冷挤压模具设计

冷挤压模具设计 冷挤压模具与一般冷冲模相比，工作时所受的压力大得多，因而在强度、刚度和耐 磨性等方面的要求都较高。冷挤模不同于冷冲模的地方主要有： 1 ）凹模一般为组合式（凸模也常常用组合式）结构； 2）上、下模板更厚，材料选择得更好，满足模具的强度要求； 3 ）导柱直径尺寸较大，满足模具的刚度要求； 4） 工作零件尾部位置均加有淬硬的垫板； 5） 模具易损件的更换、拆卸更方便。 7.5.1 典型冷挤压工艺模具结构 1. 正挤压模具 图 7.5.1 是用于黑色金属空心零件正挤压的模具简图。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。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。 圈7.5.1空心羽辭件正挤圧槻貝 2. 反挤压模具 图 7.5.2 所示的是在小型（无顶出装置）冲床上使用的黑色金属反挤压模具的, 它是 一种典型的具有导向装置的反挤压模。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25 承受，顶件力由反拉杆式联动顶出装置（由件3、28、30、 31、32、33 组成）提供，该顶出装置在模座下方带有活动板31，当挤压件顶出一段距离后， 通过带斜面的斜块33 将 31撑开，使顶杆32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31 靠其外圈的拉簧30 合并。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 三个内爪形的卸料圈17 卸料。 只要将凸模、凹模、顶山杆、垫块 26、27 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。 I 一下 «*；!-■*!£； 上■瓷 i«-・丼门一融□坪准 | E—低 ft 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色金属时，凹模内壁的单位压力高达1500〜2500MPa。在这样高的内壁压力下，单靠增加凹 模的厚度已不能防止凹摸沿纵向开裂。而在凹模的外壁上套装具有一定过盈量的预应力套， 可以提高凹模的整体强度，详见7.5.3节 为了消除整体式凹模转角处的应力集中，可将整体式凹模于内孔转角 圈了.5.5凹模的加式 处剖分为两部分，即为分割式组合凹模。图7.5.5c、d分别为横向分割式和纵向分割式。 2)正挤压凹模 其结构尺寸如图7.5.6所示。凹模入口角a = 90 °〜126 ° 凹模工作带长度h 3 =2〜4mm；凹模的过渡部分均用圆角连接； ^ + (0.5-1.①叽^ = (1.1~1.2)Z).常用正挤压凹模型式见图7.5.5。 3)反挤压凹模 反挤压凹模结构尺寸如图7.5.7所示。模腔深度爲主要决定于毛坯 高度；凹模底部高度叫=(1/2〜1/3)D；凹模入口处圆角半径r1=2〜3mm；模腔内壁可做成 10 0〜30 C的斜度。反挤压凹模型式如图7.5.8所示。图中a、b、c用于不需顶件装 置的挤压件，如用于反挤压有色金属薄壁件。凹模a结构简单，但底部R处易开裂下沉，适 用于批量不很大的条件。凹模b的寿命比a长得多。凹模c的寿命更长，但模具的制造精 度要求高，否则难于保证同心度，凹模d有顶出装置，常用于黑色金属挤压。 7.5.3 预应力组合凹模的设计 将凹模分层，使外层（压套）与内层（凹模）过盈装配并对内层产生很大预加压力 的组合式凹模结构型式叫预应力组合凹模（简称组合凹模）。它广泛应用于钢铁材料的冷挤 压。 组合凹模的优点是同样外形尺寸（包括外套在内的整个组合凹模外形尺寸）和相同 内腔尺寸的条件下，其强度要比单层（即整体式）凹模的强度大得多。