提高冷挤压凹模强度方法的研究现状与进展
多层压组合冷挤压凹模疲劳强度优化设计
Ｆａ ｉ ｕ ｒ ｎ ｔ ｔｇ ｅ Ｓｔｅ ｇ ｈ Ｏｐｔｍ ｕ Ｄｅｓｇｎ ｏ ｕｔ— ａｙ ｒＰｒ ｓ－ ｔ ｉ ｍ ｉ ｆＭ ｌｉＬ ｅ ｅｓ — － Ｆｉ Ｃｏｍ ｐ ｓ ｔ ｏ ｉｅ Ｃｏｌ ｔｕ ｉ ｄ Ｅｘ ｒ ｓｏｎ Ｃｏｎ ａｖ ｅ ｃ ｅ Ｄｉ
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冷挤压平端面组合凹模有限元优化设计
１ 引言
冷挤压本身 的特点决定了它对横具 的要求很高 ，
凹模承载大、 内壁易开裂或失效 ， 如果选材 、 设计 、 制
以传统 的优 化设计 方法把组合 凹模看作厚壁 圆 筒， 用经典解析法拉美 （ ｍ ） １ ｅ 公式求解 ， ａ 结果如表２ 所
示。
表 ２ 基于 Ｌ ｍｅ公式的凹模结构参数优化结果 ａ
看作厚壁 圆筒 ， 基于经典解析法拉美 （ ｍ ） １ ｅ 公式求解 ａ
２ 组合 凹模 有限元优化模型的建立
２ １ 有 限元 参数 化 轴对 称模 型的建 立 ．
组 合 凹模 的各层从 几何形状上看都是 以凹模 内 侧 、１ ０ ￥ ６ 面上相对应 的两条母线形成的平面绕中心轴 － 旋转而形成 的回转体 ， 而且作用在 凹模 内壁上的载荷 也是关于轴心线对称的。 因此可以简化为轴对称问题 。
进模具结构是改善冷挤压 凹模工作性能 的根本 。 凹 在
计算 Ｏ３ ． ０ ７ 结 果 ６ ４ ０６ ．３ １８ ７ ． ９ ７４ ０ ３ ．１ ．０ ０ ．０ ０１５ ０ １ ８８ ６ ． ． ４ Ｏ５ ５ ０３ ７ ４ ２ ５
模结构优化方面 ， 的优化设计方法是把组合 凹模 传统
【 ｂｔ ｃ】Ｐ ｒ ｅ ｒｅ ｐ ｍ ｌ ｅｉ ｆ ｎ ｅｅ ｍ ｎ ｍ ｔ ｄｏ ｒ —ａ ｏ ｂ ａ ｏ Ａ ｓ ａｔ ａ ｍ ｔ ｉ ｏｔ ａ ｄｓ ｎｏ ｆ ｉ ｌ ｅｔ ｅ ｏ ｆｔ ｅ ｌ ｃｍ ｉ ｔｎ ｒ ａ ｅｚｄ ｉ ｇ ｔ ｅ ｈ ｉ ｈｅ ｙ ｎｉ
Ｏｐ ｉ ａ ｓｇ ｆ Ｆ ｎ ｔ ｅ ｅ ｔ Ｍ ｅ ｈ ｄ ｆ ｒ Ｃｏ ｔ ｍ ｌ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｉ Ｅｌｍ ｎ ｅ ｔ ｏ ｏ ｍｂ ｎ ｔ ｎ ｉａ ｉ ｏ
2023年国内外铝挤压磨具技术现状与发展趋势
国内外铝挤压磨具技术的比较与分析
Comparison and Analysis of Aluminum Extrusion Grinding Tool Technology at Home and Abroad
国内铝挤压磨具技术现状
海量市场需求
技术水平不断提升
未来发展趋势
总结
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发展方向：磨具自动化与智能化技术的 应用
Development direction: Application of automation and intelligence technology for grinding tool业追求的目标之一，而采用自动化挤压磨具生产方式则被证明是一种可以大幅提升生产效率的方式。根据最新的统计数据显示，自动化挤压磨具生产线每小时可以完成X个磨具的生产， 而传统手工生产方式却只能完成X个磨具的生产。这个巨大的差距意味着，采用自动化生产方式可以将生产效率提高X%。 自动化挤压磨具生产方式的高效之处在于它的快速、准确和稳定的生产能力。通过设备的自动化操作和程序控制，所有的生产步骤可以在同一时间完成，使得每一件产品的生产时间被大大缩短。传统手工生产方 式则需要依赖人工操作，不仅需要花费更多的时间和精力，而且易于出现人为因素导致的错误。相比之下，自动化生产方式不仅提供了高效率的生产流程，还保证了产品质量的稳定性。 另外，自动化挤压磨具生产方式还具有十分明显的经济效益。 首先，采用自动化生产方式可以大大降低生产成本。传统手工生产方式需要支付大量的人工成本和时间成本，而自动化生产方式则减少了对人工的依赖，从而节约了人力资源成本。其次，自动化挤压磨具生产方 式还能够提高工作效率，这反过来也进一步降低了每个磨具的生产成本。通过提高生产效率，企业可以在同样的时间内生产更多的产品，从而实现更大规模的生产和销售，进一步提高了企业的盈利能力和市场竞 争力。 此外，自动化挤压磨具生产方式还有助于提升产品的一致性和稳定性。由于所有的生产步骤都由机器完成，自动化生产方式能够确保每个磨具的尺寸、形状和质量都保持一致。与此相比，传统手工生产方式由于 人为因素的干预，产品的质量容易受到波动和不稳定的影响。通过采用自动化生产方式，企业可以提供一致性和高质量的产品，从而树立品牌形象，赢得消费者的信任。
国际最新冷挤压技术及应用
国际最新冷挤压技术及应用冷挤压技术是一种常用的金属成形加工技术，它通过施加压力将金属材料挤压进入模具中，从而获得所需形状和尺寸的产品。
与传统的热挤压相比，冷挤压技术具有许多优点，例如低能耗、高机械性能、精确的尺寸控制等。
近年来，随着技术的不断改进和推广应用，冷挤压技术在国际上得到了广泛的关注和应用。
在国际上，最新的冷挤压技术包括以下几个方面：1. 精密冷挤压技术：随着对产品精度和质量要求的提高，精密冷挤压技术得到了广泛应用。
通过改进模具设计、材料选择和加工工艺等方面的优化，可以实现更高精度的产品制造，达到亚毫米级别的尺寸控制。
2. 变形控制技术：对于某些特殊形状的产品，如细长杆状零件或异形工件，变形控制是冷挤压中的一个重要问题。
通过改变加工工艺和优化模具设计，可以有效地控制材料的变形，保证产品的成型质量。
3. 复合冷挤压技术：为了满足某些特殊需求，如多层复合材料或异种材料的组合，复合冷挤压技术应运而生。
通过设计合适的模具和控制加工工艺，可以将不同材料压制在一起，实现多种材料的混合使用，提高产品的性能和功能。
4. 超高压冷挤压技术：为了满足高强度和高硬度要求的产品制造，超高压冷挤压技术被广泛研究和应用。
通过增加加工压力，可以提高材料的塑性变形能力，从而获得更高的强度和硬度。
5. 微型冷挤压技术：随着微型零件和微型器件的需求增加，微型冷挤压技术成为一个新的研究热点。
通过改变模具结构和优化加工工艺，可以实现微米级别的产品制造，满足微米加工的需求。
目前，冷挤压技术在许多领域得到了广泛应用。
例如，汽车工业中的发动机和变速器轴承、电子工业中的散热器和导热管、航空航天工业中的结构件和连接件等都可以采用冷挤压技术制造。
此外，冷挤压技术还可以用于生产家电、建筑材料等其他行业的产品。
总的来说，国际上最新的冷挤压技术包括精密冷挤压、变形控制、复合冷挤压、超高压冷挤压和微型冷挤压等方面的研究和应用。
这些技术的发展将进一步推动冷挤压技术在各个领域中的应用，满足不同行业对产品精度、强度、硬度等性能要求的不断增长。
冷挤压凹模的设计方案
1. 背景介绍冷挤压是一种常见的金属成形工艺，它可以用于制作各种形状的零件。
凹模在冷挤压工艺中起到关键作用，它决定了产生的零件的几何形状和尺寸。
因此，设计一个合适的冷挤压凹模对于生产高质量的零件至关重要。
2. 设计目标设计一个高效、可靠和经济的冷挤压凹模，以满足以下目标：•减少材料浪费：尽量减少冷挤压过程中的材料浪费，提高材料利用率。
