花键轴挤压模设计说明说

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文（设 计）题目： 花键轴挤压模设计 学 院： 工 学 院 姓 名： 陈 长 军 学 号： 20070951 专 业： 机械设计制造及其自动化 年 级： 机 制 072 指导教师： 段武茂 职 称： 副教授 二0 一一 年 五 月 江西农业大学毕业设计（论文）任务书论文（设计） 课题名称 花键轴挤压模设计学生姓名 陈长军院（系） 工学院 专业 机械设计制造及其自动化指导老师 段武茂 职称副教授 学历 副教授毕业设计（论文）要求：1、 好学上进，能吃苦耐劳，刻苦钻研，有相应专业知识具备独立工作能力；2、 能敏感及时地查阅到国内外与本课题相关的资料和文件；3、 会计算机绘图，能通过计算机绘图绘制相应的零件、部件和组件，绘制出总装配图；4、 工作量要符合我院毕业设计的要求；5、 根据毕业的要求在规定的时间内完成毕业答辩所需要的全部工作。毕业设计（论文）内容与技术参数：1、 了解实际生产中花键轴挤压模的设计和制造工艺；2、 查阅国内外有关资料和文件；3、 研究其他挤压模的工作原理，制定挤压模的设计思路并画出工作草图；4、 通过计算机绘图绘制相应的零件和部件，绘制出总装配图；5、 撰写出4000字左右的设计说明书；6、 根据毕业设计的要求在规定的时间内完成毕业答辩所需要的全部工作。毕业设计（论文）工作规划：第一阶段：参观实际生产过程；查阅国内外有关资料和文件分析花键轴挤压模的设计与制造工艺；第二阶段：研究其它挤压模的工作原理，制定花键轴挤压模的设计思路；第三阶段：给出总体方案，画出工作草图，通过计算机绘图绘制相应的零件和部件，绘制出总装配图；第四阶段：撰写出设计说明书；根据设计的要求在规定的时间内完成毕业答辩做需要的所有工作。接受任务日期 2010 年 11月 30 日 要求完成日期 2011 年 5 月 14日学 生 签 名 陈 长 军 2011 年 5 月 12 日指导教师签名 年 月 日院长（主任）签名 年 月 日摘 要采用挤压加工方法对渐开线齿形部分进行加工，不仅能显著地提高生产效率，而且还能提高齿的强度和齿形精度。通过对渐开线花键轴挤压件的正确分析，主要参数的计算，编制了正确可行的工艺路线，设计出了渐开线花键轴冷挤压模。本设计介绍了渐开线花键轴齿形的挤压工艺过程，对挤压模的总体结构设计特点、正挤压凸模、渐开线齿形组合凹模的设计要点进行了阐述，以及其他零件如上垫板、下垫板、吊杆、小导套、压紧螺母等的工艺参数的选择和对其他结构的设计。本设计着重对挤压模的设计部分作了详细介绍。关键词：渐开线齿形；花键轴；挤压；模具结构AbstractThe squeeze on involute tooth shape processing method of processing, not only can significantly improve the production efficiency, but also can improve the intensity and gear tooth shape precision. Involute spline extrusion parts through the correct analysis of main parameters calculation, compiled the correct practical processing route, design out of the involute spline cold extrusion dies. This design involute spline tooth shape introduced the extrusion process and the overall structure of extrusion die design features, the