而且也节省了模具钢。 但它增加了凹模加工的工作量和难度，主要表现在压合面的加工和装配上。 1. 组合凹模的型式 根据理论分析可知：对于同一尺寸的凹模，两层预应力组合凹模 的强度是整体式凹模强度的1.3倍；三层预应力组合凹模的强度是整体式凹模的强度的1．8 倍。层数愈多，凹模补强愈大，但是，其加工及装配也愈复杂。故二层、三层预应力组合凹 模应用较多。图7.5.10绘出了冷挤压凹模的型式。由于凹模总直径比a越大，凹模强度越 大，但在a增加到4-6以后，再继续加大a便没有多大意义。因此，在生产中常采用的总 直径比a=4 - 6。当a=4 - 6时，各种凹模的许用单位压力的大致范围为：p £ 1100Mpa 时用整体式凹模；当p =1100 - 1400 Mpa时采用两层式凹模；当p £ 1400 - 2500 Mpa 时采用三层式凹模。 2. 组合凹模尺寸设计 a）组合凹模各圈直径的决定如上所述，凹模总直径比一般取a=4 - 6。 对两层组合凹模（图7.5.9b）,可取:去庄 对三层组合凹模（图7.5.9c）,可取爲=1花起1,鸟=1花血=血，％ = 1花禺=4加1 b）预应力组合凹模径向过盈量u和轴向压合量c的决定 两层组合凹模的径向过盈量 u2 轴向压合量 c2 可用下式求出： 旳—02衣2 ； C2 —吗■込 其中炖，爲分别为比处的径向过盈系数和轴向压合系数，其值由图7.5.10查出。 三层组合凹模径向过盈量岂些与轴向压合量门耳可按下式求出: 以上系数均按图 7-7 查取。 圈了.5.11三感绘合凹模牡旬辻駅系数初紬旬圧合系数与总良牡出的关系 3）预应力组合凹模的压合工艺 压合方法 一般采用加热压合（俗称红套）和在室温下用压机冷压合两种方法。对于 冷压合来说，压合角 g 一般采用 1 度 30 分 ，最大不宜超过3度。否则在使用过程中各圈 会自动松脱。压合时，各圈的压合顺序原则上是应由外向内压，即先将中圈压入外圈后，再 将内圈压入。拆卸时顺序刚好相反。 加热压合是先将外圈加热后再套到内圈上，利用热胀冷缩原理使外圈在冷却后将内 圈压紧，也叫“红套”。压合后凹模内腔直径会缩小，必须对之进行修正。 冷挤压工艺设计 7.4.1 冷挤压件的结构工艺性分析 圈7.4.1 驸柠性 冷挤件的形状应尽量有利于金属变形均匀，在挤出方向上流速一 致。 1. 对称性 冷挤压件的形状最好是轴对称旋转体，其次是对称的非旋转体，如方形、矩形、正 多边形, 齿形等。冷挤压件为非对称形时，模具受侧向力，易损坏 （ 图 7.4.1） 。 2. 断面积差 零件不同断面上，特别是相邻断面上的断面积差设计得愈小愈有利。断面积差较大 的冷挤压件，可以通过改变成形方法，增加变形工序而获得（图 7.4.2）。 ^17.4.2减小断面积差的设计 ^17.4.3斷面的合理过渡 3 ．断面过渡及圆角过渡 冷挤压件断面有差别时，通常应设计从一个断面缓慢地过渡到另一个断面，避免急 剧变化，可用锥形面或中间台阶来逐步过渡（图 7.4.3），且过渡处要有足够大的圆角。 4 ．断面形状 1 ）锥形 锥形件冷挤压会产生一个有害的水平分力，故冷挤时应先冷挤加工成圆筒 形；然后单独镦出外部锥体或切削加工出内锥体（图7.4.4）。 图7.4.4锥形件的冷挤压 2 ）阶梯形 图 7.4.5 所示的阶梯形件适宜于的正挤压或减径挤压。但差异很小的阶 梯冷挤压则不经济；图 7.4.6所示为空心阶梯形件，其阶梯之间的尺寸相差很小，最好挤成 大阶梯形或简单空心件，然后切削出来。 3 ）避免细小深孔 冷挤压直径过小的孔或槽是很困难的，也是不经济的，应尽量避 免。 5. 挤压压余厚度 挤压的压余厚度不宜过小，否则会使单位挤压力急剧增大，并且会产生缺陷（如缩 孔）。 图 7.4.5 实心阶梯形件 图 7.4.6 空心阶梯形件 缩 图 7.4.7 挤压缩孔 7.4.2 冷挤压工艺方案的制定 对于任何一种冷挤压件，从不同的角度和设计观点出发，会有多个工艺方案。