•提高零件质量：确保冷挤压过程中产生的零件质量稳定可靠。
•减少生产成本：尽量减少凹模的制造成本，降低生产成本。
•提高生产效率：设计一个高效率的冷挤压凹模，提高生产效率。
3. 设计步骤3.1 确定零件要求首先要确定要生产的零件的形状、尺寸和材料等要求。
这些要求将直接影响凹模的设计和制造。
3.2 材料选择根据零件要求和工艺要求，选择适合的材料作为凹模的材料。
常用的材料包括工具钢、硬质合金等。
3.3 凹模的结构设计根据冷挤压工艺的特点和要求，设计凹模的结构。
主要包括凹模的几何形状、凹模的运动方式、冷挤压辅助装置等。
3.4 凹模的尺寸设计根据零件的尺寸和形状，设计凹模的尺寸。
凹模的尺寸应确保零件在冷挤压过程中能够得到正确的形状和尺寸，并保证冷挤压的稳定性和一致性。
3.5 凹模的加工工艺设计根据凹模的结构和尺寸，设计凹模的加工工艺。
包括凹模的加工方法、加工工序、加工设备等。
4. 设计考虑因素在设计冷挤压凹模时，需要考虑以下因素：•凹模的强度和硬度：确保凹模能够承受冷挤压过程中的压力和摩擦力，保证凹模的使用寿命。
•凹模的表面质量：凹模的表面应平整光滑，以确保零件的表面质量。
•凹模的冷却方式：采用适当的冷却方式来控制凹模的温度，以确保凹模的使用稳定性。
•凹模的润滑方式：选择适当的润滑方式来减少凹模与零件之间的摩擦，提高冷挤压的效果。
•凹模的磨损和维护：定期检查凹模的磨损情况，及时维修和更换凹模。
5. 结论冷挤压凹模的设计是一个复杂的工程，需要综合考虑各种因素。
通过科学合理的设计，可以制造出高质量、高效率、低成本的冷挤压凹模，满足生产的需求。
当代冷冲压模具技术发展现状
当代冷冲压模具技术发展现状引言随着制造业的快速发展，冷冲压模具技术作为一种先进的制造工艺逐渐得到推广和应用。
本文将探讨当代冷冲压模具技术的发展现状，包括其定义、特点、应用领域以及未来的发展趋势。
希望通过本文的介绍，读者能更好地了解冷冲压模具技术，并为相关行业的技术提升提供参考。
什么是冷冲压模具技术冷冲压模具技术，简称冷冲模技术，是一种利用模具将板材加工成零件的先进制造技术。
与传统的热冲压模具技术相比，冷冲模技术在生产过程中不需要进行加热处理，因而能够节省能源、减少环境污染，并提高零件的精度和质量。
冷冲压模具技术的特点冷冲压模具技术具有以下几个显著的特点：1.高精度：冷冲模技术采用较高精度的模具，能够生产出更精密、更复杂的零件。
2.低能耗：由于无需进行加热处理，冷冲模技术能够显著降低能源消耗，减少生产成本。
3.环保：冷冲模技术无废气、无废液排放，对环境污染较小。
4.高效率：冷冲模技术具有高效率的特点，能够大幅提高生产效率和产能。
冷冲压模具技术的应用领域冷冲压模具技术广泛应用于以下领域：汽车制造汽车制造是冷冲模技术的主要应用领域之一。
由于汽车零部件通常需要具备较高的精度和质量要求，而且需要大批量生产，因此冷冲模技术尤为适用。
冷冲压模具技术在汽车制造领域能够实现零部件的高精度、高效率生产，并能够提高汽车的整体性能。
家电制造家电制造也是冷冲模技术的重要应用领域。
冷冲模技术能够生产出各类家电零部件，如冰箱壁板、洗衣机外壳等。
相比传统的加工方法，冷冲模技术能够提高零件的精度和质量，并且在生产过程中能够减少能源消耗。
电子设备制造随着电子设备的普及和更新换代的加速，冷冲压模具技术在电子设备制造领域的应用也日益增多。
冷冲模技术能够生产出电子设备的外壳、连接器等零部件，并且能够满足不同电子设备的尺寸要求和外观要求。
其他行业冷冲压模具技术还可应用于航空航天、建筑、通信设备等各个行业。
由于冷冲模技术的高精度和高效率特点，使其在生产过程中能够保证零件的质量和准确性，得到各行业的广泛应用。
影响反向冷挤压凹模径向压力的因素研究
影响反向冷挤压凹模径向压力的因素研究尹甜甜;杨永顺;虞跨海;冯科【摘要】With the single factor and orthogonal experimental method, Deform-3D was used to simulate the influence of each factors on radial stress of backward extrusion die. The results showed that the radial stress of 1060 aluminum alloy is increased from 48 to 872 MPa with deformation increasing from 16% to 81% . Its value is increased by 70 MPa with ratio of height to diameter ranging from 0. 4 to 1. 2 , and 400 MPa with friction coefficient ranging from 0. 05 to 0. 50. Influence of extrusion speed on die stress is not obvious. The radial stress is linear relation to material yield stress. Meanwhile, the influence of extrusion material performance on radial stress is the largest,and the influence of ratio of height to diameter is least. Through physical simulation of 1060 aluminum alloy, the maximal relative error is 13. 6% and minimum is 0. 38% for the different maximum strains betweent physical and numerical simulation.%基于Deform-3D数值模拟软件,通过单因素分析和正交试验方法,研究了各因素对反挤压凹模内壁径向压力的影响规律及程度大小.研究结果表明:以1060铝合金为例,变形程度由16％变化到81％,压力值由48MPa增加到872 MPa;高径比由0.4变化到1.2,其值增加70 MPa;摩擦因数由0.05变化到0.50,其值增加400 MPa;挤压速度对凹模内壁压力的影响很不明显,屈服应力与其的变化关系近似为线性.其中,挤压材料性能对内壁影响最大,高径比的影响最弱.最后,通过对1060铝合金进行物理模拟可知:各测点应变值的物理模拟与数值模拟结果,相对误差最大为13.30％,最小为0.38％.【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】5页(P6-10)【关键词】单因素;正交试验;数值模拟;径向压力;物理模拟【作者】尹甜甜;杨永顺;虞跨海;冯科【作者单位】河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室,河南洛阳471003;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室,河南洛阳471003;河南科技大学规划与建筑工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;河南科技大学河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室,河南洛阳471003【正文语种】中文【中图分类】TG3760 前言冷挤压作为金属塑性成形技术中不可缺少的重要加工手段之一，在中国工业各部门有着广泛的应用［1］。
