冷挤压模具设计说明书

I 摘要 阶梯形零件是多种复杂形状的组合 ，其 成形工艺较难 ， 在工艺设计和变形方案的制定上 ， 有其独自的特点 。 这类零件一般可采用板料多道拉深来成形 。 但是对于本设计中的 阶梯方铝罩零件 来说 ， 其内外都呈现阶梯状 且形状不一致辞，并 且由于中间过渡部分形状不规则 ， 因 此 不可能用板材成形工艺成形 ， 而只能采用挤压等其他方法成形 。 对于复杂的阶梯形零件 ,一次挤压不容易达到预期成形效果 。 因此 ， 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 探讨了阶梯方铝罩挤压的可 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 阶梯方铝罩挤压模具 的设计过程。 采用冷挤压工艺加工后 ， 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 ， 节约了原材料 ， 提高了生产效率 ， 也改善了零件的组织性能 。 关键词： 阶梯方铝罩，成形工艺，冷挤压，模具设计 II ABSTRACT Multi-step part is a combination, which is composed with various complicated shapes. Its forming craft is more difficult. So it has its own characteristic in the technological design and the distortion plan formulation. Generally, this kind of components can be formed with the technology of multi-drawing the sheet. However, the product in this paper is not so regular. Its shape has steps both in exterior and interior and the shape is irregular. At the same time, the middle transition part is so complex that it is impossible to adopt the drawing technology to form. Therefore, we need to consider the cold extrusion and other way to get the shape. It is no easy to achieve the anticipated formed effect with only one extrusion, because the step-shape is so complex. It should use multi-extrusion craft with pre-form forging. So the key is how to distribute rationally the distortion degree, control material flow, reduce the excessive deformation and obtain the qualified components. The feasibility of extrusion forming of multi-step part was discussed in this article. With the analysis of several technological programs, the optimal plan was made and selected, the technological process was determined. Based on the pre-discussion, the extrusion die was design and the design process is presented detailedly. By using the cold extrusion craft process, the precision and the surface quality of the product is improved, the intensity and toughness is got better, the cutting process is reduced, the raw material is saved. Not only does it enhanced the production efficiency, but also improve the organization of component. Keywords: multi-step part， forming technique， cold extrusion， die design III 目录 第 1 章 冷挤压技术的介绍 .1 1.1 冷挤压工艺的实质 .1 1.2 冷挤压工艺的优点 .1 1.3 冷挤压工艺的缺点 .2 1.4 冷挤压工艺的应用范围 .3 1.5 冷挤压工艺的的发展方向 .3 第 2 章 工艺分析及制定 .4 2.1 产品零件的分析 .4 2.2 工艺方案的分析 .5 第 3 章 毛坯制备及处理 .11 3.1 冷挤压件毛坯的制备 .11 3.2 冷挤压件材料的软化热处理 .13 3.3 冷挤压件的表面处理与润滑 .14 第 4 章 冷挤压力 .16 4.1 影响冷挤压压力 的主要因素 .16 4.2 变形程度 .16 4.3 冷挤压力的计算 .17 第 5 章 冷挤压设备的选择 .18 5.1 冷挤压设备的基本要求 .18 5.2 冷挤压设备的选择 .18 第 6 章 冷挤压模具设计 .20 6.1 冷挤压模具特点 .20 6.2 冷挤压模架设计 .20 6.3 凸、凹模设计 .21 6.3.1 反挤压凸模的设计 .21 6.3.2 反挤压凹模的设计 .23 6.3.3 反挤压凸、凹模制造公差 .25 第 7 章 模具结构部件设计 .26 7.1 上模具部分结构设计 .26 7.2 卸件装置设计 .27 IV 7.3 下模具部分结构设计 .29 7.4 模具 结构和工作原理 .30 7.5 成形模具三维图 . 错误 !未定义书签。 第 8 章 冷挤压模具材料的选择 .32 8.1 模具材料的基本要求 .32 8.2 模具材料的选用原则 .33 8.3 常用的冷挤压模具材料 .33 第 9 章 工艺卡片 .35 结 论 .37 考参文献 .38 致 谢 .39 1 第 1 章 冷挤压技术的介绍 1.1 冷挤压工艺的 实质 冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定 的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。 根据挤压时金属流动方向与凸棋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 和 径 向 挤压 。 正挤压 就是 挤压时，金属的流动方向与凸 模 的运动方向相一致。正挤压又分为实心件正挤压空心件正挤压两种。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，也可制造杯杆形零件等。 1.2 冷挤压工艺的优点 目前，随着计算机、快速造型及数字化等现代科学技术的迅速发展及应用，使冷挤压工艺进一步得到开拓用采用。与其他制造方法相比，冷挤压工艺已成为金属塑性变形中最先进工艺之一，在技术上和经济上它都有很多的显著优点。 1） 显著降低原材料的消耗 冷挤压是一种金属 塑性成形加工方法。它在不破坏金属的前提下使金属体积作出塑性转移，达到少切屑无切屑而使金属成形，制得所需的形状及零件。这样就避免了在切削加工时而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，操作方便，容易掌握，生产率很高。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。 2 4）在冷挤压过程中，金属材料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为提高。 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十分良好的。在冷挤压过程中，金属表面在高压下 受到模具光滑表面的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面强度也大为提高。 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）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，因冷挤压不产生飞边，故可省去切边模及切边压力机，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的优点，但往往还存在一定的 的问题。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，其中最有实用意义的是钢的冷挤压，其变形抗力高达 2000MPa 以上。这样的超高压力，对模具材质，结构以及加工制造等提出了更高的要求。 2） 模具寿命短 由于冷掠夺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：虽然在模具材料和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， 其使用寿命还是不高的。 3） 对毛坯的要求较高 冷挤压加工时对毛坯的要求比其他金属塑性成形加工工艺都高，否则，会使模具受到损坏。对于冷挤压毛坯，除了要求毛坯具有准确的几何形状和较高的尺寸精度外，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。 3 1.4 冷挤压工艺的 应用范围 冷挤压加工方法是一种 “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）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重要加工之一。 冷挤压作为一种少无切削的新工艺，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最有 效的节约材料、提高生产效率、提高机械产品性能、适合大批量生产的优点，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，在一定范围内逐步代替铸造、锻造、拉深、旋压、摆辗及切削加工； 2）除了应用于有色金属和黑色金属以外，进一步扩大可供冷挤压用的材料种类； 3）在合理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，使之可以成形更复杂的，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得到进一步应用。 