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1、特点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，剧烈塑性变形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)模具应有足够的刚度和抗热疲劳性；(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)模具工作部分与上下模板之间要设置淬硬压力垫板，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)上下模板应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度。第六章冷挤压模具设计2、组成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、模口、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。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计二、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。(一)按工艺性质分类正挤压模：反挤压模：复合挤压模：镦挤压模：1、正挤压模图6-1为实心件正挤压模。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计图6-2为空心件正挤压模(坯料为黑色金属)。第六章冷挤压模具设计2、反挤压模图6-3为一种典型的具有导向装置的反挤压模。第六章冷挤压模具设计3、复合挤压模图6-4为活塞销的复合挤压模具图。第六章冷挤压模具设计4、镦挤模图6-5所示为镦挤模。第六章冷挤压模具设计(二)按有无导向装置分类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。(1)中小型冷挤压模具一般采用两导柱导套形式；(2)大型的冷挤压模具采用四导柱导套形式；(3)精密冷挤压模具还采用滚珠式导柱导套。主要特点：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。第六章冷挤压模具设计2、模口导向冷挤压模该类模具如图6-6所示，起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精度。这种导向方法简便、实用，但这种导向方式一般用于挤压较浅反挤压件的模具。第六章冷挤压模具设计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。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形状态要求都很高。第六章冷挤压模具设计第二节模具工作部分的设计冷挤压模具工作部分是指凸模、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压力，设计时应考虑其强度。在凸模与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，这一点在挤压比较软的有色金属材料时特别重要。2)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。第六章冷挤压模具设计1、正挤压凸模的形式正挤压凸模基本有五种形式，见图6-8。图a用于正挤压实心件，下端面是平的，形状比较简单，制造方便。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的芯棒与凸模内孔之间为过渡配合，这种结构可以大大降低凸模不同截面间的应力集中，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。因此这种凸模适应于芯棒直径较大，或挤压材料不太硬，或摩擦因素较小的材料挤压。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。为了防止芯棒拉断及卸料方便，芯棒一般做出10’~30’的斜度。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计2、正挤压凸模尺寸参数设计凸模各部分尺寸参数见表6-1。第六章冷挤压模具设计(二)正挤压凹模正挤压凹模根据单位挤压力大小可选择整体凹模和组合凹模。1、凹模型腔尺寸的确定图6-9为正挤压凹模的形状尺寸。(1)凹模型腔深度h3要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。(2)凹模的入模锥度一般采用60o~126o较合理(对于较软的材料，也可采用180o)。(3)凹模收口部分应采用适当的圆角半径过渡。圆角半径r的大小对模具使用寿命有很大影响，一般圆角半径越大，凹模的使用寿命越长。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计(4)凹模型腔的工作带长度h1应适当选择：纯铝h1＝1~2mm；硬铝、纯铜、黄铜h1=1~3mm；低碳钢h1＝2~4mm。(5)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。D1到D2也应光滑过渡。(6)底厚h2应以强度要求进行选择，一般可取h2＝(1.1~1.2)D。第六章冷挤压模具设计2、凹模的结构形式正挤压凹模的结构形式有六种，见图6-10。