铝合金消音碗毛坯冷挤压成形工艺设计

1、1 前 言冷挤压是把金属毛坯放在冷挤压模腔中，在室温下，通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的加工方法。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，较多用于中小型锻件规模生产中，与常规模锻工艺相比，可以节省材料30%-50%，节能40%-80%，而且能够提高锻件质量，改善作业环境。二战以后，冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车，摩托车，家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而我国在冷挤压技术方面的起步很晚。随着我国综合工业技术水平的进步以及市场竞争的日趋激烈，许多厂家认识到通过冷挤压制造的产品在产量、质量和成本上占据很大的优势。目前我国已经能用冷挤压技

2、术生产表壳、自行车飞轮、中轴、精锻齿轮等很多产品，而且技术水平已经达到国外同等水平。冷挤压技术之所以能够在全世界得到如此广泛的发展与应用，是因为该技术给现有的铸造和锻造带来了很大的改善，节约材料成本和能源、改善生产环境，对于现在人们对能源和环境的要求的提高，冷挤压技术的特点正好符合这点，而且通过冷挤压生产的产品减少了很多后续加工，最多也是对表面进行一些简单的车削或磨削。而且生产冷挤压产品只需要更换模具就可以在一台机器上加工生产不同形状的产品了，这样就给生产节约了很多资金。虽然现在我国的冷挤压技术在某些方面与国外的水平很接近了，但总体来说还是有很大的差距，比如产品缺陷、模具寿命过短、技术开发力量

3、薄弱、能源消耗过高等等，这些都是我们现阶段应该解决的问题。冷挤压技术的发展经历了漫长的历史过程。19世纪末，法、英、美、德等国家就开始用冷挤压法生产软质有色金属零部件。随后世界上几个发达国家相继对冷挤压进行研究和改进，使得冷挤压技术不断的成熟，由于这种加工方法的经济效益显著，不久，便在大批量生产的汽车和电器等工业部门中得到广泛的应用，现在已经成为一种重要的加工手段，遍及于各个工业部门。在我过冷挤压技术的起步很慢，起初只是少数工厂用有色金属来加工挤压挤压牙膏管、线材和管材等。在20世纪50年代开始了铜及其合金的冷挤压，60年代开始黑色金属的冷挤压。近几年随着我国科技和工业的迅速发展，冷挤压技术也

4、得到了迅猛发展，目前已能对铝、锡、银、纯铜、无氧铜、黄铜、锡青铜、锌及其合金、纯铝、防锈铝、锻铝、硬铝、镍、可伐合金、泊莫合金、低碳钢以及中碳钢等多种金属进行冷挤压。我国可以制造的冷挤压件及型材的品种也多种多样化了。在冷挤压技术的理论研究方面，国内不少高校和研究院所正在采用有限元等计算方法、数值模拟冷挤压成形全过程，以此来揭示冷挤压时金属流动规律及应变分布规律，这些工作都会对冷挤压技术的发展起着更大的推动作用。综上所述，我国冷挤压技术的研究水平还是较高的，但发展速度较为缓慢。其主要原因有：作为冷挤压零件最广泛应用领域的汽车工业尚不发达，汽车零部件生产厂点不集中，批量小，达不到规模经济生产；缺少

5、专用冷挤压力机，用通用压力机代用又满足不了冷挤工艺的特殊要求；缺少冷挤压专用钢种，虽有标准件用冷镦钢，但品种少、规模小，不能满足较大零件的冷挤压的要求等。随着近年来我国汽车、摩托车工业的迅速发展，给冷挤压技术的应用带来了新的机遇。随着科学的发展，对冷挤压技术产生了重大影响，具体地说就是计算机在工艺分析、模具设计、制造及工艺过程控制中的应用对冷挤压技术产生的影响。我国将进一步发展应用这门新技术。发展冷挤压技术主要应从以下几方面着手：    1.扩大冷挤压技术的应用范围，在一定范围内，逐步代替铸、锻、拉深及切削加工；    2.

6、提高冷挤压制件的精度和表面质量，生产出几何形状更复杂的制件；    3.扩大冷挤压用的原材料种类，研究更理想的表面处理与润滑方法；    4.进一步使用CAD/CAM和优化设计，提高和加快模具设计与制造，研制出更合理的模具结构；    5.寻找更适合于冷挤压用的模具材料及其热处理方法，以延长模具的使用寿命；    6.进一步发展温热挤压、等温挤压、静液挤压及高速挤压等新工艺技术的研究和应用；    7.研制适合于冷挤压的多功能的冷挤压机，使毛坯和

