由收缩时 p 2t dmax b两端固定 毛坯轴向不能收缩时 p 2 b t dmax t 2R 空心毛坯胀形 续二 液体胀形的单位压力P与胀形件形状 材料厚度及力学性能有关 为了简化计算 只考虑切向拉应力 1 忽略母线方向的应力 2 今取变形区内任一单位高度环状条带进行分析 如右图所示 化简后得 P 2t dmax 1 为了使材料发生塑性变形 必须使 1 s 又考虑材料硬化的影响 在计算时可用 b代替 s 于是得到软模胀形使单位压力的计算公式 P 2t dmax b MPa 生产实际中 考虑许多因素 对上式进行修正 修正后的经验公式 P 600t s dmax 四 罩盖胀形模设计示范 1 分析该工件的工艺性由该工件形状可知 其侧壁是由空心毛坯胀形而成 底部由起伏工序加工成形 实质为两种胀形同时成形 2 工艺计算1 底部起伏成形计算 查表5 2的许用成形高度H H 0 15d 2 5mm 此值大于工件底部起伏成形的实际高度 所以可一次起伏成形 起伏成形力F KAt 4909N2 侧壁胀形计算 计算该工件侧壁胀形的胀形因数 已知d0 39mm dmax 46 8mm K 46 8 39 1 2 查表5 3得极限胀形因数为1 24 该工件的胀形因数小于极限胀形因数 侧壁可一次胀形成形 工件名称 罩盖生产批量 中批量材料 10钢料厚 0 5mm 罩盖胀形模设计示范 续一 计算胀形前工件的原始长度L0 L0 L 1 0 35 h 坯料伸长率 其值为 dmax d0 d0 46 8 39 39 0 2 L 工件母线长 即图5 12中A所指的R60mm一段圆弧的长 由几何关系可以计算出L 40 8mm h 修边余量 取为3mm 则L0 408 1 0 35 0 2 mm 3mm 46 66mm L0取整数为47mm 则胀形前毛坯外径为39mm 长 高 为47mm 侧壁胀形力的计算 近似按两端不固定的形式计算 查表 书末附录A1 b 430 MPa 则 P 2 0 5mm 46 8mm 430 MPa 9 2Mpa胀形力 F Ap dmax 40mm 9 2MPa 54106N总成形力 F F起 F胀 4909N 54106N 59 015kN 3 模具结构设计 胀形模采用聚氨脂橡胶进行软模胀形 为使工件在胀形后便于取出 将凹模分成上 下两部分 胀形上 下模间为止口定位 单边间隙为0 05mm 侧壁靠橡胶的胀开成形 底部靠压包凸 凹模成形 当模具闭合时弹簧压紧 然后胀形 由于模具的尺寸和闭合高度较大 202mm 压力较小 59kN 选用设备以模具尺寸为依据 选用250kN开式可倾压力机 第二节翻边 翻边是将工件的孔边缘或外边缘在模具作用下翻成树立的直边 如图所示 用翻边的方法可以加工形状复杂的工件 翻边工件具有良好的刚度和合理的空间形状 根据工件边缘的形状和应力应变状态不同 翻边可分为内孔翻边和外缘翻边 外缘翻边又分为外凸的外缘翻边 见图b下图 和内凹的外缘翻边 见图b上图 此外根据竖边壁厚的变化情况 可分为不变薄翻边和变薄翻边 一 内孔翻边 1 内孔翻边的变形特点和翻边因数 如右图 翻边前毛坯孔径为d0 外径为D的环形部分 当冲头下行时 d0不断扩大 并向侧边转移 最后使平面环形变成竖边 变形区的毛坯受切向拉应力 和径向拉应力 r的作用 其中 是最大主应力 而 r值较小 它是由毛坯与模具的摩擦而产生的 在整个变形区内 应力 应变的大小是变化的 孔的外缘处于单向切向拉应力状态 且其值最大 该处的应变在变形区内也最大 这样 就使边缘的厚度在翻边过程中不断变薄 翻边后竖边的边缘部位变薄最严重 使该处在翻边过程中成为最危险部位 当变形超过许用变形程度时 此处就会开裂 变形程度用翻边前孔径d0与翻边孔径D的比值m m d0 D m称为翻边因数 显然 m值越大 变形程度越小 m值越小 变形程度越大 翻边孔不破裂所能达到的最小翻边因数称为极限翻边因数 极限翻边因数与许多因素有关 主要有 材料的塑性塑性好的材料 