冷挤压工艺及模具设计ppt课件

1、第五章第五章5.1 5.1 冷挤压工艺冷挤压工艺 5.2 5.2 冷挤压模具设计冷挤压模具设计 5.3 5.3 冷挤压模的典型构造冷挤压模的典型构造 5.1 5.1 冷挤压工艺冷挤压工艺 冷挤压是一种先进的少无切削加工工艺之一。它是在冷挤压是一种先进的少无切削加工工艺之一。它是在常温下，使固态的金属在宏大压力和一定的速度下，经过常温下，使固态的金属在宏大压力和一定的速度下，经过模腔产生塑性变形而获得一定外形零件的一种加工方法。模腔产生塑性变形而获得一定外形零件的一种加工方法。冷挤压的工艺过程是：先将经处置过的毛坯料放在凹模内，冷挤压的工艺过程是：先将经处置过的毛坯料放在凹模内，借助凸模的压力使

2、金属处于三向受压应力形状下产生塑性借助凸模的压力使金属处于三向受压应力形状下产生塑性变形，经过凹模的下通孔或凸模与凹模的环形间隙将金属变形，经过凹模的下通孔或凸模与凹模的环形间隙将金属挤出。它是一种在许多行业广泛运用的金属压力加工工艺挤出。它是一种在许多行业广泛运用的金属压力加工工艺方法。方法。 冷挤压过程的关键问题是想法降低资料的变形抗力，冷挤压过程的关键问题是想法降低资料的变形抗力，提高模具的承载才干。提高模具的承载才干。 5.1.1 5.1.1 冷挤压的分类冷挤压的分类 根据金属被挤出的方向与凸模运动方向的关系，冷挤根据金属被挤出的方向与凸模运动方向的关系，冷挤压普通可分为正挤压、反挤压

3、、复合挤压三种根本方式。压普通可分为正挤压、反挤压、复合挤压三种根本方式。 1 1正挤压如图正挤压如图5-15-1所示，挤压时金属流动方向与凸模所示，挤压时金属流动方向与凸模流动方向一样，适用于各种外形的实心件、管件和环形件流动方向一样，适用于各种外形的实心件、管件和环形件的挤压；的挤压； 2 2反挤压如图反挤压如图5-25-2所示，挤压时金属流动方向与凸模所示，挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反，适用于各种截面外形的杯形件的挤压；运动方向相反，适用于各种截面外形的杯形件的挤压； 3复合挤如图5-3所示，挤压时，金属流动方向相对于凸模运动方向，一部分一样，另一部分相反，适用于各种复杂外形制件

4、的挤压；改动凹模孔口或凸、凹模之间缝隙的轮廓外形，就可以挤出外形和尺寸不同的各种空心件和实心件。 图5-1 正挤压图 5-2 反挤压图 5-3 复合挤 5.1.2 5.1.2 冷挤压的特点冷挤压的特点5.1.2.1 5.1.2.1 冷挤压的特点主要包括以下三个方面：冷挤压的特点主要包括以下三个方面： (1) (1) 节约原资料，消费效率高节约原资料，消费效率高 冷挤压是少无切削加工工艺，与切削加工相比，节约冷挤压是少无切削加工工艺，与切削加工相比，节约原资料，同时，冷挤压是在压力机简单的往复运动中消费原资料，同时，冷挤压是在压力机简单的往复运动中消费零件，消费效率高，比切削加工高零件，消费效率

5、高，比切削加工高3030倍。倍。 (2) 提高零件的力学性能 在冷挤压过程中，金属处于三向挤压应力形状，变形后资料的组织致密，又有延续的纤维流向，变形中的加工硬化也使资料的强度和刚度大大提高，从而可用低强度钢材替代高强度钢。(3) 可加工外形复杂的零件 对复杂零件可以一次加工成型，加工非常方便，大批大量消费时，加工本钱低。 (4) 提高零件的精度，降低外表粗糙度 由于金属外表在高压、高温挤压过程中产生的热量下遭到模具光滑外表的熨平，因此，制件外表很光，外表强度也大为提高。冷挤压零件的精度可达1T81T9级，有色金属冷挤压零件的外表粗糙度可达Ra=1.60.4m。有的冷挤压件无需切削加工。 5.