t10a冷冲模(凹模)热处理工艺方法
t10a冷冲模（凹模）热处理工艺方法t10a冷冲模（凹模）热处理工艺方法一、引言在制造业中，冷冲模（凹模）是一类常见而重要的模具，在金属冷镦、冷挤压、冲剪等加工过程中扮演着关键的角色。
而为了提高冷冲模的硬度和耐磨性，热处理工艺方法就显得尤为重要。
本文将深入探讨t10a冷冲模（凹模）热处理工艺方法，并对其进行全面的评估和分析，以期帮助读者更好地理解和应用于实践。
二、t10a冷冲模（凹模）的特性和需求t10a冷冲模（凹模）是一种由高碳钢t10a制成的模具材料。
相较于其他材料，t10a具有良好的韧性和可塑性，但硬度和耐磨性相对较低。
为了满足冷冲模在长时间重复使用中的高强度和耐久性要求，采取热处理工艺方法是不可或缺的。
三、t10a冷冲模（凹模）的热处理工艺方法针对t10a冷冲模（凹模）的热处理工艺方法，主要包括退火、正火、淬火和回火等步骤。
1. 退火退火是最基本也是最常用的热处理工艺方法。
通过加热材料至适当温度后冷却，可以软化t10a冷冲模（凹模）的组织，提高其可塑性和韧性。
当t10a冷冲模需要进行加工和修复时，退火工艺尤为重要。
2. 正火正火是提高t10a冷冲模（凹模）硬度和耐磨性的重要方法。
通过将材料加热到一个适当的温度区间（通常介于700℃至900℃之间）并进行适当的保温时间后迅速冷却，可以使t10a冷冲模的组织发生相应的改变，从而提高硬度和耐磨性。
3. 淬火淬火是t10a冷冲模（凹模）热处理中的关键步骤。
通过将材料迅速浸入冷却介质（如水、油或盐水中）进行快速冷却，可以使t10a冷冲模的组织发生强烈的变化，从而获得高硬度和强度。
然而，需要注意的是，淬火过程中的温度、冷却介质和冷却速率等参数需根据具体情况进行合理选择。
4. 回火回火是在淬火后进行的一种热处理方法。
通过加热t10a冷冲模（凹模）至一定温度，然后保持一定时间后进行冷却，可以减轻材料内部应力，并调整其硬度和韧性之间的平衡。
回火过程中的温度和时间控制是关键，需要根据实际需求选择合适的条件。
冷挤压设备现状及发展[1]
![冷挤压设备现状及发展[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/e099d9d628ea81c758f57825.png)
冷挤压设备现状及发展0前言近几年来，随着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。
不少高等学校、研究所和工厂都开展了冷挤压技术的实验研究，其成果已广泛应用于现代制造业。
1 冷挤压设备及相关技术的现状1.1冷挤压精锻成形技术现状冷精锻工艺的生产率比切削加工要高几倍到几十倍，材料利用率达70%—80%。
冷精锻件尺寸精度高、表面质量好、机械性能好，这是热锻所无法比拟的。
国外已较普遍采用冷精锻工艺生产低碳钢、中碳钢和合金钢零件，重量由几克到5千多克。
冷精锻件的形状多种多样，如齿轮、齿条、同步齿圈、花键轴等。
采用冷精锻工艺成形小模数行星伞齿轮的技术也日趋成熟。
采用冷锻工艺（冷挤压成形或冷摆辗成形）生产的模数小于4的行星伞齿轮，其齿形精度可达DIN6级。
中国-江苏森威集团股份有限公司掌握了多工位冷锻生产技术，批量生产自行车、摩托车、汽车精锻件，已形成年产3000t冷锻件的能力。
长春一汽汽车工艺研究所已熟练掌握汽车轮胎螺母和花键轴的冷挤压成形，并且正式向外转让技术。
中国现在已可以生产1600~10000kN的各种型号冷挤压设备。
美国National公司是世界上生产多工位冷锻机的研究中心。
现在又将具有5—6工位的冷锻机研制成“成形中心”，具有很大的柔性，既能适应锻件不同形状、不同高度，也能适应工序间工件翻转和多台阶加工。
利用这种“成形中心”可以加工各种各样的紧固件以及其他较为复杂的带凸缘或带孔的挤压件，它完全由微机处理，由可编程控制器自动控制，换模时间仅需几十秒钟。
德国舒勒公司生产X系列单工位冷挤压机、KB系列多工位立式冷挤压机、GB系列多工位卧式冷挤压机。
1.2 冷挤压设备现状随着冷挤压工艺的日趋成熟和发展，与其相应的冷挤压设备也在不断更新和完善。
为了满足冷挤压工艺的需要，冷挤压设备的结构性能必需满足其工艺对设备力能特性和速度特性的要求。
在挤压设备方面，中国已具备设计和制造各级吨位挤压压力机的能力。
冷挤压凹模应力应变分析与研究
第
10 卷 第 1 2003 年 3 月
期
兰州工业高等专科学校学报 Journal of Lanzhou Polytechnic College
Vol. 10 ,No. 1 Mar. ,2003
文章编号 :1009 - 2269 (2003) 01 - 0031 - 04
r2 +
(1 + μ2)
r32 r2
(8)
式中 : E1 、E2 ———材料的弹性模量 ; μ1 、μ2 ———泊松比
由图 3 可以看出位移之间的关系为 u2 - u1 =δ(压应变时 u1 为负号) 。把 (5) 式 、(6) 式代入此关系式
并化简 ,可得到装配压力 P1 与过盈量 δ的关系 :
δ P1 = r2
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· 34 · 兰 州 工 业 高 等 专 科 学 校 学 报 第 10 卷
所示) 与热装使凹模内壁产生的切向压应力σ′t ( (10) 式所示) 相互部分抵消或全部抵消 。从而使应力强度
σi 值降低 ,凹模强度提高 ,所以组合凹模比一般整体凹模能承受较大的冷挤压工作压力 。
ห้องสมุดไป่ตู้
冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径
冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径一、引言1.1 主题意义1.2 研究背景1.3 研究目的二、冷挤压模具失效原因2.1 金属疲劳失效2.2 粘结磨损失效2.3 温度腐蚀失效2.4 应力集中失效三、模具寿命测试与评估3.1 超声波检测3.2 电化学腐蚀测试3.3 显微镜观察四、提高模具寿命途径4.1 选用高强度材料4.2 优化模具结构设计4.3 加强模具养护管理4.4 关注生产工艺参数五、结论与展望5.1 实验结论5.2 前景展望一、引言1.1 主题意义随着冷挤压技术的不断发展，冷挤压模具的寿命成为制约生产效率和产品质量的重要因素。
冷挤压模具的常见失效形式包括金属疲劳、粘结磨损、温度腐蚀、应力集中等。
对于这些失效形式，必须采取相应的措施，提高模具的使用寿命。
1.2 研究背景冷挤压技术是一种常用的金属加工方法，广泛应用于汽车、机械、航空航天等领域。
而冷挤压模具则是实现该技术的重要工具，模具的性能和使用寿命直接影响到产品质量和生产效率。
