套筒挤压成型模具设计

1、题目：套筒扳头挤压成型模具设计与制造学生姓名系（部）机械 专 业指导教师2014年6月7日摘 要根据热挤压成形理论，针对套筒扳头自身用量大、结构简单的特点，采用模锻中的热挤压成形工艺进行加工。以热挤压成形工序和模具的结构设计基础先设计出一套模具，再借助Deform软件对成形过程进行了模拟、分析。了解成形过程中金属的流动规律及应力的分布情况。对工艺参数进行优化，得到一组最适合于制造模具的工艺参数，这组参数不仅有效的降低模具使用中的锻造力还提高了模具的寿命。关键词：套筒扳头模具设计热挤压成形模具制造Deform分析AbstractAccording to the theory of Socket

2、Wrench Extrusion forming , The Socket Wrench can be processed in hot extrusion forming by upset-die for large amounts and simple structure characteristic. The structural of hot extrusion forming mould can be designed based on hot extrusion forming process, and then numerical simulation and analysis

3、of hot extrusion forming process may be done by using DEFORM software. Meanwhile the rule of metal forming flow and the distribution of stress can be realized. The most suitable parameters for mould manufacturing can be gotten from optimizing process parameters. this group of parameters is not only

4、to reduce forming force and also enhanced the life of extrusion die .Key words:Socket wrench die designhot extrusion formingmold manufacturingDeform element目录前言1第一章 绪论2第一节 本课题的目的和意义2第二节 本课题的主要研究内容及技术要求2一、套筒扳头的制造工艺确定2 二、套筒扳头的模具设计2 三、DEFORM的优化分析2第三节 小结3第二章 套筒扳头热挤压模具设计3第一节 热挤压工艺概述3第二节 热挤压工艺中的重要工艺参数6第三节

5、 套筒扳头热挤压成型工艺方案的确定7 第四节 热挤压的质量问题及预防10一、 磨损10二、 热疲劳裂纹10 三、 破裂10 四、 模具发生塑性变形10第五节 毛坯的尺寸计算11第六节 热挤压力的计算12第七节 小结13第三章 热挤压模具的结构设计13第一节热挤压模具材料的选择13第二节模具设计15一、 凹模的设计与计算15 二、上凸模的设计与计算16三、 下凸模的设计与计算18 第三节 小结19第四章 Pro/E 3D 建模20 第一节Pro/E 3D 建模20 第一节 小结22参考文献23致谢24前言现代工业的迅猛发展使挤压技术得到越来越广泛的应用，对挤压模具的设计与制造的要求越来越高。我们

6、都知道挤压模具是挤压生产的主要工艺准备，它的设计是否合理对挤压件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等影响很大。所以说提高挤压模具的设计水平和挤压模具的各项技术指标，对现代工业的发展使十分必要的。挤压模具设计广泛应用于机械、汽车、五金制品等行业中。由于金属材料的冷、温、热变形，所以挤压模具分为冷挤压模具、温挤压模具、热挤压模具，从设计中可以看出是热挤压模具的设计。热挤压模具一般都是由模架、导向装置、紧固装置、卸料装置、冷却装置和热加压模具工作部分（凸模和凹模等）组成。它一般将坯料加热到热锻温度，所获得的热挤压件具有良好的力学性能。生产实践证明，热挤压是一种生产效率高、劳动强度低、加工质量好

7、、省料、省工和成本低的金属压力加工方法。这种先进的加工方法，可以取代或部分取代金属切削加工，为机械加工实现少无切削创造了条件。 制定套筒扳手的热挤压成形工艺，坯料加热温度的确定，成形过程中的润滑计算热挤压力，挤压速度，运用CAD技术实现成形模具CAD建模，并采用有限元软件DEFORM-3D实现套筒扳手的挤压成型模拟和分析，运用ProE 3D进行建模，提高了自己的动手能力，互相请教，巩固了自己所学的知识，并且运用好学院的图书馆书籍。第一章 绪论第一节本课题的目的和意义应用3D-CAD软件实现套筒扳头挤压模具设计，并采用有限元软件DEFORM-3D实现套筒扳头挤压成形模拟与分析技术是当前比较先进的

