棒材挤压模具毕业论文

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1、 毕业设计论文1 引言冷挤压就是把金属毛坯放在冷挤压模腔中，在室温下，通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的加工方法。1，2冷挤压是无切削，少切削零件加工工艺之一，是近代金属塑性加工中一种先进的加工方法。用冷挤压即可以生产成批的有色合金及黑色金属零件。也可以加工各种模具的型腔。1.1冷挤压的分类1正挤压正挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相同。如图1-1它的加工过程是：先将毛坯放在凹模内，凹模底部有一个大小与所制零件外径相同的孔，然后用凸模去挤压毛坯。在挤压时由于凸模压力的作用，使金属达到塑性状态，产生塑性流动。强迫金属从凹模的小孔中流出从而制成所需要的零

2、件。一般说来，正挤压可以制造各种形状的实心工件(采用实心毛坯)，也可以制造各种形状的管子3,4。图1-1 正挤压空心件a)挤压示意图 b)毛坯与挤压零件2反挤压反挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反。图1-2所示是反挤压空心杯形工件的情形，它的加工过程是：把扁平的毛坯放在凹模底上，凹模与凸模在半径方向上的间隙等于杯形零件的壁厚。当凸模向毛坯施加压力时，金属便沿凸模与凹模之间的间隙向上流动，从而制成所需要的空心杯形零件。图1-2反挤压a)挤压示意图 b)毛坯与挤压零件3复合挤压复合挤压时，毛坯上一部分金属的流动方向与凸模的运动方向相同，而另一部分金属的流动方向则相反。图1-3所示为复合挤压

3、工作的情况。用复合挤压的方法，可以制造各种带有突起的复杂形状的空心工件。图1-3 复合挤压a)挤压示意图 b)毛坯与挤压零件4径向挤压径向挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向垂直，采用实心毛坯或管状毛坯挤制成盘类零件或内壁有凸出要求的零件如图1-4、图1-5所示。图1-4 冷模锻零件a) 毛坯 b) 零件图1-5 径向挤压a) 毛坯 b) 零件1.2冷挤压工艺对模具的要求冷挤压时，为了使被挤压的材料产生塑性变形流动，模具须承受巨大的反作用力。冷挤压工艺对模具的要求5,61) 模具工作零件(凸模、凹模、芯轴、顶件器)应有足够的强度和刚度，工作零件要选择合理的几何形状及模具材料，使其有相当的强韧

4、性和耐磨性，以提高模具使用寿命。2) 模具易损部分要拆换方便，应具有通用性和互换性。3) 模具应有良好的稳定性和导向装置，工作零件能简捷而可靠地固定在模架上。4) 制造简单、成本低，有利于采用半自动化或自动化送料和出件，且操作要安全可靠。为顺利实施冷挤压工艺必须考虑和解决以下几方面的问题：1) 选用适合于冷挤压加工的材料；2) 采用正确、合理的冷挤压工艺方案；3) 选用合理的毛坯软化热处理方案；4) 采用合理的毛坯表面处理方法及选用最理想的润滑剂； 5) 设计并制造适合冷挤压特点的模具结构，保证成品达到所要求的质量，同时还应保证模具有较长的工作寿命、较高的生产率和安全可靠；6) 选舞合适的冷挤

5、压模具材料及其热处理方法：7) 选筹适合于冷挤压工艺特点的机器与设备。1.3冷挤压坯料的表面处理 硬铝坯料2A11(LYll)、2A12(LYl2)塑性差，在挤压过程中，为了避免产生裂纹，应使硬铝坯料表面形成层氧化膜或磷化膜。这是一层多孔、致密的氧化膜或磷化膜结晶，呈灰黑色，可用氧化处理、磷化处理或氟硅化处理来放得。由于这层薄膜中可以充填大量的润滑剂，所以在冷挤压时能取得较好的润滑效果7,8。1.3.1氧化处理 其工艺流程如下：1)汽油清洗，以去除油污。2)热水清洗(60100c)。3)流动冷水清洗。4)酸洗(工业硝酸400-800g/L,2min)5)冷水清洗2次。6)氧化处理(工业氢氧化钠

