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第二部分汽车产品的精密体积成形技术2精密挤压工艺及模具设计内容简介概述分类、基本原理、特点和应用范围冷挤压工艺金属流动规律、应力应变状态、变形力计算、冷挤压工艺（毛坯制备、工艺工序分析和许用变形程度）和工艺方案制定挤压模具设计设计注意问题、结构组成、工作部分设计和结构设计实例分析概述挤压是将金属毛坯放入挤压模具模腔内，在强大的压力和一定的速度条件下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件。挤压种类及基本方法按毛坯的温度不同分类冷挤压。在室温下对毛坯进行挤压。温挤压。将毛坯加热到金属再结晶温度下某个适合的温度范围内进行挤压。其变形实质与冷挤压基本相同，基本保持冷挤压变形的显著特点。热挤压。将毛坯加热到一般热锻温度范围内进行挤压。概述按毛坯材料种类不同分类有色金属及其合金挤压。黑色金属及其合金挤压。挤压的成形速度范围很广，它既可在专用挤压设备上进行，也可在曲柄式机械压力机、液压机、螺旋压力机及高速锤上进行。但冷挤压的速度不能过高，热挤压的速度不能过低。挤压时设备速度特性同模具寿命的关系如表1所示。冷锻温热锻载荷行程曲线影响模具寿命原因压力机要求特性影响模具寿命原因压力机要求特性正挤压磨耗平均加压速度低变形或磨耗加压速度快反挤法浅挤压磨耗或破损接触速度低变形或磨耗反挤法探挤压磨耗或破损平均加压速度低,下止点附近的加压速度低变形或磨耗概述概述挤压的基本方法根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，将常见的挤压方法分为如下几种：(1)正挤压挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压又分为实心件正挤压(图a)和空心件正挤压(图b)。挤压件的断面形状可以是圆形、椭圆形、扇形、矩形或棱柱形，也可以是非对称的等断面挤压件和型材。概述(2)反挤压挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反，如图2所示。反挤压法适用于制造断面为圆形、方形、长方形、“山”形、多层圆和多格盒形的空心件。概述图3复合挤压(3)复合挤压挤压时，毛坯一部分金属的流动方向与凸模的运动方向相同，另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反，如图3所示。复合挤压适合于制造杯杆类零件。概述(4)径向挤压挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向垂直，如图4所示。径向挤压又分为分流式和汇集式径向挤压两种。径向挤压适用于制造十字轴、T形接头、小模数的直齿和斜齿轮等。概述图5镦挤复合成形(5)镦挤复合法它是将局部镦粗和挤压结合在一起的加工方法，如图5所示。该法主要用于制造带法兰的空心杆类零件。挤压特点及应用范围冷挤压特点及应用范围采用冷挤压加工可以降低原材料消耗，材料利用率高达70%～80%。在冷挤压中，毛坯金属处于三向压应力状态，有利于提高金属材料的塑性且经挤压后金属材料的晶粒组织更加细小而密实；金属流线不被切断加上所产生的加工硬化特性，可使冷挤压件的强度大为提高；可以获得较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。目前，冷挤压已在机械、汽车、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门得到较为广泛的应用。温挤压特点及应用范围温挤压与冷挤压相比，挤压力大为减少；与热挤压相比，加热时的氧化、脱碳都比较少，产品的尺寸精度高，且力学性能基本上接近冷挤压件。可见，温挤压综合体现了冷、热挤压的优点，避免了它们的缺点，因此，正在得到迅速发展。挤压特点及应用范围热挤压特点及应用范围热挤压时，由于毛坯加热至一般的始锻温度，材料的变形抗力大为降低。