6、1.3 5.1.3 冷挤压毛坯的制备冷挤压毛坯的制备5.1.3.1 5.1.3.1 冷挤压坯料外形与尺寸冷挤压坯料外形与尺寸 挤压件的毛坯外形设计能否合理，将直接影响制件的挤压件的毛坯外形设计能否合理，将直接影响制件的外形与尺寸，并且还将影响模具的寿命。冷挤压用毛坯通外形与尺寸，并且还将影响模具的寿命。冷挤压用毛坯通常都是棒料或块料，其截面外形可根据制件的相应截面外常都是棒料或块料，其截面外形可根据制件的相应截面外形确定。普通情况下，确定毛坯外形的原那么是：旋转体形确定。普通情况下，确定毛坯外形的原那么是：旋转体及轴对称多角类选用圆柱形毛坯；矩形零件可选用矩形毛及轴对称多角类选用圆柱形毛坯；矩

7、形零件可选用矩形毛坯。此外还应思索采用何种挤压方法，如图坯。此外还应思索采用何种挤压方法，如图5-15-1所示，采用所示，采用正挤压法时，用实心毛坯能挤出实心件，用空心坯料能挤正挤压法时，用实心毛坯能挤出实心件，用空心坯料能挤出空心件。反挤压时，毛坯的外形采用实心和空心均可。出空心件。反挤压时，毛坯的外形采用实心和空心均可。 冷挤压毛坯尺寸是根据制件挤压前后体积相等的原那么进展计算的。假设挤压后还要进展切削加工，那么毛坯的体积V坯还应按制件实践体积V件再加上切削耗费量，即 V坯=V件+V修。 5-1 其中V修为修边余量或切削加工量mm3，普通取挤压件体积的35%。 求得的毛坯体积与毛坯横截面积

8、后之比即为毛坯的高度h0，即 。 5-2 00VhF坯5.1.3.2 坯料的制备 冷挤压坯料制造要求非常细致、严厉，有一定的平面度，外表粗糙度、精度要求。可采用剪切加工、板料落料加工、切削加工及其它特殊方法加工，毛坯的上、下端面必需平整。5.1.3.3 毛坯的软化热处置 对毛坯进展软化热处置的目的是降低资料硬度，提高塑性，得到良好的金相组织，消除内应力，以降低资料的变形抗力，提高模具的寿命和零件质量。 毛坯软化热处置规范可从相关手册中查到。但是，由于保温时间同被处置毛坯尺寸、毛坯放置方法及装炉量等诸多要素有关，因此在实践消费流程中，应根据详细情况确定保温时间。 在冷挤压工序之间，还应根据变形程

9、度和冷作硬化程度的大小适当安排工序间软化热处置工序。 对于黄铜与硬铝挤压件，挤压后务必进展消除内应力的退火。对于要求高的碳钢和不锈钢件，挤压后也需进展消除应力退火的工序。 黄铜常用加热到250300。C，保温两小别缓慢冷却至室温的退火方法消除内应力；不锈钢1Crl8Ni9Ti的消除内应力退火温度为750，对于硬铝挤压件，常用加热到110，保温6小时缓冷至室温的去应力退火处置，以便消除冷挤压所产生的剩余应力。 4.1.3.4 毛坯的外表处置与光滑 光滑对冷挤压的影响非常重要。毛坯与凸、凹模和芯抽接触面上的摩擦，不仅影响金属的变形和挤压件的质量而且直接影响挤压单位压力的大小、模具的强度和寿命等。所