6、NaoH40-60g/L,温度50-70c,时间1-4min，以表面呈均匀细致的多孔从黑色站品膜为宦)。7)流功热水清洗。 硬铝除了采用氧化处理来产个润滑支承层外，还可以来用磷化处理和氛硅化处理。试验表明，当采用磷化处即加T1IL菜油润滑时，挤出的零件表面粗糙度R。达0.8um，表面光泽。当采用氛耐化处理加工业菜油润滑时，挤出的零件表面质量比磷化处理的略有提高，但光泽不好，且氟硅化处理过程中会产生有毒物质，因此尽量不要采用。1.3.2磷化处理 配方为：磷酸二氢锌(Zn(H2PO4)28g，磷酸(75)25g，铬酸(CrO3)10g,十二烷基硫酸钠(湿润剂)05g，水1L。处理温度5560处理时

7、间23min。 纯钢、黄铜在挤压中为厂获得较高的表面质量，往往进行钝化表面处理，以便在坯料友面形成一尼钝化膜作为润滑剂的支承层9。钝化表面处理工艺流程如下： 1)汽油清洗，以去除油污。 2)热水清洗(60100c)。 3)冷水清洗(两次)。 4)钝化。 5)冷水洗。 6)干燥。 钝化液配方为： 铬酐200250gL,硫酸g/L，硝酸g/L。处理温度为20C。时间5s。1.3.3. 坯料的润滑处理配方为：猪油18%，气缸油22%，石蜡油22%，十四醇3%，四氧化碳35%。方法：将猪油加热至200 0C后加少许四氧化碳，再加气缸油及石蜡油，升温至250 0C稍冷后加工业甘油和十四醇，冷却到150

8、0C时，再加四氧化碳。试验表明，该处理方法的润滑性能好，挤压件的表面粗糙度在0.8um以下。1.4冷挤压设备的选择冷挤压时单位挤压力很大，对挤压件的精度要求高，因此对冷挤压使用的压力机提出一些特殊要求10-12。 (1)能量要大 冷挤压加工的压力大，行程长，用于冷挤压的压力机需要很大的能量。 (2)刚性要好 冷挤压的单位压力大，易使模其和压力机产生变形。为了保证较高的冷挤压件精度和较长的模具寿命，要求压力机具有较好的刚性。 (3)导向精度要高 冷挤压件的精度要求较高，单靠模具的导向装置是不能满足要求的。另外，当压力机的导向精度较低时，滑块下平面与工作台平面之间会产生倾斜，凸模会因受到附加弯曲应

9、力的作用而折断。因此，为了保证冷挤压件的尺寸精度和较长的模具寿命，要求压力机和滑块的导向精度要高。 (4)要具备顶出机构 冷挤压后工件可能留征凹模中，因此要求压力机有在不拆卸下模的情况下能精确调节的顶出机构。顶出力一般应为压力机标称压力的10左右。 (5)要有过载保护装置 为了保护模具及设备，压力机必须具备可靠的过载保护装置。 (6)能提供合适的挤压速度 冷挤压加工是将大断面的毛坏压缩成小断面的挤压件。因此，在挤压过程少会石冲击作用，特别是当挤压速度较高时,凸模接触金属毛坯的瞬间迅速降速而产生冲击。所以，要求用于冷挤压的压力机能提供合适的挤压速度。 挤压速度应尽可能保持均匀。一般认为，较好的挤

10、压速度在0.10.4m/s范围内。(7)具有对模具进行润滑冷却的装置 冷挤压时单位很大。会产生大量的热量。因此安求压力机具有良好的润fR冷却装置，能反时地向模具反被挤压毛坯喷射润滑冷却液，进行强制性的润滑和冷却，从而延长模具寿命。2 模具设计2.1 设计任务原始数据： （1） 原材料：3A21铝合金棒，直径为60mm. （2） 产品零件：通过轴对称正挤压，直径变为30mm，长为65mm。轴对称正挤压 图2-12.2 设计过程2.2.1零件工艺性分析根据零件工作图结构形状分析。该零件不能用冷挤压成形的方法完全成形。需要在一次挤压后截断一部分。2.2.2毛坯长度的计算图 2-2毛坯毛坯体积 毛坯尺

11、寸计算的原则为等体积法计算。即毛坯体积工件体积工件体积=圆台体积+圆柱体积，即， = =毛坯长度h=25总变形程度 2.2.3 冷挤压变形力的计算1.影响金属流动的主要因素1)摩擦力的影响 挤压时模具型腔侧壁与流动的金属之间的摩擦力对挤压时的金属流动影响最为突出。摩擦力使得被挤压金属心部与侧壁问的流速差加大。材料内部的变形加剧。在模具制造时必须降低模具型腔的表面粗糙度以减小摩擦阻力，同时还应采取其它行之有效的润滑措施13-15。2)模具形状的影响模具形状决定变形区的形式和大小，以及金属流动的形。正挤压时以凹模锥角的形式及大小对金属流动的影响最大。图2-3是分别采用锥角为600、900、1200

