转子零件的挤压模具设计

转子零件的挤压模具设计摘 要冷挤压技术以低耗高效广泛运用于工业生产。本文是关于转子零件的冷挤压模具设计，并通过 Pro/E 软件进行了建模、装配、仿真、分析。本文的主要内容如下：本文对冷挤压基本概念、产生的历史背景、应用状况、发展趋势进行了简要的综述；并对计算机辅助设计软件 Pro/E 发展进行简单的回顾。进行了设计前的可行性分析，通过对工件的分析，验证了冷挤压方案的合理性。并构思出工件的冷挤压模具的结构。讨论了工件的冷挤压材料并结合工件的形状及工艺的要求对工件毛坯进行了制备。通过对冷挤压变形过程的分析，介绍了冷挤压力的计算和冷挤压设备的选择。通过对零件本身使用性能的分析及零件的相互作用关系，合理的设计出模具的各个零件，并对零件进行了装配。通过对零件的使用性能、周围环境及零件本身结构的分析，介绍了模具材料的选择。介绍了模具零件实体制作，并对实体进行了装配。生动而形象的展示模具外形，使模具的合理性得到保证。最后对这套模具进行了总结，该套冷挤压模具通用性强，仅需要更换少量的模具零件就可以挤出多种型号的零件，从而大大增强了市场的竞争力。关键字 ：转子零件 ，冷挤压模具， Pro/E 软件ABSTRACTBecause of the low-consuming and high efficiency, the cold extrusion technology is widely used in industry. This paper describes the design of cold extrusion die on rotor componen. And the die has been modeled, assembled, analyzed by the pro/E software.The paper gives a brief introduction on the basic concept, historical background, applying status and developing tendency of the cold extrusion. And it provides a brief review on the development of the Pro/E software. And has a feasibility analysis on the design, and proves its reasonability through the analysis of the work piece. The structure of the die is conceived .And then discusses the material of the work piece that is suitable for cold extrusion process and makes preparation for the blanks according to the work piece shape and process requirement. Then it introduces the calculation of cold extrusion force and the selection of mechanical press by analyzing the deformation of the metal that is pressed. After that, the parts of the die are designed and assembled by analyzing the service performance and the interaction of all the parts Afterwards it explains the selection of the die materials by analyzing the service performance, the circumstance and the own structure of the parts. And then it illustrates manufacturing and assembling of the die part entities, which display the external shape of the die vividly and assure its reasonableness. In the end, the whole paper is summed up. This set of the die can be widely used. Only by changing few die parts