方形纯铝电瓶壳冷挤压成型工艺与模具设计

模具工业 2 0 1 3 年第3 9 卷第1 1 期 5 5 方 形 纯 铝 电 瓶 三 皇 冗 挤 压 成 型 工 艺 与 模 具 设 计 辛选荣 赵文龙 刘新城 1 河南科技大学 材料科学与工程学院 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 2 洛阳秦汉冷锻有限公司 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 摘要 对 1 0 6 0 g 方壳的冷挤压生产进行 了详细的工艺分析与模具设计 针对生产中容易产生偏心 壁 厚差较大等问题 利用有限元法进行 了成型模拟 揭示了缺陷产生的原因 优化了凸模结构 结果表 明 改进后的凸模能有效解决成型零件的质量问题 最终生产出合格的零件 关键词 铝方壳 冷挤压 有限元法 模具设计 中图分类号 T G 3 7 6 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 1 6 8 2 0 1 3 1 1 0 0 5 5 0 4 Th e c o l d e x t r u s i o n p r o c e s s a n d d i e d e s i g n f o r pur e a l um i num s q ua r e bo x X I N X u a n r o n g Z H A O We n l o n g L I U X i n c h e n 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e E n g i n e e rin g He n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L u o y a n g He n a n 4 7 1 0 0 3 C h ina 2 L u o y a n g Q i n h a n C o l d Fo r g i n g C o L t d L u o y an g He n an 4 7 1 0 0 3 C h i n a Abs t r a c t The c o l d e x t r us i o n pr oc e s s an d di e d e s i g n f o r a pu r e alu minum s q ua r e s h e l l we r e s t a t e d I n or de r t o s ol ve t he e c c e n t r i c wall de v i a t i o n an d ot h e r pr o b l e ms t he f ini t e e l e me ri t m e t h od wa s us e d t o s i mul a t e t h e f o r mi ng wi th wh i c h t he de f e c t r e a s on s we r e r e ve ale d a nd t he p u nc h s t r uc t ur e Was o p t i m i z e d Ke y wo r ds alumi n u m s q u ar e s he l l c o l d e x t r u s i o n fin i t e e l e me n t me t ho d d i e de s i g n 1 引言 冷挤压作 为生产 周期短 节约材料 精度 高并 且成型零件质量好 的塑性加工手段 已成为许多零 件首选 的加工方法 通 过挤 压生产纯铝 电瓶 壳这 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 6 作者简介 辛选荣 1 9 5 6 一 男 汉族 陕西西安人 副教授 主要 从事精密成形及模具设计研究工作 1 蛐 希 压缸活塞杆和滑块能同时复位 种壁厚小 质量轻 内腔形状简单 的方盒零件 比冲 压等其他生产方式更加经济 快捷 一般浅盒容易 挤压成型 但深盒挤压就比较难 图 1 所示纯铝电瓶 壳 高度 达 1 5 01 1 3 11 1 壁 厚仅 1 5fi l m 深度 为 1 4 7m m 在挤压过程中壁厚较难控制 