毕业设计（论文）-汽车盖形螺母成形工艺及模具设计.doc

摘要盖形螺母，包括螺母体和盖帽，其技术解决方案是螺母体和盖帽为分体结构，两者通过焊接连接。采用分体结构后，螺母体可采用现有的标准螺母，加工时只需制造盖帽并将盖帽焊接在标准螺母上就可以了，大大降低了制造的难度。盖形螺母广泛应用于汽车配件，机械设备，电子器材，通讯设备，五金灯饰，建筑桥梁，家具装修等相关行业，其市场需求量巨大。采用冷挤压工艺生产不但能降低生产成本，提高生产效率；而且提高了零件的精度和表面质量，改善了强度和韧性，减少了切削加工量，也改善了零件的组织性能。所以，在此对汽车盖形螺母的成形工艺及模具设计进行研究。在挤压过程中一般采用有预成形的多道次挤压工艺。其中的关键是如何合理分配材料变形程度，控制材料流动，减少过度变形，从而得到合格的零件。本文探讨了盖形螺母挤压的可行性，通过对产品零件图的分析，制定了几种工艺方案并进行分析比较，在选择最优方案的同时也制定了工艺流程。在此基础上详细地介绍了盖形螺母挤压模具的设计过程。关键词：盖形螺母，冷挤压，模具设计，成形工艺ABSTRACTCap nut, including nut body and cap, the technical solution is the nut body and cap for fission structure, both through welding connection. After adopting fission structure, nut nut can adopt existing standards body, only when the processing manufacturing blocks and blocks of welding on the standard nut, greatly reduce the manufacturing difficulty.Cap nut is widely used in auto parts, machinery and equipment, electronic equipment, communications equipment, hardware lighting, bridge building, furniture decoration and other related industry, its market demand is huge. Not only can reduce the production cost was produced by cold extrusion technology, improve production efficiency; And improves the precision and surface quality of the parts, to improve the strength and toughness, reduce the cutting processing capacity, and improve the organizational performance of the parts. So, in this for car cover nut forming technology and die design were studied. Preform is commonly used in the extrusion process of multi-channel extrusion process. The key is how to distribute the material deformation degree, reasonable control of material flow, reduce excessive deformation, so as to get qualified parts. This paper discusses the feasibility of cap nut extrusion, through the analysis of the product detail drawings, make several process scheme and carries on the analysis comparison, in choosing