12、、1800时正挤压金属流动的坐标网格实验。从实验的结果可以看出锥角愈大，径向网格弯曲愈严重，金屑内外的流速差愈大。反挤压时主要是凸模结构形状对金屈流动的影响较大，为减小反挤压底部金属流动的粘滞区，凸模底部做成120。倒锥形最为理想，既利于金属流动又可减小挤压力。3)变形程度的影响在其它条件相同的情况下，变形程度愈大愈不利于金属流动。4)其它因素的影响在金属挤压时，毛坏的尺寸和形状、被挤压材料的性能、挤压变形的速度艺条件、模具质量等均会影响金属流动状况，应合理确定。图2-3 凹模中心锥角对金属流动的影内a)600 b)900 c)1200 d) 18002. 采用上限法计算挤压变形力轴对称锥形模

13、正挤压时，塑变区的形状随半模角a、凹模接触表面的摩擦条件和截回减缩率等而变化。塑变区采用连续速度场，可设为球形连续速度场、三角形连续速度场等，本例采用球形近续速度场。 挤压坯料的划分如图2-4所示16-18。图中I区为未变形的圆柱体坯料，是刚性区，铀向速度等于冲头移动速度，二区为塑变区其形状为由两个同心球面截下的圆锥台，具有质点向心流动的连续速度场：三区为挤出棒料的出口区，也是不变形的刚性区，轴向速度为；各区之间的分界面，也即速度间断面分别为和图2-4 轴对称正挤压时变形区的划分 挤压成形所消耗的上限总功率包括：二区的塑性交形功率；速度间断面和上消耗的剪切功率沿挤压凹模工作面，和上消耗的摩擦功

14、率为1） 二区的塑性变形功率 分析H区的连续速度场和应变速率场图2-5。采用球形坐标系统(r,)塑变区内任意点的速度分量分别用，示。各参数及符号参见图2-4和图2-5。图2-5正挤压塑性区球形连续速度场示意图设点A为该区内的任意点，其所在球面半径为r，与z轴夹角为，向心(径向)速度为。根据流量相等原则，并考虑到塑变区一侧质点的径向速度与轴向速度；且有如下关系 (2-1）又根据体积不变条件，挤入速度和挤出速度具有如下关系由球形坐标的小府变几何方程求得田变区的府变速率场为 (2-2） 已知刚塑性材料的塑性变形功率为 利用圣维南塑性流动方程，上式可改写成 试中 ，将（2）代入上式得 因 ，并令得 (

15、2-3）当a时，上式简化为2 ) 沿速度间断面和上的剪切功率由图2-4可见，和的速度间断位分别为，又 将上述关系代入上限法公式为 (2-4）右边第二部分得 (2-5） 3 ) 沿挤压凹模工作面，上的摩擦功率。 设坯料与凹模接触表面的摩擦切应力 (其中m为摩擦因子)，由式(21)可得D区圆锥接触表面上径向(向心)速度值为于是，参见图2-5可得到 因 故得 (2-6）4 ) 相对单位挤压力： 外力所作的功率 (2-7）根据能量平衡原理可知将式(44)式(47)代人上式，经整理后得 (2-8)其中，为材料的屈服强度，为50MPa，m为坯料与凹模的摩擦系数，大小为0.16。计算 变形力2.2.4 凸模

16、1凸模的选择正挤压凸模的作用主要是传递挤压力，设计时应考虑其强度。在凸模与凹模之间应具有合适的间隙，这是因为19： 1)要避免挤挤压后零件形成毛刺，这就要求较小的间隙。 2)为避免挤压时由于凸模弹性变形而产生直径增大凸模与凹模之间要有一定的间隙。2凸模类型 正挤压凸模形式有五种，如图2-6所示。实心件正挤压凸模用 a)形式，结构简单制造方便，采用锥面与凸模固定板接触，目的是加大承压面积且便于调整中心。图b)图e)用于正挤压空心件。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c)e)为组合式凸模。其中图e)的芯棒与凸模内孔之间为过渡配合，

