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第六章挤压模具 本章主要内容 一 挤压模具概述二 挤压模具設計三 铝型材四 铝型材表面处理工艺 一 挤压模具概述 1 什么是挤压模具 用冲头或凸模对放置在凹模中的坯料加压 使之产生塑性流动 从而获得相应于模具的型孔或凹凸模形状的制件的一种压力加工方法 挤压时 坯料产生三向压应力 即使是塑性较低的坯料 也可被挤压成形 2 挤压特点 挤压 特别是冷挤压 材料利用率高 材料的组织和机械性能得到改善 操作简单 生产率高 可制作长杆 深孔 薄壁 异型断面零件 是重要的少无切削加工工艺 挤压主要用于金属的成形 也可用于塑料 橡胶 石墨和粘土坯料等非金属的成形 1 节约原材料 生产效率高冷挤压是少无切削加工工艺 与切削加工相比 节约原材料 同时 冷挤压是在压力机简单的往复运动中生产零件 生产效率高 比切削加工高30倍 2 提高零件的力学性能在冷挤压过程中 金属处于三向挤压应力状态 变形后材料的组织致密 又有连续的纤维流向 变形中的加工硬化也使材料的强度和刚度大大提高 从而可用低强度钢材代替高强度钢 3 可加工形状复杂的零件对复杂零件可以一次加工成型 加工十分方便 大批大量生产时 加工成本低 4 提高零件的精度 降低表面粗糙度由于金属表面在高压 高温 挤压过程中产生的热量 下受到模具光滑表面的熨平 因此 制件表面很光 表面强度也大为提高 冷挤压零件的精度可达1T8 1T9级 有色金属冷挤压零件的表面粗糙度可达Ra 1 6 0 4 m 有的冷挤压件无需切削加工 3 挤压分类 挤压按坯料温度区分有热挤压 冷挤压和温挤压3种 金属坯料处于再结晶温度 见塑性变形 以上时的挤压为热挤压 在常温下的挤压为冷挤压 高于常温但不超过再结晶温度下的挤压为温挤压 按坯料的塑性流动方向 挤压又可分为 流动方向与加压方向相同的正挤压 流动方向与加压方向相反的反挤压 坯料向正 反两个方向流动的复合挤压 4 挤压的发展历史 现代冷挤压技术是从18世纪末 1789 开始的 法国人在法国革命时代把铅从小孔中挤出制成枪弹 开始了冷挤压 1830年在法国已经有人开始利用机械压力机 采用反挤压方法制造铅管和锡管 1886年英国开始加工软金属 后又对锌 铝 铜等硬金属进行冷加工 1903年美国利用冷挤压制成薄壁黄铜管 1906年美国为了制造黄铜的西服纽扣 已经取得了正挤压空心杯形坯料的专利权 第一次世界大战 1914年8月 1918年11月 美国用冷挤压法生产大量黄铜弹壳 1921年德国制造出冷挤压管的专用压力机 在1931年成功挤出钢管但没有投入生产 第二次世界大战以前的1934年 德国人就利用冷挤压法试制了钢弹壳 但因热胶着严重 没有成功 直到第二次世界大战中期 1937年 由于采用了新的表面润滑处理方法 使工件表面形成磷酸盐薄膜 挤压方法制造钢质弹壳获得成功 60年代 日本汽车工业的成长 为冷挤压技术的发展创造了有利的条件 从冷挤压设备上看 自从1933年 日本会田株式会社生产了日本第一台2000kNPK型精压机以来 到目前为止 己生产了2000多台PK系列压力机 随着汽车工业的发展 对高精度压力机的要求愈加迫切 会田株式会社又研制成功了各种锻造压力机 从冷挤压产品上看 日本70年代成功冷挤压启动离合器齿轮 