冷挤压模具设计

第六章冷挤压模具设计本章通过一些典型的冷挤压模具结构，介绍冷挤压模具的特点、其工作零件及其它主要零部件的设计要点及步骤等。第一节冷挤压模具的结构及分类一、概述冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形，其单位挤压力相当大，同时由于金属材料的激烈流动所产生的热效应可使模具工作部分温度高达200℃以上，加上剧烈的磨损和反复作用的载荷，模具的工作条件相当恶劣。因此冷挤压模具应具有以下特点：(1)模具应有足够的强度和刚度，要在冷热交变应力下正常工作；(2)模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性，并有一定的韧性；(3)凸、凹模几何形状应合理，过渡处尽量用较大的光滑圆弧过渡，避免应力集中；(4)模具易损部分更换方便，对不同的挤压零件要有互换性和通用性；(5)为提高模具工作部分强度，凹模一般采用预应力组合凹模，凸模有时也采用组合凸模；(6)模具工作部分零件与上下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板，以扩大承压面积，减小上下模板的单位压力，防止压坏上下模板；(7)上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度。典型的冷挤压模具由以下几部分组成：1．工作部分如凸模、凹模、顶出杆等；２．传力部分如上、下压力垫板；３．顶出部分如顶杆、反拉杆、顶板等；４．卸料部分如卸料板、卸料环、拉杆、弹簧等；５．导向部分如导柱，导套、导板、导筒等；６．紧固部分如上、下模板、凸模固定圈、固定板、压板、模柄、螺钉等。二、冷挤压模具分类冷挤压模具有多种结构形式，可根据冷挤压件的形状、尺寸精度及材料来选择合适的模具结构形式。冷挤压模具可以按以下几个方面来分类。（一）按工艺性质分类模具按工艺性质可分为：正挤压模、反挤压模、复合挤压模、镦挤压模等。1．正挤压模图6-1所示为实心件正挤压模。该模具更换相应的工作部分零件，可进行其它零件的正挤，也可用于反挤压、复合挤压和镦挤。顶出系统由零件1、2、3、4组成可调式拉杆，其中件3为调节螺母。旋转螺母可以调节拉杆长度，以适合不同零件挤压后的顶出。凸模6由活动护套加以保护，以增加凸模的强度和稳定性。此外，当该模具用于反挤压或复合挤压时，更换合适的护套还可以利用上模部分的打料系统进行卸料。图6-1实心件正挤压模图6-2所示是用于黑色金属空心零件正挤压的模具图。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，在凸模中以便上下滑动。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。2．反挤压模图6-3所示是一种典型的具有导向装置的反挤压模。该模具是在小型（无顶出装置）压力机上使用的杯形件反挤压模。凸模7靠压环10、定位圈6和大锣母11紧固与定位，可以实现快换。凹模采用组合凹模形式。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17承受，顶件力由反拉杆式联动顶出装置（由件3、20、21、22、23、24组成）提供，该顶出装置在模座下方带有活动板22，当挤压件顶出一段距离后，通过带斜面的斜块24将22撑开，使顶杆23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22靠其外圈的拉簧21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环12卸料。该模具具有一定的通用性，只要将凸模、凹模、顶出杆、垫块18、19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。