目前，国内外的研究表明，冷挤压模具的失效主要包括金属疲劳、粘结磨损、温度腐蚀和应力集中等多种形式，这些失效的原因各异，研究其原因和有效的提高模具使用寿命的方法，对于冷挤压技术的发展至关重要。
1.3 研究目的本文主要研究冷挤压模具失效的原因和提高模具使用寿命的方法。
针对模具在使用过程中出现的金属疲劳、粘结磨损、温度腐蚀和应力集中等失效形式，对模具寿命测试与评估方法进行介绍，并提出选用高强度材料、优化设计、加强管理和关注生产工艺参数等措施，以提高模具使用寿命，降低生产成本，提高产品质量。
二、冷挤压模具失效原因2.1 金属疲劳失效金属疲劳是指金属材料在反复交替加/减载作用下发生的断裂失效现象。
在冷挤压加工中，金属疲劳导致的模具断裂常常会出现，严重影响生产效率和生产成本。
金属疲劳的原因主要包括金属内部缺陷、表面缺陷、材料及工艺性缺陷等。
这些缺陷使得模具在长时间的使用过程中失去原有的韧性和强度，从而导致疲劳断裂。
筒形件冷挤压凹模强度设计及结构优化
筒形件冷挤压凹模强度设计及结构优化鲁志兵㊀王成勇㊀张心怡㊀张㊀鹏㊀王思艳㊀王㊀源合肥工业大学,合肥,２３０００９摘要:基于厚壁圆筒理论,分析了整体式凹模工作载荷特点,讨论了单纯通过增加壁厚来提高模具强度的局限性.为提高承载能力,探讨了多层预应力组合凹模方案.基于第四强度理论,推导了n 层组合凹模承受内压的数学表达式.采用L a g r a n g e 乘子法对组合凹模参数进行了优化设计,推导了n 层组合凹模各层最佳径比分配㊁凹模极限内压㊁套缩界面残余压力及最优过盈量等设计变量的计算式.以三层组合凹模为算例,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,对上述n 层组合凹模的各设计变量计算式进行了验证,结果表明两者的结果吻合较好.关键词:挤压凹模;强度设计;结构优化;L a g r a n ge 乘子法中图分类号:T B １２５㊀㊀㊀㊀㊀㊀D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４１３２X．２０１５．２３．０１８S t r e n g t hD e s i g na n dS t r u c t u r a lO p t i m i z a t i o no fC o l dE x t r u s i o nD i e f o rC y l i n d r i c a lW o r k pi e c e s L uZ h i b i n g ㊀W a n g C h e n g y o n g ㊀Z h a n g X i n y i㊀Z h a n g P e n g ㊀W a n g S i y a n ㊀W a n g Yu a n H e f e iU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,H e f e i ,２３０００９A b s t r a c t :B a s e do n t h e t h e o r i e s o f t h i c k w a l l e d c y l i n d e r ,t h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f i n t e gr a l d i eu n d e rw o r k i n g c o n d i t i o n sw e r e a n a l y z e da n d t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t i t i sd i f f i c u l t t o i n Ｇc r e a s e t h e d i e s t r e n g t ho n l y b y i n c r e a s i n g t h ew a l l t h i c k n e s s ．I no r d e r t o i m p r o v e t h e l o a ds u p p o r t i n gc a p a c i t y o f t h ed ie ,t h e s c h e m eof p r e s t r e s s e d m u l t i l a y e r t h ed i ew a sd i s c u s s e d ．B a s e do nt h e f o u r t h f a i l u r e c r i t e r i a ,am a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o no f n l a y e r c o m b i n a t o r i a l d i e u n d e r i n t e r n a l pr e s s u r ew a s d e Ｇd u c e d ．L a g r a n g em u l t i p l i e rm e t h o dw a s u s e d t o o b t a i n t h e o p t i m u md e s i gn p a r a m e t e r s o f c o m b i n a t o r i Ｇa l d i e ．T h e d e s i g n f o r m u l a s o f o p t i m u md i a m e t e r r a t i o o f e a c h l a y e r ,t h e l i m i t l o a d i n g pr e s s u r e ,t h e r e Ｇs i d u a l p r e s s u r e i n s h r i n k a g e i n t e r f a c e a n d o p t i m u mr a d i a lm a g n i t u d e o f i n t e r f e r e n c ew e r e i n v e s t i ga t e d ．T h r o u g h t h e o p t i m u md e s i g n o f t h r e e l a y e r c o mb i n a t o r i a l d i e ,t h e d e r i v e d f o r m u l a sw a s v e r i f i e du s i n gt w om e t h o d s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ．T h e i n v e s t i g a t i o n s h o w s t h a t t h e s i m u l a Ｇt i o n r e s u l t s a r e c o n s i s t e n tw i t h t h e t h e o r e t i c a l o n e s ．