冷擠壓工藝及模具設計ppt課件.ppt

冷擠壓工藝及模具設計,第五章,冷擠壓工藝及模具設計,5.1 冷擠壓工藝 5.2 冷擠壓模具設計 5.3 冷擠壓模的典型結構,冷擠壓工藝及模具設計,5.1 冷擠壓工藝 冷擠壓是一種先進的少無切削加工工藝之一。它是在常溫下，使固態(tài)的金屬在巨大壓力和一定的速度下，通過模腔產生塑性變形而獲得一定形狀零件的一種加工方法。冷擠壓的工藝過程是：先將經處理過的毛坯料放在凹模內，借助凸模的壓力使金屬處于三向受壓應力狀態(tài)下產生塑性變形，通過凹模的下通孔或凸模與凹模的環(huán)形間隙將金屬擠出。它是一種在許多行業(yè)廣泛使用的金屬壓力加工工藝方法。 冷擠壓過程的關鍵問題是想法降低材料的變形抗力，提高模具的承載能力。,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.1 冷擠壓的分類 根據金屬被擠出的方向與凸模運動方向的關系，冷擠壓一般可分為正擠壓、反擠壓、復合擠壓三種基本方式。 1正擠壓如圖5-1所示，擠壓時金屬流動方向與凸模流動方向相同，適用于各種形狀的實心件、管件和環(huán)形件的擠壓； 2反擠壓如圖5-2所示，擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向相反，適用于各種截面形狀的杯形件的擠壓；,冷擠壓工藝及模具設計,3復合擠如圖5-3所示，擠壓時，金屬流動方向相對于凸模運動方向，一部分相同，另一部分相反，適用于各種復雜形狀制件的擠壓；改變凹?？卓诨蛲?、凹模之間縫隙的輪廓形狀，就可以擠出形狀和尺寸不同的各種空心件和實心件。,圖5-1 正擠壓圖 5-2 反擠壓圖 5-3 復合擠,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.2 冷擠壓的特點 5.1.2.1 冷擠壓的特點主要包括以下三個方面： (1) 節(jié)約原材料，生產效率高 冷擠壓是少無切削加工工藝，與切削加工相比，節(jié)約原材料，同時，冷擠壓是在壓力機簡單的往復運動中生產零件，生產效率高，比切削加工高30倍。,冷擠壓工藝及模具設計,(2) 提高零件的力學性能 在冷擠壓過程中，金屬處于三向擠壓應力狀態(tài)，變形后材料的組織致密，又有連續(xù)的纖維流向，變形中的加工硬化也使材料的強度和剛度大大提高，從而可用低強度鋼材代替高強度鋼。 (3) 可加工形狀復雜的零件 對復雜零件可以一次加工成型，加工十分方便，大批大量生產時，加工成本低。,冷擠壓工藝及模具設計,(4) 提高零件的精度，降低表面粗糙度 由于金屬表面在高壓、高溫（擠壓過程中產生的熱量）下受到模具光滑表面的熨平，因此，制件表面很光，表面強度也大為提高。冷擠壓零件的精度可達1T81T9級，有色金屬冷擠壓零件的表面粗糙度可達Ra=1.60.4m。有的冷擠壓件無需切削加工。,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.3 冷擠壓毛坯的制備 5.1.3.1 冷擠壓坯料形狀與尺寸 擠壓件的毛坯形狀設計是否合理，將直接影響制件的形狀與尺寸，并且還將影響模具的壽命。冷擠壓用毛坯通常都是棒料或塊料，其截面形狀可根據制件的相應截面形狀確定。一般情況下，確定毛坯形狀的原則是：旋轉體及軸對稱多角類選用圓柱形毛坯；矩形零件可選用矩形毛坯。此外還應考慮采用何種擠壓方法，如圖5-1所示，采用正擠壓法時，用實心毛坯能擠出實心件，用空心坯料能擠出空心件。反擠壓時，毛坯的形狀采用實心和空心均可。,冷擠壓工藝及模具設計,冷擠壓毛坯尺寸是根據制件擠壓前后體積相等的原則進行計算的。