轴承套温挤模具设计及数值模拟

1、轴承套温挤模具设计和数值模拟摘要挤压作为一种高效的精密加工技术近年来在现代工业中正发挥 着 越 来 越 重 要 的 作 用 。挤 压 可 分 为 热 挤 压 、冷 挤 压 、温 挤 压 三 种 。其 中温挤压对无论热挤压还是冷挤压都有一定的优势。和冷挤压相比， 它 需 要 的 压 力 小 ；和 热 挤 压 相 比 ，它 的 氧 化 不 严 重 。本 设 计 即 采 用 了 温 挤 压 技 术 并 充 分 利 用 了 这 些 优 势 。这 次 设 计 的 内 容 是 轴 承 套 的 温 挤 压 。作 为 机 械 工 业 中 常 用 的 轴 承 套 ，要 求 有 很 高 的 力 学 性 能 ，因

2、此 使 用 普 通 的 低 碳 钢 无 法 满 足 轴 承 套 使 用 的 需 要 ，需 要 使 用 比 较 硬 的 中 碳 合 金 钢 材 料 ， 因 此 本 设 计 选 择 了 40 ， 对 于 这 样 的 材 料 只 有 使 用 温 挤 压才能很好的完成它的成型过程。本设 计采 用了复合挤 压，模具均采 用 451 材料制造 。这是一 种合 金 工 具 钢 ，具 有 很 高 的 硬 度 ，同 时 它 还 有 很 好 的 红 硬 性 。这 很 好 的 满 足 了 轴 承 套 温 挤 压 要 求 温 度 较 高 的 需 要 。本 课 题 完 成 了 轴 承 套 的 温 挤 压 的 整 套 模

3、 具 的 设 计 ，对 温 挤 压 模 具 的 各 个 零 件 都 进 行 了 设 计 ，并 给 出 了 详 细 的 设 计 过 程 。本 套 模 具 采 用 了 7 级 精 度 生 产 ，生 产 出 来 的 毛 坯 还 需 要 进 行 机 加 工 。这 里 还 给 出 了 每 个 零 件 的 硬 度 和 各 种 零 件 之 间 的 配 合 公 差 以 和 形 位 公 差 以 确 保 挤 压 出 精 度 合 格 的 工 件 。本 设 计 是 严 格按照有关标准进行的合理科学的设计，并进行了科学的数值模拟， 模 拟 结 果 显 示 ，此 次 设 计 能 够 满 足 相 关 工 件 的 成 型 要

4、 求 。此 外 ，本 人 还利用数次模拟结果对模具进行了一系列优化设计。关键词：轴承套，温挤压，模拟，模具设计a . , , . .ffs .,s, 40 .a , S 451. a,S .S ,a .7,sS., Ia .III / 33目录、八前言挤压技术作为一种现代压力加工技术在现代工业中发挥着越来 越 重 要 的 作 用 ，它 以 较 高 的 生 产 效 率 和 较 高 的 加 工 质 量 正 成 为 现 代 工 业 加 工 技 术 的 新 宠 儿 ，而 且 现 代 工 业 的 迅 猛 发 展 使 挤 压 技 术 得 到 了 越 来 越广泛 的应用,对挤压模 具的设计 与制造 的要求越

5、 来越高.由于掠 夺 模 具 是 挤 压 生 产 的 主 要 工 艺 装 备 ，所 以 其 设 计 是 否 合 理 对 挤 压 件 的 表 面 质 量 、尺 寸 精 度 、生 产 率 以 和 经 济 效 益 等 影 响 很 大 。因 此 提 高 挤 压 模 具 的 设 计 水 平 和 掠 夺 模 具 的 各 项 技 术 指 标 ，对 现 代 挤 压 工 业 的 发 展是十分必要的。挤压 是金 属压 力加工 的一 种少 切削 和 无切 削加 工工 艺 。它 是 将挤 压 模 具 装 在 压 力 机 上 ，利 用 压 力 机 制 往 复 运 动 ，在 室 温 、中 温 或 高 温 下 使 金 属

6、在 三 向 压 应 力 状 态 下 发 生 塑 性 变 形 ，从 而 挤 出 所 需 尺 寸 、形 状 和 性 能 的 零 件 。挤 压 加 工 的 原 理 是 金 属 坯 料 处 于 三 向 压 应 力 状 态 下 变 形 时 ，能 大 大 提 高 金 属 的 塑 性 ，允 许 金 属 有 较 大 的 变 形 。挤 压 工 艺 不 仅 可 以 成 形 各 种 复 杂 的 零 件 ，而 且 还 使 低 塑 性 金 属 和 合 金 有 成 型 加 工的可能性；挤压工艺既可用于成批生产有色金属与黑色金属零件， 也 可 用 于 制 造 模 具 的 形 腔 。挤 压 有 两 种 分 类 方 法 ，一

7、种 是 按 挤 压 坯 料 的 温 度 分 为 冷 挤 压 、热 挤 压 、和 温 挤 压 ；另 一 种 是 按 金 属 流 动 方 向 和 凸 模 运 动 方 向 的 关 系 分 为 正 挤 压 、反 挤 压 、复 合 挤 压（ 正 、反 挤 压 复 合 ）、 径 向 挤 压 、 斜 向 挤 压 和 镦 挤 等 。虽然 大家 知道 挤压技 术是 一种 少无 切 屑的 压力 加工 技术 ，它具有 生 产 效 率 高 ，生 产 出 来 的 工 件 力 学 性 能 好 等 优 点 。但 以 往 对 它 的 利 用 主 要 限 制 在 冷 挤 压 和 热 挤 压 两 种 加 工 方 法 上 ，冷 挤

