齿轮轴冷挤压模具设计说明书

1、目录前言 11 冷挤压基础知识 21.1 冷挤压的实质及方法分类 21.2冷挤压工艺的优缺点及应用范围 21.2.1 冷挤压的特点 2122冷挤压的优点 31.2.3冷挤压的缺点 41.2.4冷挤压工艺的应用范围 41.3冷挤压技术现状及发展方向 51.3.1 冷挤压技术的现状 51.3.2冷挤压技术发展方向 61.4冷挤压模具设计基础知识 61.4.1冷挤压模具的构造及特点 61.4.2模具设计基本要求 71.4.3 模具设计的一般程序 71.5 本文研究的主要内容 82 冷挤压件图的设计及毛坯准备 102.1 冷挤压件图的设计102.2毛坯的制备及处理122.2.1 坯料形状和尺寸确定 1

2、2222坯料的软化处理 12223 坯料表面处理及润滑 132.3 冷挤压工艺方案设计 142.4 冷挤压模具材料 153 挤压力的估算及挤压设备的选择 163.1 影响单位挤压力的主要因素 163.2冷挤压力的估算及压力机选择 184 模具结构设计 194.1 凹模设计194.1.1 凹模的结构形状设计 204.1.2凹模各部分尺寸的设计计算 204.2上模部分结构设计234.3 导向装置244.4 卸料装置254.5凹模压板紧固螺钉计算 264.6模具总体结构265 凸、凹模失效形式及分析 285.1 凸模失效形式及分析 285.1.1凸模失效原因 285.1.2 凸模失效形式 285.2

3、凹模失效形式及分析 315.3 齿轮部分冷挤压的相关问题 326 技术经济分析 347 结论 36致谢 37参考文献 38附录 A 39附录 B 译文 40附录 C 外文资料 51、八 、，刖言随着家用电器产量的迅速猛增，对锻压行业的工艺技术水平提出了更高的要求，突出 的问题就是以少无切屑毛坯为核心的合理选择变形方式，提高材料利用率和制件尺寸精 度、减少机械加工工时、降低能耗、提高生产率。为此，必需逐步研制和推广应用一项先 进的金属塑性成形技术一一冷挤压工艺。对于汽车齿轮轴零件，过去一直采用切削加工方法得到，其生产工艺较为复杂，成本 较高，效率较低，质量也不易保证。当采用冷挤压成形工艺后，该件

4、制造工艺简单，生产 效率能提高20倍以上，并且实现了少废料加工，节约了原材料，制件质量也得到了明显 改进。1冷挤压基础知识1.1冷挤压的实质及方法分类冷挤压的加工方法是利用金属材料塑性变形的原理，在室温的条件下，将冷态的金属 毛坯放入装在压力机上的模具型腔内，在强大的压力和一定的温度作用下，迫使金属毛坯 产生塑性流动，通过凸模与凹模的间隙或凹模出口，挤出空心或断面比毛坯断面要小的实 心零件，可以获得所需一定形状及尺寸，还具有较高力学性能挤压件的工艺技术。冷挤压是无切屑、少切屑零件加工工艺之一，所以是近代金属塑性加工中一种先进的加工方法。冷挤压成型加工是靠模具来控制金属流动，靠软化金属体积的大量

5、转移来成形所需的 零件。由此可知，冷挤压工艺的成功与失败与模具结构设计，模具材料以及金属毛坯的软 化处理等密切相关。冷挤压加工的成形速度范围很广，所用的设备可以在专用的冷挤压压力机上进行，也 可在一般的机械压力机（如冲床）或在液压机、摩擦压力机以及高速锤上进行。冷挤压工艺可按金属流动方向，金属流动速度以及变形温度等进行分类：1）按金属流动方向分类与凸模运动方向之间的相互关系，冷挤压方法分为正挤压、 反挤压、复合挤压、减径挤压、径向挤压、斜向挤压、镦挤法。2）按金属坯料充填模具型腔的流动速度有一般速度、低速及高速挤压之分。3） 按变形温度状态分，有冷挤压（室温挤压）、温挤压（半热挤压）、热挤压及

6、等温 挤压。1.2冷挤压工艺的优缺点及应用范围1.2.1冷挤压的特点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，比较多的应用于中小 型锻件规模化生产中。与常规模锻工艺技术相比，可以节材30%50%,节能40%80%,而且能够提高锻件质量和改善作业环境。 二战后，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，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位 压力机的出现，更拓展了其发展空间。日本80年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有30%40%是采用冷锻工艺生产的，近年来生产的新型轿车则每车平均使用 42kg的冷锻件。美国等国家的轿车生产中，每车

7、平均使用40kg的冷锻件。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷锻生产工艺技术已逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。1.2.2冷挤压的优点近年来，在机械制造工艺方面广泛采用冷挤压先进技术，取得了显著的成效。目前， 随着计算机、快速造型及数字化等现代科学的迅速发展及应用，使冷挤压工艺进一步得到 开拓及采用。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，达到少无切屑而使金属成形，制得所需的形状及尺寸零