can it turn into many other kinds of valve stems. Thus, it becomes much more competitive in the market.Keywords: Rotor Componen Cold extrusion die, Pro/E software目 录第 1 章 冷挤压的基本概念及其 Pro/E 的发展51.1 冷挤压的基本概念51.1.1 冷挤压的基本类型51.1.2 冷挤压技术的特点51.1.3 冷挤压技术的发展61.2 计算机辅助设计软件在机械设计制造过程中的发展7第 2 章 设计的总体分析82.1 课题的基本要求及零件的分析82.2 模具的大体设计9第 3 章 冷挤压的原材料及毛坯制备113.1 反挤压的变形分析及验证冷挤压的可行性113.2 冷挤压毛坯的制备123.2.1 毛坯体积的计算123.2.2 坯料的制备方法133.2.3 冷挤压毛坯的软化处理143.2.4 冷挤压毛坯的润滑处理16第 4 章 冷挤压力174.1 冷挤压变形的三个阶段174.2 影响冷挤压力的因素184.3 冷挤压力的计算194.4 冷挤压设备的选择20第 5 章 冷挤压模具的设计225.1 冷挤压模具的分类与构造225.1.1 冷挤压模具设计的基本要求225.1.2 冷挤压模具的分类225.1.3 冷挤压模具的构造235.2 冷挤压模具的结构设计235.2.1 冷挤压模具结构设计的基本要求235.2.2 模架的基本类型235.3 上模部分的设计245.3.1 凸模的设计265.3.2 模板的设计295.3.3 垫板的设计305.3.4 固定圈的设计315.3.5 衬套的设计315.4 下模部分的设计315.4.1 凹模的设计325.4.2 模座的设计355.4.3 模具其他部分零件设计36第 6 章 冷挤压模具材料376.1 冷挤压工作零件材料的要求376.2 材料的选择37第 7 章 实体的制作387.1 上模部分实体387.2 下模部分实体417.3 模具总装图45结论46致谢47参考文献48附录第 1 章 冷挤压的基本概念及其 Pro/E 的发展1.1 冷挤压基本知识冷挤压就是把金属毛坯放在冷挤压模腔中，在室温下，通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的加工方法。1.1.1 基本类型1.正挤压：正挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压可以制造各种形状的实心件和空心件。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。反挤压可以获得各种形状的杯形件。3复合挤压：挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，而另一个部分金属流动方向与凸模运动方向相反。复合挤压可制得各种杯一杯、杯一杆、杯一筒零件。4径向挤压；挤压时，金属的流动方向与凸模运动方向相垂直。径向挤压又可分为向心挤压和离心挤压，径向挤压用来制造斜齿轮、花键盘等零件。5锻压：镦压时，金属毛坯径向向外流动。镦压用于制造带法兰的轴类零件或凸缘的杯形零件。 1.1.2 冷挤压技术的特点1.挤压零件尺寸准确表面光洁：目前我国研制的冷挤压件一般尺寸精度可达89 级，陇度一般可达，若采用理想的润滑可达（指纯铝和紫铜零件），仅次于精抛光表面。因此用冷挤压方法制造的零件，一般不需要再加工，少量的只需精加工（磨削）。2.节约原材料：冷挤压件材料利用率通常可以达到 80以上。如解放牌汽车活塞销动切削加工材料利用率为 43.3，而用冷挤压时材料利用率提高到92；又如万向节轴承套改用冷挤压后，材料利用率由过去的 27.8提高到64。可见，采用冷挤压方法生产机械零件，可以节约大量钢材和有色金属材料。3.生产率高：用冷挤压方法生产机械零件的效率是非常高的，特别是生产批量大的零件，用冷挤压方法生产可比切削加工提高几倍、几十倍、甚至几百倍。例如，汽车活塞销用冷挤压方法比用切削加工制造提高 3.2 倍，目前又用冷挤压活塞销自动机，使生产率进一步提高。一台冷挤压自动机的生产率相当于 100 台普通车床或 10 台四轴自动车床的生产率。4.可加工形状复杂的零件：如异形截面、内齿、异形孔及盲孔等，这些零件采用其它加工法难以完成，用冷挤压加工却十分方便。图 6 所示的零件，能方便的挤出。5.冷挤压件强度高、刚性好而重量轻：由于冷挤压采用金属材料冷变形的冷作强化特性，即挤压过程中金属毛坯处于三向压应力状态，变形后材料组织致密、且具有连续的纤维流向，因而制件的强度有较大提高。这样就可用低强度材料代替高强度材料。