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冷挤压模结构设计
2005年8月18日10:12 . .
上下模板是冷挤压压力的主要支承部分，由于冷挤压的单位压力较高，上下模板不能采用铸铁材料。

上下模板加导柱、导套就组成有导向的冷挤压模架，无导柱、导套者则为无导向模
架
图1为在导柱、导套导向通用反挤压模具。

卸年亦有导向，其导向的基准仍为模架的导柱。

反挤压时挤压件的端面往往是不平的，缺件时使凸模受力不均匀，可能造成凸模偏移而折断。

缺件有强有力的导向时，提高了凸模的稳定性，这是因为卸件板与凸划亦有导向的缘故。

反
挤压适用模架兼作为下挤压及复合挤压使用。

图2为有导柱导套导向正挤压通用模具。

图3为镦挤复合模具。

通用反挤、正挤和镦挤复合模架中的组合凹模在相同吨位的压力机上都设计成可以互换的，
提高了模具的使用范围。

模架精度可分为三级，其技术指标见表1，用于不同挤压件选用，常用的为Ⅱ级。

卸件板与顶件杆：挤压有时粘在凸模上，有时粘在凹模中，有此部件，能将打主挤压件取出。

卸件板与顶件杆都是用于制件脱模的零件。

凸模与凹模垫板：通用冷挤压模具中，采用了多层垫板。

为了防止高的挤压单位压力直接传递给模板而造成局部凹陷或变形，必须在凹模底端加上垫板，以便把加工压力均匀分散传递，
起到缓冲作用。

凸模固定器及定位环：凸模固定器是将凸模安装在上模上，而定位环则可考虑挤压件的不同
直径快速交换，提高了模具的通用性能。

凸模与凹模：冷挤压模具的工作部件，在设计时必须认真对待。

应选用具一定韧性的高强度钢材制造。

凸模与凹模承受了最大的冷挤压单位压力。

为了加强凹模的强度，通常采用预应
力组合凹模，可以用二层或三层组合而成。

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2006-9-3 23:20
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在冷挤压模具中，凸模是最关键的零件之一。

凸模在冷挤压过程中，承受的单位挤压力最大，极易磨损与破坏。

为此凸模的设计和加工就显得特别重要。

1．反挤压凸模
图1是用于黑色金属冷挤压的几种凸模。

A、b两种凸模效果较好，在生产中尽量使用。

C的平端面工作部分的凸模，由于冷挤压件需要平的底部，在生产中也常用，但单位挤压力比锥形带平底的凸模约高20%。

无平台的锥形凸模α一般为5°～9°，也有用到27°的。

但d要超过27°。

角α过大，会因为毛坯端面
不平面导致杯形件的壁厚差过大，使凸模受到很大的侧向力，在挤压过程中折断。

反挤压凸模工作高度及凸模后隙直径见公式1。

图2为纯铝等有色金属反挤压凸模工作部分的几种型式。

其设计原则与上述基本一致。

纯铝的塑性较好，强度较低，其反挤压杯压形件往往是薄壁深孔件，应尽可能减小凸模工作带的高度。

一般取g=0.5～1.5mm。

角α=12°～25°。

有色金属反挤压凸模工作带高度一般是均匀的，如果在挤压变形不均的杯形件时，凸模工作带的高度在变形程度大的部位和变形阻力较大的部位，应适当减小凸模工作带的高度，即制造成不等的凸模工作带。

