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贵州大学硕士学位论文 柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 摘要 随着制造技术的不断发展，传统切削加工已不能满足生产的需要。开发和创造新的、先 进的制造工艺成为制造业发展的趋势。冷挤压是一种无屑成形的先进制造技术之一，它具有 优质、高效、低耗的环保特点 本课题结合生产实际，课题来源于省内工厂，围绕着柱塞体零件冷挤压加工的工艺过程 进行了深入的研究。由于柱塞体零件属于深孔类零件的冷挤压加工，其金属的流动方式的特 殊性，使得该课题的研究具有重要意义 。 本文中对这种零件的金属流动方式进行了深入的理论研究和数值模拟实验，并最终试制 出了冷挤压样品。在研究过程当中，运用滑移线场理论对复合挤压和变薄拉伸分析了金属的 流动特点和挤压力。并运用锻造模拟分析软件( q 咒l r m ) 进行了三种工艺方案的模拟研究， 得出的金属流动特点与滑移线场分析的金属流动特点基本一致，淘汰了两种不合理的工艺方 案，并根据合理的工艺方案设计出了冷挤压模具，在3 1 5 吨精密液压机上进行了实验验证， 得出的实验结果满足该零件的要求，同时观察和得到的金属流动规律、冷挤压力等符合滑移 线场的理论分析和9 _ f o r m 模拟分析结果 本文以大量的插图和表格直观的表达了理论计算结果，模拟分析结果和实验测试结果。 研究所得到的柱塞体零件冷挤压成形工艺可行可靠，在实际生产中具有值得推广的生产指导 意义。 关键词：冷挤压滑移线场9 , f o r m 理论计算模拟分析实验结果 中图分类号；t h1 6 2 贵州大学硕士学位论文 柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t a r i n g , t r a d i t i o n a lc u n i n gc i i i ln o ta l r e a d ys a t i n , t h en e e d s o fp d 删。儿n e ww o r l m a a n s l a i l 嚣a 愆a e v e l o p e a ta n dc r e a t e di sb e c o m i n gt h et e l l d e 丑c yo f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y c o l de x t r u s i o ni sak i n do fa d v a n c e dm a n u f a e t u r i n gt e c h n o l o g yw i t h o u t b i t s ，i th a sh i g hq l l a l i t y , e t t i e i e n t , l o wc 0 1 1 s i i i m t l a t sm a 印e t i ef i e l di sa s s o c i a t e dr e a l i t y 芦o d u e t i o n ；i tc o m e sf i - o mi np r o v i n c i a lf i c t o r y t h e s t u d y 坤v o l v c sa r o u n dt h ew o r k m a n s h i po f0 0 l de x t r u s i o no fc y l i n d e re l e m e n ta st h ec y l i n d e r e l e m e n ti sb e l o n gt o 如e ph o l e , t h ep a r t i c u l a r i t yo ff l o w i n gw a yo fm e t a lm a k et l a i sp r o g r a mh a s i m p o r t a n tm e a n i n g i nt h i sp a p e r , t h em e t a lf l o w i n gw a y0 fe l e m e n th a sb e e ns t u d i e dt h o r o u g h l yb yt l a e o r c t i e a l r e s e a r c ha n dn u l n e r 瑚s i m u l a t e da n a l y s i s , a n dl a s ti e i v e st h ec o l de x t r u s i o nl n l x t u e t i nt h e p r o g r e s so fs t u d y i n g , w ea n a l y s i st h em e t a lf l o w i n gc h a r a c t e r i s t i ca n de x t r u d i n gf o r c eo f c o m p o u n de x l r t t s i o na n d 曲a n g m gt h i ns t r e