外管冷挤压工艺方案分析及模具设计

1连接外管挤压成形工艺分析及模具设计湖南工业大学机械工程学院材料成型061班：余海洋指导老师：金仁钢摘要：探讨了连接外管冷挤压工艺的可行性，通过对产品零件图、挤压材料的成形性能的分析,制定了几种工艺方案并进行分析比较，从而实现了工艺方案的优化。在此基础上，完成了对连接外管冷挤压模具的设计。关键词：（紫铜）连接外管；冷挤压；模具设计Coldextrusionprocessanddesignofdieforcopperconnectingtheoutertube(MaterialShapingandControlEngineering061，MechanicalSchool,HunanUniversityofTechnology:YuHai-yang.Instructor:JinRen-gang)Abstract:Thefeasibilityofextrusionformingofconnectingtheoutertubewasdiscussedinthisarticle.Withtheanalysisofseveraltechnologicalprogramsandextrusionformingpropertiesofthematerial,theoptimalplanwasmadeandselected,thetechnologicalprocesswasdetermined.Basedonthepre-discussion,theextrusiondiewasdesigned.Keywords:Copperconnectingtheoutertube;coldextrusion;diedesign1引言冷挤压是指在室温下，利用压力机的简单往复运动，使放在冷挤压模腔内的金属毛坯，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定机械性能的挤压件。与传统的机械加工相比，它不仅可以提高生产效率，节约生产成本，而且在挤压过程中，零件处于三向压应力状态，变形后材料组织致密，具有连续的金属流向，可以提高零件的机械性能。紫铜（T2）连接外管是建筑、制冷、造船、化工等行业关键连接部件，在工业生产中起着重要的作用，其需求量非常大。本文以紫铜（T2）连接外管为例，通过对产品零件图、挤压材料的成形性能的分析,制定了几种工艺方案并进行分析比较，得出一种最优工艺方案，并以此为基础完成连接外管冷挤压模具设计。2冷挤压工艺方案2.1连接外管的零件图图1所示为紫铜连接外管的零件图和三维图，从图上我们可以直观地看出此零件为一个外形和内孔都有阶梯的空心零件。形状比较规则，呈轴对称图形，转角处均有一定的圆弧过渡，产品壁厚不均匀。在尺寸方面上看，零件精度要求比较高。产品的材料为纯铜T2，纯铜T2是有色金属。主要力学性能（退火状态）：2屈服强度s=220-240MPa,伸长率≥45%。图1连接外管零件图和三维图2.2工艺方案分析及优化从挤压工艺分析来看，冷挤压工艺可分为几种方案，现将各方案分析如下：(1)成形工艺方案Ⅰ工艺过程：车床下料——软化退火——酸洗、润滑——复合挤压（a）下料（b）复合挤压此方案在通过车床下料获得毛坯后，直接采用复合挤压，一次挤压成形。虽然这样通过一次挤压就能得到复杂零件，挤压力较低，但是由于材料变形太大，在进行复合挤压的过程中，金属变形复杂，金属流动不易控制，因此在尺寸上不容易控制，会影响产品质量与精度，从而无法保证产品的质量。在挤压后，挤压3件会很紧地包在凸模上，卸件过程中很容易使凸模断裂，减少凸模的使用寿命。该方案的毛坯采用车床车削下料，不仅生产效率较低，而且材料利用率为71.6%，不是很高，因此不宜采用这种方案。（2）成形工艺方案Ⅱ工艺过程：车床下料——软化退火——酸洗、润滑——反挤压——正挤压（a）下料（b）反挤压（c）正挤压本方案和方案Ⅰ的区别在于通过车床下料获得毛坯后，先采用反挤压，然后再利用正挤压成形。与方案一相比较来说，比较容易控制高度方向上的尺寸，但是单纯的反挤压、正挤压使得单位挤压力变大，模具寿命会降低。该方案的毛坯采用车床车削下料，不仅生产效率较低，而且材料利用率为70.8%，不是很高，故不采用该方案。（3）成形工艺方案Ⅲ工艺过程：车床下料——软化退火——酸洗、润滑——复合挤压——正挤压4（a）车床下料（b）复合挤压（c）正挤压本方案中间工序采用复合挤压使得挤压力会降低，模具寿命增加，同时金属流动变形有序，易于控制。只是用车床下料，不仅降低了生产效率，而且材料的利用率（70.8%）也不是很高，故不采用。