机械毕业设计137铝合金水槽的冷挤压工艺设计
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机械毕业设计137铝合金水槽的冷挤压工艺设计,机械毕业设计论文
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沈 阳 工 程 学 院 毕 业 设 计 论 文 专业班级： 数控 071 班 学生姓名： 王代红 指导教师： 范智广 nts 铝合金水槽的冷挤压工艺设计 系别名称： 机械工程系 专业班级： 数控 071 学生姓名： 王代红 学 号： 2007540130 指导教师： 范智广 nts 沈阳工程学院 毕业设计任务书 毕业设计题目： 铝合金水槽的冷挤压工艺设计 系 别 机械系 班级 数控 071 学生姓名 王代红 学号 30 指导教师 范智广 职称 讲师 毕业设计 (论文 )进行地点： 设计教室 /CAD 机房 任 务 下 达 时 间： 2010 年 5 月 3 日 起止日期： 2010 年 5 月 3 日起 至 2010 年 6 月 26 日 止 教研室主任 年 月 日批准 nts1.设计的原始资料及依据； 1提供相关产品的产品说明书。 2到实习工厂观看相关产品。 3提供相关手册及图册。 2.设计主要内容及要求； 这次设计的目的是学习和掌握冷挤压工艺的 设计。铝合金水槽的冷挤压工艺的设计主要有 3 部分： 掌握冷挤压工艺的基本概念。 挤压件图的设计 。 冷挤压模具结构的设计。 3.毕业设计论文的格式按学院统一要求 。 4. 图纸整洁，制图及标住符合国家标准；图纸内容应能充分表达所设计机构（零件）的结构； 5.课题完成后应提交设计论文，参加答辩。 6.时间进度安排； 顺序 阶段日期 计 划 完 成 内 容 备注 1 布置任务，熟悉课题 3 天 2 确定方案，查阅资料，准备开题报告 4 天 3 开题 1 天 4 冷挤压工艺的设计 21 天 5 修改 3 天 6 整理文档，撰写设计论文 7 天 nts7 设计答辩 1 天 7.主要参考资料（文献）不少于 15 篇。 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 I 摘 要 叙述了铝合金水槽塑性成形的工艺分析，设计冷挤压件，计算毛坯形状及尺寸，验算许可变形程度，计算冷挤压变形力。介绍了铝合金水槽冷挤压工艺及模具结构。 文中指出了工艺设计在冷挤压生产中的重要性。阐述了冷挤压件的材料选择、形状设计、尺寸设计、许用变形程度及可获得的尺寸精度和表面粗糙度。该件属于浅形杯形件，这是一种结构简单，比较常用的一种形式，它常不设导向结构，凸凹同心对正，完全依靠压力机的滑块来保证，利用凸模外套和凹模本身进行导向的模具，称之为自身导向的反挤压模具。这种膜具的 导向效果好，常用于精度要求高 的杯形件的反 挤压。若零件孔的深度小于直径的两倍，凸模套可以制成固定形式，否则 将凸模设计成带有弹簧的装置的浮动结构。 关键词 :铝合金水槽；冷挤压；工艺计算；模具结构 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） II Abstract Describes the process of aluminum sinks plastic forming of analysis, design and calculation of cold extrusion, shape and size, checking blank permission deformation degree, cold extrusion deforming force. Introduced aluminum sinks cold extrusion technology and die structure. The paper pointed out in the cold extrusion process design production of importance. Expounds the cold extrusion shape design, material selection, design and allowable deformation degree, and can obtain the precision and surface roughness. This piece of shallow cup form belongs to, it is a kind of simple structure, is one of the most common forms, it often does not have uniform structure, one to guide, depend entirely on the slider to ensure the machine, punch coat and guidance of dies. the itself, as their guide of mould against extrusion dies. This film has good effect, the orientation of high precision, often used in the cup against extrusion. If