冷挤压模具设计

1、冷挤压模具设计笫六章 冷挤压模具设计 本章通过一些典型的冷挤压模具结构介绍冷挤压模具 的特点、其工作零件及其它主要零部件的设计要点及步骤等。第一节冷挤压模具 的结构及分类一、概述 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、 凹模儿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

2、部分更换方便对不同的挤压零件要有互换性和通用性5为提高模具工作部分强度 凹模一般采用预应力组合凹模凸模有时也采用组合凸模6模具工作部分零件与上 下模板之间一定要设置号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。典型的冷挤压模具山以下儿部分组成1 工作部分如凸模、凹模、顶出杆等传力部分如上、下压力垫板顶出部分如顶 杆、反拉杆、顶板等卸料部分如卸料板、卸料环、拉杆、弹簧等导向部分如导 柱导套、导板、导筒等紧固部分如上、下模板、凸模固定圈、固定板、压板、模 柄、螺钉等。二、冷挤压模具分

3、类冷挤压模具有多种结构形式可根据冷挤压件的 形状、尺寸精度及材料来选择合适的模具结构形式。冷挤压模具可以按以下儿个方 面来分类。一按工艺性质分类模具按工艺性质可分为正挤压模、反挤压模、复合 挤压模、徹挤压模等。1正挤压模图6-1所示为实心件正挤压模。该模具更换相 应的工作部分零件可进行其它零件的正挤也可用于反挤压、复合挤压和徹挤。顶 出系统山零件1、2、3、4组成可调式拉杆其中件3为调节螺母。旋转螺母可以调 节拉杆长度以适合不同零件挤压后的顶出。凸模6山活动护套加以保护以增加凸模 的强度和稳定性。此外当该模具用于反挤压或复合挤压时更换合适的护套还可以利 用上模部分的打料系统进行卸料。图6-1实

4、心件正挤压模 图6-2所示是用于黑 色金属空心零件正挤压的模具图。模具的工作部分为凸模和凹模。凸模16的心部 装有凸模芯轴15芯轴15的心部设有通气孔与模具外部相通在凸模中以便上下滑 动。凸模16的上顶面与淬硬的垫板13接触以便扩大上模板3的承压面积。凹模2 经垫块8与垫板9固定于下模板11上。由图可看出凸模与凹模的中心位置是不能 调整的凸、凹模之间的对中精度完全靠导柱7与导套6以及各个固定零件之间的配 合精度来保证因此这种模具结构常称为不可调整式模具。很明显不可调整式模具的 制造精度要求很高但安装方便而且模架具有较强的通用性若将工作部分更换这副模 具可以用作反挤压或复合挤压。由图还可知凸模回

5、程时挤压件将留在凹模内因此需 在模具下模板上设置顶出杆10。2反挤压模图6-3所示是一种典型的具有导向装 置的反挤压模。该模具是在小型无顶出装置压力机上使用的杯形件反挤压模。凸模 7靠压环10、定位圈6和大锣母11紧固与定位可以实现快换。凹模采用组合阿模 形式。为便于反挤压件从凹模中取出设计了间接顶出装置反挤压力在下模完全由顶 出杆17承受顶件力由反拉杆式联动顶出装置由件3、20、21、22、23、24组成提 供该顶出装置在模座下方带有活动板22当挤压件顶出一段距离后通过带斜面的斜 块24将22撑开使顶杆23的底面悬空使之靠自重复位为下一次放置毛坯做好准 备。而活动板22靠其外圈的拉簧21合并

6、。上模也设计了卸件装置由于杯形挤压件 较深为了加强凸模的强度除工作段外凸模的直径加粗并开出三道卸料槽供带有三个 内爪形的卸料环12卸料。该模具具有一定的通用性只要将凸模、凹模、顶出 杆、垫块18、19加以更换这副模具就可以挤压不同形状和尺寸的工件也适用于正 挤压和复合挤压。复合挤压模图6-4为活塞销的复合挤压的模具图。其工作部分 山上凸模5、下凸模3及凹模4构成。由于上凸模回程时挤压件将留在凹模内因此 必须在下下模部分设置顶件装置由顶杆1和顶件套2构成。山图可看出该复合挤压 模具工作部分的一个显著的特点即在上凸模外壁上套有控制挤压件长度方向尺寸的 限流套6。因为上凸模向下挤压毛坯时金属向上流动