10、以冷挤压时的光滑经常能够成为冷挤压成败的关键。为尽量减小摩擦的不利要素影响、除模具任务外表粗糙度要求高外、还要采用良好而可靠的光滑方法。 常用的光滑剂有液态的(如动物油、植物油、矿物油等)，也有固态的如硬脂酸锌、硬脂酸钠、二硫化钥、石墨等，它们可以单独运用也可以混合运用。 对于有些资料，为了确保冷挤压过程中的光滑层不被过大的单位接触压力所破坏，毛坯要经过外表化学处置。例如碳钢的磷酸盐处置磷化、奥氏体不锈钢的草酸盐处置、铝合金的氧化、磷化或氟硅化处置、黄铜的钝化处置等。经化学处置后的毛坯外表，覆盖一层很薄的多孔状结晶膜，它能随毛坯一同变形而不剥离零落，经光滑处置后在孔内吸附的光滑剂可以坚持挤压过

11、程中光滑的延续性和有效的光滑效果。 5.1.4 5.1.4 冷挤压变形程度冷挤压变形程度 在冷挤压过程中，变形程度是决议运用设备压力大小在冷挤压过程中，变形程度是决议运用设备压力大小及影响模具寿命的主要要素之一，假设要提高消费率，就及影响模具寿命的主要要素之一，假设要提高消费率，就必需增大每次挤压的变形程度，以减少挤压次数。但变形必需增大每次挤压的变形程度，以减少挤压次数。但变形程度越大，其变形抗力也越大，就会降低模具的寿命，甚程度越大，其变形抗力也越大，就会降低模具的寿命，甚至引起凸模折断或凹模开裂。因此对各种挤压资料，都应至引起凸模折断或凹模开裂。因此对各种挤压资料，都应选择适宜的变形程度

12、。选择适宜的变形程度。 4.1.4.1 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的目的，其最常用的表示方法有两种：截面收缩率和挤压面积比。(1) 截面收缩率 5-3010100%FFFF式中 冷挤压的截面收缩率，见表5-1、表5-2； F0冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2； F1冷挤压变形后工件的横截面积，mm2。F(2) 挤压面积比 5-4 式中 G挤压面积比； F0冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2； F1冷挤压变形后工件的横截面积，mm2； 与G之间存在如下关系： 01FGFF5-51(1) 100%FG5.1.4.2 许用变形程度 冷挤压时，一次挤压加工所允许的变形

13、程度，称为许用变形程度。不同资料有不同的许用变形程度。在工艺上，每道冷挤压工序的变形程度应尽量小于许用值，使模具接受的单位挤压力不超越模具资料许用应力目前普通模具资料的许用应力为25003000N/mm2，确定许用变形程度数值是冷挤压工艺计算的一个重要根据，由于冷挤压许用变形程度的大小决议了制件所需的挤压次数。假设计算出的冷挤压变形程度超越许用值、那么必需用多次挤压完成，以延伸模具寿命，防止损坏模具。 冷挤压的许用变形程度取决于以下各方面的要素： (1) 可挤压资料的力学性能 资料越硬，许用变形程度就越小，塑性越好，许用变形程度越大。 (2) 模具强度 选用的模具资料好，且模具制造中冷、热加工

14、工艺合理，模具构造也较合理，其模具强度就越高，许用变形程度就越大。 (3) 冷挤压的变形方式 在变形程度一样的条件下，反挤压的力大于正挤压的力。反挤压的许用变形程度比正挤压小。 (4) 毛坯外表处置与光滑 毛坯外表处置越好，光滑越好，许用变形程度也就越大。 (5) 冷挤压模具的几何外形 冷挤压模具任务部分的几何外形对金属的流动有很大影响。外形合理时，有利于挤压时的金属流动，单位挤压力降低，许用变形程度可以大些。 在普通消费条件下，模具强度、光滑条件及模具的几何外形都是尽量做到最理想的形状，因此许用变形程度主要取决于被挤压资料和变形方式两个要素。 资料牌号反挤压F正挤压F107580828715

15、70738082355055624540454815Cr4250536334CrMo40455060金属资料 截面收缩率F% 备注 铝正挤压 9599强度低的资料取下限；强度高的取上限。 防锈铝反挤压 9099紫铜、黄铜、硬铝正挤压 9095镁反挤压 7590表5-1 碳素钢及低合金钢的许用变形程度 表5-2 有色金属冷挤压的许用变形程度 5.2 5.2 冷挤压模具设计冷挤压模具设计5.2.1 5.2.1 冷挤压模的特点冷挤压模的特点 由于冷挤压时，单位挤压力较大，因此冷挤压由于冷挤压时，单位挤压力较大，因此冷挤压模具的强度、刚度及耐用度等方面其要求都比普通模具的强度、刚度及耐用度等方面其要求

