第七章冷挤压工艺与模具设计

第七章冷挤压工艺与模具设计7.1典型案例7.2概述7.3冷挤压工艺性分析7.4冷挤压工艺参数计算7.5冷挤压模具结构设计7.1典型案例大功率电容器外壳工件名称：大功率电容器外壳生产批量：大批量材料：纯铝1050A（L3）壁厚：4mm+0.0520±0.057.2概述7.2.1概念冷挤压是将冷挤压模具装在压力机上，利用压力机简单的往复运动，是使金属在模腔内产生塑性变形，从而获得所需要的尺寸、形状及一定性能的机械零件。7.2.2冷挤压方法（1）正挤压正挤压空心件a）挤压示意图b）毛坯与挤压零件正挤压实心件a）挤压示意图b）毛坯与挤压零件（2）反挤压（3）复合挤压反挤压a）挤压示意图b）毛坯与挤压零件复合挤压a）挤压示意图b）毛坯与挤压零件（4）径向挤压a）b）冷模锻零件a）毛坯b）零件a）b）径向挤压a）毛坯b）零件（5）实例挤压方式的选择工件的冷挤压成形工艺方案有以下三种：①采用圆柱毛坯，径向挤压成形凸缘部分；反挤压成形筒部。②采用圆柱毛坯，预成形杯形；正挤压达到工件要求。③采用圆柱毛坯，复合挤压一次成形。（采用）7.2.3采用冷挤压必须解决的主要问题1)冷挤压加工的材料2)冷挤压工艺方案3)毛坯软化热处理方案4)毛坯表面处理方法及润滑剂5)模具结构，模具工作寿命、生产率和安全6)冷挤压模具材料及热处理方法7)机器与设备7.3冷挤压工艺性分析7.3.1冷挤压变形特征（1）正挤压时的金属流动d0l0lnl3l2l1BBII332211BAαγ2γ1γ2γ1试件毛坯试件挤压后的网格（2）反挤压时的金属流动ECBDA反挤压杯形金属的流动情况（3）影响金属流动的主要因素1）摩擦力的影响2）模具形状的影响3）变形程度的影响4）其它因素的影响a）b）c）d）凹模中心锥角对金属流动的影响a）-60°b）-90°c）-120°d）-180°7.3.2冷挤压工艺性要求（1）冷挤压件的尺寸设计原则1）金属流动剧烈处的过渡圆角半径R应尽可能增大，与挤压力方向垂直的受力面应增大斜度α。2）为防止变形抗力急剧增大及延长模具寿命，应控制凹模与凸模间的金属在成形终了时的最小厚度s和b。3）挤压件的最终尺寸d和D不能太小或相差太大，应在允许的变形程度范围内。（2）挤压件的精度和表面粗糙度精度见表7-2~表7-4表面粗糙度：有色金属为Ra0.4mm；黑色金属为Ra0.8mm。（3）实例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，孔2×Φ3.5应采用成形后用钻销方法再加工成形。Φ31阶梯孔不利于挤压成形，应在成形后用镗销方法加工成形。因此，将该零件转换成可挤压成形的形状，如图所示。+0.0520±0.05挤压成形形状7.4冷挤压工艺参数计算7.4.1毛坯尺寸的确定（1）毛坯直径采用实心圆柱毛坯，其直径为工件筒部外径，则D=工件外径=Φ36（2）毛坯体积毛坯尺寸计算的原则为等体积法计算。即：毛坯体积=工件体积①工件筒部体积22215.81944)15301536(mmV②筒部凸缘部分体积③毛坯高度尺寸HVVHD124)(8.635443044818032.612018068.2889.21)9.2112(2132222mmVoooommVH3.14414.3368.63544.81954DV2221mm9.2168.281268.282512arcsino1o1＝tgAOOAOoo1o凸缘部分毛坯尺寸计算图7.4.2冷挤压变形程度的计算常用断面缩减率εS来表示，也可用挤压比R或对数挤压比φ来表示，计算方法见表7-4。实例采用端面缩减率εS计算挤压变形程度。径向挤压部分的变形程度εS反挤压部分的变形程度ε´Sε´S[εS]，故可一次挤压成形。%1.56%1004365.2295436%10022010SSSS%4.69%100436)430436(436%1002222010SSSS7.4.3冷挤压力的计算实际工作中以查图表确定为主。（1）有色金属单位挤压力p的确定有色金属单位挤压力（2）黑色金属挤压力F的确定黑色金属反挤压力图算表总挤压力F的计算有色金属挤压力F＝单位挤压力p×凸模工作部分横截面积S例题中引用工件的挤压力F=p×S=300×2295.2=688560（N）关于S的计算参见毛坯尺寸确定部分，可知S＝2295.2考虑一定的安全系数可选用1000kN压力机。7.5冷挤压模具结构设计7.5.1冷挤压必须解决的主要问题对冷挤压模具结构的要求1）模具要有足够的强度和刚度，垫板有足够的厚度和硬度，上、下模座都由碳钢制作；2）模具工作部分的形状和尺寸合理，有利于金属的塑性变形，从而降低挤压力；3）模具的材料选择、加工方案和热处理规范的确定都应合理；4）模具的安装牢固可靠，易损件的更换、拆卸、安装方便；5）模具导向良好，以保证制件的公差和模具寿命；6）模具容易制造，成本低；7）放、取制件方便，操作简单、安全。