8、 压 和 热 挤 压 顾 然 有 它 们各自 的优 点，但同 时它们也有 各自 的 缺点 。 温 挤压是针对 冷挤 压 和 热 挤 压 的 各 自 的 不 足 之 处 ，同 时 充 分 利 用 它 们 各 自 的 优 势 而 发 展 起 来 的 一 种 挤 压 新 工 艺 。金 属 材 料 的 冷 、温 、热 变 形 通 常 是 以 金 属 成 形 过 程 中 的 加 工 硬 化 、回 复 和 再 结 晶 状 况 来 判 定 的 。金 属 塑 性 变 形 后 ， 材 料 处 于 加 工 硬 化 状 态 ，称 为 冷 变 形 ；金 属 塑 性 变 形 后 ，材 料 具 有 再 结 晶 组 织 ，

9、称 为 热 变 形 ；介 于 冷 变 形 与 热 变 形 之 间 ，材 料 处 于 回 复 状 态 ，称 为 温 变 形 。挤 压 工 艺 正 是 在 金 属 材 料 冷 变 形 、温 挤 压 、热 变 形 这三种状态下进行的，并按被挤压材料的温度分为冷挤压、温挤压、 热挤压三大类。冷挤压 由于 加工温度低 ，毛坯的变形抗 力非常大,因此在加 工工件 时 所 需 的 加 工 压 力 也 是 非 常 大 ，这 就 要 增 加 压 力 机 的 吨 位 ，同 时 降 低 了 模 具 的 使 用 寿 命 。同 时 因 为 它 的 每 道 工 步 的 变 形 量 较 温 挤 压 小 ，因 此它的变形工步

10、比较多,这就直接降低了生产效率。而热挤压由于工 件的加热 温度比较高,使得工件的氧化比较剧烈,并可 能造成胶碳,这 就 使得 加 工出 来的 工件有 很多 的缺 陷 ,而 且热 挤 压出 来的 工件 尺 寸精 度低,表面质量差。由于温挤压兼有冷、热挤压的优点，克服了冷、热挤压的不足之 处 ，因 此 温 挤 压 适 用 于 对 常 温 成 形 时 变 形 抗 力 高 、塑 性 差 、加 工 硬 化 激 烈 且 又 很 难 成 形 的 高 强 度 金 属 和 耐 蚀 耐 热 钢 、不 锈 钢 、铁 合 金 钢 和 含 铬 量 高 的 钢 等 材 料 的 加 工 ，更 适 合 于 形 状 复 杂 的

11、 非 轴 对 称 异 形 零 件 的 成 形 ，在 汽 车 、拖 拉 机 、发 动 机 、军 工 以 和 航 空 航 天 等 领 域 已 成 了 一 种 不 可 替 代 的 成 形 方 法 ， 目 前 在 国 内 , 对 于 黑 色 金 属 , 如 纯 铁 、 20 、 45 、 20 、 40、 15 、 123 、 30 、 213 、 1189 、 1824 、38、T10V 、T10A 、 12 、 W654V2 以和 140 等均可成功地进行温挤压。对 于冷挤压难于成 形 的 铅 黄 铜 59-1 ， 用 温 挤 压 成 型 的 效 果 也 较 好 。 因 此 我 们 应 该 相 信

12、 温 挤压 的 市场 前景 ，相信 在不 远的 将 来,温挤 压 将作 为一 种不 可 替代 的压力加工方法存在于我们工业的各个加工角落。为了 使挤 压件 具有 良好的 工艺 性，做到质量 好、耗材 少、成 本低， 能 够 经 济 高 效 地 制 造 。设 计 时 必 须 对 产 品 零 件 的 性 能 和 使 用 要 求 ，产 品 零 件 的 结 构 、形 状 、尺 寸 、公 差 和 所 采 用 的 材 料 等 进 行 全 面 的 分 析 。 例 如 ，产 品 零 件 的 材 料 是 否 适 合 挤 压 成 形 ；使 用 何 种 挤 压 工 艺 ；采 用 何 种 工 艺 路 线 ；确 定 可

13、 以 挤 压 成 型 的 部 位 和 要 留 余 量 由 切 削 加 工 完 成 的 部 位 ；需 要 改 变 的 尺 寸 注 法 和 工 艺 基 准 ；确 定 在 哪 一 种 设 备 上 进 行 挤 压 成 形 ；采 用 体 积 结 构 的 挤 压 等 问 题 。挤 压 成 形 的 过 程 中 ，挤 压 设 备 通 过 挤 压 模 具 对 挤 压 坯 料 施 加 挤 压 力 使 其 变 形 ，而 被 挤 压 材 料 对 模 具 施 以 反 作 用 力 以 反 抗 变 形 。如 果 模 具 的 承 载 能 力 大 于 挤 压 力 ，就 可 以 顺 利 地 挤 出 工 件 ，如 果 模 具 的

14、承 载 能 力 小 于 挤 压 力 ，将 使 模 具 损 坏 。 为 了 使 挤 压 能 够 顺 利 进 行 ，必 须 合 理 地 设 计 挤 压 工 艺 ；合 理 地 选 择 挤 压模具结构；设法降低挤压工艺力，提高模具的承载能力。因此，在挤压工艺设计时应考虑很多的问题，归 纳一下，主要为 以 下几点 ，1,选 用适合于挤压加 工的 材料；2,设计合理的、工艺 性良 好 的被 挤压 零 件结 构； 3,采 用合 理 的挤 压工 艺 方案 ，使 每道 工 序的 挤 压 力 均 不 超 过 模 具 的 承 载 能 力 ； 4, 选 择 合 适 的 坯 料 软 化 热 处 理 规 范 ； 5,采用