极限翻边因数可小些 m值与材料的伸长率 或断面收缩率 之间的近似关系式 D d0 d0 D d0 1 1 m 1即m 1 1 或m 1 孔的边缘状况翻边前孔边缘表面质量好 无撕裂 无毛刺时有利于翻边成形 极限翻边因数可小些 为提高孔边的表面质量 可用钻孔代替冲孔 或在冲孔后采用整修方法切掉冲孔时形成的表面硬化层和毛刺 也可使翻边的方向与冲孔时相反 材料的相对厚度翻边前孔径d0与材料厚度t的比值d0 t越小 即材料的相对厚度do t越小 在断裂前材料的绝对伸长可以大些 故翻边因数相对小些 凸模的形状球形 抛物面形或锥形的凸模较平底凸模对翻边有利 因为前者在翻边时 孔边是圆滑的逐渐胀开 故极限翻边因数可小些 表5 4时低碳钢的极限翻边因数 表5 5列出圆孔翻边时各种材料的翻边因数 对于非圆孔翻边 如图5 17 变形区内 沿翻边线其应力与应变分布是不均匀的 在翻边高度相同的情况下 曲率半径较小的部位 切向拉应力和切向伸长变形较大 而曲率半径较大的部位 切向拉应力和切向伸长变形都较小 直线部位仅在凹模圆角处发生弯曲变形 由于曲线部分和直线部分是一整体 曲线部分的翻边变形在一定程度上可扩展到直边部分 而使曲线部分切向伸长变形得到一定程度减轻 因此 非圆孔翻边较圆孔翻边的极限翻边因数要小些 其值查表5 4 表5 5 并按下式近似计算 m m 180 该式适用于 180 当 180 时 直边部分的影响已不明显 这时 非圆孔翻边的极限翻边因数同圆孔翻边的极限翻边因数 2 内孔翻边的工艺计算及翻边力计算 如上图所示 进行翻边的工艺计算时 需根据工件的尺寸D 计算出预冲孔直径d0 并核算其翻边高度H 当采用平板毛坯不能直接翻边出所要求的高度时 则预先拉深 然后在拉深件底部冲孔 再进行翻遍 如图5 19所示 由于翻边时材料主要是切向拉伸 厚度变薄 而径向变形不大 因此在工艺计算时可根据弯曲工件中性层长度不变的原则近似计算预冲孔直径 实验证明 这种计算方法误差不大 分别讨论平板毛坯翻边和拉深后翻边两种情况 当在平板毛坯上翻边时 其预冲孔直径d0 D1 r t 2 2h 因为D1 D 2r t h H r t 代入上式 化简后可得翻边高度的表达式为 H D d0 2 0 43r 0 72t 或H D 2 1 m 0 43r 0 72t 根据上式可知 极限翻边因数为mmin时的许用最大翻边高度Hmax应为 Hmax D 2 1 mmin 0 43r 0 72t 当工件的高度H Hmax时 就难于一次翻边成形 这时 应先进行拉深 在拉深件的底部预冲孔 在进行翻遍 如图5 19所示 这时 应先决定翻边所能达到的最大高度 然后根据翻边高度来决定拉深高度 由图5 19可知 翻边高度h的计算应为 h D 2 1 d0 D 0 57r将极限翻边因数mmin代如后可得 hmax D 2 1 mmin 0 57r 此时 预冲孔直径d0 mminD 故d0 D 1 14r 2h 拉深高度h1 H hmax r t 翻边力一般不大 翻边力可按下式计算 F 1 1 D d0 t s 3 翻边模设计 翻边模的结构与一般拉深模相似 如图5 20 所不同的是翻边凸模圆角半径一般较大 甚至做成球形或抛物面形 以利于变形 图5 21是几种常见圆孔翻边模的凸模形状和尺寸 对于平底凸模一般取r凸 4t 翻边模采用压边圈时 凸模台阶可以不用 翻边模设计 续 由于翻边后材料变薄情况比较严重 变薄后竖边缘厚度的近似计算 t tm 考虑到变薄情况 凸 凹模间隙可小于材料厚度 一般单边间隙Z的计算公式为 Z 0 85t翻边凸 凹模间隙也可按表5 6所列数据选用 4 变薄翻边前面讲的材料竖边变薄 是由拉应力作用材料的自然变薄 是翻边的自然情况 当工件很高时 也可采用减小凸 凹模间隙 强迫材料变薄的方法 以便提高生产率和节省材料 这种方法称为变薄翻边 变薄翻边属于体积成形 变薄时凸 凹模下方材料的变形与圆孔翻边相似 但它们成竖边后 将会在凸模与凹模作用下产生挤压变形 