8、CAD/CAE设计，仿真理念。集合本专业知识，通过该项目的研究与实施，培养学生运用3D-CAD软件进行挤压成形模具设计及其成形分析，提高综合素质设计，分析能力及解决生产实际问题的能力，加强和提升所学专业知识，同时拓展专业广度，符合我校应用型人才培养模式。第二节 本课题的主要研究内容及技术要求1学习，掌握套筒扳头热挤压成形工艺流程；2学习理解挤压模具相关参数的计算与分析，运用CAD技术实现成形模具CAD建模；3熟练掌握DEFORM-3D有限元软件及其应用技术；4模拟，仿真挤压成形过程，分析影响正常成形的因素，对成形模具设计进行优化，最后进行模具制作。一、 套筒扳头的制造工艺确定针对套筒扳头自身的

9、特点，利用热挤压成形理论，制定套筒扳头热挤压的成形工艺。二、 套筒扳头的模具设计结合套筒扳头用量大结构简单的特点，设计热挤压制造套筒扳头，其中以模具结构的设计和模具制造为重点。模具设计包括成形工艺方案的确定、毛胚尺寸的计算、挤压力的结算、模具各部分零件尺寸的确定、模具材料的选取、模具的强度及寿命的校核。三、DEFORM的优化设计模具按照理论依据和经验公式进行设计，得出的模具结构不一定为最优。再利用Deform对其分析优化，改变其中结构工艺参数，使其工作应力尽量降低，提高模具的寿命，再用Deform分析的到的最优的资料去指导模具的生产。第三节 小结本章概述了套筒扳头的特点及其制方法，并要利用De

10、form软件对模具成形过程进行分析，从而指导模具的生产。第二章 套筒扳头热挤压模具设计第一节 热挤压工具概述所谓热挤压就是在挤压前将毛坯加热到金属再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压（见下表21），从而获得所需要的热挤压件的一种加工方法。一般碳钢的热挤压加工温度区间见图21所示：表2-1金属的再结晶温度金属再结晶温度（）熔点（）Pb室温以下Sn室温以下232Zn200Mg150650Al150660Cu2001083Ni6001455Fe4501539C 0.1%钢580600C 0.25%钢600630%钢630650图2-1 碳钢的加工温度区域由图2-1可见热挤压时，毛坯是在很高的压应力作

11、用下产生塑性变形。所以包括高温下塑性很低的材料，均可以承受很大的变形而不发生破坏。 热挤压工艺过程包括：毛坯的制备毛坯预热和加热涂敷玻璃润滑剂挤压卸下模具（凸、凹模）、芯棒，清除制件上的玻璃润滑剂精加工。挤压可以分为两大类：正挤压和反挤压。正挤压的特点是被挤压金属的流动方向与凸模（冲头）的运动方向一致，而凹模则是固定不动的。如图22 ：图2-2正挤压过程示意图(a) 凸模接触热料，金属坯料开始流动(b) 凸模完成挤压，滑块回到 下死点位置(c) 凸模向上运动，离开挤压件反挤压的特点是金属流动方向与凸模的运动相反。采用反挤压能制成圆形、正方形、矩形以及其它形状的空心零件。如图23图2-3反挤压过

12、程示意图(a) 凸模接触热料，金属坯料开始流动(b) 凸模完成挤压，滑块回到下死点位置(c) 凸模向上运动，离开挤压件 热挤压基本上有如下几种形式如图24所示。其中a、c、d的形式应用最广。a应用于挤压筒形零件，c应用于挤压管形零件，d应用于棒形零件。b也是应用于挤压棒形零件，此形式由于毛坯相对于挤压筒壁没有滑动，所以摩擦力比d小，而且一般情况下不采用。但是近来这种形式有时也用于挤压有色金属零件。图2-4 挤压方式a) 深孔反挤压 b)实心反挤压 c)空心正挤压 d)实心正挤压热挤压工艺是先进的金属压力加工方法之一。挤压件的机械加工余量较小，表面质量和尺寸精度也较高，热挤压件的表面光洁度高，尺