4 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 为阶梯方铝罩，其 产品示意图与 零件图如 图 2.1 所示： 图 2.1 阶梯方铝罩 本零件属于阶梯形空心件，做为零件罩来说，其主要起 保护作用，所以需要一定的强度。 对此产品的要求来说，其表面 不允许破裂、起皱 且无拉挂伤痕 。 在实际生产中为小批量生产。 从零件图上，我们可以直观地看出此零件为一个外形和内孔都有阶梯的零件。 形状比较规则，呈轴对称图形， 上部分 方形尖顶处用半径为 3mm 的圆弧连接。 下部分为长圆形，上下部分由圆弧过渡。 产品壁厚为 0.5mm，相对比较薄。上方开口，下部分有厚度为 0.5mm的底部。产品的材料为纯铝 L3，其牌号为 1050A。纯铝 L3 是有色金属，也是轻金属。在尺寸方面上看，零件精度要求比较高。 5 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，但是其 内外形都有阶梯，上下部分的形状不一致 ， 且上下部分是由圆形过渡而成，零件厚度极薄， 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 由于产品的材料是铝材， 费时费劲，生产周期长，成本高。同时这种加工强度不够，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。 对于阶梯铝罩来说，用压铸成型方法是最为简单容易的，材料利用率高。但是注意到本零件采用的材料是纯铝，其铸造性能差，容 易氧化，在压铸过程中容易发生粘模现像，给压铸工艺带来一定程度的不便。同时本产品的生产为小批量生产，由于压铸机和压铸模费用昂贵，对小批量生产来说不经济。 另外本产品的壁厚只有 0.5mm， 壁厚太小， 在铸造过程中存在凝固收缩，对于铝来说有相当大的体收缩率，易在最后凝固处生成大的集中缩孔，并且可能存在夹杂等现象。故不采用。 3冲压成型 冲压成型即 利用安装在压力机上的冲模对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。 从零件图上看出，该零件的壁厚只有 0.5mm。从冲压工艺上看，可直接采 用平板 6 材料进行拉深成型。首先分析零件特征，本零件为阶梯方盒形，盒形件是由圆角和直边两部分组成的。盒形件的拉深，在变形性质上与圆筒形零件相同。但是，盒形件在拉深时受直边的影响，其周边变形是不均匀的。盒形件在拉深过程中两个部分是联在一起的整体，在拉深过程中必然会产生相互作用与影响。 另外从拉深高度大于工件的直径较多，从拉深工艺知道必须进行多次拉深并进行整形，使圆角减小，从而得到零件，工序较多。 在确定多次拉深工序件的形状与尺寸之前，应先确定盒形件的拉深次数。易求得毛坯的体积为 3766mm ， 由于采用不变薄拉深工艺，可计算得其厚度为 0.5mm 的毛坯，其直径为 44.2mm。其毛坯的相对厚度（即毛坯厚度与直径的比值为 0.5/44.2，即 0.013。而盒形件多次拉深能达到的最大相对高度（零件高度与最小直径比）为 21.5/7，即 3.07。 查 1表 5-15 可初步确定拉深次数为 5 次。 拉深工艺过程：落料 5 次拉深 整形 从这可以看来，要获得所需产品，采用冲压工艺需要 7 道工序。对于生产来说模具成本高，同时由于 在生产过程中由于 产品上下部分的连接处因为有两边的圆角较大，如图 2.1 所示。在拉深时 容易拉破。总的来说 方形四边，变形不一致，金属流动不均匀，容易产生拉破、起皱现象。 且废品率比较高。 故本零件不适合采用拉深工艺。 4 冷 挤压成型 冷挤压成型即在室温下，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，从而获得所需要尺寸、形状并具有一定机械性能的零件。 与冲压工艺相比来说，冷挤压 工艺的优点之一是可以用少量的冷挤压工艺来代替多道的拉深工序。 从金属塑性成形原理中知道，由于不同的工艺方法，金属在成形过程中其应力状态是不同的，由于冷挤压加工中处 于接近三向应力状态，因而大大提高了金属的塑性。而在拉深过程中，我们知道在拉深件凸缘处的应力状态是两向压缩（压边力产生的压力小，可以忽略），即切向受压缩，而径向受拉，在侧壁部分则是单向拉伸。 由材料上看纯铝 L3（ 1050A）含 Al 量高达 99%以上，是一种很理想的冷挤压材料。它不仅变形抗力小，塑性好，且变形时几乎不产生加工硬化，因此模具寿命较长，是一种冷挤压性能良好的材料。因些可以利用这一优势，进行冷挤压加工成型，并结合机加工进行尺寸的精确。 采用这样的工艺，可以明显看出，材料的利用率的提高，约为 80%左右，大 大节约了原材料，经济效益好，且效率高，同时可保证精度要求。 常用于冷挤压的工业纯铝的化学成分及力学性能， 见 表 2.1。 7 表 2.1 铝 L3 的化学成分及力学性能 2 牌号 主要化学成（质量分数， %） 力学性能 1050A Al 杂质 状态 抗拉强度MPab /屈服强度MPas /伸长率(%) 断面收缩率 (%) 布氏硬度 HBS 99.5 0.5 退火 70 110 50 80 35 80 15 25 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：落料 无氧软化退火 硬脂酸锌润滑 复合冷挤压 (a)落料 (b)复合挤压成形 图 2.2 成形工艺方案 此方案在 通过 落料获得毛坯后，直接采用了复合挤压成形，一次挤压成形。