7、的阻力较小如果没有限流套的 控制将使活塞销的上孔深于下孔加限流套6后可迫使金属向下流动保证上、下孔深 度尺寸一致。徹挤模图6-5所示为徹挤模。凸模2与外套1组成组合式凸模以提 高凸模的使用寿命。组合式凸模黑螺母4紧固在定位圈3上以保证凸模定位准确装 卸方便。挤压结束靠压力机顶出装置推动顶件6将挤压件顶出凹模5。二按有无 导向装置分模具按有无导向装置可分为导柱导套冷挤压模、模口导向冷挤压模、 导筒导向冷挤压模及无导向冷挤压模。1导柱导套导向冷挤压模该类模具如图6- 1图6-所示它是冷挤压模具中最常见的一种模具结构。中小型冷挤压模具一般釆用 两导柱导套形式大型的冷挤压模具釆用四导柱导套形式精密冷挤

8、压模具还采用滚珠 式导柱导套。采用这类结构的模具可以保证上下模具有较好的对中性冷挤压件同心 度好但是模具制造较复杂。2模口导向冷挤压模 图6-6为模口导向冷挤压模。凸 模4靠凸模固定圈通过螺母固定在上模部分。凹模为硬质合金凹模外层有预应力 圈。挤压件卡在凹模内可通过顶杆7将工件顶出。如挤压件紧包在凸模上则通过卸 料板将工件卸下。曲于凸模导向部分尺寸与挤压件外径相同因此必须在凸模上铳出 三条卸料槽来作为卸料用。起到模口导向作用的导向套3与凸模的间隙一般在 0. 02mm以内这样能保证挤压件的璧厚误差很小。这种导向方法简便、实用导向效 果比导柱导套式导向还要好。不过这种导向方式一般用于挤压较浅反挤

9、压件的模具 同时对压力机导轨的导向精度要求较高。图中模口导向部分采用与凹模分体形式也 有整体式的即凹模型腔上部分即为导向部分。3导筒导向冷挤压模 图6-7为摩托 车主轴双端花键复合挤压模具简图它是一副导筒导向挤压模。模具山上模固定套 10与下模固定套11进行导向主轴两端花键分别在上齿形凹模5和下齿形凹模3内 挤压成形。这种采用上下同时挤压成形满足了双端齿形的形位精度要求。它实质是 双向减径挤压毛坯不能产生徹粗因此对变形程度、模具工作段的形状、润滑条件以 及毛坯材料的状态要求都很高。另外III于挤出段长度较长很容易产生弯曲在齿形凹 模非工作段及垫块上设置校形工作带可以克服这一问题。第二节模具工作

10、部分设 计冷挤压工作部分零件是指凸模、凹模、顶杆等在挤压时直接参与挤压过程的一 些零件。一、正挤压模具工作部分零件设计一正挤压凸模 正挤压凸模的作用主 要是传递挤压力其设计较为简单因为实际上只要凸模上所受的单位挤压力不超过 2500NTa即可。在凸模和凹模之间应具有合适的间隙这是因为 要避免在挤压后零 件上形成毛刺这就要求较小的间隙这一点在挤比较软的有色金属材料时特别重要 必须保证挤压时III于凸模弹性变形而产生的直径增大凸、凹模之间仍要有一定的间 隙。.正挤压凸模的形式 正挤压凸模基本上有五种形式如图6-8所示。图&用于 正挤压实心件其下端面是平的形状比较简单制造方便。图b图e用于正挤压空心