16、都比普通冲模高，它与普通普通冲模相比，主要有以下特点：冲模高，它与普通普通冲模相比，主要有以下特点： 1 1模具的任务部分与上、下底板之间普通都模具的任务部分与上、下底板之间普通都设有足够的支承面与足够厚度的淬硬垫板，以接受设有足够的支承面与足够厚度的淬硬垫板，以接受很大的压力，减少上、下底板上的单位压力。很大的压力，减少上、下底板上的单位压力。 2模具的任务部分都采用光滑的圆角过渡，以预防由于应力集中而导致其本身的损坏。 3冷挤压模的上、下模板，应有足够的厚度及刚性。普通采用45钢或铸钢。 4模具任务部分资料及热处置要求，应比普通普通冲模要求高。 5.2.2 5.2.2 冷挤压模设计要求冷挤

17、压模设计要求 1 1模具应具有足够的刚度和强度，并且能在冷热交变模具应具有足够的刚度和强度，并且能在冷热交变应力的情况下，模具应保证正常任务，模具构造要合理，应力的情况下，模具应保证正常任务，模具构造要合理，如采用组合式模具。如采用组合式模具。 2 2选用适宜的模具资料，任务部分必需求有相当的韧选用适宜的模具资料，任务部分必需求有相当的韧性和耐磨性，几何外形及参数要合理、准确。有利于毛坯性和耐磨性，几何外形及参数要合理、准确。有利于毛坯塑性变形、降低单位挤压力。尽量采用光滑圆角过渡，防塑性变形、降低单位挤压力。尽量采用光滑圆角过渡，防止应力集中。止应力集中。 3模具的易损部位，应思索通用性和互

18、换性。并便于改换、修缮。 4对于精度要求较高的挤压件，模具设计要有良好的稳定导向安装。 5坯料取放应方便，毛坯易放入模腔。 6模具应平安可靠，制造工艺简便，本钱低，运用寿命长。 为满足以上各项要求，必需慎重思索模具构造的设计、资料的选择、制造工艺及其热处置等问题。 5.1.3 冷挤设备的选用与压力计算5.1.3.1 对冷挤压设备的根本要求： (1)刚性好，活塞导向精度高； (2)活塞空行程和回程速度较快； (3)活塞任务行程速度较低，不能有“脉冲景象； (4)有平安防护安装，防止冲头断裂或坯料崩裂溅出伤人； (5)便于察看挤压情况和控制挤压深度。 5.1.3.2 冷挤压力的计算 式中 挤压应力

19、，kN； 平安系数，取1.2； 型腔在挤压方向上的投影面积，mm2； 单位挤压力,。见表5-3。 (5-1) 10000KqFP PKFq资料的抗拉强度/N/mm2 250300300500500700700800800900单位挤压应力/MPa1500200020002500250030003000350035004000公称挤压力/kN 活塞直径/mm最大任务压力/MPa 机床任务空间高度/mm 活塞最大行程/ mm活塞空行程速度/mm/s 任务行程速度/(mms-1) 总功率/kw 10000360100 3801654.25 00.2420000500100 3302104.25 00

20、102025000.1750000800100 620240200.0810表5-3 资料单位挤压应力q的值 表5-4 冷挤压公用液压机主要技术规格 5.2.4 5.2.4 冷挤模凸、凹模任务部分设计冷挤模凸、凹模任务部分设计 凸模与凹模是冷挤压模的主要任务零件，其任务部分凸模与凹模是冷挤压模的主要任务零件，其任务部分的外形和尺寸设计得合理，会使金属流动阻力减少，挤压的外形和尺寸设计得合理，会使金属流动阻力减少，挤压力降低和延伸模具的运用寿命。力降低和延伸模具的运用寿命。5.2.4.1 5.2.4.1 凸模的设计凸模的设计 (1 (1反挤压凸模反挤压凸模 普通采用的反