３．复合挤压模图6-4为活塞销的复合挤压的模具图。其工作部分由上凸模5、下凸模3及凹模4构成。由于上凸模回程时挤压件将留在凹模内，因此必须在下下模部分设置顶件装置（由顶杆1和顶件套2构成）。由图可看出该复合挤压模具工作部分的一个显著的特点，即在上凸模外壁上套有控制挤压件长度方向尺寸的限流套6。因为上凸模向下挤压毛坯时，金属向上流动的阻力较小，如果没有限流套的控制将使活塞销的上孔深于下孔，加限流套6后，可迫使金属向下流动，保证上、下孔深度尺寸一致。４．镦挤模图6-5所示为镦挤模。凸模2与外套1组成组合式凸模，以提高凸模的使用寿命。组合式凸模靠螺母4紧固在定位圈3上，以保证凸模定位准确，装卸方便。挤压结束，靠压力机顶出装置推动顶件6将挤压件顶出凹模5。（二）按有无导向装置分模具按有无导向装置可分为：导柱导套冷挤压模、模口导向冷挤压模、导筒导向冷挤压模及无导向冷挤压模。1．导柱导套导向冷挤压模该类模具如图6-1～图6-５所示，它是冷挤压模具中最常见的一种模具结构。中小型冷挤压模具一般采用两导柱导套形式，大型的冷挤压模具采用四导柱导套形式，精密冷挤压模具还采用滚珠式导柱导套。采用这类结构的模具可以保证上下模具有较好的对中性，冷挤压件同心度好，但是模具制造较复杂。2．模口导向冷挤压模图6-6为模口导向冷挤压模。凸模4靠凸模固定圈通过螺母固定在上模部分。凹模为硬质合金，凹模外层有预应力圈。挤压件卡在凹模内，可通过顶杆7将工件顶出。如挤压件紧包在凸模上，则通过卸料板将工件卸下。由于凸模导向部分尺寸与挤压件外径相同，因此必须在凸模上铣出三条卸料槽来作为卸料用。起到模口导向作用的导向套3与凸模的间隙一般在0.02mm以内，这样能保证挤压件的壁厚误差很小。这种导向方法简便、实用，导向效果比导柱导套式导向还要好。不过这种导向方式一般用于挤压较浅反挤压件的模具，同时对压力机导轨的导向精度要求较高。图中模口导向部分采用与凹模分体形式，也有整体式的，即凹模型腔上部分即为导向部分。3．导筒导向冷挤压模图6-7为摩托车主轴双端花键复合挤压模具简图，它是一副导筒导向挤压模。模具由上模固定套10与下模固定套11进行导向，主轴两端花键分别在上齿形凹模5和下齿形凹模3内挤压成形。这种采用上下同时挤压成形满足了双端齿形的形位精度要求。它实质是双向减径挤压，毛坯不能产生镦粗，因此对变形程度、模具工作段的形状、润滑条件以及毛坯材料的状态要求都很高。另外由于挤出段长度较长，很容易产生弯曲，在齿形凹模非工作段及垫块上设置校形工作带，可以克服这一问题。第二节模具工作部分设计冷挤压工作部分零件是指凸模、凹模、顶杆等在挤压时直接参与挤压过程的一些零件。一、正挤压模具工作部分零件设计(一)正挤压凸模正挤压凸模的作用主要是传递挤压力，其设计较为简单，因为实际上只要凸模上所受的单位挤压力不超过2500MPa即可。在凸模和凹模之间应具有合适的间隙，这是因为：（１）要避免在挤压后零件上形成毛刺，这就要求较小的间隙，这一点在挤比较软的有色金属材料时特别重要；（２）必须保证挤压时，由于凸模弹性变形而产生的直径增大，凸、凹模之间仍要有一定的间隙。１.正挤压凸模的形式正挤压凸模基本上有五种形式，如图6-8所示。图a用于正挤压实心件，其下端面是平的，形状比较简单，制造方便。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c的芯棒与凸模内孔之间为过渡配合，这种结构可以大大减少芯棒与凸模结合处的应力集中，不过在挤压中如金属向下流动剧烈时，摩擦力过大也可能导致芯棒拉断。这种凸模适应于芯棒直径较大，或挤压材料不太硬，或摩擦系数较小的材料挤压。图d的芯棒与凸模内孔采用间隙配合，在挤压中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，其在芯棒上部放一弹簧，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金属挤压。