t c hw i t hs k i dw i r es n et h f y a n de a r r i e a lo u tt h e s i m u l a t e dr e s e a r c ho ft h r e ek i n d st e e l m o l o g ys c h e m ew i t hl i m i t e de l e m e n ts o f w a l eo y o r m , s o t h eo b t a i n e dc o n e l u s i o r , i sb a s i c a l l yc o m e n t i e n c ew i t ht h es k i dw i r es c i ：i l l eo fm e t a lf l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c ，t h ei w on o tr e a s o n a b l et e c h n o l o g ys c h e m e sh a v e b c e us u p e r s e d e d ，a n da c c o r d i n gt o r e a s o j l a b l et l m o l o g ys e l a e m e w eh a v ed e s i g n e dt l a cc l o de x l r n s i o nm o u k t , a n dh a y ct e s t e d0 n 3 1 5t o l l sl e c i s el a y d r a l l l i ep r c s t , , t h et e s t t l to fe x p e r i m e n ts a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to ft h i se l e m e n t , a tt i l es a m cd n 峨t h em e t a lf l o w i n gc l a a r a c t e r i s t i ca n de x t r u d i n gf o r c eh a v eb e e no b s e r v e da n d o b t a i n e da i ec o n s e n t i e n e ew i t ht h er e s u l t so f s k i dw i r es c e n c 趾dl i m i t e de l e m e n ts i m u l a t i o i l t h i sp a p e rw i t l ap l e n t yo fi l l u s t r a t i o na n df o r mh a sc 】叩鲻c dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o l l ， s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l tv i s u a l l y p r a c t i c es h o w st h a tt h ew o r k m a n s h i po fc l o d e x m l s i o nt e c h n i q u eo fc y l i n d e re l e m e n th a st h ep r o d u c t i o ng u i d a n c em e a n i n gi na c t u a lp r o a u c t i o m k e yw o r d s ：c l o de x t l m i o n , s k i dw i r e 翻x m ( 2 f o r 睨, t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , s i m u l a t i o n a l m l y s i s , e x p e r i m e n tr e s u l t 贵州大学硕士学位论文柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 第一章绪论 随着制造技术的不断发展，传统切削加工( 如车、铣、刨、磨等) 已不能满足生产的需 要。开发和创造新的、先进的制造工艺成为制造业发展的趋势金属精密塑性成形加工因具 有高效率、高性能、无切削的生产特点，在近代制造业中发挥巨大作用，占有越来越重要的 地位。 1 1 、国内外冷挤压技术发展过程及趋势嗍唧嗍 上世纪末，随着能源、环境问题日益严重、及市场竞争对机电产品高质量、低价格的进 一步要求，由日本学者9 1 年又提出金属塑性。净成形加工( n e ts h a p ef o r 窖i n g ) ”的制造理念， 将塑性成形加工由中间工序位置提升到最终工序 年代，日本在微轿车制造业中进行精密冷( 温) 挤压成形技术研究开发，其后研制出 像等速联轴器、变速齿轮、平衡锤等一批精度高、形状复杂的精密冷( 温) 挤零部件，使微 轿车在机械性能提高豹同时，制造成本大大下降。