K e y wo r d s :e x t r u s i o nd i e ;s t r e n g t hd e s i g n ;s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ;L a g r a n g em u l t i p l i e rm e t h o d 收稿日期:２０１５０１２３基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１２７５１４６);教育部科学研究重大项目(３１１０２５);安徽省自然科学基金资助项目(１２０８０８５M E ７１);留学回国人员科研启动基金资助项目０㊀引言在金属挤压过程中,凹模起着容纳金属坯料和控制金属流动的双重作用,型腔内壁承受较大的挤压力,容易开裂失效.为提高凹模强度,常采用预应力组合凹模结构.如何合理选择组合凹模层数,如何合理设计组合凹模的分层半径以及层间过盈量,是预应力组合凹模设计的关键,目前尚缺少成熟的理论.罗中华等[１]采用疲劳强度设计理论和最优化设计方法探讨了三层压配组合凹模的设计方法.李燕等[２]以弹塑性力学理论为基础通过保角变换对组合式扁挤压筒的应力及位移分布进行了计算并对其结构进行了优化.H u r 等[３]采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了双层㊁三层组合凹模的结构优化方法.然而,现有组合凹模的研究局限于三层及三层以内,未涉及更多层的结构优化设计.本文基于厚壁圆筒理论,分析了整体式凹模承载能力的局限性,采用拉格朗日乘子法,对多层组合凹模结构参数进行优化,最后通过一个算例,对所推导的公式进行了验证,并分析了各层应力沿径向的分布情况.１筒形件冷挤压凹模工作载荷失效分析圆筒的外内径之比R b /R a ＞１ ２时称为厚壁圆筒,工程中可将筒形件冷挤压凹模简化为内外受压的厚壁圆筒模型来进行受力分析[４],如图１所示.图１㊀内外受压的厚壁圆筒模型８２２３ 中国机械工程第２６卷第２３期２０１５年１２月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.凹模沿轴向应变较小,可以忽略,故可将其视为平面应变问题来处理.在进行受力分析时,所有分量均采用极坐标(r ,θ)表示.当厚壁圆筒同时承受内压p i 和外压p j 作用时,在弹性范围内,环形截面上任意半径r 处产生的径向应力σr 和周向应力σθ由La m e 公式[４]得出:σθ＝p i R ２a －p jR ２b R ２b －R ２a ＋(p i －p j )R ２a R ２b R ２b －R ２a １r ２σr ＝p i R ２a－p j R ２bR ２b －R ２a －(p i －p j )R ２a R ２b R ２b －R ２a １r２üþýïïïï(１)本文采用v o n M i s e s 屈服准则进行应力分析,在平面应变条件下等效应力σ为[５]σ＝１２[(σθ－σr )２＋(σr －σz )２＋(σz －σθ)２]＝３２(σθ－σr )(２)式中,σz 为轴向应力.由式(１)可知,厚壁圆筒在内外压作用下,在内壁处(r ＝R a )周向拉应力σθ最大,径向压应力σr 最小,故等效应力在内壁处最大.当周向拉应力大于材料的抗拉强度时,内壁存在纵向开裂风险,因此,内壁处是圆筒的危险区.在圆筒内壁处,当σθ－σr ＝２３σs (σs 为材料的屈服应力)时,圆筒内表面将发生屈服,产生塑性变形,此时凹模即表现为失效.２㊀整体式挤压凹模受力分析当挤压凹模为整体式时,有p j ＝０,假设整体式凹模产生屈服时的最大承载能力p e m a x ＝p i ,K ＝R b /R a .在内壁处(r ＝R a ),σθ－σr 有最大值,由式(１)可知:σr |r ＝R a ＝－p i σθ|r ＝R a ＝R ２a＋R２bR ２b －R ２ap i }(３)(σθ－σr )|r ＝R a ＝２R ２bR ２b －R ２ap i 由式(２)有２R ２bR ２b －R ２a p e m a x ＝２３σs 进而得到整体式凹模产生屈服时的最大承载能力:p e m ax ＝１３σs (１－１K ２)(４)当K 由小到大取不同值时,绘得凹模p e m ax /σs 与K 值的关系曲线,如图２所示.由图２可知:(１)对于选定凹模材料,σs 为定值,p e m ax 的值图２㊀凹模p e m a x/σs 与K 值的关系曲线与R a 无关,仅与K 值有关,当K 值增大时,p e m a x 增大;(２)对于整体式凹模,K 为４~６较为合理.当K ＞６时,随着K 的增加,p e m a x 增加不明显;(３)当K ңɕ时,p e m a x ңσs /３,可知p e m a x 与凹模材料的强度有关.由式(１),可得整体式冷挤压凹模在弹性范围内沿壁厚方向任意一点处的周向应力σθ和径向应力σr 的表达式:σθ＝R ２a p i R ２b －R ２a (１＋R ２b r ２)σr ＝R ２a p i R ２b －R ２a (１－R ２b r ２)üþýïïïï(５)由式(５)得,在内壁处(r ＝R a )处,周向应力取最大值.最大周向应力σθm a x 与K 的关系式如下:σθm a x ＝p iK ２－１(１＋K ２)(６)将式(５)代入式(２)得环截面上任意半径r 处产生的等效应力表达:σ＝p i K ２－１１＋３R ４br４(７)从式(７)可以看出:r 值越小,σ值越大;当r ＝R a 时,σ值达到最大.等效应力最大值σm a x 与K的关系式如下:σm a x ＝p iK ２－１１＋３K ４(８)根据式(６)及式(８),在不同K 值下,绘得整体式凹模σθm a x /p i 及σm a x /p i 与K 值的关系曲线,如图３所示.由图３可知:(１)当凹模承受的内压p i 一定时,增大凹模的总径比K ,可使σθm a x 及σm a x 下降,有利于减小凹模纵向开裂的趋势;(２)当K ＜４时,随着K 值的增大,σθm a x 和σm a x急剧降低,当K ＝４时,σθm a x ＝１１３p i ,σm a x ＝１ ８５p i ;９２２３ 筒形件冷挤压凹模强度设计及结构优化鲁志兵㊀王成勇㊀张心怡等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图３㊀σθm a x/p i及σm a x/p i与K值的关系曲线(３)当Kңɕ时,σθm a xʈ１ ０p i,σm a xʈ１ ７３p i;当K＞６时,作用在凹模内壁的σθm a x和σm a x随K值增大,基本保持不变,即当增大模具的壁厚时不仅会造成材料的浪费,同时还起不到提高凹模强度的作用.综上所述,在实际生产中,考虑到材质的影响,一般取总径比K为４~６为宜.当挤压凹模承受的单位挤压力超过１１００M P a时,为了提高凹模强度,防止纵向裂纹产生,生产中普遍使用预应力组合凹模.３㊀多层冷挤压组合凹模受力分析３．１㊀多层组合凹模结构及弹性解多层组合凹模是利用过盈装配将两个或多个不同直径的同轴筒体缩套在一起,形成多层筒体,套合后外层筒体收缩使内层筒壁产生压缩残余应力,以提高凹模在工作时的弹性承载能力[６].同轴套缩多层组合凹模结构示意图[７]见图４.图４㊀同轴套缩多层组合凹模结构组合凹模的预应力圈和凹模均可简化为厚壁圆筒,组合凹模的弹性分析可简化为组合厚壁圆筒的弹性分析[８].