在制 定工艺方案时，既要考虑到技术上的可能性和先进性，又要注重经济效益。应核拟定两个或 更多个工艺方案，然后进行经济技术分析，以便得出合理的工艺方案。 1 ．冷挤压件图的制订 冷挤压件图根据零件图制订，以 1 ：1 比例绘制。其内容包括： l ）确定冷挤压压和进一步加工的工艺基准。 2 ）对于不经机械加工的部位，不加余量，应按零件图的技术要求直接给出公差，而 对于需进行机械加工的部位，应按冷挤压可以达到的尺寸精度给出公差。 3 ）确定挤压压完成后多余材料的排除方式。 4 ）按照零件的技术要求及冷挤压可能达到的精度，确定表面粗糙度等级和形位公差 值。 2 ．制定冷挤压工艺方案的技术经济指标：为了确保冷挤压工艺方案在技术经济上的 合理性和可行性，通常采用下述几个指标来衡量： 1 ）挤压件的尺寸 越大，所需设备吨位随之增大，采用冷挤压加工的困难性增加。 2 ）挤压件的形状 越复杂、变形程度越大，所需的冷挤压工序数目就越多。， 3 ）挤压件可达精度和表面粗糙度 它有一定限度。增加修整工序可提高挤压件精度。 4 ）挤压件的材料 材料影响挤压难度、许用变形程度。 5 ）挤压件费用 一般包含材料费、备料费、工具及模具制造费、冷挤压加工费及后 续工序加工费等。这是一项综合指标，往往是决定工艺方案是否合理、可行的关键因素。 6）挤压件的批量 批量大时可以使总的成本降低。 对于上述几个指标进行全面分析、平衡之后，就可以选择一个最佳的工艺方案。最 佳的工艺方案的具体标志是：采用尽可能少的挤压工序和中间退火次数，以最低的材料消耗、 最高的模具寿命和生产效率，冷挤出符合技术要求的挤压件。冷挤压加工全过程应包含下料 工序、预成形工序、辅助工序、冷挤压工序以及后续加工工序等。其中冷挤压工序的设计是 制定冷挤压工艺方案的核心工作。 7.4.3 冷挤压工艺分析的典型实例 冷挤压时，每一变形工序力求用最大的变形程度，最好能通过一次变形就达到冷挤 压件图的要求。但由于冷挤压时每一道工序的变形量不能超过许用变形程度，有时也因受到 模具结构的限制，使许多零件在冷挤压时需用多道工序才能完成。 在挤压黑色金属时，因材料的强度高，对变形程度过大的零件常需通过多道变形工 序才能完成。而在挤压有色金属时，因材料的强度低、塑性好。通常能用一次挤压完成变形 程度大而形状复杂的零件。下面对几种典型形状零件的冷挤压工艺及设计要点进行介绍。 1 ．轴类零件 当轴类零件不超过材料的许用变形程度时，一般用一次正挤压成形完成。挤压图 7.4.8所示的零件有a、b两种工艺方案。在a方案中，毛坯取最大台阶直径（心），用正 挤压工艺挤出直径爲部分；b方案中，毛坯直径取次级台阶直径先挤出直径鸟，再将 必镦粗到血。但是，在变形程度较小时（习W50%），也可同时进行两个或两个以上台阶 的挤压。 图7.4.8阶梯轴的冷锻 2．具有阶梯内孔零件 图7.4.9所示零件的成形基本分为两道反挤压：第一次反挤大孔（必），第二次再 反挤小孔（心）。反挤大孔时的变形程度应取小于许用的合理变形程度。一次反挤压孔的 相对深度 黑色金属 ~3 ，有色金属 ~6 ）反 挤压阶梯孔深也不能太大， W 1。 心卜 a) b) c} 3．深孔薄壁零件 见图7.4.10。壁厚s很薄， 三2.5 ~ 3。因此要用一道工序成形是不可能的。 通常第一道工序反挤成杯形件，再进行第二道与第三道正挤压，使外径逐渐变小。这类零件 还可以采用挤压与变薄拉深相结合的方法成形。图7.4.11的零件与深孔薄壁件的挤压成形 基本相似，只是多一道反挤压杯形后冲底工序。深孔件的另一种挤压方法是用双向挤，如图 7.4.12所示。对于双向挤压，其 也可达（5〜6）如 a) b) i) d) 图7.4.10深孔薄壁件的挤压工序 a) b) e) d) 图7.4.11无底筒形件的挤压工序 4. “山”形件 该类零件可用反挤压成形。