8、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。3）可形成复杂形状的零件在压力机的往复直线动作下完成复杂的加工工序，并可以制成形状复杂的零件。4）提高零件的力学性能在冷挤压过程中，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，金属流线不被切断，成为沿着挤压件轮廓连续分布的金属流线。同时，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，从而提供了用 低强度钢代替高强度钢的可能性。5）可获得较高尺寸精度及较小表面粗糙度值的零件经冷

9、挤压成形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。冷挤压零 件的精度可达IT7IT8级，表面粗糙度可达Ra0.21.d3。因此，用冷挤压加工的零件一般 很少再切削加工，只需在要求特别高之处进行精磨。冷挤压工艺可以获得理想的制件表面 粗糙度与尺寸精度，有些零件经挤压后可以不再进行切削加工，从而为采用冷挤压加工代 替某些零件的锻造、铸造与切削加工开辟了一条广阔的道路。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

10、了生产周期。7）减少设备投资与模锻工艺相比，因冷挤压不产生飞边，故可以省去切边模及切边压力机，明显地减 少了设备投资。另外，冷挤压生产加工，可在专用的冷挤压压力机上，也可以在通用液压 机上进行，还可以在非专门为冷挤压而设计的普通压力机上进行，如通用冲床或摩擦压力 机。8）降低零件的生产成本由于冷挤压可以大大节约原材料和加工工时，因此必然可降低零件的制造成本。123冷挤压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，但往往还 存在一定的问题。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

11、力，对模具材质、结构以及加工制造等提出了更高 的要求。2）模具寿命短由于冷挤压模具承受着很大的单位挤压力作用，最高可打3000MPa,模具易磨损、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有较大的强度以外，还要求有较好的刚 度。此外，还

12、要求设备具有良好的精度并具有可靠的保险装置。1.2.4冷挤压工艺的应用范围通过上述分析可见，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，在技术上和经济上都有很高的应用价值。目前，冷挤压技术已经在我国汽车、摩 托车、仪表、电信器材、轻工、建筑、宇航、船舶、军工及五金等工业部门中获得了广泛的应用，已成为金属塑性成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。冷挤压作为一种少无切屑的新工艺，已经成为世界先进制造技术中及具特色的一个门 类。冷挤压加工的缺点和优点相比是次要的，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

13、， 优越性将会得到充分发挥。在 21世纪，这种先进的金属塑性成形加工工艺将会起到更大 的作用，在各个行业中得到越来越广泛的应用。1.3冷挤压技术现状及发展方向1.3.1冷挤压技术的现状冷挤压加工的发展在初期是极其缓慢的，长期以来一直局限于铅和锡等几种较软的金属材料。18世纪末，法国人首先成功地冷挤压出铅棒。直到19世纪末20世纪初，才开始应用于锌、锡、纯铜、无氧铜及黄铜等，如冷挤压生产锡制牙膏管。英国于1886年开始运用于冷挤压加工，某一工厂先从加工软金属开始，后来逐步实现冷挤压比较坚硬的有色 金属，如锌、铝、铜及其合金。1903年美国运用冷挤压制成薄壁黄铜管。随后，又采用预 制成杯形坯料，然

14、后再用正挤压的方法，成功地制成深孔杯形件。第一次世界大战期间， 美国军火商采用这种挤压方法大批量生产黄铜弹壳。第一次世界大战后，德国用冷挤压方 法可成批生产纯铝和纯锌电容器外壳等各种有色金属器件。至于钢的冷挤压，美国曾企图通过冷挤压法生产刚质弹壳，经过较长时间的研制，但 是最终还是未获成功。这是因为在黑色金属冷挤压时需要很大的压力，而在当时的工业条 件下还不能找到能承受较大压力下的模具材料，也没有找到良好的润滑剂以及大吨位的冷 挤压压力机。直到20世纪40年代，冷挤压钢零件的新工艺才开始在德国首先得到应用。钢的冷挤压正式用于国民经济中的各行各业始于1947年。美国于1949年发表了关于各种钢材

15、冷挤压前后力学性能的实验结果。德国于1950年发表了关于黑色金属的冷挤压试验报告，得出了一些基本工艺的技术数据，并在1953年公布了关于钢的冷挤压压力和挤压功的实验结果。日本于 1957年引进专用冷挤压压力机以后，在钟表等精密仪器工业 中开始应用冷挤压加工。由于这种技术的经济效益极其显著，不久，便在大批量生产的汽 车、电器及纺织等工业部门中得到了广泛的应用。现在，这种技术已在机械零件制造行业 中成为一种极重要的加工手段，并遍及于国民经济的各个工业部门。在我国，解放前，冷挤压加工技术是极端落后的。当时只有极少数的工厂用铅、锡等 有色金属挤压牙膏管、线材和管材等。解放后，冷挤压加工技术得到了发展。

16、在改革开放以来，引进了一些国外先进的模具钢种。 在模具材料的使用方面，除了采用高碳高铬钼钢、 高速钢、滚珠轴承钢、弹簧钢以外，还采用了不少新型模具钢以及硬质合金、基体钢、钢 结构硬质合金等。冷挤压模具的使用寿命已从一般可达500050000次增加到 4000005000000次。在模具结构设计方面，采用近代的最优化设计计算方法、CAD/CAM系统以及数字化技术和专家系统，在保证强度、刚度等要求的前提下，充分发挥了模具材 料的潜力。在模具制造方面，采用了先进的快速造型技术，并采用先进的无轴高速数控加 工，既快又能精密地制得所需的冷挤压模具。在冷挤压压力机方面，我国已拥有各级吨位 挤压压力机的独立