the optimal plan is also made the process flow. On the basis of the cover nut were introduced in detail the design process of the extrusion die.Key words: cap nut, cold extrusion, die design and forming technology目录第1章 冷挤压技术的介绍11.1冷挤压工艺的实质11.2冷挤压工艺的优点11.3冷挤压工艺的缺点21.4冷挤压工艺的应用范围31.5冷挤压工艺的的发展方向3第2章 工艺分析及制定42.1产品零件的分析42.2工艺方案的分析4第3章 毛坯制备及处理83.1冷挤压件毛坯的制备83.2冷挤压件材料的软化热处理103.3冷挤压件的表面处理与润滑10第4章 冷挤压力104.1影响冷挤压压力的主要因素114.2变形程度114.3冷挤压力的计算12第5章 冷挤压设备的选择135.1冷挤压设备的基本要求135.2冷挤压设备的选择13第6章 冷挤压模具设计156.1冷挤压模具特点156.2冷挤压模架设计156.3凸、凹模设计166.3.1反挤压凸模的设计166.3.2反挤压凹模的设计176.3.3反挤压凸、凹模制造公差18第7章 模具结构部件设计197.1上模具部分结构设计197.2下模具部分结构设计207.3模具结构和工作原理217.4成形模具三维图22第8章 冷挤压模具材料的选择258.1模具材料的基本要求268.2模具材料的选用原则268.3常用的冷挤压模具材料26第9章 工艺卡片28结 论30考参文献31致 谢32IV第1章 冷挤压技术的介绍1.1冷挤压工艺的实质在金属压力的加工中，冷挤压是一种非常先进的少、无切削加工的新工艺。冷挤压是指在室温下，利用压力机的简单往复运动，使放在冷挤压模腔内的金属毛坯，在强大的压力以及一定的速度作用下，迫使金属产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸并且具有一定力学性能的挤压件。冷挤压方法既可以用于生产成批的有色合金及黑色金属的零件，也可以加工各种模具的型腔。根据挤压时金属流动的方向与凸模运动方向之间的关系，常用的挤压方法可以分为正挤压,反挤压, 复合挤压以及径向挤压。正挤压就是挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压又可分为实心件正挤压和空心件正挤压两种。正挤压法可以制造各种形状的实心件和空心件，如螺钉、心轴、管子和弹壳等。而反挤压是挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压法是将圆形毛坯挤压成筒形零件，可以制造出各种仪表罩壳、万向节轴承套、连杆衬套等。复合挤压是指挤压时，金属的流动方向朝凸模的运动方向和相反方向同时运动。复合挤压可生产两端直径不同的筒形零件，也可生产双杯形零件，如汽车的活塞销，也可以制造杯杆形零件等等。径向挤压是指金属的流动方向于凸模的运动方向相垂直。径向挤压又分为离心和向心挤压两种，主要用于制造带凸肩的齿轮坯和十字轴类零件。1.2冷挤压工艺的优点挤压加工有许多特点，主要表现在挤压变形过程的应力应变状态、金属流动行为、产品的综合质量、生产的灵活性与多样性、成本与生产效率等方面。1）提高金属的变形能力冷挤压是一种金属塑性成形加工先进方法。它在不破坏金属的前提下使金属体积作出塑性转移，从而达到少切屑无切屑而使金属成形，制得所需的形状、尺寸的零件。这样就避免了在切削加工时形成的大量金属废屑，大大节约了各种有色金属及钢铁原材料。2）提高劳动生产率冷挤压零件是在压力机上进行的，操作很方便，容易掌握，生产率也很高。同时也减少了一些中间工序的进行。3）可成形复杂形状的零件。4）在冷挤压过程中，金属材料是处于三向不等的压应力作用下。挤压变形后，金属材料的晶粒组织会更加致密。同时冷挤压利用了金属材料冷变形的加工硬化特性。使冷挤压件的强度大大提高。从而提供了低强度钢代替高强度钢的可能性。5）可获得得较高尺寸精度及较小表面粗糙值的零件。经冷挤压成形的零件的表面质量是非常好的。在冷挤压过程中，金属表面在高压下会受到模具光滑表面的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面强度也大大提高。