迎来日本9 0 年代徽轿车产销量达1 6 0 0 ( 万 辆年) 的旺盛时代，仅丰田汽车公司9 0 年锻压制品产量就达3 5 0 ( 千吨，年) 。正如日本权 威期刊“塑性与加工。杂志在其创刊号上所指出的那样：。塑性加工学科及技术在振兴战败 后日本的制造工业中起到核心作用” 9 0 年代全球环境污阿嚣引起关注，而汽车废气捧放被认为是全世界最大污染源之一 而减轻汽车自重是减少废气排放量的重要途径汽车自重美减少1 0 0 k g ，每百公里油耗会减 少0 3 一o 5 升。汽车采用精密塑性成形新工艺制作中空，变截面异形构件，印保证强度，又 能有效的减轻汽车自重该技术对可持续发展有重要意义 在美、俄、德等国运用有限元数值分析方法，进行塑性加工的模拟仿真分析。开发出能 预先知道塑性加工中金属的塑性变形、塑性流动、应力应变分布状态的分析软件，该软件的 运用，使产品的研发周期大大缩短，研制成本显著下降，使小批量，多品种产品的生产与制 造得以实现。 近些年来。在工业发达国家，继齿形、杯状、螺旋零件研究成果的基础上，又开始研制 涡旋形状、摆线形状等零件。 。随精密塑性成形技术的发展，金属塑性加工制品精度已实现2 0 5 0 掣m 的批量生产 并在向1 1 0 m 的加工精度进军图1 - 1 所示为精密塑性成形零件 我国的金属精密塑性成形加工技术在整体上与发达国家相比，无论在理论分析还是在运 用技术上都存在较大差距。例如：目前国内还没有一套具有自主知识产权的塑性加工仿真软 件，企业用于生产上豹塑性加工技术，大都属于粗加工技术且塑性制品种类少，无论是在模 具寿命还是在成形工艺上都不能满足低成本，大批量生产的需要。著名的罗兰贝格国际管 理咨询公司( p o l a n d b e r g e r ) 在0 4 年1 月提供的一份中日汽车制造技术比较的调查报告中指 出：我国汽车制造技术中，仅a t 技术与日本差距为1 0 年以上。而在a t 部件的制造中正是 大量使用了塑性加工技术而在国内。近几年仅见有冷挤直齿轮的研究报道，且在生产上大 都还未能形成批量生产。而在斜齿、螺旋、薄壁套、杯状零件；非对称轴线状；复杂型腔一 贵州大学硕士学位论文 柱塞体冷挤压威形工艺设计研究 类异形零件的冷挤研究方面，更少见报道。金属塑性成形技术的运用，涉及到航天航空、电 子通讯、汽车机械等领域加工零件从最初的轴( 销) 、壳类零件到齿轮、杯状及螺旋花键 等零件。 圈1 1 精密塑性戚影零件 1 2 、课题的背景及意义 在我省，一方面塑性加工技术比较落后，成形制品在许多领域还处于空白；另一方面精 密塑性成形技术在航天、航空及汽车零配件等制造业有着广阔的前景，传统制造方法已不能 2 贵州大学硬士学位论文 柱塞体冷挤压成形工艺设 研究 适应经济发展的需要。今天，轿车零配件制造业在我省已成为一项重要产业，但经走访调查， 大部分企业的制造技术水平还处于7 0 、8 0 年代水平例如：徽轿车起动电机的超越离合器 星轮仍沿用十几年前的冷挤工艺；某中级轿车的空压机用偏心轴正等待塑性成形新工艺加 工，实现国产化等。我校为“2 1 1 。重点院校，但在先进制造技术这一领域所作的研究工作 远远不够，取得的成果微乎其微对企业面临的许多新工艺、新技术问题无能为力( 如下图 1 2 所示零件) 开展塑性成形技术研究是市场所需，形势所追。 与此同时，目前我省高校还没有该专业设置。专业人才匮乏。开展本项目的研究与运用， 在高校建设新的学科研究方向，培养高级工程人才，促进经济发展有着重大现实意义。金属 塑性成形技术研究是以实验为基础进行的，通过实验获得重要工艺参数，通过实验论证工艺 方法，解释塑性变形机理，总结塑性成形理论。 墨1 2 3 贵州大学硕士学位论文 柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 1 3 、研究的目标及内容 1 3 1 、研究的主要内容 ( 1 ) 柱塞体加工的塑性流动规律的研究 a 、塑性流动机理研究 从金属材料学角度出发，对柱塞体塑性变形的微观机理进行分析，推论。在外力作用下， 塑性交形的发生，是材科晶粒之间的相互滑动引起的晶粒的大小，晶较问的位向等因素决 定材料的塑性特性如改变晶粒形状，可获得力学性能良好的。纤维组织”；改变晶粒位向 会呈现。变形织构”的性能变化；从理论上进行研究，进一步解释成形过程中各种不良现象， 如裂纹、破断、翘曲等。探索柱塞体材料流动规律，在较低的成形压力下，获得最大的塑性 变形，实现复杂形状的零件成形 b 、运用金属流动规律和变形特点，合理确定柱塞体坯料尺寸和成形工序，使工件顺利成形。 c 、塑性流动模拟技术的基础研究 模拟柱塞体塑性变形过程，通过应力，应变状态的分布曲线，预知材料变形后可能发生 各种不良现象( 如裂纹、破断等) ，论证工艺方案是非常必要的。其基础内容包括：运用连 续流体力学，建立符合实际变形 青况的应力一应变本构方程式；运用有限元法进行变形过程 中的应力、应变分析计算的数值模拟；以实验为基础进行的物理模拟如研究柱塞体材料的 化学成分、原始组织状态、变形温度一速度条件对材科变形性能的影响 d 、对柱塞体质量进行定性分析，理论联系实际，以便寻求提高柱塞体质量的途径。 ( 2 ) 柱塞体冷挤压材料拉伸实验研究 通过对柱塞体材科迸行拉伸实验，确定其真应力真应变曲线，并且合理的运用在模拟过 程中进行分析挤压工艺。 ( 3 ) 柱塞体成形工艺的研究 精密塑性成形工艺由于不同形状的成形制品而异，经过工艺分析，制定出符合材料塑性 变形流动的工艺规程，特别是要开创新的工艺方法。通过理论计算得到关键工艺参数( 如成 形压力、变形速率、变形极限等) ，通过实验修正工艺参数，最终完成符合实际的工艺方案， 建立工艺参数之间的关系。在柱塞体冷挤压成形工艺中，由于其属于深孔成形，并且材料为 合金结构镪，加刖了成形难度，现力争采取一次成形得到符合实际的工艺方案 ( 4 ) 成形模具结构设计 按照柱塞体一次挤压成形的新工艺方法，设计新的模具结构。其结构特点；有效降低成 形压力，工件与模具表面之间摩擦力，实现低压塑性成形加工；提高模具刚度，防止模具的 弹性失稳；减少弹性变形，获得高精度的形状精度。 1 3 2 ，研究方案及技术路线 研究期间，采用模拟实验进行工艺方案论证，参数铡试，保证在有限的科研经费情况下， 能进行所需要的数次修正实验，能够尽可能的面对两个以上的方案进行比较实验。同时为保 证实验的重复性，将进行数件，不同参数试件的实验。进行试件成形过程中的各种参数( 如 4 贵州大学硕士学位论文柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 工作压力，应变，成形速度等) 测试。模拟实验可在本单位材料实验室和协作单位( 广航压 铸厂) 进行；成形零件的物理化学性能对比实验可在本单位材科中心进行本课题将运用最 新塑性成形理论，借鉴国外研究成果。分析工艺参数。设计工艺方案采用模拟实验方法进 行工艺方案的反复论证，最终获得符合实际的工艺参数 技术路线为：工艺分析及方案设计一工艺参数分析及计算模具结构设计及制作一 一工艺实验及参数测试一理论与模拟实验结果分析修正参数及再模拟论证 l 3 3 ，拟解决的关键问题 ( 1 ) 由于柱塞体材料3 , 纪_ r m o m 的塑性加工难度较大，如何确定其变形程度，坯料的尺寸等 等，对于冷挤压都至关重要 ( 2 ) 柱塞体成形的工艺分析与计算。并运用滑移线场和上限原理分析金属的流动规律。 ( 3 ) 柱塞体冷挤压加工过程中的加工硬化问题的分析。 ( 4 ) 模具结构的设计与计算，挤压凸模的失稳问题，预应力组合凹模的设计。考虑摩擦及 润滑，变形与温度，有创新的设计成形模具结构 1 4 、冷挤压成形技术基础 ! ；i t l f i | 2 e l i a 1 ，冷挤压技术的应用 1 冷挤压是利用塑性变形的原理用模具将处于常温的毛坯压制成有一定尺寸、形状和性能 的零件的工艺技术。五十年代初期，冷挤压技术还只用来制造简单的有色金属的零件。六十 年代中期，一些形状较为复杂的黑色金属实心件( 图1 - 3 ) 和空心件( 图i - 4 ) ，也开始用冷 挤压来制造了七十年f 可冷挤压零锌的种类或形状更多了，如图1 - 5 、图1 - 6 和图1 - 7 所示。供冷挤压的材料品种也大大扩大了许多低合金钢及不锈钢和低塑性的硬铝、煅铝等 均可进行冷挤压。 圈1 - 3 实e , d t 的冷挤压瞳1 - 5 凸缘类零件冷挤压 5 贵州大学硕士学位论文柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 冷挤压技术的迅速发展和广泛应用，充分说明了这种少无切削成形技术的优越性。冷挤 压的零件尺寸精度高、强度性能好、耗材少，生产效率比切削加工高几倍，甚至几十倍，与 铸造、锻造相比，可降低制造成本1 0 2 0 j 5 ，而且容易实现自动化图1 - 8 所示锥形挤压件， 原来在自动车床上加工，大量金属变成了废屑，材料利用率不到3 0 采用冷挤压加工后， 材料利用率提高到7 0 以上，原来切削加工一个零件的材料现在可生产出两个零件，图l _ 9 便是两种加工方法的材料消耗对比 圈1 - # 内花齄的冷挤。“ 圈1 - 7 低碳钢冷挤压零件 随着冷挤压技术的不断发展，挤压件的尺寸和重量越来越大，材料强度越来越高，为了 要在新的领域和各个工业部门不断扩大冷挤压工艺的应用范围，应寻求新的工艺途径。例如 采用冷挤和冷镦联合工艺加工空心或实心件；采用正挤一变薄引伸生产薄壁管，采用涅热挤 压等等。 圈1 - 8 锥形挤压件 l a 2 冷挤压的基本类型 按照挤压时金属的流动方向和凸模运动方向之间的关系进行区分，冷挤压变形方式主要 有三种基本类型： 1 正挤压凡金属的流动方向( b ) 与凸模的运动方向( a ) 相同的变形方式，称为正 挤压，或称作顺挤实心件正挤压变形过程如图1 - 1 0 a 所示。挤压时，凸模挤压金属毛坯， 迫使其从凹模的小孔中流出，近而获得所需形状的挤压件。变形结束后，凸模恢复到原始位 置，顶杆将挤压件从凹模内项出。可以看到，挤压使材料的断面积发生了很大变化，材料体 积进行了重新分配。 6 贵州大学硕士学位论文 桂塞体冷挤压成形工艺设计研究 2 反挤压反挤压时( 圈1 - 1 0 b ) ，毛坯在凸模的压力作用下，迫使金属在凸模和凹模 ，簧 c ) 田1 - 9 冷挤压与切削加工材辩消耗对比 i 切朗加工棒辑lb 成品零件的切育目加工id 挤压坯料 d 糟挤压件id f 压件的切削加工( 图中阴影为切削加工余量) 之间的环形间隙里被挤出向上流动( 口) ，与凸模的作用方向“) 相反。