第六章 冷挤压工艺与模具设计

1、第6章 冷挤压工艺与模具设计一、目的与要求了解冷挤压工艺方法及冷挤压模具结构组成。二、主要内容冷挤压分类，冷挤压件工艺性分析，冷挤压模具设计。三、难点与重点冷挤压必须解决的主要问题四、授课方式多媒体授课。五、思考题61 冷挤压加工有哪些类型?各适用于什么场合？62 冷挤压加工有什么优点?63 冷挤压对毛坯有何要求？64 如图所示的冷挤压件，试确定坯料形状及尺寸。65 如图所示的冷挤压件，材料为10号钢，试计算冷挤压力的大小。题64图 题65图66 预应力组合凹模是如何提高挤压凹模的整体强度的?若凹模承受的单位压力是1300MPa，通常采用几层凹模?六、小结6.1 概 述冷挤压是指在室温条件下，

2、利用压力机的压力，使模腔内的金属毛坯产生塑性变形，并将金属从凹模孔或凸、凹模的缝隙中挤出，从而获得所需工件的加工方法。6.1.1、冷挤压的分类根据冷挤过程中金属流动的方向和凸模运动方向的相互关系，可将冷挤压分为正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压等。1、正挤压 挤压时金属流动方向与凸模运动方向一致（见图6-1）。适用于带凸缘的空心件和杯形件、管件、阶梯轴等制件的挤压。2、反挤压 挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反（见图6-2）。适用于杯形件、多层薄壁件、带凸缘的实心件等的挤压。 1-凸模2-凹模 3-毛坯4-挤压件 1-凸模 2-挤压件3-毛坯4-凹模 5-顶杆 图6-1正挤压 图6-2反挤压

3、3、复合挤压 挤压时一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反（见图6-3）。适用于各种断面的制件，如圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形等的挤压。4、径向挤压 挤压时金属流动方向与凸模运动方向相垂直（见图6-4）。适用于具有法兰凸台的轴对称的挤压。1-凸模2-挤压件 1-上模2-凸模3-挤压件3-毛坯4-凹模5-顶杆 4-毛坯5-凹模6-顶杆图6-3复合挤压 图6-4径向挤压6.1.2冷挤压的优点1、 节约原材料 2、提高零件的机械性能 3、生产率高 4、可以制造用其它方法难以制作的零件。5、尺寸精确，粗糙度值比较小粗糙度Ra可达3.20.4m,最高可达0

4、.1m。零件公差等级可达到IT8。6.1.3冷挤压的主要技术问题冷挤压毛坯变形所需要的单位压力很大，可能达到毛坯材料强度极限的46倍或更高，有时接近甚至超过现有模具材料的抗压强度极限（25003000MPa），因此解决模具的强度、刚度和寿命就成为冷挤压的关键。为此，必须对下列技术问题加以综合考虑：1、设计合理的、工艺性良好的冷挤压件结构；2、制定合理的冷挤压工艺方案；3、选用适合于冷挤压加工的材料；4、选用合理的毛坯软化热处理规范，采用理想的毛坯表面处理方法与润滑剂；5、选用耐疲劳、耐磨损的高强度模具材料，采用合理的模具加工方法与热处理方法；6、设计合理的模具结构；7、选择合适的压力机。6.2

5、 冷挤压金属流动分析研究冷挤压时的金属流动情况，有助于分析和解决冷挤压中所出现的工艺问题和挤压件的质量问题。图6-5毛坯上的坐标网研究冷挤压金属流动的实验方法很多，其中使用最广泛、最简单的方法是坐标网格法。即把毛坯做成如图6-5所示两块半圆柱体，其中一块刻有正方形的网格，并在拼合面上涂润滑油，将两半块拼合成圆柱体的毛坯进行各种形式的挤压后再分开，便可得到各种挤压的金属流动情况。6.2.1正挤压的金属流动正挤压实心件的金属流动情况如图6-6所示。 (a)毛坯 (b)理想变形 (c)中等模锥角(d)小模锥角 (e)大模锥角 (f)非稳定变形图6-6实心件正挤压过程中的变形6.2.2反挤压的金属流动

6、如图6-7所示(a) 毛坯 (b)稳定变形 (c)非稳定变形图6-7反挤压时金属的流动由图可以看出，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到达筒壁后，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。6.3 冷挤压件的工艺性6.3.1冷挤压常用材料冷挤压时，由于摩擦的影响，会导致挤压件表层金属在附加拉应力的作用下而开裂。所以，金属材料塑性越好，硬度越低，含碳量越低，含硫、磷等夹杂物越少，冷作硬化敏感性愈弱，则对冷挤压越有利，工艺性越好。6.3.2挤压件的合理形状与尺寸冷挤压件的合理尺寸见表6-16-3。6.3.3工艺余块和修边余量