the depth of the hole diameter parts of the two times, convex model can be made into fixed form, no unleashing the punch designed spring-loaded device floats structure. Key words: Aluminum sinks, Cold extrusion, Process calculation, The mould structure nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 III 目 录 中文摘要 . . . . I Abstract . . . II 前言 .1 1.冷挤压的基本概念 3 1.1 冷挤压工艺的实质 .3 1.2 冷挤压工艺的方法分类 .3 1.2.1 按金属流动方向 3 1.3 冷挤压工艺的优点及应用范围 .4 1.3.1 冷挤压工艺的优点 4 1.3.2 冷挤压工艺的应用范围 4 1.4 冷挤压技术现状及发展方向 .4 1.4.1 冷挤压技术的现状 .4 1.4.2 冷挤压技术的发展方向 .5 1.5 冷挤压模具设计的基本知识 .6 1.5.1 冷挤压模具的构造及其特点 6 1.5.2 模具设计基本要求 6 1.5.3 模具设计的一般程序 6 1.6 本文研究的主要内容 . .6 2.铝合金水槽的设计及其毛坯的处理 .7 2.1 铝合金水槽图的设计 .8 2.2 毛坯的制备及其处理 .8 2.2.1 毛坯的形状和尺寸的确定 .8 2.2.2 坯料的软化处理 .9 2.2.3 坯料的表面处理及其润滑 .9 2.3 冷挤压工艺方案的设计 .9 2.4 冷挤压模具的材料 . 10 2.5 挤压力的估算及其挤压设备的选择 .11 2.5.1 影响单位挤压力的主要因素 . .12 2.5.2 冷挤压力及设备的选择 .13 3.挤压件图的设计 .15 4.模具结构的设计 .17 4.1 挤压模具的结构 .17 4.1.1 凸模的设计 . 17 4.1.2 凹模的设计 .18 4.1.3 模具结构设计 . .19 4.2 上模部分结构设计 . .20 4.3 卸料装置的设计 .20 结 论 .21 致 谢 . .22 参考文献 .23 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 1 - 前 言 早在十八世纪冷挤压已在枪弹、 铁钉上得到应用。早期冷挤压发展是较缓慢的，直到 1944年采用了磷酸盐作为润滑剂，钢的冷挤压工艺达到了实用的地步，冷挤压工艺要求有大批量的产品，所以冷挤压工艺的应用，开始在自行车升，继而在摩托车上得到应用，二次大战以后，汽车工业的大发展为冷挤压提供了宽广的发展时常。冷挤压工艺才得到了真正的大发展。 1973 年日本在小轿车上，所使用的冷锻件的数量已达到了一百多件。近年来日本使用冷挤压工艺制造了同步器齿套。可不经冷加工就直接装上了汽车。 1 我国的情况和国外相似，只是时间上相对晚了很多。 70 年代我国开始采用冷挤压 工艺，并在自行车行业上得到了应用。冷挤压的主要应用市场在摩托车和汽车工业。我国直到近年来才开始大规模大批量生产发展，在摩托上目前有部分零件使用冷挤压工艺。我国的汽车制造厂家目前尚未广泛使用冷挤压工艺。 现代机械制造工业向少、无切削方向发展，挤压件越来越受到企业的重视。冷挤压零件设计时根据挤压变形特点，对原产品零件图进行适当的修改，使之具有良好的可挤压性。由此可知，为了生产出高质量、高效益的产品，对冷挤压件图设计的合理性及冷挤压工艺的可行性进行分析显得尤为重要，这需要长时间的生产实践来进行知识的积累。因此，对 于刚从事冷挤压工作的人员来说，势必需要花去大量的时间去翻阅资料以及选择工艺分析方法，但是如果把具有相似特征的零件的工艺分析方案进行归类，采用统一化、通用化、系列化、组合化的方式进行设计，既可以缩短产品生产周期，又可以积累设计的经验。使设计者快速地掌握冷挤压设计的要领，为以后的新产品的开发打下基础。此外，通过标准化的工艺分析，可以减少重复性的劳动。所以建立一个供设计时调用的标准工艺分析系统，不但可以提高产品的可行性 和合理化，而且可以加快产品设计更新的速度，增 加市场竞争能力，降低成本，增加利润。 2 Solid Works是目前机械制造业应用非常广泛的一个三维 CAD软件，具有配置管理、协同工作、零件建模、装配设计、全相关工程图、钣金设计、有限元分析、动态仿真等多项功能。由于采用了特征建模技术和设计过程的全相关技术。而且为用户提供了功能强大的 API接口其宏录制功能更是为用户二次开发提供了方便。利用参数化驱动可以快速地生成三维实体以及二维工程图。 是目前进行工艺分析标准化开发的理想工具。 挤压技术作为一种高效、优质、低消耗的少无切削加工工艺，是将金属毛坯放入模具模腔内，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、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。冷挤压是挤压技术中应用最广泛的一种，与此同时，冷挤压模具发展也日益成熟。鉴于其工作条件的恶劣性，冷挤压模的设计需要考虑的因素很多，其难度也很大。