例如过去采用 20Cr 钢经切削加工制造解放牌活塞销，现改用 20 号钢经冷挤压制造活塞销，经性能测定各项指标，冷挤压法高于切削加工法制造活塞销。 1.1.3 冷挤压技术的发展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。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。1.2 计算机辅助设计软件在机械设计制造过程中的发展计算机辅助设计（CAD）是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。计算机辅助制造(CAM)是利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制。计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)，已广泛用于产品设计及机械制造，对设计和制造业产生了革命性的影响，使设计人员不再需要去计算复杂的数学公式。使用 CADCAM 进行几何图形的设计，对整个生产来讲，可大大节省时间，减少错误发生，降低成本，提高生产效率，从而提高企业的竞争力。模具CADGAM 技术发展很快，应用范围日益扩大。在冲模、锻模、挤压模、注塑模和压铸模等方面都有比较成功的 CADCAM 系统。采用 CADCAM 技术是模具生产革命化的措施，是模具技术发展的一个显著特点。第一，CADCAM 可以提高模具的质量。第二，CADCAM 可以节省时间，提高生产率。第三，CADCAM可以较大幅度地降低成本。第四，CADCAM 技术将技术人员从繁冗的计算，绘图和 NC 编程工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。模具CADCAM 的优越性还可以列举不少。所有这些，将使 CADCAM 逐步取代传统的模具设计制造方法，最终将在模具设计制造中居统治地位。目前比较成熟的CAM 系统主要以两种形式实现 CADCAM 系统集成：一体化的 CADCAM 系统(如：UGII、Euclid、ProENGINEER 等)和相对独立的 CAM 系统(如：Mastercam、Surfcam 等)。前者以内部统一的数据格式直接从 CAD 系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其他 CAD 系统获取产品几何模型。然而，无论是哪种形式的 CAM 系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。CAM 系统以直接或间接(通过中性文件)的方式从 CAD 系统获取产品的几何数据模型。CAM 系统以三维几何模型中的点、线、面或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以 NC 代码的形式提供给 CNC 机床。 第 2 章 设计的总体分析2.1 课题的基本要求及零件的分析前面已经介绍了冷挤压是一种少无切屑加工工艺。它是在温室下利用模具的压力使模腔内的金属毛胚产生塑性流动，从而获得所需要的形状、尺寸以及具有一定机械性能的挤压件。图 2-1 是转子零件的冷挤压的零件图，即这次毕业设计的课题，根据金属被挤出方向跟凸模运动方向分析工艺为反挤压。具体情况如下：零件名称：转子零件生产批量：大批量材料： 20 钢图 21 挤压材料及其结构尺寸分析：1）材料：该挤压件的材料是 20 钢，属于低碳钢，其中各元素所占比例为（碳 0.170.23；锰 0.350.65；硅 0.170.37；锘 ；还有一些其他成25.0分，具有好的挤压性能。2）零件结构：典型的杯状结构，很适合挤压。3）尺寸精度：零件上都是工件尺寸，该零件无尺寸精度、表面要求和行为公差要求。是一个容易达到的加工要求的零件。考虑到上述原因，我们对尺寸进行自由公差设计、制造和检验。2.2 模具的大体设计模具总体设计大体是如下第一步，取得必要的资料。找到足够多的资料以取长补短，熟悉各个模具的优缺点，找出他们的使用范围。第二步，确定工艺方案及其模具结构形式。本次课题是冷挤压模具已经确定，主要的任务是设计工艺。冷挤压的工艺主要是毛坯的处理及多次成型的零件单次的加工情况。主要又从以下几个方面着手。1） 根据工件的形状，尺寸精度、表面质量进行工艺分析。列出冲压的全部工序单 一般情况可以从产品零件图样要求直接确定。2） 根据工艺计算，确定工序成型的特点，确定工序数目。3） 根据各工序变形特点，对尺寸精度要求及操作方便性等要求，确定工序排列的先后顺序。4） 根据生产批量，尺寸大小，精度要求以及模具制造水平，设备能力等多种因素，将初步排定工序单。第三步，进行必要的工艺计算1） 设计材料排样和技术毛坯尺寸。2） 计算冲压力，不要时还需要计算虫牙冲压功和功率。