punch, extrusion involute tooth shape combination concave die expounded the main points of design, and other parts as pad, next pad, the boom, small guide sets, compaction nut of the selection of technological parameters and for other structure design. This design focuses on the part of extrusion die design was introduced in detail. Keywords： involute spline tooth ；splined shaft；extrusion； mold structure 目 录1 引言12 挤压件工艺分析及挤压工艺方案设计2 2.1 分析零件的工艺性2 2.2 坯料的软化处理3 2.3 坯料的表面处理及润滑3 2.4 挤压工艺方案的设计4 2.5 模具材料的选择53 挤压力的估算及挤压设备的选择5 3.1 影响单位挤压力的主要因数5 3.2 冷挤压力的估算及压力机的选择74 模具结构设计8 4.1 凸模的设计8 4.2 凹模的设计8 4.2.1 凹模形式的确定8 4.2.2 凹模的尺寸计算9 4.2.3 凹模结构形状设计10 4.3 上模部分结构设计13 4.3.1 结构形式13 4.3.2 垫块及固定设备13 4.4 导向装置15 4.5 卸料方式设计165 凹模压圈紧固螺栓计算166 凸模、凹模失效形式及分析17 6.1 凸模失效形式及分析 17 6.1.1 凸模失效的原因17 6.1.2 凸模失效的形式17 6.2 凹模的失效形式177 计算挤压模的闭合高度及压力机的校核17 7.1 模具闭合高度的计算18 7.2 校核压力机188 总结19参考文献20致谢211 引言随着汽车工业、摩托车工业和其他加工制造业的发展，对渐开线齿形花键轴额需求量越来越大，各个渐开线齿形花键轴的生产企业都迫切需要一种高效、经济、实用的制造加工方法来加工渐开线齿形花键部分。冷挤压工艺，一项先进的金属塑性成型技术，就解决了这个难题。冷挤压加工方法是利用金属材料塑性变行的原理，在室温的条件下，将冷态的金属毛坯放入在压力机上的模具型腔内，咋强大的压力和一定的温度作用下，迫使金属毛坯产生塑性流动，通过凸模与凹模的间隙或凹模出口，挤出空心或比毛坯断面要小的实心零件，可以获得所需一定形状及尺寸，还具有较高力学性能挤压件的工艺技术。冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，与常规模锻工艺技术相比，可以节材30%50%，节能40%80%。长期的生产实践中，冷挤压也还存在一些问题，表现于变形抗力大、模具寿命短、对毛坯的要求高、对挤压设备要求较高。当前汽车工业的飞速发展，为冷挤压技术的发展提供了原动力，据不完全统计，每辆轿车中的加压件重量达4550kg。本设计中的渐开线花键轴，就是汽车中常见的一种零件。我国的冷挤压技术起步于20世纪50年代末，并于1962年在上海交通大学成功开发了第一个黑色金属冷挤压件梭心套，70年代后期我国冷挤压技术发展转入低谷，到90以后，随着我国汽车、摩托车产量的快速增长，冷挤压市场得以扩大，多工位成形、温冷复合成形、闭塞锻造、背压锻造、分流锻造以及冷温锻造成形数值模拟等技术得到应用。目前，冷挤压技术已经在我国汽车、摩托车、仪表、电信器材、轻工、建筑、宇航、船舶、军工及五金等工业部门中获得了广泛的应用。但我国的冷挤压技术与发达国家相比仍有很大的差距，加强冷挤压技术的开发与推广应用是一项紧迫的任务。冷挤压作为一项少无切屑的新工艺，已经成为世界先进制造技术中极具特色的一个门类。