传动轴花键 交流发电机磁极铁芯 80年代 又成功冷挤大型高精度等速圆球外座圈 内座圈 十字轴 汽车差速器伞齿轮等高精零件 为日本汽车的高性能化和降低生产成本做出了很大贡献 我国70年代由于未从根本上解决工艺 设备 材料 模具 润滑 自动化装置以及毛坯料的原始尺寸 原始状态 后处理等一系列技术问题 因而未得到较大发展 80年代科研人员通过生产实践攻克了冷挤压技术的不少难题与此同时冷锻设备也有了较大发展 目前 我国己能用冷挤压工艺生产表壳 自行车飞轮 中轴 精锻齿轮 汽车用等速万向节 内燃机用火花塞与活塞销 汽车挺杆 照相机零件 汽车启动器定向套筒 启动齿轮等 且己达到国外同等水平 冷挤压技术的发展趋势 1 随着能源危机的日趋严重 人们对环境质量将更加关注 加之市场竞争日益加剧 促使锻件生产向高效 高质 精化 节能节材方向发展 因此用挤压成形等工艺手段所生产的精化锻件的产量 在市场竞争中将得到较大的发展 2 汽车向轻型化 高速度 平稳性方向发展 对锻件的尺寸精度 重量精度及力学性能等都提出了较高的要求 如轿车发动机用连杆锻件除对大小头之间的误差有要求外 对每件的重量误差也要求不大于八克 新产品的高要求 将促进精化生产工艺的发展 3 专业化 规模化的组织生产仍是冷挤压生产的发展方向和趋势 4 挤压专机将成为一种发展趋势 随着中小型锻件的精化生产发展及冷挤压 温挤压工艺的推广应用 多工位冷挤压压力机 精压机及针对某种锻件而设计制造的专机会得到大力发展 5 挤压技术的应用 冷挤压技术已在紧固件 机械 仪表 电器 轻工 宇航 船舶 军工等工业部门中得到较为广泛的应用 冷挤压件在汽车零件中的应用冷挤压花键 冷挤压高强度螺母 冷挤压高强度螺栓 镁棒阳极 6 挤压的基本类型 正挤压 金属被挤出方向与加压方向相同 适用于各种形状的实心件 管件和环形件的挤压 正挤压实心件正挤压空心件 反挤压 金属被挤出方向与加压方向相反 适用于各种截面形状的杯形件的挤压 复合挤压 一部分金属的挤出方向与加压方向相同 另一部分金属的挤出方向与加压方向相反 是正挤和反挤的复合 a 挤压示意图b 毛坯与挤压零件 复合挤压适用于各种复杂形状制件的挤压 改变凹模孔口或凸 凹模之间缝隙的轮廓形状 就可以挤出形状和尺寸不同的各种空心件和实心件 径向挤压 挤压时金属的流动方向与凸模轴线方向相垂直a 毛坯b 零件适用于盘类零件或有凸起的零件的挤压 减径挤压 是一种变形程度较小的变态正挤压法 减径挤压花键 镦挤复合法它是将局部镦粗和挤压结合在一起的加工方法 如图所示 该法主要用于制造带法兰的空心杆类零件 镦挤复合成形 三 冷挤压模具设计2 1冷挤压模的特点由于冷挤压时 单位挤压力较大 因此冷挤压模具的强度 刚度及耐用度等方面其要求都比一般冲模高 它与一般普通冲模相比 主要有以下特点 1 模具的工作部分与上 下底板之间一般都设有足够的支承面与足够厚度的淬硬垫板 以承受很大的压力 减少上 下底板上的单位压力 2 模具的工作部分都采用光滑的圆角过渡 以预防由于应力集中而导致其本身的损坏 3 冷挤压模的上 下模板 应有足够的厚度及刚性 一般采用45钢或铸钢 4 模具工作部分材料及热处理要求 应比一般普通冲模要求高 2 2冷挤压模设计要求1 模具应具有足够的刚度和强度 并且能在冷热交变应力的情况下 模具应保证正常工作 模具结构要合理 