15、理想 的坯 料表面 处理 方法 与 润滑 剂；6,设 计并制造适合挤 压特 点 的模 具结构 ，既 保证产品质 量和操作安全 可靠，又具 有较 长的工 作 寿 命 和 较 高 的 生 产 率 ； 7, 选 择 合 适 的 模 具 材 料 和 热 处 理 方 法 ； 8, 选 择 适 合 于 挤 压 工 艺 特 点 的 设 备 。只 有 这 些 问 题 在 设 计 中 被 充 分 考 虑 了 ， 设 计 者 才 能 设 计 出 一 套 合 理 的 挤 压 工 艺 。但 只 有 这 些 还 不 能 设 计 出 一 套 很 好 的 模 具 ，模 具 的 设 计 也 要 考 虑 一 些 问 题 ：第

16、一 ，我 们 要 考 虑 挤 压 件 的 使 用 条 件 ，如 受 力 情 况 、工 作 温 度 、工 作 环 境 等 ；第 二 ，挤 压 件 的 性 能 要 求 ，如 强 度 、硬 度 、冲 击 韧 性 、金 相 组 织 等 ；第 三 ，挤 压 件 的 结 构 开 关 ，如 是 否 适 合 挤 压 工 艺 ，脱 模 是 不 否 有 困 难 ；第 四 ，挤 压 件 的 精 度 要 求 ，如 尺 寸 精 度 、位 置 和 开 关 等 ；最 后 ，挤 压 件 的 生 产 量，如长远的需要情况。由于本设计为温挤压，因 此，在 这里对温挤的发展略作叙述，总 体 来 说 ，我 国 最 近 几 年 的 温

17、 挤 压 研 究 发 展 比 较 迅 速 ，我 国 上 海 交 通 大 学洪慎章等人利用温挤压技术成形了一直靠进口的电机磁极和洗衣 机 制 动 轮 ；青 岛 理 工 大 学 田 福 祥 采 用 浮 动 的 上 凹 模 与 下 凹 模 对 合 结 构 ， 温 挤 压 成 形 了 33 马 氏 体 不 锈 钢 液 压 机 阀 瓣 ； 燕 山 大 学 张 立 玲 等 人 采 用 热 力 耦 合 弹 塑 性 有 限 元 法 温 挤 压 成 形 了 20 轿 车 等 速 万 向 节 滑 套 ； 广 东 阳 春 轴 承 厂 黄 觉 亮 利 用 温 挤 压 与 冷 精 冲 复 合 工 艺 成 形 了 W20

18、85 外 球 面 方 孔 轴 承 。于 沪 平 等 采 用 塑 性 成 形 模 拟 软 件 ；结 合 刚 粘 塑 性 有 限 元 罚 函 数 法 对 平 面 分 流 模 的 挤 压 变 形 过 程 进 行 了 二 维 模 拟 ，得 出 了 挤 压 过 程 中 铝 合 金 的 应 力 、应 变 、温 度 以 和 流 动 速 度 等 的 分 布 特 点 和 变 化 规 律 ；刘 汉 武 等 利 用 软 件 对 分 流 组 合 模 挤 压 铝 型 材 进 行 了 有 限 元 分 析 和 计 算 ，找 出 了 模 具 设 计 中 不 易 发 现 的 结 构 缺 陷 ；周 飞 等 采 用 三 维 刚 粘

19、 塑 性 有 限 元 方 法 ，对 连 续 挤 压 过 程 进 行 了 数 值 模 拟 ，分 析 了 连 续 挤 压 的 不 同 成 形 阶 段 ，给 出 了 成 形 各 阶 段 的 应 力 、应 变 和 温 度 场 分 布 情 况 ；马 思 群 等 使 用 三 线 非 线 性 有 限 元 分 析 软 件 ，对 挤 压 工 艺 进 行 数 值 模 拟 研 究 ，分 析 了 挤 压 过 程 中 金 属 流 动 分 布 规 律 ，并 得 到 了 挤 压 过 程 中 变 形 体 中 任 一 指 定 点 应 力 、温 度 随 时 间 变 化 的 规 律 。王 彦 可 等 针 对 辄 承 保 持 架 温

20、 挤 压 模 具 失 效 ，利 用 三 维 绘 图 软 件 建 立 保 持 架 凹 模 的 三 维 模 型 ，将 三 维 模 型 导 入 有 限 元 软 件 进 行 模 拟 和 分 析 ，发 现 应 力 分 布 不 均 匀 且 应 力 集 中 是 回 模 开 裂 的 问 题 ；李 更 新 等 人 利 用 软 件 进 行 温 济 压 成 形 数 值 模 拟 解 决 了 20 直 齿 圆 柱 齿 轮 齿 形 角 限 充 不 满 的 难 题 。 因 此 ，目 前 来 说 ，在 我 国 ，温 挤 压 应 该 有 一 个 很 广 阔 的 市 场 前 景 ，它 的 发 展 也 必 将 给 我 国 带 来