因此凡金属的流动 方向与凸模的运动方向相反的变形过程，称为反挤压 町研 田1 加基本变形方式示鬈田 1 凸模；厶凹模l3 毛坯l 挤压件；5 硬杆 3 复合挤压( 图i - i o c ) 复合挤压时，一部分金属的流动方向( 岛) 与凸模运动方向 a ) 相同，另一部分金属的流动方向( b j ) 则与凸模运动方向相反。就是说。在凸模的压 力作用下，金属向着两个不同的方向流动，发生了双向挤出变形。这是正挤和反挤组合在一 起的一种挤压方法。按照正挤压和反挤压的不同组合方式，可以将复合挤压分成如下三种情 7 贵卅【大学硕士学位论文柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 况：杆一杆件复合挤压，杯一杯件复合挤压，杯杆件复合挤压。 正挤、反挤和复合挤压三种变形方式是最基本的，在生产实际中遇到的情况要复杂得多。 一个比较复杂的零件，往往需要采取几种变形方式，经过多道工序方能最终成形对于某一 具体零件，采用哪种成形方法，哪种组合方式最为合理，将主要取决于零件的复杂程度。 l - 4 3 ，冷挤压工艺特点 冷挤压与其他加工工艺相比有如下优点： 1 ) 节约原材料冷挤压是利用金属的塑性变形来制成所需形状的零件，因而能大量减 少切削加工，提高材料利用率冷挤压的材料利用率一般可达到8 0 以上 2 ) 提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切割加工制造零件，能使生产率提高几倍、几 十倍、甚至上百倍。 3 ) 制件可以获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。零件的精度可达f 孤f 您级。表面粗 糙度可达册2 - r o 6 。因此，用冷挤压加工的零件一般很少再切削加工。只需在要求特别高 之处进行精磨。 4 ) 提高零件的力学性能冷挤压后金属的冷加工硬化，以及在零件内部形成合理的纤 维流线分布，使零件的强度远高于原材料的强度此外，合理的冷挤压工艺可使零件表面形 成压应力而提高疲劳强度因此，某些原需热处理强化的零件用冷挤压工艺后可省去热处理 工艺，有些零件原需用强度高的材料，用冷挤压工艺后就可用强度较低的钢材替代 5 ) 可加工形状复杂的，难以切削加工的零件。如异型截面、复杂内腔、内齿等。 6 ) 降低零件成本由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产效率、减少零件的切削 加工量、可用较差的材料代用优质材料等优点，从而使零件成本大大降低 冷挤压技术在应用中存在的难点主要有： 1 ) 对模具要求高冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大，这使 得模具所受的应力远比一般的冲压模大，冷挤压钢材时，模具所受的应力常达 2 0 0 0 m p a - 2 5 0 0 m p a 模具除需要具有高强度外，还需有足够的冲击韧性和耐痦性此外， 金属毛坯在模具中强烈的塑性变形，会使模具温度升高至2 5 0 度- 3 0 0 度左右，因而，模具材 料需要一定的回火稳定性 2 ) 需要大吨位的压力机由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至几千吨的 压力机 3 ) 由于冷挤压的模具成本高，一般只适应大批量生产的零件。它适宜的最小批量是5 加 万件 4 ) 毛坯在挤压前需进行表面处理。这不但增加了工序，需占用较大的生产面积，而且 难以实现生产自动化。 5 ) 不宣用于高强度材料的加工。 6 ) 冷挤压零件的塑性，冲击韧性变差，而且零件的残余应力大，这会引起零件变形和 耐腐蚀性的降低( 生产应力腐蚀) 8 赛州大学硕士学位论文柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 第二章柱塞体成形工艺分析 2 1 、工艺分析 本课题研究的柱塞体零件如图2 - 1 所示，材料为3 8 c r m o a l ，成分d 明3 】：c ：o 3 卜_ o 4 2 ， g ：0 争o 4 5 ，l d n ：o o 6 ，l i f o ：0 1 5 一0 2 5 ，c ，：1 3 5 1 6 5 ，一如0 7 - - 一1 1 ；力学性能：抗拉强度：庐9 舳，屈服点：0 置：8 3 5 ，布氏硬度：四 1 4 ，断面收缩率：5 0 ；3 8 c r m o a l 的退火硬度为：l i b = 1 5 0 图2 - 1 柱塞体零件图 柱塞体零件体积比拳2 x 7 5 2 5 一吖学) 7x 5 4 4 9 - ! 石x 9 2x4 4 9 = 2 6 9 2 2 5 m m ， 由该零件图和材料我们分析得出该零件有如下特点： ( 1 ) 根据零件的尺寸，孔深与直径之比大于2 5 _ - 3 。属于深孔挤压，不能采用单纯 的正挤压和反挤压一次成形，所以尽力寻求复合挤压进行一次成形 ( 2 ) 在复合挤压中，金属的流动方式为过渡方式“o ，如何保证工艺尺寸2 0 7 6 a w 将是工 艺设计的难点。 ( 3 ) 零件的材料为中碳低合金钢，根据材料的最大变形程度，应该合理的确定零件挤压 断面缩减率。 2 2 、柱塞体冷挤压工艺简介 柱塞体冷挤压工艺流程如图2 - 2 所示，在本章中，主要确定柱塞体冷挤压的几种方案， 为后面章节的理论分析与锻造模拟分析提供几种方案，以期望得到最终的正确工艺方案。 9 赛州大学硕士学位论文 桂塞体冷挤压成形工艺设计研究 睁塞体冷挤压j 眭塞体冷挤压j 确定冷挤压刊 防法的确定j的成形条件if 坯形状 l d o - d 主件一z 晶一等 贵州大学硕士学位论文柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 。 凡等吨_ 蔫 岛3 2 , 4 9 初取毛坯的直径为d = 3 m n m 。 2 3 2 、挤压余量的选择 挤压件的余量尺寸设计服则如下例： ( 1 ) 金属流动剧烈处的过渡圆角半径r 应尽可能增大，与挤压方向垂直的受力面应增大 斜度口。 ( 2 ) 为了防止变形抗力急剧增大及延长模具寿命，应控制挤压凹模与凸模间的金属在形 成终了时的最小厚度s 和b 。 ( 3 ) 挤压件的最终尺寸d 和d 不能太小或相差太大，应在允许的变形程度范围内。芷反 挤压件的基本尺寸见下图。 圈2 4 挤压件的基本尺寸田 c a ) 正挤压ic b ) 反挤压 挤压方式尺寸备注 dd且口6s ( o 3 31 0 0 2 0 0( 0 2 合理 0 5 ) 1 3 o 4 ) d 正挤21 工作允许 时3 0 1 最小 按零件尺5 。 寸定( 0 5 31 0 0 3 0 0 0 2 d t合理 0 7 ) d 反挤1 01 工作允许 时 5 。 1 2最小 矿 表2 - 1 挤压件的尺寸界限 1 1 贵州大学硕士学位论文 桂塞体冷挤压成形工艺设计研究 为了防止变形抗力急剧增大及延长模具寿命，应控制挤压凹模与凸模间的金属成形终了 时的最小厚度s 和6 因为零件终挤时初步预定为正挤，所以s ( 0 2 - - 0 4 ) ) 。 取s = o 3 x 3 0 = g m m 挤压余量体积为：v - - 4 6 3 9 1 6 1 6 2 3 3 、毛坯尺寸的确定 毛坯的总体积为ve # 2 6 9 2 2 5 + 4 6 3 9 = - 3 1 5 6 2 和挚鸯 s 声3 4 2 5 8 取毛坯的直径d ：- 3 0 所以毛坯厚度为：s p 4 4 6 7 3 m m 毛坯图见图2 _ 4 隧 j f 卜 。o ” 口 1 囝2 4 毛坯田 2 3 4 、挤压的变形程度删 冷挤压变形程度的表示方法有很多种，其中常用的有断面缩减率、挤压比和对敷变形等。 在本文中，全部采用断面缩减率表示冷挤压变形程度断面缩减率的定义为：挤压前后横截 面积之差与挤压前横截面积( 或毛坯横截面积) 的比值的百分数。即； ”华l 蝴 ，o 式中，挤压的断面缩减率( ) f d 挤压变形毛坯的横截面积( m 1 2 ) 乃挤压变形后零件的横截面积( n u n 2 ) 1 ；复合挤压的断面缩减率 根据柱塞体零件图和毛坯图，肛石xr 2 - 3 1 4 x 1 5 2 ； 费州大学硕士学位论文 柱塞体冷挤压戍形工艺设计研究 脚埘s 1 4 ( 半) 2 瓤n s 叫警) 2 ； 反挤部分的断面缩减率为：印- f o 瓦- f 1 1 0 0 = 2 7 0 躺 正挤部分的断面缩减率为：如 。- f i 1 0 0 ；2 8 8 8 ，o 2 ：变薄拉伸的断面缩减率 ， 舡蒯2 一 3 m 川2 以叫半) 2 脚饼2 - s 叫警) 2 二s 叫警) 2 正挤部分的断面缩减率为：卸! 量；旦1 0 0 - - 6 5 5 1 ，o 2 3 5 、判定材料和毛坯形状对零件的可成形性 凸模直径( 鼢) 最小壁犀a 9 1 9 o s 2 5 o 6 7 s 1 0 7 5 2 0 表2 2 冷挤压空心钢零件的最小壁厚 由表2 吨可知；柱塞体冷挤压凸模的直径为1 5 6 m , 所以壁厚最小壁厚为0 5 m , 而柱 塞体的壁厚为7 2 m , 满足最小壁厚要求。 听蕾啦臻车秀) 甘 鼻 正挤压厦并压 囊羌鼍一 b bo ，9 警冀奠魍 州 ，57 5 9 0 ( 禽囊置o 1 ) 0 2 e 07 5 5 舅( 童爱量o 2 和) b s r , 6 8 7 0 【耆曩o 3 和) t 3 。8 00 2 川5 悄( 召硪鼍o 4 )1 7 0 6 j 5 5 , - 6 8 1一。i_-_-。_ 袁粥冷挤压时许用的变形程度 贵州大学硕士学位论文 桂塞体冷挤压成形工艺设计研究 柱塞体的材料为3 8 c r m o a i ，含碳量c ：0 3 5 - - 0 4 2 ，所以正挤压时最大断面缩减率为 7 0 7 6 ，反挤压时最大断面缩减率为5 5 6 蹦。而计算所得柱塞体的断面缩减率为6 5 5 1 7 鳊7 6 ，2 7 0 4 5 5 6 8 。所以毛坯对零件的可成形性是可行的 2 3 5 、挤压过程 经实践经验和理论计算告知，低碳钢一次反挤制孔的深度与直径之比应小于2s 1 30 当反挤内孔的深径比超过3 0 时，细长的反挤冲头在巨大的挤压应力作用下极易失稳而折断。 深孔挤压时，被挤压材料大幅度流动。