11、 件。其中图b为整体式结构可用于挤压软金属其过渡部分应用光滑圆弧连接以避免 应力集中而导致芯棒折断。图ce为组合式凸模。其中图c的芯棒与凸模内孔之间 为过渡配合这种结构可以大大减少芯棒与凸模结合处的应力集中不过在挤压中如金 属向下流动剧烈时摩擦力过大也可能导致芯棒拉断。这种凸模适应于芯棒直径较大 或挤压材料不太硬或摩擦系数较小的材料挤压。图d的芯棒与凸模内孔采用间隙配 合在挤压中芯棒可以随金属材料同步向下移动因此改善了芯棒的受拉情况使芯棒不 易拉断这种凸模可用于挤压黑色金属。图e为浮动式凸模其在芯棒上部放一弹簧在 挤压中芯棒受拉弹簧被圧缩可以克服更大的拉力能有效地防止芯棒拉断。这种凸模 可以用

12、于材料硬度和摩擦力比较大的黑色金属挤压。为了进一步防止芯棒拉断及卸 料方便芯棒一般做岀10?30?的斜度。.正挤压凸模尺寸参数设计以图6-e的凸 模为例凸模各部分尺寸参数见表6-1。二正挤压凹模正挤压凹模根据单位挤压力 大小可选择单层整体凹模或组合凹模。有时单位挤压力小时也可釆组合凹模以降低 模具制造成本。凹模型腔尺寸确定图6-为正挤压凹模形状尺寸。其外圆形状做 成一定斜度的锥形以便装上预应力圈。凹模型腔深度h3根据毛坯长度和挤压前凸 模需进入凹模导向深度一般10mm来决定。凹模的入模锥度一般采用60126?较合理 对于较软的材料也可采用180?。凹模入模锥度大挤压力增加如超过126?金属挤压

13、 时易成“死区”不利于金属的流动。塑性差的金属挤压后“死区”的材料会脱落。 锥角小于60?时金属挤压时摩擦阻力增加使挤压力也增加同时顶件力也增加。凹模 收口部分应采用适当的圆角半径过渡。表6-1正挤压凸模图6-9e尺寸参数设计 计算表名称尺寸参数芯棒直径d2按空心件孔径最大尺寸设计芯棒长度1 空心毛坯高度凹模丄作带高度凸模丄作部分高度h挤压工作行程卸料板厚lOrnm 凸模工作部分直径d凹模型腔-0.02mm定位部分直径d3 1.21.4 d支承部分直径 d4 1.82.0 d支承部分高度hl 0. 30. 5 d圆角半径R1 0.51.0 d圆角半径的大小 对模具的使用寿命影响很大。一般圆角半

14、径越大凹模的使用寿命越长当然圆角半径 的值受到挤压零件形状的限制。凹模型腔的工作带长度hl应适当选择纯铝hll2 mm硬铝、紫铜、黃铜hll3 mm低碳钢：hl24 mm。在工作带以下的孔径D2应使挤 出的零件不再与凹模接触以免增加摩擦力需扩大为D2D10. 20. 4mmo ill D1到D2也 应光滑过渡。底厚h2应以强度要求进行选择一般可取h21. 11. 2Do 凹模结构形 式正挤压组合凹模的结构形式有六种如图6-10所示。图a的内层凹模为整体式结 构简单制造安装方便但在单位挤压力较大情况下型腔转角处由于应力集中较大易产 生横向开裂。图b图f的内层凹模为分割式结构其中图b、图c为纵向分

15、割式最内 层凹模镶圈与凹模之间采用0. 02mm的过盈配合当凹模与外面两层预应力圈压合后 实际过盈将进一步增大因此凹模镶圈的尖角处不会崩裂在挤压中也不会产生钻料现 象。图c的凹模内孔末端10mm处加工出5?斜度便于将凹模镶圈压入凹模内孔中。图d是将内层凹模做成横向分割式但这种形式山于内层凹模轴向压紧力不够大在单 位挤压力较大情况下被挤金属容易钻料。图e、图f是将内层凹模和预应力圈均做 成横向分割式虽然结构复杂些但山于轴向圧紧力大可以有效地防止被挤金属钻料。 横向分割凹模的贴合面宽度一般为13mm为宜贴合面以外应将其中一块加工成1?的 斜角或加工成0. 2mm深的不接触面。贴合面一定要平整并进行