定义σs m为第m层筒体屈服应力;K m为第m层筒体的外径与内径比值;n为总层数;K为组合凹模最外层外径与最内层内径之比(简称总径比),且K＝ᵑn m＝１K m;D m为第m层与第m＋１层交界面处直径;D i㊁D j分别为组合凹模最内层内径㊁最外层外径;pᶄm为p i作用时第m层与第m＋１层界面处的实际接触压力.根据式(１),第m层圆筒弹性解的周向应力(σθ)m和径向应力(σr)m的表达式如下[９]:(σθ)m＝pᶄm－１－pᶄm K２mK２m－１＋(pᶄm－１－pᶄm)K２mK２m－１(r m－１r)２(σr)m＝pᶄm－１－pᶄm K２mK２m－１－(pᶄm－１－pᶄm)K２mK２m－１(r m－１r)２üþýïïïï(９)式中,r为圆筒任意半径,r m－１ɤrɤr m;pᶄm－１＞pᶄm＞０; K m＞０.３．２㊀多层组合凹模优化设计数学模型在组合凹模的优化设计中,要求最大限度地发挥材料性能.本文以内层凹模和预应力圈在工作内压下同时屈服为目标进行优化,以第四强度理论为设计准则,当每层筒体内壁处的等效应力同时达到材料的屈服极限时即组合凹模失效.根据上述要求及式(９),在极限状态下,第m 层内壁屈服时的应力表达式为(σθ)m－(σr)m＝２(pᶄm－１－pᶄm)K２mK２m－１＝２３σs m(１０)将式(１０)改写成如下形式:pᶄm－１－pᶄm＝σs m３(１－１K２m)(１１)则有p i－pᶄ１＝σs１３(１－１K２１)pᶄ１－pᶄ２＝σs２３(１－１K２２)㊀㊀⋮pᶄn－１－０＝σs n３(１－１K２n)üþýïïïïïïïï(１２)将式(１２)中各式叠加,得p i＝ðn m＝１σs m３(K２m－１K２m)(１３)按照假设,K为常数,则多层组合凹模中存在的数学优化模型如下:m a x p is．t．ᵑn m＝１K m＝K}(１４)L a g r a n g e乘子法是等式约束最优化问题的一种解析求解法,其基本思想是将等式约束问题转化成为无约束问题,简化数学建模.组合凹模最大允许总径比K＝ᵑn m＝１K m是受压力机参数限制的,本文引入拉格朗日乘子λ,应用拉格朗日乘数０３２３中国机械工程第２６卷第２３期２０１５年１２月上半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.法求p i 在K ＝ᵑnm ＝１K m 条件下的极值,构造函数如下:L (K １,K ２,K ３, ,K n ,λ)＝ðnm ＝１σs m ３(K ２m －１K ２m )＋λ(ᵑnm ＝１K m －K )(１５)对式(１５)求偏导并令偏微分均等于０,有∂L ∂K １＝∂L ∂K ２＝ ＝∂L ∂K n ＝∂L∂λ＝０(１６)于是,可得到∂L ∂K １＝２３σs １１K ３１＋λK K １＝０∂L ∂K ２＝２３σs ２１K ３２＋λKK ２＝０⋮∂L∂λ＝ᵑnm ＝１Km－K ＝０üþýïïïïïïïï(１７)式(１７)构成了一个非线性方程组.３．３㊀多层组合凹模优化结果及其分析３．３．１㊀总径比K 的最佳分配求解式(１７),得各层径比K m 的最优解表达式为K m ＝(σs １σs ２ σs n )－１２n σ１/２s m K１n ㊀m ＝１,２, ,n (１８)在组合凹模实际设计时,各层筒体材料的屈服强度和总径比为给定常数,即(σs １σs ２ σs n )－１２n 和K１n为定值,故K m 的值只与对应的σs m 有关,与其所在的层数无关.式(１８)不仅适用于不同材料的组合凹模,也适用于相同材料的组合凹模.３．３．２㊀组合凹模所能承受的极限工作内压分析将式(１８)代入式(１３)可得多层组合凹模的极限工作内压p i m a x 表达式:p im a x ＝１３ðnm ＝１σs m－n３nᵑnm ＝１σs mK ２(１９)由式(１９)可知,当组合凹模总径比K 和总层数n 确定后,组合凹模极限工作压力p i m a x 的大小与层的顺序无关,与各层材料的屈服应力有关.此式也适用于各层材料相同的组合凹模,根据式(４)和式(１９),绘出了１０层以下相同材质的组合凹模p i m a x /σs １与总径比K 之间的关系曲线,如图５所示.从图５可知:(１)当K 和σs １一定时,组合凹模的层数越多,组合凹模极限工作内压p i m a x 越大.即当凹模安装尺寸一定的情况下,采用m 层组合凹模比m －１层组合凹模能承受更高的工作内压;图５㊀组合凹模p i m a x /σs １与总径比K 之间的关系曲线(２)当p i m a x /σs １一定时,组合凹模的层数越多,K 值越小,即Dj D i越小.即在相同内压作用下,采用m 层组合凹模的外形尺寸比采用m －１层组合凹模的外形尺寸小;(３)在凹模安装空间尺寸允许的情况下,当组合凹模的总径比K ＞６时,在一定范围内仍能明显提高组合凹模的极限工作压力.３．３．３㊀组合凹模界面套缩残余压力分析套缩残余压力是无工作内压时,n 层组合凹模过盈套缩所产生的层间实际压力.当内层承受极限工作内压p i m a x 时,第m 层与第m ＋１层的界面接触压力p ᶄm 可由套缩筒体在独立承受内压p im a x ,外压为零时界面压力p m 与由套缩界面压力所产生的界面残余压力p ∗r m 相叠加得到[１０].根据叠加原理,套缩筒体界面处的残余压力p ∗r m 为p ∗rm ＝p ᶄm －p m (２０)将p i m a x 代入式(１２)叠加,得极限工作压力下第m 与第m ＋１层间分界面处的接触压力为p ᶄm ＝p i m a x －ðmm ＝１σs m ３(K ２m －１K ２m )(２１)将套缩后的多层组合凹模视为整体筒体进行分析,根据式(１)可得,在p i m a x 作用下,第m 层与第m ＋１层套缩界面处产生的压力p m 为p m ＝－(σr )m ＝－p i m a x K ２－１＋K ２p i m a x(K ２－１)K ２１K ２２ K ２m(２２)由式(１９)~式(２２)得p∗r m＝１３ðnm ＝１σs m －n３nᵑnm ＝１σs mK ２－σs m ３ðmm ＝１(K ２m －１K ２m )＋１３ðnm ＝１σs m －n３nᵑnm ＝１σs mK ２K ２－１－K ２(１３ðn m ＝１σs m －n ３nᵑnm ＝１σs m K ２)(K ２－１)K ２１K ２２ K ２m(２３)１３２３ 筒形件冷挤压凹模强度设计及结构优化鲁志兵㊀王成勇㊀张心怡等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.３．３．４㊀组合凹模最优过盈量设计对于两层以上的组合凹模而言,套缩压力并不等于套缩界面残余压力,还与其余外层套缩压力在该界面处产生的径向压力有关.多层组合凹模一般由内向外过盈装配,即先将凹模套缩在第２层预应力圈上,形成双层组合凹模,然后把双层凹模视为整体式凹模套缩于第３层预应力圈上,按照此配合顺序,将n －１层组合凹模套缩于n 层中,形成n 层组合凹模.故n －１层与n 层配合面处的套缩压力即为套缩产生的界面残余压力.第１层到n －１层间的套缩残余压力是本层套缩压力与其余外层套缩压力在该套缩界面处产生的径向压力的叠加.由式(１)根据力的叠加原理得,第m 层与m ＋１层间套缩压力p s m 表达式为p sm ＝p ∗r m－ðn －１i ＝m ＋１K ２１K ２２ K ２iK ２１K ２２K ２i －１(１－１K ２１K ２２ K ２m )p s i i ＝m ＋１,m ＋２, ,n －１(２４)对于双层组合凹模而言,由文献[１０]可知,组合凹模在不承受工作内压时,套缩压力p s 与层间半径过盈量δ之间的关系式如下:δ＝R ０p s E (R ２０＋R ２iR ２０－R ２i ＋R ２０＋R２jR ２０－R ２j)(２５)式中,E 为弹性模量;R ０为套缩界面半径;R i ㊁R j 为双层组合筒体的内外半径.