如果擠壓后還要進行切削加工，則毛坯的體積V坯還應按制件實際體積V件再加上切削消耗量， 即 V坯=V件+V修。 （5-1） 其中V修為修邊余量或切削加工量（mm3），一般取擠壓件體積的35%。 求得的毛坯體積與毛坯橫截面積后之比即為毛坯的高度h0， 即 。 （5-2）,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.3.2 坯料的制備 冷擠壓坯料制作要求十分細致、嚴格，有一定的平面度，表面粗糙度、精度要求?？刹捎眉羟屑庸?、板料落料加工、切削加工及其它特殊方法加工，毛坯的上、下端面必須平整。 5.1.3.3 毛坯的軟化熱處理 對毛坯進行軟化熱處理的目的是降低材料硬度，提高塑性，得到良好的金相組織，消除內應力，以降低材料的變形抗力，提高模具的壽命和零件質量。,冷擠壓工藝及模具設計,毛坯軟化熱處理規(guī)范可從相關手冊中查到。但是，由于保溫時間同被處理毛坯尺寸、毛坯放置方法及裝爐量等諸多因素有關，因此在實際生產流程中，應根據具體情況確定保溫時間。 在冷擠壓工序之間，還應根據變形程度和冷作硬化程度的大小適當安排工序間軟化熱處理工序。 對于黃銅與硬鋁擠壓件，擠壓后務必進行消除內應力的退火。對于要求高的碳鋼和不銹鋼件，擠壓后也需進行消除應力退火的工序。,冷擠壓工藝及模具設計,黃銅常用加熱到250300。C，保溫兩小別緩慢冷卻至室溫的退火方法消除內應力；不銹鋼1Crl8Ni9Ti的消除內應力退火溫度為750，對于硬鋁擠壓件，常用加熱到110，保溫6小時緩冷至室溫的去應力退火處理，以便消除冷擠壓所產生的殘余應力。,冷擠壓工藝及模具設計,4.1.3.4 毛坯的表面處理與潤滑 潤滑對冷擠壓的影響十分重要。毛坯與凸、凹模和芯抽接觸面上的摩擦，不僅影響金屬的變形和擠壓件的質量而且直接影響擠壓單位壓力的大小、模具的強度和壽命等。所以冷擠壓時的潤滑常?？赡艹蔀槔鋽D壓成敗的關鍵。為盡量減小摩擦的不利因素影響、除模具工作表面粗糙度要求高外、還要采用良好而可靠的潤滑方法。 常用的潤滑劑有液態(tài)的(如動物油、植物油、礦物油等)，也有固態(tài)的（如硬脂酸鋅、硬脂酸鈉、二硫化鑰、石墨等），它們可以單獨使用也可以混合使用。,冷擠壓工藝及模具設計,對于有些材料，為了確保冷擠壓過程中的潤滑層不被過大的單位接觸壓力所破壞，毛坯要經過表面化學處理。例如碳鋼的磷酸鹽處理（磷化）、奧氏體不銹鋼的草酸鹽處理、鋁合金的氧化、磷化或氟硅化處理、黃銅的鈍化處理等。經化學處理后的毛坯表面，覆蓋一層很薄的多孔狀結晶膜，它能隨毛坯一起變形而不剝離脫落，經潤滑處理后在孔內吸附的潤滑劑可以保持擠壓過程中潤滑的連續(xù)性和有效的潤滑效果。,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.4 冷擠壓變形程度 在冷擠壓過程中，變形程度是決定使用設備壓力大小及影響模具壽命的主要因素之一，若要提高生產率，就必須增大每次擠壓的變形程度，以減少擠壓次數(shù)。但變形程度越大，其變形抗力也越大，就會降低模具的壽命，甚至引起凸模折斷或凹模開裂。因此對各種擠壓材料，都應選擇合適的變形程度。,冷擠壓工藝及模具設計,4.1.4.1 變形程度的表示方法 變形程度是表示擠壓時金屬塑性變形量大小的指標，其最常用的表示方法有兩種：截面收縮率和擠壓面積比。 (1) 截面收縮率 （5-3）,式中 冷擠壓的截面收縮率，見表5-1、表5-2； F0冷擠壓變形前毛坯的橫截面積，mm2； F1冷擠壓變形后工件的橫截面積，mm2。