17、设计和制造能力。现在，除了经常采用的冷挤压压力机、通用机械压力 机、液压机之外，我国还成功地采用了摩擦压力机与高速锤进行冷挤压生产。132冷挤压技术发展方向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）除了上述所指的有色金属及黑色金属以外，进一步扩大可供冷挤压用的材料种类；3）在合理许用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，使之可以成型更复杂的，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化技术在冷挤压生产中得到进

18、一步应用。1.4 冷挤压模具设计基础知识1.4.1冷挤压模具的构造及特点1）冷挤压模具的构造冷挤压模具一般由以下四部分组成：工作部分（凸模，凹模，上、下模座）；导向部分（导柱，导套或导筒）；卸料和顶出部分（卸料板，顶杆）；紧固部分（凹模压板，螺栓， 销钉等）。冷挤模零件分为工艺零件和辅助零件。常用的模具结构有：专用反挤模，正挤 模，复合模和通用模等。2）冷挤压模具的特点冷挤模的外部轮廓形状酷似板料冲压模具，但它比普通冲压模具承受的压力要大得多。此压力一般为20002500MPa,甚至更高，达到材料强度的 46倍，一般接近甚至超过现有模具材料的强度极限。这种压力又作用于冷挤模的中心，成为相当大的

19、集中载荷， 而且工作时间很长，这是区别于其他成型方法和冲压模具最为突出的特点。另外，在金属 流动过程中，模具还要承受极大的摩擦力和温度变化的作用，在连续工作的条件下，变形 热和摩擦热使得模具温度达 200C 300C以上。可见，冷挤压模具的工作条件极其恶劣。 因此，冷挤压模具在结构上与冲压模具又有许多不同之处，它的主要特点是：模架刚性好，强度高；模座厚度和接触面积大；结构较为对称；凸出、凹进处较少；凹模多为镶块预应 力套结构；工作部件，采取分割形式的居多；工作部件直接用螺钉紧固的情况很少，多数 采用压套和压板的间接方法紧固；冷挤模一般具有双重卸、顶料装置，有时顶出和卸料装 置还兼有封压金属和直

20、接参与完成工艺变形的作用。1.4.2模具设计基本要求为了保证模具的正常工作和使用寿命，模具必须能够经得住静态高压，经得起冲击， 经得住工件和模具表面之间的摩擦，同时要经得住疲劳。作用在模具上的压力必须引导到 压力机工作台面和压力机机架上。虽然金属在压缩下发生塑性变形，但是模具中的工作应 力却是一个复杂的抗张、抗压和剪切的联合应力。由于工作应力很高，模具承载时将会产 生明显的弹性变形。因此模具设计时必须找出一个能承受和分配这种应力和变形的途径。 对于冷挤压模具设计的基本要求如下2:1）保证模具在恶劣的工作条件下工作，选用具有足够的强度和刚度、高的耐磨性材料，正确的加工方法和热处理工艺规范。 特别

21、是模具的工作部分。应设计合理的几何形状， 采用强硬度很好的材料。2）模具工作部分能够方便而可靠地固定在模架上，对中性能要好。3）对尺寸精度要求高的挤压件，模具应有良好而可靠的稳定性和导向装置。4）模具具有方便而灵活的卸料和顶出装置，易使零件取出。5）模具的易损部分拆换方便，在生产批量较大时要有互换性和通用性。6）便于毛坯的放置和定位，在大批量生产中要有利于实现机械化和自动化，并配有自动送料装置。7）模架能牢固地安装在压力机上，具有必要的防护措施，保证操作工人的人生安全。8）模具制造要简单，成本低廉。1.4.3模具设计的一般程序在冷挤压模具设计之前，首先应依次进行的工作有：制定挤压件图；选择成型

22、的工艺方案；确定毛坯的尺寸和形状；拟定挤压工艺过程；计算机压力；选择设备。然后按选取的设备确定上下模座的形式，选择模架结构，决定大致的轮廓尺寸，并进 行模具圭寸闭高度的核算。在经过必要的计算之后，便可着手绘制模具草图。模具草图比例由设计者自行决定。 在草图中，模具的主要零件，如凸模、凹模、垫块、导向结构等，均应绘制到能看清、能 理解的程度，外形则要求绘出较为清晰的轮廓。草图上不仅有可供讨论的模具结构与附属 装置，还有可供参考的概略尺寸。设计前，首先按照选择设备的装模空间，决定模具在工作状态，即完全闭合下的最大 高度，根据设备工作台和垫板空间的大小，决定模座的最小外形尺寸。这样，模具的外廓 尺寸