将第１层到第m 层筒体按照先后顺序装配完成后套缩于第m ＋１层筒体,此时可将第１到m 层筒体视为内筒,第m ＋１层视为外筒,故在套缩压力p s m 作用下,由式(２５)得第m 与m ＋１层间半径过盈量δm 为δm ＝D m p s m ２E (K ２m ＋１＋１K ２m ＋１－１＋ᵑmi ＝１K ２i＋１ᵑm i ＝１K２i－１)(２６)３．４㊀三层组合凹模优化及应力分析３．４．１㊀最优凹模参数设计本文优化的三层组合凹模内径D i ＝８０mm ,材料为高速钢W ６M o ５C r ４V ２,其屈服强度σs １＝１２５０M P a ;中层预应力圈材料为３０C r M n S i ,其屈服强度σs ２＝８８５M P a ;外层预应力圈材料为５C r N i M o ,其屈服强度σs ３＝７２９M P a ,各层材料的弹性模量均为E ＝２００G P a,总径比K ＝４.由式(１９)解得组合凹模的极限承载压力p i m a x ＝１０１３ ８M P a ,由式(１８)㊁式(２１)㊁式(２３)㊁式(２６)求得组合凹模的优化参数,如表１所示.３．４．２㊀三层组合凹模应力场分析本文基于A B A Q U S 软件,利用表１中的优化设计参数,对三层组合凹模装配过程进行有限表１㊀三层组合凹模的优化设计参数层数径比分配K m界面直径D m (mm )接触压力pᶄm (M P a )残余压力p ∗rm (M P a)套缩压力p sm (M P a )半径过盈量δm (mm )１１．８４０１４７．２５０５．０２５１．８２１３８．１５０．２２２１．５４８２２７．７６２０７．１１４１．３５１４１．３５０．３５３１．４０５３２０元仿真分析,得到了凹模在１０１３ ８M P a 工作内压下的周向应力㊁径向应力沿壁厚方向的分布曲线,如图６所示.(a)周向应力分布(b)径向应力分布图６㊀应力沿壁厚方向的分布曲线从图６a 中可以看出,凹模过盈装配后,在不承载的情况下,第１层周向残余应力为压应力,第２㊁３层为拉应力,其数值在各层内壁处达到最大值且沿着壁厚方向减小.凹模承载后,第１层的周向残余压力能部分抵消工作应力在壁厚方向上产生的拉应力,从而降低了凹模纵向开裂的倾向.根据力的叠加原理,叠加后第１层的周向应力部分由压应力转变为拉应力,第２㊁３层的周向拉应力值相对增大.从图６b 中可以看出,凹模过盈装配后,径向残余应力均为压应力,在整个组合凹模的内外壁处应力值为０,且沿壁厚方向变化不均匀.凹模承载后,径向最大压应力值位于第１层凹模的内２３２３ 中国机械工程第２６卷第２３期２０１５年１２月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.壁处,且沿壁厚方向呈现减小的趋势.为了验证有限元模拟结果的正确性,将各层内外壁处的应力值进行了对比分析,如表２所示.从表２中可以看出,优化数值解和理论解比较接近,相对误差较小,有限元分析结果和理论分析结果得到了相互验证.表２㊀三层组合凹模中各层内外壁应力值对比参数数值(M P a)理论值模拟值相对误差e(％)内层内壁残余σθ－７１９．４０－７１７．５３０．２６承压σθ４２９．５７４２５．７８０．８８残余σr０－１．８８承压σr１０１３．８１０１０．０３０．３７内层外壁残余σθ－４６５．９５－４６６．２６０．１３承压σθ－７８．９０－７８．３５０．７０残余σr－２５３．４６－２５３．１６０．１２承压σr５０５．２８５０５．８９０．１２中层内壁残余σθ１１８．４１１１８．０１４０．３３承压σθ５０６．５５５０５．０４３０．３０残余σr－２５３．４６－２５２．８３０．２５承压σr５０５．２８５０３．５６０．３４中层外壁残余σθ１０．０７１０．２８２．１０承压σθ２１１．４８２１２．５８０．５２残余σr－１４５．１２－１４５．２９０．１２承压σr－２１０．６２－２１１．０９０．２２外层内壁残余σθ４３３．１１４３２．３７０．１７承压σθ６４３．１６４４．６７０．２４残余σr－１４５．１２－１４４．３８０．５０承压σr－２１０．６２－２０９．５６０．５０外层外壁残余σθ２９７．９９２９８．２６０．０９承压σθ４３２．４９４３３．０７０．１３残余σr０－０．２７承压σr０－０．３９４㊀结论㊀㊀(１)整体式凹模的弹性承载能力随壁厚的增加而提高,凹模总径比K取４~６为宜,在工作状态下内壁处的等效应力和周向拉应力数值最大,且其最大值随壁厚的增加而减小,当K＞６时承载能力增加不明显.(２)本文基于第四强度理论,考虑了中间主应力对材料屈服的影响,能较好地反映材料的屈服特性,接近于工程实际应用.采用L a g r a n g e乘子法对多层组合凹模进行优化设计,推导出各层最佳径比㊁凹模极限承载压力以及最优过盈量的计算公式.(３)通过对三层组合凹模的优化设计,借助有限元建模分析验证了理论推导公式的正确性.参考文献:[１]㊀罗中华,张质量．多层压配组合冷挤压凹模疲劳强度优化设计[J]．上海交通大学学报,２００２,３６(４):４６６ ４６９．L u o Z h o n g h u a,Z h a n g Z h i l i a n g．F a t i g u e S t r e n g t hO p t i m u m D e s i g no fM u l t i l a y e rP r e s s f i tC o m p o s i t eC o l dE x t r u s i o nC o n c a v eD i e[J]．J o u r n a l o f S h a n g h a iJ i a o t o n g U n i v e r s i t y,２００２,３６(４):４６６ ４６９．[２]㊀李燕,刘全坤,王匀,等．三层预紧扁挤压筒变形及应力分布的数值模拟[J]．中国机械工程,２００３,１４(１２):１０７４ １０７６．L iY a n,L i u Q u a n k u n,W a n g Y u n,e ta l．N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fD e f o r m a t i o na n d S t r e s s D i s t r i b u t i o no nT h r e e l a y e rE x t r u s i o nD i e[J]．C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,２００３,１４(１２):１０７４ １０７６．[３]㊀H u rK D,C h o iY,Y e o H T．A D e s i g n M e t h o df o rC o l dB a c k w a r dE x t r u s i o nU s i n g F EA n a l y s i s[J]．F iＧn i t eE l e m e n t s i nA n a l y s i s a n dD e s i g n,２００３,４０(２):１７３ １８５．