3） 计算模具压力中心4） 计算或者估算模具各主要零件的厚度。如凹模、凸模固定板、垫板的厚度以及卸料板或者弹簧的自由高度。5） 决定凹、凸模间隙，计算凹、凸模工作部分尺寸。6） 对于拉深工序还要考虑变形量。第四步，在上述基础上，进行模具的结构的总体设计。第五步，模具主要零部件的结构设计1） 工作部分零件2） 定位零件3） 卸料动推件装置4） 导向零件5） 支持及夹持零件、紧固零件第六步，选定冲压设备第七步，绘制模具总图第 3 章 冷挤压的原材料及毛坯准备3.1 反挤压的变形分析和验证冷挤压的可行性 对于图 1. 2 a 所示的高度大于直径的毛坯进行反挤压时，便会产生图 b 所示的稳定变形状态。在凹摸底部和虚线之间的金属无大的变形，两虚线之间是强烈变形区，而在虚线以上与凸模端面之间成为不参与变形的粘滞区（死区）。在稳定变形中，粘滞区和强烈变形区的大小保持不变。当底厚减小到一定值时，底部的全部材料都向外侧流动，产生图 c 所示的非稳定变形状态。 图 1.2 反挤压的变形网格 a) 开始状态 b) 稳定变形状态 c) 终了状态 变形金属一旦到达筒壁后，就不再继续变形，仅以刚性平移的形式向上运动。 冷挤压变形程度表示方法有三种： 1 ）断面缩减率： 01%F式中：挤压变形前毛坯的横断面积 0挤压变形后工件的横断面积1F用实心坯料反挤压杯形件的断面收缩率为：210%Fd2 ）挤压比： 01GF3 ）对数变形程度： 01lneF我们取第一种求断面收缩率，根据上面的公式可以得到 210%56.2Fd对照反挤压黑色金属杯形工件的许用变形程度图可以查得 20 号的许用变形减缩率 F 许用 = 68%79%。所以该挤压件的变形程度是允许的。3.2 冷挤压坯料的制备3.21 毛坯的体积计算冷挤压坯料的形状应该根据零件相应横断面的形状来确定。一般旋转体零件可以用圆柱形坯料。毛胚的直径公差尤其影响挤压件的尺寸精度以及模具的寿命，设备的故障等。挤压用毛胚要求直径偏差控制在 0.1mm 内。毛胚的上下两端面必须平整。此外，毛胚的软化处理、化学成分亦控制在规定的范围。挤压前毛胚必须进行良好的表面处理及润滑。冷挤压用毛坯表面应保持光洁，不能有裂纹、折叠等缺陷。否则，经挤压后将使上述缺陷进一步扩大而导致挤压件报废。一般要求毛坯表面粗糙度 Ra 在 6.3 m 以下。由于金属流动的不均匀性，反挤压件的端面不可能是平面，一般许放一定的机加工余量给以切除，因此计算坯料体积时还要加上修边余量。考虑到气门顶杆的总唱介于 2030 之间故可取修边余量为 3mm。表 1 旋转体冷挤压件高度修边余量值 高度 mm 10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70修边余量 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5毛胚尺寸计算毛胚尺寸，是根据毛胚体积等于挤压件体积的原则计算求得的。即 修 边V0式中 V 0毛胚体积，V 0为 mm3V挤压件体积，由挤压件图求得，V为 mm3修边体积，一般取为挤压件体积的 3-5%修 边根据工件图可得： 222222(48)(36)(85)(69)(36)(30)64444v毛胚高度 h 0=4V/D 02 （D 0毛胚直径）冷挤压时，为了能使坯料顺利地放入凹模型腔内，坯料的外径尺寸应满足下式要求：D 毛胚 =D 凹 （0.01-0.05）mm 取 D 0 =D0.02=480.02=47.98mm则 mm416.97.8vh3.2.2 坯料制备方法坯料制备方法有截切下料、冲裁下料、切削下料、锯切下料等多种方法。锯切能切断横段面积较大的坯料，端面平整，尺寸精度高，但剧切口处材料损耗较大。如采用往复剧切或圆盘剧下料，生产效率低。如果坯料压力机上用剪切模切断，这样不仅生产率高，也省材料。因为切剪后的毛坯端面可能不平，直接挤压容易损坏模具，所以在挤压前应该将期镦压、平整端面再进行挤压。表 2 毛坯备料方法比较 加工方法 材料利用 率 生产率 高度/直 径 质量 备注A 棒料车 切 70-90 低 1/4 端面质量 不好 去毛刺，根据具体情况倒脚B 棒料剪 切 95-100 高 1/2 端面不平 整 剪断后镦压、退火C 板料落 料 40-60 高 3/4 断面质量 差 根据具体情况去刺3.2.3 冷挤压毛坯的软化处理为了改善冷挤压坯料的挤压性能和提高模具的寿命，大部分材料在挤压前和多道挤压工序之间必须进行软化处理，以降低材料的硬度，提高材料的塑性，得到良好的显微组织，消除内应力。对于钢来说，材料显微组织中的珠光体形态对挤压性能影响较大。从挤压性能上看，球化退火组织为最佳。球化退火组织不仅硬度、强度低，而且塑性较高，特别是随着钢材中的含碳量增加，期影响作用也越来越大。