23、便可大致确定下来。设计时首先从工作部分开始，然后根据设备的装模空间、挤压件 类型、成型方式和挤压工作的实际需要决定模具结构和退料方式，根据变形方式和精度要 求决定导向方法。模具总装图设计完成后，便可绘制零件图。1.5本文研究的主要内容汽车齿轮轴零件，过去多数采用切削加工方法得到，其生产工艺较复杂，成本较高， 效率较低，质量也不易保证。当采用冷挤压成形工艺后，该件制造工艺简单，生产率提高 了约20倍以上，并且实现了少废料加工，节约了原材料，制件质量也得到明显改进。本 研究工作主要有以下内容：1）制定齿轮轴冷挤压件图（齿轮轴材料为 35钢）。冷挤压件图是根据零件图制订的 它是编制工艺、设计模具、检

24、验冷挤压件形状、尺寸的重要依据。2）工艺分析。在冷挤压生产中，往往由于变形工序设计不妥，使挤压件成形时产生 各种缺陷，如表面折叠、表面折缝、表面裂纹、缩孔、内部裂缝、纵向弯曲等。因此，只 有预先了解这些缺陷的成因，才能在设计变形工序时，采取有效的解决办法，获得合格的 挤压件。另外，在制订挤压件时，选择合理的许用变形程度。许用变形程度越大，则生产 率就越高，工序就越少；但许用变形程度越大，单位压力也要增大，这就有可能超出模具 所允许的单位压力，导致模具的损坏。3）设计齿轮轴的冷挤压模具。凹模设计。根据齿轮轴的技术要求合理设计凹模结构尺寸。凸模设计。合理设计凸模工作部分的形状和尺寸，以保证挤压顺利

25、进行。4）对冷挤压凹模、凸模常见的失效形式进行分析，提出相应的改善措施，以提高设计质量和延长使用寿命。2冷挤压件图的设计及毛坯准备2.1冷挤压件图的设计目前，一般机械零件的几何形状、尺寸注法和加工基准等，都是按照切削加工方法进 行设计的，多数不适用于冷挤压生产。因此，在采用冷挤压工艺时，首先要对产品零件图 进行适当的修改，使之具有良好的挤压工艺性，并且能够利用最少的工序迅速而经济地制 造出来。冷挤压件图就是适合于冷挤压的零件图纸。它是根据成品零件图，考虑到挤压工艺性 和机械加工的工艺要求而进行设计的。它还是编制冷挤压工艺，设计冷挤压模具，检验冷 挤压件形状、尺寸的重要依据，是工厂的重要技术文件

26、。冷挤压件图的制订应考虑如下一些问题：1）根据零件的外形及所属的类型，确定采用那种冷挤压方法，分几道工序。对本零 件的形状及尺寸，经过计算应选用正挤压，单道工序。2）根据冷挤压成形的特点、加工范围对零件进行简化。对于不经机加工的部分，应 直接按零件图的技术要求给出公差。对于需要进行机加工的部分，应按照正挤压实心件的 要求给出机加工余量和公差。3）为了便于冷挤压成形后取出冷挤压件，凡凹槽，横向孔等均不可能冷挤压成形， 需加放余块，冷挤压后用切削加工方法获得。4）为了便于金属流动，避免产生金属流动死区，防止产生废品以及减少模具出现在 锐角出的应力集中，在零件过渡处应设有足够大的圆角半径。正、反挤压

27、时的圆角半径可参照表 1-1近视选取。表1-1圆角半径（单位： mm） 1Table.2-1 the radius of chamfer材料种类反挤压正挤压凹角半径r凸角半径R凹角半径r凸角半径R低碳钢0.20.50.51.00.51.03中碳钢0.51.5121.01.535高碳钢1.53231.52.058齿轮轴零件图如图2-1所示。零件材料为O 冈 5 3按照上述要求，齿轮轴零件冷挤压件图制订如图2-2所示=北七hl14 士仍61 tOJ图2-1产品零件图齿数：20模数：1.0压力角：20。 分度圆直径：14.5mmFig.2-1 the chart of the product par

28、ts盟i IU_|飪札05-6土 tU图2-2挤压件图齿数：20模数：1.0压力角：20o分度圆直径：14.5mmFig.2-2 the chart of extrusi on part制订本挤压件时，为了方便卸料，将齿轮轴直径为18mm的部分做成锥度为1度的斜面。另外，将加工余量留在直径为25mm的尾端。2.2毛坯的制备及处理221坯料形状和尺寸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。根据齿轮轴的形状特点，同时为了便于送料以及有利于坯料的定位，故选用圆柱形坯料。毛坯的体积是根据变形前后的体积不变定律计算的。计算过程如下：1 2-nX 25 X L4=! nX 252 X 1

29、0+1 nX 182X 38+1 nX 14.52X 15444其中：L坯料长，mm经计算得L=35mm即坯料尺寸为： 25 X 35mm等体积计算说明：本等体积计算是将轮齿部分近视为以分度圆直径为直径的圆柱体， 此体积略大于轮齿部分体积，加工余量留在尾端部。齿轮轴的冷挤压毛坯为 25X 35mm的圆柱体，因此我们采用在压力机上用截切模截 切棒料的方法获得。用截切模剪截毛坯，材料最为节约，材料利用率几乎可以达到100%,生产率也高，但剪截毛坯的端面比较粗糙，端面与中心轴不能保持垂直，带有一定的斜度。 因此在剪切之后，需用镦平模将端面压平后再进行冷挤压。2.2.2坯料的软化处理中等强度的35号碳