6）减少工序，缩短生产周期。冷挤压工艺是在闭式模具型腔中进行金属塑性变形，所得到的挤压件是没有飞边的，故不再需要切边（或冲孔）等后续工序，从而缩短了和产周期。7）减少设备投资。与模锻相比，因冷挤压不会产生飞边，故可省去切边模及切边压力机，这样就明显地减少了设备投资。8）降低零件的生产成本。1.3冷挤压工艺的缺点在长期的生产实践中，与其他制造工艺相比，冷挤压虽然表现出很多优点，但是还是存在一些问题。冷挤压工艺的缺点如下所述。1）变形抗力高冷挤压时，被挤压材料的变形抗力较高，其中最能说明的是钢的冷挤压，其变形抗力高达2000MPa以上。这样的超高压力，对模具材质，结构和加工制造等提出了更高的要求。2）模具寿命短由于冷挤压模具承受着很大的单位压力作用，最高可达3000MPa，模具容易磨损、易破坏：虽然在模具材料以及模具结构等方面采用了很多有效的措施，但与冲压模具相比，其使用寿命还是偏低的。3）对毛坯的要求较高冷挤压加工时对毛坯的要求会比其他金属塑性成形加工工艺都要高，否则，会使模具易受到损坏。对于冷挤压毛坯，除了要求毛坯具有准确的几何形状以及较高的尺寸精度外，还要求在冷挤压变形之前对毛坯进行一定的软化退火处理以及表面润滑处理。4）对冷挤压设备要求较高当实施冷挤压工艺过程时，除了要求冷挤压设备应用较大的强度以外，还要求有较好的刚度。此外，还要求设备具有良好的精度并具有可靠的保险装置。1.4冷挤压工艺的应用范围冷挤压加工是一种“优质、高产、低消耗、低成本”的先进工艺。在技术上与经济上都有很高的应用价值。目前冷挤压技术在机械、汽车、般天般空、仪表、军工、电子通信和轻工民用产品中（如钟表、自行车、照相机等）都已经得到了广泛的应用，已成为金属塑性成形技术中不可缺少的一部分。冷挤压作为一种少无切削的新型工艺，已经成为先进制造技术中极具特色的一个门类。冷挤压加工的缺点与优点相比是次要的，是相对于当前不是很先进的技术条件而言的，随着科学技术的迅速发展，模具钢新材料的研究及开发，模具结构设计的合理化，缺点问题会被解决，优越性将会得到充分发挥。1.5冷挤压工艺的的发展方向由于冷挤压技术具有目前最效节约材料、提高生产效率、提高机械产品性能、适合大批量生产等优点，所以进一步研究与推广应用冷挤压技术，在我国现代化建设中有着广阔的前景。冷挤压工艺的发展方向主要有以下几个方面：1）进一步扩大冷挤压的应用，在一定范围内慢慢代替铸造、锻造、拉深、旋压、摆辗和切削加工；2）除了应用于有色金属和黑色金属以外，进一步增多可供冷挤压用的材料种类；3）在合理的许可的范围内提高每次冷挤压工序的变形量；4）满足冷挤压零件形状的复杂性，使之可成形更复杂的，甚至外形不对称的零件；5）延长冷挤压模具的使用寿命；6）提高冷挤压的生产率；7）在小批量生产中扩大冷挤压的使用；8）先进的智能化、敏捷化与数字化等现代技术在冷挤压生产中要得到进一步应用。第2章 工艺分析及制定2.1产品零件的分析本设计的产品为盖形螺母，其产品示意图与零件图如图2.1所示：图2.1 盖形螺母本零件属于螺母类，其含有内孔以及外六角。加工时应注意保证零件所需的强度跟硬度。盖形螺母应用广泛，采用挤压技术可以大批量生产。从零件图上可以直观的看出，该零件属于轴对称图形，顶部跟中部为圆弧过渡，还有内孔。材料为15号刚。2.2工艺方案的分析主要根据产品零件图，具体的生产条件、用途和相关资料进行工艺方案的设计。通过各种可行方案的制订、分析、比较，选出合理的工艺方案。由此我们可以从这些方面来选择最佳的工艺方案。对于金属来说，成型工艺有多种选择。例如直接机加工成型、压铸成型、冲压成型、挤压成型等等。下面将分别对这四种成型工艺进行分析，从而得到最佳的工艺方案。1. 直接机加工成型机加工成型，即通过机床直接对坯料进行切削加工成型，机加工主要是对坯料进行形状尺寸的加工，一般不会改变其内部的物理性能。工艺过程：坯料机加工成品从零件图上知道产品的形状虽然比较规则，但是外部有六边，底部有内孔，内孔还含有螺纹，且头部与六边结合部分为圆弧，这样在进行机加工时操作不方便，同时本零件的尺寸较小，不便在普通机床上加工，并且在精度上无法保证。另外可考虑选用数控加工，这虽然能保证良好的加工精度。但是这种加工强度不够，材料利用率极低，仅为12.2%，对于生产来说，生产效率低，经济效益极差，故不采用。2压铸成型压铸成型即在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填型腔，并在压力下成形和凝固而获得铸件的方法。