7、制订挤压件图时，根据挤压工艺性的特点，可适当设置工艺余块，由机械加工切除。图6-8是设置工艺余块的一个例子。a)产品零件图 b)挤压件图图6-8工艺余块设计挤压件挤出的棱边和端头一般是不平整的。当要求零件端面平整时，应预加修边余量。冷挤压杯形件孔口的修边余量可参照表6-4选取。如图6-9中的A面是挤压的工艺基准，挤压工艺基准应尽量与设计基准和机械加工基准相一致。图6-9挤压件的加工基准6.3.5冷挤压件的尺寸公差与粗糙度冷挤压件的尺寸公差受到制件尺寸大小、毛坯状态，模具与压力机的精密程度和刚性等因素的影响，一般冷挤压件的径向尺寸公差可达IT8级。冷挤压件的表面粗糙度与模具工作表面的质量，几何形

8、状及润滑等因素有关，一般粗糙度Ra可达3.20.4m，在理想的挤压条件下，可达 0.1m。6.4 冷挤压件坯料的制备及处理方法6.4.1冷挤压对毛坯的要求1、冷挤压用毛坯表面应保持光滑，不能有裂纹、折叠等缺陷。一般要求毛坯表面粗糙度Ra在6.3m以下。2、毛坯的几何形状应保持对称、规则，两端面保持平行。否则，易使凸模单面受力（图6-10）而折断。图6-10毛坯端面傾斜使凸模单面受力6.4.2毛坯的形状和尺寸1、毛坯的形状：如图6-11所示，图（a）实心毛坯能挤出实心件；图（b）空心毛坯挤出空心件。图6-11 毛坯及挤压件示例2、毛坯尺寸的确定：冷挤压件毛坯尺寸是根据体积不变的原则来计算的。如果

9、冷挤压后要修边，则毛坯体应等于制件体积与修边余量体积之和。挤压件的修边余量见表6-4。毛坯体积 (61)毛坯高度 （62） 式中 V0毛坯体积(mm)V包括修边余量（或切削耗量）的制件体积（可将制件分成若干个简单几何体，分别计算后再求其和）（mm3）;F毛坯横断面积（mm）；h0毛坯高度（mm）毛坯外经d0，一般比凹模内径Dd小，以便毛坯放入凹模，通常d0=Dd -（0.10.3）。挤压空心件时，采用带内孔的毛坯，其毛坯内径d2可按如下确定：制件内孔要求精度不高时 d2=dp+（0.10.3）制件内孔要求精度较高时 d2=dp+（0.010.05）dp凸模直径6.4.3毛坯的制取方法原材料为板

10、材的毛坯，可采用小间隙圆角凹模落料获得，毛坯质量好，效率高。原材料为棒料的毛坯，可用切削加工和冲剪获得，前者毛坯质量好，后者效率高且省料。杯形和预成形的毛坯是用反挤或拉深而成的毛坯。6.4.4坯料的软化、表面处理和润滑为了改善材料的挤压性能、降低冷挤压时的单位挤压力、提高零件表面质量和延长模具使用寿命，必须对坯料进行合理的软化处理、表面处理和润滑。表6-5列出常用冷挤压材料的软化退火范围及所能达到的硬度，表中所列规范是一些工厂生产实践的总结。表6-6列出几种材料的冷挤压坯料的表面处理方法和常用润滑剂。6.5 变形程度和挤压力计算6.5.1变形程度的表示方法变形程度是表示挤压时金属塑性变形量大小

11、的指标，常用断面缩减率表示： （63）式中 F0冷挤压变形前毛坯的横断面积（mm2）F1冷挤压变形后制件的横断面积（mm2）6.5.2许用变形程度许用变形程度是指冷挤压时材料的许用变形程度，实际上是指在模具强度允许的条件下，能保持模具有合理寿命的一次挤压的变形程度。表6-7为正挤压35号钢时变形程度对模具寿命的影响。有色金属的许用变形程度见表6-8。碳钢的许用变形程度，如图6-12、图6-13、图6-14所示。图中斜线以下是许用区，斜线以上是待发展区，斜线范围内是过渡区（当模具钢质量较好，润滑良好时取上线，反之，取下线）。许用变形程度，主要用来校核一次挤压的变形量。当计算变形程度F小于或等于许

12、用变形程度时，则可一次挤压成形。否则，必须分成两道或多道挤压工序完成。对于复合挤压，应分别对正、反挤压的变形程度进行校核。只有当正、反挤压的变形程度均在许用变形程度的范围内时，制件才有一次挤压成形的把握。图6-12 正挤压碳钢实心件的许用变形程度 图6-13 正挤压碳钢空心件的许用变形程度图6-14 反挤压碳钢的许用变形程度 图6-15 复合挤压件例6-1 图6-15所示挤压制件为黄铜H62，校核其变形程度。解：为计算简便起见，可将环状毛坯外径视为与制件大端外径相等，环状毛坯孔径视为与制件小端内径相等，故 % %由表6-6可知，黄铜正挤压许用变形程度90%95%，反挤压为75%90%=67%