7、制件能安全自动地进料与出件，以便进一步提高生产率。通过这次对铝合金消音碗毛坯冷挤压成形工艺及模具设计，从中体会了很多冷挤压给加工带来的很多改变，通过冷挤压生产的产品的尺寸精度较高、强度性能好、材料耗费少，生产效率比切屑交工高几倍，甚至几十倍，与锻造、铸造比较，可降低制造成本，而且易于实现自动化。更是体会到冷挤压这种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术在不久的将来会替代现在的切削加工、锻造、铸造和拉深工艺来制造机器零件的等技术。2 冷挤压技术介绍2.1 冷挤压加工的特点和缺点2.1.1 冷挤压加工的特点挤压加工有许多特点，主要表现在挤压变形过程中的应力应变状态、金属流动行为、产品的综合质量、生

8、产的灵活性与多样性、生产效率与成本等方面。冷挤压除了上述的共性优点外，冷挤压还具有以下的优点：（1）挤压零件尺寸准确表面光洁 目前我国研制的冷挤压件一般尺寸精度可达89级，若采用理想的润滑处理的话，挤压出来的零件的表面仅次于精抛光表面。因此用冷挤压方法制造的零件，一般不需要再加工，少量的只需精加工，如磨削。（2）节约原材料 冷挤压件材料利用率通常可以达到80以上，而用冷挤压时材料利用率提高到92。可见，采用冷挤压方法生产机械零件，可以节约大量钢材和有色金属材料。（3）生产率高 用冷挤压方法生产机械零件的效率是非常高的，特别是生产批量大的零件，用冷挤压方法生产可比切削加工提高几倍、几十倍、甚至几

9、百倍。    （4）可加工形状复杂的零件 如异形截面、内齿、异形孔及盲孔等，这些零件采用其它加工法难以完成，用冷挤压加工却十分方便。（5）冷挤压件强度高、刚性好而重量轻 由于冷挤压采用金属材料冷变形的冷作强化特性，即挤压过程中金属毛坯处于三向压应力状态，变形后材料组织致密、且具有连续的纤维流向，因而制件的强度有较大提高。这样就可用低强度材料代替高强度材料。2.1.2 冷挤压加工的缺点由于冷挤压的变形抗力高，所以也就导致了冷挤压以下的几个缺点：（1）模具易磨损，易破坏，因此要求模具材料要好 为了延长模具寿命除了要在选择模具材料上下功夫外，也可以提高模具的承

10、受能力，如采用多层的预应力组合凹模，同时尽力降低冷挤压材料的变形抗力。（2）对挤压设备要求较高，吨位大 除了要求挤压设备应有较大的强度和较好的刚度外，还要求设备具有良好的精度并具有可靠的保险装置。（3）对所加工的原材料要求高 冷挤压件一般在挤压后都不进行精加工，所以必须选用精度高的坯料，挤压后需要加工的零件须选用易切削材料。冷挤压后要进行淬火的零件须选用淬透性好的材料。材料的这些性质和他的冷挤工艺性往往是相反的，因此需要我们研制适合冷挤压的新材料，来满足两个方面的要求。（4）挤压前毛坯处理复杂 毛坯往往要进行软化退火和表面鳞化皂化等润滑处理。润滑对冷挤压来说是非常重要的，目前常用的润滑方法是鳞

11、化皂化法，但这种方法工序多，周期长，易污染，所以我们要研发出新的润滑方法。（5）工艺流程设计技术水准较高，研发过程周期长，投入大。2.2 冷挤压加工的分类和方法2.2.1 冷挤压加工的分类冷挤压的分类有很多种：按毛坯材料种类分类：有色金属挤压、黑色金属挤压；按加工对象的属性分类：一次塑性加工的挤压、二次塑性加工的挤压；按挤压毛坯和工件形状分类：棒料挤压、管材挤压、杯形件挤压、杆-杆挤压、杯-杯挤压、杯-杆挤压、扁平齿形挤压等。按挤压时金属坯料流动方向与凸模运动方向之间的关系分类：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压、减径挤压、斜向挤压、镦挤法。2.2.2 冷挤压加工的常见方法在这里主要介绍下按挤

12、压时金属坯料流动方向与凸模运动方向之间关系的分类，这些也是冷挤压中常见的冷挤压方法：（1）正挤压 挤压时，金属流动方向与凸模的运动方向相同。正挤压又分为实心件正挤压（图1a）和空心件正挤压（图1b）。正挤压法可以制造各种形状的实心件和空心件。挤压件的断面形状既可以是圆形也可以是非圆形。 a）实心件正挤压 b）空心件正挤压图1 正挤压（2）反挤压 挤压时金属坯料的流动方向与凸模的运动方向相反，见图2。反挤压适用于制造断面是圆形、方形、长方形、“山”形、多层圆形、多格盒形等空心件。图2 反挤压（3）复合挤压 一部分金属坯料的挤出方向与凸模的运动方向相同，另一部分金属坯料的挤出方向与凸模的运动方向相