,冷擠壓工藝及模具設計,(2) 擠壓面積比 （5-4）,式中 G擠壓面積比； F0冷擠壓變形前毛坯的橫截面積，mm2； F1冷擠壓變形后工件的橫截面積，mm2； 與G之間存在如下關系：,（5-5）,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.4.2 許用變形程度 冷擠壓時，一次擠壓加工所容許的變形程度，稱為許用變形程度。不同材料有不同的許用變形程度。在工藝上，每道冷擠壓工序的變形程度應盡量小于許用值，使模具承受的單位擠壓力不超過模具材料許用應力（目前一般模具材料的許用應力為25003000N/mm2），確定許用變形程度數(shù)值是冷擠壓工藝計算的一個重要依據，因為冷擠壓許用變形程度的大小決定了制件所需的擠壓次數(shù)。若計算出的冷擠壓變形程度超過許用值、則必須用多次擠壓完成，以延長模具壽命，避免損壞模具。,冷擠壓工藝及模具設計,冷擠壓的許用變形程度取決于下列各方面的因素： (1) 可擠壓材料的力學性能 材料越硬，許用變形程度就越小，塑性越好，許用變形程度越大。 (2) 模具強度 選用的模具材料好，且模具制造中冷、熱加工工藝合理，模具結構也較合理，其模具強度就越高，許用變形程度就越大。 (3) 冷擠壓的變形方式 在變形程度相同的條件下，反擠壓的力大于正擠壓的力。反擠壓的許用變形程度比正擠壓小。,冷擠壓工藝及模具設計,(4) 毛坯表面處理與潤滑 毛坯表面處理越好，潤滑越好，許用變形程度也就越大。 (5) 冷擠壓模具的幾何形狀 冷擠壓模具工作部分的幾何形狀對金屬的流動有很大影響。形狀合理時，有利于擠壓時的金屬流動，單位擠壓力降低，許用變形程度可以大些。 在一般生產條件下，模具強度、潤滑條件及模具的幾何形狀都是盡量做到最理想的狀態(tài)，因此許用變形程度主要取決于被擠壓材料和變形方式兩個因素。,冷擠壓工藝及模具設計,表5-1 碳素鋼及低合金鋼的許用變形程度,表5-2 有色金屬冷擠壓的許用變形程度,冷擠壓工藝及模具設計,5.2 冷擠壓模具設計 5.2.1 冷擠壓模的特點 由于冷擠壓時，單位擠壓力較大，因此冷擠壓模具的強度、剛度及耐用度等方面其要求都比一般沖模高，它與一般普通沖模相比，主要有以下特點： 1模具的工作部分與上、下底板之間一般都設有足夠的支承面與足夠厚度的淬硬墊板，以承受很大的壓力，減少上、下底板上的單位壓力。,冷擠壓工藝及模具設計,2模具的工作部分都采用光滑的圓角過渡，以預防由于應力集中而導致其本身的損壞。 3冷擠壓模的上、下模板，應有足夠的厚度及剛性。一般采用45鋼或鑄鋼。 4模具工作部分材料及熱處理要求，應比一般普通沖模要求高。,冷擠壓工藝及模具設計,5.2.2 冷擠壓模設計要求 1模具應具有足夠的剛度和強度，并且能在冷熱交變應力的情況下，模具應保證正常工作，模具結構要合理，如采用組合式模具。 2選用合適的模具材料，工作部分必須要有相當?shù)捻g性和耐磨性，幾何形狀及參數(shù)要合理、準確。有利于毛坯塑性變形、降低單位擠壓力。盡量采用光滑圓角過渡，防止應力集中。,冷擠壓工藝及模具設計,3模具的易損部位，應考慮通用性和互換性。并便于更換、修理。 4對于精度要求較高的擠壓件，模具設計要有良好的穩(wěn)定導向裝置。 5坯料取放應方便，毛坯易放入模腔。 6模具應安全可靠，制造工藝簡便，成本低，使用壽命長。 為滿足以上各項要求，必須慎重考慮模具結構的設計、材料的選擇、制造工藝及其熱處理等問題。,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.3 冷擠設備的選用與壓力計算 5.1.3.1 對冷擠壓設備的基本要求： (1)剛性好，活塞導向精度高； (2)活塞空行程和回程速度較快； (3)活塞工作行程速度較低，不能有“脈沖”現(xiàn)象； (4)有安全防護裝置，防止沖頭斷裂或坯料崩裂濺出傷人； (5)便于觀察擠壓情況和控制擠壓深度。