7.5.2冷挤压凸、凹模设计（1）凸模α121'a）b）c）反挤压凸模工作部分形状a）锥形带平底的凸模b）尖角锥形凸模c）平底凸模近似抛物线pp°°°°有色金属反挤压凸模当挤压纯铝薄壁件凸模工作部分长度较长时，为增加凸模的稳定性，可将凸模下端面开出工艺凹槽。实例采用该种结构。a）b）c）凸模工作端面工艺凹槽的形状a）圆形b）方形c）矩形实例用凸模结构0.320.320.160.160-0.0210-0.030-0.030.160-0.02150±0.02R8R207510307066R1.5R214±0.05R1R130材料：Cr12MoV热处理：60~64HRC挤压凸模（2）凹模1）反挤压γRRDhh12~31°~3°2~30.25a）b）c）d）e）f）反挤压凹模的基本形式2）正挤压3）凸、凹模工作部分尺寸计算：凸、凹模工作部分尺寸计算公式见表7-9。a）b）c）d）反挤压凹模的基本形式αR15°101~31°~3°4）组合凹模①凹模的总体结构分为整体式和预应力组合凹模。组合凹模可分为两层和三层结构式。单位压力（p凹/MPa）凹模形式简图≤1000~1200整体凹模1200＜p≤1400~1600二层组合凹模1400＜p≤2200~2500三层组合凹模组合凹模的选择②二层组合凹模③三层组合凹模C2d1d3γd2u2/2二层组合凹模d1d2d3d4C3C2γγu3/2u2/2三层组合凹模④组合凹模压合方法a）加热压合（热装）将外圈加热到适当温度，套装到内圈上，待外圈冷却后将内圈压紧。热装时可不必加工出斜度。b）强力压合将各配合面做成一定的锥度，在室温下用液压机进行压合。a）b）预应力圈的装法a）由内到外b）由外到内5）冷挤压凸、凹模材料选择的要求1）凹模与凸模必须具有很高的强度和硬度，在高温下仍能保持足够的强度与硬度。2）凸模与凹模在冲击条件下工作，应具有相当的韧性。3）凸模材料应当有较好的抗弯强度。4）模具是在冷热交变应力的条件下工作，所以模具的材料应能经受这种考验。5）模具材料必须是较易于切削加工。（4）凹模结构设计实例模具工作时凸模进入凹模后必须形成封闭的模腔。外圈凹模d1d2d32u2γ实用两层组合凹模结构u2——径向过盈量γ——装配斜角，取γ=0.5°预应力组合凹模的设计步骤1）根据单位挤压力选择凹模结构形式2）选择确定总直径比a根据前面的推荐值，实例组合凹模选择a31＝43）确定各图的直径①外圆外径d3，由步骤2，已知d3=a31d1=4×66=264d3取260mm②内圆半径d2d2=a21×d1a21根据a31的取值，查右图由凹模结构图，取a21=1.8d2=a21×d1=1.8×66=118.8取d2=120mmu2=β2d2c2=δ2d241331ddaa21=0.2a31+103456789100.51.01.52.02.53.03.54.0a21=d2/d1a31=d3/d1a21maxa21maxa21max两层组合凹模的a31与a21的关系4）确定组合凹模的轴向、径向过盈量c2和u2、β2、δ2为过盈量系数β2＝0.008δ2＝0.16则u2=β2d2=0.008×120=0.96mmc2=δ2d2=0.16×120=19.2mm0.0060.0070.0080.0090.01045678910径向过盈系数β20.120.140.160.180.2045678910径向过盈系数δ2a31=d3/d1两层组合凹模轴向过盈量系数δ2两层组合凹模径向过盈量系数β25）确定凹模各图结构尺寸0.320.1612.52.50.322.50.160.160.160-0.04+0.0250+0.0250+0.03066360.5°R5R1R1.51.5°32124.215°内圈（凹模）工作图+0.0400.25其余1.5°2.52.52.52080123.2260+0.01504×184×111.62×10材料：40Cr热处理：45~47HRC外圈工作图6）模具结构①顶件块1.250.320.160.160.16其余30320.5651510M164515°材料：Cr12热处理：58~62HRC顶件块②冷挤压模具结构图123456789101112131415161819202117冷挤压模具结构图1、2—拉板3、21—螺母4、20—垫圈5—下模座6—弹簧7—导柱8、12—垫板9—导套10—上模座11—拉杆13—凸模14—固定板15—组合凹模外圈16—凹模内圈17—顶件块18—空心垫板19—顶杆