16、研磨抛光这样可以防 止被挤金属钻料。横向分割面一般取在凹模内壁圆角半径上切点以上1mm处为佳如 图f所示。图e、图f所示的横向分割凹模还应加压套在模具上把上下两部分紧 压在一起。二、反挤压模具工作部分零件设计一反挤压凸模反挤压凸模一般由 夹紧和成形两部分组成如图6-lla所示当反挤压凸模在挤压时靠模口导向时则还需 增加导向部分如图6-1 lb所示。反挤压凸模形式 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。按反挤压凸模成形部分的形状不同有三种常用形式见图6-12。图a和图b两种凸 模使用效果较好可降低单位挤压力。尤其是图b中的尖顶锥形凸模斜角越

17、大则单位 挤压力越小生产中一般斜角为59?o但是斜角越大当毛坯表面不平时挤压时凸模要 歪斜造成零件壁卑不均匀。图c中平底凸模用于挤压件内孔笃降谆虻丿患费沽系偷 某稀?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 作带以上的凸模直径略小些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挤压时不会山 于凸模工作带以上部分的弹性变形而产生的直径增大影响挤压件内孔的尺寸精 度。.反挤压凸模尺寸参数设计反挤压凸模所受到的单位挤压力比正挤压时大。 同时山于坯料放置偏斜或坯料端面不平整会使凸模在反挤压时受到偏心载荷而弯曲 折断。所

18、以其工作条件比正挤压凸模更为恶劣因此必须合理设计和正确选择反挤压 凸模的尺寸参数。以图6-12中应用得最广泛的带平底锥形凸模为例其各部分尺寸 参数的确定如表6-2。表6-2反挤压凸模尺寸参数设计计算表名称被挤压 毛坯材料种类黑色金属有色金属工作带直径dl等于挤压件孔径最 大尺寸等于挤压孔径最大尺寸工作带高度h 23mm 0.51.5mm底部平坦部分直径 0. odl 0.7 dl 锥顶角 727? 325?非工作部分直径 d 0. 970. 98dl 0. 850. 95 dl 斜 面与工作带交接处r0 0. 51. 5mm 0. 30. 5mm斜面与平坦部分交接处r 0. 81. 8mm0.

19、 51. 0mm 定位直径 d2 1.21.4 dl 1. 11. 3dl 定位高度 h2 0. 60. 7 dl 0. 550. 65 dl 支承部分直径d3 1.41.6 dl 1.21.5 dl支承部分高度h3 0.51.0 d3 0.51.0 d3 支承部分锥半角515? 515?支承锥面与d2交接处R1 1. 0d2 1. 0d2 d与d2交接处 R2 2. Od 2.0d d与dl交接处R3 1. odl 1. odl .反挤压凸模防止失稳措施 反挤压 凸模的成形部分长度hl应当越短越好这样可以避免凸模在挤压时产生纵向弯曲而 失稳。凸模的成形部分长度按照经验数值其许用范围如下反挤压

20、纯铝时 hl/dl?710反挤压紫铜时hl/dl?56反挤压黄铜时hl/dl?45反挤压低碳钢时 hl/dl?2. 53。反挤压塑性较好的有色金属时为了增加凸模纵向稳定性可以在凸模 的工作端面上开出工艺凹槽。工艺凹槽的形状见图6-1。凸模在刚开始挤压时借助 凹槽可“咬住”毛坯从而提高其纵向稳定性。工艺凹槽必须对称于凸模中心使凸模 在挤压中保持与凹模的良好同心度否则在挤压时会产生偏移而折断凸模。工艺凹槽 的尺寸一般为11. 5mm宽0. 30. 6mm深工艺凹槽的尖顶处应用圆弧相连。用于挤压 纯铝的细长反挤压凸模工作端面不必抛光过分光滑的端面容易使凸模在挤圧时产生 漂移从而发生弯曲以致折断。对于