组合分割式模nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 2 - 具结构为冷挤压的模具设计提供了一条崭新的思路。 3 Pro/E 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统。工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。其特点是可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工 程设计者提供了在设计上从未有过的简易与灵活。同时 Pro/E 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋、槽、倒角和抽空等。采用这种手段来建立形体，对于工程来说更自然、更直观，无需采用复杂的几何设计方式。基于 Pro/E 的组合分割式模具结构为冷挤压的模具设计提供了一条崭新的思路。 本文设计的主要内用是一个铝合金水槽，这是铝合金的一个水槽。本设计用的材料是 1035铝合金， 1035铝合金。 铝挤压工艺通常被认为有两大突出的好处，一个是挤压工艺上的，一个是铝与生俱来的优点。 铝 挤压制造比较省钱，因为铝金属的截面通常非常稳定，设计者可以比较随意地摆弄。往往挤压是唯一的可以选择的工艺。想要把金属加工到一种特定的横截面形状，机械加工，相比较挤压工艺要更贵。 机加工的工艺成本是叠加的，每一件工件都需要一样多的工作量和时间。而且更要命的是，机加工产生的金属废料可能比完成的工件还要多。如果想用焊接来进行制造，成本也会不菲。每一个工件都要逐一焊接作业，即使产量增加，或者批量生产，花在每一个工件上的时间也不会有实质性地节省。还有，焊接需要很多的固定夹具，所需费用常常超过挤压模具的花销。辊轧成形更 是与挤压铝工艺在成本上不可比拟。辊轧成型还有一个无法克服的缺陷：对壁厚不统一的产品无法有效处理。金属或砂型铸造工艺也需要有大面积的表面处理才能完成最终产品。而铝挤压可以制造出相对精致的产品，公差也控制比较好。铝挤压模相对而言，比较便宜。大多数时候，简单的模具花销只要几千块钱。而其他铸造模具动则要价几万元，成本上九相差了一个数量级。铝挤压模具的制造时间较短。保存和维护费用相对低廉，几乎可以忽略。而且一旦需要可以很快安装到位投入运作和生产，模具的使用寿命也较长。 当然，很多金属都可以使用挤压模具和工艺， 而铝，确实最适合的挤压金属，当然是因为铝的特别的特性 。 4 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 3 - 1.冷挤压的基本概念 冷挤压是金属压力加工方法的一种。它是在常温条件下，利用模具在压力机上对金属以一定的速度施加相当大的压力，使金属产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件。 冷挤压的工艺过程是：先把毛坯放在凹模内（毛坯的体积等于零件的体积和修边余量的体积之和），借凸模的压力使金属达到最大的塑形状态，并通过凹模的下通孔或通过凸模与凹模间的环形间隙将金属挤出。 冷挤压是实现小切屑或无切屑加工的一种先进方法。它具有 生产效率高、节约材料、加工精度高、表面质量好和成本低等一系列优点，可加工各种断面的空心或实心零件，也可用来制造模具型腔。用冷挤压制造薄壁空心零件，可减少工序，一些需多次拉深才能完成的空心零件，可用一次或少数几次冷挤压工序来代替，工作量可降低 90%以上，工具成本可减少 70%。用冷挤压代替机械加工，可提高工件强度，此外还可以节省材料，节省工时及保持纤维完整。 目前，冷挤压的应用范围逐步扩大，可用于制造有色金属、低碳钢、低合金钢和不锈钢等材料的零件。 5 1.1 冷挤压工艺的实质 冷挤压是金属压力加 工方法的一种。它是在常温条件下，利用模具在压力机上对金属以一定的速度施加相当大的压力，使金属产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件。 6 1.2 冷挤压工艺的方法分类 1.2.1 按金属流动方向 冷挤压工艺按金属流动的方向于加压方向可分为以下几种。 （ 1）正挤压 正挤压时，金属的流动方向于凸模的运动方向相同。正挤压实心工件的加工过程是：先将毛坯放在凹模内，凹模底部有一个大小于所制零件外径相同的孔，然后用凸模去挤压毛坯。在挤压时由于凸模压力的作用，使金属达到塑性状态，产生塑性流动，强迫金属 从凹模的小孔中流出，从而制成所需要的零件。一般说来，正挤压可以制造各种形状的实心工作（采用实心毛坯），也可以制造各种形状的管子。 （ 2）反挤压 反挤压时，金属的流动方向于凸模的运动方向相反。反挤压空心杯形工件的加工过程是：把扁平的毛坯放在凹模底上，凹模于凸模在半径方向上的间隙等于杯形零件的壁厚。当凸模向毛坯施加压力时，金属便沿凸模于凹nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 4 - 模之间的间隙向上流动，从而制成所需要的空心杯形零件。 （ 3）复合挤压 复合挤压时，毛坯上下部分金属的流动方向于凸模的运动方向相同，而另一部分金属的流动方向则相反。用复合 挤压的方法，可以制造各种带有突起的复杂形状的空心工件。 （ 4）径向挤压 径向挤压时，金属的流动方向于凸模的运动方向垂直，采用实心毛坯或管状毛坯挤压制成盘类零件或内壁有凸出要求的零件。 