使材料厚度显著减薄 从而提高翻边高度 变薄翻边的变形程度用变薄因数K表示 其值的计算 K t1 t0 一次变薄翻边的变薄因数可取0 4 0 5 甚至更小 变薄后竖边高度按体积不变原则计算 变薄翻边力比普通翻边力大得多 力的大小与变形量成正比 变薄翻边通常用在平板毛坯或半成品的制件上冲制小螺孔 多为M5以下 为保证使用强度 对于低碳钢或黄铜零件的螺孔深度不小与直径的1 2 而铝件的螺孔深度不小于直径的2 3 为了保证螺孔深度 又不增加工件厚度 生产中常采作变薄翻边工艺加工小螺孔 如右图所示 变薄翻边后的孔径为d2 孔壁厚度t1 d2 d1 2 0 65t0毛坯预冲孔直径d的计算公式 d0 0 5d1 翻边内径d1由螺纹内径d2决定 d2 d1 d3 2 变薄翻边 续一 翻边外径的计算d3 d1 1 3t 翻边高度h按体积不变原则计算 h 2 2 5 t0 变薄翻边 续二 二 外缘翻边 左图a所示为外凸的外缘翻边 其变形情况类似于浅拉深 变形区主要为切向压应力 变形过程中 材料易起皱 左图b为内凹的外缘翻边 其变形特点近似于内孔翻边 变形区主要是切向伸长变形 易于边缘开裂 外缘翻边的变形程度用下式表示 外凸的外缘翻边的变形程度E凸的计算公式为 E凸 b R b 内凹的外缘翻边的变形程度E凹的计算公式为 E凹 b R b 式中符号如左图所示 外缘翻边的极限变形程度可参考表5 10 三 固定套翻边模设计示例 工件名称 固定套生产批量 中批量材料 08钢 料厚1mm工件简图 图5 24所示 1 工件工艺性分析对固定套翻边件进行工艺分析可知 40mm处由内孔翻边成形 翻边前应预冲孔 80mm是圆筒形拉深件 可一次拉得成形 工序安排为落料 拉深 预冲孔 翻边等 翻边前 80mm 高15mm的无法兰圆筒形工件 如图5 25所示 二 固定套翻边件工艺计算 1 计算预冲孔D 39 H 4 5mm D1 D 2r t 39 2 1 1 mm 42mm h H r t 4 5 1 1 mm 2 5mm 计算翻边前预冲孔直径d0 d0 D1 r t 2 2h 32 3 mm 2 计算翻边因数 m d0 D 0 828由d0 t 32 3查表5 4得知低碳钢极限翻边因数为0 65 小于m 所以该零件能一次翻边成形 预冲孔直径d0 32 3mm翻边前毛坯如图5 25所示 3 计算翻边力 p 1 1 D d t s查书末附录A1得 s 200mpa故P 4628N 三 翻边模结构设计翻边模采用倒装结构 使用大圆角圆柱形翻边凸模 工件预冲孔套在导正销上定位 压边靠压力机标准弹顶器压边 工件若留在上模由顶出器打下 选用后侧滑动导向模架 根据固定板尺寸和闭合高度选用250kN双柱可倾式压力机 如下图 第三节缩口 缩口是将预先拉深好的圆筒或管件坯料 通过缩口模具将其口部缩小的一种成形工序 如下图所示工件 图a是采用拉深工序 需五道工序才能成形 图b用管料缩口工序 只要三道工序即可完成 一 缩口变形特点及缩口因数 缩口工序的变形如左图 变形区的金属受切向压应力 1和轴向压应力 3的作用 在轴向 3和厚度方向 2产生伸长变形 切向 1产生压缩变形 在缩口变形过程中 材料主要受切向压应力作用 使直径减小 壁厚和高度增加 由于切向压应力的作用 在缩口时坯料易于失稳起皱 同时非变形区的筒壁 由于承受全部缩口压力 也易失稳产生变形 所以防止失稳是缩口工艺的主要问题 缩口的极限变形程度主要受失稳条件的限制 缩口因数 表示缩口变形程度m d D 极限缩口因数的大小主要与材料性质 料厚 模具形式和坯料表面质量有关 表5 11是不同材料 不同厚度的平均缩口因数 表5 12是不同材料 不同支承方式的允许缩口因数 二 缩口工艺计算 缩口后 工件高度有变化 缩口毛坯高度H按下图所示及公式计算 图5 29a形式 图5 29b形式 图5 29c形式 缩口凹模的半锥角 对缩口成形中有重要作用 一般使 45 最好使 在30 以内 当模具有合理的半锥角 时 