17、这种结构可以大大减少芯棒与凸模结合处的应力集中 c)这种凸模适应十芯棒且好较大，或挤压材料不入硬，或摩擦因数较小的材料挤压。d)的芯棒与凹模内孔采用间隙配合，在挤压时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，其在芯捧上部放一弹簧，在挤压中芯棒受拉，弹簧被压缩，可以克服更大的拉力，能有效地防止芯棒拉断。这种凸模可以用于材料硬度和摩擦力比较大的黑色会属挤压。为了防止芯棒拉断及卸料方便，芯棒一般做出的斜度。图2-6 正挤压凸模主要形式本设计选用a)类凸模如图2-7图 2-7 凸模2凸模尺寸工作部分直径=坯料直径 过渡部分

18、直径 上端直径 工作部分长度 过渡部分长度 固定部分长度 锥度 3.材料 由于凸模在挤压过程中受到较大的挤压力，选用Cr12Mo。2.2.5 凹模 1 凹模的结构根据单位挤压力大小，冷挤压凹模分为三种类型(图2-8)，即：整体式凹模图a),两层组合凹模图b)；三层组合凹模图c)。图2-8 冷挤压凹模的三种结构形式a) 整体式凹模 b)两层组合凹模 C)三层组合凹模其中左半因为压合前，右半因为压合后。凹模底部的圆角半径及对挤压力和凹模寿命都有很大影响，如图2-9所示，用五种凹模圆角半径进行生产，其他条件完全相同的情况下，模具工作寿命从左至右由15000次增加到300000次，相差20多倍。可见增

19、大凹模底部圆角半径可以延长正挤压凹模的寿命20。图2-9 各种圆角半径的正挤压凹模 正挤压凹模的人模角为合适，如果变形程度小，润滑良好，或材料变形抗力小，塑性好，也有采用进行挤压的。凹模下部厚度h3(11一12)D，D为凹模型腔直径。本设计采用的凹模结构2-10：图2-10 凹模零件图图2-11 凹模尺寸尺寸计算：挤压模容料孔直径 坯料直径容料孔高度 坯料高度；为25mm。容料孔上端倒角 过渡部分倒角 容料孔下端倒角 过渡部分高度 =40=622组合凹模挤压时的应力分布两层组合凹模挤压时的切向应力和径向应力 的计算式如下：式中 切向应力为拉应力，径向应力为压应力，其分布情况见图2-12。图2-

20、12 不考虑接触预压力作用组合式凹模挤压时的应力分布图2-13 组合式凹模挤压时的实际应力分布 2组合凹模挤压时的实际应力分布 组合凹模挤压时的实际应力应为未挤力时预应力与挤压时不考虑接触顶应力时的应力相叠加而成，其分布情况见图2-13。从图中可以看山，由于组合凹模中的内凹模与预应力图采用过盈配合，压入后两者的接触面产生接触预应力，该接触预应力使内凹模上产生切向压应力；而预应力圈上产生切向拉府力.因此，组合凹模挤压时。内凹模所产生的切向拉应力就被抵消而减小而预应力圈广所产午的切向拉应力被叠加而增加。这样，内凹模与预应力因的切向应力趋于相同。如果组合凹模项应力圈的尺小选择得适当，其过盈量也足够大

21、，甚至可以使内凹模的内壁在挤压时完全没有切向拉应力。对一定尺寸的组合凹模进行强度分析可得知：三层组合凹模的强度是整体式凹模强度的18倍；两层组合问模的强度足整体式凹模强度的13倍21。2.2.6垫板挤压时，单位挤压力很大，为了不使凸、凹模传来的高压力直接作用在上、下底板上，在凸模与上底板、凹模与下底板之间加设一块承压垫板。承压垫板要求淬硬至4246HRc。承压垫板的主要作用是使凸模或凹模传来的高压力得到一定程度的缓解。图 2-14 垫板2.2.7导柱导套 图2-15 导套为了保证工作时凸模与凹模轴线一致，避免因偏心负荷造成的侧向力使凸模弯曲或折断，冷挤模具必须设置导向装置。为了保持良好的润滑状

22、态，在导柱或导套上开设油槽，导套孔d。与导柱直径d之间采用H 7h6或H6h5配合。导套压入上模座的长度及导套外径D不得小于导柱直径d的15倍，导套导向长度应为导柱直径的23倍。 导柱直径d可根据模具结构、导柱的强度和刚度来确定，同导套一样，导柱压入下模座的长度不得小于导柱直径的15倍度来确定，但要保证当凸模进入凹模之前导柱导套已开始配合以保证导向精度22。2.2.8模柄 模柄的结构如图2-16；图2-16 模柄零件图 模柄通过热装配与上模座连接，起到传力的作用。材料为Q235。2.2.9上下模座1上模座图2-17,图2-18。图2-18 上模座图2-17 上模座上模座采用GB/T2855.5

