模具第五章成形模课件

第五章 成形模n第一节 胀形n第二节 翻边n第三节 缩口n第四节 冷挤压n在冲压生产中，除冲裁、弯曲、拉深等工序外，还有一些工序包括：胀形、翻边、缩口、校形等，把这类工序统称为成形工序。成型工序即：用各种局部变形的方式来改变工件或毛坯形状的各种加工方法。n从变形的特点来看，这类工序有相同之处，也有不同。如胀形和翻边等主要是受拉力产生伸长变形，易被拉裂而破坏；缩口和外缘翻凸边，则主要受压应力产生压缩变形，易起皱而破坏。针对不同的工序，分析其不同的受力与变形，设计出合理的成形工艺和模具。n在生产中，成形工序往往和其他冲压工序组合在一起，加工某些复杂形状的工件。在冲压过程中，整个工件的应力、应变状态是很复杂的，应根据实际情况认真分析和解决。下面分各种工序介绍其变形特点、工艺计算、模具结构等。第一节第一节 胀形胀形n如图所示，当用球形凸模胀形平板毛坯时，毛坯被带有拉深肋的压边圈压死，变形区限制在凹模口以内。在凸模的作用下，变形区大部分材料受双向拉应力作用（忽略板厚方向的应力），沿切向和径向产生伸长变形，使材料厚度变薄、表面积增大，形成一个凸起，这种成形称为胀形。n胀形工艺与前面的拉深工艺不同，毛坯的塑性变形区局限于变形区范围内，材料不向变形区外转移，也不从外部进入变形区内，是靠毛坯的局部变薄来实现的。n从工件的形状来分，胀形分为平板毛坯的局部胀形（起伏）和空心毛坯的胀形。n从胀形模具来分，有刚模胀形和借助液体、气体和橡胶成形压力的软膜胀形。二、平板毛坯的局部胀形（起伏）二、平板毛坯的局部胀形（起伏）n平板毛坯在模具作用下，产生局部凸起的冲压方法称为起伏成形，如图所示。起伏成形主要用于增加工件的刚度和强度，如压加强肋、压凸包、压字、压花纹等，起伏成形常采用金属冲模。1、压加强肋、压加强肋 常见的加强肋形式和尺寸见表5-1。n起伏成形的极限变形程度，主要受材料的塑性、冲头的几何形状和润滑等因数影响。在计算起伏极限变形程度时，可以概略地按单向拉伸变形处理，即：极=（l1-l0/l0）(0.70.75)单 （其中因数0.70.75视胀形时断面形状而定，球形肋取大值，梯形肋取小值）。极极起伏成形的极限变形程起伏成形的极限变形程度；度；单单 材料单向拉深时的伸长率；材料单向拉深时的伸长率；l l0 0、l l1 1变形前后长度。变形前后长度。n如果计算结果符合上述条件，则可一次成形。否则应先压制成半球形过渡形状，然后再压出工件所需形状，如图所示。表5-1列出了加强肋的形状、尺寸等可供参考。当加强肋与边框距离小于（33.5）t时，应留切边余料。n冲压加强肋的变形力:F=KLtb。FF变形力；变形力；KK因数，因数，K=0.7 K=0.7 1 1（加强肋形状窄加强肋形状窄而深时取大值，宽而浅时取小值）；而深时取大值，宽而浅时取小值）；LL加强肋的加强肋的周长；周长；tt料厚；料厚；b b材料的抗拉强度。材料的抗拉强度。n若在曲柄压力机上用薄料（t1.5mm)对于 小件（面积 180时，直边部分的影响已不明显。这时，非圆孔翻边的极限翻边因数同圆孔翻边的极限翻边因数。2、内孔翻边的工艺计算及翻边力计算、内孔翻边的工艺计算及翻边力计算n如上图所示，进行翻边的工艺计算时，需根据工件的尺寸D，计算出预冲孔直径d0，并核算其翻边高度H。当采用平板毛坯不能直接翻边出所要求的高度时，则预先拉深，然后在拉深件底部冲孔，再进行翻遍，如图5-19所示。n由于翻边时材料主要是切向拉伸，厚度变薄，而径向变形不大，因此在工艺计算时可根据弯曲工件中性层长度不变的原则近似计算预冲孔直径。n实验证明，这种计算方法误差不大。分别讨论平板毛坯翻边和拉深后翻边分别讨论平板毛坯翻边和拉深后翻边 两种情况两种情况n当在平板毛坯上翻边时，其预冲孔直径d0=D1-r+(t/2)+2h,因为D1=D+2r+t；h=H-r-t，代入上式，化简后可得翻边高度的表达式为：H=(Dd0)/2+0.43r+0.72t；或H=(D/2)(1m)+0.43r+0.72t。n根据上式可知，极限翻边因数为mmin时的许用最大翻边高度Hmax应为：Hmax=(D/2)(1mmin)+0.43r+0.72t。n当工件的高度HHmax时，就难于一次翻边成形。这时，应先进行拉深，在拉深件的底部预冲孔，在进行翻遍，如图5-19所示。这时，应先决定翻边所能达到的最大高度，然后根据翻边高度来决定拉深高度。由图5-19可知，翻边高度h的计算应为：nh(D/2)1(d0/D)+0.57rn将极限翻边因数mmin代如后可得：hmax=(D/2)(1mmin)+0.57r，此时，预冲孔直径d0=mmin D。