这种成型方法所获得的尺寸精度高，且材料利用率高，加工量少。这种成型方法对于盖形螺母说是可行的。但是由于螺母内孔含有螺纹，所以成型的时候容易引起起皱等问题，所以不采用。3.冷挤压成型冷挤压是指在室温下，利用压力机的简单往复运动，使放在冷挤压模腔内的金属毛坯，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸并具有一定力学性能的挤压件。从挤压工艺分析来看，冷挤压工艺又可分为几种方案，现将各方案分析如下：1）成形工艺方案工艺过程：下料退火制坯表面润滑处理复合挤压下料 复合挤压2）成形工艺方案工艺过程：下料退火表面润滑处理正挤压挤六方反挤内孔 下料 正挤压 挤六方 反挤压3）成形工艺方案工艺过程：下料退火表面润滑处理正挤压反挤压下料 正挤压 反挤压4）成形工艺方案工艺过程：下料退火表面润滑处理冷镦预成形挤六方反挤压 下料 冷镦预成型 挤六方 反挤压综合选择方案第3章 毛坯制备及处理3.1冷挤压件毛坯的制备毛坯制备，是从毛坯的下料开始到制备出符合冷挤压工艺要求的毛坯为止的过程。制备价廉、质量良好的毛坯是关系到挤压件质量、生产率和成本的大问题。1冷挤压成形尺寸的确定本设计中的挤压件如图2.1所示。成形尺寸如3.1所示图3.1 零件的成形尺寸2挤压件坯料的形状的确定及下料方法毛坯的形状和尺寸不仅取决于挤压件的形状和尺寸，而且还取决于所设计的工艺方案。毛坯形状和尺寸设计的合理与否，将会对金属流动、挤压件的形状和尺寸，以及模具使用寿命等产生明显的影响。冷挤压毛坯的断面形状，可以根据挤压件的相应断面形状来确定。由本设计所采取的工艺方案可以知道，本设计采用直径有28mm的铝材进行剪切下料。3下料毛坯尺寸的确定坯料形状和尺寸对冷挤压件的充填性能和模具寿命影响很大，根据盖形螺母的形状和特点，同时为了便于送料以及有利于坯料的定位，坯料的直径应略小于凹模型腔内六角部分的内切圆直径。毛坯体积4预成形冷镦计算毛坯的内外径尺寸可根据凸模和凹模的相应尺寸决定。通常情况下，毛坯的外径尺寸要接近成品零件的直径。 为便于将毛坯自由地放入模具型腔内，毛坯外径应比凹模型腔小0.1mm。因此根据毛坯放入冷挤压模腔的要求，本设计取直径为15.9 mm，经计算后其尺寸如下图所示。毛坯及毛坯预成形如图3.2所示。(a)下料毛坯 (b)预成形毛坯图3.2 毛坯及毛坯预成形图因变形程度不大，故冷镦变形是允许的，不会产生镦裂。3.2冷挤压件材料的软化热处理对坯料进行软件热处理的目的：一是为了达到降低材料的硬度，提高材料的塑性，得到良好的金相组织与消除内应力。二是为了达到降低单位挤压力，提高模具的使用寿命，保证产品质量。软化热处理，即把材料进行加热到某一温度，然后保温一段时间，最后随炉冷却，达到材料的软化目的。15号钢的热处理软化热处理规范：加热温度为710730度，保温时间为23个小时，退火后的硬度要求为，3.3冷挤压件的表面处理与润滑为了降低冷挤压件与冷挤压模工作部分的摩擦，降低冷挤压的单位挤压力，提高冷挤压的表面质量，减少模具的磨损，对冷挤压毛坯进行润滑与表面处理。本设计采用磷化处理。表面处理溶液的配方为：氧化锌169g，磷酸283g，硝酸259g，水289g。在温度为95-98的条件下处理20-30分钟。常用的润滑剂还有皂化液，磷化+皂化后用水，凡士林和树脂中跳入二硫化铝润滑，高黏度高硫油、牛脂、棕榈油、菜油等第4章 冷挤压力由于在冷挤压工艺中的单位挤压力P数值要比冷冲压工艺和热锻工艺时的单位挤压力大得多，因此，在进行冷挤压工艺设计时,首先要分析单位冷挤压力的大小及影响因素。4.1影响冷挤压压力的主要因素在冷挤压过程中，影响冷挤压压力的主要因素有：材料性质。被挤压材料的化学成分、组织结构及力学性能对单位挤压力的影响很大，是决定单位挤压力的基本因素。例如含碳量越高的钢材，变形抗力大，不利于挤压；冷挤压前，对毛坯进行软化处理可以降低变形抗力等。冷挤压的变形方式。对于同种金属材料来说，冷挤压变形方式不同，所需的单位挤压力也不同。冷挤压变形程度大小。模具的几何形状。挤压模的凸模和凹模形状，对单位挤压力有很大的影响。模具几何形状设计得合理，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，不仅能显著地提高模具的使用寿命，而且能减小单位挤压力。挤压毛坯的相对高度。