20 钢软化处理规范图a） b）图 1.3处理后硬度值（HBS）： 121131备 注：a）用于 10，15，S10A ，S15AB）用于 20，S20A 密封光。亮退火坯料的表面处理与润滑：冷挤压时，金属材料产生剧烈的塑性变形，单位挤压力很大，特别是钢的冷挤压，最大的单位可以达到 2500Mpa。在这么大的单位压力下，如果没有良好的润滑，就会导致模具表面严重的刮伤，使得挤压力急剧增加，模具寿命大大降低。此外，润滑还能改善挤压时的不均匀流动，避免因为金属材料与模壁之间产生剧烈的摩擦而形成较大的附加拉应力。1，去除表面缺陷。一般采用软轴砂轮或者抛光轮进行机械处理。2，清洁，去脂和濯洗。必须将毛坯上的所有油，砂锈斑彻底去掉，使全部的金属表面都能够与磷酸盐处理液相接触。3，去除表面氧化层，可以用酸洗处理或者机械处理。4，磷酸盐处理。钢坯料冷挤压前的表面处理为磷化处理，正是采用这种处理，才使钢的冷挤压成为可能。磷化处理即磷酸盐处理，也就是把钢坯料放在磷酸盐溶液中进行处理。处理时金属表面发生溶解和腐蚀。由于化学反应的结果，在金属表面形成一层很薄的磷酸盐覆盖层。工件尺寸在处理后不会发生明显的变化。经磷化处理后，可减少坯料与模具间的接触摩擦，降低单位挤压力，提高冷挤压件的表面质量和模具使用寿命。 磷化处理的特点：未经磷化处理的摩擦因数为 0.108，经磷化处理的则为 0.013；磷酸盐薄膜同时还可以作为润滑体的固体“无机填料”。磷酸盐薄膜与钢表面结合牢固，且有一定的塑性，可以与基体金属一起 伸长变形。在钢冷挤压时温度可达 300，而磷酸盐薄膜仍然具有与高粘度润滑剂相类似的性质。磷酸盐薄膜使变形金属与模具型腔隔离开来，避免了他们之间的直接接触。磷化处理的具体工艺如下：化学去油（氢氧化钠 NaOH60-100g/L,碳酸钠 NaCO360-80g/L， 磷酸纳Na3PO425-80g/L，水玻璃 Na2SiO310-15g/L，处理温度85，处理时间 15-25min）。流动冷水洗。酸洗（硫酸 H2SO4120180 g/L，氯化钠 NaCL810 g/L，处理温度6775，处理时间 5min）。流动冷水洗，是为了防止吸附在坯料表面的酸洗液带入下道磷化液中，影响磷化效果。热水洗，为磷化处理预热。磷化处理。流动冷水洗。中和处理。磷化处理的配方氧化锌（ZnO）9 g/L，磷酸（H 3PO4）23 g/L，水（H 2O）20%。坯料的润滑处理黑色金属常见的润滑处理就是皂化，皂化处理的配方有以下两种。配方一：硬脂酸钠（C 17H35COONa）59 g/L；水 1L；处理温度 6070，处理时间 10min。配方二：工业皂片（脂肪含量 84%）200220 g/L；水 1L；处理温度 5070。经过皂化可以的到有效的硬脂酸锌润滑，硬脂酸锌层牢固地连接在磷化层表面上。如将皂化后的坯料再用工业菜油润滑，在正挤压时还可以降低 15%左右的挤压力。3.2.4 毛坯润滑处理毛坯在磷酸盐处理后还要进行润滑处理。处理的方法有以下几种方案。方案 1，用猪油或者机油拌二硫化钼。方案 2，皂化。第 4 章 冷挤压力4.1 冷挤压变形的三个阶段确定冷挤压力的目的是：确定挤压凸模上所承受的单位压力 p ,作为设计模具的重要依据；确定变形压力 P ，作为选择设备的依据。由于冷挤压力很大，确定挤压力是非常重要的。在冷挤压过程中，挤压力随压力机的行程而变化，且显示出明显的阶段性。冷挤压力与行程的关系一般可以分为三个阶段。 第一阶段 ( 镦粗与充满阶段 ) ：是材料充满凹模型腔的过程。冲头开始下行时，冲头底面压到毛坯，材料首先被镦粗，产生径向流动而逐渐充满凹模型腔。这一阶段，压力始终是增加的。 图 4.1 第二阶段（稳定挤压阶段）：冲头继续下压，材料不断地从稳定变形区往模孔中挤出。这一阶段中，毛坯只改变高度，变形区稳定不变。对于正挤压由于毛坯与模壁间摩擦面积的减小及变形热效应等的影响，挤压力从 a 至 b 有所下降。而反挤压力从 a 至 b 基本稳定不变。 第三阶段（非稳定变形阶段）：由于变形材料的厚度变得很小了，变形遍及与冲头端面相连的整个毛坯，金属变形异常困难，这时挤压力急剧增大。 图中薄料反挤压的挤压力随行程的变化曲线，因上图冷挤压力与行程的关系毛坯厚度较薄，挤压一开始，变形就遍及整个毛坯体积，没有稳定变形区，只有第一、第三阶段。 由上述分析得出，挤压最好在第二阶段结束之前进行。如果第二阶段结束后，仍继续挤压，挤压力就急剧增加，模具或压力机就容易损坏。 一般情况，计算冷挤压力以第二阶段，即稳定变形阶段为依据。4.2 影响冷挤压力的因素：1， 材料的性质被挤压材料的化学成分、结构及力学性能对单位挤压力的影响最大，是决定单位挤压力的基本因素。金属材料经过软化热处理后，其抗拉强度和硬度都显著下降，因此在冷挤压前，对毛坯进行软化处理是降低变形抗力的有效措施。