13、反，可以说是正挤压和反挤压的复合，见图3。复合挤压法适用于制造断面是圆形、方形、六角形、齿形等的双杯类（图3a）、杯杆类（图3b）或杆杆类（图3c）挤压件，也可以是等断面的不对称挤压件。a）双杯类 b）杯 杆类 c）杆 杆类图3 复合挤压以上三种冷挤压方法是挤压工艺中应用最广的，变形方式也是最基本的。他们的共同特点是：金属流动方向都与凸模轴线平行，因此又统称为轴向挤压法。冷挤压方法还包括减径挤压、径向挤压、镦挤和斜向挤压等。在这次设计中，采用的是反挤压，在这里就分析下反挤压变形的流动分析。用实心坯料反挤压杯形件时，挤压变形过程的坐标网格变化情况见图4。图4b表示高径比大于1进入稳定挤压状态时的

14、网格变化情况。此时可将坯料内部的变形情况分为五个区域（见图5）：2区为金属“死区”，它紧贴着凸模端表面，呈倒锥形，该锥形大小随凸模端表面与坯料见的摩擦阻力大小而变化；3区为剧烈变形区，坯料金属在此区域内产生剧烈流动，当凸模下行到坯料底部尺寸仍大于此界限尺寸时，仍为稳定变形状态，金属流动局限于3区内；5区即紧贴凹模腔底部的一部分金属，保持原状，不产生塑性变形；当凸模再继续下行到坯料底厚小于此界限尺寸时，在此底厚内的全部金属材料皆产生流动，成为如图4c所示的非稳定变形状态，图中D表示金属“死区”。反挤压变形区的应力状态与应变状态见图5b。 a）变形前 b）稳定变形 c）非稳定变形图4 反挤压变形的

15、网格图a）变形分区 b）变形区应力应变图5 反挤压变形分区由图可以看出，反挤压时内壁的变形程度大于外壁。同时，强烈变形区的金属一旦达到筒壁后，就不再继续变形，仅在后续变形金属的推动和流动金属本身的惯性力作用下以刚性平移的形式向上运动。2.3 冷挤压的常见缺陷冷挤压时由于工序设计不妥会导致成形过程中出现各种缺陷，因此我们就要预先了解产生这些缺陷的原因，才能设计出合理的变形工序，生产出合格的挤压件。挤压过程常见的缺陷有：挤压缩孔、“死区”剪烈和折叠、纵向裂纹、横向裂纹、挤压件弯曲、由拉缩引起的截面尺寸不符、残余应力大、以及粗晶环等。（1） 挤压缩孔缩孔是指变形过程中变形体一些部位上产生较大的空洞或

16、凹坑的缺陷。筒形件反挤压进行到待变形区厚度较小，甚至当坯料底厚小于壁厚时仍继续反挤，则会因材料不足以形成较厚的壁部而产生如图6所示的角部缩孔缺陷。 图6 反挤压时的角部缩孔 图7 反挤压时的折叠（2） 表面折叠多余的表皮金属被压入坯料表层所形成的缺陷，称为表面折叠。例如反挤压时凹模底部设有较大圆角半径，而坯料底部为直角过渡，在挤压过程中就会产生折叠，它的形成过程见图7，如果挤压变形继续进行，这种折叠还会被移到工件的侧面。（3） 表面折缝在变形过程中，多余的表皮金属受阻而在其边界处积聚，随着变形的继续进行深入到材料内部所形成的一种缺陷，称为表面折缝。当挤压出现死角区时，如图8所示的D区，坯料后部

17、分的表皮金属从凹模底部向凹模壁方向滑动受到死角区金属的阻碍，多余的表皮金属被积聚在死角区入口处。随后，多余的表皮金属沿滑移面被拉入金属内部，并随金属的流动一起向前延伸，从而形成折缝。有时，挤压件从凹模中取出后，死角区金属很快脱落，就是这种缺陷所致。 图8 反挤压表面折缝 图9 反挤压裂纹（4） 裂纹挤压裂纹分表面裂纹和内部裂纹，图9表示的是，当模具的圆角半径过小，会产生较大的应力集中，可能发生角裂。由于摩擦的影响而导致附加应力和残余应力，当它们的值超过挤压材料的许可值时，就可能会产生环形鱼鳞状裂纹。而由于冷挤压模具的形状和尺寸不够合理，比如正挤压凹模的工作部分不均匀会导致工件弯曲。2.4 冷挤