n故d0=D-1.14r-2h；n拉深高度h1=H-hmax+r+t。n翻边力一般不大，翻边力可按下式计算：F=1.1(Dd0)ts。3、翻边模设计、翻边模设计n翻边模的结构与一般拉深模相似，如图5-20，所不同的是翻边凸模圆角半径一般较大，甚至做成球形或抛物面形，以利于变形。图5-21是几种常见圆孔翻边模的凸模形状和尺寸。对于平底凸模一般取r凸4t，翻边模采用压边圈时，凸模台阶可以不用。翻边模设计（续）翻边模设计（续）n由于翻边后材料变薄情况比较严重，变薄后竖边缘厚度的近似计算，t=tm 考虑到变薄情况，凸、凹模间隙可小于材料厚度，一般单边间隙Z的计算公式为：Z=0.85tn翻边凸、凹模间隙也可按表5-6所列数据选用。4、变薄翻边、变薄翻边 前面讲的材料竖边变薄，是由拉应力作用前面讲的材料竖边变薄，是由拉应力作用材料的自然变薄，是翻边的自然情况。材料的自然变薄，是翻边的自然情况。n当工件很高时，也可采用减小凸、凹模间隙，强迫材料变薄的方法，以便提高生产率和节省材料，这种方法称为变薄翻边。n变薄翻边属于体积成形。变薄时凸、凹模下方材料的变形与圆孔翻边相似，但它们成竖边后，将会在凸模与凹模作用下产生挤压变形，使材料厚度显著减薄，从而提高翻边高度。变薄翻边的变形程度用变薄因数K表示，其值的计算：K=t1/t0。一次变薄翻边的变薄因数可取0.40.5，甚至更小。变薄后竖边高度按体积不变原则计算。变薄翻边力比普通翻边力大得多，力的大小与变形量成正比。n变薄翻边通常用在平板毛坯或半成品的制件上冲制小螺孔（多为M5以下），为保证使用强度，对于低碳钢或黄铜零件的螺孔深度不小与直径的1/2，而铝件的螺孔深度不小于直径的2/3。为了保证螺孔深度，又不增加工件厚度，生产中常采作变薄翻边工艺加工小螺孔，如右图所示。n变薄翻边后的孔径为d2。孔壁厚度t1=(d2-d1)/2=0.65t0n毛坯预冲孔直径d的计算公式：d0=0.5d1。n翻边内径d1由螺纹内径d2决定，d2(d1+d3)/2。变薄翻边（续一）变薄翻边（续一）n翻边外径的计算d3=d1+1.3t；翻边高度h按体积不变原则计算，h=(22.5)t0。变薄翻边（续二）变薄翻边（续二）二、外缘翻边二、外缘翻边n左图a所示为外凸的外缘翻边，其变形情况类似于浅拉深，变形区主要为切向压应力，变形过程中，材料易起皱。左图b为内凹的外缘翻边，其变形特点近似于内孔翻边，变形区主要是切向伸长变形，易于边缘开裂。外缘翻边的变形程度用下式表示。n外凸的外缘翻边的变形程度E凸的计算公式为：E凸=b/(R+b)。n内凹的外缘翻边的变形程度E凹的计算公式为：E凹=b/(R-b)。n式中符号如左图所示。n外缘翻边的极限变形程度可参考表5-10。三、固定套翻边模设计示例三、固定套翻边模设计示例n工件名称：固定套n生产批量：中批量n材料：08钢，料厚1mmn工件简图：图5-24所示n1、工件工艺性分析、工件工艺性分析 对固定套翻边件进行工艺分析可知，40mm处由内孔翻边成形，翻边前应预冲孔，80mm是圆筒形拉深件，可一次拉得成形。工序安排为落料、拉深、预冲孔、翻边等。翻边前80mm、高15mm的无法兰圆筒形工件，如图5-25所示。二、固定套翻边件二、固定套翻边件 工艺计算工艺计算n1、计算预冲孔、计算预冲孔nD=39；H=4.5mm；D1=D+2r+t=(39+21+1)mm=42mm；h=Hrt=(4.511)mm=2.5mm。n计算翻边前预冲孔直径d0：nd0=D1r+(t/2)+2h=32.3(mm)n2、计算翻边因数：计算翻边因数：m=d0/D=0.828 由d0/t=32.3查表5-4得知低碳钢极限翻边因数为0.65，小于m，所以该零件能一次翻边成形，预冲孔直径d0=32.3mm翻边前毛坯如图5-25所示。n3、计算翻边力：、计算翻边力：p=1.1(Dd)ts 查书末附录A1得s=200mpa 故P=4628Nn三、翻边模结构设计三、翻边模结构设计n翻边模采用倒装结构，使用大圆角圆柱形翻边凸模，工件预冲孔套在导正销上定位，压边靠压力机标准弹顶器压边，工件若留在上模由顶出器打下，选用后侧滑动导向模架。根据固定板尺寸和闭合高度选用250kN双柱可倾式压力机。（如下图）第三节第三节 缩口缩口n 缩口是将预先拉深好的圆筒或管件坯料，通过缩口模具将其口部缩小的一种成形工序。如下图所示工件，图a是采用拉深工序，需五道工序才能成形；图b用管料缩口工序，只要三道工序即可完成。一、缩口变形特点及缩口因数一、缩口变形特点及缩口因数n缩口工序的变形如左图，变形区的金属受切向压应力1和轴向压应力3的作用，在轴向3和厚度方向2产生伸长变形，切向1产生压缩变形。