2， 变形程度冷挤压变形程度表示方法有三种： 1 ）断面缩减率： 01%F式中：挤压变形前毛坯的横断面积 0挤压变形后工件的横断面积1F用实心坯料反挤压杯形件的断面收缩率为：210%Fd2 ）挤压比： 01GF3 ）对数变形程度： 01lneF3，变形方式对于同一种金属材料来说，冷挤压的变形方式不同，所需的饿单位挤压力也不同，当断面收缩率相同时，反挤压的单位挤压力最高，正挤压实心件与空心件差不多，都不反挤压低。复合挤压与正反方向挤压比有关。4，模具几何形状挤压模的凹模和凸模形状，对单位挤压力有很大的影响。模具的几何形状设计的合理，易使毛坯在型腔中流动，可以改善摩擦情况，减少金属流动阻力，不仅能显著提高模具的使用寿命，而且能减少单位挤压力。5，坯料的相对高度 h0/d0当相对高度小于 1 时，单位挤压力修正系数 K 值变化率大；当大于 1 时，K 值变化的慢，对于反挤压，当 K 1 时，K 增加不明显。6,润滑状态润滑状态对单位挤压力影响很大，良好的润滑状态，可使真实的接触面积大大的减小，摩擦阻力也会大大的减小，总之，摩擦越大，单位挤压力越大。4.3 冷挤压力的计算确定冷挤压力的方法很多。有简易计算法、经验公式计算法、理论计算法、图算法。其中图算法是较简便的一种。 图算法考虑到挤压件的形状、材料性能、变形程度、模具工作部分的几何形状、毛坯的相对高度等主要因素的影响。图算法是假设挤压变形过程接近于一个均衡的变形过程，并且是在毛坯经过软化退火、表面磷化和润滑处理的条件下建立的。图算法也称诺模图法。它应用的另一个条件是：毛坯在挤压前进行过软化、表面处理及润滑处理。我们在前面已经对毛坯进行过以上的处理，我们可以使用图算法。图中考虑了纯铁、 15 号钢、15Cr、16MnCr5 和 35 号钢等。对于其他材料，可根据其含碳量查与图中接近的材料的单位压力，然后再乘以它们退火后的强度极限的比值加以折算，即得被查材料的单位挤压力。 图 4.2由 d0=48.8mm 和 d1=36mm，查图得 A = 56.3%根据图查得冷挤压的单位挤压力 p=1900MPa 和总挤压力 F=1800 kN.4.4 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）具有合适的挤压速度，使坯料取得较大的热效应，从而提高塑性，减少变形抗力，提高模具寿命。（6）冷挤压模具外形都较大，压力机必须具有足够的闭合高度。（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。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与挤压制件的形状、尺寸、材料、变形程度、模具结构尺寸及行程等。根据冷挤件的总挤压力为 F=1800KN，并取安全系数为 1.3，则F=1.3F=2340KN选用的压力机的公称压力一定要大于 F=2340KN。根据这些该模具选择了如表 7.1 所示压力机。表 4.1 压力机主要参数名称 型号 公称压力/KN 滑块行程 /mm行程次数/（次/min）最大封闭高度/mm工作行程/mm齿轮偏心式挤压机J87250A 2500 200 32 450 160第 5 章 冷挤压模具的设计5.1 冷挤压模具的分类及构造5.1.1 对于冷挤压模具的设计的基本要求如下。1）保证模具在恶劣的工作条件下工作，选用具有足够的强度、刚度、高的耐磨性材料，正确的加工方法和热处理工艺规范。特别是模具的工作部分，应该设计合理的几何形状，采用强韧性很好的材料。2）模具的工作部分能方便而可靠的固定在模架上，对中性良好。3）对尺寸精度要求高的挤压件，模具应该有良好的可靠的稳定性和导向精度。4）模具应该具有很好的卸料和顶出装置，易使零件取出。5）模具的易损部分应该拆卸方便，生产批量大时要具有互换性和通用性。6）便于毛坯的放置和定位，在大批量生产中应该实现机械化和自动化，并配有自动送料装置。7）模架能牢固的安装的压力机上，具有必要的防护措施，保证操作工人的安全。8）模具的制造要简单，成本要低廉。5.1.2 冷挤压模具的分类从模具的外姓来看，冷挤压模具与冷虫牙模具很相似。纯粹的冷挤压模具可以归纳为以下三类，正挤压模；反挤压模；复合挤压模。如果将挤压生产中所有的成型工序的模具都包括起来，按照不同的特征分为许多类型，其分类情况如下：分类方法 模具名称按工艺性质 正挤模、反挤模、复合挤压模、冷礅模、校型模、冲挤模按工序组合 单一工序简单模、双工序复式挤压模按导向方式 无导向敞开模、导拄模、导套导向模、模口导向模按生产适应性 通用模、专用模、小批量生产模具、大批量生产模具按精密级别 粗级模具、一般精度模具、精密性模具按模具材料 钢冷挤模、硬质合金模按自动化程度 手动模、半自动模、自动模5.1.3 冷挤压模具的构造组成模具的全部零件，按照其功用可分为两大类，即工作零件和辅助零件。工作零件，直接参与完成工艺过程并和毛坯直接发生接触的零件。