30、素钢在供应状态下的硬度为 HB 180,材料晶粒粗大不均，塑性 较差，变形抗力大，若不经过软化退火处理而直接进行冷挤压，则成形困难，模具极易损 坏。因此，为降低坯料变形抗力，提高塑性，在冷挤压成形前需对材料进行软化退火处理， 其退火规范如图2-3所示。经软化退火后坯料硬度为 HB145。图2-3 35号钢退火规范1#Fig.2-3 the standard of the 35 annealing223坯料表面处理及润滑齿轮轴的冷挤压成形，其金属流动剧烈，变形量较大，坯料表面要求良好的净化和润 滑处理。在冷挤压中，为了降低坯料与模具之间的摩擦，减小模具磨损，延长模具使用寿命， 改善和提高挤压零件

31、的表面质量，必须采取有效的润滑手段。目前在碳素钢冷挤压中广泛 采用磷化一一皂化处理的润滑方法。磷化，就是将经过除油和酸洗、表面洁净的钢料放入 磷酸锰铁盐或磷酸二氢锌水溶液中，是金属与磷酸相互作用生成不溶于水的磷酸盐膜层的 过程。膜层的主要成分是磷酸铁和磷酸锌，膜层厚度一般为1015微米，摩擦系数一般在0.05以下。磷酸盐膜层有细小片状结晶组成，它坚实的粘附在钢材表面，与其牢固地结合在一起。 这层膜层相当软，耐热、呈多孔状态，对润滑剂具有相当高的吸附作用。这种膜层还具有 一定的塑性，能同钢坯一起塑性变形。由于它同钢的坚固结合，或者由于它实际上具有成 为钢坯一部分的性质，所以在挤压时，遇到高的压力

32、也能够承受得住，不会剥落。它能够 在变形金属与模具之间起非金属隔离层的作用，防止金属与模具的直接接触，减少表面摩 擦和防止模具的磨损、擦伤和粘结。磷化膜本身的摩擦系数并不低，因此磷酸盐处理不能单独使用，在磷化的基础上，普 遍采用皂化处理。皂化时，皂液深深地渗入到磷化层的毛细孔内，并且一部分达到基体金 属。肥皂同时和晶体表面形成锌皂。皂化后的润滑层的厚度，取决于不同挤压工序的不同 需要。在挤压阶梯形及深孔零件时，润滑层的连续性是否被破坏和转角处还残留有多少润 滑膜，是判定润滑处理优劣的重要标志。如果在零件的局部或转角部位出现发亮的现象， 说明该处无润滑膜存在，产生的主要原因是润滑膜的连续性遭到破

33、坏或工艺方案及模具形 状设计不合理。典型的磷化一皂化处理基本过程为：除油 冷水洗热水洗酸洗冷水洗热水洗磷化冷水洗热水洗中和皂化干燥 2。35号碳素钢毛坯润滑处理，其皂化配方及工艺如下 ：硬脂酸钠(Ci7H35COONa): 59g/L水(H2O)： 1L处理温度：60C 70oC处理时间：10mi n2.3冷挤压工艺方案设计冷挤压的加工方式可分为三种：用盘料进行多工位连续加工；棒料切断，经校形、退 火、磷化后，在专用挤压机或者普通压力机上挤压成形；在坯料直径与高度比大于三以上 时，采用板料冲裁制坯，经退火、磷化后在普通压力机上挤压成行。正挤压实心件的工艺设计要点2:1）实心件的挤压工艺参数应限

34、定在下列范围内：a尾端厚度大于杆径之半；b最大挤出长度在杆径的10倍之内；c低碳钢材料的许用变形程度约为 75%;2）与挤压模腔尺寸接近的坯料，可以不经校形直接挤压；如果尺寸相差太大，以及 变形程度或挤压件精度很高，坯料还要校形。3）原则上，正挤压的尾端与杆形部分之间应采取锥角过渡。如果挤压件是平面的直 角过渡时，为了避免挤压断面塌下和产生缩孔，应采取带凹窝的凸模挤压。4）杆形部分的弯曲是不可避免的，工艺设计时，应从进一步提高坯料精度、采取有 效的润滑方法等方面想办法来减小弯曲。5）尾端厚度尺寸和公差能够保证时，加工余量只留在杆形件的端头，否则两端都要 进行加工。冷挤压变形程度的计算公式为:

35、A=A0 A1A0X 100%(2-1)其中：& A许用变形程度A0 冷挤压变形前毛坯的横断面积，mm2A1 冷挤压后工件的横断面积，mm2齿轮轴的最大变形程度由式（2-1）计算得:2 1 225214.5242521 4.5225=59%而35碳素钢的许用变形程度为& Amax=0.550.63P，所以可以一次挤压成形。因此，本设计中的齿轮轴采用第二种加工。2.4冷挤压模具材料冷挤压模具是在极其恶劣的条件下工作的，工作应力高达200250kg/mm2，在连续工作条件下变形热与摩擦热可使模具温度高达300 E左右，同时模具还要经受流动金属的强烈冲刷，因此模具材料必须具备以下的基本性能：1）高强