在缩口变形过程中，材料主要受切向压应力作用，使直径减小，壁厚和高度增加。由于切向压应力的作用，在缩口时坯料易于失稳起皱，同时非变形区的筒壁，由于承受全部缩口压力，也易失稳产生变形，所以防止失稳是缩口工艺的主要问题。缩口的极限变形程度主要受失稳条件的限制。缩口因数缩口因数表示缩口变形程度表示缩口变形程度 m=d/Dn极限缩口因数的大小主要与材料性质、料厚、模具形式和坯料表面质量有关。表5-11是不同材料、不同厚度的平均缩口因数。表5-12是不同材料、不同支承方式的允许缩口因数。二、缩口工艺计算二、缩口工艺计算n缩口后，工件高度有变化，缩口毛坯高度H按下图所示及公式计算。n图5-29a形式：n图5-29b形式：n图5-29c形式：n缩口凹模的半锥角对缩口成形中有重要作用，一般使45，最好使在30以内。当模具有合理的半锥角时，允许的极限缩口因数m可以比平均缩口因数m均小10%15%。图5-29a所示的锥形缩口件，若在无内支承模具进行缩口时，缩口力的计算如下式：nF缩口力（N）；t0缩口前料厚（mm）；nD缩口前直径（mm）；nd工件缩口部分直径（mm）；n工件与凹模摩檫因数；nb材料抗拉强度（Mpa）；n凹模圆锥半角；nk速度因数，用冲床时，k=1.15三、气瓶缩口模设计示例三、气瓶缩口模设计示例n工件名称：气瓶n生产批量：中批量n材料：08钢，料厚1mmn工件简图：如右图所示n1、工件工艺分析工件工艺分析 气瓶为带底的筒形缩口工件，可采用拉深工艺制成圆筒形件，再进行缩口成形。缩口时下部不变，仅计算缩口工序。二、工艺计算n1、计算缩口因数计算缩口因数nm=d/D=35mm/49mm=0.71n因为该工件是有底的缩口件，所以只能采用外支承方式的缩口模具，查表5-12得许用缩口因数为0.6，则该工件可一次缩口成形。n2、计算缩口前毛坯高度、计算缩口前毛坯高度Hn取H=99.5mm，缩口前毛坯如右图所示。3、计算缩口力、计算缩口力已知凹模与工件的摩檫因数=0.1，b=430MPa。n缩口力：n三、缩口模结构设计三、缩口模结构设计 n缩口模采用外支承式一次成形，缩口凹模工作面要求表面粗糙度为Ra0.4m，使用标准下弹顶器，采用后测导柱模架，导柱、导套加长为210mm。考虑到模具闭合高度为275mm，则选用400kN开式可倾压力机。n缩口模结构如右图所示。表51返回表52返回表56返回表510返回表512返回表54 表55返回 第四节第四节 冷挤压冷挤压n一、冷挤压的概念一、冷挤压的概念n 冷挤压是常温下，在压力机的强大压力和一定的速度下，使金属坯料产生塑性变形，并从凹模孔或凸、凹模的缝隙中挤出，从而获得预定形状和尺寸工件的加工方法。1、冷挤压的分类：、冷挤压的分类：(一一)正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压等正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压等n1）正挤压：挤压时金属流动方向与凸模运动方向相同（见图533）。适用于实心件、管件的挤压。n2）反挤压：挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反（见图534）。适用于各种断面形状的杯形件。1、冷挤压的分类：、冷挤压的分类：(二二)n3）复合挤压：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（见图535）。可以制造各类复杂形状的挤压件。n4）径向挤压：挤压时金属流动方向与凸模的运动方向相垂直（见图536）。适用于具有法兰凸台的轴对称的挤压。2、冷挤压的优点、冷挤压的优点n1 1）节约原材料）节约原材料 冷挤压是一种工件成形后，少或无切削的工艺。与切削工艺相比，不但节省材料，且生产率高，从而降低成本。n2 2）可以提高制件性能）可以提高制件性能 在冷挤过程中，金属材料处于三向应力状态，材料组织致密，具有连续分布的金属流线，加上强烈的冷作硬化，使工件的强度、刚度、硬度都有一定的提高。n3 3）可加工形状复杂的制件）可加工形状复杂的制件n4 4）工件精度及表面质量高，）工件精度及表面质量高，尺寸精度可达IT8级，表面粗糙度Ra3.20.4m。3、冷挤压的主要技术问题、冷挤压的主要技术问题n 冷挤压时挤压力很大，为顺利实现冷挤工艺，就必须处理好材料变形力和模具承载能力之间的矛盾。为此必须做到以下几点：n1）选用合适的挤压材料及工艺设计性良好的挤压工件结构。