对于纯铝的反挤压细长凸模，为了增加其纵向稳定性，可以在工作端面上作出工艺凹槽（图3）。

凸模借工艺凹槽在开始挤压的瞬间将毛坯'咬住'而提高其稳定性。

凹槽的形状须对称于凸模中心，保持良好的同心度，否则反而会在挤压时发生偏移，造成凸模折断。

工艺凹槽的槽宽一般取0.3～0.8mm，深0.3～0.6mm。

工艺凹槽顶部应用小圆弧光滑相连。

2．正挤压凸模
在黑色金属冷挤压中，反挤压凸模的长径比一般较小，而正挤压的凸模长径比就往往较大。

为了不使凸模纵向失稳，有进还需加上凸模保护套。

图4是正挤压所用凸模的几种型式。

实心凸模可按型式a设计，在各台阶相接处应用光滑弧连接，不允许有加工刀痕存在。

对于正挤压纯铝空心件的凸模，可采用型式b设计，凸模与芯轴制作成整体。

挤压黑色金属空心件，整体式凸模就不宜采用，在凸模本体与芯轴的直径急剧过渡区就很易断裂。

应当采用型式c与型式d的组合式，使凸模本体与芯轴组合而成。

组合芯轴分固定式c与活动式d。

固定用于芯轴直径较大，而活动式用于芯轴直径较小的环形件。

活动芯轴可随变形金属同时向下滑动一锻距离，从而改善了芯轴的受拉情况，防止芯轴被拉断。

图5为下挤压凸模顶端形状的又一种型式。

此型式有下列特点：
（1）端面有0.5°～1°斜角，其作用是保证凸模的稳定性。

特别是毛坯二端不平时尤为重要。

（2）同凹模配合的有效长度为3～5mm，而不是全直筒式的。

凸模在高的单位挤压力作用下，有时会使凸模直径胀大，增加了凸模下移的阻力。

仅有3～5mm有效长度，就能确保凸模的使用精度。

（3）后角3°的存在，采用小圆弧相联，具有较低的应力集中系数，保证凸模具有较高的寿命。

为此，这种型式的凸模亦广为采用。

1．反挤压凹模
图1是常见的反挤压凹模结构型式。

A、b、c、d四种凹模主要用于不需要顶出装置的挤压件。

反挤压有色金属薄壁件可以采用这些型式凹模。

整体凹模结构筒单，制造方便，但在R转角处极易开裂，故不常用。

为防止整体凹模在底部R转角处因应力集中而开裂，对凹模采用横向分割型式d型及纵向佞割型（如
c、e型）。

反挤压凹模的模膛深度：见公式1。

2．正挤压凹模
图2为几种常见的正挤压凹模的结构，型式a为整体结构，凹模容易发生横向开裂。

其余的
凹模型式为横向分割型和纵向分割型。

图3为一般的正挤压凹模结构。

凹模入口角：α=90°～120°
工作带高：
g=1.0～3.0mm，有色金属。

g=2.0～4.0mm，黑色金属。

后隙：b=0.05～0.1mm
凹模模膛深度：见公式2。

凹模工作带以下高度：0.7倍的模膛直径。

带矫正的正挤压凹模结构见图4。

多台阶的正挤压凹模结构见图5。

设计组合凹模时，首先须决定多层直径，然后再决定多圈的径向过盈量与轴向压合量。

1）两层组合凹模的设计
（1）计算凹模多圈直径：组合凹模的总直径比α=4～6，对二层组合凹模则：见公式1。

因此：
凹模内腔直径d1为已知，二层组合凹模的外径既可按上式决定。

Ｄ2直径的数值必须选择
合理，否则会影响到凹械的强度。

二层组合凹模的中层直径比：见公式2。

（2）计算径向过盈量与轴向压合量：首先按图2查出径向过盈系数，
按图3查出轴向压合系数
与C2的数值可按公式2计算。

2）三层组合凹模的设计
组合凹模的总直径比α=4～6，则得公式3。

三层组合凹模的外径可按上式计算。

直径d2与d3的数值必须选取合理，否则会影响凹模的
强度。

直径的合理值按公式4计算。

计算径向过盈量U2、U3与轴向压合量C2、C3：图5为三层组合凹模的轴向压合量C2和C3。

图6为三层组合凹模的过盈系数。

从图6与图7分别可查出径向过盈系数与轴向压合系数，
然后按公式4计算。

3）组合凹模的压合工艺
组合凹模的压合方法有二种：一种是冷压合，另一种是热压合。

冷压合的压合角一般采用1°30ˊ，压合角不宜超过3°。

配合面必须研磨，其面的相互接触面积，不小于70%。

对冷压合来说，按压合角的放置方向有正装法与倒装法之分。

应当注意各圈压合后，凹模内腔直径有所缩小，收缩量约为0.3%。

当挤压件精度要求高时，压合
后应对凹模内腔的尺寸进行修正。

中外圈的材料选择：
中层预应力圈：40Cr、35CrMoA热处理硬度HRC40～42；
外层预应力圈：45、40Cr热处理硬度；
中层预应力圈：HRC36～38
中圈与外圈在反复使用的条件下，应进行200度的低温回火，以去除内应力。