与冲头接触的工件表面润滑皮极度延展，很容易失去 隔离和润滑效果，最终导致冲头与工件产生严重粘连和烧伤鲫 一：在复合挤压中，要保证图2 - 1 零件尺寸2 0 7 6 聊n ，最直接的方法是在距凹模口一定距离处设置顶秆， 使金属反向流动选取定径带的高度为3 i ，l m ，如图2 - 5 所示。 根据体积相等原理，正挤出的体积= 包括凸模在内 的圆柱体积蒜头体积定径带高度的圆柱体积，即； 3 1 4 x ( 2 5 3 璧) 2 2 3 7 每4 7 8 7 9 6 3 1 4 ( 1 5 6 尼) 。3 = 1 0 8 8 6 7 9 3 8 4 盈厶5 反挤的体积= 毛坯体积正挤出的体积：3 1 5 6 1 6 4 2 7 3 1 0 8 8 6 7 9 3 8 4 = 2 0 6 7 4 8 4 8 8 9 所以反挤的高度：3 1 4 x ( 3 0 璧) 2x h - 3 1 4 x ( 1 5 6 佐) 2x h = 2 0 5 7 4 8 4 8 8 9 h = 4 0 1 1 ， 深径比为：4 0 1 l 1 5 5 - - 2 5 7 9 9 5 2 4 9 4 6 9 4 m m 3 所以在此种工艺参数设计下需要顶杆的设置。 荐者，根据上限原理分析轴对称挤压过程中对于复合挤压的研究结果，他指出根据分流 点位置的不同。杯杆型复合挤压存在八种流动方式【“1 在柱塞体挤压中属于过度方式，根 据分析，在挤压流动过程中不包含剪切流动方式在内。所以金属正向流动白c i 速度和反向流动 的速度都为常数即： 一糕，v ，筹砜 式中，”，分别为金属反向流动的速度和金属正向流动的速度， r 0 ，蜀，r z 兄分别为坯料半径，凸模半径，凹模半径，分流点半径 其中负号表示金属的流向和凸模的流向相反。 代入r o - 1 5 ，墨- 7 8 ，r 2 1 2 5 6 ，r - 9 5 6 ， 贵州大学硕士学位论文 柱塞体冷挤压成形工艺设计硪究 一糕二_ ， v ，- r - - $ zu o = 0 s s u e 计算结果表明金属反向流动的方向向下，和凸模的运动方向相同，所以金属形成杯形状 的流动速度为u o - 0 1 8 6 u o 却8 1 4 u o ，金属形成杆状的速度为0 5 8 u o u o 为凸模的运动速 度w 令u 。= 1 计算的结果表明符合金属复合挤压中的过度方式的流动特点 下面根据金属流动的速度计算金属的体积分配流量，金属正向流动达到要求的体积 9 9 5 2 4 9 4 6 9 4 的时闻为； t = 9 9 5 2 4 9 4 6 9 4 - 2 - ( 3 1 4 1 2 5 6 2x 0 5 8 ) = 3 4 6 4 那么在时间t 下金属流动形成孝f 壁部分的金属体积为： v = 3 。1 4 x ( 1 5 2 - 7 , 8 2 ) x 0 8 1 4 + 3 4 6 4 = 1 4 5 3 4 4 7 2 6 7 m m 3 而金属流动形成杯壁部分的金属体积需要为2 1 6 0 9 1 4 8 0 4m 3 ( 1 4 5 3 4 4 7 2 6 7 删3 2 1 6 0 9 1 4 8 0 4 n u n 3 ) 。所以在此种工艺条件下，当正向形成杆部的金属达到要求后，形 成杯壁部分的金属还不能达到要求，所以在此种工艺参数设置下还需要设置顶杆，符合用分 流点计算的结论。 3 3 3 、3 - 艺尺寸的修正 因为变形程度对体积分配率和挤后形成高度影响很大变形程度小的一端形成高度较 大当两端变形程度相近肘，两端形成高度也大致相近当两端变形程度相等肘，反挤部分 形成高度稍大；当反挤程度一定时，反挤一方流出量随正挤变形程度的增加而增加，当正挤 变形程度一定时，正挤一方流出量随反挤变形程度的增加而增加 因为零件的体积为；v = 2 6 9 2 2 4 8 1 1 3 聊n 3 ，在挤压完成时，凸模与凹模的间距为9 r a m ， 形状如图3 - 6 所示 所以预留的体积量为： v 圈3 毛坯余量 1 三! ： 一 圈3 7 毛坏田 贵州大学硕士学位论文柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 毛坯的总体积为1 i - - 2 6 9 2 2 4 8 1 1 3 + 5 7 7 6 4 = 3 3 1 7 7 7 r m n 3 现在初取毛坯的直径为3 白m ， 那么毛坯的高度为h f f i v m 2 = 3 3 1 7 7 7 f 3 1 4 x 1 8 1 8 ) = 3 2 6 1 n u n ，如图3 - 7 所示。 正挤的体积为：3 1 4 x ( 2 5 3 2 ) 2x 2 0 7 6 - 4 7 8 7 9 6 = 9 9 5 2 4 9 4 6 9 4 h e n 3 工反挤的体积为3 3 1 7 7 , 7 - 9 9 5 2 4 9 4 6 9 4 = 2 3 2 2 5 2 m m 3 反挤部分的断面缩减率为： p f = 1 8 8 ；正挤部分的断面缩减率为： p f 5 0 哦； 减径正挤压断面缩减率为： 占f = 6 2 3 1 。 