n2）制定合理的冷挤压工艺方案，包括选用合适的毛坯软化热处理规范，采用理想的表面处理及优良的润滑剂等。n3）设计合理的模具结构。n4）选择合理的模具材料，采用正确的加工方法和热处理方法。n5）选用合适的冷挤压机。二、冷挤压的变形程度二、冷挤压的变形程度n1、冷挤压变形程度的表示方法：变形程度是表示冷挤压时金属塑性变形量大小的指标。n1）断面收缩率 n2）挤压比 n3）对数挤压比n式中：A毛坯横断面积；A1制件的横断面积。正挤为小端横断面积；反挤为空心制件壁 部横断面积。n表5-13列出了典型挤压工件的断面收缩率。表5-132、许用变形程度、许用变形程度 许用变形程度是指冷挤压时，在模许用变形程度是指冷挤压时，在模具强度允许的条件下一次挤压变形程度。决定许用变形程度的因素具强度允许的条件下一次挤压变形程度。决定许用变形程度的因素有材料的力学性能、模具强度、冷挤变形形式、毛坯表面处理、润有材料的力学性能、模具强度、冷挤变形形式、毛坯表面处理、润滑等因素。滑等因素。n图5-37图5-39所示分别表达了不同c和不同挤压方法的碳钢许用变形强度。图中斜线以下是一次挤压许用区域，上、下斜线之间的阴影部分是过渡区域。各种常见金属材料能一次挤压的许用变形程度见表5-14。三、冷挤压力计算三、冷挤压力计算n 冷挤压力是校核模具强度和选用设备的依据。它受挤压金属的性能、变形程度、毛坯相对高度、模具几何形状、润滑条件等因素的影响。计算挤压力常用的方法有图算法和经验公式法两种。1、图算法、图算法 图算法是由实验结果建立起的图表来确定挤压力，在图算法是由实验结果建立起的图表来确定挤压力，在实际生产中使用方便，因此被广泛使用。图算法计算冷挤压力的误实际生产中使用方便，因此被广泛使用。图算法计算冷挤压力的误差约差约 。图图5-40图图5-42所示为常见黑色金属正挤、反挤的单位挤压力所示为常见黑色金属正挤、反挤的单位挤压力计算图。计算图。n例 已知毛坯的直径d0=70mm，毛坯的高度h0=140mm，挤压后的直径d1=45mm，凹 模锥部角度=90，求单位挤压力p和总挤压力F。n解：由图5-40先从中指到相应的d0和d1值，向上投影得断面收缩率 ；再按 向上投影到中与材料曲线相交，再向左作水平线就可在纵坐标上查得未经校正的挤压力p=740MPa，再投影至K中h0/d0=140mm/70mm=2.0的线上，再顺斜线而下与=90的斜线相交，再投影到横坐标上，即可得到单位挤压力P=1030MPa，然后由毛坯直径d0与单位挤压力p，从图中查得总挤压力F=3900KN。n计算图中只列出部分金属材料，当遇到用其他金属材料时，则可在表中找出与其含碳量相接近的金属挤压力，再根据这两种金属退火后的极限强度比来求得被挤压材料的挤压力。n图5-43图5-45是常见有色金属冷挤压的单位挤压力计算图，使用时要首先求出挤压件的断面收缩率A，然后参照图中箭头方向所示的求解步骤，求得单位挤压力p，再按F=Ap求得冷挤压力FA为凸模横断面的面积。n另外，在使用图5-45时，还需根据毛坯高度h0、制件厚度 t 求出h0/t得值。图5-40图5-41图5-42图5-43图5-44图5-45图5-462、经验公式法、经验公式法n冷挤压的挤压力计算方法很多，现只介绍广为采用的经验公式法，他方便切相当准确。nF=Ap=Aznb(kN)n式中：F总挤压力；p单位挤压力；Z模具形状因数，如图5-46所示；n挤压方式及变形程度修正因数，见表5-15；b挤压前材料抗拉强度；A凸模工作部分横断面积。四、冷挤压毛坯的制备及处理四、冷挤压毛坯的制备及处理n 冷挤压毛坯一般是用棒料或板料制取。其截面轮廓形状尽量与挤压工作轮廓形状相同。制取毛坯的加工方法有冲裁、剪切、拉深、锯削和车削等。制得的毛坯表面应保持光滑，不能有裂纹、折叠等缺陷。毛坯的几何形状应保持对称、规则，另外要求毛坯材料具有均匀的力学性能，经软化处理后能降低单位挤压力。n1、毛坯尺寸的计算、毛坯尺寸的计算n1）毛坯的体积 毛坯体积是根据制件体积与毛坯体积相等的原则计算的。n V=V+V”n式中 V毛坯体积；V挤压工件的体积；V”切边余量的体积。一般取挤压工件体积的3%5%，也可按零件高度选取修边余量h计算，见表5-16和表5-17。表5-16 表5-17 2）毛坯的直径）毛坯的直径n毛坯的外径应比凹模的尺寸（挤压件外径）小0.10.2mm，以便于毛坯放入凹模。凡挤薄壁有色金属时，毛坯外径比凹模尺寸（挤压件外径）小0.010.05mm。n冷挤空心件，对于一般精度要求工件，毛坯内孔应大于凸模尺寸（挤压件孔径）0.10.3mm。精度要求高时，毛坯内孔应比凸模尺寸（挤压件孔径）大0.010.05mm。