6 1.3 冷挤压工艺的优点及应用范围 1.3.1 冷挤压工艺的优点 冷挤压具有生产效率高、节约材料、加工精度高、表面质量好和成本低等一系列优点，可加工各种断面的空心或实心零件，也可用来制造模具型腔。用冷挤压制造薄壁空心零件，可减少工序，一些需多次拉深才能完成的空心零件，可用一次或少数几次冷挤压工序来代替，工作量可 降低 90%以上，工具成本可减少70%。用冷挤压代替机械加工，可提高工件强度，此外还可以节省材料，节省工时及保持纤维完整。 7 1.3.2 冷挤压工艺的应用范围 第二次世界大战以后，美国人窃取了德国人关于钢的冷挤压的全部资料，开始在美国用冷挤压秘密生产军火，开办了很多生产钢弹壳和弹体的军工厂。钢的冷挤压于 1947 一年才正式用于民用工业。美国于 1949 年发表了各种钢材冷挤压后机械性能的实验数据。德国于 1950 年、 1953 年先后公布了钢的冷挤压的基本技术数据及冷挤压力和挤压功的实验结果。 1957 年，日本引进 了专用冷挤压机，开始在精密仪器和仪表中采用冷挤压技术。日本见这种新技术经济效益显著，很快把这种技术用于制造汽车和电气制件。现已成为遍及各个工业部门的重要加工手段。 8 1.4 冷挤压技术现状及发展方向 1.4.1 冷挤压技术的现状 目前，我国已能对铅、锡，铝、铜、锌及其合金、低碳钢、中碳钢、工具钢、低合金钢与不锈钢等金属进行冷挤压，甚至对轴承钢、高碳高铝合金工具钢、高速钢等也可以进行一定变形量的冷挤压。制造的冷挤压件是各种各样的，最重可达 30 公斤，最轻只有 1 克。在模具材料使用方面，除了用高速钢、轴承 钢、高碳高铬合金工具钢外，还采用了不少新型模具钢如 CG2、 65Nb、 LD 等。在挤 压nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 5 - 工艺参数选择和模具结构设计方面，初步采用了优化设计及计算机辅助设计与制造（即 CAD/CAM），使模具结构更合理、挤压工艺参数更接近于实际。在挤压设备方面，我国已具备设计和制造各级吨位挤压压力机的能力。除采用通用机械压力机、液压机、冷挤压力机外，还成功地采用摩擦压力机与高速高能设备进行冷挤压生产。 9 1.4.2 冷挤压技术的发展方向 冷挤压技术发展的初期是非常缓慢的，长期以来只对几种软金属（铅和锡）进行挤压。直到 19 纪 末 20 世纪初，才开始挤压较硬的有色金属（锌、铝、紫铜、黄铜等）至于钢的挤压，由于冷挤压时需要很大的压力，在当时不能解决挤压钢用的模具材料、合适的润滑剂与大吨位的压力机等问题，长时间一直认为挤压钢是十分困难甚至是不可能的。 1906 年，英国人科斯利特（ T.W coslett）发现用磷酸盐处理钢件制品是一种较理想的防锈方法，但工序繁多，而经济效益又差，故未被广泛采用。不过，这种防锈法的出现却极大地激发了人们去研究更简单而有效的新方法的积极性。到后来，用自动连续装置对钢毛坯进行磷酸锌防锈处理只需要两分钟。经磷酸锌 处理过的毛坯表面附有脂肪润滑剂或钠皂薄膜，且这层薄膜不易脱落，挤压这种毛坯时，压力较小。这个发现使人们找到了一种理想的钢毛坯表面处理法一磷化皂化法。 6 磷化皂化处理钢毛坯表面方法的出现使钢的挤压成为可能。 1934 年，德国人采用磷化皂化法成功地冷挤出钢管。二次世界大战期间，德国人需要大量弹壳，当时黄铜又供应不足，于是德国人秘密试验用冷挤压生产钢弹壳、后来，采用合金工具钢作模具材料，用冷挤压成功地挤出大批量钢弹壳类零件。现代机械制造工业向少、无切削方向发展，挤压件越来越受到企业的重视。冷挤压零件设计时根据挤 压变形特点，对原产品零件图进行适当的修改，使之具有良好的可挤压性。由此可知，为了生产出高质量、高效益的产品，对冷挤压件图设计的合理性及冷挤压工艺的可行性进行分析显得尤为重要，这需要长时间的生产实践来进行知识的积累。因此，对于刚从事冷挤压工作的人员来说，势必需要花去大量的时间去翻阅资料以及选择工艺分析方法，但是如果把具有相似特征的零件的工艺分析方案进行归类，采用统一化、通用化、系列化、组合化的方式进行设计，既可以缩短产品生产周期，又可以积累设计的经验。使设计者快速地掌握冷挤压设计的要领，为以后的新产品的开发打 下基础。此外，通过标准化的工艺分析，可以减少重复性的劳动。 所以建立一个供设计时调用的标准工艺分析系统，不但可以提高产品的可行性和合理化，而且可以加快产品设计更新的速度，增加市场竞争能力，降低成本，增加利润 模具是实现少、 无切削加工的工艺装备， 在现代生产中日益得到广泛的应用， 其中冷挤压模具也不断增加， 所占的地位愈来愈重要。冷挤压模具nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 6 - 设计与其所设计的工艺是密切有关的， 而冷挤压零件设计是根据挤压变形的需要， 对原产品零件图进行适当修改， 使之具有良好的挤压工艺性，设计成适于冷挤压加工的零件图。冷挤压零 件设计是冷挤压工艺设计的基础。由此可知， 为了生产出高质量、 高经济效益的产品挤压件， 首先必须分析冷挤压工艺的可能性及设计合理的冷挤压件 这样， 才能达到预期的技术经济效果。 9 1.5 冷挤压模具设计的基本知识 1.5.1 冷挤压模具的构造及其特点 一）冷挤压模具的构造： 1、工作部分，如凹、凸模等； 2、传力、支撑部分，如压力垫板等； 3、卸料和顶料部分，如卸料板、弹簧、顶杆、反拉杆、顶料板等； 4、导向部分，如导柱、导套等； 5、固定、紧固部分，如上、下模板、固定板、模柄、螺钉等。 