36、度。模具材料必须具有较高的强度，在保持一定的韧性的条件下，还应具有 较高的硬度，凸模热处理后，要求硬度在 HRC61以上，凹模在HRC5862之间。2）高韧性。模具材料必须具有高的韧性和动载强度。这对于克服由冲击、偏心弯曲 载荷、应力集中引起的折断破坏是很重要的。3）高耐压能力。模具材料必须具有极好的耐压能力，在高的压力作用下不墩粗、不 弯曲。这对于承受很高的轴向压力作用的构件来说非常重要。4）高的耐磨性。模具材料必须具有较高的抗磨损能力，以便获得最高的模具寿命。5）足够的耐热性。挤压使模具反复的经受温度升降的作用，材料内部受到拉伸和压 缩的交变应力，从而使金属组织里的结晶产生间隙和局部的变形

37、，结构产生裂纹。因此要 求模具材料在工作温度下的硬度不变，具有良好的红硬性。6）良好的工艺性能。这是获得高质量模具的重要因素。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。热处理时，应有宽的温度区间，变形和 热裂倾向小。常用的冷挤压模具材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高碳高铬模具钢、高速钢、 硬质合金及部分合金结构钢。碳素工具钢主要用来制作凸模垫块、支撑、顶杆、退料器等； 高碳高铬模具钢主要用来制造各种挤压材料的凹模；高速工具钢是制造凸模的理想材料； 硬质合金钢用来制作凹模镶块；合金结构钢主要用来制造压套。本设计中，凹模齿形镶块采用牌号为 YG20的硬质合金，其热处理

38、硬度在 HRC65以 上，另外两个镶块采用Cr12MoV，热处理硬度为HRC60HRC62;凹模压套中层采用合金 结构钢35CrMoA，最外层也采用合金结构钢 35CrMoA，其热处理硬度为HRC40HRC47; 凸模采用Cr12MoV的模具钢，其热处理硬度为 HRC60HRC62 ;凹凸模垫块采用T 10A 碳素工具钢4。为了达到硬度要求，除材料要选用适当外，还必须正确选择和制定热处理工艺3挤压力的估算及挤压设备的选择冷挤压的挤压力是设计模具的基础，选择设备的依据，并可借以衡量挤压成形的难易 程度。因此，挤压力是一个重要的参数。3.1影响单位挤压力的主要因素在工程计算中，常用单位挤压力（即平

39、均单位压力）来表示，单位挤压力就是压力机 通过模具施加于毛坯单位面积上的平均作用力，它与变形抗力的概念是不相同的。变形抗 力是毛坯反抗于模具作用的反作用力，但是两者的大小相等，方向正好相反。因此，影响 变形抗力的因素可以认为就是影响单位挤压力的因素。单位挤压力是挤压工艺中的重要参数。无论是设计模具或者是选择压力机，都需要对 单位挤压力进行分析和计算。生产实践表明，要精确估算各种因素对单位挤压力的影响， 是非常困难的。单位挤压力首先取决于材料的变形抗力， 而这两种力的影响因素是相同的。1）材料性质理论和实践都表明，挤压力随金属坯料的变形抗力的增加成线性的增加。挤压力与坯 料状态有关。当坯料内部组

40、织性能均匀时，所需的挤压力较小；经充分均匀退火的比退火 不均匀的挤压力要小，且这一效果在挤压速度越低时越明显。挤压力还与挤压变形历史有 关。在相同工艺下，二次挤压时所需的单位挤压力比一次挤压大。金属材料经过软化热处理后，其抗拉强度和硬度都显著下降，因而变形抗力也就降低。 因此，在冷挤压前，对毛坯进行软化处理是降低变形抗力的有效措施。2）变形方式当断面缩减率相同时，反挤压的单位挤压力最高，正挤压实心件与空心件比较接近， 皆比反挤压低。3）变形程度变形程度是衡量挤压力的重要因素。随着变形程度的提高，变形抗力不断增加，挤压 力越来越大。4）挤压速度在挤压过程中，除毛坯产生塑性变形外，部分变形能转换为

41、温升，而且挤压速度越大， 温升现象越明显。挤压速度对挤压力的影响为：当断面缩减率& fv 40%时，热效应的影响 较小，加工硬化占优势，随挤压速度增加，单位挤压力略有增加；而当& f 40%时，热效 应的影响越来越大，毛坯温度升高，加工硬化得到一定程度的软化。因此，随着挤压速度 的增大，单位挤压力反而减小。国内外资料及有关试验指出，要制成直齿齿面的精密形状， 必须采用较高的变形速度才能挤压成形5 05）模具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，还能减少单位挤