21、较 好 的 经 济 效 益 。我 个 人 认 为 如 果 我 国 在 温 挤 压 方 面 的 研 究 能 有 所 突 破 ，这 必 将 成 为 我 国 的 的 一 大 科 学 自 主 创 新 ， 为我国的制造业再注入一剂新的活力。第一章零件的工艺性分析§1.1零件的工艺性零件的工艺性是指从一些工艺的角度来看零件的设计（包括选材、 形状结构等等）是否合理。是否能在满足零件使用要求的前提下，以 最简单、最经济的加工方法将零件做成。零件工艺性的好坏直接影响 到其能否成形、成形的难易程度、所需压力机的吨位、成形质量的好 坏、工件的生产率等问题。§材料分析根据相关资料选定温挤压温度为

22、800 C。本工件的材料为40,属于合金结构钢，也是常用的调质钢，同时 也是中碳钢，所需压力应该较大，但考虑到使用的是温挤压，这应该 能降低30%以上的挤压力，因此所需压力应该不会太大。40的参考 资料：主要化学成分（%）力学性能CCTbCTs3s(%)(%)0.37 0.50 0.17 0.80 9807859450.440.800.371.10表1 1 40的成分、力学性能6§零件工艺性分析挤压工艺能够加工的尺寸（直径、长度、深度、厚度等），是有 一定的范围的。超出这一范围，材料稳态塑性变形的遭到破坏，就会 导致模具过载、挤压件形状改变和尺寸的严重波动，以和各种疵病的 出现。因此

23、，确定挤压件的尺寸特别重要。挤压零件的设计是挤压工艺设计的基础。挤压零件图是根据产品 零件图、挤压工艺和机加工工艺要求和经济原则进行设计的。设计时 有一些。挤压件的设计有一些原则：1. 挤压件结构必须利于挤压工艺的变形特性，尽量达到少无切削 加工。2. 设计的零件形状要宜于挤压成形，使模具受力均匀，保证足够 的模具寿命。3. 对确定的零件尺寸和精度要求，应该在挤压成形可能范围之内4. 挤压件结构在保证成形和模具寿命的条件下，应尽量减少成形 工步。5. 用机加工等其它方法更适宜实现的形状、尺寸要求的零件，不 应强求用挤压方法；否则，经济上不一定合算。6. 非对称形状的冷挤压可合并为对称形状进行挤

24、压。根据以上原则，设计了这个工件的工艺2。22Q21.2-图1-1零件图断面过渡对于挤压件的工艺设计非常重要。当挤压件零件的断面 有差别时，从一个断面过渡到另外一个断面就使变化缓慢进行，防止 过渡变化突然，即从一个直径到另一个直径时，要避免直角转折和较 小的圆弧连接。因为断面急剧过渡的转折部位，就是变形最剧烈、应 力分布最不均匀的区域，该处材料容易产生裂纹。相对应的模腔部位， 是热处理和挤压时应力集中的区域。因此，应将断面变化部位设计成 锥形过渡。随着材料性能、零件形状和变形方式的不同，过渡锥面的 数值差异比较大。过渡部位的衔接处采用充分平滑的圆弧连接。为了 防止金属滞流，要调整这里的圆锥半径

25、R，断面变化较大的过渡部位， 其圆角半径值应尽可能取得大些。为了得到本工件所用的材料的精确体积，本设计先用三维造型工 具将工件做出实体造型来，然后通过一些操作得到了工件的实际体积 这样就很容易就得到了坯料的尺寸。© 4(L36 I1I图1-2 毛坯图此零件为上下两腔，是属于杯-杯类挤压件，上半部分要用反挤 压，下半部分要用正挤压，因此有三种工艺方案可供选择。一、先进行反挤压，再进行正挤压。二、先进行正挤压，再进行反挤压。三、采用同时正反挤的复合挤压。由于复合挤压只需一次定位，零件的精度自然比较高，并且采用 复合挤压生产效率比较高，因此，在设计时就优先考虑复合挤压模。 本设计也根据此原

26、则，先设计了一套复合模具。§1.2工件的工艺尺寸设计§工件的连皮设计连皮平均厚度：S 0.45. d 0.25h 506、h0.45.39 0.25h 50.6-15 4.8mm连皮的最大厚度:S大=1.35S 1.35 4.8 6.48mm连皮的最小厚度:(1 - 3)8小= 0.65 S= 065 48 = 3.12mm其中h为工件的成形高度，d为工件的成形内径。§工件的过渡圆角设计工件的其它工艺尺寸比如过渡圆角在后面的模具设计中再根据相关资料 做出设计。§1.3变形程度的计算和挤压力的计算许用变形程度是指在模具强度允许以和保持模具有一定寿命的 条件

27、下，材料一次挤压变形的程度。它与以下因素有关：（1）模具本 身的许用单位压力取决于模具的材料、结构和制造工艺等因素；（2） 挤压时挤压金属产生塑性变形所需的单位挤压力，它取决于挤压金属 的力学性能、挤压方式、模具工作部分的几何形状、毛坯的表面处理 和润滑条件等因素。许用变形程度主要用来校核一次挤压变形的变形 量。若变形程度小于或者等于许用变形程度时，可以一次挤压成形， 否则需进行多次挤压成形。因此，需要对材料的变形程度做一下计算。反挤压时；046.36 139 047.8所以，断面缩减率：100%do66.3%参考R52图8 9 ,得到其单位挤压力12104。根据公式计算其挤压力F C f b

28、 2 0.5 d As1.9 1 86c 0.5 0.1 392 -476510N4.422392正挤压 力时：046.36 , 019.2 ,2 28.5.A0iA2A。100%d；d1144.2d°428.52 19.2212 100%47.680.42%(1-6)P= 1110根据相关资料查得到其单位挤压力。根据公式计算其挤压力2 :F PA0C bInA0 胃 AA46.3622 0.1 322 86. 2In247.847.8 39 /22 e3946.36222614285N4式中，C、C为材料的加工硬化系数，Ao、A是毛坯和挤出部分的横断 面积；卩为摩擦因数，h为凹模工