n3）毛坯的高度）毛坯的高度n毛坯高度可按体积不变原理计算。典型工件的毛坯高度计算公式见表5-13。2、毛坯的软化处理、毛坯的软化处理n 毛坯在挤压前必须进行软化处理，其目的为降低材料硬度，提高塑性，消除内应力，获得良好的金相组织，从而降低挤压力，提高模具寿命。毛坯的软化处理通常有：挤压前的软化处理。表1-7为冷挤压常用材料的毛坯软化处理规范；工序间的软化处理。根据冷作硬化和下道工序变形程度的大小而定；挤压后的软化处理。挤压后残余应力较大，工件尺寸易发生变化，甚至引起破裂，必须进行消除内应力的退火。3、毛坯的表面处理与润滑、毛坯的表面处理与润滑n 为了降低冷挤压时的单位挤压力，提高工件的表面质量，延长模具使用寿命，对冷挤压坯料还需进行表面处理与润滑，以减小模具与金属间的摩擦力。n 目前常用的毛坯表面处理方法有钝化处理、氧化处理、磷酸盐处理、草酸盐处理等。经过处理的毛坯表面，形成一层多孔结晶薄膜，能吸附一定量的润滑剂，而且该薄膜有良好的塑性，能随金属一起变形。润滑处理则是在经过处理的毛坯表面涂上猪油、羊毛脂、豆油、菜油、矿物油、硬脂酸锌挤皂化液等润滑剂，使其在毛坯表面形成牢固的润滑膜。例如，碳素钢和合金结构钢通常采用：磷酸盐处理（也称磷化处理）+皂化润滑处理；不锈钢采用：草酸盐处理+85%（质量分数）的氯化石蜡和15%（质量分数）的二硫化铝作润滑剂的润滑处理；硬铝常采用：氧化、磷化处理+工业菜油进行润滑处理。n 对于一些单位挤压力不高，变形程度不大的冷挤压工件，可对毛坯表面只进行磷化处理而不涂润滑剂，或是在表面清理之后直接进行润滑处理即可。如铝和铜的挤压，一般使用动、植物油及硬脂酸等润滑，即可顺利挤压成形。五、冷挤压模具与主要零件设计五、冷挤压模具与主要零件设计n1、冷挤压模具的设计要求、冷挤压模具的设计要求n冷挤压时，毛坯与模具摩擦很剧烈，对模具要求就较高：n1）模具的工作部分要具有足够的强度、刚度及耐磨性。n2）为了防止应力集中而损坏模具，模具工作部分要采用光滑的圆角过渡。n3）凸、凹模与上、下模座之间应当有足够大的支承面和一定厚度的淬硬垫板。n4）模具在压力机上安装要紧固，工作部分拆卸方便。易损件要有互换性，便于安装固定。n5）毛坯要容易放入模腔，大批量生产时易实现半自动和自动送料。另外挤压后还须有灵活的卸料装置。n冷挤压模具与其他模具相比，其结构的不同主要在模座形式、凸、凹模的紧固方式、卸料装置、顶件装置和导向机构等结构上，而工作部分（凸、凹模）的结构则相似。n图5-47图5-49为几种典型的冷挤压模具结构图。图5-47图5-48图5-492、冷挤压凸、凹模的设计、冷挤压凸、凹模的设计n1）正挤压凸模）正挤压凸模 正挤压实心工件凸模如图5-50a所示，其结构简单。正挤压空心工件的凸模如图b、c、d所示。其中图b为整体式凸模，用于有色金属冷挤压；图c、d为组合式凸模。图c凸模孔与芯轴之间采用H7/k6的过渡配合，适用于芯轴径较大或挤压力不太大的挤压工作。图d凸模孔与芯轴采用H7/h7间隙配合，芯轴可随变形金属同时向下滑动，可避免冷挤过程中芯轴被拉断。2）反挤压凸模（一）反挤压凸模（一）n 反挤压凸模的基本形式如图5-51所示。反挤压凸模的最大有效工作长度与工作直径有一定的比例，其经验数值如下：n反挤压纯铝时：l/d10n反挤压纯铜时：l/d6n反挤压黄铜示：l/d5n反挤压低碳钢是：l/d32）反挤压凸模（二）反挤压凸模（二）n 反挤压纯铝、纯铜等有色金属工件用的凸模较细长时，为了增加其纵向稳定性，凸模的断面加工出如图5-52的工艺凹槽，以提高凸模的稳定性，工艺凹槽必须对称、同轴。其宽度一般取0.30.8mm，深度取0.30.6mm。对于黑色金属反挤压深孔工件，可在凸模工作部分以上的直径加粗，并且铣出三条凹槽，如图5-53所示。卸料板通过三条凹槽把套在凸模上的制件卸下。图5-52 图5-533）正挤压凹模）正挤压凹模n 正挤压凹模的几种常见结构形式如图5-54 a为整体式凹模，应用较为广泛，但在挤压力较大时往往因应力集中而开裂；图5-54b、c为纵向分割式凹模；图-54d和e是横向分割形凹模。其中拼合面不宜过宽，一般为13mm，可以防止金属流入接缝。在拼合面外上部或下部的一块凹模上加工2或1的锥角，可以更有效的防止金属流入接缝。图5-544）反挤压凹模）反挤压凹模n 图5-55所示是反挤压凹模的几种形式。为了抵消在冷挤压过程中的外胀现象，往往将凹模制成1030的带锥度的形状。