一 所以反挤的高度3 1 4 x ( 3 6 2 2x h - 3 1 4 x ( 1 5 6 2 ) 3x j = 2 3 2 2 5 2 扣2 6 1 5 m 所以深径比为2 6 1 5 1 5 6 = 1 6 7 6 2 5 反挤压的孔的深度符合经验和理论计算 3 3 4 、体积分配及顶杆设置判断 根据柱塞体的零件特征和确定的模具尺寸， 根据尺寸所褥分流点的半径为g 9 6 脚 根据理论计算公式计算分流点的位置 我们做出简单的几何关系图，作图如下： p t 料小格 = ( 1 2 6 5 1 8 ) ( 1 2 6 5 + 1 8 - 7 8 ) - - - - 9 9 6 5 m 如前所述，凸模的长度为2 6 1 5 ，所以凸模向下移动量a h 等于 2 6 1 5m 州。 y 正挤流动量； 反挤流动量： 鬼。车h 1 厂2 l 小糍厶 圈3 。分流点位置 代入p ：9 9 6 5，吒1 1 2 6 5 ，m ，置1 1 8 m , n ，r 21 7 8 m l ，a h = 2 6 1 5 m m 正挤流动量： 红- 鲁忽棚 正挤流动的金属体积为：k - 积2 h a = 8 1 5 3 ，7 2 3 m m 3 贵州大学硕士学位论文 桂塞体冷挤压成形工艺设计研究 反挤流动量： 小篇饼垅3 反挤流动的金属体积为：一万俾2 一r 2 ) j 1 2 = 1 8 4 5 0 1 2 7 m m 根据零件挤压的工艺要求，只要保证复合挤压过程中金属正向流动的体积小于零件的下 部的长度2 0 7 6 m m 的金属的体积9 9 5 2 4 9 5 m h ，8 1 5 3 7 3 2 w ”3 2 1 6 0 9 1 4 8 0 4 m m 3 ) 。所以在此种工艺条件下，当正向形成秆部的金属还没有达到所要 求的金属体积量，形成杯壁部分的金属已经达到要求所以在这种工艺参数设置下，可以不需 费州大学硕士学位论文 柱塞体冷挤压成形工艺设计研究 要顶杆的设置。满足要求。与用分流点计算的结论一致 根据以上分析，对于模拟用的三个方案，毛坯的形状和尺寸全部采用毛坯图3 - 7 所示。 3 4 、运用滑移线场分析金属流动规律及挤压力 3 a i ，复合挤压的滑移线场嘲旧m f n 】m 滑移线场用于解决平面变形问题和轴对称问题。我们所研究的柱塞体复合挤压是一个轴 对称问题，因此，可借助在变形体中建立的滑移线场来分析研究挤压过程的变形规律和应力 场。 建立近似滑移线场的图解法有多种，这里采用的是“一轮垂直，一轮平行线”交替进行 的方法。具体的作法是：给定中心扇形的等分角a o ( 一般a 8 = 5 。时所得到的滑移线场， 其精度足以保证工程计算的要求) ，等分扇形的圆弧并以弦线代替各段圆弧( 如图3 - 9 中0 ， o 1 0 ；1 ，o _ 2 ，o ：) ；开始作第一轮垂线：( 1 ，o - 1 。1 ) 上( o ，0 - 1 ，o ) ：( 2 ，o - 2 ， 1 ) 上( 1 ，o - 2 ，0 ) 然后作第一轮平行线：作( 1 1 - 2 ，1 ) ( 0 。o - 1 0 ) ：( 2 ，1 - 3 ， 1 ) ( 1 ，o 2 ，o ) 同样的方法，作第二轮垂线；作第二轮平行线；一直进行下去， 直到满足给定边界条件为止在柱塞体复合挤压中，模具润滑良好，作图时选取边界条件为 无摩擦条件下，所以从a 点作出的第一条滑移线与模具相交成4 5 。，从b 点作出的第一条 滑移线与模具中心线也成4 5 。然后逐步按照上述原理作出滑移线场 上下两个滑移线场相交于p 点，p 点即为前面所述的分流点，根据滑移线场作出的分流 点p 的位置与前述的运用简便作图法作出的分流点位置相同，并且分流点户与中心线的距离 p 相等，如图3 - 9 所示。 3 4 2 、复合挤压力阳 由于滑移线场平均应力的变化，与滑移线的转角成正比滑移线的转角愈大，平均应力 的变化也愈大。而边界点的应力状态是已知的，因此，作出金属塑性变形区的滑移线网以后， 便不难确定任何结点的应力分量。 。 滑移线场任何结点上的应力分量可按下列公式计算： 吒一0 3 s - 1 - a + k ) 2 a a c o s ( - k ) 2 a a ( 1 ) 盯，- o 知 1 - q + k ) 2 a a + c o s q - k ) 2 a a ( 2 ) _ r ，一o 5 s 咖f ( f - t ) 2 a a ( 3 ) f 和脚别为通过所研究结点的滑移线族a 和口的指数； a a 一有心扇形场的等分角( 或称网眼角) ( 弧度) ； j 平面变形的变形抗力( 公斤毫米2 ) ； ， j - ；j - 1 1 5 s ； 4 3 墨一单向拉伸的 圈3 - 9 复合挤压滑移线场 结点 o123 4 567 7 2 指数 f 七00o00 0 o 0o - 9 81 0 5 8 01 1 2 1 41 1 7 0 81 2 0 7 3 - 1 2 3 2 4 1 2 4 7 91 2 5 1 2 5 以 7 764166 9 o 9 2 9 82 0 0 6 53 2 2 2 34 5 6 8 6- 6 0 2 8 57 5 8 1 59 2 1 29 5 4 仃y 17 f f - “f 越l ，f m 矗_ r mf l _k f 巧 x s i n l 5 x s i 矗1 0 x i i n 8 x s i n 4 5x s i