二）冷挤压 模具的特点： 1、模具工作零件应采用光滑的圆角过渡，避免直径大小剧烈变化引起应力集中而破坏，对于黑色金属冷挤压模具应特别注意这一点。 2、模具工作零件与上、下底板之间应用足够厚度的淬硬垫板承压，加大承压面积，减小上、下底板上承受的单位压力。 3、上、下底板不能采用铸铁，必须用足够厚度的中碳钢制造，以保证模具有足够的强度。 1.5.2 模具设计基本要求 1、模具工作零件（凸模、凹模、芯轴、顶件器）应有足够的强度和刚度，工作零件要选择合理的几何形状及模具材料，使其有相当的强度、韧性和耐磨性，以提高模具使用寿命 。 2、模具易损部分要拆换方便，应具有通用性和互换性。 3、模具应有良好的稳定性和导向装置，工作零件能简捷而可靠地固定在模架上。 4、制造简单、成本低，有利于采用半自动化或自动化送料和出件，且操作要安全可靠。 1.5.3 模具设计的一般程序 一般程序分为：冷挤压模具工作部分的设计；模具材料及其选用要求；冷挤压设备的选取。 1.6 本文研究的主要内容 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 7 - 人们越来本文研究的主要内容是：厨房水槽的冷挤压模具，人们逐渐走上了健康，快乐，充满新意的现代化厨房生活。越重视厨房的装修，不仅在审美方面和 实用方面也提高了，代替了瓷形的水槽，这样更能体现铝合金水槽的好处，因为铝合金水槽便于清洗、轻便和牢固。经研究表明，铝合金水槽采用冷挤压方法是一种行之有效的、具有高质量、高精度、高产量、低消耗、低投资及低成本等优点。设计实物如图 1.6 所示： 图 1.6 实物图 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 8 - 2.铝合金水槽的设计及其毛坯的处理 2.1 铝合金水槽图的设计 设计冷挤压件，为了减少金属塑性变形程度及定位需要，应根据铝合金水槽的形状及尺寸， 选用与铝合金水槽凸缘外径相同的尺寸，铝合金水槽的形状及尺寸如图 2.1 所示： 图 2.1 铝合金水槽的形状及大小 2.2 毛坯的制备及其处理 图 2.2 下料 图 2.2.1 毛坯的形状和尺寸的确定 确定毛坯形状及计算毛坯尺寸，毛坯形状及尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响 很大，根据铝合金的形状特点，同时为了便于放料以及有利于毛坯在模腔中的定位，选用圆柱形坯料，如图 2.2 所示毛坯尺寸是根据变形前后的体积不变定律进行计算。把图 2.1 的制件分为如下 3 部分： 1 a.制件端部件体积 V端。 V端 = 4（ 300 300-280 280） 5=45530 b制件杯部体积 V 杯。 V 杯 = /4 (284 284-280 280) 46=81464.16 c制件杯底部体积 V 底。 V= /4 280 280 4=246176 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 9 - 制 件的体积为： V=V端 +V杯 +V底 =45530+81464.16+246176=373170.16 按变形前后的体积不变定律：可得毛坯高度 h 毛； h 毛 =4 V/ .d毛 =4 373170.16/ 300 300=5.28 经试验 ,最后确定的实际毛坯尺寸为 300 5.3 2.2.2 坯料的软化处理 软化处理：铝合金在供应状态下的硬度较高，材料晶粒粗大不均，塑性较差，变形抗力大，若不经软化退火处理而直接进行冷挤压，则成形困难，且模具极易坏为降低毛坯的变形抗力，提高塑性，在冷挤压成形前需对材料进行软化退火处理，其退火工艺规范如图 2.3 所示。经软化退火后的毛坯硬度为 20HB。 图 2.3 退火规范 2.2.3 坯料的表面处理及其润滑 坯料的表面处理：铝和铝合金的冷挤压毛坯经软化热处理后 ,都要进行清洗 ,以去 除因加热而形成的氧化皮。其方法是碱洗 ,而后用硝酸消光。 硬铝的单位挤压力较大 ,冷挤压时一般润滑方式的润滑剂易被挤掉加之硬铝的塑性差 ,金属流动时与模具间产生剧烈的摩擦而形成附加应力 ,使挤压件表面产生环状裂纹。要防止环状裂纹的产生 ,在毛坯表面就必须造成多孔的贮存润滑剂的润滑支承层 ,保证变形金属与模具之间始终处于良好的润滑状态。形成这种润滑支承层的表面处理方法有氧化处理 、氟硅化处理、磷化处理等。 防锈铝的毛坯 ,为防止冷挤压时粘模 ,也有用氧化处理来改善润滑条件的。毛坯的润滑处理毛坯经软化热处理和表面处理后 ,冷挤压前还要 清洗。 毛坯的润滑处理：毛坯经软化热处理和表面处理后 ,冷挤压前还要进行润滑处 理。其目的是降低挤压力 ,提高挤压件表面质量 ,减少模具磨损。润滑 处理的方法有浸溃、涂抹和用滚筒滚等。材料不同采用的润滑剂也不同。 纯铝和防锈铝普遍采用硬脂酸锌 、 硬脂酸加机油的溶液 ,醇加硬脂酸锌 ,醇加硬脂酸 ,猪油 ,炮油等。硬铝的润滑剂普遍采用氧化处理后浸工业菜籽油 ,或氧化处理后皂化 ,也有在氧化处理后涂硬脂酸加机油溶液润滑的。 