13、75% =83% (d2 - d02)注：d0毛坯内径；h0毛坯高度表6-12钢件反挤压凸、凹模工作部分设计凹模形状尺寸参数（mm）D=挤压件外径H2=h0+h+R+4当D=2D2时 H1=2D2当D=1.5D2时 H1=D2D13.5D 不小于35凸模形状尺寸参数（mm）d=挤压件内径d2=d-(0.10.2)l=H-t1+2+卸料板厚度2.5dh=23r=0.51注：h0毛坯高度H挤压件高度t1挤压件底部厚度表6-13有色金属正挤压凸、凹模工作部分设计凹模形状尺寸参数（mm）D=D0+(0.10.2)D1=挤压件外径D2=D1+0.1D33D但不小于35H1=h0+(35)H2不小于(1.

14、11.2)DD230h11.01.52.02.5R0.30.51.01.0凸模形状尺寸参数（mm）d=挤压件内径d1=Dl1=H1+5l2=h0+(24)R不小于注：D0毛坯直径h0毛坯高度D、H1凹模尺寸表6-14有色金属反挤压凸、凹模工作部分设计凹模形状尺寸参数（mm）DDdD13D但不小于35H1=h0+(35)H3H1R0.5注：h0毛坯高度；Dd凹模直径凸模形状尺寸参数（mm）d=dPd1按斜面高度t计算d2=d-(0.10.2)d35h1.01.21.52.0注：t挤压件壁厚；dP凸模直径3、冷挤压凸凹模制造尺寸的计算冷挤压凸、凹模制造尺寸是指凸、凹模工作部分的横向尺寸。在冷挤过程

15、中，除凸、凹模磨损后尺寸有变化以外，还有一些不易掌握的因素影响零件尺寸的准确性。例如凸、凹模的镦粗，出模后制件的收缩，凸、凹模的同轴度等。因此，很难总结出一个合理的，准确的计算公式。当公差要求不高时，可按下列公式计算（图6-25）： 图6-25冷挤零件横向尺寸的标注法当制件要求外形尺寸时（图a）： (6-7) (6-8)当制件要求内形尺寸时（图b）： (6-9) (6-10)式中 制件外形最大极限尺寸（mm） 制件内形最小极限尺寸（mm） 冷挤压凹模的基本尺寸（当采用组合凹模时，应增加0.0050.01 的收缩量）(mm) 冷挤压凸模的基本尺寸(mm) 凹模的上偏差，一般取 (mm) 凸模的下

16、偏差，一般取 (mm) 零件公差对于正挤压凹模和芯轴，也可参照上述公式计算4、冷挤压凸凹模的常用材料目前常用的模具材料，用于凸模的有W18Cr4V、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、9CrWM、5CrW2Si等；用于凹模的有Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、YG15、YG20、YG25等。6.6.3卸料和顶出装置1、卸料装置卸料装置是将工件从凸模卸下的装置。卸料板的孔形应该与挤压件外形相适应。对于黑色金属反挤压，使用整体式卸料板。对于壁厚小于0.5mm的薄壁有色金属反挤件，可采用如图6-26所示的组合式卸料板。图6-26 组合式卸料板的结构形式2、顶出装置图6-27常用顶杆形状图6-2

17、8三种顶出装置顶杆是常用的将工件从凹模中顶出的装置，其常用形状如图6-27所示。6.7 预应力组合凹模的设计6.7.1组合凹模的应用在冷挤压过程中，凹模内壁在强大的压力作用下，如果强度不够，常常使整体式凹模产生切向开裂。实践证明，采用如图6-29中的（b）与（c）所示，预应力多层组合凹模，可以有效地防止凹模的破裂。a) 整体式b)两层组合式c)三层组合式图6-29预应力组合凹模结构预应力组合凹模通过外圈对内圈施加预应力，来抵消在冷挤压过程中引起的切向应力，从而提高模具强度，则可避免切向开裂。据分析，两层组合凹模的强度是整体式凹模强度的1.3倍，三层组合凹模的强度是整体式凹模强度的1.8倍。除了

18、提高凹模强度，预应力组合凹模还有以下优点： 当凹模损坏后，只须调换内圈，不必报废整个凹模； 由于内圈尺寸较小，热处理容易，提高了模具热处理质量； 预应力组合凹模仅内圈采用合金工具钢，中、外圈可采用一般材料，从而可节约贵重材料。但预应力组合凹模存在加工面多，压合工艺要求较高等缺点。6.7.2层数的选择及各圈尺寸的确定1、层数的选择凹模的层数按单位挤压力p确定。p1100MPa时，采用整体式凹模；1100MPap1400MPa时，采用两层组合凹模；1400MPap2500MPa时，采用三层组合凹模。2、各圈尺寸的确定对于整体式凹模，其外径应为内径的46倍，即d2=(46)d1 （见图6-29a） 对于两层组合凹模各圈尺寸如图6-29b所示，其中d3=