毛坯高度的变化，影响到毛坯与凸模真实接触率的改变，进而影响到摩擦阻力的变化，因此，毛坯的高度对单位挤压力也有一定的影响。润滑状态。润滑状态对降低单位挤压力影响较大，良好的润滑状态，可以使真实接触面积率大大减小，摩擦阻力也大大减小，因此，单位挤压力较低。4.2变形程度每道冷挤压工序能挤出合格产品的最大变形程度称为许用变形程度。在保证产品质量、模具寿命的前提下，按照使冷挤压工序数减少到最低限度的原则来选用冷挤压的变形程度。在其他条件相同的的情况下，冷挤压的变形程度不同，其单位挤压力是不同的。冷挤压的变形程度越大，挤压的变形抗力也就越大，它会引起凸、凹模等的破裂。因此对不同的材料，都应选择合适的变形程度。变形程度的表示方法常用断面缩减率来表示。 （4.1）式中 冷挤压变形前毛坯的横截面积， 冷挤压变形后工件的横截面积，由此可以分别计算反挤压成形时的断面缩减率。反挤压小孔时的断面缩减率为：=（）/ =9.5/14 =46%由3表4.1可得15号在钢正挤压时的许用变形程度为85%88%，在反挤压时的许用变形程度为72%82%。故本设计可行。4.3冷挤压力的计算冷挤压力即冷挤压变形所需要的作用力。它是设计模具、选择设备的依据，并可衡量冷挤压变形的难易程度。例如，若冷挤压变形时作用在模具单位面积上的压力超过25003000 MPa/ mm时，模具就容易磨损或损坏，另一方面如果总变形力超过压力机的许用载荷，就会使压力机损坏。因此必须对冷挤压的单位挤压力和总变形力进行计算，以便为设计冷挤压模具和选用冷挤压设备提供依据。在冷挤压过程中，由于一系列工艺因素的影响，挤压力难以准确计算，冷挤压力的计算方法主要有：理论计算法、公式计算法、图算法、查表法。本设计采用图算法来求冷挤压力。由实用冷挤压技术P61页可查得。最后的反挤压成形挤压力计算如下：由图4.29知，从凸模直径d=19mm，做水平线与毛坯直径D=28mm曲线相交。从交点垂直向上投影向断面缩减率=46%，有=46%向上进入，先与毛坯高径比为0.68的曲线相交，求得毛坯高度修正系数K=0.96。再向上投影与15号刚材料曲线相交，求得未经修正的单位挤压力=2050MPa，向左进入进行修正。经毛坯高度修正系数K=0.96与毛坯外径D=28mm修正后，得到修正后的单位挤压力p=1400MPa，将p=1400MPa投影到中。与凸模直径d=19在的投影相交，求得挤压力390KN。第5章 冷挤压设备的选择5.1冷挤压设备的基本要求挤压设备的正确选择及合理使用将决定挤压生产能否顺利进行，并与产品质量、模具寿命、生产效率、产品成本等密切相关，所以必须合理选择和正确地使用挤压设备。选用挤压设备时主要应考虑下述因素。1）挤压设备的类型和工作形式是否适用于应完成的工序；是否符合安全生产和环保的要求。2）挤压设备的压力和功率是否满足应完成工序的需要。3）挤压设备的装模高度、工作台面尺寸、行程等是否适合应完成工序所用的模具。4）挤压设备的行程次数是否满足生产率的要求等。5）备有可靠的超载保险装置。在冷挤压中，往往由于预先未能估计到的原因而使压力机超载，如毛坯尺寸超差及材质热处理不合理等到。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。6）能提供合适的挤压速度。冷挤压加工是将大断面的毛坯压缩成小断面的挤压件。因此在挤压过程中会有冲击作用；所以要求用于冷挤压的压力机能提供合适的挤压速度。一般要求压力机有较高的空程向下和回程速度，在上模接触金属毛坯前，速度能迅速下降，在挤压过程中，挤压速度应尽可能保持均匀。7）具有润滑冷却装置。冷挤压时单位挤压力大，且在冷挤压过程中又会产生大量热量。因此要求压力机有良好的润滑冷却装置，从而延长模具的使用寿命。5.2冷挤压设备的选择通常用于挤压生产的设备主要有专用的挤压压力机，通用的曲柄压力机、摩擦压力机和万能液压机。综合考虑，本设计采用型号为YQ32-40的四柱式通用液压机作为挤压设备，其技术参数见表5.1所示。表5.1 YQ32-40四柱式通用液压机的技术参数型号YQ32-40标称压力KN400液压机最大工作压力MPa25顶出力KN120滑块行程mm450顶出行程mm150滑块下平面到工作台面最大距离mm700工作台尺寸（左右前后高度）mm500460滑块行程速度空程mm /s80工作mm /s25回程mm /s80（资料来源于/SL24.htm）第6章 冷挤压模具设计6.1冷挤压模具特点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例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，要在冷热交变应力下正常工作。