《冷冲压工艺与模具设计》第6章冷挤压工艺与模具设计

第6章冷挤压工艺与模具设计简介（时间：2次课，4学时）第6章冷挤压工艺与模具设计简介教学目标：冷挤压是压力加工的范畴，其加工毛坯与冲裁、弯曲、拉深及各种成形工艺的板料毛坯有很大区别，其加工工艺及模具设计可以作为冲压加工的一个独立分支，但其加工过程、工艺、模具、加工设备、应力应变状态等与常规冲压加工有很多相似之处。第6章冷挤压工艺与模具设计简介教学重点和难点：本章主要学习冷挤压加工的工艺特点、冷挤压的方式、冷挤压模具的设计要求和冷挤压模具的基本结构；了解冷挤压时的金属流动特点和冷挤压毛坯的预处理方法；了解冷挤压的基本工艺计算方法。第6章冷挤压工艺与模具设计简介案例导入：下列各图所示零件的工作负荷很大，要求有极高的强度和韧性，用切削工艺加工会将材料中的纤维组织切断，对材料的强度和韧性有一定的影响，而且材料利用率较低，改用冷冲压工艺加工，可以直接制造出高精度的零件或切削量很小的零件毛坯，在材料的内部还能形成更高强度的纤维组织，大大提高材料的综合性能，而且能够最大限度地节约原材料和能源。冷冲压加工是一种少切削或无切削而使金属成形的塑性加工工艺。第6章冷挤压工艺与模具设计简介冷挤压汽车零件第6章冷挤压工艺与模具设计简介冷挤压花键第6章冷挤压工艺与模具设计简介冷挤压高强度螺母第6章冷挤压工艺与模具设计简介冷挤压高强度螺栓第6章冷挤压工艺与模具设计简介6.1冷挤压的主要特点6.2冷挤压工艺的分类6.3冷挤压的变形分析6.4冷挤压材料6.5冷挤压件的结构工艺性6.6冷挤压力6.7冷挤压模具冷挤压的主要特点冷挤压是指坯料在冷态(变形温度低于再结晶温度，通常是指常温)下，通过强大的压力使放入模具型腔内的金属毛坯发生塑性变形，充满型腔或从模具型腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及一定力学性能的制品的塑性成形方法。冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分，是一种高精度、高效率、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。与热锻、温锻工艺相比，可以节材30%~50%，节能40%~80%，而且能够提高锻件质量，改善作业环境。(1)在冷态下挤压成形，挤压件质量好，精度高，表面粗糙度值小，一般尺寸精度可以达到IT8~IT9，表面粗糙度可达Ra3.2~0.4μm；冷挤压后材料产生冷作硬化，零件内部的纤维组织连续，基本沿零件外形分布而不被切断，零件的强度远高于原材料的强度；合理的冷挤压工艺还可使零件表面形成压应力，从而提高疲劳强度；但冷挤压零件的塑性、冲击韧性变差，而且零件的残余应力大，容易引起零件变形和耐腐蚀性的降低(产生应力腐蚀)。(2)冷挤压工件切削量少甚至不用切削，属少切削或无切削加工，材料利用率及生产效率都较高，用冷挤压工艺代替切削加工制造零件，能使生产效率提高几倍、几十倍甚至上百倍，生产过程容易实现机械化和自动化；但冷挤压的模具成本高，一般只适用于大批量生产的零件。(3)冷挤压加工的变形抗力很大，挤压钢铁材料时单位挤压力可能高达2000MPa以上，接近甚至超过模具材料的抗压强度，因此模具材料需要具有极高的强度、足够的冲击韧性和耐磨性；金属毛坯在模具中强烈的塑性变形，会使模具温度升高至250~300℃，因此模具材料需要一定的回火稳定性；冷挤压加工的变形抗力大，不宜用于高强度材料加工。(4)冷挤压时材料在冷态下发生塑性变形，应选用组织致密和杂质少的材料，避免加工过程过多的中间退火；冷挤压件一般都不进行精加工，所以必须选用精度高的坯料；在冷挤压加工前，毛坯常进行软化退火和表面磷化等润滑处理。(5)冷挤压的适用范围广，既可挤压塑性良好的铜、铝等材料，又可挤压采用锻造等方法较难加工的一些金属(因金属处于强烈的三向压应力状态，能充分提高金属坯料的塑性)；既可以生产截面形状简单的管、棒等型材，又可生产截面极其复杂的或具有深孔、薄壁以及变截面的零件。冷挤压工艺的分类根据被挤金属的流动方向与加压方向的关系可将冷挤压分为以下几种。(1)正挤压：被挤金属的流动方向与加压方向相同，如图6-1所示。(2)反挤压：被挤金属的流动方向与加压方向相反，如图6-2所示。(3)复合挤压：一部分被挤金属的流动方向与加压方向相同，一部分与加压方向相反，如图6-3(a)所示。(4)径向挤压：被挤金属的流动方向与加压方向相垂直，金属在模具中作径向流动，如图6-3(b)所示。