如采用组合式模具 2 选用合适的模具材料 工作部分必须要有相当的韧性和耐磨性 几何形状及参数要合理 准确 有利于毛坯塑性变形 降低单位挤压力 尽量采用光滑圆角过渡 防止应力集中 3 模具的易损部位 应考虑通用性和互换性 并便于更换 修理 4 对于精度要求较高的挤压件 模具设计要有良好的稳定导向装置 5 坯料取放应方便 毛坯易放入模腔 6 模具应安全可靠 制造工艺简便 成本低 使用寿命长 为满足以上各项要求 必须慎重考虑模具结构的设计 材料的选择 制造工艺及其热处理等问题 三 铝型材 铝型材 就是铝棒通过热熔 挤压 从而得到不同截面形状的铝材料 铝型材的生产流程主要包括熔铸 挤压和上色三个过程 其中 上色主要包括 氧化 电泳涂装 氟炭喷涂 粉末喷涂 木纹转印等过程 铝的主要特性 质轻 铝的密度只有2 7g cm3 约为钢 铜密度的1 3 分別为7 83g cm3 8 93g cm3 耐腐蚀 在大多数环境条件下 包括在空气 水 或盐水 和很多化学体系中 铝能显示优良的抗腐蚀性 装饰 铝的表面具有高度的反射性 辐射能 可见光 辐射热和电波都能有效地被铝反射 而银白色阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的 也可以是吸收性的 拋光后的铝在很宽波长范围內具有优良的反射性 因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途 铝的主要特性 导电 铝由于它的优良导电率而常被选用 在重量相等的基础上 铝的导电率近于铜的兩倍 导热 铝合金的导热率大约是铜的50 60 這对制造热交换器 蒸发器 加热电器 炊事用具 以及汽車的缸盖与散热器皆有利 无磁 這对电气工业和电子工业而言是一重要特性 可加工性 铝的可加工性是优良的 在各种变形铝合金和铸造铝合金中 以及在这些合金产出后具有的各种状态中 加工特性的变化相当大 铝的主要特性 可成形性 这是铝及许多铝合金较重要的特性之一 特定的拉伸強度 屈服強度 可延展性和相应的加工硬化率 决定了铝的可成型性 可回收性 铝具有极高的可回收性 再生铝的特性与原生铝几乎没有分别 而且回收费用低廉 这在讲求环保的今天显得尤为重要 其它特性 无毒 不燃烧 铝的应用 建筑业 铝广泛应用于建筑业的各个方面 尤其是在建筑装饰行业的应用更为突出 交通运输业 桥梁 公路 铁路 航空 海运 制造业 铝可制造出各种机械零件 包装业 铝箔及铝制容器可作为各类包装材料 交通工具 没有铝 制造出汽车 火车 轮船几乎是不可能的 家庭应用 家用电器 耐用消费品 家具等都大量应用铝及其合金 其它 铝在人类生活中无处不在 铝的应用 铝合金型材的生产 铝合金棒的铸造铝合金型材的挤压铝合金型材挤出后的加工与处理铝合金型材的时效 铝合金棒的铸造 合金成分 铝 合金元素铸造过程 铝锭加热熔化 加入规定的合金元素 对于建筑用铝合金主要加入镁和硅 然后通过铸造机铸出铝棒 铝合金型材的挤压 铝合金棒的切割与加热 先切割后加热 铝棒锯 铝棒加热炉 先加热后切割 中频加热 铝棒热剪切机 铝合金型材的挤压 将加热后的铝合金棒送入挤压机进行挤压挤压过程是铝合金型材生产过程中最重要的一道工序铝合金棒经过挤压便形成各种所需的型材断面 铝合金型材挤出后的加工与处理 出料及淬火 