13、寸精度也可达IT6-7级。因此，在零件要求不太高的情况下，热挤压件无需再进行机械加工，从而可以节约大量的金属材料和机加工工时，因此热挤压加工工艺是一种很有发展前途的金属加工方法。第二节 热挤压工艺中的重要工艺参数在热挤压成形过程中，坯料的加热温度、润滑条件、挤压速度及模具的过渡圆角等都对热挤压成形起着关键的作用。一、坯料加热温度的确定在热挤压前毛坯要先要预热，目的是防止毛坯晶粒粗大，表面产生裂纹，提高生产率和节约能源。一般来说，在保证金属坯料不产生过烧和过热的前提下，总是希望被挤压金属的坯料温度愈高愈好，金属的塑性就越好，也就更容易金属坯料的变形。但是金属坯料的加热温度不能无限的高，因为金属坯

14、料的加热温度过高，不仅会产生严重的氧化和脱碳，而且还可能出现过热和过烧现象。因此，金属坯料的加热温度，必须严格控制在一定的范围内，通常是将金属坯料的加热温度控制在低于金属坯料熔化温度150250 之间。二、成形过程中的润滑润滑剂选用的合适与否直接影响热挤压工艺的成败。对于钢，使用各种各样的玻璃粉或者玻璃纤维作润滑剂。它们不仅起润滑作用（摩擦系数0.033），还在毛坯和模具之间起隔热作用。根据热挤压工艺特点，一般要求润滑剂有如下性能：（一）具有良好的润滑性能在热挤压时，为使坯料与模具隔离，避免两者的直接接触，帮助金属流动、提高金属的填充性，降低挤压力，因此要求润滑剂在热挤压温度范围内要具有良好的

15、润滑性能。（二）具有良好的脱模性能在热挤压时，模具的温度一般在200300，有时甚至高达400-500，而挤压件的温度远高于模具温度，当挤压过程结束时，如果润滑剂具有良好的脱模性，则挤压件与模具可即刻分离出去，从而减少了挤压件传到模具上的热量，也就控制了模具的温升。三、模具材料的选用热挤压模具在材料的变形过程中，要经受高的变形抗力和热应力的综合作用，单位压力可高达20002500Mpa,连续生产时模具温度可以高达到500-600甚至更高，因此在进行工艺设计时，模具材料应满足下列要求：四、成形设备特点在钢质机械零件的热挤压过程中，目前越来越多地采用专用的热挤压设备，针对热挤压工艺生产的特点，用于

16、热挤压生产的设备应满足下列要求：（一）设备必须具有足够的强度和刚度（二）足够的打击能量和精确的导向（三）要有合适的挤压速度第三节 套筒扳头热挤压成型工艺方案的确定根据套筒扳手零件的结构特点以及热挤压工艺的要求，图2-5所示的零件图，此次毕业设计针对此零件进行了工艺分析，设计了一套可供生产使用的热挤压成形模具。图2-5 扳头零件图热挤压工艺方案可以如下图2-6所示：下料墩粗、锯平挤压成形图2-6套筒扳手热挤压工艺简图在套筒扳手成形工艺方案中，墩平工序后是要进行退火和磷化处理的。套筒扳手热挤压材料采用25号钢。生产套筒扳手的全部流程为：备料-原材料酸洗、磷皂化-拉拔-下料磷皂化-墩平-退火-酸洗、