各圈压合时，在压力机外必须装设有机玻璃挡板，以保证安全。

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随着板材锻压成形的普及，要求锻造冲床能进行拉深成形或缩短工程数，因此要求滑块和工作台必须带油缸。

原来的闭塞锻造几乎都是采用高能力的常压动作，板材锻造除了要求与工法相适应的常压动作之外，还要求带有顺序动作、自锁等功能。

图1是外形带齿形的产品。

图1：带齿形杯状
这是由如图2所示的模具成形的，模芯比凸模先进入凹模中，反顶杆提供背压进行正挤压动
作。

图2：杯状物的正挤压模具
变形程度及挤压力的计算
挤压件的变形程度计算方法和许用变形程度：
1．变形程度的表示方法：
挤压变形程度是表示挤压时金属塑性变形量大小的指标。

变形程度可用不同的方法表示：见公式1。

2．变形程度计算公式：见表1
3．许用变形程度：
对于不同的冷挤压材料在不同的工艺参数条件下，应按同一许用单位挤压力来决定其冷挤压变形程度。

对于中小型零件的正常批量生产可采用2000至2500Mpa作为许用单位挤压力。

正挤压许用变形程度：图1为碳钢正挤压的许用变形程度。

反挤压许用变形程度：图2为碳钢反挤压的许用变形程度。

碳素钢及某些低合金钢的许用变形程度也可参考表2。

有色金属的许用变形程度见表3。

．图算法确定挤压力
A．黑色金属挤压力的图算法：
图1、
图2、
图3、
为正挤实心件、正挤空心件、反挤压的挤压力的计算图。

用这组图表计算挤压力时，毛坯应经软化退火，并在挤压前进行磷化、润滑处理。

它的计算方法见图上虚线所示。

B．有色金属挤压力的图算法：
图4 、
图5 、
图6、
图7、
图8、
图9、
分别为正挤实心件、正挤空心件、反挤压的单位挤压力P的计算图表。

冷挤压的总挤压力可按公式1计算：
2．计算法确定挤压力
用下列公式求冷挤压的单位压力：
A．正挤压实心件的单位挤压力：见公式2。

B．反挤压的单位挤压力：见公式3。

C．复合挤压的单位挤压力：复合挤压的压力低于单向正挤压和单向反挤压的压力。

见公式4。

3．镦粗变形力的计算
A．自由镦粗时变形力：见公式5。

B．其它形式镦粗时变形力：见公式6。

C．其它变形方法的单位压力：表2列出了不同钢种、各种变形方式的单位压力，可作计算时参考。

表1
1. 图算法确定挤压力：
图1、
是钢的温挤压单位压力计算图。

图上的曲线是在图中所示模具参数的条件下获得的，挤压前模具预热到60至100度，用油与石墨的混合剂润滑，加工温度在600度以下者，毛坯作磷化处理，600度以上者，毛坯不预先处理。

图中虚线上的箭头表明了查图方法。

决定了单位挤压力便可按公式1计算挤压力：
表1是几种材料在650至850度时的单位挤压力。

2.计算法确定挤压力：钢的温（反）挤的单位挤压力可按经验公式2计算。

1.图算法确定挤压力：
图1
图1为热（反）挤压力的计算图，使用方法：根据挤压件的尺寸，求得挤压件的变形程度及系数；由第①坐标可求得压力系数n；向左，可在第②坐标中根据不同钢材的高温强度极限求得未经修正的单位挤压力；由变形程度与挤压行程可在第⑤⑥坐标中求得变形速度；在第⑦坐标中求得速度系数K；在第③坐标中由未经修正的单位挤压力与速度系数K可以求得单位挤压力p；另在第④坐标中由单位挤压力p与冲头直径可求得挤压力P。