因此，它不仅适用于有色金属及其合金铜、低碳钢、中碳钢，而且也可以成形高碳钢、高合金结构钢、不锈钢、工模具钢、耐热钢等。但由于加热时产生氧化、脱碳和热胀冷缩大等缺陷，必会降低产品的尺寸精度和表面质量。所以，它一般用于锻造毛坯精化和预成形。当然，冷、热挤压也均有一些缺点。冷挤压单位压力大，热挤压单位压力较小，但因毛坯表面的氧化皮增大了接触面上的摩擦阻力，导致模具使用寿命不高。但随着模具材料、设计方法及润滑等配套技术的进步，挤压工艺的优越性必将得到充分发挥。冷挤压工艺一、各种挤压方法的金属流动规律为了搞清楚各种挤压方法的金属流动情况，可以采用坐标网格法、视塑性法、光塑性法、密栅云纹法等实验研究方法和上限元法、有限元法等数值计算方法。下面采用简便的坐标网格法来分析各种挤压方法的金属流动情况。1.正挤压实心件的金属流动情况为了了解正挤压实心件的金属流动情况，可将圆柱体毛坯切成两块，见图6。在其中的一块剖面上刻上5mm×5mm～20mm×20mm的正方形网格，将拼合面涂上润滑油，再与另一块拼合在一起放入挤压凹模模腔内进行正挤压。当挤压至某一时刻时停止挤压，取出试件，将试件沿剖分面分开，此时可以观察到坐标网格的变化情况，见图7。由图中坐标网格的变化情况，可以对金属流动情况作如下分析：冷挤压工艺图6毛坯上的坐标网格图7正挤压实心件的网格变化情况冷挤压工艺1)横向坐标线在出口处发生了较大的弯曲，且中间部分弯曲更剧烈，这是由于凹模与被挤压毛坯表面之间存在着接触摩擦，使金属在流动时外层滞后于中层的缘故。被挤毛坯的端部横向坐标线弯曲不大，这是由于该部分金属原来就处在凹模出口附近，挤压时迅速向外挤出，受摩擦影响较小，横向坐标线的间距从挤出部分端部开始逐渐增加，即来l3l2l1，这说明挤出金属的纵向拉伸变形愈来愈大；而当达到某定值l5时，间距l5不再变化，说明此时的变形已处于稳定状态。冷挤压工艺2)纵向坐标线挤压后也发生了较大的弯曲。如果把开始向内倾斜的点连成I—I线，把开始向外倾斜的点连成Ⅱ—Ⅱ线。I—I线与Ⅱ—Ⅱ线之间所构成的区域为剧烈变形区。I—I线以左或Ⅱ—Ⅱ线以右坐标线基本上不变化，说明在这些区域内金属不发生塑性变形，只作刚性平移。3)正方形网格经过出口以后，变成了平行四边形，这说明金属除发生拉伸变形以外，还有剪切变形。愈接近外层，剪切角愈大，即γ2γ3，这是由于外层金属受到摩擦阻力的影响较大使得内外层的金属流动存在着较大差异的缘故。刚开始挤出端部剪切角较小，以后逐渐增大，即γ2γ3，这是由于刚开始挤压时，受摩擦影响较小的缘故，当进入稳定变形状态以后，相应处的剪切角保持不变。4)凹模出口转角D处，在挤压过程中形成不流动的“死区”。“死区”的大小受摩擦阻力、凹模形状与尺寸等因素的影响，当摩擦阻力越大、凹模锥角越大时，则“死区”也越大。冷挤压工艺从上述分析可以看出，正挤压实心件的变形特点是：金属进入I—I至Ⅱ—Ⅱ线之间的区域时才发生变形，此区称为剧烈变形区。进入此区以前或离开此区以后，金属几乎不变形，仅作刚性平移。在变形区内，金属的流动是不均匀的，中心层流动快，外层流动慢；而当进入稳定变形阶段以后，不均匀变形的程度是相同的。在凹模出口转角处会产生程度不同的金属“死区”。冷挤压工艺2．正挤压空心件的金属流动情况正挤压空心件的坐标网格变化情况见图8。毛坯除了受凹模工作表面的接触摩擦影响外，还受到心棒表面接触摩擦的影响，因而毛坯上的横向坐标线向后弯曲，不再有产生超前流动的中心区域，这说明正挤压空心件的金属流动比正挤压实心件均匀一些。在进入稳定流动时，剧烈变形区也是集中在凹模锥孔附近高度很小的范围内，金属在进入变形区以前或离开变形区以后，几乎不发生塑性变形，仅作刚性平移。冷挤压工艺图8正挤压空心件的金属流动情况a)挤压前的初始状态b)挤压时的网格变化情况冷挤压工艺3．反挤压杯形件的金属流动情况用实心毛坯反挤压杯形件时，挤压变形过程的坐标网格变化情况见图9。图9b表示毛坯高径比大于1进入稳定挤压状态时的网格变化情况。此时可将毛坯内部的变形情况分为三个区域：I区为金属“死区”，它紧贴着凸模端表面，呈倒锥形，该锥形大小随凸模端表面与毛坯间的摩擦阻力大小而变化；Ⅱ区为剧烈变形区，毛坯金属在此区域内产生剧烈流动，该区的轴向范围大约为(0．