17、磷皂化-成形-热处理（渗碳淬火或碳氮共渗）-包装入库。各主要工序工作特点分析：（一）准备 主要为后工序提供稳定的工作直径，以及低而稳定的材料硬度。（二）下料 本工序要求下料长度稳定，重量公差稳定在以内。（三）加热 为确保零件内孔对脱碳层的要求，坯料采用中频加热方式，在加热过程中应严格控制坯料的加热温度。（四）墩平 通过墩平工序消除马蹄形、压塌等缺陷，墩平上下断面并在上断面中心打出一中心窝，在下端面边缘形成倒角，为下道工序做准备。 （五）润滑 在生产过程中，将圆柱形毛坯表面涂上水剂石墨，然后感应加热至490，放入组合凹模的模具中。（六）成形 本工序所需要完成的是挤压内孔和下端的四方，采用一次反挤

18、压成形工艺，即杆部反挤头部正挤的复合挤压成形工艺可以解决上述问题，其工艺流程如图2所示。由于采用了六角头和四方头孔均反挤，坯料与凹模之间无相对运动产生的摩擦力，从而降低了挤压力。该方案模具结构简单，生产效率高 J31100型曲柄压力机活动横梁到工作台面距离为1250mm，行程长，凸模设计为中空结构，成形杆部的模腔在凸模上，可以完成脱模。套筒扳手热挤压工艺的生产过程是 :下料-加热-挤压-热处理-精加工。图2-7成型过程第四节 热挤压的质量问题及预防套筒扳手的热挤压是属于模锻中的热模。模锻工序的镦粗变形过程可能会产生以下一些缺陷，影响镦粗件的质量。所以要了解这些失效形式，才能有效的采取相应的措施

19、。常见的失效形式有以下几种。一、磨损磨损是模具与毛坯在高压下相对摩擦的结果，磨损使模具表面不平并且出现沟痕，这种沟痕有可能引起应力集中造成模具破裂。二、热疲劳裂纹热疲劳裂纹是由于模具表面热冷交替反复变化引起异符号的热应力的反复作用而产生的。热裂纹成龟裂状，多发生在模具的突出部，因为突出部容易急冷急热。当模具材料的导热性差，热膨胀系数大，使用温度范围和润滑剂选用不合适时，更容易产生热裂。磨损和热疲劳裂纹属于正常失效。三、破裂产生破裂的原因：（一）采用的模具材料冲击韧性低；（二）模块没有锻透，组织不均，甚至内部有缺陷；（三）热处理不当，有实效裂纹；（四）模块内的纤维方向安排不当。防止模具破裂，在设

20、计时应当考虑以下几点：（一）确保在模锻时，模具发生模锻时，模具内的应力值低于材料允许强度极限;（二）尽量减少应力集中情况；（四）多余能量的吸收问题；（五）选用适当的模具材料并对模块的锻造和纤维方向的布排提出要求。四、模具发生塑性变形模具发生塑性变形的原因是因为模具的硬度过低或锻件的变形抗力过大所引起的。热短时由于冷却不好，模具温升较高，引起模具退火而变软。而当坯料温度过低时锻件的变形抗力便会增大。第五节 毛坯的尺寸计算根据零件确定毛坯为圆棒料，规格为45X71mm。就能确定毛坯的形状如图28： 图2-8零件毛坯形状图首先根据挤压件图计算出套筒挤压件的重量为0.163kg,挤压件的重量加上1%的

21、烧损率（由于采用中频感应加热），再加上1%的锯边重量：即毛坯的重量=挤压件的重量×（1+1%+1%）再根据毛坯与零件质量不变原理有：V=V×105 mm 3选用毛坯的规格为45×71 mm×105 / R=71 mm采用热挤压成形工艺，需对材料的许用变形程度进行验证，许用变形程度用断面收缩率 来表示挤压过程中毛坯的变形程度为:% （1） 完全满足要求式中 -断面收缩率 -许用断面收缩率-挤压前毛坯与凹模的接触面积（） -挤压后毛坯与凹模的接触面积（）第六节 热挤压力的计算已知挤压方法为反挤压，被挤压的材料为25钢，终挤压温度不低于900，查得900时25