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，过渡处尽量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，凹模一般采用预应力组合形式。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，减小上下模板的单位压力，以防止压坏上下模板。7）上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度。6.2冷挤压模架设计模架是模具的安装基础，又是承受较大载荷、传递压力的重要组件，是挤压模具的主要组成部分。挤压工艺可以在专用的挤压压力机、通用液压机、通用曲柄压力机或摩擦压力机上进行，因此模架的结构也有所不同。除应根据挤压件的批量、品种不同并满足不同设备要求外，还应该满足以下几点。1）承压部分应具有很好的刚性及强度，使框架精度稳定。2）凸、凹模工作部分能简便而可靠地固定在框架上，便于更换。3）坯料和挤压件进出要方便，便于实现机械化、自动化。4）易损部分零件尺寸应尽量统一，以便于制造和检验。5）保证操作人员安全。6）按挤压件的不同精度选用制造精度不同的模架。7）在同吨位的压力机上使用的反挤压、正挤压和复合挤压的预应力组合凹模可设计成互换的，从而简化模具的制作。8）反挤压通用模架可兼作正挤压和复合挤压模具使用。由于本设计中所选用压力设备为液压机，且挤压力相对较小，综合考虑选用I级精度中间导柱圆形模架。在这种模架上，模板和模座靠导柱导套连接在一起，即凸、凹模的相对位置是不可调节的，它们的同轴度要求，完全靠安装在模架上的导柱导套给以保证。同时为了保证模具安装方便，需要在上模座上开一孔，以保证压力中心的一致。由10 表5.1-7，可查得I级精度四导柱模架的相关尺寸，如下所示：模架400315305350 I GB/T2851.71990上模座45027050 GB/T2855.13 材料45钢下模座45027050 GB/T2855.14 材料45钢导柱 45250 GB/T2861.1 材料20钢 数量为4导套4513058 GB/T2861.6 材料20钢 数量为46.3凸、凹模设计6.3.1反挤压凸模的设计反挤压凸模一般由夹紧与成形两部分组成。合理的反挤压凸模成形部分形状和尺寸，可以有利于金属的流动，降低单位挤压力，从而提高模具的使用寿命。反挤压凸模的有效工作部分是图中高度为的圆柱形表面，称之为工作带。工作带的作用有以下三点：1）减小凸模与挤压金属的接触面积，可大大降低摩擦阻力。2）防止挤压结束时挤压件粘在凸模上。3）挤压时，不会由于凸模工作带以上部分的弹性变形而产生直径的增大影响挤压件内孔的尺寸精度。1.反挤压凸模的结构本设计选用的凸模作为反挤压凸模。如图6.1所示。6.3.2反挤压凹模的设计反挤压凹模一般由成形与顶出部分组成。反挤压黑色金属薄壁零件时，虽然挤压后工件不会卡在凹模内，但是为了防止这种情况的出现给生产带来不便，本设计中设计了下顶料机构。1反挤压凹模的结构凹模结构设计分为整体式和组合式两种。凹模结构整体式设计的特征是由一整块金属加工而成，结构简单、牢固。由于被挤压零件材料较软，凸模芯轴长径比不大，所以本设计中的凹模采用整体式结构，制造容易。由前面计算得单位挤压力p=1400MPa，挤压力较大。由3图5.13可知，本设计可采用二层组合凹模， 。凹模结构形状如下，其特点结构简单，制造方便。2顶出杆设计顶出杆的形式有两种，一种是只起着将挤压件顶出的作用，这种顶出杆只需要根据顶出杆载荷的具体情况进行设计，保证其纵向稳定性。另外一种是兼作挤压用的顶出杆，这相当于下凸模，因此需要进行强度的校核。本设计采取的是兼有挤压作用的顶出杆。顶出杆的结构如图6.3所示。图6.3 顶出杆的结构顶出杆和凸、凹模一样，承爱着较大的单位压力。因此，设计时应注意如下问题：1）顶出杆上端面与凹模工作带的直径为基孔制间隙配合H7/h6或H7/g6。2）顶出杆端表面承受高压时，中必处单位压力最大。为了抵消单位压力造成的弹性变形量和保证挤压件底面得到平整的端表面，顶出杆不能做成平面，而应做成圆锥面。