01～0．2)d1(d1为反挤压凸模直径)。当凸模下行到毛坯底部尺寸仍大于此界限尺寸时，仍为稳定变形状态，金属流动局限于Ⅱ区内，Ⅱ区以下即紧贴凹模腔底部的一部分金属保持原状，不产生塑性变形；当凸模再继续下行到毛坯残余厚度小于此界限尺寸时，在此残余厚度内的全部金属材料皆产生流动，成为如图9c所示的非稳定变形状态，图中D表示金属“死区”；III区为刚性平移区，剧烈变形区的金属流动至形成杯壁后，就不再变形，而是以刚性平移的形式往上运动，该运动一直延续到凸模停止工作时为止。冷挤压工艺图9反挤压杯形件的金属流动情况a)反挤压开始状态b)进入稳定变形状态c)反挤压终了状态冷挤压工艺4．复合挤压时的金属流动情况图10为杯杆零件复合挤压，上部金属材料的流动情况与杯形件反挤压相似，下部与实心件正挤压相似，图中D表示金属“死区”。图10杯杆件复合挤压时金属的流动情况应力与应变状态的分析挤压变形时，变形区内任一点的应力与应变状态，可用主应力简图和主应变简图来表示。众所周知，挤压变形区内的基本应力状态是三向受压，即径向应力σr、切向应力σθ以及轴向应力σz都是压应力，但是在不同区域中主应力和主应变的顺序是不同的。1．正挤压实心件的应力应变状态实心件正挤压时，如果摩擦阻力很小且毛坯的长径比也较小时，可把变形区分为两个不同区域，见图11a。由图可以看出，区域1与环形毛坯在封闭模中的镦粗变形相似，其主应力与主应变的顺序是：径向应力σr为最大主应力σ1(代数值最大，绝对值最小)，径向应变εr为最大主应变ε1(拉应变)；轴向应力σz为最小主应力σ3(代数值最小，绝对值最大)，轴向应变εz为最小主应变ε3(压应变)；切向应力σθ为中间主应力σ2，切向应变εθ为中间主应变ε2。而区域2的变形却与摔子摔圆的一个圆棒相似，其主应力、主应变的顺序是：轴向应力σz为σ1，轴向应变εz为ε1；切向应力σθ为σ3，切向应变εθ为ε3；径向应力σr、应变εr与切向应力σθ、应变εθ近似相等，为中间主应力σ2、中间主应变ε2。应力与应变状态的分析图11挤压变形区内的应力应变状态a)正挤压b)反挤压应力与应变状态的分析2．反挤压杯形件的应力应变状态杯形件反挤压时也可把变形区分为两个不同区域，见图11b。由图可知，区域1与圆柱体毛坯镦粗相似，切向应力σθ为σ1，切向应变εθ为ε1；径向应力σr为σ2，径向应变εr为ε2；轴向应力σz为σ3，轴向应变εz为ε3。而区域3与受内压的圆环相似，轴向应力σt为σ1，轴向应变εz为ε1;切向应力σθ为σ2，切向应变εθ为ε2；径向应力σr为σ3，径向应变εr为ε3。冷挤压变形力的计算挤压变形程度的表示方法在挤压工艺中，表示变形程度的方法有如下三种。(1)断面缩减率εAεA=(A0-A1)/A0×100%(1)A0,A1—分别表示挤压变形前后毛坯和工件的横断面积(2)挤压比GG=A0/A1(2)(3)对数变形程度εe=ln(A0/A1)(3)(4)冷挤压变形力的计算影响冷挤压力的主要因素金属的化学成分及力学性能冷挤压变形方式变形程度对挤压力的影响模具几何形状对挤压力的影响毛坯高度对挤压力的影响润滑条件对挤压力的影响变形速度对挤压力的影响冷挤压变形力的计算金属的化学成分及力学性能钢中含碳、含铬量的多少对挤压力的影响较大，而C的影响远较Cr大。当仅考虑C的含量对单位挤压力的影响时，可用影响系数Kc来表示，见图12。若综合考虑C、Cr含量的影响，可用下式来计算综合影响系数Kc：正挤压Kc＝0.8+C+0.12Cr反挤压Kc＝0.875+1.25(C+0.12Cr)式中C、Cr--碳、铬的质量分数。有色金属的挤压力较低，常用有色金属的单位挤压力按下列顺序增大：Pb→Sn→A1→Cu。冷挤压金属的力学性能对挤压力的影响很大，是决定单位挤压力的基本因素。抗拉强度σb和屈服点σs或屈服强度σ0.2高的材料，其单位挤压力较大。金属材料经软化热处理后，其抗拉强度，屈服强度、硬度均显著下降，从而可以使变形力降低。此外，金属材料加工硬化敏感性越大，冷挤