冷挤压加工的缺点相对优点是次要的，随着科学技术的迅速发展，缺点会被慢慢解决，优越将会得到充分发展。在21世纪，这种先进的金属塑性成形加工工艺将会起到更大的作用，在各企业中得到越来越广泛的应用。2 挤压件工艺分析及挤压工艺方案的设计制定工艺时首先应仔细阅读零件图，了解零件的结构和技术要求，并进行工艺分析。制定正确的工艺方案，是对零件的质量的有力保证，而且能使模具发挥最大的经济效益。2.1 分析零件的工艺性 工件名称：渐开线花键轴生产批量：中等批量材 料：20Cr工件简图：如图2-1所示 图2-1 渐开线花键轴花键轴冷挤压毛坯为17.5x51的圆柱体，因此采用在压力机上用截切模截切棒料的方法获得。用截切模剪截毛坯，材料最为节约，材料利用率几乎可达100%，但截切毛坯的端面比较粗糙，端面与中心轴不能保持垂直，带有一定的斜度，因此在剪切之后，需用镦平模将端面压平后在进行冷挤压。零件图上的所有尺寸均未标注公差，属于自由尺寸，即在IT12-IT18取公差值，按IT14级确定工件尺寸的公差，可查互换性与测量技术基础公差表。2.2 坯料的软化处理中强度的20Cr合金钢在供应状态下的硬度为HB180，材料品粒粗大不均，塑性较差，变形抗力大，若不经过软化退火处理而直接进行冷挤压，则成形困难，模具极易损坏。因此，为降低坯料的变形抗力，提高塑性，在冷挤压成形前需要滴材料进行软化退火处理，其退火规范如图3-2所示，经过软化后坯料的硬度为HB120130。 图2-2 20Cr软化退火处理2.3 坯料的表面处理及润滑花键轴的冷挤压成形，其金属流动剧烈，变形量较大，坯料表面要求良好的净化和润滑处理。在冷挤压中，为了降低坯料与模具之间的摩擦，减小模具磨损，延长模具寿面，改善和提高加压零件的表面质量，必须采取有效的润滑手段。目前在合金钢挤压中广泛采用磷化皂化处理的润滑方法。磷化，就是将经过除油和酸洗、表面洁净的钢料放入磷酸锰铁盐或磷酸二氢锌水溶液中，是金属与磷酸相互作用生成不溶于水的磷酸盐膜层的过程。膜层的主要成分是磷酸铁和磷酸锌，膜层的厚度一般为10-15微米，摩擦系数一般在0.05以下。磷酸盐膜层相当软，耐热，呈多孔状态，对润滑剂具有相当高的吸附作用。这种膜层还具有一定的塑性，能同坯料一起塑性变形。由于它同坯料的坚固结合，或者由于它实际上具有成为坯料的一部分的性质，所以在挤压时，遇到高的压力也能够承受的住，不会剥落。它能在变形金属与模具之间起非金属层的隔离作用，防止金属与模具的直接接触，减少表面摩擦和防止模具的模损、擦伤和粘结。磷化膜本身的摩擦系数并不低，因此磷酸盐处理不能单独使用，在磷化的基础上，普便采用造化处理。皂化时，皂液深深的渗入到磷化层的毛细孔中，并且一部分达到基体金属。肥皂同时和品体表面形成锌皂。皂化后的润滑层的厚度，取决于不同挤压工序的不同需要。在挤压阶梯形及深孔零件时，润滑层的连续性是否被破坏和转角处还残留多少润滑膜，是判定润滑处理优劣的重要标志。如果在零件的局部或转角部位出现发亮的现象，说明该处无润滑膜存在，产生的主要原因是润滑膜的连续性遭到破坏或工艺方案及模具形状设计不合理。典型的磷化-皂化处理基本过程为：、除油冷水洗热水洗酸洗冷水洗热水洗磷化冷水洗热水洗中和皂化干燥20Cr合金钢毛坯润滑处理，其皂化配方及工艺如下：硬脂酸钠（C17H35COONa）：59g/L水（H2O）：1L处理温度：6070处理时间：10min2.4 挤压工艺方案的设计 冷挤压的加工方式可分为三种： 用盘料进行多工位连续加工； 棒料切断，经校形、退火、磷化后，在专用挤压机或者普通压力机上挤压成形； 在坯料直径与高度之比大于三以上时，采用板料冲裁制坯，经退火、磷化后在普通压力机上挤压成形。冷挤压变形程度的计算公式为：其中：许用变形程度 A0冷挤压变形前毛坯的横断面积 A1冷挤压后工件的横断面积花键轴的最大变形程度由公式计算得：而20Cr合金钢的许用变形程度为max=0.7620.812，所以可以一次挤压成形，本设计中的花键轴采用第二种加工。