3）为了防止顶出杆因弹性变形而产生的横向加粗与凹模内孔表面碰，顶出杆在与凹模工作带配合的配合面以下一部分应设有一定的退让量。顶出杆的具体结构尺寸参见零件图。由1式3-28可得顶出力的计算。F顶K顶F挤 （6.1） 0.0540000020000，式中，K顶顶件力系数，由5表3-11可得顶件力系数为0.05，查冲压手册知，45号钢的许用压应力为145167MPa ,而F顶/A20000/（3.1455510）=155 MPa所以符合要求。6.3.3反挤压凸、凹模制造公差反挤压时，模具工作部分的间隙决定了挤压件壁厚的大小。由于挤压时模具工作部分的磨损，这个间隙就会越来越大，因此挤压件的壁厚尺寸也越来越大，在设计模具工作部分的尺寸和公差时，必须考虑模具有一定的磨损量，同时又不影响挤压件的尺寸精度要求。这样即可以挤出合格的产品，又可以提高模具的使用寿命。本设计中最后成形部分对精度要求不高，故按自由公差制造。同时顶出杆与凹模工作部分按基孔制间隙配合H7/h6制造。具体零件尺寸参见零件图。第7章 模具结构部件设计7.1上模具部分结构设计上模具部分结构的设计主要取决于模板结构与凸模的紧固方法。采用合理的紧固方法，可以确保冷挤压件的挤压精度，延长模具的使用寿命，并便于模具的安装、调整及迅速地更换零件。本设计中的上模部分主要由以下零件组成：上模座1、凸模固定圈2、锥形紧固圈3、凸模4、凸模垫块5和特形螺母6。凸模利用凸模固定圈和特形螺母紧固在上模座中，并用凸模垫块进行支撑。这样就可达到方便迅速地进行凸模的拆换、安装的目的。1凸模固定圈凸模固定圈是将凸模紧固在模座上的重要辅助零件。本设计中选用外部有阶梯形状，而内部为通孔的固定圈。设计时压圈的平面尺寸，主要由结构决定。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），对模具寿命有一定影响。故通常规定其厚度在13mm以上。本设计其厚度为16mm。（具体结构参见零件图）2锥形紧固圈锥形紧固圈的尺寸与结构由是凸模决定的，在加工时，需要与凸模的锥面配作，其贴合面积需要达到75以上。同时，安装以后，须留有一定的空间使其与特形螺母相接触，从而达到紧定的作用。（具体结构参见零件图）3垫块由于挤压时，凸模的工作压力较大，且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，设有一工具钢淬硬的垫块。本设计中凸模垫块的尺寸为8117mm。下模具的结构图如图7.1。图7.11-凸模固定圈 2-锥形紧固圈 3-凸模垫块 4凸模 5-特型螺母 6-下模板7.2下模具部分结构设计下模具部分结构的设计主要取决于模板结构与凹模的紧固方法。将凹模牢固、精确地固定在模座上，对确保挤压工作的正常进行和提高模具寿命十分重要。同时合理的紧固方法，还可以使模具结构简化，便于安装、调整和更换零件。本设计中的上模部分由于以下主要零件组成：下模座1、凹模垫块2、推杆3、顶出杆4、凹模5、压板6、凹模固定圈7。凹模放在凹模垫块上，利用压板紧固在凹模固定圈上，并将凹模固定圈锁紧在下模座上。下顶出装置是通过推杆带动顶出杆的运动，将挤压件顶出。除此之外，还有螺钉与定位销等。本设计中凹模的固定采用压板与凹模固定圈进行紧固。压板除具有紧固作用外，还起到模座衬套和相互配合的作用，成为凹模与模座之间重要的过渡和配合零件。在加工过和中，压板的圆锥面必须与凹模的圆锥面进行配作，其贴合面积要达75%以上。为了加强下模座的承受强度，本在凹模下端面与模座接触部分加一垫板。这样挤压时凹模作用于垫板表面上单位挤压力均匀分布在凹模支承面内，垫板厚度增加时，受压面的传递直径增加，传递压力随之减小，因此应尽量加大垫板厚度。压板、凹模固定圈、凹模垫块的具体结构尺寸参见零件图。图7.21-上模板 2-凹模固定板 3-凹模垫块 4-推杆 5-压板7.3模具结构和工作原理综上所述，盖形螺母最终的成形挤压模具的整个结构如图所示，在四柱式通用液压机上进行冷挤压，由导柱导套进行导向；上下模座均采用圆柱销定位，并用螺钉紧固；凸模采用特形螺母与锥形紧固圈紧固，不仅装拆方便，且对中准确；而凹模则靠压板与凹模固定圈紧固。上模下行时，由导柱与导套进行导向，凸模向下运动至挤压面，在凸模的压力作用下，开始对凹模的定位坑内的毛坯进行挤压，至下死点时工件反挤压成形。成形后，由液压机上的顶出装置带动推杆运动，使顶出杆（兼作凹模型腔底部）将工件顶出凹模，同时随着下模的回程，凸模离开凹模。