冲压工艺学第五章冷挤压工艺及模具设计

第五章5.1冷挤压工艺5.2冷挤压模具设计5.3冷挤压模的典型结构5.1冷挤压工艺冷挤压是一种先进的少无切削加工工艺之一。它是在常温下，使固态的金属在巨大压力和一定的速度下，通过模腔产生塑性变形而获得一定形状零件的一种加工方法。冷挤压的工艺过程是：先将经处理过的毛坯料放在凹模内，借助凸模的压力使金属处于三向受压应力状态下产生塑性变形，通过凹模的下通孔或凸模与凹模的环形间隙将金属挤出。它是一种在许多行业广泛使用的金属压力加工工艺方法。冷挤压过程的关键问题是想法降低材料的变形抗力，提高模具的承载能力。5.1.1冷挤压的分类根据金属被挤出的方向与凸模运动方向的关系，冷挤压一般可分为正挤压、反挤压、复合挤压三种基本方式。1．正挤压如图5-1所示，挤压时金属流动方向与凸模流动方向相同，适用于各种形状的实心件、管件和环形件的挤压；2．反挤压如图5-2所示，挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反，适用于各种截面形状的杯形件的挤压；3．复合挤如图5-3所示，挤压时，金属流动方向相对于凸模运动方向，一部分相同，另一部分相反，适用于各种复杂形状制件的挤压；改变凹模孔口或凸、凹模之间缝隙的轮廓形状，就可以挤出形状和尺寸不同的各种空心件和实心件。图5-1正挤压图5-2反挤压图5-3复合挤5.1.2冷挤压的特点5.1.2.1冷挤压的特点主要包括以下三个方面：(1)节约原材料，生产效率高冷挤压是少无切削加工工艺，与切削加工相比，节约原材料，同时，冷挤压是在压力机简单的往复运动中生产零件，生产效率高，比切削加工高30倍。(2)提高零件的力学性能在冷挤压过程中，金属处于三向挤压应力状态，变形后材料的组织致密，又有连续的纤维流向，变形中的加工硬化也使材料的强度和刚度大大提高，从而可用低强度钢材代替高强度钢。(3)可加工形状复杂的零件对复杂零件可以一次加工成型，加工十分方便，大批大量生产时，加工成本低。(4)提高零件的精度，降低表面粗糙度由于金属表面在高压、高温（挤压过程中产生的热量）下受到模具光滑表面的熨平，因此，制件表面很光，表面强度也大为提高。冷挤压零件的精度可达1T8～1T9级，有色金属冷挤压零件的表面粗糙度可达Ra=1.6～0.4μm。有的冷挤压件无需切削加工。5.1.3冷挤压毛坯的制备5.1.3.1冷挤压坯料形状与尺寸挤压件的毛坯形状设计是否合理，将直接影响制件的形状与尺寸，并且还将影响模具的寿命。冷挤压用毛坯通常都是棒料或块料，其截面形状可根据制件的相应截面形状确定。一般情况下，确定毛坯形状的原则是：旋转体及轴对称多角类选用圆柱形毛坯；矩形零件可选用矩形毛坯。此外还应考虑采用何种挤压方法，如图5-1所示，采用正挤压法时，用实心毛坯能挤出实心件，用空心坯料能挤出空心件。反挤压时，毛坯的形状采用实心和空心均可。冷挤压毛坯尺寸是根据制件挤压前后体积相等的原则进行计算的。如果挤压后还要进行切削加工，则毛坯的体积V坯还应按制件实际体积V件再加上切削消耗量，即V坯=V件+V修。（5-1）其中V修为修边余量或切削加工量（mm3），一般取挤压件体积的3～5%。求得的毛坯体积与毛坯横截面积后之比即为毛坯的高度h0­，即。（5-2）00VhF坯5.1.3.2坯料的制备冷挤压坯料制作要求十分细致、严格，有一定的平面度，表面粗糙度、精度要求。可采用剪切加工、板料落料加工、切削加工及其它特殊方法加工，毛坯的上、下端面必须平整。5.1.3.3毛坯的软化热处理对毛坯进行软化热处理的目的是降低材料硬度，提高塑性，得到良好的金相组织，消除内应力，以降低材料的变形抗力，提高模具的寿命和零件质量。毛坯软化热处理规范可从相关手册中查到。但是，由于保温时间同被处理毛坯尺寸、毛坯放置方法及装炉量等诸多因素有关，因此在实际生产流程中，应根据具体情况确定保温时间。在冷挤压工序之间，还应根据变形程度和冷作硬化程度的大小适当安排工序间软化热处理工序。对于黄铜与硬铝挤压件，挤压后务必进行消除内应力的退火。