虽然这样通过一次挤压就能得到复杂零件，挤压力较低 ，但是由于材料变形太大， 在 进行复合挤压 的过程中，金属 变形复杂，金属流动不易控制，因此在尺寸上不容易控制， 8 会影响产品质量与精度 ，从而无法保证产品的质量 。 并且在 挤压后，挤压件 会 很紧地包在凸模上，卸件过程中很容易使凸模断裂 ，减少 凸模 的使用寿命。采用这种方案，由于产品形状的原因，需要有两个工作带才能完成，因此挤压过程中会存在两个工作带，这样对金属的流动将造成阻碍，可能造成挤压力过大。同时由于挤压件紧包 凸模 ，且壁厚较薄，在卸料过程中，所需要的卸料力较大，可能会使产品在卸料过程中发生变化，因此 不宜采用这种方案。 2）成形工艺方案 工艺过程： 落料 无氧软化退火 硬脂酸锌润滑 正挤压 反挤压成型 (a)落料 (b)正挤压 (c)复合挤压成形 图 2.3 成形工艺方案 本方案与 方案 的区别在于通过落料后，先采用正挤压进行挤压，而后通过复合挤压成形。这与方案一相比较来说，比较容易控制高度方向上的尺寸，但是同样存在方案一所存在的问题：复合挤压后，由于挤压后，挤压件会紧紧包住 凸模 ，由于挤压件长径比较大，容易使 凸模断裂 ，同时存在两个工作带的问题。故 不采用。 9 3）成形工艺方案 工艺过程： 落 料 无氧软化退火 硬脂酸锌润滑 正 挤压 反挤压 方孔 反挤压小孔 (a)落料 (b)正挤压 (c)反挤压方孔 (d)反挤压 小 孔 图 2.4 成形工艺方案 本方案通过 四 道挤压工序可获得所需要的产品，通过各个工序，可以保证各部分的尺寸及质量要求，但是中间成形工序较多。模具简单，但是需要多套模具才能完成。 本方案 的毛坯是通过板料冲裁下料获得的，其优点是生产效率高，坯料尺寸精度较高，端面平整。获得毛坯后，采用 了复合挤压。由于正挤压小头变形小，在成形时先正挤，而后反挤出方形部分。这样金属流动变形有序，容易控制。反挤压下部分的定位操作也容易。因此该方案可行。其缺点是材料得用率低，一般只有 60%左右。同时 由于冲裁是在拉应力作用下进行的，必将产生撕裂，破断面显得很粗糙。 对于有色金属的挤压件，特别是纯铝或纯铜的薄壁零件的冷挤压件，如为坯料的断面不光洁，挤压时会在挤压件表面上出现裂纹。因此在落料后必须对坯料进行修边。 10 4） 成形工艺方案 工艺过程： 剪切下料 冷镦预成形 无氧软化退火 硬脂酸锌润滑 反挤压方孔 反挤压小孔 (a)下料 (b)正挤压 (c)反挤压方孔 (d)反挤压小孔 图 2.5 成形工艺方案 本方案与方案 的区别在于毛坯的获得形式不同。本方案的毛坯制备与下料选择是 通过对棒材的剪切下料再进行冷镦预成形。 剪切是生产毛坯方法中最迅速和最经济的一种，常用来生产中小尺寸直径的毛坯。剪切时，几乎没有材料损耗，尺寸精度较高。 这是从经济效益上来看的。近年来，由于有色金属价格的上涨，因此在成本上必须对材料进行控制。通过查询，在市场上，圆材的价格比方材、 板材要便宜些。同时这样也就避免了冲裁落料缺陷及其材料利用率低的问题。剪切下料的优点是剪切时，几乎没有材料损耗，而且生产效率高。 综上所述，本设计采取方案 作为本零件的挤压工艺。 11 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，其中因考虑到存在压余厚度 及尺寸偏差 ， 由 2表 3-10，可知其修边余 量为 5 mm， 故在长度方向上加了 5mm，即 L=5mm，见图 3.1。 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 8mm的铝材进行剪切下料。 12 3下料毛 坯 尺寸的确定 根据体积不变原则，我们可以从 冷挤压件的成形尺寸、体积反推出坯料的体积。坯料体积的计算如下 。 毛坯总体积的计算： 0V= V （ 3.1） 16)314.36(16 222 )475.314.3(5.15)5.214.35(15 2222 10）3 . 53 . 1 4 43 . 1 4（0 . 5)84 43 . 1 4( + 222)2100.54( 35.700 mm 式中 V0 坯料体积， mm3 ； V 工件体积， mm3 ； 为了下料方便，毛坯的高径比应大于 1，根据铝材的标准规格，取直径为 8mm，则可计算其下料毛坯长度为 13.94mm。 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 由 2式 12-1 可知冷镦的变形程度为 =（ H h） / H 100% （ 3.2） 13 = (13.94 4.4)/13.94 100% = 68.4% 式中， 为冷镦时的变形程度（ %）；为毛坯镦粗前的高度（ mm）； h 为毛坯镦粗后的高度 （ mm） 。 由 2表 12-4 可知，纯铝冷镦时的许用变形程度为 80%， 故冷镦变形是允许的，不会产生镦裂。 5中间成形工序的尺寸及形状确定 中间工序是成品挤压成形的半成品的挤压工序。它既不同于毛坯的预成形工序，又区别于成品的挤压工序，是从毛坯向挤压件过渡的、具有中间特定开关的准备工序。在中间工序里，主要进行材料体积和变形量的分配，为成品挤压件作形状和尺寸等方面的准备工作。 本设计中的中间工序为反挤压，其形状及尺寸分布如图 3.3 所示。 