取走工件后，再将毛坯放在凹模的定位坑内，依此反复进行。图7.31.上模板 2.导套 3.导柱 4,11,16,19螺钉 5.凸模固定圈 6.凸模垫板 7.凸模 8.锥形紧固圈 9.特型螺母 10.销 12.凹模内圈 13.凹模外圈 14.压板 15.顶杆 17.凹模紧固圈 18.凹模垫板 20.下模板7.4成形模具三维图通过三维软件Pro-Engineer的绘制，获得模具在闭合状态时的三维形状如图7.4所示，而其三维爆炸图如图16所示图7.4 三维装配图图7.5 三维爆炸图第8章 冷挤压模具材料的选择8.1模具材料的基本要求冷挤压加工时，模具工作部分零件要承受金属变形的巨大压力，此压力高达20002500MPa，还要经受极高的摩擦力和温度变化的作用，可见冷挤压模具的工作条件极其恶劣。因此，模具材料必须具备下列几个方面的要求。1）高硬度。硬度是研究和检验模具最常用的性能指标。高的硬度可保证模具耐磨损，但过高则会导致模具的脆性和缺口敏感性的增大。因此，冷挤模工作零件在保持一定韧性的条件下，要尽可能选用较高的硬度，凸模热处理后，要求硬度在61HRC以上，凹模在5862HRC之间，对韧性要求较高时可采用HRC5860较低的硬度。2）高强度。冷挤压模具材料要求具有很高的强度，以满足承载能力的要求，并且防止由于载荷过高而引起的模具损坏。影响材料强度的因素很多，主要有钢中碳和合金元素的含量，碳化物颗粒的大小及颁的均匀性，晶粒的大小等。3）高韧度模具材料必须具有高的韧性和动载强度。这对于由于冲击、偏心弯曲载荷、疲劳应力集中而引起的折断和开裂破坏是十分生要的。控制钢的含碳量、淬透性和晶粒度，能有效的提高材料的韧性。任何降低硬度来啬韧性的作法，都是不适宜的。应寻求改进模具的结构，以降低对韧性的要求。4）高的耐压能力冷挤模在相当大的压力下工作，要求它在这样大的压力下挤压高强度材料时，能够保持模具开腔的形状和尺寸不变，承受很高轴向压力作用的零件，不镦粗、不弯曲，即模具材料应具有极好的耐压能力。5）高的耐磨性。模具材料须具有较高的抗磨损性能，以获得高模具寿命。磨损是挤压模在使用过程中常见的一种失效方式。一般来说，硬度越高，耐磨性越好。为得到高的耐磨性，须使钢材在高硬度的基体上有大量的、细小的、坚硬的碳化物。6）足够的耐热性能。在挤压时，工件和模具的局部温升可达300度左右，甚至更高，使模具材料内部受到拉伸和压缩的交变应力，从而使金属晶粒产生晶隙和局部的变形，结果产生裂纹，即热裂纹。因而要求模具材料在工作温度下的硬度不变，即具有良好的热硬性和高温硬度。7）良好的工艺性能。模具材料的加工工艺是获得高质量模具的重要因素。因此，要求材料的脱碳敏感性小，热塑性高，锻造容易，切削加工和磨削性能良好。8.2模具材料的选用原则冷挤压模具的材料，应根据被挤材料的种类、挤压方式以及模具的实际工作条件，力求达到较好的经济效益为原则来选择。选用模具材料时应注意下列问题。1）挤压纯铝、纯铜等有色金属可选较差的模具材料。2）用于大批量生产的模具应选用较好的模具材料；对于试制或小批量生产的模具，可选用使用寿命短、加工方便、费用低廉的模具材料。3）大批量生产形状简单的圆形零件一般选用硬度高、耐磨性好的模具材料。对于形状复杂的零件由于过渡部分应力集中较大，且在模具热处理时，该部分会产生较大内应力，且外表部分的摩擦面积显著增加，故一般不采用高碳合金工具钢作模具材料，宜用中碳合金工具钢作模具材料，以保证良好的强韧度。4）冷挤压凹模在挤压过程中受到很大的切向拉应力。因此，要求模具材料有较好的抗拉强度。而冷挤压凸模在挤压时受着强烈的反复压缩作用，因此，要求模具材料有足够的抗压强度和耐热疲劳性。5）较小零件的模具成本较低，一般可用较好的模具材料；尺寸较大的零件所用的模具也较大，大模具造价较高，一般选价廉的模具材料。6）反挤压时，凸模是成形的关键零件，极易磨损；而正挤压时，凹模是成形的关键零件，极易磨损。因此，反挤压凸模或正挤压凹模应选择磨耐性高的模具材料。8.3常用的冷挤压模具材料冷挤压模具零件，由于挤压件材料、尺寸、形状、精度、变形量的不同，模具结构、功能作用以及使用设备、作业条件和生产批量的不同，所用的材料应有不同。冷挤压模具工作部分所使用的材料种类是很多的，对于纯铝来说，常用的冷挤压模具材料如下表所示。表8.1 常用的冷挤压模具材料模具零件挤压材料模具材料牌号热处理硬度凸模有色金属及其合金W18Cr4V,C