18、成形零件结构分析（1）可供冷挤压成形的零件形状 由前述可知，冷挤压加工的实质是使金属材料在模腔内产生塑性流动，从而获得所需的形状和尺寸的挤压件。不言而喻，不能实现这种流动，或者冷挤后难以取出的零件形状，采用冷挤压成形是困难的。因此，为了顺利地进行冷挤压成形，降低加工压力，减少工序数目，延长模具寿命，获得优质的挤压件，对于冷挤成形的零件形状，应作如下限制：（a）供冷挤压成形的零件应尽量为轴对称形状，以保证成形过程中，金属流动产生均匀性的流动。为此，与压缩方向垂直的截面形状应为同心圆。具有锐角的非对称形状易产生不均匀流动，且不易充满模具转角处，模具的横方向又作用着不平衡的力，极易损坏模具。因此，非

19、对称形状的零件不适宜于进行冷挤压成形。（b）对于需镦挤成形的零件来说，头部直径与高度之比不宜过大，否则会在镦挤末期引起压力急剧上升，使头部侧表面作用着较大的拉应力，从而产生纵向开裂。对于在这种情况下进行镦挤，即使可以挤压成形，但由于头部加工硬化过大，在挤压件使用时如受到较大的冲击作用，头部也很易开裂。（c）对于底部与壁部过渡部分，或断面急剧变化部分的连接线，应尽量圆滑过渡或设有足够大的圆角半径R。当挤压件出现锐角时，模具在相应部分也为锐角，该处就会产生较大的应力集中，且不利于金属流动，也难以充满锐角处。（d）为了便于从模具内取出，挤压件的横向不应有凹入或凸出的形状。（e）直径变化不大的多台阶零

20、件，不宜用冷挤方法成形。这是由于此时的变形程度太小而使模具寿命较短的缘故。（f）小于10mm的小孔，不宜用冷挤压法成形。这是由于此时需用小直径的凸模，而这种凸模寿命短，不经济。（g）螺纹不能冷挤压成形，需待以后切削加工或滚轧成形。（2）适宜于冷挤压加工的最佳形状根据上述分析，可以得出何种形状的零件最适合于冷挤压加工的结论。现归纳如下：（a） 底部带孔的杯形件。冷挤压成形可以获得高精度的内孔及外表面。（b）带有深孔的双杯形零件。冷挤压成形可以获得杯形深度均匀。精度较高的挤压件。（c）有较大法兰的零件。采用带有侧向约束的模具镦挤成形，可以获得优质的挤压件，它比切削加工节省材料，且生产率较高。（d）

21、 多段的阶梯轴类零件。采用正挤或减径挤压，尽管工序较多，但极易成形，挤压件精度高，质量好，特别适用于大批量生产。（e）带有花键或齿轮的轴类零件。采用冷挤压成形可以获得质量均匀的挤压件；与切削加工相比，材料省、生产率高、性能好。（f）截面为正方形、六方形等多边形的薄片零件，采用冷挤压成形可以一次加工出多件，然后再切断使用。（g）厚壁管类零件，如汽车活塞销等，采用冷挤压加工出双杯形零件，然后再冲去连皮，既可获得优质的挤压件，又可节约原材料和机加工工时。（h）深孔杯形件，如弹壳等，先采用反挤压制坯，再用正挤压成形，既可扩大加工范围，又可获得高质量的挤压件。（i）对于需要进行调质处理、以获得硬度HRC

22、2535的钢制轴对称类零件，采用冷挤压加工，由于会产生加工硬化，因此可以省去冷挤压后再进行调质处理工序。（3）零件的结构工艺分析冷挤压件成型要受到其形状和尺寸的影响和限制，一般有以下的情形不宜采用挤压成形或需要改变结构尺寸:（a）具有锐角的非对称形状易产生不均匀流动，且不易充满转角处，模具的横向又作用着不平衡的力，极易损坏模具。因此，非对称的零件不适宜进行冷挤压成形。（b）对于需要镦挤成形的零件来说，头部直径与高度之比不宜过大，否则会在冷挤压的后期引起压力急剧上升，使头部侧表面作用着较大的拉应力，从而产生纵向开裂。（c）当挤压件出现锐角时，模具在相应的部分也是锐角，该处就会产生较大的应力集中，

23、且不利于金属流动，也难以充满锐角处。（d）挤压件出现的横向不能有凹入或凸出的形状，否则会影响冷挤压件的顺利取出。（e）直径变化不大的多台阶零件不易采用冷挤压成形，因为此时的变形程度太小而使模具的寿命缩短。（f）小于10mm的小孔不用冷挤压成形，因为此时需要小直径凸模，这种凸模的寿命短，不经济。（g）螺纹不能冷挤压成形。根据上面对冷挤压零件结构的分析，结合设计给的零件的形状，觉得这个设计用冷挤压来生产产品是很合理的。且符合上面的条件。3 铝合金消音碗毛坯冷挤压成形工艺设计3.1 产品技术要求及特点 本课题所给的零件是铝合金消音碗(如图10)，它是某产品上的零件，为薄壁碗形类零件。它的材料是7A0