2.5 模具材料的选择冷挤压模具是在极其恶劣的条件下工作的，工作应力高达200250kg/，在连续工作条件下变形热与摩擦热可使温度高达300左右，同时模具还要经受流动金属的强烈冲刷，因此模具材料必须具备以下的基本性能： 高强度； 高韧性； 高耐压能力； 高耐磨性； 足够的耐热性； 良好的工艺性能；常用冷挤压模具材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高碳高铬模具钢、高速钢、硬质合金钢及部分合金结构钢。本设计中，考虑到毛坯20Cr变形抗力大，组合凹模内层采用模具钢Cr12MoV，外层也采用Cr12MoV，其热处理硬度为HRC60HRC62。凸模采用Cr12MoV，其热处理硬度为HRC60HRC62。上下垫块采用T10A碳素工具钢。为了达到硬度要求，除材料要选用适当外，还必须正确选择和制定热处理工艺。3 挤压力的估算及挤压设备的选择冷挤压的挤压力是设计模具是设计模具的基础，选择设备的依据，并可借以衡量挤压成形的程度。因此，挤压力是一个重要的参数。3.1 影响单位挤压力的主要因数在工程计算中，常用单位挤压力来表示，单位挤压力就是压力机通过模具施加于毛坯单位面积上的平均作用力，它与变形抗力的概念是不相同的。变形抗力是毛坯反抗于模具作用的反作用力，但是两者的大小相等，方向正好相反。因此，影响变形抗力的因素可以认为就是影响单位及压力的因素。影响单位及压力的主要因素有： 材料的性质金属材料经过软化处理后，其抗拉强度和硬度都显著下降，因而变形抗力降低。因此，在挤压前，对毛坯进行软化处理是降低变形抗力的有效措施。 变形方式断面缩减率相同时，反挤压的单位及压力最高，正挤压实心件比反挤压底 变形程度变形程度增加，变形抗力不断增加，单位及压力随着增加。 挤压速度挤压速度对挤压的影响为：当断面缩减率40%时，热效应的影响越来越大，毛坯温度升高，加工硬化得到一定程度的软化。因此，随着挤压速度的增加，单位及压力减小。国内外资料及有关试验指出，要制成齿形的精密形状，必须采用较高的变形速度才能挤压成形 模具几何形状；挤压模的凸模和凹模形状，对单位挤压力有很大的影响。模具设计得合理，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，还能减少单位挤压力。对于正挤压凹模，在成形零件结构允许的情况下，正挤压凹模的出口做成锥形。本设计组合凹模设计如图3-1 图3-1 组合凹模示意图 本设计中的凹模锥角的大小取120，因为当=120，单位挤压力最小，大于或小于120时，单位挤压力皆较大。 毛坯高度；毛坯高度的变化，影响到毛坯与凹模真实接触面积率的改变，进而影响摩擦阻力的变化。 润滑状态良好的润滑状态，可使真实接触面积率大大减小，因而单位挤压力较低。正挤压实心件时，润滑状态对单位挤压力的影响如表3-1.表3-1 润滑状态对单位挤压力的影响润滑状态无润滑全损耗系统用油镀锌镀铜磷化磷化加石灰水磷化加皂化单位挤压力10.950.750.630.560.550.503.2 冷挤压力的估算及压力机的选择冷挤压时的挤压力可采用公式为：F =c其中：F总挤压力，kN；单位挤压力（MPa），查20Cr合金钢P950MPa；挤压的作用面积，c安全系数，考虑到挤压材质的波动、软化、润滑处理等因素的影响，一般取c1.3，取c=1.5F=cPA =1.5950=1370.3KN根据挤压力和挤压所需行程以及考虑加工中的冲击载荷和各种不确定因素，以及装模高度选取压力机。选取压力机型号：J87160型偏心式传动冷挤压机其主要参数： 公称压力1600KN滑块行程230mm工作行程25mm行程次数34次/min最大封闭高度385mm主电机功率30KW4 模具结构设计4.1 凸模的设计在冷挤压模具中，凸模是最关键的零件之一。凸模在冷挤压过程中，承受的单位挤压力最大，极易磨损与破坏，合理的凸模设计，可以改善金属的流动，减小挤压力，延长模具的工作寿命。