29、作带长度；s为挤出件的壁厚；f凸 凹模工作部分几何开关系数。第二章装配图草图的绘制根据选定的复合挤压方案以和工件成形的需要，本设计先大致设计出了图2 1装配草图：图2-1方案三的复合模具装配图复合挤压是将正挤压和反挤压两种变形方式结合在一起的一种 独特的变形方式。它既要考虑正挤压的变形要求，又要考虑反挤压的 变形要求，所以，复合挤压模具的凸、凹模结构，要比单一形式的正 挤压或反挤压模具都复杂。由于在本设计中挤压结束时工件的大部分 表面积都与下模相接触，因此，工件在挤压结束时留在下模的概率远 远高于留在上模的概率，所以上模不再设计卸料结构，而采用下部环 形顶出器顶出结构，如图2 1所示顶出结构。

30、第三章挤压模具的设计§3.1模具材料在温挤压时凸模温度约可升至400430 C,这可能导致模具迅 速磨损，这对模具的红硬性有定的要求。因此，选择模具材料就显得 非常重要了。对温挤用模具材料的要求主要有以下几点。1. 挤压时，模具材料在温升以后的屈服点应高于作用在模具上 的单位挤压力。2. 应有足够的耐磨性，特别是高温耐磨性。3. 应有较高的韧性，以便能在冲击载荷下防止裂纹产生。4. 热膨胀率小，热导率大，比热容大。本设计模具材料选择451 ,这是中合金超高强度钢,它的热处理工 艺为 1000 C 淬火，580 C二次 回火。孔=1830 a，9%，= 28%，硬度为51 o§

31、;3.2凸模的设计凸模的尺寸设计凸模设计时要考虑使用中凸模所受应力的大小和性质，以和当使 用细长凸模时，可能出现的失稳问题。造成失稳的因素有模具或挤压 设备本身的对中精度；使用坯料上下断面不平行等。凸模长径比也影 响凸模的稳定性，因此设计模具所用钢为模具钢，它的长径比不大于 3 o凸模的其它具体尺寸2参考图6 12和表6 2得： 其计算过程如下：d(0.50.7)a( 3 1)取 d' =0.510.5 X 39=19.5d d1 (0.1 0.2)( 3 2)取 10.2=38.8;d3(13T.5)a取 3 1.5 11.5 X 39=58.5,取 d 3 = 58;h3(0.5

32、g(3 - 3)(3 - 4)取 30.8 30.8 X 58" 47锥顶角(7°模具精度设计当D>4050时，其极限偏差为±).015 5; 内径为d>3040时,其偏差为±).12;此模具采用7级精度生产，反挤压时：d凸=( d 0.5 )凸凸=(39+0.5 01 ) - 0.025 0.02=39.07° 0.025mmD凹=(D0.5 凹)；=(D0.5 0.1 0.01 +/ 7 7 +0.025=47.74dmm(3 5)(3 6)支承部分角 5 ° 15°,取12° 27' 30

33、'对于下部的正挤压:Di 凹=(U二428.5 -4i 一 凹) 00.084 0.01严28.427。0.025mm(3 7)di凸=(d1凸)一 0.0254(3 8)=(21.2一0.0630.01)° 0.025=21.127° 0.025 mm凸上部反挤压凸模的外径； 凹上部反挤压凹模的内径； 1凹下部正挤压凹模的内径； !凸下部正挤压凸模的外径；为挤压件公差；&凹为温挤压模具的收缩；表7 34挤压凸、凹模工作部分尺寸计算公式5§3.3凹模的设计凹模的层数设计表3 1组合凹模的形式单位挤压力凹模形式PW 1000 1200单层凹模（整体凹

34、模）1200 v P < 1400 1600双层组合凹模1600 v P < 2200 2500三层组合凹模在挤压的生产实践中,如果整体式凹模在挤压中受到的单位挤压 力较大时,往往导致凹模向外扩展而产生切向开裂。为了提高挤压凹 模的强度，确保凹模在较大的单位挤压力下有较长的使用寿命，一般均采用预应力组合凹模结构形式。所谓预应力组合凹模，就是利用过 盈配合，用一个或两个预应力圈将凹模紧套起来而制成的多层凹模结 构。根据单位挤压力大小，挤压凹模可采用三种类型，即：整体式凹 模；两层组合凹模；三层组合凹模。根据材料的变形度和材料的性质：反挤压所需的单位挤压力P1 = 1210.正挤压所需

35、的单位挤压力P2 = 1110.根据所需挤压力与模具层数的关系，本设计选择使用双层组合 凹模。§3.3.2内外应力圈的设计根据本设计的需要（P>1200）,选择双层组合凹模,设计如下：挤压 件断面有差别时，通常应设计从一个断面缓慢地过渡到另一个断面， 避免急剧变化，可用锥形面或中间台阶来表叔过渡，且过渡处要有只够大的圆角。其型腔尺寸与工件的外形尺寸相对应图3-2凹模的设计-川旷图3-3外应力圈的设计如上两图所示，内应力圈设计：温挤压的模具工作部分零件，如 凸模、凹模等基本上沿用了冷挤压模具的设计原则0二层组合凹模设计参数如下表所示，其中di是凹模内径，也即 挤压件的最大外径。d