允许的极限缩口因数m可以比平均缩口因数m均小10 15 图5 29a所示的锥形缩口件 若在无内支承模具进行缩口时 缩口力的计算如下式 F 缩口力 N t0 缩口前料厚 mm D 缩口前直径 mm d 工件缩口部分直径 mm 工件与凹模摩檫因数 b 材料抗拉强度 Mpa 凹模圆锥半角 k 速度因数 用冲床时 k 1 15 三 气瓶缩口模设计示例 工件名称 气瓶生产批量 中批量材料 08钢 料厚1mm工件简图 如右图所示1 工件工艺分析气瓶为带底的筒形缩口工件 可采用拉深工艺制成圆筒形件 再进行缩口成形 缩口时下部不变 仅计算缩口工序 二 工艺计算 1 计算缩口因数m d D 35mm 49mm 0 71因为该工件是有底的缩口件 所以只能采用外支承方式的缩口模具 查表5 12得许用缩口因数为0 6 则该工件可一次缩口成形 2 计算缩口前毛坯高度H取H 99 5mm 缩口前毛坯如右图所示 3 计算缩口力已知凹模与工件的摩檫因数 0 1 b 430MPa 缩口力 三 缩口模结构设计缩口模采用外支承式一次成形 缩口凹模工作面要求表面粗糙度为Ra0 4 m 使用标准下弹顶器 采用后测导柱模架 导柱 导套加长为210mm 考虑到模具闭合高度为275mm 则选用400kN开式可倾压力机 缩口模结构如右图所示 表5 1 返回 表5 2 返回 表5 6 返回 表5 10 返回 表5 12 返回 表5 4表5 5 返回 第四节冷挤压 一 冷挤压的概念冷挤压是常温下 在压力机的强大压力和一定的速度下 使金属坯料产生塑性变形 并从凹模孔或凸 凹模的缝隙中挤出 从而获得预定形状和尺寸工件的加工方法 1 冷挤压的分类 一 正挤压 反挤压 复合挤压 径向挤压等 1 正挤压 挤压时金属流动方向与凸模运动方向相同 见图5 33 适用于实心件 管件的挤压 2 反挤压 挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反 见图5 34 适用于各种断面形状的杯形件 1 冷挤压的分类 二 3 复合挤压 挤压时金属流动方向相对于凸模运动方向 一部分相同 另一部分相反 见图5 35 可以制造各类复杂形状的挤压件 4 径向挤压 挤压时金属流动方向与凸模的运动方向相垂直 见图5 36 适用于具有法兰凸台的轴对称的挤压 2 冷挤压的优点 1 节约原材料冷挤压是一种工件成形后 少或无切削的工艺 与切削工艺相比 不但节省材料 且生产率高 从而降低成本 2 可以提高制件性能在冷挤过程中 金属材料处于三向应力状态 材料组织致密 具有连续分布的金属流线 加上强烈的冷作硬化 使工件的强度 刚度 硬度都有一定的提高 3 可加工形状复杂的制件4 工件精度及表面质量高 尺寸精度可达IT8级 表面粗糙度Ra3 2 0 4 m 3 冷挤压的主要技术问题 冷挤压时挤压力很大 为顺利实现冷挤工艺 就必须处理好材料变形力和模具承载能力之间的矛盾 为此必须做到以下几点 1 选用合适的挤压材料及工艺设计性良好的挤压工件结构 2 制定合理的冷挤压工艺方案 包括选用合适的毛坯软化热处理规范 采用理想的表面处理及优良的润滑剂等 3 设计合理的模具结构 4 选择合理的模具材料 采用正确的加工方法和热处理方法 5 选用合适的冷挤压机 二 冷挤压的变形程度 1 冷挤压变形程度的表示方法 变形程度是表示冷挤压时金属塑性变形量大小的指标 1 断面收缩率2 挤压比3 对数挤压比式中 A 毛坯横断面积 A1 制件的横断面积 正挤为小端横断面积 反挤为空心制件壁部横断面积 表5 13列出了典型挤压工件的断面收缩率 表5 13 2 许用变形程度许用变形程度是指冷挤压时 在模具强度允许的条件下一次挤压变形程度 决定许用变形程度的因素有材料的力学性能 模具强度 冷挤变形形式 毛坯表面处理 润滑等因素 图5 37 图5 39所示分别表达了不同 c和不同挤压方法的碳钢许用变形强度 图中斜线以下是一次挤压许用区域 上 下斜线之间的阴影部分是过渡区域 