24、4(LC4),机械性能为：b 520MPa、 5%，这个零件有5种规格，它们的内外形尺寸都是一样的，只是长度不一样，长度分别为22mm、27mm、32mm、37mm和41mm，每个长度尺寸的年产量均为4万支。该产品是与消音筒配套使用的，它是放在消音筒内，一个消音筒要放4个这个产品，所以消音碗的外圆表面和底面要保持一定的垂直度。由于内表面不与任何表面接触，所以该产品的内壁是不用加工的。通过对零件的初步分析，觉得采用冷挤压是可行，还有待后面的变形程度的分析。图10 消音碗零件图3.2 毛坯成形工艺分析产品零件是薄壁碗形类零件，内部有一个圆锥台，材料为7A04，本身产品的尺寸不是很大，若用热锻或热挤

25、压进行成形制造，生产工艺比较复杂，尺寸精度也比较低，材料的利用率也低，而这个产品本身对尺寸的精度要求就很高，而且现在也提倡能源节约，改善工作环境，而且通过对7A04的性能进行分析后，通过对材料进行挤压前的软化处理，在一定变形范围内进行挤压成形，再进行热处理强化的成形工艺，完全能满足产品的性能和尺寸精度。在产品的成形工艺过程中存在着很多的技术难点。在这个产品的挤压成形过程中主要存在的几个技术难点就是挤压后的残余应力、表面拉伤、“死区”剪裂和折叠、挤压后截面尺寸是否一样，以及内外圆表面的同轴度等，根据查阅书籍和老师的指点，解决方法如下：（1）对坯料在挤压前进行正确的退火及合理的设计模具的凹凸模，在

26、 挤压过程中控制合理的挤压速度：（2） 对坯料的表面在挤压前进行一定的处理和在挤压过程中的润滑来减小坯料表面与模具表面的摩擦系数，以此来减少表面拉伤；（3） 模具的凹凸模应保持同轴度，且应有准确的导向装置。3.3 挤压件及坯料的设计3.3.1 挤压件的尺寸设计（如图11）因为生产的产品对外圆表面的底面有垂直度的要求，所以通过挤压后形成的挤压件毛坯要留有一定的加工余量。在这个设计中，根据查阅资料和老师的指点。最终决定出了挤压件的尺寸，挤压件的外圆直径为40mm，既单边各加余量1mm，挤压件的长度定为2+L+2，既在零件的碗口和底部各加2mm，这是因为在挤压过程中的金属流动不一样，挤压出来后挤压件

27、的碗口和底部可能会出现一些不平整或其他情况，所以余量就留得多一点。消音碗里面的圆锥凸台在这里设计成一个20mm的圆柱台，高度还是与零件的高度一样，在后面的加工中加工成零件设计的形状，这里这样设计的原因是如果直接设计成与零件一样，只是加点加工余量上去的话，由于本身很薄又有30°的锥度，在挤压过程中对凸模的损害比较大，会缩短凸模的使用寿命，所以把圆锥凸台设计成圆柱台，这样就延长了凸模的使用寿命，然后再在后续加工中将其加工成零件设计的尺寸。由于零件的内壁不用加工，所以内壁的底部直接挤压出R1.5的圆角。零件上的几个通孔就不用通过挤压来完成了，因为这样不好挤压，就算挤压出来也不合设计要求，况

28、且挤压通孔的话前面就要加一些工序，这样就显得复杂了，所以零件上的五个通孔就在后面的后续加工中来完成。图11 挤压件3.3.2 坯料的设计及体积计算 根据冷挤压成形的特点，它的挤压件的体积和坯料的体积在挤压前后是不变的，在这里我们就可以根据算出挤压件的体积确定出坯料的体积，也就确定出了坯料的尺寸。首先计算出挤压件的体积：先算出a区域的体积（如图12）Va = ×202×26-×172×22×102×7 15897.43 mm3再算出b区域的体积（如图13） Vb = ××（323×7.047.042） 83

29、.44 mm3再用Va减去Vb就的到了挤压件的体积 V挤 = VaVb = 15897.43-83.44 = 15813.99 mm3取整，既V挤=15814mm3在这里取坯料的直径为40mm，算得坯料的高度h12.58mm，取整则h = 13mm坯料尺寸为40×13，算得修正后的坯料体积为V = 16336.28mm3，查书得7A04的密度为2.85g/cm3，算得坯料的重量为m = 46.5g。 图12 a区域 图13 b区域通过算出坯料的体积确定出坯料的尺寸后，再进行下料，这样就避免了在材料上的一些浪费，达到了节节约材料的目的。3.3.3 冷挤压力的计算计算挤压件的变形程度 a