36、 2为组合凹模的内应力圈的外径。d3是组合凹模的外预力圈的外径，一般3（46） di，在这里，取 d3 = 4 d i = 4X 14.25 = 57。 是各应力圈的压合斜度，在这里 =1° 30'。表3 2二层组合凹模设计参数d 3d 23 2324 d 11.8 d 10.160.00835 d 12.0 d 10.1630.00856 d 12.2 d 10.1660.0088组合凹模内应力圈外径也即21.8 d 1 P0，在本设计中，内预应力 圈与外预应力圈的配合采用H76的过盈配合19 o参考19 P 268附表2 一 1标准公差数值得在基本尺寸在80120之 间时

37、，7的数值为0.035,又查得下偏差为0 o所以凹模外应力圈的内径D = 90 00-035 o外应力圈与凹模固定套的配合，同样采用过盈配合，并且沿用了 内应力圈和外应力圈的公差配合H76过盈配合。外应力圈的外径为 191.2，查同书得基本尺寸在180250之间时7的公差数值为0.049。 又查得此时的下偏差为+0.05，易得外应力圈的外径D外二191.2 0.070 o 同理得到内应力圈和外应力圈之间的配合也定为H76过盈配合。圆角半径的设计：圆角的半径特别是过渡圆角半径的设计对于挤 压工艺来说是非常重要，它的大小对挤压阻力有很重要的影响。圆角 半径越大则挤压阻力越小，圆角半径越小则挤压阻力

38、越大。参考P113表6.33温挤压模具设计：表3-3温挤压模具设计参数温正挤压凹模圆锥部分与工作带部分的圆角r取14（当挤压温度高时，取较大值）工作带长度h 1取35直径D 2 比 d 1 大 0.2 0.4温挤压凸模工作带宽度S35直径d比d0值大0.61.2凸模端面凸模端面应有5。10°的斜度圆角部分R与R1在满足零件条件要求的条件下，应 尽可能大些。一般可取23,不能 小于1长度与直径比单位挤压力大时，应不大于2.53（对钢）时，以增加其稳定性。参考P161表5 - 4圆角半径得复合挤压时中碳合金钢的凹角半径 r为1.01.5 ,凸角半径R为23。断面过渡的过渡锥角设计根据P1

39、13图示1温正挤压凹模将断面 过渡锥角设为63° 根据下表将凹模圆角半径设为2 ,凸模圆角半径 也设为27。§3.4其它零件的设计下模垫块的设计：参考压力垫板的设计计算得:P01.2 P A21.2 6000039106（ 3 - 9）2859669N得 0 222000/859669=0.32。再查图 6-44 得：min 01.2 , min。0.8。所以：min 46.8 min 312模座的选择：模座是模具与压力机进行连接的基础零件，又是承 受较大集中载荷并传递压力的重要零件。由凸模或凹模传来的迫使材 料产生塑性变形的挤压力，将直接传到模座上，并通过模座传递到压 力

40、机的工作台面上。所以，模座的结构设计相当重要。由于挤压的是 40,属于中碳合金钢,但考虑到使用的是温挤压,所以模座受力不大,可 以采用45或55钢,本设计采用45钢,硬度要求为为4348。厚度要 求为上模座为80 ,下模座为90。模座的直径根据需要设计。上模座 的直径为360 ,下模座的直径也根据要求设计为460。下凸模的设计：下凸模由于只受压力，不对工件的成形起直接影 响，因此这里可以对材料的抗拉强度不做过高要求，但材料的抗拉强 度一定不能太低，还有就是由于下凸模的设计形状为细长杆，因此要 有一定的韧性要求。为了便于卸料，下凸模的下端不能太大，上部要 和顶件器形成动配合，表面粗糙度要设为0.

41、8。此凸模的设计根据常 用顶杆设计，顶杆要有一定的垂直度要求，防止出现废品。图3-4下凸模顶杆的各个尺寸要求参考有关资料2。为了便于成形，顶杆的上 端要做成尖头状，尖角处用圆角过渡，圆角半径为3,斜角定为164° , 对于黑色金属，锥顶角要在153°173°之间2，避免应力集中。组合凹模的支撑垫板设计：挤压时作用在凹模上的压力相当高， 一般可达16002200，甚至更高。这样大的压力如果直接传给模座， 在模座上就要产生弹性变形和局部塌陷。为了防止发生这种情况，必 须在凹模底面和模座之间，设有一个工具钢的凹模支撑垫块，以便把 加工压力均匀分布传输给压力机本体，起到支

42、撑和缓冲作用。支撑垫 块是凹模与模座相互连接和传递压力的中间过渡零件，它对于消除模 座变形，确保挤压件尺寸和稳定性和提高模具寿命十分有利。支撑的 结构虽然并不复杂，但对它的要求很严格，主要要遵照以下原则：1. 具有足够的抗压强度，能够经受一定的压力作用，并确保在长 期使用中不压塌变形，不发生损坏。因此，要求选择优质材料，并经 热处理后使其硬度达到5860。2. 具有足够的厚度和较大的接触面积，能够将集中载荷分散并均 匀地传递到模座和压力机工作台上，而不发生塑性变形，并将弹性变 形限制在最低限度。3. 具有较好的精度，支撑的精度必须保证凹模和模座的正常工作， 为此要求支撑的上下两端面就平行。组合