21、挤压凸模任务部分外普通采用的反挤压凸模任务部分外形如图形如图5-45-4所示。所示。 图5-4 反挤压凸模任务部分外形 图5-4(a)、(b)、(c)是运用于黑色金属的几种反挤压凸模，其中(a)、(b)运用较普遍，效果好。(c)在实践中也有运用的，但这种凸模的单位挤压力要比图中(a)型凸模约大20%。 图5-4(d)、(e)、(f)是适用于有色金属的反挤压凸模，(e)对挤压薄壁零件有利。 图5-4(g)适用于软金属，这种凸模叫活门凸模。其作用是在挤压壁很薄的零件时，防止在卸料时构成真空吸附而产生损坏。而(h)、(i)型凸模是在零件底部有一定外形要求时采用。 凸模的有效长度要适宜，太长易产生纵向

22、弯曲失稳。凸模的有效长度L与直径d之比L/d，普通可参考以下数据： 反挤压纯铝时： L/d710 反挤压紫铜时： L/d56 反挤压黄铜时： L/d45 反挤压低碳钢时： L/d2.53 当单位压力较大时，应选用较小的L/d值；单位挤压力不大时，可选用大的L/d值。 对于纯铝、紫铜反挤压用的细长凸模，为了添加其稳定性，可以在凸模端面作工艺槽。工艺槽必需对称、同轴心，否那么反而起不良作用。工艺槽宽普通取0.30.8mm，深0.30.6mm。尖角处运用圆弧衔接工艺槽的外形如图5-5所示。 反挤压凸模任务部分尺寸可参考表5-5选取。 表5-5 凸模任务部分尺寸参数 反挤压凸模构造外形，见图5-6。凸

23、模构造是影响凸模寿命的主要要素之一，凸模构造上截面变化处的应力集中，是引起凸模碎断的根本缘由，而减少或消除应力集中，那么是模具构造设计的重要义务。 在凸模截面变化大的台阶处采用锥面过渡，大圆弧光滑衔接，比起用台阶圆弧过渡的运用要小，其构造方式见图5-6(a)、(b)。对受力情况恶劣的反挤压凸模，作成图5-6(c)、(d)之外形，从减少或消除应力这点出发更为合理。 图5-5 工艺槽的各种外形 图5-6 反挤压凸模型式 d=挤压件内孔直径；d1=d-(0.10.2)mm；d2d；d3 1.3d；R2=0.20.4d；r=1520； L1=挤压件内孔高度+35mm；L2=卸料板高度+1015mm；L

24、3d3 (2)正挤压凸模 图5-7是正挤压凸模的各种型式。实心件正挤压凸模比较简单，可按图5-7(a)、(b)的型式设计。(b)型端部的锥度有防止凸模纵向开裂的作用。 对正挤压空心件的凸模设计要特别留意。纯铝空心件正挤压，可运用图5-7(c)的整体式凸模。对于挤压较硬的金属资料，特别是黑色金属的挤压，应采用图5-7(d)、(e)的组合式凸模。(e)型组合式凸模与芯轴之间采用IT7级H7/k6过渡配合，芯轴与凸模本体之间没有相对滑动，在挤压过程中，芯轴受摩擦而产生很大的拉应力，因此仅适用于芯轴直径较大、或挤压资料不太硬、或摩擦系数较小的条件。(d)型组合凸模、凸模孔与芯轴之间用IT7级间隙配合H

25、7/h6。挤压过程中由于摩擦力的作用，芯轴可随变形金属同时向下滑动，从而大大减弱了芯轴的受拉情况，防止芯轴拉断。 图5-7 正挤压凸模型式 (3)挤压凸模的资料选择，见表5-6。 挤压凸模构造选用资料能接受的单位压力/MPa简单T8A、T10A、T12A20002500中等CrMn、9CrSi20002500复杂Cr12、Cr12Mo、Cr12V、Cr12TiV25003000表5-6 挤压凸模的资料选择 5.2.4.2 凹模的设计 (1)反挤压凹模 反挤压凹模有图5-8所示的几种构外型式。整体式凹模见图5-8(d)，其特点是构造简单，但因对模具强度和顶件不利，运用极少。常用的几种见图5-8(