容易产生较大的壁厚 差 只有通过合 理的工艺 设计 的模具结构才 能生 产 出符合要求的零件 呤 e 盼 f 嗡 f 蛤 矗 矗 蠕 1 菏 1 范有发 范新风 肖雪清 塑料注射模组合式二级抽芯机构 设计 J 模具工业 2 0 0 6 3 2 7 3 4 3 9 4 结束语 组合结构采用二次抽 芯的方案 成功实现了出 风 口柱倒扣 的抽芯 避免 了塑件倒 扣粘滑块 现象 机构结构简单 加工及研配方 便 在 生产实践 中得 到成功应用 实现 了预想 的设计要求 并取得 了 良 好的经济效益 参考文献 2 李露雁 侧向二次抽芯注射模的优化设计 J 机械与电子 2 0 1 1 1 3 4 7 7 4 7 8 5 1 0 3 黄桂坚 伍晓宇 梁雄 抽芯滑块 内嵌防粘模机构的注射 模设计 J 工程塑料应用 2 0 0 9 3 7 5 6 4 6 7 4 赖久乐 滑块两次抽芯机构注射模设计 J 模具技术 2 0 1 1 4 1 7 1 9 4 1 5 李柯 塑料模脱模与联合抽芯机构的设计 J 电加工与 模具 2 0 0 3 1 4 8 5 0 5 6 模具工业 2 0 1 3 年第3 9 卷第1 1 期 图1 零件 2 成型参数分析 2 1 毛坯尺寸确定 对正方形盒形零件 若采刚圆柱形坯料会 因为 4个角缺料使得成 型一开始就产生不稳定的料流 引起较人的偏心而失败 必须采用方形坯料 根据 加 前后体积不变 的原则来选择坯料 零件总体积 V 5 6 2 6 2 m m 为 了方便操 作 毛 坯 的长宽与零件应人致相 同 采用S 5 5 ram 5 5 m m 的方料 毛坯厚度 H V S 1 8 5 mm 因此最 终选择 方形坯料尺寸为5 5 mmx 5 5 tu r n 2 0 mm 2 2 冷挤压变形与挤压力计算 止方形电瓶壳材料为 1 0 6 0 铝 变形程度可用断 面收缩率来表示 5 2 5 2 5 5 5 5 8 9 3 符合纯铝冷挤压变 形极限要求 通过试验 冷挤压的挤压力P可按 卜 式计算u P p F F x n 式中 卜一 总挤压力 k N 单位挤压力 M P a 一 模具形状系数 x 1 3 l J 挤压系数 n 8 2 1 材 料抗拉强度 a b 6 9MP a t 卜凸模与 毛 坯直接接触表面在水平面上的投影面积 计算得 P 1 9 8 9k N 3 毛坯制备 下料时采朋 5 4 ram 5 4 mm规格条料剪切 预锻 镦粗 达到所需的毛坯尺寸 毛坯在 挤压前 需经 过 以 卜 处理 1 需经过软化处理 降低硬度 提高塑性 以 利 丁冷 变 形 的 加 T 退 火 软 化 方 法 加 热 温 度 4 2 0 保温时间在 3 h 左右 退火空冷 2 对 清沾表面与消除表面缺 陷所采取的方 式为 滚 筒处理 使零件 的外表面获得较 高的清沾 度 并使零什表面的力学性能得到改善 表面润滑 采用的是硬脂酸锌粉 涂抹在零件表面 可 以使零 件表面粗糙度值在 R a O 8 4 模具结构及工作过程 根据零件 的毛坯 设计 出反挤压模具 作 部 分如图2 所示 作过程 先将 毛坯放入 凹模 6中 在凸模 7的作用下金属开始充满 凹模 继续挤压 金 属被挤入 凸 凹模间隙中 开始 向上流动 凸模继续 下压 时 金属沿 凸 凹模间隙不断 向上流动 凸模 进 一步 下压 到位 反挤过程完成 获得零件 在挤 压 过程 结束后 零件通过顶杆 1 和顶出器 3 组成 的 顶出机构顶出 图2 模具 L 作部分结构 1 顶杆2 卜 板3 顶件器4 凹模同定板 5 预应力圈6 凹模7 凸模 4 1 凹模结构 凹模与毛坯直接接触 反挤压时 在静态高压 强烈冲击 与巨大摩擦 下 工作环境恶劣 选择采用 预应力凹模 外层 应力圈 与 内层 凹模 通过 1 5 锥角 6 过盈量 的装配对 内层施加很人的预应力 增大了凹模 的强度 组合 凹模如图 3 所示 优点在 于在同样外形尺寸 包括外套在 内的整个组合凹模 外形尺寸 和 内腔尺寸的条件 卜 其 强度 要 比单层 7 6 5 4 3 2 模具工业 2 0 1 3 年第3 9 卷第1 1 期 5 7 凹模 的强度大 能提高模具安全系数 节省材料 图3 组合凹模 1 凹模2 应力圈 4 2 凸模结构 选用平底 凸模 平底 凸模 的加工 比较 简单 凸 模结构如 图4 所示 设计凸模工作带高度为 2 mm 与端面用R 0 5 