10 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 10 - 2.3 冷挤压工艺方案的设计 （ 1）材料的选择 因铝锅的力学性能要求不高，为易于塑性成形，选用 1035铝合金材料 它属面心立方晶格的纯金属，共有 4 3=12 个滑移系，是一种很理想的冷挤压材料 该材料不仅变形抗力小，塑性好，且变形时几乎不产生加工硬化，因此模具的使用寿命较长，是一种冷挤压性能良好的材料 1035 铝合金退火后的力学性能是：抗拉强度 =100MPa，伸长率 =35%，断面收缩率 =80%，布氏硬度 20HB （ 2）成形方法的选用 图 2.4 为铝合金水槽的形状及尺寸在选用冷挤压成形方法上，有如下两种：第 1 种方法：按无凸缘的直接反挤压 ,冷挤压后 ,还要进行端部翻边工序。 第 2 种方法：按留凸 缘的直接反挤压，其工艺过程如图 2.5 所示，这样，通过单一冷挤压工序，就可完成制品与第 1 种方法相比，不再需要端部的翻边工序，不仅提高了生产效率，而还可避免制品端部翻边时所产生的缺陷，即改进制品质量。 图 2.5 反挤压法 2.4 冷挤压模具的材料 冷挤压模具材料：一般情况下，冷挤压用材料是按照产品零件图的规定进行选择。但是，当零件图规定的材料不适合于冷挤加工时， 就要考虑重新选择一种可以替代的材料。选择冷挤压材料时，应当考虑到材料所能达到的最大变形程度和模具的使用寿命，以及是否需要多次挤压和特殊的设备等等。选择冷挤压材料的主要技术性能指标包括如下： (1)冷挤压工艺性能 材料的技术指标有高伸长率、高断面缩减率、低硬度、时效硬化敏感性小、低加工硬化速度、较小的变形抗力及变形抗力上升较慢。 (2)加工性能 材料具有易切削、易接受收口、翻边、铆合等局部变形及易接受特种加工和处理。 (1) 质量因素 影响材料的质量因素有： 化学成分、有色金属及其合金、含炭量、含磷及硫量和含铜量 。 (2) 材料品质 如冷拉优质结构钢、冷顶锻钢、深冲钢，且表面磨光，在冷镦nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 11 - 粗试验不产生裂纹及裂口。 (3) 表面质量 不应有发裂、气泡、夹杂、划伤、氧化皮。 (4) 内部组织 如 1 钢的断口和酸洗试片的组织 ,不应有分层缩孔 ,非金属夹杂物和白点等； 2 均匀的晶粒结构； 3 晶粒平均直径约为 (0.02mm-0.06 mm) 4 总脱碳深度在 ( 0.2mm-0.25mm)。 (5) 性能要求 挤压件的力学性能 应符合产品图要求。 11 2.5 挤压力的估算及其挤压设备的选择 冷挤压工艺力是设计模具的基础和设备选择的依据，同时可借以衡量挤压成型的难易程度，所以挤压力是冷挤压成型中一个重要工艺参数。由于变形速度、温度、润滑条件、硬化效应和模具结构等一系列因素的影响，挤压力是难以准确计算的，工程应用上多数采用经验公式进行计算，在选用设备时应采用较大的安全系数。 11 2.5.1 影响单位挤压力的主要因素 影响挤压力的因素很多， 除材料本身的性能、组织和化学成分外，还有具体的变形条件以及挤压件和模具的尺寸、形状和摩擦等。 （ 1）变形速度。从生产观点考虑，希望有高的变形速度。由于剧烈的塑性变形所积聚的大量热量瞬间来不及向周围介质散失，因而使变形金属的温度升高，使金属的塑性与强度相应地发生变化，随着变形程度的增加，变形速度对降低挤压力的影响更加明显。 （ 2）变形程度。变形程度是衡量挤压力的重要因素。随着变形程度的提高，变形抗力不断增加，挤压力越来越大。正挤压实心件、空心件及杯形件时，随着变形程度的增加，挤压力增大。反挤压实心件、空心件及 杯形件时，随着变形程度的增加，挤压力开始逐渐下降，当变形程度接近 40%左右时，挤压力出现了最小值，此后又开始上升。总的趋势说明，变形程度增加，挤压力增大。 （ 3）毛坯材料的性质。冷挤压材料的化学成分、金相组织和力学性能对挤压力都有明显的影响。对于低碳钢来说，随着钢中含碳量的增加，钢材的强度极限及硬度明显提高，另一方面塑性指标则相应减小。在普通碳锰钢中，碳在增加最大挤压力上的影响大约为锰的 4 倍。钢中碳和锰的含量越高，所需的挤压力越大。材料的性能是决定挤压力大小的重要因素，钢的强度极限是确定最大挤压压力的主要数 据。冷挤压材料的强度越高，所需挤压力越大。 （ 4）模具几何形状。反挤压凸模工作部分的几何形状对挤压力的影响很大。不同的凸模形状对挤压力的影响不同。平头凸模的挤压力最大；球形凸模的挤压压力开始较小，但是随着变形程度的增加，挤压力则急剧上升，采用球形凸模只能挤压浅孔零件。将凸模的前段设计成锥形，可以大大减小挤压力，凸模的圆锥nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 12 - 角在 120 130时挤压力最小。因此，在不影响产品零件形状的情况下，即使挤压件底面是平坦的，也要在凸模前段附加微小的锥度，以利于延长凸模寿命和降低挤压力。 （ 5）摩擦。挤压的真实变形 过 程是在金属与工具的表面之间存在外摩擦的情况下进行的。外部摩擦对变形后金属组织的不均匀性，对工件的 表面状态和质量都有很明显的影响，而且还会增加变形功，增大挤压力 。 （ 6）变形方式。对于同一零件的成型加工完全可以采用两种不同的成型方法。例如杯形件，既可以反挤压成型，也可以正挤压成型。从减小变形力的角度出发，杯形件以采用反挤压成型为宜。复合挤压时，金属流动的通道增加，挤压力将减小。复合挤压时的挤压力，比单独的正挤压和反挤压都小，如图 2.6.