各种常见金属材料能一次挤压的许用变形程度见表5 14 三 冷挤压力计算 冷挤压力是校核模具强度和选用设备的依据 它受挤压金属的性能 变形程度 毛坯相对高度 模具几何形状 润滑条件等因素的影响 计算挤压力常用的方法有图算法和经验公式法两种 1 图算法图算法是由实验结果建立起的图表来确定挤压力 在实际生产中使用方便 因此被广泛使用 图算法计算冷挤压力的误差约 图5 40 图5 42所示为常见黑色金属正挤 反挤的单位挤压力计算图 例已知毛坯的直径d0 70mm 毛坯的高度h0 140mm 挤压后的直径d1 45mm 凹模锥部角度 90 求单位挤压力p和总挤压力F 解 由图5 40先从 中指到相应的d0和d1值 向上投影得断面收缩率 再按向上投影到 中与材料曲线相交 再向左作水平线就可在纵坐标上查得未经校正的挤压力p 740MPa 再投影至 K中h0 d0 140mm 70mm 2 0的线上 再顺斜线而下与 90 的斜线相交 再投影到横坐标上 即可得到单位挤压力P 1030MPa 然后由毛坯直径d0与单位挤压力p 从图 中查得总挤压力F 3900KN 计算图中只列出部分金属材料 当遇到用其他金属材料时 则可在表中找出与其含碳量相接近的金属挤压力 再根据这两种金属退火后的极限强度比来求得被挤压材料的挤压力 图5 43 图5 45是常见有色金属冷挤压的单位挤压力计算图 使用时要首先求出挤压件的断面收缩率 A 然后参照图中箭头方向所示的求解步骤 求得单位挤压力p 再按F Ap求得冷挤压力FA为凸模横断面的面积 另外 在使用图5 45时 还需根据毛坯高度h0 制件厚度t求出h0 t得值 图5 40 图5 41 图5 42 图5 43 图5 44 图5 45 图5 46 2 经验公式法 冷挤压的挤压力计算方法很多 现只介绍广为采用的经验公式法 他方便切相当准确 F Ap Azn b kN 式中 F 总挤压力 p 单位挤压力 Z 模具形状因数 如图5 46所示 n 挤压方式及变形程度修正因数 见表5 15 b 挤压前材料抗拉强度 A 凸模工作部分横断面积 四 冷挤压毛坯的制备及处理 冷挤压毛坯一般是用棒料或板料制取 其截面轮廓形状尽量与挤压工作轮廓形状相同 制取毛坯的加工方法有冲裁 剪切 拉深 锯削和车削等 制得的毛坯表面应保持光滑 不能有裂纹 折叠等缺陷 毛坯的几何形状应保持对称 规则 另外要求毛坯材料具有均匀的力学性能 经软化处理后能降低单位挤压力 1 毛坯尺寸的计算1 毛坯的体积毛坯体积是根据制件体积与毛坯体积相等的原则计算的 V V V 式中V 毛坯体积 V 挤压工件的体积 V 切边余量的体积 一般取挤压工件体积的3 5 也可按零件高度选取修边余量 h计算 见表5 16和表5 17 表5 16表5 17 2 毛坯的直径 毛坯的外径应比凹模的尺寸 挤压件外径 小0 1 0 2mm 以便于毛坯放入凹模 凡挤薄壁有色金属时 毛坯外径比凹模尺寸 挤压件外径 小0 01 0 05mm 冷挤空心件 对于一般精度要求工件 毛坯内孔应大于凸模尺寸 挤压件孔径 0 1 0 3mm 精度要求高时 毛坯内孔应比凸模尺寸 挤压件孔径 大0 01 0 05mm 3 毛坯的高度毛坯高度可按体积不变原理计算 典型工件的毛坯高度计算公式见表5 13 2 毛坯的软化处理 毛坯在挤压前必须进行软化处理 其目的为降低材料硬度 提高塑性 消除内应力 获得良好的金相组织 从而降低挤压力 提高模具寿命 毛坯的软化处理通常有 挤压前的软化处理 表1 7为冷挤压常用材料的毛坯软化处理规范 工序间的软化处理 根据冷作硬化和下道工序变形程度的大小而定 挤压后的软化处理 挤压后残余应力较大 工件尺寸易发生变化 甚至引起破裂 必须进行消除内应力的退火 3 毛坯的表面处理与润滑 为了降低冷挤压时的单位挤压力 提高工件的表面质量 延长模具使用寿命 对冷挤压坯料还需进行表面处理与润滑 以减小模具与金属间的摩擦力 目前常用的毛坯表面处理方法有钝化处理 氧化处理 磷酸盐处理 草酸盐处理等 