他包括凸模、凹模、卸料和顶出零件。辅助零件，不直接参与工艺过程，也不直接和毛坯发生接触，只对模具完成工艺过程起保证作用或者对模具的功能起完善作用。他包括导向、支撑和紧固类零件。5.2 冷挤压模具的结构设计5.2.1 冷挤压模具结构设计的基本要求总体结构要均衡、协调;具有一定的强度、足够的刚性；结构上要适合受力的需要；通用性强；结构与选择的压力机相适应；结构的经济性。冷挤压模具结构设计的主要内容由于挤压件形状、尺寸及工艺方案和采用设备的不同,冷挤压模具有各种各样的结构。确定模具总体结构型式时,必须解决以下方面问题。模具类型的确定；工作部分结构型式；联接部件结构型式；退料型式；导向方式；紧固方式；安全装置；操作方式。5.2.2 模架的基本类型在上模板和下模座之间联以导向和卸料等装置的总体称为模架。最简易的冷挤压模架,是没有导向装置的敞开式结构。模架是定位连接体,其上部模板或模柄与压力机的滑块连接,下部模座与压力机工作台连接,内部安装全部模具零件,构成模具的总体。模架是模具的安装基础,又是承受较大的载荷和传递压力的重要组件,是冷挤压模具的主要组成部分,模架不仅应该具有一定的强度,还要具有足够的刚性和较好的精度,因此,模架的技术条件,还是相当严格的。对模架的主要技术要求有以下三点:模架的刚性要好；模架应具有一定的强度；模架的精度要求。模架的精度必须保证凸凹模相对位置的精确性和工作中不出现偏心载荷,不产生侧向推力。为此,要求模架的上下面应平行,导柱(导套)对模座(模板)的垂直度不大于 0.01mm。模架的类型主要取决于挤压变形的需要,生产批量和所选用设备的规格.按着用途、模具结构型式和设备进行分类,模架的分类情况:按用途:专用模架、通用模架、标准模架;按结构:敞开式模架、导柱模架、单一卸料形式模架、双级卸料模架;按设备:用于闭合高度小的压力机模架、刚性小的压力机模架。专用模架就是为某一钟零件,甚至某一道挤压工序所设计的模架,没有通用性.在通用模架上,只要更换工作部件,就可以进行各种形式的挤压加工,适用于多种零件的小批量生产.通用模架可大大降低工具的成本,同时也将调整时间减少到最小限度.标准形式模架的特点是在压力机行程中,凸模的滑动部分在插入凹模之后才开始挤压成形,所以定心简单。根据这里要做的是黑色金属的反挤压模具,综合从成本及挤压件的精度考虑,采用通用模架,同时为了提高挤压件的精度采用凸凹模自身导向的方式,因为挤压件的形状是相当于“山”的形状,那么就要选用双级退料的模架，如图 3.1 所示。为了更进一步的提高挤压件的精度及对凹模的调整方便,通常在凹模与模座之间留有一定的间隙,并利用模座侧壁上的三个螺钉的调整来达到调整凹模的水平位置,以保证凸凹模的同轴度,即是采用可调式的模架。图 5.1 双级卸料形式模架5.3 模具上部分的设计模具上部分结构形式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。在中型压力机上,一般利用,T 型螺栓将模板固定在压力机滑块上,此时上模板可以不必带有柄部,呈平坦形状,或者将模板分割陈两体分别加工后组装为一体,这样制造较为方便。若采用模口方式导向,可在模板中固定一个导向套。通常,反挤压模具的上部分还需要安装退料装置,可采用环形顶出器进行退料的一般结构型式或采取双级圆形顶杆进行退料。在这里根据需要,采取一个环形退料套,并且这个退料装置兼起与模口导向的作用。模具上部分采用特型螺帽结构将其固定起来。凸模设计要点凸模在无支撑的情况下，承受着很高的抗压和冲击载荷及较大的弯曲应力，处于复杂的周期性的交变应力的作用之下，工作条件十分恶劣。能够将作用在凸模上的力均匀的传递到模座上，并使凸模夹持得很牢固，将工作时的弯曲减到最小程度，这是设计和选择凸模结构型式的主要出发点。凸模设计中应该考虑的主要问题有：1) 凸模的抗压负荷能力及刚性凸模必须能承受很高的抗压负荷，而又要有足够的韧性，以防因任何一个微小的歪曲而引起的侧向压力使凸模突然断裂。2) 缩短凸模长度为了防止挤压时凸模的纵向弯曲和使弹性变形量减小，考虑到固定和卸料方式，应尽可能缩短凸模的长度。3) 选择好的材料选择强度和韧性最好的材料。为了保持很高的疲劳寿命，凸模材料必须没有敏感的研磨裂纹。4) 凸模具有良好的耐磨性凸模要有良好的耐磨性，以防止发热时可能发生的软化，避免可能产生的刮痕和咬伤，防止可能出现的永久变形。5) 凸模与凹模孔口导向挤压件的精度要求较高时，凸模应与凹模口直接导向。6) 凸模端面适当分布负荷凸模支撑端面的面积要足够大，以便适当的分布负荷。7) 凸模夹持牢固及满足导向要求凸模的柄部一端应夹持牢固，防止松动。另一端或中间部位应尽量满足导向要求。8) 选择有利的工作端部形状选择使加工压力尽可能小的端部形状，尽可能减小与流动金属的接触面积，改善摩擦条件，防止粘连，提高挤压件精度和凸模寿命。