图2
图2为热（正）挤压力的计算图，使用方法：根据挤压件的尺寸，求得变形程度；在第
①②坐标中，由变形程度与凹模锥角、毛坯相对高度可求得压力系数n；在第③坐标中
可由压力系数n与不同钢材的高温强度极限求得未经修正的单位挤压力；在第④坐标中由未经修正的单位挤压力与速度系数K求得单位挤压力p，在此，速度系数K也按图1求得；在第⑤坐标中由单位挤压力p与冲头直径可求得挤压力P。

图3
2.计算法确定挤压力:
（1）挤压模锻时总压力：见公式1。

（2）正挤压挤压力，见公式2。

冷挤压简介
概论
冷挤压就是把金属毛坯放在冷挤压模腔中，在室温下，通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的加工方法。

一、基本类型
1.正挤压：正挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向一致（图1a、b）。

正挤压可以制
造各种形状的实心件和空心件（图2）。

2.反挤压：反挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反（图1c）。

反挤压可以获得
各种形状的杯形件。

如图2-8缸体，图3-5所示盖。

图1 冷挤压变形类型示意图
1—凸模 2—凹模 3—毛坯 4—挤压件 5—顶件杆
3．复合挤压：挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，而另一个部分金属流动方向与凸模运动方向相反（图1d）。

复合挤压可制得各种杯一杯、杯一杆、杯一筒零
件（图3）。

4．径向挤压；挤压时，金属的流动方向与凸模运动方向相垂直（图1e）。

径向挤压又可分为向心挤压和离心挤压（图4），径向挤压用来制造斜齿轮、花键盘等零件。

图2 冷挤压件实例之一
1—导管 2—后车轴 3—筒体 5，6—空心轴 7—导向缸体 8—缸体 9—驱动轴
图2 冷挤压件实例之二
1-螺母 2-保持器 3-导套 4-特殊螺母 5-盖 6-紧固螺母 7-支撑住 8-支承器 9-齿轮毛坯
10-螺母
5．锻压：镦压时，金属毛坯径向向外流动（图1f）。

镦压用于制造带法兰的轴类零件或凸
缘的杯形零件（图4）。

正挤压、反挤压与复合挤压是冷挤压技术中应用最广泛的三种方法。

它们的金属流动方向与凸模的轴线平行。

因此，有不少资料上又称这三种方法为轴向挤压。

如前所述，轴向挤压可以制得各种实心和空心零件，如球头销、梭心壳、弹壳等。

径向挤压是最近十几年才发展起来的，主要用于通讯器材的号码盘、自行车的花键盘等。

以上是几种基本的冷挤压变形方式，随着冷挤压技术的发展，有时还将冷体积模锻等归属为
冷挤压。

冷挤压无论在汽车、拖拉机、轴承、电讯器材、仪表等机电制造中，还是在自行车、缝纫机等轻工业中，以及国防工业系统中都有广泛的应用，这是因为它具有明显的优点。

二、冷挤压技术的特点
1.挤压零件尺寸准确表面光洁：目前我国研制的冷挤压件一般尺寸精度可达8～9 级，陇度一般可达，若采用理想的润滑可达（指纯铝和紫铜零件），仅次于精抛光表面。

因此用冷挤压方法制造的零件，一般不需要再加工，少量的只需精加工（磨削）。

图4
2.节约原材料：冷挤压件材料利用率通常可以达到80％以上。

如解放牌汽车活塞销（图5a）动切削加工材料利用率为4
3.3％，而用冷挤压时材料利用率提高到92％；又如万向节轴承套（图5b）改用冷挤压后，材料利用率由过去的27.8％提高到64％。