经过处理的毛坯表面 形成一层多孔结晶薄膜 能吸附一定量的润滑剂 而且该薄膜有良好的塑性 能随金属一起变形 润滑处理则是在经过处理的毛坯表面涂上猪油 羊毛脂 豆油 菜油 矿物油 硬脂酸锌挤皂化液等润滑剂 使其在毛坯表面形成牢固的润滑膜 例如 碳素钢和合金结构钢通常采用 磷酸盐处理 也称磷化处理 皂化润滑处理 不锈钢采用 草酸盐处理 85 质量分数 的氯化石蜡和15 质量分数 的二硫化铝作润滑剂的润滑处理 硬铝常采用 氧化 磷化处理 工业菜油进行润滑处理 对于一些单位挤压力不高 变形程度不大的冷挤压工件 可对毛坯表面只进行磷化处理而不涂润滑剂 或是在表面清理之后直接进行润滑处理即可 如铝和铜的挤压 一般使用动 植物油及硬脂酸等润滑 即可顺利挤压成形 五 冷挤压模具与主要零件设计 1 冷挤压模具的设计要求冷挤压时 毛坯与模具摩擦很剧烈 对模具要求就较高 1 模具的工作部分要具有足够的强度 刚度及耐磨性 2 为了防止应力集中而损坏模具 模具工作部分要采用光滑的圆角过渡 3 凸 凹模与上 下模座之间应当有足够大的支承面和一定厚度的淬硬垫板 4 模具在压力机上安装要紧固 工作部分拆卸方便 易损件要有互换性 便于安装固定 5 毛坯要容易放入模腔 大批量生产时易实现半自动和自动送料 另外挤压后还须有灵活的卸料装置 冷挤压模具与其他模具相比 其结构的不同主要在模座形式 凸 凹模的紧固方式 卸料装置 顶件装置和导向机构等结构上 而工作部分 凸 凹模 的结构则相似 图5 47 图5 49为几种典型的冷挤压模具结构图 图5 47 图5 48 图5 49 2 冷挤压凸 凹模的设计 1 正挤压凸模正挤压实心工件凸模如图5 50a所示 其结构简单 正挤压空心工件的凸模如图b c d所示 其中图b为整体式凸模 用于有色金属冷挤压 图c d为组合式凸模 图c凸模孔与芯轴之间采用H7 k6的过渡配合 适用于芯轴径较大或挤压力不太大的挤压工作 图d凸模孔与芯轴采用H7 h7间隙配合 芯轴可随变形金属同时向下滑动 可避免冷挤过程中芯轴被拉断 2 反挤压凸模 一 反挤压凸模的基本形式如图5 51所示 反挤压凸模的最大有效工作长度与工作直径有一定的比例 其经验数值如下 反挤压纯铝时 l d 10反挤压纯铜时 l d 6反挤压黄铜示 l d 5反挤压低碳钢是 l d 3 2 反挤压凸模 二 反挤压纯铝 纯铜等有色金属工件用的凸模较细长时 为了增加其纵向稳定性 凸模的断面加工出如图5 52的工艺凹槽 以提高凸模的稳定性 工艺凹槽必须对称 同轴 其宽度一般取0 3 0 8mm 深度取0 3 0 6mm 对于黑色金属反挤压深孔工件 可在凸模工作部分以上的直径加粗 并且铣出三条凹槽 如图5 53所示 卸料板通过三条凹槽把套在凸模上的制件卸下 图5 52图5 53 3 正挤压凹模 正挤压凹模的几种常见结构形式如图5 54a为整体式凹模 应用较为广泛 但在挤压力较大时往往因应力集中而开裂 图5 54b c为纵向分割式凹模 图 54d和e是横向分割形凹模 其中拼合面不宜过宽 一般为1 3mm 可以防止金属流入接缝 在拼合面外上部或下部的一块凹模上加工2 或1 的锥角 可以更有效的防止金属流入接缝 图5 54 4 反挤压凹模 图5 55所示是反挤压凹模的几种形式 为了抵消在冷挤压过程中的外胀现象 往往将凹模制成10 30 的带锥度的形状 图5 55a为整体式凹模 常因其底部圆角处下沉或开裂而使模具寿命缩短 故只适用于小批量或挤压力较小的挤压工件 图5 55b也是整体是凹模 由于底部有25 斜角 有利于金属流动 可挤压壁厚为0 07mm以上的薄壁铝质圆筒件 图5 55c为穿通式组合凹模 图5 55d为上 下组合式凹模 为了避免金属被挤入拼合夹缝 拼合面的宽度应小于3mm 其余部分留出0 2mm空隙 图5 55e f设有顶出装置 适用于有色金属厚壁挤压件的反挤压 其中图5 55e适用于底部外形呈直角的反挤 图5 55f用于底部外形呈圆角的反挤压 正反挤压凸 