为了进一步防止芯棒拉断及卸料方便，芯棒一般做出10´~30´的斜度。２.正挤压凸模尺寸参数设计以图6-８e的凸模为例，凸模各部分尺寸参数见表6-1。（二）正挤压凹模正挤压凹模根据单位挤压力大小可选择单层整体凹模或组合凹模。有时单位挤压力小时也可采组合凹模，以降低模具制造成本。１.凹模型腔尺寸确定图6-９为正挤压凹模形状尺寸。其外圆形状做成一定斜度的锥形，以便装上预应力圈。凹模型腔深度h3根据毛坯长度和挤压前凸模需进入凹模导向深度（一般10mm）来决定。凹模的入模锥度一般采用60～126°较合理（对于较软的材料，也可采用180°）。凹模入模锥度大，挤压力增加，如超过126°，金属挤压时易成“死区”，不利于金属的流动。塑性差的金属挤压后，“死区”的材料会脱落。锥角小于60°时，金属挤压时摩擦阻力增加，使挤压力也增加，同时顶件力也增加。凹模收口部分应采用适当的圆角半径过渡。表6-1正挤压凸模（图6-9e）尺寸参数设计计算表名称尺寸参数芯棒直径d2按空心件孔径最大尺寸设计芯棒长度l空心毛坯高度+凹模工作带高度凸模工作部分高度h挤压工作行程+卸料板厚+10mm凸模工作部分直径d凹模型腔-0.02mm定位部分直径d3(1.2~1.4)d支承部分直径d4(1.8~2.0)d支承部分高度h1(0.3~0.5)d圆角半径R1(0.5~1.0)d圆角半径的大小对模具的使用寿命影响很大。一般圆角半径越大，凹模的使用寿命越长，当然圆角半径的值受到挤压零件形状的限制。凹模型腔的工作带长度h1应适当选择：纯铝：h1=1~2mm；硬铝、紫铜、黄铜：h1=1~3mm；低碳钢:h1=2~4mm。在工作带以下的孔径D2应使挤出的零件不再与凹模接触，以免增加摩擦力，需扩大为D2=D1+（0.2~0.4）mm。由D1到D2也应光滑过渡。底厚h2应以强度要求进行选择，一般可取h2=(1.1~1.2)D。２.凹模结构形式正挤压组合凹模的结构形式有六种，如图6-10所示。图a的内层凹模为整体式，结构简单，制造安装方便，但在单位挤压力较大情况下，型腔转角处由于应力集中较大，易产生横向开裂。图b~图f的内层凹模为分割式结构，其中图b、图c为纵向分割式，最内层凹模镶圈与凹模之间采用0.02mm的过盈配合，当凹模与外面两层预应力圈压合后实际过盈将进一步增大，因此凹模镶圈的尖角处不会崩裂，在挤压中也不会产生钻料现象。图c的凹模内孔末端10mm处加工出5°斜度，便于将凹模镶圈压入凹模内孔中。图d是将内层凹模做成横向分割式，但这种形式由于内层凹模轴向压紧力不够大，在单位挤压力较大情况下，被挤金属容易钻料。图e、图f是将内层凹模和预应力圈均做成横向分割式，虽然结构复杂些，但由于轴向压紧力大，可以有效地防止被挤金属钻料。横向分割凹模的贴合面宽度一般为1~3mm为宜，贴合面以外应将其中一块加工成1°的斜角，或加工成0.2mm深的不接触面。贴合面一定要平整，并进行研磨抛光，这样可以防止被挤金属钻料。横向分割面一般取在凹模内壁圆角半径上切点以上1mm处为佳，如图f所示。图e、图f所示的横向分割凹模还应加压套，在模具上把上下两部分紧压在一起。二、反挤压模具工作部分零件设计（一）反挤压凸模反挤压凸模一般由夹紧和成形两部分组成，如图6-11a所示，当反挤压凸模在挤压时靠模口导向时，则还需增加导向部分，如图6-11b所示。１.反挤压凸模形式合理的反挤压凸模成形部分形状和尺寸，可以有利于金属的流动，降低单位挤压力，从而提高模具的使用寿命。按反挤压凸模成形部分的形状不同有三种常用形式，见图6-12。图a和图b两种凸模使用效果较好，可降低单位挤压力。尤其是图b中的尖顶锥形凸模，斜角越大则单位挤压力越小，生产中一般斜角为5~9°。但是斜角越大，当毛坯表面不平时，挤压时凸模要歪斜，造成零件壁厚不均匀。图c中平底凸模用于挤压件