42、压力。对于正挤压凹模，在成形零件结构允许的情况下，正挤压凹模的出口一般做成锥形， 如图3-1所示。锥形凹模对单位挤压力影响最大的是凹模锥角a的大小，当a =60。左右时,单位挤压力最小；当aV 60。或a 60。时，单位挤压力皆较大。图3-1凹模的形状Fig.3-1 the shape of female die单位挤压力为最小时的合理锥角a,是随变形程度的增加而增大的。当凹模锥角大于60。时，挤压力随a增大而增加，这是由于a增大时，被挤毛坯在锥面处不易流动，因此形成了较大的流动阻力，导致挤压力增大。当a=180。时，会形成较大的金属流动死区，此时挤压力最大。但另一方面，考虑到a较小时，挤压余

43、料增加，这就会增加后续机加工 工序的工时、加大材料的消耗。因此，综合考虑多方面因素，取凹模锥角a =9012C。为宜, 其中a =120。最为常用。本设计中也选择其角度为120o9 o6）毛坯高度毛坯高度的变化，影响到毛坯与凹模真实接触面积率的改变，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。7）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。正挤压实心件时，润滑状态对单位挤 压力的影响如表3-1。表3-1正挤压钢实心件时，润滑状态对单位挤压力的影响1Table.3-1 whe n ex

44、trud ing the steel solid parts, the in flue nee that came from lubricati ng state on per pressure润滑无润滑状态全损耗系统用油镀锌镀铜磷化磷化加石灰水磷化加皂化单位挤1压力0.950.750.630.560.550.503.2冷挤压力的估算及压力机选择针对前面一节提到的影响因素，利用简易计算法对挤压力进行估算。其公式为：P=pF（3-1）其中：F挤压的作用面积（mm2）,形状复杂的工件按投影面积进行计算；p单位挤压力（MPa）,查取35钢p2400MPa。P=pF2=2400 X X 254=117

45、7.5 KN根据挤压力和挤压所需行程以及考虑加工中的冲击载荷和各种不确定因素，以及装模 高度选取压力机。选取压力机为：J87160型偏心式下传动冷挤压机。其主要参数：公称压力：1600KN滑块行程：230mm工作行程：25mm行程次数：34次/min最大圭寸闭高度：385mm主电机功率：35KW4模具结构设计4.1凹模设计用工具钢制的整体凹模只适用于简单形状的纯铝、紫铜等零件的挤压。这种凹模是不 经济的，并且用来挤压低碳钢时，强度不够，极易开裂。为了提高凹模的承载能力，组合 凹模得到广泛采用，至于组合凹模的压套数目，则以确保挤压模具应有的承载能力为原则。 压套危险点的合成应力应小于压套材料的许

46、用应力。实际设计中，压套数目一般根据单位 压力近似选取：单位挤压力小于 100kg/ mm2，时，可以采用整体凹模；大于 100kg/ mm2 而小于160kg/ mm2时，采用一个压套的双层组合凹模；大于160kg/ mm2小于250kg/ mm2时，选用两个压套的三层组合凹模2。对于一定尺寸的组合凹模进行强度分析后得知：三层组合凹模的强度是整体凹模强度 的1.8倍；两层组合凹模的强度是整体式凹模的1.3倍。组合式预应力凹模的主要优点是在同样凹模外形尺寸的条件下，它的强度要比整体式凹模大得多。主要优点有以下几点：提高了凹模的强度；凹模圈的尺寸减小，使耗用的高级合金钢的材料也相应减少。原 先整

47、个凹模都用高级合金工具钢制成，现在仅其中内圈用高级合金工具钢材料，中圈和外 圈可以改用一般的金属材料；由于内圈尺寸减小，热处理容易，提高了模具热处理的质量； 当凹模损坏后仅需更换其内圈，不必使整个凹模报废。应当指出，多层套组合凹模也存在加工面多、加工压合工艺要求高等缺点。由第三章查表得知本文研究的35钢齿轮轴的单位挤压力为240kg/ mm2，故采用两个 压套的三层组合凹模。采用硬质合金做镶块，此时 D3=(48)D1, D2=(44.5) D1，本设计 采用 D3=7 D1， D2=4.5D1。试验表明，硬质合金镶块经济合理的最小壁厚应该是r= (2.22.3) r，本设计采用r=2.2r。

48、其中：D1、D2、D3分别为凹模镶块内径及两层压套的外径；r、r分别为镶块半径、 凹模内腔半径。直接承受变形金属压力作用的工作模腔，最好也不用整体的，要尽可能采用分体组合。分割的形式可以根据载荷分布选择，分割的目的是均布载荷以防止应力集中而导致开裂， 并且便于制造和更换。常见的分割方式有纵向分割和横向分割。正挤压凹模进行分割的原 则是：将磨损快的部位，尽量做成镶块结构；在结构转折及断面变化的地方进行分割；挤 压杆形的部分过长、形状较为复杂时，应从加工方便的角度考虑，分割成数段，如盛料部分、成型部分及校正部分。4.1.1凹模的结构形状设计本设计将凹模型腔分为三段，如图 4-1所示图4-1凹模型腔