凹模的设计计算可参照表5 18 表5 21 图5 55 表5 18 表5 19 表5 20 表5 21 5 预应力组合凹模的设计 一 在冷挤压过程中 当单位挤压力较大 用整体凹模的强度不够时 凹模会发生切向开裂 这时须采用如图5 56b c所示的预应力组合凹模结构 通过外圈对内圈施加预应力 来抵消在冷挤压进程中引起的切向应力 从而提高模具强度 则可避免切向开裂 据分析 三层组合凹模的强度是整体式凹模强度的1 8倍 两层组合凹模的强度是整体式凹模的1 3倍 除了提高凹模强度 预应力组合凹模还有以下优点 当凹模损坏后 只需调换内圈 不须报废整个凹模 由于内圈尺寸较小 热处理容易 提高了模具热处理质量 预应力组合凹模仅内圈采用合金工具钢 中 外圈可采用一般材料 从而可节省材料 但预应力组合凹模存在加工面多 压合工艺要求较高等缺点 组合凹模的预应力圈应具有足够的强度与韧性 其常用材料见表5 22 当反复使用预应力圈时 还需进行200 c的低温回火 以消除其内应力 图5 56 表5 22 5 预应力组合凹模的设计 二 凹模的层数是按单位挤压力p确定 p 1100MPa时 采用整体凹模 1100MPa P 1400MPa时 采用两层组合凹模 1400MPa P 2500MPa时 采用三层组合凹模 对于整体凹模 其外径应为内径的4 6倍 即d2 4 6 d1 见图5 56a 对于两层组合凹模各圈尺寸如图5 56b所示 其中d3 4 6 d1 根据d3与d1关系可在表5 23中查得d2与d1的关系 计算出d2的值 其压合量可由表5 23查得因数 2 然后计算d2处的径向过盈量U2 2d2 再计算d2处的轴向压合量c2 U2 2tg 一般取 1 30 所以c2 19 23U2 5 预应力组合凹模的设计 三 三层组合凹模各圈尺寸见图5 56c 其中d4 4 6 d1 根据d4与d1关系从表5 24中查得d2 d3和d1的关系 从而计算出d2和d3的数值 其压合量可由表5 24中查得因数 2和 3 然后计算出d2和d3处的径向过盈量U2 2d2 U3 3d3 取 1 30 计算出轴向压合量c2 19 23U2 c3 19 23U3 5 预应力组合凹模的设计 四 组合凹模的压合方法有两种 一种是加热压合 热装发 即将外圈加热到适当温度 套装到内圈上 利用热胀冷缩的原理使外圈在冷却后将内圈压紧 另一种是室温压合 强力压合 是将各圈配合面做成一定锥度 在室温下用液压机进行压合 热装法各圈结合面可不必加工出斜度 适用于过盈量较小的情况 强力压合法的各圈结合面须加工出 1 30 的锥度 各圈压合的顺序有两种 如图5 57所示 其中热压合法采用图5 57a所示的由内到外压合 强力压合可采用图5 57a和图5 57b两种方法压和 当中圈的硬度较高时 为防碎裂则采用图5 57b的压合方法 拆卸时次序为先压出凹模 再压出外圈 3 冷挤压凸凹模的制造尺寸冷挤压凸 凹模工作部分的尺寸及公差见表5 25 表5 26 冷挤压件有较高的壁厚精度要求时 还应考虑冷挤后壁厚的收缩量 其数值根据经验所得 铝件 当d 10mm时 为0 03 0 04mm d 10 60mm时 为0 05 0 06mm 钢件 当d 10mm时 为0 03 0 04mm d 10 60mm时 为0 05 0 06mm 4 顶出和卸件装置的设计 1 顶出装置顶杆是常用的将工件从凹模中顶出的装置 其常用形状如图5 58所示 顶杆的工作部分带有5 锥度 可延长使用寿命 顶杆端面直径d1 d0 1 5 下端采用锥形结构以增大支承面积 取d2 2 4 d0 顶杆的长度根据模具结构而定 应尽量短 装配后顶杆的工作端比凹模底面高出0 1mm左右 图5 59所示为常采用的三种顶出装置 2 卸料装置 卸料装置是将工件从凸模卸下的装置 卸料板的孔形应与挤压工件外形相适应 对于黑色金属反挤压 使用整体式卸料板 对于壁厚小于0 5mm的薄壁有色金属反挤件 可采用如图5 60所示的组合式卸料板 