可见，采用冷挤压方法生产机械零件，可以节约大量钢材和有色金属材料。

3.生产率高：用冷挤压方法生产机械零件的效率是非常高的，特别是生产批量大的零件，用冷挤压方法生产可比切削加工提高几倍、几十倍、甚至几百倍。

例如，汽车活塞销用冷挤压方法比用切削加工制造提高3.2倍，目前又用冷挤压活塞销自动机，使生产率进一步提高。

一台冷挤压自动机的生产率相当于100台普通车床或10台四轴自动车床的生产率。

4.可加工形状复杂的零件：如异形截面、内齿、异形孔及盲孔等，这些零件采用其它加工法
难以完成，用冷挤压加工却十分方便。

图6所示的零件，能方便的挤出。

5.冷挤压件强度高、刚性好而重量轻：由于冷挤压采用金属材料冷变形的冷作强化特性，即挤压过程中金属毛坯处于三向压应力状态，变形后材料组织致密、且具有连续的纤维流向，因而制件的强度有较大提高。

这样就可用低强度材料代替高强度材料。

例如过去采用20Cr 钢经切削加工制造解放牌活塞销，现改用20号钢经冷挤压制造活塞销，经性能测定各项指
标，冷挤压法高于切削加工法制造活塞销。

图5 用冷挤制造的零件
这表明用冷挤压加工活塞销可用20号钢代替20Cr钢。

从以上特点，可以看出，冷挤压技术与目前各种加工方法比较，具有突出的优越性。

这就为冷挤压代替切削加工、锻造、铸造和拉深工艺来制造机器零件，开辟了一条广阔的道路。

图6 冷挤压件实例之四
三、冷挤压技术的发展
冷挤压技术发展的初期是非常缓慢的，长期以来只对几种软金属（铅和锡）进行挤压。

直到19纪末20世纪初，才开始挤压较硬的有色金属（锌、铝、紫铜、黄铜等）至于钢的挤压，由于冷挤压时需要很大的压力，在当时不能解决挤压钢用的模具材料、合适的润滑剂与大吨位的压力机等问题，长时间一直认为挤压钢是十分困难甚至是不可能的。

1906年，英国人科斯利特（T.W.coslett）发现用磷酸盐处理钢件制品是一种较理想的防锈方法，但工序繁多，而经济效益又差，故未被广泛采用。

不过，这种防锈法的出现却极大地
激发了人们去研究更简单而有效的新方法的积极性。

到后来，用自动连续装置对钢毛坯进行磷酸锌防锈处理只需要两分钟。

经磷酸锌处理过的毛坯表面附有脂肪润滑剂或钠皂薄膜，且这层薄膜不易脱落，挤压这种毛坯时，压力较小。

这个发现使人们找到了一种理想的钢毛坯
表面处理法一磷化皂化法。

磷化皂化处理钢毛坯表面方法的出现使钢的挤压成为可能。

1934年，德国人采用磷化皂化法成功地冷挤出钢管。

二次世界大战期间，德国人需要大量弹壳，当时黄铜又供应不足，于是德国人秘密试验用冷挤压生产钢弹壳、后来，采用合金工具钢作模具材料，用冷挤压成功
地挤出大批量钢弹壳类零件。