43、凹模的垫板下部内径要满足与顶件器形成动配合。其外形尺 寸与组合凹模保持一致，垫板的上表面由于要与凹模接触，要求上下 表面光滑，粗糙度设为0.8,上下面要有一定的平行度要求。图3-5 凹模垫板顶件套的设计：顶出部件是挤压模具中一个重要部件，它具有从 凹模中将零件顶出的作用。挤压杯形件时，下部顶料杆同坯料直接接 触，并承受变形金属的挤压作用，在有些挤压模具中，顶料杆除顶出 零件外，还协助完成某些局部成形工作。顶出部件一般装在下部的凹 模或垫板中，它的有效工作部位则直接与凹模或凸模进行配合。在这 套模具中，顶件套的作用不仅仅是把工件从组合凹模中顶出来，它还 有一个作用是与内应力圈共同组成凹模，要求有

44、一定的抗压能力和一 定的韧性要求。由于也属于细长件，所以也要有一定的垂直度要求。 顶件器的下端由于可能要与组合凹模的内孔形成配合，也做成一定的 斜度。它和下凸模的配合为过渡配合。$ 21 5-tJ-fc940?r J*图3-6顶件套凸模固定板的设计：凸模固定板是将凸模坚固于模座上的重要辅 助零件由于凸模柄部开关和固定方法的不同，固定圈具有各种各样的 结构。常见的固定圈结构形式，主要有两类三种形式，它们的外部形 状主要有圆柱形、阶梯形和锥形三种。当采取螺栓直接坚固时还应考 虑安装螺钉孔和销孔的位置。固定圈的厚度不能过薄，否则就不能充 分满足凸模的功能要求（凸模位置精度、凸模垂直度、故障时的强度）

45、， 这对模具的寿命有一定影响。所以通常规定其厚度在13以上。固定 圈孔与凸模的有效配合高度h，一般在（1.61.7 ） d范围内，通常 不小于孔径的1.5倍。材料选择45钢，由于不直接受很大的力，所 以不用很大的强度，但要固定好凸模，不能在凸模工作时让凸模产生 摇动或者偏差，造成挤压时工件的废品。因此，设计了固定用的内孔 的斜度，要与凸模的斜面形成过盈配合。*131* 174图3-7凸模固定板凸模垫块的设计：为了把凸模工作压力均匀分散传递给模板和压 力机机架，缓和由于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

46、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 定性和其寿命。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，因此，垫块的面积必须足够大以便适当的分布负载。©110孟图3-8凸模垫板设计时，凸模底面的压力希望控制在凸模工作压力的1/3到1/4 左右,即500700，据此决定垫块的平面尺寸。垫块的厚度一般在15 30之间。此外，在保证垫块具有足够厚度和一定接触面积的前提下， 还必须使其直径与厚度保持最有利的比例关系，也就是说不能设计得 大而薄。下凸模垫块的设计：下凸模垫块的设计与凸模垫块的设计一样， 这里也就不多介绍了。各

47、尺寸如下图所示：4x68图3-9下凸模垫块第四 章 数 值模 拟§4.1 数值 模 拟介 绍在现代工业中，很 多的比如材料成形、热处理、机加工等领域已 经在采用有限元模拟设计和优化模具。 3D 是 一 套 基 于 工 艺 模 拟 系 统 的 有 限 元 系 统 ， 专 门 设 计 用 于 分 析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据， 和 有 关 成 形 过 程 中 的 材 料 温 度 场 的 变 化 。它 包 括 了 锻 造 、挤 压 、镦 头 、 轧制，自由锻、弯曲和其它成形加工方法。 3D 是 一 个 非 常 好 的 模 拟 金 属 流 动 和 金 属 热 扩

48、 散 的 软 件 ， 他 不 仅 功 能 强 大 ，而 且 便 于 使 用 。系 统 中 集 成 了 在 任 何 必 要 时 能 够 自 行 触 发 自 动 网 格 重 划 生 成 器 ，生 成 优 化 的 网 格 系 统 。不 同 的 区 域 可 以 划 不 同 密 度 的 网 格 ，比 如 在 圆 角 处 等 要 求 精 度 较 高 的 地 方 可 以 划 比 较 密 的 网格以便于成形，并降低计算机的计算规模，并显著提高计算效率。§4.2 模型 简化 和设置 模拟 初始 条件由于 有限 元模 拟是对 工件的一次仿真 模拟 ，真实 情况下的很 多条 件 和 周 围 情 况 在 仿

49、 真 里 必 须 加 以 假 设 ，用 刚 塑 性 有 限 元 法 分 析 塑 性 变 形问题时的基本假设有：1. 忽 略材 料的弹 性形 变；2. 不 计体 积力（ 重力 和惯 性力等）的 影响 ；3. 材 料均 匀且各 向同 性；4. 材 料的 变形服 从于 流动 理论；5. 材 料不 可压缩 ，体 积保 持不变 。而模 拟时 又 有不 同的 方案 ，为了选定方案 ,先用先对工件进行 数值 模拟，这里有两种模拟方案：一是做成完全封闭的模具。二做成上模不封闭的模具。但考虑到闭式模具要求毛坯的体积要与工件的体积高度相等，这 一点在实际中是非常不好控制的，因此，可先考虑用不完全封闭的模 具进行模

50、拟,如果能成形，则要优先考虑不完全封闭的的挤压模具方 案。模拟温度设为800 C,网格划分采用绝对网格划分，网格的最小长度设为0.1，大约生成了 21500个网格，分为68步走完。模具材料采用451，模拟过程和结果如下：Slep *1DM!D ¥0L JA& 2127201图4 1应变模拟图像1-iiTOStrain = Efft?匚 twStep -1U.JJJOOffilStrcS-s - EKecf 疙Step 68图4-2应力模拟图像图|r-L"2r3lrpStep -1T E呻閔W1Step 88图4 3温度模拟图像Load Prediction Z Lo