26、a)、(b)、(c)及(f)。凹模型腔参数见表5-7。 由于组合凹模预应力圈的预紧力在凹模的端面较小，而在中央部分较大。所以对于在端面进展镦挤的凹模图5-8f应使成形部分外表低于凹模端面，以提高模具寿命。 图5-8 反挤压凹模 表5-7 反挤压凹模型腔参数 (2)正挤压凹模 正挤压凹模有图5-9所示的几种构外型式。凹模普通采用预应力的构造。图5-9(a)是整体式凹模，这种凹模在运用中，直筒部分与锥角相交处产生应力集中容易开裂，所以常采用图5-9中的(b)、(c)及(d)等剖分式构造。 正挤压凹模型腔参数见表5-8。 图5-9 正挤压凹模 表5-8 正挤压凹模型腔参数 5.2.4.3 凸、凹模任

27、务部分尺寸计算 凸、凹模任务部分尺寸计算可按拉深模的有关原那么来思索，计算公式见表5-9。 尺 寸 基 准挤 压 件 图计 算 公 式要求外形尺寸的 要求内形尺寸的 0034324DDdDt凹凸凹凸11510凹凸11510凸凹0012122ddDdt凸凹凸凹注： D或d挤压件根本尺寸，mm； 凹模尺寸，mm； 凸模尺寸，mm； 挤压件公差，mm； t挤压件壁部厚度，mm； 凹模制造公差，mm； 凸模制造公差，mm。 D凹d凸凸凹5.2.4.4 组合凹模 组合凹模设计 为理处理凹模的横向裂纹，消费中采用横向或纵向剖分的凹模构造，为了提高凹模强度，防止纵向裂纹产生，消费中普遍运用预应力组合凹模。

28、(1)组合凹模型式确实定 根据凹模内壁、侧向压力( )的数值确定组合凹模型式见表5-10。 p凹表5-10 组合凹模的型式 (2) 二层组合凹模设计图5-10 图5-10 二层组合凹模压合 凹模内径按挤压件最大外径，mm； ，mm； =130锥度可以向上，亦可以向下； d2处轴向压合量，mm； d2处径向过盈量，mm。式中 、 、 按表5-11。 1d3146dd（ ）222cd222ud2d22表5-11 二层组合凹模设计参数 5.3 5.3 冷挤压模的典型构造冷挤压模的典型构造5.3.1 5.3.1 正挤压模正挤压模 这是一副微型电机转子正挤压模。凹模采用镶这是一副微型电机转子正挤压模。凹

29、模采用镶拼构造，并采用一层预应力套，为了保证工件拼构造，并采用一层预应力套，为了保证工件4mm4mm部分在挤出过程中不致弯曲，凹模下部装有部分在挤出过程中不致弯曲，凹模下部装有导向套导向套8 8。顶件采用橡皮顶件安装，挤压时由压杆。顶件采用橡皮顶件安装，挤压时由压杆1010经过推杆经过推杆3131将橡皮紧缩使顶杆将橡皮紧缩使顶杆4 4不影响金属流动。不影响金属流动。上模装有行程限止块上模装有行程限止块9 9，以控制模具闭合高度，保，以控制模具闭合高度，保证证95mm95mm的工件尺寸。的工件尺寸。 图5-11 正挤压模 1下模座；2、15、16、19螺钉；3垫板；4顶板；5导柱；6导套；7上模座；8导向套；9行程限制块；10压杆；11凸模；12垫板；13模柄；14、17、20、26销钉；18凸模固定板；21导套；22导柱；23预应力套；24凹模；25凹模镶块；27弹顶板；28橡皮；29螺母；30双头螺杆；31推杆；32下垫板 5.4.2 5.4.2 反挤压模反挤压模 图图5-125-12可调式反挤压模，凸模固定端为锥形，凸模可调式反挤压模，凸模固定端为锥形，凸模3 3和和紧固套圈紧固