（4）成形工艺方案Ⅳ工艺过程：剪切下料——软化退火——酸洗、润滑——镦粗整形——复合挤压——冲连皮——复合挤压——正挤压（a）下料（b）镦粗整形（c）复合挤压5（d）冲连皮（e）复合挤压（f）正挤压本方案与方案三区别在于毛坯的获得形式不同。本方案采用对棒料剪切下料，再通过镦粗整形、挤压通孔、冲连皮获得毛坯件。相比于车床下料，剪切是生产毛坯方法中最迅速和最经济的一种，常用于生产中小直径的毛坯。一方面，材料利用率高达95%以上，考虑到铜的价格昂贵，因而这种方式是比较经济的；另一方面，由于该产品的批量大，而车床下料只适合于小批量及大直径扁平状的毛坯下料，采用棒料剪切下料，加工效率高，能满足生产的需要。虽然这种方案，一定程度上增加了工序，但是获得了高的材料利用率和经济效益，而且生产出来的零件精度也能满足需求。综上述，本设计采用方案Ⅳ作为该产品的挤压工艺。3工艺参数计算3.1毛坯的选择毛坯的体积是根据挤压件图按照体积不变原则进行计算的，如果挤压过程中各工序有体积损耗量，则总的毛坯体积为挤压件体积和各个工序中损耗体积量之和。由文献[1]中的式3-1，计算坯料体积如下。0V=spVV=17396.96mm3式中V0—坯料体积，mm3；pV—工件体积，mm3；sV—损耗体积mm3；为了剪切下料方便，毛坯的高径比应大于或等于1，根据铜棒材的标准规格选用直径为28mm的T2棒材。3.2挤压变形程度本次计算图7中的正挤压工序的变形程度为：F=（10FF）/0F=76.9%由[2]表4.1可得纯铜在正挤压时的许用变形程度为90%～95%，在反挤压时的许用变形程度为70%～90%。3.3挤压力计算及压力机选择采用图解法计算单位挤压力，由[2]图4.31知，由断面缩减率F=76.9%向上投影与所挤压的材料曲线Cu相交后，沿水平方向向右投影与断面缩减率6F=76.9%斜线相交，再垂直向下投影求得单位挤压力p=830MPa。由[3]表3.9式1可计算总挤压力。总挤压力的计算如下：P=pF=421.66KN式中，p为单位挤压力（MPa），F为凸模工作部分横断面积。根据总挤压力选用型号为YF32-100A通用四柱式液压机作为挤压设备。详见文献[5]。4模具设计挤压件的质量与挤压模具的设计有直接关系，合理的模具结构是生产出合格优质产品的关键之一，必须根据具体零件的结构、材质设计出正确的模具结构。图8是最后一步工序正挤压成形模具结构图。模具采用通用模架，通过更换凸凹模能挤压不同规格的零件，节约生产成本。凸模采用组合式凸模，由凸模外套6和凸模芯棒7两部分组成，在损坏一个部件后不用更换整个凸模，从而节约了成本。组合凸模利用凸模固定圈4和特形螺母紧10固在上模座中，并用凸模垫块8进行支撑。这样就可达到方便迅速地进行凸模的拆换、安装的目的。凹模采用预应力组合凹模，预应力组合式凹模通过外套对内圈施加预应力，使冷挤压所引起的切向拉应力被预压时产生的切向压应力部分或全部抵消，从而提高了模具的强度。在当凹模损坏后，仅需要更换内圈，预应力的外圈可以继续使用，整个凹模不致于报废。组合凹模（17、18）放在凹模垫块21上，利用凹模压板12紧固在凹模固定圈13上，并将凹模固定圈锁紧在下模座上。上模下行时，开始先由导柱24与导套1、导柱14与导套11进行导向，当凸模开始进入凹模腔时，凸模与凹模也起模口导向作用，凸模7向下运动至挤压面，在凸模的压力作用下，开始对凹模18的定位坑内的毛坯进行挤压，至下死点时工件正挤压成形。成形后，随着上模的回程，凸模离开凹模，而工件则留在凹模上。由液压机上的顶出装置带动推杆20运动，使顶料杆19将工件顶出凹模。取走工件后，再将毛坯放在凹模18的定位坑内，依此反复进行。7图8正挤压成形模具结构图1、11-导套2-上模座3、22、23-内六角螺钉4-凸模固定圈5-锥形紧固圈6-凸模外套7-凸模芯棒8-凸模垫板9、16-圆柱销钉10-特形螺母12-凹模压板13-凹模固定圈14、24-导柱15-下模座17-预应力圈18-凹模19-顶料杆20-推杆21-凹模垫块5结语连接外管采用冷挤压加工后，提高了零件的精度和表面质量，改善了强度和韧性，减少了切削加工量，节约了原材料，提高了生产效率，也改善了零件的组织性能。参考文献：[1]洪慎章编著．冷挤压实用技术．北京：机械工业出版社，2004.9[2]金仁钢编著．实用冷挤压技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.12[3]郝滨海主编.挤压模具简明设计手册.北京:化学工业出版社,2006.2[4]杨长顺编著.冷挤压模具设计.北京：国防工业出版社，1994.8[5]郝滨海主编.冲压模具简明设计手册.北京:化学工业出版社,2006.2