通过调整中间圆柱四周的角部形状，可以达到调整挤出 的中间圆柱高度。但若圆柱高度太大，中心圆柱应在中间工序里先挤压出来一段（见图 7.4.6）。 图 7.4.12 双向挤压深孔件 a) b) c) 图 7.4.13 考虑成品局部形状的半成品的设计挤压“山”形件 a）毛坯；b）半成品；c）成品 5. 花键轴挤压 随着汽车、摩托车工业的发展，越来越多的花键生产厂家采用冷挤压成形工艺代替 传统的切削加工工艺，由于花键工件大多数为长轴类件，通常采用开式（无约束）正挤压工 艺。实现该工艺的前提条件是挤压力不能达到传力段的屈服应力，即相对挤压应力^< 1.0。某汽车后桥传动轴花键齿形截面及挤压凹模轮廓形状见图7.4.7、图 7.4.8。 图 7.4.14 冷挤压花键齿形截面图 图 7.4.15 挤压凹模的轮廓形状 冷挤压原材料与毛坯的准备 7.2.1 冷挤压用原材料 冷挤压时，由于摩擦的影响，会导致挤压件表层金属在附加拉应力的作用下开裂。 所以，金属材料塑性越好，硬度越低，含碳量越低，合硫、磷等夹杂物越少，冷作硬化敏感 性愈弱，则对冷挤压越有利，其挤压工艺性越好。 目前可供冷挤压的金属材料有：铅、锡、银、纯铝（L1〜L5 ）、铝合金（LF21、 LY11 、 LY12 、 LD10 等）、紫铜与无氧铜（ T1 、 T2 、 T3 、 TU1 、 TU2 等）、黄 铜（ H62 、 H68 、等）、锡磷青铜（ QSn6.5 一 0.1 等）、镍（ N1 、 N2 等）、锌及 锌镉合金、纯铁、碳素钢（ Q195 、 Q215 、 Q235 、 Q255 、 08 、 10 、 15 、 20 、 25 、 30 、 35 、 40 、 45 、 50 号钢等）、低合金钢（ 15Cr 、 20Cr 、 20MnB 、 16Mn 、 30CrMnSiA 、 12CrNiTi 、 35CrMnSi 等）和不锈钢（ 1Cr13 、 2Cr13 、 1Cr18Ni9Ti 等）。 此外，对于钛和某些钛合金、钽、锆以及可伐合金等也可进行冷挤压，甚至对轴承钢 GCr9 、 GCr15 及高速钢 W6Mo5Cr4V2 也可进行一定变形量的冷挤压加工。 7.2.2 挤压毛坯的冷形状及尺寸的确定 （一）冷挤压对毛坯的要求 （1） 冷挤压毛坯的质量 冷挤压用毛坯表面应保持光洁，不能有裂纹、折叠等缺陷。否则，经挤压后将使上 述缺陷进一步扩大而导致挤压件报废。一般要求毛坯表面粗糙度&在6.3 “ m以下。 （2） 冷挤压毛坯的几何形状 毛坯的几何形状应保持对称、规则，两端面保持平行。否则在单位压力很大时，将 会使凸模单面受力而折断。毛坯的形状在生产实际中，常采用图 7.2.1 所示的四种。实心 毛坯和空心环状毛坯可用于正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压；图中 c 、 d 两种毛坯 是经反挤压预成形制成的，主要用于空心件正挤压，特殊情况下可用于径向挤压和反挤压。 图 7.2.1 毛坯的基本形状 2. 毛坯尺寸计算 毛坯尺寸是根据体积不变条件计算的。如果冷挤压压后还要进行切削加工，则计算 毛坯体积还应加上修边量，即： 忌"工+卩烽 (7.2.1) 式中: 5 坯料体积(mm 3 )； 円工 挤压件体积(mm 3 )； 乓一一修正余量体积(mm 3 )(一般为冷挤压件体积的3%〜5%)。 毛坯体积确定后，其高度为： 血Q =比/竝 (7.2.2) 式中竝 毛坯的横断面积(mm 3 )。 毛坯外径一般取比凹模尺寸小0.1〜0.2mm，以便毛坯放入凹模；同理，毛坯内 径一般比零件内孔(或芯棒)大0.1〜0.2mm，但当工件内孔精度要求很高时，毛坯内径一 般取比挤压件孔径小0.01〜0.05mm。 毛坯的下料方法有很多种，应该根据坯料形状、精度要求，材料利用率及生产现场 的实际条件等因素进行选择。