30、、断面缩减率A b、挤压面积比G G = A0/ A1 c、对数变形程度 = ln G = ln(A0/ A1) A0冷挤压前毛坯的横截面积，A0为2；A1冷挤压后毛坯的横截面积，A1为2。毛坯尺寸工件尺寸计 算 公 式断面缩减率挤压比对数变形程度根据上表提供的挤压件的形状和坯料的形状算变形程度 通过计算法确定单位挤压力式中 挤压材料变形抗力，为MPa，在图14中可查的； 摩擦系数（有润滑剂时可取=0.1）在图14中按比例法取=250，由于挤压过程中用到了润滑剂所以取0.1所以 总挤压力： 图14 变形抗力根据上面的断面缩减率和变形程度来看，零件的变形程度为47.25%，在资料所给的许用变形程

31、度25%75%的范围之内，所以通过上面的分析，以及7A04才通过一定的软化处理后的硬度为b为360380Mpa，课题所给的零件的挤压件完全可以用冷挤压成形来加工，挤压完成后通过人工时效，完全能够达到零件设计所给的硬度和精度要求。3.3.4 冷挤压设备的选择 冷挤压时，单位挤压力很大，对挤压件的精度要求很高，因此对冷挤压使用的压力机提出了一些特殊要求： 能量要大 刚性要好 导向精度要高 要具备顶出机构（顶出力一般应为压力机标称压力的10%左右） 要有过载保护 能提供合适的挤压速度（0.10.4m/s） 具有对模具进行润滑冷却的装置常用的冷挤压的压力机分为两大类： 机械压力机（一般用于批量大的中，

32、小型零件） 液压机（批量较小的大型零件）优缺点比较：机械压力机液压机行程次数高（效率高）低（但可以任意调节）行程长度短长（可以任意调节）压力大小变化相同（保持性）下死点位置一定（精度高）限位开关（精度低）电动机功率低高粘滞性无有侧压有无过载保护装置较可靠可靠维修与保养方便易漏自动送料装置简单复杂综上所述：由于机械压力机的挤压时间较快，速度过快，故我们选取液压压力机。型号：Y32-100A。3.4 挤压件的工艺分析 确定结构要素的一般原则：（1） 冷挤压件的结构必须利用冷挤压工艺的变形特性，尽量达到少的切屑；（2） 冷挤压件的结构要考虑冷挤压工艺变形特性所产生的物理和机械性能变化；（3） 冷挤压

33、件的机构必须保证成形和模具寿命的条件下，应尽量减少成形的工步；（4） 冷挤压件的机构应保证足够的模具寿命；（5） 冷挤压件的机构要考虑材料及其后续热处理工序的影响因素；（6） 非对称形状的冷挤压件可合并为对称的形状进行挤压。冷挤压件结构要素一般要考虑以下几种情况：反挤压杯形件长径比L1/d1材料纯铝紫铜铜合金钢L1/d1 7 5 3 2.5杯形反挤压件底厚和壁厚比h/s材料纯铝铜及其合金钢h/s 0.5 1.0 1.2 冷挤压件的形状是挤压工艺性好坏的主要因素，往往因工件形状的不合理而难于加工，甚至不能采用挤压方法进行生产，因而要避免不合理的形状。根据前面设计的消音碗的冷挤压件的形状来看，它接

34、近消音碗零件的形状，它是轴对称形状，且挤压件的底部和圆周壁是处于垂直的关系，这些都符合了用冷挤压成形技术来进行加工的要求，虽然挤压件底部有一个圆锥凹台，但这不影响用冷挤压成形技术来进行加工，它的锥度也只有30°，不是很大，只要在设计中将凹模的强度加大就可以满足要求了。而且基本上都满足了上面提到的长径比和底厚和壁厚比，虽然上面的表格只给出了纯铝的比值，但7A04也是铝合金。所以这点应该很接近。消音碗的材料是采用的7A04，这种材料是常用铝合金材料中强度最高的变形铝合金材料，通过对7A04材料本身性能的分析，采用对材料进行软化，软化处理后b为360380Mpa，在一定变形量的范围内进行冷