从挤压机出口处挤出的型材在出料淬火台上进行快速强制冷却 风冷水雾冷却水槽冷却 铝合金型材挤出后的加工与处理 牵引机或牵引台将型材引出达到所需长度由热切锯切断 一般20 30M 由移动冷床将型材移至校直机进行校直校直后的型材用定尺锯切割成所需长度将定尺型材装入转运架内转入时效工序 铝合金型材的人工时效 人工时效 人工时效能够显著提高铝合金型材的机械性能 特别是硬度 铝合金型材通常在时效炉内加热到特定温度 保温4 8小时 使合金元素稳定后 出炉自然冷却 铝型材断面设计应注意的问题 挤压模具常识型材断面设计应注意的问题 挤压模具常识 模具的组成 正模 模垫 模套 挤压模具常识 模具的分类平模半空心模空心分流模 型材断面设计应注意的问题 合理的挤压比 2 2 S挤压筒 S型材20 挤压比 50型材壁厚合理避免型材壁厚急剧变化或用圆角过渡槽形型材长宽比要合理C形开口型材要注意开口尺寸与闭合尺寸的比例舌比合理避免大尺寸平板结构 必要时增加加强筋 三 铝合金表面处理 铝合金表面处理分类 1 氧化2 二次氧化3 表面拉丝4 喷砂5 高光6 喷涂 印刷 1 氧化 1 1目的及意义铝合金表面很容易生成一层极薄的氧化铝膜 0 01 0 02um 有一定的抗腐蚀能力 但由于这层氧化膜是非晶的 使铝件表面失去原有的光泽 此外 这种氧化膜疏松多孔 不均匀 抗腐蚀能力不强 容易沾染污迹 因此 铝合金制品通常要进行特殊的氧化处理 在氧化处理之前 用化学和物理的方法对制品表面进行必要的清洗 使其裸露纯净的金属基体 以利氧化着色顺利进行 从而获得与基体结合牢固 色泽和厚度都满足要求且具有最佳耐蚀 耐磨 耐侯等良好性能的人工膜 1 2氧化的工艺流程脱脂 碱蚀 阳极氧化 活化 染色 封孔脱脂 脱脂又叫除油 是氧化前的一项重要工序 铝及铝合金表面脱脂有 有机溶剂脱脂 表面活性剂脱脂 碱性溶液脱脂 酸性溶液脱脂 电解脱脂 乳化脱脂 在这些方法中 以碱性溶液特别是热的氢氧化钠溶液的脱脂最为有效 碱蚀 是铝制品在添加或不添加其他物质的氢氧化钠溶液中进行表面清洗的过程 通常也称为碱腐蚀或碱洗 其作用是作为制品经某些脱脂方法脱脂后的补充处理 以便进一步清理表面附着的油污赃物 清除制品表面的自然氧化膜及轻微的划擦伤 从而使制品露出纯净的金属基体 利于阳极膜的生成并获得较高质量的膜层 阳极氧化 一般原理 是以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中 利用电解作用 使其表面形成氧化铝薄膜的过程 称为铝及铝合金的阳极氧化处理 其装置中阴极为在电解溶液中化学稳定性高的材料 如铅 不锈钢 铝等 铝阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理 当电流通过时 在阴极上 放出氢气 在阳极上 析出的氧不仅是分子态的氧 还包括原子氧 O 和离子氧 通常在反应中以分子氧表示 作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化 形成无水的氧化铝膜 生成的氧并不是全部与铝作用 一部分以气态的形式析出 阳极氧化按电流形式分为 直流电阳极氧化 交流电阳极氧化 脉冲电流阳极氧化 按电解液分有 硫酸 草酸 铬酸 混合酸和以磺基有机酸为主溶液的自然着色阳极氧化 按膜层性子分有 