图 3.3 中间工序的形状及尺寸分布 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 14 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。 由 3表 3.2 可得知纯铝 L3 的软化热处理规范如下： 表 3.1 纯铝挤压的软化热处理规范 3 冷挤压毛坏 热处理 规范 处理前 硬度（ HB） 处理后 硬度（ HB） 纯铝（ L3） 退火 400 450o C保温 4h,随炉冷却 12 25 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。 纯铝和防锈铝的冷挤压毛坯，在冷挤前一般不进行表面处理。 由 4表 3-5 可知道纯铝冷挤压时所用的润滑有以下几种， 见表 3.2。 表 3.2 纯铝的润滑方法及使用效果 4 序号 坯料 润滑剂成分 (质量分数 ) 配制与使用方法 应用效果与说明 1 纯猪油 100% 天冷时易凝固，涂擦不便，不易涂擦均匀，易产生“流散”现象，挤压力较大 2 猪油 5%、甘油5%、汽缸油 15%、四氯化碳 75% 猪油、甘油加热至 200，冷却到40 以下，加四氯化碳搅拌均匀，加汽缸油 金属的流动性及润滑性皆好，挤压件表面粗糙度在 mRa 4.0 以下 3 猪油 25%、液体石蜡 30%、十二醇 10%、四氯化猪油加热至 200，冷却后加四氯化碳，搅拌均匀后加入十二醇，冷却后加入液体石蜡 金属的流动性及润滑性皆好 ,挤压件表 面粗糙度在 mRa 8.0 以下 15 铝 碳 35% 4 硬脂酸锌 将经表面处理好的坯料与粉状硬脂酸锌一起放在滚筒内滚动15min，使坯料牢固而均匀地涂上一层硬脂酸锌 冷挤件壁厚均匀 ,金属流动性好 ,卸料力小 ,挤件表面粗糙度在 mRa 8.0 以下 5 十四醇 80%、 酒精 20% 按规定比例混合后就可使用。但当气温较低时十四醇应加热，以增加其流动性，使与酒精混合良好 效果较好 综合考虑，本设计采用硬脂酸锌进行表面润滑。 16 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 F来表示。 17 （ 4.1） 式中 0F 冷挤压变形前毛坯的横截面积， 1F 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变形程度。 反挤压小孔时的变形程度为： F=（10 FF ） /0F= 29.714.3 /4+4 7.9（ 25.314.3 +4 7） /（ 29.714.3 /4+4 7.9） = 17.8% 由 3表 4.1 可得纯铝在正挤压时的许用变形程度为 95% 99%，在反挤压时的许用变形程度为 90% 99%。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 2500 3000 MPa/ mm 2 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 4.30 知，由断面缩减率 F =17.8%向上投影与所挤压的材料曲线 Al-99.5 相交后，沿水平方向向右投影与毛坯高度与零件壁厚之比 (0h/s =4)斜线相交，再垂直向下投影求得单位挤压力 p=400MPa。 由 4公式 4.24 可计算总挤压力。 总挤压力的计算如下： P = pF （ 4.2） = 400 （ 7 4 3.14 3.5 3.5） = 26586N = 26.7KN 式中， p 为单位挤压力（ MPa）， F 为凸模工作部分横断面积。 %100010 F FFF 18 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 。 19 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 KN 400 液压机最大工作压力 MPa 25 顶出力 KN 120 滑块行程 mm 450 顶出行程 mm 150 滑块下平面 到工作台面最大距离 mm 700 工作台尺寸（左右前后高度） mm 500 460 滑块行程速度 空程 mm /s 80 工作 mm /s 25 回程 mm /s 80 20 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 200C 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。 21 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 5 表 15.4， 可查得 I 级精度中间导柱圆形模架的相关尺寸 ，如下所示： 模架 200 200 240 I GB/T2851.6 上模座 200 50 GB/T2855.11 材料 45 钢 下模座 200 60 GB/T2855.12 材料 45 钢 导柱 40 230 GB/T2861.1 材料 20 钢 数量为 2 导套 40 125 48 GB/T2861.6 材料 20 钢 数量为 2 6.3 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 h 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 本设计选用带平底锥形凸模作为反挤压凸模。如 图 6.1所示。 22 图 6.1 反挤压凸模结构及尺寸代号 2.反挤压凸模 成形部分尺寸的设计计算 反挤压凸模所受的单位挤压力比正挤压时大。由于坯料放置偏斜或坯料端 不平整，会使凸模在反挤压时受到偏心载荷