图7 冷挤压件的应用
第二次世界大战以后，美国人窃取了德国人关于钢的冷挤压的全部资料，开始在美国用冷挤压秘密生产军火，开办了很多生产钢弹壳和弹体的军工厂。

钢的冷挤压于1947一年才正式用于民用工业。

美国于1949年发表了各种钢材冷挤压后机械性能的实验数据。

德国于1950年、1953年先后公布了钢的冷挤压的基本技术数据及冷挤压力和挤压功的实验结果。

1957年，日本引进了专用冷挤压机，开始在精密仪器和仪表中采用冷挤压技术。

日本见这种新技术经济效益显著，很快把这种技术用于制造汽车和电气制件。

现已成为遍及各个工业
部门的重要加工手段。

图7介绍了冷挤压的发展和应用情况。

从图上看出，自1950年以后，冷挤压件生产的迅速发展。

虚线表示预测产量，但后来均突破这个预测量，尤其日本突破得更多。

目前生产的冷挤压件80～85％用于汽车工业，其余用于电器工业、机器制造业、仪表工业和建筑业等。

在我国，建国前的冷挤压加工是十分落后的，当时，仅有少数工厂用铅、锡等有色金属挤压
牙膏管或线材、管材一类产品。

建国后，冷挤压技术得到了发展。

50十年代开始了铝、铜及其合金的冷挤压；60年代黑色金属冷挤压已应用于生产。

十年浩劫，极大地影响了冷挤压技术的发展。

1978年以后，在“独立自主，自力更生”的伟大方针指引下，冷挤压技术得到了迅速发展。

近几年来，随着改革开放政策的进展，随着国家工业生产及科学技术的蓬勃发展，冷挤压技术也得到了
迅猛发展。

70年代末，国内不少高等学校、研究所和工厂开展了冷挤压技术的实验研究，发表了大量的有价值的论文，初步形成了一支研究和应用冷挤压技术的队伍。

目前，我国已能对铅、锡，铝、铜、锌及其合金、低碳钢、中碳钢、工具钢、低合金钢与不锈钢等金属进行冷挤压，甚至对轴承钢、高碳高铝合金工具钢、高速钢等也可以进行一定变形量的冷挤压。

制造的冷挤压件是各种各样的，最重可达30公斤，最轻只有1克。

在模具材料使用方面，除了用高速钢、轴承钢、高碳高铬合金工具钢外，还采用了不少新型模具钢
如CG2、65Nb、LD等。

在挤压工艺参数选择和模具结构设计方面，初步采用了优化设计及计算机辅助设计与制造（即CAD/CAM），使模具结构更合理、挤压工艺参数更接近于实际。

在挤压设备方面，我国已具备设计和制造各级吨位挤压压力机的能力。

除采用通用机械压力机、液压机、冷挤压力机外，还成功地采用摩擦压力机与高速高能设备进行冷挤压生产。

科学的发展，对冷挤压技术产生了重大影响，具体地说就是计算机在工艺分析、模具设计、制造及工艺过程控制中的应用对冷挤压技术产生的影响。

我国将进一步发展应用这门新技
术。

发展冷挤压技术主要应从以下几方面着手：
1.扩大冷挤压技术的应用范围，在一定范围内，逐步代替铸、锻、拉深及切削加工；
2.提高冷挤压制件的精度和表面质量，生产出几何形状更复杂的制件；
3.扩大冷挤压用的原材料种类，研究更理想的表面处理与润滑方法；
4.进一步使用CAD/CAM和优化设计，提挤压成型模具高和加快模具设计与制造，研制出更合
理的模具结构；
5.寻找更适合于冷挤压用的模具材料及其热处理方法，以延长模具的使用寿命；
6.进一步发展温热挤压、等温挤压、静液挤压及高速挤压等新工艺技术的研究和应用；
7.研制适合于冷挤压的多功能的冷挤压机，使毛坯和制件能安全自动地进料与出件，以便进
一步提高生产率
厚向异性系数
厚向异性系数r（也叫塑性应变比r，简称r值）是评定板料压缩类成形性能的一个重要参数。

r值是板料试件单向拉伸试验中宽度应变εb与厚度应变εt之比，即
r=εb/εt
板料r值的大小，反映板平面方向与厚度方向应变能力的差异。

r=1时，为各向同性；r≠1时，为各向异性。

当r＞1，说明板平面方向较厚度方向更容易变形，或者说板料不易变薄。

r值与板料中晶粒的择优取向有关，本质上是属于板料各向异性的一个量
度。

r值与冲压成形性能有密切的关系，尤其是与拉深成形性能直接相关。

板料的r 值大，拉深成形时，有利于凸缘的切向收缩变形和提高拉深件底部的承载能力。

图1示出拉深时的应力状态，对照各向异性板料的屈服椭圆（图2）知；拉深件凸缘的应力状态类似于屈服椭圆第二象限区的情况，而底部的应力状态则类似于第一象限区的情况。

r值增加，会同时使底部的强度增加和凸缘的变形抗力减小，这对拉深是非常有利的。

大型覆盖件成形，基本上是一咱拉深与胀形相结合的复合成形，当拉深变形的成分占主导地位时，板材r值大，
成形性能好。

板平面中最主要的三个方向是与轧制方向呈0°、45°和90°，相应地用r0、r45和r90表示。

由于不同方向上测得的数值是变化的（图3），板料的厚向异性系数常用。