,冷擠壓工藝及模具設計,5.1.3.2 冷擠壓力的計算,式中 擠壓應力，kN； 安全系數(shù)，取1.2； 型腔在擠壓方向上的投影面積，mm2； 單位擠壓力,。見表5-3。,(5-1),冷擠壓工藝及模具設計,表5-3 材料單位擠壓應力q的值,表5-4 冷擠壓專用液壓機主要技術規(guī)格,冷擠壓工藝及模具設計,5.2.4 冷擠模凸、凹模工作部分設計 凸模與凹模是冷擠壓模的主要工作零件，其工作部分的形狀和尺寸設計得合理，會使金屬流動阻力減少，擠壓力降低和延長模具的使用壽命。 5.2.4.1 凸模的設計 (1）反擠壓凸模 一般采用的反擠壓凸模工作部分形狀如圖5-4所示。,冷擠壓工藝及模具設計,圖5-4 反擠壓凸模工作部分形狀,冷擠壓工藝及模具設計,圖5-4(a)、(b)、(c)是應用于黑色金屬的幾種反擠壓凸模，其中(a)、(b)應用較普遍，效果好。(c)在實際中也有使用的，但這種凸模的單位擠壓力要比圖中(a)型凸模約大20%。 圖5-4(d)、(e)、(f)是適用于有色金屬的反擠壓凸模，(e)對擠壓薄壁零件有利。 圖5-4(g)適用于軟金屬，這種凸模叫活門凸模。其作用是在擠壓壁很薄的零件時，防止在卸料時形成真空吸附而產生損壞。而(h)、(i)型凸模是在零件底部有一定形狀要求時采用。,冷擠壓工藝及模具設計,凸模的有效長度要合適，太長易產生縱向彎曲失穩(wěn)。凸模的有效長度L與直徑d之比（L/d），一般可參考下列數(shù)據： 反擠壓純鋁時： L/d710 反擠壓紫銅時： L/d56 反擠壓黃銅時： L/d45 反擠壓低碳鋼時： L/d2.53,冷擠壓工藝及模具設計,當單位壓力較大時，應選用較小的L/d值；單位擠壓力不大時，可選用大的L/d值。 對于純鋁、紫銅反擠壓用的細長凸模，為了增加其穩(wěn)定性，可以在凸模端面作工藝槽。工藝槽必須對稱、同軸心，否則反而起不良作用。工藝槽寬一般取0.30.8mm，深0.30.6mm。尖角處應用圓弧連接工藝槽的形狀如圖5-5所示。 反擠壓凸模工作部分尺寸可參考表5-5選取。,冷擠壓工藝及模具設計,表5-5 凸模工作部分尺寸參數(shù),冷擠壓工藝及模具設計,反擠壓凸模結構形狀，見圖5-6。凸模結構是影響凸模壽命的主要因素之一，凸模結構上截面變化處的應力集中，是引起凸模碎斷的根本原因，而減少或消除應力集中，則是模具結構設計的重要任務。 在凸模截面變化大的臺階處采用錐面過渡，大圓弧光滑連接，比起用臺階圓弧過渡的應用要小，其結構形式見圖5-6(a)、(b)。對受力情況惡劣的反擠壓凸模，作成圖5-6(c)、(d)之形狀，從減少或消除應力這點出發(fā)更為合理。,冷擠壓工藝及模具設計,圖5-5 工藝槽的各種形狀,冷擠壓工藝及模具設計,圖5-6 反擠壓凸模型式,冷擠壓工藝及模具設計,d=擠壓件內孔直徑；d1=d-(0.10.2)mm；d2d；d3 1.3d；R2=（0.20.4）d；r=1520； L1=擠壓件內孔高度+（35）mm；L2=卸料板高度+（1015）mm；L3d3 (2)正擠壓凸模 圖5-7是正擠壓凸模的各種型式。實心件正擠壓凸模比較簡單，可按圖5-7(a)、(b)的型式設計。(b)型端部的錐度有防止凸?？v向開裂的作用。,冷擠壓工藝及模具設計,對正擠壓空心件的凸模設計要特別注意。純鋁空心件正擠壓，可使用圖5-7(c)的整體式凸模。對于擠壓較硬的金屬材料，特別是黑色金屬的擠壓，應采用圖5-7(d)、(e)的組合式凸模。(e)型組合式凸模與芯軸之間采用IT7級H7/k6過渡配合，芯軸與凸模本體之間沒有相對滑動，在擠壓過程中，芯軸受摩擦而產生很大的拉應力，因而僅適用于芯軸直徑較大、或擠壓材料不太硬、或摩擦系數(shù)較小的條件。