23、1990标准，尺寸如图所示。2.2.10 顶出装置 图2-19 机械拉杆式联动顶出装置 1模板 2 拉杆 3顶杆 4 拉板拉杆的尺寸为M20*350材料为45钢。顶料杆为B型M25*110 本设计采用机械拉杆式联动顶出装置，如图-19。其工作原理是：当凸模挤压时，拉杆随着凸模往下运动。当凸模挤压完毕，往上运动时，顶料杆3 将挤压件顶出。 2.2.11紧固件1螺钉，内六角圆柱螺钉尺寸为M12*80,M12*85（GB/T70.1）材料为Q235.2 销钉 圆柱销钉6*10，10*80,10*85.(GB/T70.1)材料为45钢。3 螺母 六角螺母 M24，一颗；M20,六颗（GB/T41）。材

24、料为35钢。3零件装配3.1装配顺序各个零件的装配顺序如下：1擦请压力机滑块底面、工作台或垫板平面以及挤压模上下横座的顶面和底面。2将挤压模置于压力机工作台或垫板上，移至近似工作位置。3观察工件或废料能否漏下。4用手搬动飞轮或利用压力机的传动装置，使压力机垫块逐步降至下极点。并移动挤压模，以便模柄进入滑块中的模柄孔内。5调节压力机至近似的闭合高度。6.配作螺钉孔和销钉孔。7安装固定下模的压板、垫块和螺丝但不拧紧。8紧固上模，确保上模座顶面与滑块底面紧贴无隙。9紧固下模，依次交替拧紧。10调整闭合高度，使凸横进入凹模。11.用坯料料挤压若干件，检查工件质量。12安装、调试送料和出料装置。I3再次

25、挤压。图3-1 装配图（俯视图）图3-2 装配图（主视图）1 拉板 2 ，19，10螺母 3 拉杆 4 下模座 5，10 内六角螺钉 6 导柱 7，11，12 销钉 8 导套 9 上模座 13 模柄 14，17 垫板 15凸模固定套 16 凹模 18 顶杆 21 工件3.2模具工作过程:1 初始状态。工作前凸模14处于上极限位置,凹模16用螺钉固定在下模座4上。其下端面与垫板2约有0.5mm的间隙。将60*25mm的圆柱形坯料放入凹模储料筒,坯料靠储料筒内壁自然定位。2 凸模下移 凸模14下移进入凹模16挤压坯料。凹模体的下端面与垫板2的上端面接触，进而由垫板承担大部分挤压力。在此过程中，拉杆

26、3跟着凸模向下运动。3 挤压成形 当凸模6 达到其下极限位置时工件完全成形 ,挤压结束。此时拉杆3到达最低位置。4 工件出模 上模座9往上运动带动凸模14和拉杆3向上运动。固定在拉板1上的顶杆18将工件顶出。取出工件，进行下一个工作循环。4 结论本课题在传统模具设计的基础上，设计一种棒材挤压模具，对3A21合金棒材进行挤压。针对冷挤压模具设计过程中出现的问题，经反复比较，采用了如下方法可以优化模具设计提高模具寿命。(1)凹模底部的圆角半径及对挤压力和凹模寿命都有很大影响，增大凹模底部圆角半径可以延长正挤压凹模的寿命。(2)采用组合式凹模可以显著降低对凹模的损害。(3)为了保证精确定位，当用销钉

27、和螺钉连接多个零件时，销钉孔和螺钉孔都应采用配钻的方式。致谢本课题是在 老师的指导下完成的。在设计陷入困难时， 老师多次提出指导性的意见，保证了设计的顺利进行。在此对尹老师表示深切的感谢。同时，在设计过程中还得到许多学长和同学的热心帮助，这其中包括 同学在冷挤压变形力计算时，提供了很多宝贵的意见； 同学在尺寸公差及配合方面提供了必要的数据以及与 同学在诸多问题上的讨论，两位同学在模具设计方面广博的理论知识，使得本人在设计时思路广阔。此外，在设计过程中，本教研室中其他同学和学长的关心和帮助，以及班上众多同学的照顾，保证了设计的顺利完成。在此向他们感谢。参考文献1 杨长顺编著.冷挤压工艺实践.北京

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