9) 减少凸模应力集中凸模全长都应避免横截面变化太大、太陡，应尽量使应力集中现象降至最低限度。10) 凸模截面变化处的形状截面变化处要有小的锥度和大的圆角半径；截面变化激烈的地方，应进行分割设计成分体结构。11)降低挤压力和脱件力减少凸模的摩擦面积，降低挤压力和脱件力。这一点可以用不同角度和半径组成凸模头部的方法达到。12)精加工凸模头部凸模头部的精加工具有很大意义。头部的表面粗糙和尖棱会破坏毛坯上的润滑层，引起金属堆积，从而增加了挤压力。13)凸模截面过渡要光滑凸模从一个截面过渡到另一个截面，具有光洁的连接表面有特殊的意义。在这种情况下，任何擦伤都可能引起应力的产生和凸模的损坏。14) 保护细而长的凸模细而长的凸模，要用凸模套加以保护。5.3.1 凸模结构设计凸模的结构形式，取决于挤压件的形状、尺寸和精度、成形方式，以及固定方法。设计时主要考虑挤压变形的需要及寿命问题。凸模上用于夹持和固定的柄部、过渡肩部及导向部分。统称为凸模的非工作部分。这以部分的形状设计，主要考虑凸模应力、载荷的分布、固定方法和导向的方式。因为反挤压时的单位挤压力很大，为了减小作用到模座上的压力，提高凸模工作的稳定性，通常将凸模的尾部作成截锥形状，以增大支撑面积。凸模中间过渡部分，包括肩部、导向部分和后隙部分，设计这些部位时，应考虑以下几点：1) 加大非工作部分的直径为了提高凸模强度及其工作稳定性，应适当加大非工作部分的直径，并在过渡处采用较大的圆角半径，圆滑过渡。2) 导向部分的长度的确定导向部分的长度，应足以保证在挤压开始之前，该部分进入凸模在 35mm以上。3) 凸模附加后隙部分变形程度和单位压力较大的挤压成形，为了使凸模的弹性变形不影响凹模，凸模应该附加后隙部分。4) 凸模非工作部分要短尽量缩短凸模非工作部分的长度。5) 采取措施减小工作部分的长度为了减小凸模工作部分长度和便于卸料，可在凸模非工作部分上铣出三等份凹槽，卸料圈沿凹槽滑动，便可从凸模上将挤压件卸下来。6) 圆柱形直杆凸模的固定当凸模安放在模具的下部分时，对于圆柱形的直杆凸模，为了便于固定，亦可在凸模固定端铣出槽口，用半圆销和套圈，通过压套固紧。7) 要使卸料力直接作用到零件上为了使卸料力直接作用到零件上，卸料用顶杆应尽量靠近凸模位置。这时，可在凸模的柄部铣出三等份的槽口，供顶杆沿槽口滑动。8) 采用螺钉固定凸模若采用紧定螺钉将凸模固定在模座或模柄孔中，需要在凸模的柄部铣出槽口。槽口的位置和尺寸，与柄部的形状和尺寸及螺钉直径的大小有关。一般在结构设计时决定。9) 凸模非工作部分的粗糙度凸模的非工作部分，也要磨削加工至 Ra0.8 以下，以消除由于热处理产生的微小变形。凸模的结构尺寸计算。如图所示的图 5.2 凸模的基本形状尺寸的大小如下表：尺寸符号 计算及确定方法d d=挤压件的内径1=1d)2.0(2 2r 35rM1l=挤压件的内孔高度+1l )5(2=卸料板高度+2103l=d3lh h附，在上面的尺寸中没有定义过渡圆角的大小，在实际设计的过程中，圆角是必须考虑的，它能减小应力集中，延长模具的使用寿命。在设计中应该根据径的大小确定圆角半径。凸模的前端应该按照工件的内部形状进行加工。在这个模具中我们要设计的模具的头部形状是一个靠锥度过渡的圆弧。按照上面的推荐尺寸，结合实际的形状，我们设计出的凸模如下。 图 5.3 凸模5.3.2 模板的设计模板使工作零件与压力机滑块进行联接的过渡零件，亦是传递压力的重要零件。模板常利用 T 型螺栓或压板螺钉固紧在滑块底平面上。此模板采用在带有凸缘形状的模板的工作面上开设有凹窝，不但可以将工作部件置入其中，而且模板在凸缘上可以开设四个小孔，便于用螺栓直接将模板与压力机的滑块进行有效的联接。可以将压力有效的传给上模部分。图 5.4 上模板5.3.3 垫块的设计挤压时凸模的工作压力一般为 20002500 MPa，还要承受极大的摩擦力和温度变化的作用。为了把凸模工作压力均匀分散传递给模板和压力机机架，缓和由加工压力引起的接触压力，防止模座产生局部的凹陷或变形，改善凸模的工作条件，必须在凸模的底部端面与模板之间，设有一块工具钢淬硬的垫块。这样可对凸模进行强有力的支撑，分散作用在凸模上的压力，借以起到缓冲的作用，提高凸模工作的稳定性及其寿命。由于凸模垫块既是承受较大集中载荷，又是传递压力的重要工作零件，因此垫块的面积必须足够大以便适当的分布负载。设计时，凸模地面的压力希望控制在凸模工作压力的 1/31/4 左右，即 500700 MPa，据以决定垫块的平面尺寸。垫块的厚度一般在 1530mm 之间。此外，在保证垫块具有足够和一定接触面积的前提下，还必须使其直径（D）与厚度（h）保持最有利的比例关系，也就是说不能设计的大而薄。此外，还应该要注意垫块两端的平行度，以保证凸模安装后不倾斜。为了防止垫块的弹性变形和塑性变形，必须选用优质碳素工具钢（T8A，T1