对于要求高的碳钢和不锈钢件，挤压后也需进行消除应力退火的工序。黄铜常用加热到250～300。C，保温两小别缓慢冷却至室温的退火方法消除内应力；不锈钢1Crl8Ni9Ti的消除内应力退火温度为750℃，对于硬铝挤压件，常用加热到110℃，保温6小时缓冷至室温的去应力退火处理，以便消除冷挤压所产生的残余应力。4.1.3.4毛坯的表面处理与润滑润滑对冷挤压的影响十分重要。毛坯与凸、凹模和芯抽接触面上的摩擦，不仅影响金属的变形和挤压件的质量．而且直接影响挤压单位压力的大小、模具的强度和寿命等。所以冷挤压时的润滑常常可能成为冷挤压成败的关键。为尽量减小摩擦的不利因素影响、除模具工作表面粗糙度要求高外、还要采用良好而可靠的润滑方法。常用的润滑剂有液态的(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、二硫化钥、石墨等），它们可以单独使用．也可以混合使用。对于有些材料，为了确保冷挤压过程中的润滑层不被过大的单位接触压力所破坏，毛坯要经过表面化学处理。例如碳钢的磷酸盐处理（磷化）、奥氏体不锈钢的草酸盐处理、铝合金的氧化、磷化或氟硅化处理、黄铜的钝化处理等。经化学处理后的毛坯表面，覆盖一层很薄的多孔状结晶膜，它能随毛坯一起变形而不剥离脱落，经润滑处理后在孔内吸附的润滑剂可以保持挤压过程中润滑的连续性和有效的润滑效果。5.1.4冷挤压变形程度在冷挤压过程中，变形程度是决定使用设备压力大小及影响模具寿命的主要因素之一，若要提高生产率，就必须增大每次挤压的变形程度，以减少挤压次数。但变形程度越大，其变形抗力也越大，就会降低模具的寿命，甚至引起凸模折断或凹模开裂。因此对各种挤压材料，都应选择合适的变形程度。4.1.4.1变形程度的表示方法变形程度是表示挤压时金属塑性变形量大小的指标，其最常用的表示方法有两种：截面收缩率和挤压面积比。(1)截面收缩率（5-3）010100%FFFF式中——冷挤压的截面收缩率，见表5-1、表5-2；F0——冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2；F1——冷挤压变形后工件的横截面积，mm2。F(2)挤压面积比（5-4）式中G——挤压面积比；F0——冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2；F1——冷挤压变形后工件的横截面积，mm2；与G之间存在如下关系：01FGFF（5-5）1(1)100%FG5.1.4.2许用变形程度冷挤压时，一次挤压加工所容许的变形程度，称为许用变形程度。不同材料有不同的许用变形程度。在工艺上，每道冷挤压工序的变形程度应尽量小于许用值，使模具承受的单位挤压力不超过模具材料许用应力（目前一般模具材料的许用应力为2500～3000N/mm2），确定许用变形程度数值是冷挤压工艺计算的一个重要依据，因为冷挤压许用变形程度的大小决定了制件所需的挤压次数。若计算出的冷挤压变形程度超过许用值、则必须用多次挤压完成，以延长模具寿命，避免损坏模具。冷挤压的许用变形程度取决于下列各方面的因素：(1)可挤压材料的力学性能材料越硬，许用变形程度就越小，塑性越好，许用变形程度越大。(2)模具强度选用的模具材料好，且模具制造中冷、热加工工艺合理，模具结构也较合理，其模具强度就越高，许用变形程度就越大。(3)冷挤压的变形方式在变形程度相同的条件下，反挤压的力大于正挤压的力。反挤压的许用变形程度比正挤压小。(4)毛坯表面处理与润滑毛坯表面处理越好，润滑越好，许用变形程度也就越大。(5)冷挤压模具的几何形状冷挤压模具工作部分的几何形状对金属的流动有很大影响。形状合理时，有利于挤压时的金属流动，单位挤压力降低，许用变形程度可以大些。在一般生产条件下，模具强度、润滑条件及模具的几何形状都是尽量做到最理想的状态，因此许用变形程度主要取决于被挤压材料和变形方式两个因素。材料牌号反挤压εF正挤压εF1075～8082～871570～7380～82355055～62454045～4815Cr42～5053～6334CrMo40～4550～60金属材料截面收缩率εF（%）备注铝正挤压95～99强度低的材料取下限；强度高的取上限。