图5-55a为整体式凹模，常因其底部圆角处下沉或开裂而使模具寿命缩短，故只适用于小批量或挤压力较小的挤压工件；图5-55b也是整体是凹模，由于底部有25斜角，有利于金属流动，可挤压壁厚为0.07mm以上的薄壁铝质圆筒件；图5-55c为穿通式组合凹模；图5-55d为上、下组合式凹模，为了避免金属被挤入拼合夹缝，拼合面的宽度应小于3mm，其余部分留出0.2mm空隙；图5-55e、f设有顶出装置，适用于有色金属厚壁挤压件的反挤压。其中图5-55e适用于底部外形呈直角的反挤，图5-55f用于底部外形呈圆角的反挤压。n正反挤压凸、凹模的设计计算可参照表5-18表5-21。图5-55表5-18表5-19 表5-20表5-215）预应力组合凹模的设计（一）预应力组合凹模的设计（一）n在冷挤压过程中，当单位挤压力较大，用整体凹模的强度不够时，凹模会发生切向开裂。这时须采用如图5-56b、c所示的预应力组合凹模结构，通过外圈对内圈施加预应力，来抵消在冷挤压进程中引起的切向应力，从而提高模具强度，则可避免切向开裂。据分析，三层组合凹模的强度是整体式凹模强度的1.8倍，两层组合凹模的强度是整体式凹模的1.3倍。除了提高凹模强度，预应力组合凹模还有以下优点：当凹模损坏后，只需调换内圈，不须报废整个凹模；由于内圈尺寸较小，热处理容易，提高了模具热处理质量；预应力组合凹模仅内圈采用合金工具钢，中、外圈可采用一般材料，从而可节省材料。但预应力组合凹模存在加工面多，压合工艺要求较高等缺点。n组合凹模的预应力圈应具有足够的强度与韧性，其常用材料见表5-22。当反复使用预应力圈时，还需进行200c的低温回火，以消除其内应力。图5-56表5-225）预应力组合凹模的设计（二）预应力组合凹模的设计（二）n凹模的层数是按单位挤压力p确定。p1100MPa时，采用整体凹模；1100MPaP 1400MPa时，采用两层组合凹模；1400MPa P 2500MPa时，采用三层组合凹模。n对于整体凹模，其外径应为内径的46倍，即d2=(46)d1（见图5-56a）。n对于两层组合凹模各圈尺寸如图5-56b所示，其中d3=(46)d1，根据d3与d1关系可在表5-23中查得d2与d1的关系，计算出d2的值。其压合量可由表5-23查得因数2。然后计算d2处的径向过盈量U2=2d2，再计算d2处的轴向压合量c2=U2/(2tg)。一般取=130，所以c2=19.23U2。5）预应力组合凹模的设计（三）预应力组合凹模的设计（三）n 三层组合凹模各圈尺寸见图5-56c，其中d4=(46)d1，根据d4与d1关系从表5-24中查得d2、d3和d1的关系，从而计算出d2和d3的数值。其压合量可由表5-24中查得因数2和3，然后计算出d2和d3处的径向过盈量U2=2d2、U3=3d3。取=130，计算出轴向压合量c2=19.23U2，c3=19.23U3。5）预应力组合凹模的设计（四）预应力组合凹模的设计（四）n组合凹模的压合方法有两种：一种是加热压合（热装发），即将外圈加热到适当温度，套装到内圈上，利用热胀冷缩的原理使外圈在冷却后将内圈压紧；另一种是室温压合（强力压合），是将各圈配合面做成一定锥度，在室温下用液压机进行压合。热装法各圈结合面可不必加工出斜度，适用于过盈量较小的情况。强力压合法的各圈结合面须加工出=130的锥度。n各圈压合的顺序有两种，如图5-57所示。其中热压合法采用图5-57a所示的由内到外压合；强力压合可采用图5-57a和图5-57b两种方法压和，当中圈的硬度较高时，为防碎裂则采用图5-57b的压合方法。n拆卸时次序为先压出凹模，再压出外圈。3、冷挤压凸、冷挤压凸凹模的制造尺凹模的制造尺寸寸 冷挤压凸、凹冷挤压凸、凹模工作部分的尺寸模工作部分的尺寸及公差见表及公差见表 5-25。表5-26冷挤压件有较高的壁厚精度要求时：n还应考虑冷挤后壁厚的收缩量，其数值根据经验所得。n铝件：当d10mm时，为0.030.04mm；d1060mm时，为0.050.06mm。n钢件：当d10mm时，为0.030.04mm；d1060mm时，为0.050.06mm。4、顶出和卸件装置的设计n1）顶出装置）顶出装置 顶杆是常用的将工件从凹模中顶出的装置，其常用形状如图5-58所示。顶杆的工作部分带有5锥度，可延长使用寿命。顶杆端面直径d1=d0/1.5；下端采用锥形结构以增大支承面积，取d2=(24)d0。顶杆的长度根据模具结构而定，应尽量短。装配后顶杆的工作端比凹模底面高出0.1mm左右。图5-59所示为常采用的三种顶出装置2）卸料装置）卸料装置n卸料装置是将工件从凸模卸下的装置。卸料板的孔形应与挤压工件外形相适应。对于黑色金属反挤压，使用整体式卸料板。对于壁厚小于0.5mm的薄壁有色金属反挤件，可采用如图5-60所示的组合式卸料板。