35、挤压成形，再进行热处理强化的成形是可行的。4 铝合金消音碗毛坯冷挤压成形工艺分析冷挤压消音碗毛坯成形工艺设计 、下棒料制坯 、软化处理 、冷挤压成形 、检测挤压件 、热处理 、检测4.1 下棒料制坯 首先根据设计所给的零件而设计出来的坯料的尺寸和形状，有两种下棒料制坯的方法：一种是先将42的棒料用车床车成40的棒料再锯成15mm长的坯料，再在车床上对锯下的坯料的端面进行修面，因为端面要与挤压模具且是重要的面，如果不把端面修平整，在挤压过程中很容易损坏凹凸模。最后制成40×13的坯料；二种方法是先车一段42×160的长棒料，再车成40的直径，直接用车床切成13mm长的坯料，这

36、样一段长160mm的棒料可制10个坯料。两种方法比较，第一种方法的工步比较多一点，要在车床和锯床之间换来换去，这样就显得比较麻烦，而且修端面时也比较麻烦，由于2个端面都要修，修完一面要重新装夹一次，这时由于坯料是40×15的小坯料装夹时很不方便。第二种方法，在工步上要比第一种方法少很多，只用一台车床就能完成制坯的整个工序，稍有不足的地方就是这种方法要比第一种方法稍微浪费点材料。根据上面的分析，第二种方法不仅工步少，节约了制坯时间，也给工人减轻了工作量，至于切断制坯时浪费的材料也可以再回收利用，总体来说比第一种方法要好，终上所述，最终决定选第二种方法是比较科学的。这里选用42的棒料而不

37、是直接选40的棒料是因为铝棒在制成后表面有一层粗晶环，如果不把这层粗晶环去掉，不仅在挤压过程中会很容易损坏模具，挤压出来的挤压件的性能也达不到要求。4.2 软化处理（图15） 软化处理是冷挤压前一道很重要的工序，它不仅要将进行处理的的坯料进行软化，降低坯料的硬度，同时也在通过软化处理的的工程中对坯料的表面进行了一定的处理，使其表面的粗糙度下降，这样在后面的冷挤压成形过程中，使坯料能容易的成形，粗糙度的下降也使模具的寿命增长。 在这里选用加热炉进行软化处理，将坯料批量放入加热炉（一次大概放入100个坯料），放入的坯料之间尽量不要接触，这样对坯料的软化处理效果不是很好，就会对后面的挤压有影响。先设

38、定加热炉的加热温度为400±10，先空炉加热到设定温度然后将坯料放入空气炉进行加热，这个过程需要90分钟，然后炉冷至150，最后取出空冷。400±10温度/1.5时间/h炉冷至150空冷 图15 软化处理4.3 冷挤压成形根据先前算出的挤压力选择相应的挤压机的型号，前面算出的挤压力为760kN，查阅相关资料，在这里可以选择压力机的型号为Y32-100A的液压机。在进行冷挤压前先对设定好挤压力760kN，再设定封高为360，这样使在挤压后让挤压件从模具中顶出后能够取出来，也能使挤压出来的零件的底部的厚度达到设计的挤压件的尺寸。设定好后就开始挤压了，先给模具内壁涂上润滑剂，在这

39、里润滑剂选用菜油，再将毛坯料放入模具盖上刮料板，进行挤压成形， 挤压完成后取出挤压件。先试挤压3件进行检查，检查尺寸合格及没有挤压缺陷后进行正式挤压，在挤压过程中每挤压一个零件就要涂一次润滑剂。4.4 检测挤压件这道工序是对正式挤压后的挤压件进行检查，主要还是检查挤压件在通过挤压后它的尺寸是否达到了设计的要求，以及挤压件上是否有挤压缺陷，如表面拉伤、裂纹、折叠等等以此来提高产品的合格率。4.5 热处理在对挤压件进行了挤压后的检测后，就可以对挤压件进行热处理了，热处理的主要目的是：提高挤压件的硬度，以利于进行后续的切削加工；消除挤压件的内应力，以免加工成零件后产生变形；改善挤压件的内部组织，细化

40、晶粒。要进行热处理首先就要对进行热处理的设备进行选择，目前比较常用的热处理设备有空气炉和硝盐槽两种，空气炉主要对碗形类零件进行热处理，硝盐槽主要对没有孔槽的挤压件进行热处理。由于消音碗为碗形类零件，所以在这里选用空气炉对其进行热处理，如果选用硝盐槽对其进行热处理的话，挤压件在热处理后会带出硝盐槽里的槽液，在后面的清洗中难把挤压件里面的槽液清洗干净，这样也对槽液的浪费比较大。在这里还要注意的是采用空气炉进行热处理时，零件之间不能有接触，要有一定的间隔，这样才能使零件热处理的效果更均匀。在空气炉进行固溶热处理时，应防止把水带入炉膛，必要时应使用氟硼酸铵或同等物，以防止多孔性（以前误称高温氧化）的出