22、钢的抗拉强度b为77Mpa，挤压力可采用经验公式计算如下： F反kb×××77 d-反挤压模凸模直径（mm） k-校正系数（d/t）其中t=挤压件壁厚b-挤压终了温度时材料的极限强度（Mpa）结合Deform优化分析得挤压力=1515N根据挤压力和挤压所需行程选取3150KN的万能液压机。3150KN的万能液压机的参数如下;液压系统最高工作压力P=32MPa，在本系统中选用P=25MPa；主液压缸公称吨位3150KN；主液压缸用于冲压的压制力与回程力之比为8%，塑料制品的压制力与回程力之比为2%，取800KN；顶出缸公称顶出力取主缸公称吨位的五分之一，取650KN

23、；顶出缸回程力为主液压缸公称吨位的十五分之一，210KN行程速度主液压缸 快速空行程 V=50mm/s 工作行程 V=10mm/s 回程 V=50mm/s顶出液压缸 顶出行程 V=50mm/s 回程 V=80mm/s经过DEFORM-3D优化分析，压力机的工作速度=260 mm/s， 热挤压温度=260因为该零件在挤压成形过程中所需的任意参数都在3150KN的万能液压机的公称范围内，因此选用3150KN的万能液压机是能满足要求。第七节 小结本章阐述了有关套筒扳手热挤压的有关基础知识和需要注意的有关问题，并且确定了套筒扳手热挤压成形的工艺方案，热挤压中常见的问题及解决方法，毛坯的体积，热挤压力的

24、计算和压力机的选择。第三章 套筒扳头热挤压模具设计第一节 热挤压模具的材料选择对于热挤压模具，由于其工作环境十分恶劣，在挤压生产中长时间的承受高温、高压、强摩擦及循环载荷的冲击作用，导致模具使用寿命低且损耗大，通常模具费用占挤压生产成本的1015。因此，延长模具寿命，降低模具成本，是挤压生产过程中，人们最为关心的一个重要问题。一、热挤压模具材质选择条件实践证明，模具的寿命不仅与挤压工艺、模具设汁制造工艺过程有关，而且还与模具的材质选择有重要的关系。俗话说“先天不良，后天难以改良。”便是这个道理。大量的事实说明，对于热挤压模具的材质，必须具备以下条件：（一）具有足够的高温强度。即模具材料在500

25、以上温度范围的挤压变形过程中，能承受高温、高压作用，不发生屈服变形和断裂，保证挤压制品获得所需尺寸精度。（二）具有良好的抗磨损性能。即在高温、强摩擦的挤压条件下，模具材料能抵抗金属制品长时间的、高速的、激烈的摩擦作用，而不过早出现磨损，尤其对模具工作带表面更显重要。（三）具有足够高的抗疲劳性。在挤压过程中，模具能承受周期性循环载荷作用而不发生断裂损坏，因此，模具材料必须具备良好的抗冲击韧性。（四）具有良好的导热性能。热挤压模具处于高温挤压变形过程中，由变形金属产生的大量变形热及模具与变形金属之间产生的摩擦热，直接传递给模具导致温度升高，为防止模具局部出现“过烧”现象，模具材料应具有良好的导热性

26、能，能向外快速地散发热量。（五）具有良好的热处理淬透性和可氮化性。即模具材料在热处理过程中，应保证模具的强度、力学性能均匀一致。同时，模具在使用过程中，可多次进行表面氮化处理，提高模具表面强度的耐磨性。除此之外，模具材料还应具有良好的抗回火稳定性，良好的抗腐蚀性，较低的膨胀系数，良好的工艺制造性能，以及价格的合理性等。在上述性能中，模具材料的高温强度、抗磨损、抗热疲劳、热处理淬透性及良好的工艺制造性能，是模具材料选择的首要条件。二、热挤压模具材料与性能热挤压模具材料，主要是在含碳量为03045的钢中，添加W，Mo，V，Cr，Ni等合金元素的高合金亚共析钢。添加上述合金元素，可提高模具的高温强度