第六章冷挤压模具设计图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c为纵向分割式，最内层凹模镶圈压入凹模之间采用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5o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1o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。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。第六章冷挤压模具设计二、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与成形两部分组成，见图6-11a。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，见图6-1lb。第六章冷挤压模具设计1、反挤压凸模形式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。图c为平底凸模，用于挤压件内孔要求平底或单位挤压力较低的场合。反挤压凸模的有效工作部分是图中高度为h的圆柱形表面，称之为工作带，工作带以上的凸模直径略小些。工作带的作用有以下三点：1)减小凸模与挤压金属的接触面积，可大大降低摩擦阻力;2)防止挤压结束时挤压件粘在凸模上;3)挤压时，不会由于凸模工作带以上部分的弹性变形而产生直径的增大，影响挤压件内孔的尺寸精度。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计2、反挤压凸模尺寸参数设计以应用得最广泛的带平底锥形凸模为例，其部分尺寸参数的确定见表6-2。第六章冷挤压模具设计3、反挤压凸模防止失稳措施反挤压凸模的成形部分长度h1应当越短越好，这样可以避免凸模在挤压时产生纵向弯曲而失稳。凸模的成形部分长度按照经验数值，其许用范围如下：反挤压纯铝时：h1/d1≤7~10；反挤压纯铜时h1/d1≤5~6；反挤压黄铜时：h1/d1≤4~5；反挤压低碳钢时：h1/d1≤2.5~3。第六章冷挤压模具设计反挤压塑性较好的有色金属时，为了增加凸模纵向稳定性，可以在凸模的工作端面上开出工艺凹槽。工艺凹槽必须对称于凸模中心，使凸模在挤压中保持与凹模有良好同心度。对于黑色金属反挤压凸模，由于其单位挤压力大，端面不允许开出工艺凹槽；否则，会在凹槽处由于应力集中而产生开裂。第六章冷挤压模具设计(二)反挤压凹模1、反挤压凸模形式图6-16为一些常用反挤压凹模形式。图a~图d用于有色金满薄壁件反挤压，挤压后工件不会卡在凹模内，所以不需要顶出装置。其中图a为整体式，其特点是结构简单、制造方便；缺点是转角半径R处容易开裂下沉。图b也为整体式，但凹模型腔底部有25o斜度，挤压时有利于金属流动。图c、图d为分割式凹模，寿命比整体式凹模长。图c为纵向分割式凹模，镶块在装配前与凹模为过盈配压，压入预应力圈后其过盈量将更大，这样可以避免在角部产生毛刺。图d为横向分割式凹模，为了避免挤压时金属材料钻入上下模的贴合面，贴合面也要像前述正挤压横向式组合凹模一样，要有特殊的要求。生产实践证明，就是像纯铝这样流动性好的金属也不会钻入拼缝中。图e、图f均带有顶出装置，以适用于黑色金属或厚壁工件的反挤压件。图e适用于工件底部外形呈尖角的反挤压件。图f适用于工件底部外形呈一定圆角半径的反挤压件。如果工件底部要求平整，其顶杆的高度要略高出凹模型腔底平面，以抵消挤压时顶杆长度由于弹性压缩变形而缩短。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计2、反挤压内层凹模尺寸确定一般内凹模型腔尺寸参数见图6-17，其尺寸计算见表6-3。第六章冷挤压模具设计(三)反挤压顶杆反挤压顶杆在挤压中直接承受较大的单位挤压力，设计时应考虑其有足够的强度，同时为了使较大的单位挤压力能和缓地传递给下压力垫板，其支承部分的直径应适当放大。图6-18为常用的顶杆形式。图a为挤压黑色金属冷挤压使用的顶杆，其杆部直径d1一般比凹模型腔直径小0.1mm，这样既不会产生很大的纵向毛刺，又能使顶部及时退回。其支承部分直径d=(1.3~1.5)d1，过渡圆弧应尽可能大。图6-18b顶杆是考虑到其因弹性变形而产生横向变粗而卡死在凹模内，顶杆与凹模顶出孔配合部分不做成直径相同的圆柱体，顶杆仅在上部等于凹模顶出部分孔径，d1以下做出一定的退让量：d2=d1-(0.5~1)mm。如挤压件下端面的平整度要求高时，可以在顶杆上端面做成圆锥面，如图b所示，其顶部中心处高出Δ=0.05~0.1mm，这样可以抵消单位挤压力造成的弹性变形，以确保挤压件得到平整的底平面。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计第三节预应力组合凸模的设计在冷挤压的生产实践中，人们经常发现，如果整体式凹模在挤压中受到的单位挤压力较大时，往往导致凹模向外扩展而产生切向开裂，见图6-20。为了提高冷挤压凹模的强度，确保凹模在较大的单位挤压力下有较长的使用寿命，一般均采用预应力组合凹模结构形式。所谓预应力组合凹模，就是利用过盈配合，用一个或两个预应力圈将凹模紧套起来而制成的多层凹模结构。根据单位挤压力大小，冷挤压凹模可采用三种类型图6-21，即：整体式凹模图a；两层组合凹模图b；三层组合四模圈c。其中左半图为压合前，右半图为压合后。第六章冷挤压模具设计第六章冷挤压模具设计一、整体式凹模受力分析冷挤压时，整体式凹模内腔受到变形金属材料的径向压力，这种受力状况近似于厚壁圆筒承受径向内压的受力状态。先分析后壁圆筒的受力情况，当厚壁圆筒的内半径为r1、外半径为r2、受内压力p1、外压力p2、而无轴向力作用时，厚壁圆筒筒壁任意一点r处的应力可由拉美(Lame)公式求得：式中，σθ是半径为r处的切向应力(MPa)；σr是半径为r处的径向应力(MPa)。整体式凹模在挤压时，其受力情况与只受内压力p1作用的壁厚圆筒相同。因此，以p2=0代入式(6-1)，得到整体式凹模内任意一点r处的