普通膜 硬质膜 厚膜 瓷质膜 光亮修饰层 半导体作用的阻挡层等阳极氧化 活化 阳极氧化后 在着色之前 可用酸液处理 把氧化膜活化 使一些阳极氧化膜的物质溶解 使氧化膜的孔隙率增加 从而提高吸附染料的能力 染色 有化学染色法和电解染色法化学着色法工艺简单 控制容易 效率高 成本低 设备投资少 着色色域宽 色泽鲜艳 对膜厚的要求 1 必须有足够的厚度 具体厚度要与染色的色调而定 暗色要求较厚的膜 浅色要求较薄的膜 2 氧化膜必须有足够的孔隙和吸附能力 3 氧化膜应均匀 膜层本身的颜色适应于进行着色处理 封孔 为了提高铝件质量和染着色牢固 着色后必须将氧化膜层的微细孔隙予以封闭 经过封闭处理后表面变的均匀无孔 形成致密的氧化膜 染料沉积在氧化膜内再也擦不掉 且经封闭后的氧化膜不再具有吸附性 可避免吸附有害物质而被污染或早期腐蚀 从而提高了阳极氧化膜的防污染 抗蚀等性能 常用的着色后的封孔方法有水合封孔 无机盐溶液封孔 透明有机涂层封孔 氧化后的效果 2 二次氧化 在电子产品上有许多文字符号是凸起的 有两种方法可以做出这种效果 二次氧化和冲压 一般来说二次氧化出来凸字是为了得到亮面效果 字体可以做到很小 由于是腐蚀去材料 高度一般比较小 太高了就浪费铝材 冲压出来的凸字体不能太小 不然五金模具制作困难 可以拉伸比较高 再进行高光切削形成高亮斜纹 先对铝壳进行氧化 整个铝壳被腐蚀去材料 表面成光亮状 再用特殊的防氧化腐蚀的油漆丝印出字体 再将整个壳体进行二次氧化 没有丝印的地方再次被腐蚀去材料 使字体凸现出来 最后用酒精清洗掉凸字上的油漆 使凸字上的亮面显示出来 下面以一个实例来讲解一下二次氧化的过程 二次氧化效果 3 表面拉丝 根据铝合金件的装饰需要 其表面可以制成直纹 乱纹 螺纹 波纹和旋纹等几种表面拉丝效果 直纹拉丝处理 整个壳体先表面拉丝 然后冲压出凸字 再进行高光处理 3 1直纹拉丝 直纹拉丝是指在铝板表面用机械磨擦的方法加工出直线纹路 它具有刷除铝板表面划痕和装饰铝板表面的双重作用 直纹拉丝有连续丝纹和断续丝纹两种 连续丝纹可用百洁布或不锈钢刷通过对铝板表面进行连续水平直线磨擦 如在现有装置的条件下手工技磨或用刨床夹住钢丝刷在铝板上磨刷 获取 改变不锈钢刷的钢丝直径 可获得不同粗细的纹路 断续丝纹一般在刷光机或擦纹机上加工制得 制取原理 采用两组同向旋转的差动轮 上组为快速旋转的磨辊 下组为慢速转动的胶辊 铝或铝合金板从两组辊轮中经过 被刷出细腻的断续直纹 拉丝机 3 2乱纹拉丝 乱纹拉丝是在高速运转的铜丝刷下 使铝板前后左右移动磨擦所获得的一种无规则 无明显纹路的亚光丝纹 这种加工 对铝或铝合金板的表面要求较高 3 3螺纹拉丝 螺纹拉丝是用一台在轴上装有圆形毛毡的小电机 将其固定在桌面上 与桌子边沿成60度左右的角度 另外做一个装有固定铝板压茶的拖板 在拖板上贴一条边沿齐直的聚酯薄膜用来限制螺纹竞度 利用毛毡的旋转与拖板的直线移动 在铝板表面旋擦出宽度一致的螺纹纹路 3 4波纹拉丝 波纹拉丝一般在刷光机或擦纹机上制取 利用上组磨辊的轴向运动 在铝或铝合金板表面磨刷 得出波浪式纹路 3 5旋纹拉丝 旋纹也称旋光 是采用圆柱状毛毡或研石尼龙轮装在钻床上 用煤油调和抛光油膏 对铝或铝合金板表面进行旋转抛磨所获取的一种丝纹 它多用于圆形标牌和小型装饰性表盘的装饰性加