因此，计算复合挤压的挤压力时，可按其中变形程度较小的一种挤压方式进行。 11 （ 7）坯料几何形状。坯料经过预成型，使其与挤 压工步的模腔形状一致，可以降低挤压力，同时延迟峰值压力的出现 。 其效果图如图 2.7。 图 2.6 毛坯预成型的效果（材料为低碳钢，直径 19.8mm,长 50mm，变形程度 60%） 图 2.7 效果图 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 13 - 2.5.2 冷挤压力及设备的选择 计算冷挤压变形力：冷挤压的变形力是设计模具的基础，选择设备的依据，并可借以衡量挤压变形的难易程度，铝合金水槽制件冷挤压变形力的计算可按下列式子： F=cpA （ 2-1） 式中 F 总挤压力或所选择的压力机的吨位， kN； p 单位挤压力（平均单位挤压力）， MPa；根据 1060 纯铝反挤压单位压力查资料得 800MPa A 凸模与毛坯的接触面在垂直于挤压力的平面上的投影面积 , 按铝合金水槽制件计算得 A= 61544 c 安全系数。考虑到材质的波动、软化、润滑处理等因素的影响，对铝合金水槽制件取 c=1.2 代入上式，可得： F=1.280061544=59082240N=59082kN 由上式可 见，计算挤压力的主要内容是如何确定冷挤压的平均单位挤压力。作用在凸模与凹模上的单位挤压力的最大值，在正挤压与反挤压中是不同的。 正挤压时，作用在凸模上的单位挤压力 Pp=F/Ao,作用在凹模上的单位挤压力 Pd=F/(Ao-A1),很显然， PdPp,即作用在凹模上的单位挤压力大于作用在凸模上的单位挤压力。此时，作用在凹模上的单位挤压力为最大。 反挤压时，作用在凸模上的单位挤压力 Pp=F/A2,作用在凹模上的单位挤压力 Pd=F/Ao,很显然， PpPd,即作用在凸模上的单位挤压力大于作用在凹模上的单位挤压力。此 时，作用在凸模上的单位挤压力为最大。 利用经验公式对挤压力进行初步估算，在许多情况下又实用又方便。挤压力随材料的不同而变化，对硬铝合金来说，约为 1200MPa；对于低碳钢来说，这一压力可达 2500MPa 左右。各种不同材料的单位挤压力的经验数据，可从有关资料查取。 冷挤压设备的选择：（ 1）能量大。这是因为冷挤压成型时挤压力很大，挤压工作行程很长，特别是挤压较长的工件时，需要的能量就更大。 （ 2）刚性好。压力机的刚性好坏不仅影响产品质量，而且影响到模具的寿命，因此必须要求压力机具有较好的刚性。 （ 3）具有顶出机 构。成型后，挤压件可能残留在凹模中，需要将其顶出，因此就需要结构简单、可靠并能不拆卸模具就能进行精确调节的顶出装置，顶出力一般应为压力机公称压力的 10%左右。顶出机构主要有机械式、液压或液气控制式 两种形式。 （ 4）导向精度高。因为当压力机的导向精度较低时，滑块下表面与工作台上表面之间平行度难以保证，凸模会因受到附加弯曲应力的作用而折断。另外，nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 14 - 压力机的导向精度较低时，冷挤压件的尺寸精度也难以保证。因此，为了保证冷挤压件的尺寸精度和较长的模具寿命，必须要求压力机滑块的导向精度要高。 （ 5）具有过载保护装置。在挤 压过程中，常常由于预先没有估计到的原因而使压力机过载，为了不使压力机在出现过载时损坏，必须要求压力机具有十分可靠的过载保护装置。过载保护装置主要有机械式和液压式两种。 （ 6）合适的挤压速度。一般要求压力机具有较高的空程和回程速度，而当上模接触金属毛坯前速度迅速下降，在挤压过程中，挤压速度应尽可能保持均匀。一般认为较好的挤压速度在 0.10.4m/s 范围内。 （ 7）具有润滑和冷却模具的装置。冷挤压时单位压力大，而且在冷挤压过程中又会产生大量的热量。因此用于冷挤压的压力机要求具有良好的润滑和冷却装置，应能及时地 对模具及被挤压毛坯实施润滑和冷却，从而延长模具寿命。 根据挤压力选择机械压力机：机械压力机的主要技术参数有 :1、公称压力 2、滑块行程 3、滑块行程次数 4、封闭高度、封闭高度调节量、装模高度 5、工作台尺寸和滑块底面尺寸。 11 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 15 - 3 挤压件图的设计 冷挤压零件的形状，是根据产品零件图纸，技术要求和冷挤压工性能及切削加工性能综合考虑之后确定的。选择和设计冷挤压件的形状时，主要考虑：冷挤压的工艺性能好，成形容易，挤压力小；加工余量小，耗材少；所需的成 形工序和中间退火次数最少；质量容易控制和保证；模具结构简单，加工制造容易；切削加工部位少，余量小；成本低。 为了满足上述要求的挤压件形状，设计时应考虑冷挤压件的断面形状应尽量对称。对称性最高的为圆形，其次为正八边形，再次为正六边形和正四边形。对称性愈高，所需要的挤压力愈小，模具寿命愈高。最适宜冷挤压的形状是实心而又轴对称的。因为非对称形横断面对模具作用有不平衡的侧向力，易使下模的中心移动而降低产品精度，或易使较长凸模的根部折断。断面积的差零件的断面积之差愈小愈好。断面积之差过大时，在断面变化的过渡部位，不均 匀变形的程度加剧。可以预料，由于变形不均匀及附加拉应力的作用，这部分材料容易破裂，还可能引起模具局部过载、剧烈磨损和早期破坏。尺寸设计：冷挤压工艺能够加工的尺寸（直径、长度、深度、壁厚等），是有一定范围的。