27、、耐热性、抗热磨损等性能。目前，我国用于热挤压生产的模具材料，基本上：是3Cr2W8V，4CrSMoSiVl等高温耐热钢。对于3Cr2W8V模具钢，其特点是有较好的高温强度，但存在较高的脆性和热裂性，不适合用于挤压断面形状复杂的铝合金制品挤压模具。4CrSMoSiVl(即H13)模具钢，是近年来国内外广泛用于热挤压铝合金等制品的一种模具材料，其特点是：具有良好的抗疲劳性能和综合机械力学性能，同时又具有良好的热处理淬透性。因此，在这套模具中的凸凹模我们选用4CrSMoSiVl(即H13)模具钢。模柄40Cr上模板:45下模板:45凹模压紧圈:40Cr凸模:H13凹模:H13凸模压紧圈:40Cr导

28、柱:20导套:20第二节 模具的设计结合经验公式和DEFORM-3D优化分析的结果设计凸模和凹模的形状，计算凸模和凹模的尺寸。一、凹模的设计与计算凹模形状设计如图3-1图3-1凹模（）凹模的内腔直径D=De（1+）=64×（1+1.4%）=De-挤压件外径-热挤压见冷却时的收缩率；取=1.2%1.5%（）凹模底部外径D5D5=(2.53.0)D =(2.53.0)×64.9=（）D1=De(1+)=45×(1+1.4%)=（4）凹模冷却槽内径D2D2=D4+(020)=142 mm（）凹模底部垫板直径：D4D4=D5-(2030)=121 mm（）凹模型腔入口处的

29、圆角半径RR=25mm,取3mm（）h1=82.4 mm（）h5=31.6 mm（）=5°10°°.（）冷却槽的高度h=(710)mm, 取10mm（）凹模型腔底部的第一道冷却槽端部的高度h2=(0.70.8)×h1=50 mm（）凹模型腔底部的第二道冷却槽端部的高度h3=(0.30.4)×h1=20 mm（）冷却槽之间的壁厚h4=30 mm（）凹模总高度H=90 mm凹模与凹模的配合间隙见表3-1表3-1凹模与凹模配合间隙凹模直径或尺寸挤压下列合金用的圆形孔挤压下列合金用的异形孔铝合金铜合金铝合金铜合金<2020404060601001

30、00160二、上凸模的设计与计算上凸模的形状和尺寸如图32所示图3-2上凸模在设计反挤压凸模行状和计算其各部分尺寸时，首先必须满足挤压件图的要求，在确定凸模工件直径的基础上，才能计算出其余各部分的尺寸。（）模的工作直径d=D+DD-挤压件直径-钢的收缩率为1.2%1.5%d=52+1.4%×52=（）× =50.092 mm（）凸模端部直径d2=(0.50.7)d=（0.50.7）×=30 mm（）凸模紧固部分高度h =36 mm（）凸模工作部分高度h1=(0.30.5)×=30 mm（）凸模紧固部分直径D=60 mm（）凸模紧固部分锥度=10°

31、;15°取=13°（）凸模自由部分高度H=（27）d1=(27)×取H=115mm（）凸模工作锥角=120°160°，取=127°（）凸模过渡部分圆角半径R=(0.10.2)d× 取R=6mm反挤压凸凹模的材料，一般可以用H13和 5C1MnMo，热处理硬度为5055HRC，模具寿命一般可适3000件左右。三、下凸模的设计与计算下凸模的形状及尺寸如图3-3所示图3-3 下凸模（1）工作长度d=D+D=20+1.4%×20=（2）工作部分高h=20mm（3）d1=45mmd2=(23)×20.28=40.5660.84 取d2=50mm凸模固定板尺寸：450×400×30凹模固定板尺寸：450×400×40图3-4扳头模具图1-模柄 2-上凸模 3-卸料板 4-弹簧 5-锁紧螺钉 6-工件 7-凹模 8下凸模 9-下模板 10-凹模压紧圈 11-导套 12-导柱 13-上模板工作状态在开模时下料，