(d)型組合凸模、凸?？着c芯軸之間用IT7級間隙配合H7/h6。擠壓過程中由于摩擦力的作用，芯軸可隨變形金屬同時向下滑動，從而大大減弱了芯軸的受拉情況，避免芯軸拉斷。,冷擠壓工藝及模具設計,圖5-7 正擠壓凸模型式,冷擠壓工藝及模具設計,(3)擠壓凸模的材料選擇，見表5-6。,表5-6 擠壓凸模的材料選擇,冷擠壓工藝及模具設計,5.2.4.2 凹模的設計 (1)反擠壓凹模 反擠壓凹模有圖5-8所示的幾種結構型式。整體式凹模見圖5-8(d)，其特點是結構簡單，但因對模具強度和頂件不利，使用極少。常用的幾種見圖5-8(a)、(b)、(c)及(f)。凹模型腔參數(shù)見表5-7。 由于組合凹模預應力圈的預緊力在凹模的端面較小，而在中央部分較大。所以對于在端面進行鐓擠的凹模（圖5-8f）應使成形部分表面低于凹模端面，以提高模具壽命。,冷擠壓工藝及模具設計,圖5-8 反擠壓凹模,冷擠壓工藝及模具設計,表5-7 反擠壓凹模型腔參數(shù),冷擠壓工藝及模具設計,(2)正擠壓凹模 正擠壓凹模有圖5-9所示的幾種結構型式。凹模一般采用預應力的結構。圖5-9(a)是整體式凹模，這種凹模在使用中，直筒部分與錐角相交處產生應力集中容易開裂，所以常采用圖5-9中的(b)、(c)及(d)等剖分式結構。 正擠壓凹模型腔參數(shù)見表5-8。,圖5-9 正擠壓凹模,冷擠壓工藝及模具設計,表5-8 正擠壓凹模型腔參數(shù),冷擠壓工藝及模具設計,5.2.4.3 凸、凹模工作部分尺寸計算 凸、凹模工作部分尺寸計算可按拉深模的有關原則來考慮，計算公式見表5-9。,冷擠壓工藝及模具設計,注： D（或d）擠壓件基本尺寸，mm； 凹模尺寸，mm； 凸模尺寸，mm； 擠壓件公差，mm； t擠壓件壁部厚度，mm； 凹模制造公差，mm； 凸模制造公差，mm。,冷擠壓工藝及模具設計,5.2.4.4 組合凹模 組合凹模設計 為了解決凹模的橫向裂紋，生產中采用橫向或縱向剖分的凹模結構，為了提高凹模強度，防止縱向裂紋產生，生產中普遍使用預應力組合凹模。 (1)組合凹模型式的確定 根據凹模內壁、側向壓力( )的數(shù)值確定組合凹模型式見表5-10。,冷擠壓工藝及模具設計,表5-10 組合凹模的型式,冷擠壓工藝及模具設計,(2) 二層組合凹模設計（圖5-10）,圖5-10 二層組合凹模壓合,冷擠壓工藝及模具設計,凹模內徑（按擠壓件最大外徑），mm； ，mm； =130（錐度可以向上，亦可以向下）； d2處軸向壓合量，mm； d2處徑向過盈量，mm。 式中 、 、 按表5-11。,冷擠壓工藝及模具設計,表5-11 二層組合凹模設計參數(shù),冷擠壓工藝及模具設計,5.3 冷擠壓模的典型結構 5.3.1 正擠壓模 這是一副微型電機轉子正擠壓模。凹模采用鑲拼結構，并采用一層預應力套，為了保證工件4mm部分在擠出過程中不致彎曲，凹模下部裝有導向套8。頂件采用橡皮頂件裝置，擠壓時由壓桿10通過推桿31將橡皮壓縮使頂桿4不影響金屬流動。上模裝有行程限止塊9，以控制模具閉合高度，保證95mm的工件尺寸。,冷擠壓工藝及模具設計,圖5-11 正擠壓模,冷擠壓工藝及模具設計,1下模座；2、15、16、19螺釘；3墊板；4頂板；5導柱；6導套；7上模座；8導向套；9行程限制塊；10壓桿；11凸模；12墊板；13模柄；14、17、20、26銷釘；18凸模固定板；21導套；22導柱；23預應力套；24凹模；25凹模鑲塊；27彈頂板；28橡皮；29螺母；30雙頭螺桿；31推桿；32下墊板,冷擠壓工藝及模具設計,5.4.2 反擠壓模 圖5-12可調式反擠壓模