防锈铝反挤压90～99紫铜、黄铜、硬铝正挤压90～95镁反挤压75～90表5-1碳素钢及低合金钢的许用变形程度表5-2有色金属冷挤压的许用变形程度5.2冷挤压模具设计5.2.1冷挤压模的特点由于冷挤压时，单位挤压力较大，因此冷挤压模具的强度、刚度及耐用度等方面其要求都比一般冲模高，它与一般普通冲模相比，主要有以下特点：1．模具的工作部分与上、下底板之间一般都设有足够的支承面与足够厚度的淬硬垫板，以承受很大的压力，减少上、下底板上的单位压力。2．模具的工作部分都采用光滑的圆角过渡，以预防由于应力集中而导致其本身的损坏。3．冷挤压模的上、下模板，应有足够的厚度及刚性。一般采用45钢或铸钢。4．模具工作部分材料及热处理要求，应比一般普通冲模要求高。5.2.2冷挤压模设计要求1．模具应具有足够的刚度和强度，并且能在冷热交变应力的情况下，模具应保证正常工作，模具结构要合理，如采用组合式模具。2．选用合适的模具材料，工作部分必须要有相当的韧性和耐磨性，几何形状及参数要合理、准确。有利于毛坯塑性变形、降低单位挤压力。尽量采用光滑圆角过渡，防止应力集中。3．模具的易损部位，应考虑通用性和互换性。并便于更换、修理。4．对于精度要求较高的挤压件，模具设计要有良好的稳定导向装置。5．坯料取放应方便，毛坯易放入模腔。6．模具应安全可靠，制造工艺简便，成本低，使用寿命长。为满足以上各项要求，必须慎重考虑模具结构的设计、材料的选择、制造工艺及其热处理等问题。5.1.3冷挤设备的选用与压力计算5.1.3.1对冷挤压设备的基本要求：(1)刚性好，活塞导向精度高；(2)活塞空行程和回程速度较快；(3)活塞工作行程速度较低，不能有“脉冲”现象；(4)有安全防护装置，防止冲头断裂或坯料崩裂溅出伤人；(5)便于观察挤压情况和控制挤压深度。5.1.3.2冷挤压力的计算式中——挤压应力，kN；——安全系数，取1.2；——型腔在挤压方向上的投影面积，mm2；——单位挤压力,。见表5-3。(5-1)10000KqFPPKFq材料的抗拉强度/（N/mm2）250～300300～500500～700700～800800～900单位挤压应力/MPa1500～20002000～25002500～30003000～35003500～4000公称挤压力/kN活塞直径/mm最大工作压力/MPa机床工作空间高度/mm活塞最大行程/mm活塞空行程速度/mm/s工作行程速度/(mm·s-1)总功率/kw100003601003801654.250～0.24200005001003302104.250～0.1300007504010202500～0.175000080010062024020～0.0810表5-3材料单位挤压应力q的值表5-4冷挤压专用液压机主要技术规格5.2.4冷挤模凸、凹模工作部分设计凸模与凹模是冷挤压模的主要工作零件，其工作部分的形状和尺寸设计得合理，会使金属流动阻力减少，挤压力降低和延长模具的使用寿命。5.2.4.1凸模的设计(1）反挤压凸模一般采用的反挤压凸模工作部分形状如图5-4所示。图5-4反挤压凸模工作部分形状图5-4(a)、(b)、(c)是应用于黑色金属的几种反挤压凸模，其中(a)、(b)应用较普遍，效果好。(c)在实际中也有使用的，但这种凸模的单位挤压力要比图中(a)型凸模约大20%。图5-4(d)、(e)、(f)是适用于有色金属的反挤压凸模，(e)对挤压薄壁零件有利。图5-4(g)适用于软金属，这种凸模叫活门凸模。其作用是在挤压壁很薄的零件时，防止在卸料时形成真空吸附而产生损坏。而(h)、(i)型凸模是在零件底部有一定形状要求时采用。凸模的有效长度要合适，太长易产生纵向弯曲失稳。凸模的有效长度L与直径d之比（L/d），一般可参考下列数据：反挤压纯铝时：L/d≤7～10反挤压紫铜时：L/d≤5～6反挤压黄铜时：L/d≤4～5反挤压低碳钢时：L/d≤2.5～3当单位压力较大时，应选用较小的