41、现。通过查阅中华人民共和国航空工业标准变形铝合金零件热处理来确定对消音碗热处理的主要数据：固溶温度：合金牌号固溶温度LC3465475LC4465475LC94654757A04（LC4）的固溶温度为465475，LC4挤压件可采用472477，所以在这里选用475为这次热处理的固溶温度。当空气炉里的温度达到固溶温度后就开始保温了，在这里要特别注意的是其保温时间应以工作区内温度最低的一只热电偶达到最低规定温度时开始计算。在进行热处理时的偏置温度应与设置温度相差小于3。保温时间：保温时间根据热处理的零件的壁厚来选择。消音碗挤压件的壁厚为2，采用空气炉进行热处理，下表的数据为1530min。厚 度

42、保 温 时 间，min板材，挤压产品零件锻件，模锻件硝盐槽空气炉硝盐槽空气炉1.0710201.02.01015302.13.0101740101530注：厚度是指热处理时的最大截面上的最小尺寸。淬火：淬火介质一般为水，根据需要并经过批准后可以采用聚合物水溶物或喷雾、鼓风等方式淬火，在这里选用最普通的水来进行淬火。淬火前的水温不应超过32，在淬火后不超过40。热处理后进行淬火有个淬火转移时间即从炉门开始打开时开始浸入淬火介质中结束，最长淬火转移时间不应大于下表中规定的时间，表中的最小厚度是指炉料中任一件的最薄截面的最小尺寸。最小厚度，最长时间，s0.450.410870.812.3102.31

43、5零件最薄截面的最小尺寸为2，根据表中的数据选择0.812.3，最长淬火转移时间为10s。在淬火期间应将零件来回在淬火介质中上下移动和（或）淬火介质进行搅动。所以必须在10s内对热处理的挤压件进行淬火。零件浸入淬火介质中保持的时间，可以根据材料的最大高度计算：每25至少2min，不足25的部分按25计算。另一种方法是：零件浸入淬火介质中，在所有的沸腾迹象消失后，再保持至少1min。但应选用二者中时间较长的为淬火时间。这里的淬火时间为当挤压件进入淬火后，介质在沸腾结束后1min取出挤压件。时效：合金牌号品 种时效种类时 效 规 范时效后状态温度，时间，hLC4包铝板材人工时效11512524CS

44、挤压件、锻件、不包铝板人工时效13514516CS所有分级时效115125随后15516533CS时效有单级时效和多级时效，单级时效的零件的硬度高，但时间长，而多级时效刚好相反。由于零件的要求是高强，所以这里选择单级时效，再根据上表中结合零件材料和品种，选择时效种类为人工时效，时效温度为140，时效时间为16小时。根据上面的分析，最后确定热处理的具体细节为固溶温度为475，达到固溶温度的保温时间为30min，保温完后，在规定的淬火转移时间内（10s）将零件进行淬火，最后进行在140，16小时的人工时效。在热处理完毕后，随机抽取这批热处理的零件中的%2的零件进行硬度检查，合格后对同批进行热处理的

45、零件进行统一编号。4.6 检测最后的一步工序是检测热处理后的挤压件在热处理后是否出现由于热处理而产生的一些裂纹和变形。到这里整个挤压的工艺过程就完成了，后面就是将挤压件加工成零件尺寸和形状的后续加工了包括车端面、车外圆表面和加工里面的圆柱凸台为圆锥凸台。5 铝合金消音碗毛坯冷挤压成形模具设计（由王敏同学的课题完成）5.1 冷挤压模具简介冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形，其单位挤压力相当大，同时由于金属材料的激烈流动所产生的热效应可使模具工作部分温度高达200以上，加上剧烈的磨损和反复作用的载荷，模具的工作条件相当恶劣。因此冷挤压模具应具有以下特点：（1）模具应有足够的强度和刚度，要在冷热

46、变应力下正常工作。（2）模具工作部分零件材料应具有高强度，高硬度，高耐磨性，并有一定的韧性。（3）凸，凹模几何形状应合理，过渡处应用较大的光滑圆弧过渡，避免应力集中。（4）模具易损部分应更换方便，对不同的挤压零件要有互换性和通用性。（5）为提高工作部分强度，凹模一般采用预应组合形式，凸模有时也采用组合形式。（6）模具工作部分零件与上，下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板，以扩大承压面积，减少上下模板的单位压力，以防止压坏模板。（7）上，下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应用足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度。 典型的冷挤压模具有以下几部分组成：（1）工作部分：凸模、凹模、顶出杆等；（2）传力部分：上、下压力垫板；（3）顶出部分：顶杆、反拉杆、顶板等；（4）卸料部分：卸料板、卸料环、拉杆、弹簧等；（5）导向部分：导柱、导套、导板、导筒；（6）紧固部分：上、下模板、