卸料板分为几块，周围有凹槽，用弹簧使之紧贴反挤压凸模。n冷挤压过程中凸、凹模的受力很大，因此凸、凹模材料必须有很高的强度和硬度，具有一定的韧性和足够的热疲劳强度，同时也要易于锻造和切削加工。常用冷挤压模具材料见表5-27。表5-27表5-27续六、冷挤压设备的选择六、冷挤压设备的选择 冷挤压对压力机的要求：冷挤压对压力机的要求：n1、压力机必须有足够的强度和刚度。n2、导向精确，滑块行程调节精度范围小于0.05mm。n3、具有较大的行程和足够的能量。n4、具有可靠的自动下顶料装置。n5、具有适合的挤压速度，使坯料取得大的热效应，从而提高塑性，减少变形抗力，提高模具寿命。n6、冷挤压模具的外形都较大，压力机必须有足够的闭合高度。n7、由于冷挤压模具破裂的危险性较大，必须装有防护板。为避免由于坯料磷化层脱落或材料成分不均匀等一些未能预料的原因，必须有过载保护装置。冷挤压可在机械压力机、液压机以及镦锻机等冷挤压机上进行。压力机的选择主要根据压力机许用负荷曲线，来校核该行程位置所需的冷挤压力。压力机的选择还决定于挤压制件的形状、尺寸、材料、变形程度及生产率等。对于设备的选择，机械压力机主要适用于挤压力和行程都较小的制件，液压机适用于挤压行程较大的制件。表表5-28为我过冷挤压压力机的主要参数为我过冷挤压压力机的主要参数七、冷挤压工件的工艺性和冷挤工序制订七、冷挤压工件的工艺性和冷挤工序制订1、适于采用冷挤压工艺工件的条件、适于采用冷挤压工艺工件的条件1）冷挤压工件的形状）冷挤压工件的形状n冷挤压工件的形状是决定冷挤好坏的主要因素。冷挤压工件的形状应尽量有利于金属变形均匀，在挤出方向上流速一致。所以冷挤压工件的形状最好是轴对称旋转体，其次是对称的非旋转体，如方形、矩形、正多边形、齿形等。冷挤压工件为非对称工件时，由于挤压力不等，易造成模具破裂。n冷挤压工件应避免挤压小的深孔。如碳钢件直径d1.5d），或挤压前截面A与挤压后的环形截面积A1之比小于1.5时，不宜用冷挤压加工，可在冷挤压后钻出。n冷挤压工件的壁厚必须逐步变化，过渡部分用圆弧连接，应避免剧烈的断面变化。冷挤压钢工件合理圆角半径见表5-29。冷挤压工件的壁厚愈薄，冷挤愈困难。冷挤压钢件的冷挤压工件的壁厚愈薄，冷挤愈困难。冷挤压钢件的最小壁厚见表最小壁厚见表5-30冷挤压工件的合理尺寸可参见表5-31表5-33表5-32 表5-332）冷挤压的材料）冷挤压的材料n冷挤压材料屈服点、变形抗力、冷作硬化敏感性应尽可能的低，并有较高的塑性。目前可做冷挤压的金属主要有碳素钢、低合金钢、不锈钢，以及铅、铝、铜等有色金属及其合金。冷挤压钢料中碳、锰、硅的含碳量应较低，硫、磷的质量分数应小于0.06%，氮、氧含量也应尽量降低。现在冷挤压工艺中还广泛采用硼处理。钢中硼的加入，可改善钢的可硬性，这样可以冷挤压含硼的低碳钢来代替含碳量高的钢，降低挤压力，提高了模具寿命。n3）生产批量）生产批量 由于冷挤压毛坯准备要经许多工序，挤压设备和模具上要花费较多资金，所以冷挤压的生产批量不能太低。2、冷挤压工序的制订、冷挤压工序的制订n制定冷挤压工序应结合冷挤压工件的形状而定。杯形类冷挤压工件，一般采用正挤压或反挤压制坯后，再以反挤压成形；管类、轴类挤压工件一般采用正挤压；杯杆类、双杯类冷挤压工件一般采用复合挤压成形。n确定冷挤压工序数目及顺序，还应考虑冷挤压件的总变形程度。当冷挤压总变形程度超过许用变形程度时，就必须分两次或多次挤压成行。在大批量生产中，为延长模具寿命，可适当增加挤压工序数目。1）冷挤压工序制订示范）冷挤压工序制订示范1n工件名称：缝纫机梭芯n材料：15钢n冷挤压工序：n制备毛坯：如图5-61a所示。n滚光。n预成形，如图5-61b所示。n软化处理。n酸洗、磷化处理、皂化润滑。n反挤压成形，如图5-61c所示。2）冷挤压工序制订示范）冷挤压工序制订示范2n工件名称：深孔气缸 材料：10钢n冷挤压工序：毛坯制备，如图5-62a所示。软化处理。酸洗、磷化处理、皂化润滑。第一次复合挤压，如图5-62b所示。软化处理。酸洗、磷化处理、皂化润滑。第二次正挤压，如图5-62c所示。切割头部，如图5-62d所示。软化处理。酸洗、磷化处理、皂化润滑。第三次正挤压成形，如图5-62e所示。去应力退火。八、冷挤压模具设计示例八、冷挤压模具设计示例1、复合模具设计示例 工件名称：转子 生产批量：大批量 材料：20钢 工件简图：图5-631）工艺计算部分n转子毛坯的体积转子毛坯的体积Vn根据表5-16选取修边余量为3mm，并参考表5-29和5-33绘制出挤压工件图（5-64）。体积：n毛坯的直径 取其为转子的外径尺寸，d0=48.8mm。