正挤压凸模分实心件与空心件两种凸模，本设计中的花键轴属实心件，单位挤压力较小，故采用不带工作带的圆柱形凸模（JB/T 91961999）,其基本设计如图4-1。图4-1 凸模凸模采用Cr12MoV，其热处理硬度为HRC60HRC62。4.2 凹模的设计4.2.1 凹模形式的确定用工具钢制成的整体凹模只适用于简单形状的纯铝、紫铜等零件的挤压。这种凹模并不经济，强度不够，往往在高的单位挤压力的作用下，发生凹模的切向开裂。为了提高凹模的承载能力，组合凹模得到广泛采用。当P1100MPa时，采用两层组合凹模。本设计中，20Cr由于单位挤压力较小，约为950MPa，故采用两层组合结构。如图4-2.图4-2 组合凹模形式4.2.2 凹模的尺寸计算 两层组合凹模各圈直径的确定参照图4-1，组和凹模各圈直径关系有：=/=46即=（46）2本设计组和凹模各圈直径为=17.6mm, =40mm, =80mm 径向过盈量与轴向压合量的确定在确定了各圈直径之后，便可以确定处的径向过盈量（双面）与轴向压合量。计算公式如下：=其中： _内层凹模的外径，mm；_处得径向过盈量（双向），mm；_径向过盈系数；处的轴向压合量，mm；处的轴向压合系数。与可从图4-3， 图4-4中查出。图4-3 径向过盈系数与直径比的关系图4-4 轴向压合系数与直径比的关系（=1.5）查的0.085，0.165，则：0.085400.34mm0.165406.6mm4.2.3 凹模结构形状设计 本设计将凹模分为两段，示意图如4-5图4-5 凹模其中+（35）mm0.7(24)mm毛坯的高度=51mm，=35mm，=17.6mm。在本设计中,取=3mm，=3mm ，计算得:=58mm=13mm 毛坯与凹模间隙的确定 毛坯与凹模的间隙值不应过大，如果间隙太大，挤压时凸模因受到不均衡的偏心载荷而折断。因此，毛坯与凹模间隙值控制在0.1mm。毛坯的直径为17.5mm，故凹模腔的直径为=17.6mm。 组合凹模齿形工作刃的设计本设计中的凹模锥角的大小取120，因为当=120，单位挤压力最小，大于或小于120时，单位挤压力皆较大。工作带的高度=3mm。渐开线花键轴的齿数按标准取z=8，模数m=2，压力角为30全齿高：h=2.4mm，齿厚：s=m/2=3.14mm.齿形工作刃俯视示意图如下：根据以上数据设计出的上凹模如图4-6，组合凹模如图4-7.在组合凹模中，为了方便装配，内镶块的外径面的锥度角为1.5.图4-6 上凹模图4-7 组合凹模在组合凹模中，一般情况下，在凹模内镶块压入接触平台后，仍露出0.51mm，所以，实际露出高度应比理论计算的轴向压合量要大0.51mm，在本设计中取1mm，如图4-8.图54-8 轴向压合量比实际多1mm4.3 上模部分结构设计4.3.1 结构形式模具上模部分结构形式的确定，主要取决于模板结构和凹模的紧固方法。本设计采用模柄结构形式。4.3.2 垫块及固定设备 垫块挤压式凸模要承受较大的工作压力，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，防止上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，设一块工具钢淬硬的垫块，提高凸模的稳定性及寿命。由于凸模垫块是承受较大集中载荷和传递压力的重要工作零件，垫块的面积必须足够大以便适当的分布载荷。设计时，凸模底面的压力希望控制在凸模工作压力的1/31/4，即237.5320MPa，据此决定垫块的平面尺寸。垫块的厚度一般在1530mm。本设计中，由于单位挤压力较小，上垫块、下垫块的厚度均为15mm。为了防止垫块的弹性变形和塑性变形，选用优质碳素工具钢T10A，热处理到较高的硬度5660HRC，并使垫块承受的压力小于选用材料的许用压应力。如图4-9图4-9 上垫板与下垫板 固定设备本设计中采用锁紧螺母和压紧螺帽固定上模座。上模结构示意图如图4-10.