(5)减径挤压：也称“开式挤压”或“无约束正挤压”，是一种变形程度较小的正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩减，这种挤压主要用于制造直径差不大的阶梯轴类挤压件以及作为深孔薄壁杯形件的修整工序，如图6-4所示。冷挤压工艺的分类图6-1正挤压冷挤压工艺的分类图6-2反挤压冷挤压工艺的分类(a)(b)图6-3复合挤压与径向挤压冷挤压工艺的分类图6-4减径挤压冷挤压的变形分析6.3.1冷挤压的应力与应变状态6.3.2冷挤压的变形程度冷挤压的变形分析冷挤压的应力与应变状态1.正挤压正挤压时坯料大致分为4个区：待变形区1、变形区2、死区3、已变形区4。因为变形区始终处于凹模孔口附近，只要压余的厚度不小于变形区的高度，变形区的大小、位置都不变，所以正挤压变形属于稳定变形。挤压时变形区的应力状态是三向受压，其应变状态是两向收缩、一向伸长，如图6-5所示。正挤压又分为实心件正挤压和空心件正挤压两种。正挤压法可以制造各种形状的实心件和空心件，如螺钉、芯轴、管子和弹壳等。冷挤压的应力与应变状态图6-5正挤压变形的分区及变形区应力与应变状态图冷挤压的应力与应变状态正挤压实心件的金属流动网格图如图6-6所示。在理想状态下，挤出的材料的变形情况如图6-6(b)所示，属于均匀无剪切的理想变形。但在实际上由于受工件形状、外部摩擦、变形程度等因素的影响，坯料的边缘接近凹模孔口时才发生变形，如图6-6(c)所示。变形主要集中在模具孔口附近，处于凹模下底面转角处的小部分金属很难变形或停留不动，被称之为死区。死区的大小与摩擦、凹模锥角、变形程度有关。在实际生产中，润滑条件达不到理想的情况，因而，毛坯与金属表面之间的摩擦会使变形不均匀的程度加剧，如图6-6(d)所示。其表现是网格歪扭得更严重，死区也相应比较大。冷挤压的应力与应变状态冷挤压的应力与应变状态2.反挤压如图6-7(a)所示为高度大于直径的毛坯反挤压。在稳定变形中，Ⅰ区为不参与变形的粘滞区(死区)，Ⅱ区为强烈变形区，Ⅲ区为已变形区，该区材料不再继续变形，仅以刚性平移的形式向上移动，如图6-7(b)所示。当底部厚度减小到一定值时，底部的全部材料都向外侧流动，产生如图6-7(c)所示的非稳定变形状态。反挤压法可以制造各种断面形状的杯形件，如仪表罩壳、万向节、轴承套等。冷挤压的应力与应变状态冷挤压的应力与应变状态3.复合挤压复合挤压是正挤压和反挤压的组合。复合挤压存在向不同出口挤出的流动的分界面(分流面)。分流面位置影响两端金属的相对挤出量，但由于受到零件形状及变形条件(如模具结构、摩擦与润滑等)的影响，分流面较难确定具体位置。图6-8为复合挤压的变形网格示意图，此法可以制造双杯类零件、杯杆类零件和杆类零件。冷挤压的应力与应变状态冷挤压的变形程度冷挤压的变形程度2.冷挤压的极限变形程度极限变形程度是指冷挤压时，在模具强度允许的条件下一次挤压所能达到的最大变形程度。图6-9为正挤压时毛坯材料硬度与极限变形程度的关系。曲线由实验测得，其试验条件是：毛坯的相对高度h0/d0=1，毛坯经退火软化、表面磷皂化处理。各种常见金属材料一次挤压的极限变形程度值见表6-1。其他材料及其他挤压方法的极限变形程度请查阅有关资料。冷挤压的变形程度3.影响冷挤压极限变形程度的因素影响冷挤压极限变形程度的因素首先是模具的强度和使用寿命。冷挤压时坯料在三向压应力状态下产生塑性变形，这种状态下的金属塑性极好，如果不是受模具强度的限制，塑性变形可以达到很大的变形程度。如挤压低强度的有色金属，其变形程度可以高达99%。但坯料的变形程度很大时，所需的挤压力也很大，模具也要承受强大的挤压力。如果模具所受的挤压力超过其许可范围，则模具也会过早磨损甚至破坏。所以，冷挤压的极限变形程度实际上受到模具的强度和使用寿命的限制。可以说，冷挤压的极限变形程度实际上是指在模具强度允许和保持模具有一定使用寿命的条件下坯料一次挤压所能达到的最大变形程度。其次是挤压金属材料的性质。被挤压金属的强度、硬度越大，单位挤压力越大，极限变形程度就越小；被挤压金属的硬化指数越大，极限变形程度也越小。第三是挤压方式。正挤压的单位挤压力小于反挤压，因此正挤压的极限变形程度大于反挤压。第四是模具的几何形状。合理的模具几何形状(如正挤压时合理的凹模中心角、反挤压时合理的凸模端部锥角等)，可以降低单位挤压力，从而提高极限变形程度。除此之外，坯料的表面处理与润滑状态等对极限变形程度有影响，良好的表面特性与润滑条件也能提高极限变形程度。冷挤压的变形程度图6-9黑色金属正挤压的极限变形程度冷挤压的变形程度冷挤压材料6.4.1常用冷挤压材料6.4.2冷挤压工艺对毛坯的质量要求6.4.3冷挤压毛坯的准备冷挤压材料常用冷挤压材料冷挤压时，金属材料塑性越好，