板形坯料主要用冲压分离（冲裁或精冲）方法，棒料主要用剪 切、切割方法来下料。 1. 切削 在批量不大时常用车削、铣削、锯切法加工挤压毛坯。其优点是得到到毛坯形状规 则、精度较高，但生产效率较低（除高速带锯锯切外）。 2. 剪切 剪切下料是在专用的棒料剪切机或冲剪机上进行的。也可以采用剪切模在普通压力 机上进行。普通的棒料剪切法下料，是在冲床上进行的，生产效率高，材料利用率高，缺点 是毛坯断面有塌角和断裂面，质量不太好。 3. 冲裁 对于板形坯料，宜用冲裁方法加工。因它是用模具和冲床来加工，故这种方法生产 效率高，毛坯平直，但原材料的利用率较低，因为冲裁时有“搭边”浪费。普通冲裁落料有 缺陷，要求落料后滚光毛刺和断面的缺陷，否则会影响到挤压件的表面质量。而用小间隙圆 角凹模的冲裁可以得到精度较高的毛坯，常用于有色金属挤压毛坯的加工。 7．2．4 冷挤压毛坯的软化和表面处理 1. 毛坯的软化 冷挤压毛坯在挤压之前及工序之间，大都需进行软化热处理，其目的是减小毛坯的 硬度和强度，提高塑性，得到良好的金相组织，以利于冷挤压变形的进行。毛坯软化热处理 规范可从有关手册中查到。 2. 坯料的润滑与表面处理工艺 润滑对冷挤压是非常重要的。挤压时摩擦不仅影响到金属的变形及挤压件的质量， 而且也直接影响到单位挤压力的大小、模具的寿命。所以要采用良好且可靠的润滑方法。 润滑剂有液态的（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、二硫化钼、石墨等），它们可以单独使用，也可以混合使用。有色金属常用这些润 滑剂。 对于钢的冷挤压，其单位挤压力很大（可高达 2000MPa 以上），使用一般的涂刷 润滑剂极易被挤掉，无法进行生产。人们早就掌握了有色金属冷挤压，但直至发现了钢的表 面处理方法（磷化处理及润滑处理）后，才使钢的冷挤压用于实际生产。 因此毛坯的表面处理是冷挤压工艺中的一个重要环节。冷挤压的毛坯进行表面处理 可获得下列效果：降低毛坯与模具间的外摩擦阻力；避免毛坯表面与模具直接摩擦而引起的 粘结现象；提高挤压件的表面质量，提高模具的寿命；减低挤压时的变形力及变形功的消耗。 表面处理主要包括：去除表面缺陷；清洁、去脂、洗涤；去除表面氧化层；在毛坯表面形成 特殊的支承层；润滑处理。前三项是为了改善毛坯表面质量，并为后二项作好准备。 不同材料需用不同的处理方法，使表面形成特殊的支承层。碳钢和低合金钢用磷化 处理，磷化处理是将毛坯浸在磷酸盐溶液中，使其表面生成一层不溶性磷酸盐薄膜。磷酸盐 薄膜由细小片状结晶组织构成，呈多孔状态，对润滑剂有吸附、贮存作用；磷化膜与钢毛坯 表面结合牢固，并有一定的塑性，能随毛坯基体一起变形，而且它耐磨、耐热。 常用的磷化处理配方如下：氧化锌（ZnO ） 20〜30g ,磷酸（H3P04 ） 22〜 30g，硝酸（HNO3 ） 30〜40g，碳酸钠（Na 2 CO 3 ） 4〜6g，亚硝酸钠（NaNO 2 ） 0.1 〜 0.2g ，水（ H2O ） 1kg 。混合配制后总酸度 50 〜 70 点；游离酸度 3 〜 5 点。处理温度 40 〜 50oC ；处理时间 10 〜 15 分钟。配制方法是先配制浓缩母液，再 用 10 倍水稀释。 碳钢毛坯经磷化处理后需再进行润滑处理，方法较多，皂化就是一种最常用的方法。 皂化处理在硬脂酸钠溶液中浸泡一段时间，使毛坯表面牢固地附上一皂化层作润滑剂。此外， 采用机油添加适量的二硫化铝作润滑剂，其润滑效果也很好。 奥氏作不锈钢（ 1Cr18Ni9Ti ）与磷酸盐溶液不发生作用，应采用草酸盐进行表面 处理；硬铝用氧化、磷化或氟硅化处理；铜及铜合金毛坯用纯化处理。这些表面处理方法与 磷化处理一样能使润滑更好、更可靠。 虽然磷皂化方法是有效的，但是工序多，周期长，很费事。专门研制的高分子涂剂 及专用配方的润滑液可以满足冷挤压工艺的要求。