21、黑色金属反挤压凸模由于其单位挤压力大工作 端面不允许开出工艺凹槽否则会在凹槽处山于应力集中而产生开裂。二反挤压凹 模反挤压凹模形式根据零件的形状、尺寸、精度及材料种类不同反挤压凹模也有 各种形式。一般反挤压凹模有成形和顶出两部分组成。如需要模口导向可采用如图 6-14所示的典型结构。在挤压外壁粗糙度较低同时壁厚精度较高的有色金属零件 时可以采用如图6-15所示在凹模口部设置盛料腔挤压时凸模先以略为减径的方式 将坯料压入成形型腔然后再进行反挤压。这样可以减小坯料与成形型腔之间的间隙 同时坯料外周表面也通过减径挤压而粗糙度大为降低并且盛料腔乂可起到模口导向 作用。图6-16为其他一些常用反挤压凹模

22、形式。图a图d用于有色金属薄壁件反 挤压挤压后工件不会卡在凹模内所以不需要顶出装置。其中图a为整体式其特点是 结构简单、制造方便缺点是转角半径R处容易开裂下沉。图b也为整体式但凹模型 腔底部有25?斜度挤压时有利于金属流动。图c、图d为分割式凹模寿命比整体式 凹模长。图c为纵向分割式凹模其镶块在装配询与凹模为过盈配压压入预应力圈后其过盈量将更大这 样可以避免在角部产生毛刺。图d为横向分割式凹模为了避免挤压时金属材料钻入 上下模的贴合面贴合面也要像前述正挤压横向式组合凹模一样要有特殊的要求。生 产实践证明就是象纯铝这样流动性好的金属也不含钻入拼缝中。同时上下凹模应有 较高的制造精度以避免挤压件底

23、部产生联接痕迹。图e、图f均带有顶出装置以适 用于黑色金属或厚壁丄件的反挤压。图e适用于丄件底部外形呈尖角的反挤压件图 f适用于工件底部外形呈一定圆角半径的反挤压。如果工件底部要求平整其顶杆的 高度要略疡出凹模型腔底平面以抵消挤压时顶杆长度山于弹性压缩变形而缩短。顶 杆的高出量根据材料和变形程度的不同而有所区别。为了提高反挤压凹模使用寿 命节省模具材料一般反挤压凹模都采用组合凹模形式内凹模外面加压上预应力图如 图6-14所示。反挤压内层凹模尺寸确定一般内凹模型腔尺寸参数见图6-17其尺 寸讣算见表6-3o对于要求不高的反挤压件为了减小挤压时金属流动的阻力同时也 为了送料和取料的方便凹模内孔可略

24、带锥度一般单边斜度为10 20。凹模型腔 抛光至RaO. 2?m使挤压时金属阻力减小到最低限度。表6-3反挤压内层凹模型腔 尺寸确定表名称设计计算凹模型腔内经D等于挤出件外径的最小尺寸凹模入 口处圆角半径r 23mm凹模型腔高度H2 h0hr24mm h0为毛坯高度h为凸模工作带 高度 顶件部分高度H1当D2D2时H12D2当DI. 5D2时H1D2凹模总高度H Hl H2 必须大于2. 5H2型腔转角处圆角半径R 0. 52mm三顶杆设计 反挤压顶件在挤压中 直接承受较大的单位挤压力设讣时应考虑其有足够的强度同时为了使较大的单位挤 压力能和缓地传递给下压力垫板其支承部分的直径应适当放大。图6-18为常用的 顶杆形式。图a为挤压黑色金属冷挤压件用的顶杆其杆部直径dl 一般比凹模型腔 直径小0. 1mm这样既不会产生很大的纵向毛刺乂能使顶部及时退回便于送料。其支 承部分直径dl. 31. 5dl过度圆弧应尽可能大。图b顶杆是考虑到其因弹性变形而产 生横向变粗而卡死在凹模内顶杆与凹模顶出孔配合部分不做成直径相同的圆柱体。 顶杆仅在直径dlD2凹模顶出部分孔径、高度h 510m