49、剖视图Fig.4-1 the cutaway view of female die图4-1所示的凹模为横向分割式凹模，加工时应严格保证上半块凹模和下半块凹模的 同轴度，否则会影响挤压件质量及模具寿命，为防止在挤压过程中，金属材料流入接缝， 拼合面的宽度不宜超过3mm，一般取13mm为宜，在拼合面处将其中一块加工成大于 10锥角，以防止相碰，拼合面要进行抛光加工，加工得越光越好，并采用强有力的紧固方 式，以增大环行面上的接触压力。4.1.2凹模各部分尺寸的设计计算模腔的尺寸基本上取决于挤压件尺寸。为了得到最大的模具磨损留量，尺寸一般按挤压件的负公差设计，并且模具的公差一般不得超过挤压件公差的10

50、%。设计时还要考虑挤压引起的凹模弹性变形和温度上升引起的膨胀，以及零件冷却后的收缩等。因此模腔的内 径要做得比零件小些，采用硬质合金时，这一数值在0.0050.015mm之间。除此之外，模腔尺寸还必须考虑毛坯与挤压模具间的配合间隙，这个间隙一般在0.020.10口卅2。正挤压模具取上限，在保证毛坯能够自由放入模腔的情况下，这个数值越小越好。模腔的深度必须大于坯料的高度，大出的数值不少于35mm，也就是凸模与零件接触 前，至少已经进入模腔35mm。为便于装料与引导凸模，模口应做成圆角或倒角。凹模锥 角的合理尺寸是9OVBV 130。8 130时，会形成金属死区，并给润滑带来困难。当接近180。时

51、，成形压力急剧增大，模具转角处应力集中，极易开裂2。用锥角较小的凹模,挤压件的变形比较均匀，单位挤压力也低，但是过小的锥角会使成形部位的变形区域长度 增加，摩擦加大，同时润滑条件变坏，成形压力反倒变大，并有金属粘连凹模的趋势。根据以上设计原则，进行尺寸计算。凹模镶块尺寸确定：1）镶块 25mm段内腔尺寸：模腔尺寸还必须考虑毛坯与挤压模具间的配合间隙。这个间隙一般在 0.020.10mm。正挤压模具取上限，在保证毛坯能够自由放入模腔的情况下，这个数值越 小越好。最终确定内腔尺寸为 25 0.07 mm。高度：由于模腔深度要大于坯料高度，大出的数值不得少于35m m,本设计中采用5mm。同时坯料中

52、有10mm不参与变形，同时考虑分割位置，最后确定其高度为 37.2mm 其剖视图如4-2所示。图4-2镶块一剖视图Fig.4-2 the cutaway view of female die I其中外径尺寸r =2.2r=2.2X25=55mm，为了便于装配，外径面为1.5。锥面。2）镶块 18mm段内腔尺寸：工作带直径等于挤压件外径。确定内腔尺寸为18 0.5mm。高度：考虑分割位置确定高度为37.7mm。锥面与型腔直壁交接处 R:一般选择为35mm,本设计选择3mm。锥面与工作带交接处的r:一般选择0.52.0mm，本设计选择1.5mm外径面为1.5。锥面。为了方便卸料，降低卸料力，本段凹

53、模内腔设计为锥度1度的锥面其剖视图如图4-3所示。图4-3镶块二剖视图Fig.4-3 the cutaway view of female die n3）镶块齿轮段齿轮段镶块如图4-4。其中齿轮的模数为1.0,齿数为20,分度圆直径为14.5mm,压 力角为20o，高度为18.1mm,外形尺寸设计原则如同镶块一。过渡圆角设计时考虑局部尺 寸，设计其半径为2mm。图4-4镶块三剖视图Fig.4-4 the cutaway view of female die 川套筒 1 的尺寸：外径：D2=4.5D1=4.5X 25=112.5mm。高度：h=93 2=91mm （压套的高度通常比镶块小 12m

54、m）套筒内外呈3锥面。套筒2的台阶是为了凹模的压板紧固。套筒 2外面为圆柱面，内面为3锥面。4.2上模部分结构设计1）结构形式模具上模部分结构形式的确定，主要取决于模板结构和凹模的紧固方法。本设计采用 模柄结构形式，考虑卸料问题，将模柄前部设计为斜度为3的锥形，保证卸料时上模座不脱落与压力机。考虑制造加工方便，将上模板分割成两体分别加工后组装为一体。本设计 还要采用导柱导套以及考虑卸料机构，加大上模板面积。2）垫块及固定圈挤压时凸模要承受较大的工作压力，其还要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

55、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，设有一块工具钢淬硬的垫块。这样可以对凸模进行强有力的支撑，分散作用在 凸模上的压力，借以起到缓冲的作用，提高凸模的稳定性及寿命。由于凸模垫块是承受较大集中载荷和传递压力的重要工作零件。因此，垫块的面积必 须足够大以便适当的分布负载。设计时，凸模底面的压力希望控制在凸模工作压力的 1/31/4左右，即500700MPa,据此决定垫块的平面尺寸。垫块的厚度一般在1530mm之间。本设计中，凸模垫块厚度为25mm，凹模垫块厚度为30mm。为了防止垫块的弹性变形和塑性变形，必须选用优质碳素工具钢 T8A、T10A，热处理到较高的硬度5660HRC，并使垫块承受的压力小于选用材料的许用压应力。凸模固定圈，是将凸模紧固于模座上的重要辅助零件。通常规定其厚度在13mm以上。 固定