图4-10 上模结构示意图4.4 导向装置冷挤压模具工作部分的准确导向，可使凸模在工作对准中心，减小由于偏心负荷时产生的弯曲力矩损坏凸模的危险，并能提高挤压件的精度。对导向装置设计的基本要求：结构合理；导向准确可靠；导向作用发生在挤压开始之前，并在整个过程中实行导向；导向部分与工作部分之间的配合间隙合理。本设计采用吊杆与小导套来进行导向，类似于导柱导套导向，如图4-11所示。图4-11 导向装置其中，吊杆的个数为3个，均匀分布在上模座，并于安全套相连接，结构较合理，导向精度也叫好，根据设计的要求，按JB/T7650.1，选用A10x120的吊杆，吊杆的基本尺寸如图4-12所示。图4-12 吊杆再根据吊杆的尺寸查的配合的小导套，选用型号10x10JB/T7645.3,图5-13为其基本尺寸。图4-13 小导套为保证使用中的安全性和可靠性，设计与装配模具时，还应注意下列事项：当模具处于闭合位置时，导柱上端面与上模座的上平面应留1015mm的距离；导柱下端面与下模座下平面应留25mm的距离。导柱套与上模座上平面应留不小于3mm的距离。4.5 卸料方式的确定因为毛坯整个外径长度上都要制出渐开线花键,设计时可以采用一个接一个往下挤出的贯通挤压方式,花键轴可从下模座直接下出料.这不仅提高了生产率,而且挤压件无余料,节约原材料并提高了工件质量,还避免了顶出工件时与凹模的再次摩擦.综上,设计模具的总体结构示意图为4-14：图4-14 模具总体结构示意图5 凹模压圈紧固螺栓计算本设计中计算压力为1370.3KN，一般情况下，压圈与下摸座的压紧力为所需挤压力的10%左右。在压板上平均分布六个螺栓来固定，螺栓材料选择45钢，并调质处理，用下列公式计算：其中： 量应力，N/；F总拉力，N；d螺栓的直径，mm；许用应力，N/，查45钢为250.代入计算得：d16.50mm，选择螺钉为M18. 6 凸模、凹模失效形式及分析6.1 凸模失效形式及分析6.1.1凸模失效的原因冷挤压模具工作条件极其恶劣：挤压时凸模受拉、压和弯曲的综合作用，受力状态十分复杂；同时，冷挤压模具工作时温度升高，不工作时温度下降，模具承受冷热交变应力的作用。分析其原因有：应力集中显著影响凸模寿命；在用于挤压钢件的许多凸模上，在第一次加载循环后就已经形成裂纹。6.1.2 凸模的失效形式冷挤压凸模的损坏形式主要有断裂、变形、压碎和磨损等。6.2 凹模的失效形式冷挤压凹模不像凸模那样容易损坏，常见的凹模破损形式有横向裂纹、纵向裂纹、疲劳裂纹、角裂纹和剥离等。7 计算挤压模的闭合高度及压力机的校核通过计算模架的闭合高度，校核所选的模架是否合适，再配合前面的挤压工序压力等参数进一步校核压力机。7.1 模具闭合高度的计算模具的闭合高度H是指滑块在下止点位置时，上模座上平面与下模座下平面之间的距离，即：式中： 上模座厚度，170mm 下模座厚度，70mm 上凹模厚度，40mm 组合凹模厚度，30mm压紧螺帽与定位套的配合高度，10mm 下垫板厚度，15mm安全高度，12mm所以H=347mm。7.2 校核压力机压力机的公称压力必须大于或等于挤压力，再根据模具的闭合高度，这两部分综合起来选择合适参数的压力机。本设计选取压力机型号：J87160型偏心式传动冷挤压机其主要参数：公称压力1600KN滑块行程230mm工作行程25mm行程次数34次/min最大封闭高度385mm主电机功率30KW由J87160型偏心式传动冷挤压机的技术参数，综合以上的计算说明J87160型偏心式传动冷挤压机符合本设计的要求，所以可行。8 总结时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经近两个个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕，敬请各位老师对我做的设计进行最后的检查。在这次毕业设计中通过参考、查阅各种有关挤压模方面的资料，请教各位老师有关挤压模方面的知识，特别是花键轴挤压模在实际应用中可能遇到的具体问题，使我在这短暂的时间里，对挤压模的认识