51、ad (NJ图4 4凸模压力与时间关系图因为复合挤压的生产效率较高，因此可优先考虑做复合挤压的模 拟，如图所示，结果显示，通过改进挤压件的过渡斜角和圆角，开式 模具完全能满足工件的成型要求，采用复合挤压的工艺方案是可行的 因此选定方案三。分为两步工序的数值模拟在这里就不再做了。第 五章 压力 机 的选 择§5.1 压力 机 的选 择原 则为了保证顺 利地实施挤压生 产加工 ,除了具有一副附 合技术要求 的 挤压模 具外,还应 按生产 的需要,选用相 匹配的挤压设备型 号和规 格 ,因 此,选择 挤压设 备型 号和 规格是十分 重要 的 。生产 试验 表 明，挤压过 程与冲载过程有很

52、大区 别,它要求的 单位挤 压 力很大,挤压件 的精 度要 求高。因此,挤压使用 的压 力机有一些 特殊 的要求。1. 能 量要 大 挤 压 加工 的压 力大 ，行程也 很长 ，所以需 要很大 的能 量。2. 刚 性要 好 挤 压 时，由于单 位 挤压 力大 和载 荷 集中 ，极易使 模具 和 压 力 机 产 生 变 形 。单 靠 模 具 导 柱 导 套 的 导 向 是 不 能 满 足 要 求 的 ，必 须加强压力机床身和曲轴的刚性。3. 导 向精 度要高 因为 对挤 压件 的精 度 要求 较高 ，因此，单靠 模具 的 导向装 置来 导向是不 能满足要求 的。 另外 ， 当压 力机 的导向 精

53、度 较 低 时 ，尚 志 下 平 面 与 工 作 台 平 面 之 间 会 产 生 倾 斜 ，凸 模 会 因 受 到 附 加 弯 曲 应 力 的 作 用 而 折 断 。因 此 ，为 了 保 证 挤 压 件 的 尺 寸 精 度 和 较 长 的模具寿命，就必须要求压力机和滑块的导向精度要高。4. 要 具备 顶出装 置 挤 压后 ，掠夺件 可能 残留在 凹模 中，需要 把从 凹 模 中 顶 出 来 。因 此 ，要 求 压 力 机 有 结 构 简 单 的 ，在 不 拆 卸 下 模 的 情 况 下 能 精 确 调 节 的 顶 出 装 置 。顶 出 力 一 般 应 为 压 力 机 公 称 压 力 的 10%

54、 左 右 ， 对 于 自 动 挤 压 机 ， 顶 出 力 为 公 称 压 力 的 5% 。5. 备 有可 靠的超 载保 险装 置 在 挤 压过 程中 ，往往 由于预告未 能估 计 到 的 原 因 而 使 压 力 机 超 载 ，如 毛 坯 尺 寸 超 差 和 材 质 热 处 理 不 合 理 等 为 了 保 证 在 超 载 时 压 力 机 不 致 损 坏 ，必 须 使 压 力 机 具 有 非 常 可 靠 的 超 负 荷 保 险 装 置 。小 吨 位 通 用 曲 柄 压 力 机 中 ，普 遍 采 用 压 环 式 保 险 装 置 ， 放 在 连 杆 和 滑 块 之 间 超 载 时 ，保 险 装 置 被

55、 剪 断 ，保 护 压 力 机 零 件 不 损 坏。6. 能提供合适的挤压速度挤压加工是将大断面的毛坯压缩成小 断面的挤压件。因此，在挤压过程会有冲击作用；特别是当挤压速度 较高时，上模接触金属毛坯的瞬间速度迅速降低而产生冲击。所以， 要求用于挤压的压力机能提供合适的挤压速度。一般要求压力机具胡 较高的容积向下和回程速度，而当上模接触金属毛坯前，其速度能迅 速下降，在掠夺过程中，挤压速度应尽可能保持均匀。一般认为较好 的挤压速度在0.10.4范围内。7. 具有润滑冷却装置掠夺时单位压力大，且在掠夺过程中又会产 生大量的热量。因此，用于挤压的压力机要求具有良好的润滑冷却装 置，和时地向模具和被挤

56、毛坯喷射润滑冷却液，进行强制性的润滑和 冷却，从而延长模具使用寿命。§5.2压力机的技术参数综合以上原则，再根据模具的闭合高度和所需的压力，本设计选 择了公称压力为100吨的双柱万能液压机，型号是Y31 100。它的 主要技术参数如下表所示：表5-1压力机的技术参数公称压力1000工作行程速度/（）6活动横梁至工作台最大距离780工作台尺寸（前后）X左右）500X600液体工作压力32电动机功率7.5重量25外形尺寸（前后）X左右）X高 ）1235X 1540X 2560结论本文 对温 挤压 的相 关 设计 原则 作了 深 入的 探讨 和研 究 ，并 严格按 照 相 关 原 则 设 计 了 轴 承 套 的 温 挤 压 模 具 。本 设 计 还 利 用 软 件 对 轴 承 套 的 温 挤 压 过 程 进 行 了 有 限 元 模 拟 ，并 通 过 多 次 模 拟 对 轴 承 套 的 温 挤 压 模 具 进 行 了 优 化 设 计 。以 前 的 轴 承 套 有 用 机 加 工 成 形 的 ，但 机 加 工 成 形 的 轴 承 套 的 力 学 性 能 远 远 低 于 通 过 塑 性 变 形 得 到 的 工 件 。而 通 过 不