n毛坯的高度 根据体积不变原则，毛坯高度h0 为：n相对变形程度A的计算：n冷挤压工件的相对变形程度可以近似按照反挤筒形工件计算（见表5-13中序号3）。n查图5-39可知，20钢的一次反挤压允许最大相对变形程度为67%，故转子可以一次挤成形。n冷挤力的计算 按图算法计算。n已知：毛坯直径d0=48.8mm，凸模直径d1=36.5mm，毛坯高度h0=14mm，根据图5-42查得冷挤件的单位挤压力p=1900MPa和总计压力F=1800kN。2）模具结构设计（一）模具结构设计（一）n模具结构选用图5-47所示的黑色金属冷挤压通用模。模具工作部分见图5-65。凸模可采用图5-51所式结构；凹模采用穿通式组合凹模，如图5-55c所示。因单位挤压力p1400MPa，故采用三层组合凹模来增加凹模的强度。n在挤压过程中金属大量流向外壁，芯轴达不到应有高度，故凹模采用直壁结构，以增加阻力，减少金属流向外壁的速度。凸模则在端面做一斜度为 5的锥面，如图5-66所时，这样有利于金属流向芯轴位置。2）模具结构设计（二）模具结构设计（二）n凸、凹模的工作部分的设计及计算，可参照表5-19和5-25，结果如图5-66和5-67所示。由于选用黑色金属冷挤压通用模，其预应力组合凹模的外圈尺寸根据模架定为250mm，d4/d1=250/495，符合d4=(46)d1。根据表5-24查得d2、d3和d1的关系及因数2和3。则预应力圈直径为：d2和d3处的径向过盈量为：轴向压合量为：2）模具结构设计（三）模具结构设计（三）n采用强力压合法，在液压机上按图5-57b所示顺序压合预应力组合凹模。n顶杆按照图5-59所式结构计算。由于兼做对向凹模，顶端工作部分不带锥度。顶杆直径d0=6.5mm，支承面直径d2=4d0=46.5mm=26mm，顶杆的长度由模具结构而定L=90mm。顶杆和凹模配合应紧密，避免金属流入顶杆和凹模间隙。n卸料板为整体式卸料板，厚度为20mm。n该复合挤压模具的材料可参考表5-22和5-27选取。则：n凸模材料：Cr12MoV 凹模材料：Cr12MoV n顶杆材料：Cr12MoV 垫板材料：Cr6WVn预应力中圈：5 CrNiMo 预应力外圈：5 CrNiMo 3）转子冷挤工序）转子冷挤工序n为了转子芯轴能顺利挤压成形，除改进凸、凹模的结构尺寸外，还须将坯料改为如图5-68所示形状。n转子的冷挤工序为：转子的冷挤工序为：n毛坯制备。软化处理：退火，见表1-7。酸洗、磷化处理、皂化润滑，可查阅有关冲压设计资料。冷挤压成行。n4）压力机的选择压力机的选择 根据机床要求，取图算法计算的挤压力并乘以安全因数1.3来选择冷挤压机，即按照F=1800kN1.3=2340kN 选择冷挤压机。由表5-28可选用 J87-250A 型齿轮偏心式挤压机，其主要技术参数见 表5-28。2、正挤压模具设计示例、正挤压模具设计示例n工件名称：螺母n生产批量：大批量n材料：Q235-An工件简图：如图5-69所示。根据螺母的工件图计算该冷挤压件的总体积，得毛坯的尺寸如图5-70所示。该工件的相对变形程度A68%，由图5-38可知，工件的外圈与内孔可同时一次挤压成行。凸模可选取如图5-50a所示结构，只是其工作端面加工成与毛坯截面相同的六边形。凹模采用如图5-54a所式整体式凹模。工件挤压成形后采用环形顶料套顶出。n由于工件精度要求不高，因此模具结构可采用开式挤压模，无专门的导向装置。螺母的冷挤压模具如图5-70所示。n冷挤压工艺流程冷挤压工艺流程：n制备毛坯制备毛坯退火退火酸洗酸洗磷化处理磷化处理皂化润滑皂化润滑正挤压正挤压成行。成行。3、反挤压模具的设计示例、反挤压模具的设计示例 工件名称：气门顶杆工件名称：气门顶杆 生产批量：大批量生产批量：大批量 材料：材料：20钢钢 工件简图：如图工件简图：如图5-71所示所示n毛坯的尺寸计算结构如图5-72所示。经计算该冷挤压工件的断面收缩率A75.6%，根据图5-39可知，其变形程度位于过渡区内，所以需要对毛坯进行较好软化处理机润滑处理，才能实现一次反挤压成行。n气门顶杆的反挤压模具结构如图5-72所示。模具采用导柱和导套导向。凸模1采用如图5-51所示结构，其端部加工成与零件相同的形状。由于单位挤压力较大，所以采用两层组合凹模，从而提高模具强度。顶杆3除了作顶出装置外，还兼作对向凹模。该模具采用整体式卸料板为卸料装置。模具详细的设计计算可参照本节内容和示例。气门顶杆的冷挤压工艺流程：制备毛坯气门顶杆的冷挤压工艺流程：制备毛坯退火退火酸洗酸洗磷化处理磷化处理皂化润滑皂化润滑反挤压成行。反挤压成行。