卸料板分为几块 周围有凹槽 用弹簧使之紧贴反挤压凸模 冷挤压过程中凸 凹模的受力很大 因此凸 凹模材料必须有很高的强度和硬度 具有一定的韧性和足够的热疲劳强度 同时也要易于锻造和切削加工 常用冷挤压模具材料见表5 27 表5 27 表5 27续 六 冷挤压设备的选择冷挤压对压力机的要求 1 压力机必须有足够的强度和刚度 2 导向精确 滑块行程调节精度范围小于0 05mm 3 具有较大的行程和足够的能量 4 具有可靠的自动下顶料装置 5 具有适合的挤压速度 使坯料取得大的热效应 从而提高塑性 减少变形抗力 提高模具寿命 6 冷挤压模具的外形都较大 压力机必须有足够的闭合高度 7 由于冷挤压模具破裂的危险性较大 必须装有防护板 为避免由于坯料磷化层脱落或材料成分不均匀等一些未能预料的原因 必须有过载保护装置 冷挤压可在机械压力机 液压机以及镦锻机等冷挤压机上进行 压力机的选择主要根据压力机许用负荷曲线 来校核该行程位置所需的冷挤压力 压力机的选择还决定于挤压制件的形状 尺寸 材料 变形程度及生产率等 对于设备的选择 机械压力机主要适用于挤压力和行程都较小的制件 液压机适用于挤压行程较大的制件 表5 28为我过冷挤压压力机的主要参数 七 冷挤压工件的工艺性和冷挤工序制订1 适于采用冷挤压工艺工件的条件1 冷挤压工件的形状 冷挤压工件的形状是决定冷挤好坏的主要因素 冷挤压工件的形状应尽量有利于金属变形均匀 在挤出方向上流速一致 所以冷挤压工件的形状最好是轴对称旋转体 其次是对称的非旋转体 如方形 矩形 正多边形 齿形等 冷挤压工件为非对称工件时 由于挤压力不等 易造成模具破裂 冷挤压工件应避免挤压小的深孔 如碳钢件直径d1 5d 或挤压前截面A与挤压后的环形截面积A1之比小于1 5时 不宜用冷挤压加工 可在冷挤压后钻出 冷挤压工件的壁厚必须逐步变化 过渡部分用圆弧连接 应避免剧烈的断面变化 冷挤压钢工件合理圆角半径见表5 29 冷挤压工件的壁厚愈薄 冷挤愈困难 冷挤压钢件的最小壁厚见表5 30 冷挤压工件的合理尺寸可参见表5 31 表5 33 表5 32 表5 33 2 冷挤压的材料 冷挤压材料屈服点 变形抗力 冷作硬化敏感性应尽可能的低 并有较高的塑性 目前可做冷挤压的金属主要有碳素钢 低合金钢 不锈钢 以及铅 铝 铜等有色金属及其合金 冷挤压钢料中碳 锰 硅的含碳量应较低 硫 磷的质量分数应小于0 06 氮 氧含量也应尽量降低 现在冷挤压工艺中还广泛采用硼处理 钢中硼的加入 可改善钢的可硬性 这样可以冷挤压含硼的低碳钢来代替含碳量高的钢 降低挤压力 提高了模具寿命 3 生产批量由于冷挤压毛坯准备要经许多工序 挤压设备和模具上要花费较多资金 所以冷挤压的生产批量不能太低 2 冷挤压工序的制订 制定冷挤压工序应结合冷挤压工件的形状而定 杯形类冷挤压工件 一般采用正挤压或反挤压制坯后 再以反挤压成形 管类 轴类挤压工件一般采用正挤压 杯杆类 双杯类冷挤压工件一般采用复合挤压成形 确定冷挤压工序数目及顺序 还应考虑冷挤压件的总变形程度 当冷挤压总变形程度超过许用变形程度时 就必须分两次或多次挤压成行 在大批量生产中 为延长模具寿命 可适当增加挤压工序数目 1 冷挤压工序制订示范1 工件名称 缝纫机梭芯材料 15钢冷挤压工序 制备毛坯 如图5 61a所示 滚光 预成形 如图5 61b所示 软化处理 酸洗 磷化处理 皂化润滑 反挤压成形 如图5 61c所示 2 冷挤压工序制订示范2 工件名称 深孔气缸材料 10钢冷挤压工序 毛坯制备 如图5 62a所示 软化处理 酸洗 磷化处理 皂化润滑 第一次复合挤压 如图5 62b所示 软化处理 酸洗 磷化处理 皂化润滑 第二次正挤压 如图5 62c所示 切割头部 如图5 62d所示 软化处理 酸洗 磷化处理 皂化润滑 第三次正挤压成形 如图5 62e所示 去应力退火 八 冷挤压模具设计示例1 复合模具设计示例工件名称 转子生产批量 大批量材料 20钢工件简图 图5 631