超出这一范围，材料稳态塑性变形的条件遭到破坏，就会导致模具过载、挤压件形状改变和尺寸的严重波动，以及各种疵病的出现。 8 因此，确定冷挤压件的尺寸特别重要。挤压件的尺寸（图 3.1） 主要有压余厚度 、壁厚 、挤压深度 及挤出长度 。过小的压余厚，而且两道工序中材料的变形程度也较合理。铝及其合金虽是较为理想 的冷挤压材料，但在制定冷挤压件图时仍需取慎重态度。因为冷挤压件图合理与否，是冷挤压成败的关键。正确的冷挤压件图，一定要符合金属塑性变形的客观规律，即要具有良好的冷挤压工艺性。所谓产品零件具有良好的冷挤压工艺性，就是说零件的生产批量大 ,形状易于金属流动成形 ,尺寸精度和表面粗糙度的要求合理，材料的变形抗力小、塑性高。具有良好冷挤压工艺性的产品零件，将其外形和尺寸稍作更改，考虑修边余量，便可制定出合理的冷挤压件图 如图 3.1。 图 3.1 (a) 毛坯图 (b)挤压件图 （ c）成品零件图 从零件的整体加工角度分析，这零件的形状比较简单。 它的形状及尺寸 图 如nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 16 - 图 3.2 所示： 图 3.2 形状和尺寸图 nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 17 - 4. 模具结构的设计 根据铝 合金冷挤压件的形状、尺寸及冷挤压工艺的要求，铝锅冷挤压模具采用圆柱形毛坯反挤压一次成形工艺 。 12 4.1 挤压模具的结构 4.1.1 凸模的设计 当凸模向下运动与坯料接触时 ,倾角端面会产生一个径向分力 ,该分力迫使坯料沿径向向齿形方向流动 ,该措施可有效地降低工作压力 。凸模的结构设计中， 由于受到大应力作用，本次设计采用材料为 主要考虑挤压变形的需要，采用高速工具钢 W18Cr4V，淬火后 61HRC 以上。 反挤压凸模。反挤压凸模在工作过程中要承受很高的压力，因此设计使首先要考虑到如下几点： 凸模应尽可能设计得短一些；为了减少应力集中，在凸模整个长度上应避免截面突然的变化；要求不同直径的截面之间用小的锥角或大圆角过渡。 反挤压凸模一般由夹紧和成型两部分构成；当依靠模口导向时，则由夹紧、导向和成型三部分构成。 反挤压凸模工作部分的合理设计对金属流动、提高模具寿命有很大影响。平底凸模用于要求平底或单位挤压力要求较低的情况；尖顶锥形凸模可以降低单位挤压力，但易造成壁厚不均，因此实际生产中应用较少；带平底的锥形凸模兼有两者的优点，它既可以减少单位挤压力，又可以保证均匀的壁厚，因此在生产实际中较多。 1 反挤压凸模成型部分的形状不应做成同一尺寸的圆柱体，而应做出一个退让槽，即工作带以上的凸模直径应小于挤压件内径，这种结构称为减压结构。它的作用是，减少凸模与流动金属的接触面积，从而大大降低摩擦阻力，以防挤压件粘模；成型时，由于凸模的弹性变形，会产生横向加粗，设有这种减压结构就可以防止挤压件产生二次变形。取凸模的全长尺寸为 2100mm，挤压件的壁厚差较大，改为 50mm 后，壁厚差明显减小，此外，凸模的工作坏带和圆角，精细研磨抛光至 Ra0.2 以下，转接部位的过渡圆角，圆滑连接，无痕、无硬棱。凸模的非工作部分为 274mm，也磨加工至 Ra0.8，以消除由于热处理产生的微小变形。 其设计图 4.111 图 4.1 凸模的设计 nts沈阳工程学院毕业设计（论文） - 18 - 4.1.2 凹模的设计 根据力学原理分析可知 ,冷挤压过程中 , 凹模采用镶一层压套结构，考虑到采用带圆角凹模下料时所产生的径向张力和冲击成型时力的特点，凹模采用镶一层压套的预应力结构。为了提高耐磨性，延长模具寿命，保持挤压件的尺寸稳定，采用硬质合金 YG15 作镶块。凹模型腔尺寸，设计凹模型腔尺寸按挤压件的最小尺寸设计。冲挤时模具的弹性膨胀量约为 0.0050.008mm。凸、凹模的配合间隙，凸模 于凹模的配合间隙愈小，冲挤零件的精度愈高，表面粗造度愈低。间隙较大时，即使刃口带有圆角，也会产生简裂带，影响切断面和冲挤件的表面质量。 间隙的数值，一般控制在 0.02mm 以下。 凹模的设计图 4.2 图 4.2 凹模 的设计 4.1.3 模具结构设计 根据铝合金水槽 冷挤压件的形状 、尺寸及冷挤压工艺的要求，铝合金水槽 冷挤压模具采用圆柱形毛坯反挤压一次成形工艺。其模具结构如图所示： nts铝合金水槽冷挤压工艺设计 - 19 - 图 4.3 铝合金水槽反挤压模具 1、 12.上、下模座板 2、 11.上、下垫板 3.凸模 4.凸模固定板 5.卸料螺钉 6.卸料板 7.弹簧 8.加强圈 9.顶杆 10. 凹模 13.顶出杆 14.顶出板 15.拉杆 本模具由上下两部分组成：上模部分由凸模 3 通过凸模固定板 4 用螺钉紧固在上模座板 1 上。 下模部分由凹模 10 及顶杆 9 组成。为了加强凹模的强度，采用两层组合凹模，通过加强圈 8 用螺钉紧固在下模座板 12 上。反挤压成形后，当压机向上回程时，铝锅制件通过 9、顶杆 13、顶出杆 14、顶出板及拉杆 15 从凹模内顶出；凸模继续向上移动，制件通过卸料板 6 脱离凸模，才能取出铝合金水槽 制件。 13 4.2 上模部分结构设计 上模的确定，主要取决于模板结构和凸模结构的紧固方法。在中型压力机上，一般利用 T
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