mm的圆角过渡 凸模工作部分与大 端面连接处用大圆角R 8 m m过渡 图4 凸模结构 挤压后对零件进行尺寸检测 通过将铝壳纵向 与横 向切开 测量其上下两部分与四壁 的壁厚差是 否合格 检测 结果 铝 壳 的上 下两 部分壁 厚差较 大 难 以达到厂家要求的生产标准 对此结果进行分析 在实际挤压过程 中无法直 接观 察到模具 内部 的金属流动 只能看到起始坯料 与最终成型的零件 所以为 了方便 具体 形象地了 解挤压 时凸模对 金属流动的的影响 可 以通过基于 有 限元 的工 艺仿真系统 的 D e f o r m软件进行模 拟 根据液压 机 的下行速度 设定 凸模运 动速度 为 1 0 mm s 从 图5 金属流动 曲线可 以看 出 在挤压开始阶 段 金属就 已经出现 了流动的不对称 在 凸模 向下 运动的整个过程 中 凸模与坯料之间容易产生相对 滑动 导致壁厚不均 在反挤 出来的金属中 有局部 金属 的流动速度 比较快 图中最大速度 为 1 2 1 mm s 而有一部分金属 流动较慢 图中最小速度为4 1 mr n s 两部分金属的流动速度差较大 就会产生较 大 的附加应 力 3 1 该 附加应力有 可能使零件 开裂 因此针对实 际生产 中平面 凸模在挤压 时容易产生 偏移 并且会使金属的流动不均匀等 问题 需要对 凸模进行改进 V e lo c i t y T o t a l v e l mm s e c 0 0 1 9 4 mi n 1 2 lma x 图5 平底 凸模挤压时金属流动曲线 4 3 改进凸模结构 为 了增加 凸模的纵向稳定性 在其工作端面上 作 出回字形梅花工艺 凹槽 凸模借工艺 凹槽在开 始挤压 的瞬间将毛坯咬住 并且十字梅花槽会起到 定心 的作用 工 艺 凹槽 的槽 宽取 1 5 m m 深度 为 0 6 1 m m 凹槽顶部用小圆弧光滑相连 端面采用 R1 mm的圆弧过渡 结构如图6 所示 加工时凹槽应与 凸模 中心保持 良好 的同轴度 否则会在挤压时发生偏移 造成 凸模折断 设计完 成之后 观察改进后的凸模在挤压过程 中对金属流 动 的影响 通过对 图7的分析可以看 出 改进后 的 凸模在进行挤压 时对金属流动起到 了 良好 的限制 作用 从金属流动速度 图上可 以看 到 反挤 出来 的 金属 整体 的流动速度趋 于平均 流动最大速 度为 5 8 模具工业 2 0 1 3 年第3 9 卷第 1 1 期 图6 改进后凸模工作端面 Ve l o c it y T o t a l v e l mm s e c 一 图7 梅花形凸模挤压时金属流动曲线 9 3 m m s 与最小速度为 6 9 mm s 之差较小 与之前的 平底 凸模相 比 其在控制金属流动方面有了大幅度 的提高 并使毛坯在挤压的过程中金属流动较为对 称 使 凸模 的受力平衡 不会使凸模在挤压过程 中 与毛坯产生相对滑动 在实际生产 中 使用改进后的凸模生产出来 的 零件经检验 上 下的壁厚差减小 尺寸达到厂家要 求的标准 5 结束语 1 设计成型铝方壳模具 时 采 同字形梅 花 T艺凹槽 可 以提高 凸模 的稳定性 并使金属的流 动更加 均匀 加上 出来 的零件壁厚差 更小 尺寸精 度更高 在生产过程 中 可 以保证零件精度 获得更 精密的尺寸 2 通过运用有 限元模 拟软件 分析金属 内部 的流动规律 优 化 了模 具结构 解 决了生产 中的实 际问题 缩短 了零件 的开发周期 减少 了试模 的费 用 实现 了理论与实践相结合 参考文献 1 洪慎章 冷挤压实用技术 M 北京 机械J 业出版社 2 0 0 4 1 3 7 4 I 2 黄伯云 李成功 中国材料 程大典 第四卷 北京 化 学 l 业出版社 2 0 0 5 5 2 5 3 3 1 贾俐俐 挤压 艺及模具 M 北京 机械 r 业 出版社 2 0 04 3 2 3 8 I 4 I 徐存贵 气体打火机铝壳冷挤模 J 1 模具1 一 业 1 9 9 0 1 6 3 2 4 专利名称 一种金属线材拉丝模具预模的制造 l 艺 j 专利申请号 C N 2 0 0 8 1 0 1 2 1 1 5 2 1 公开号 C N1 0 1 6 8 3 6 9 1 申请 日 2 0 0 8 0 9 2 8 公开 日 2 0 1 0 0 3 3 1 申请人 张安 一 种金属线材拉丝模具的预模的制造 L 艺 步骤如 F 按配方制备填充料 称取