[４]㊀徐秉业,刘信声．应用弹塑性力学[M]．北京:清华大学出版社,１９９５．[５]㊀钱凌云,刘全坤,王成勇,等．厚壁圆筒自增强压力的优化分析[J]．中国机械工程,２０１２,２３(４):４７４ ４７８．Q i a n L i n g y u n,L i u Q u a n k u n,W a n g C h e n g y o n g,e t a l．O p t i m i z a t i o n A n a l y s i sof A u t o f r e t t ag eP r e sＧs u r e f o rT h i c kW a l l e dC y l i n d e r s[J]．C h i n aM e c h a n iＧc a l E n g i n e e r i n g,２０１２,２３(４):４７４ ４７８．[６]㊀S p o n s o rt h eI n s t i t u t i o no f M e c h a n i c a lE n g i n e e r s．H i g hP r e s s u r eE n g i n e e r i n g[M]．L o n d o n:I n s t i t u t i o no fM e c h a n i c a l E n g i n e e r s,１９７７．[７]㊀A S M E S t a n d a r d．R u l e sf o r C o n s t r u c t i o no f H i g h P r e s s u r eV e s s e l s[S]．N e w Y o r k:A S M E,２００７．[８]㊀敖文刚,张贤明,伍太宾．考虑材料拉压异性的三层预应力组合凹模设计[J]．塑性工程学报,２０１１,１８(１):７２ ７６．A o W e n g a n g,Z h a n g X i a n m i n g,W u T a i b i n．D e s i g no fT h r e e l a y e rP r e s t r e s s e dC o m b i n a t i o nD i eC o n s i dＧe r i n g D i v e r s i t y i nT e n s i l e a n dC o m p r e s s i v e S t r e n g t ho f M a t e r i a l[J]．J o u r n a lo fP l a s t i c i t y E n g i n e e r i n g,２０１１,１８(１):７２ ７６．[９]㊀李同林．弹塑性力学[M]．武汉:中国地质大学出版社,２００６．[１０]㊀邵国华．超高压容器设计[M]．北京:化学工业出版社,１９８３．(编辑㊀袁兴玲)作者简介:鲁志兵,男,１９９０年生.合肥工业大学材料科学与工程学院硕士研究生.主要研究方向为塑性成形及模具C A D.王成勇,男,１９７２年生.合肥工业大学材料科学与工程学院博士㊁副教授.张心怡,男,１９９０年生.合肥工业大学材料科学与工程学院硕士研究生.张㊀鹏,男,１９９０年生.合肥工业大学材料科学与工程学院硕士研究生.王思艳,女,１９９０年生.合肥工业大学材料科学与工程学院硕士研究生.王㊀源,男,１９９１年生.合肥工业大学材料科学与工程学院本科生.３３２３筒形件冷挤压凹模强度设计及结构优化 鲁志兵㊀王成勇㊀张心怡等Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
冷挤压模具的失效分析和提高寿命的途径 (2)
冷挤压模具的失效分析和提高寿命的途径日期: 2009-2-7 9:27:28浏览: 417来源: 学海网收集整理作者: 未知冷挤压技术具有明显的经济效益，所以自二次世界大战以来，世界各国竞相开发此项技术，我国在六十年代时期在有色金属冷挤压方面取得了很快的发展，黑色金属的冷挤压也有少量应用。
我厂八十年代末开发了冷挤压技术，从调试开始自今，经历了不少波折，克服了许多困难，取得了许多宝贵的经验，终于使冷挤压技术在火花塞壳体上获得了成功应用，使我厂自行开发的冷挤压技术领先于同行业。
本文就是根据我们的实际经验对于冷挤压模具的失效形式和提高寿命的途径谈谈自己的一些体会。
冷挤压模具的失效在冷挤压过程中，模具失效的形式主要有四种，即磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂，其中磨损和疲劳破坏属正常失效形式。
磨损冷挤时，由于被挤材料在模具表面激烈地流动，造成模具工作表面容易磨损，按照磨损机理的不同，冷挤压模具的磨损又分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。
粘着磨损由于冷挤时被挤金属在模具表面的激烈流动，所以被挤金属与凹凸模工作表面产生相对运动，于是分别构成了滑动摩擦付，当表面不平时，便会出现峰顶接触，由于接触面积小，峰顶压力很高，足以引起塑性变形，导致接触还发生粘着现象。
在相对滑动情况下，粘着点被剪切，塑性材料就会转移到另一工件表面上，于是出现粘着─剪切─再粘着的循环过程，这就形成了粘着磨损，我们的凹模芯及凹模出现的“拉毛”现象就属于此类。
引起粘着磨损的有以下几个因素：材料特性脆性材料比塑性材料的抗粘能力强。
性大的材料组成的摩擦付粘着倾向大，互容性小的材料（异种金属或晶格不相近的金属）组成的摩擦付粘着倾向力小。
从金相组织上看，多相金属比单相金属粘着倾向力小，化合物相比单相固溶体粘着倾向小。
因此，对冷挤压毛坯及模具进行表面处理来避免金属相互摩擦。
如对豆料进行磷化处理，模具涂层处理就是基于此种原理。
因此，在有条件时应对模具进行表面处理。
冷冲压模具设计与制造的技术现状及发展趋势
一、冲压模具市场情况我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口.一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竟争激烈。
据中国模具工业协会发布的统计材料，2004年我国冲压模具总产出约为220亿元,其中出口0.75亿美元，约合6。
2亿元。
根据我国海关统计资料，2004年我国共进口冲压模具5。
61亿美联社元,约合46。
6亿元。
从上述数字可以得出2004年我国冲压模具市场总规模约为266.6亿元.其中国内市场需求为260.4亿元,总供应约为213.8亿元，市场满足率为82％.在上述供求总体情况中，有几个具体情况必须说明:一是进口模具大部分是技术含量高的大型精密模具,而出口模具大部分是技术含量较低中的中低档模具，因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率，这些模具的发展已滞后于冲压件生产，而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具市场总体满足率；二是由于我国的模具价格要比国际市场低格低许多，具有一定的竟争力,因此其在国际市场前景看好，2005年冲压模具出口达到1。
46亿美元，比2004年增长94。
7％就可说明这一点；三是近年来港资、台资、外资企业在我国发展迅速,这些企业中大量的自产自用的冲压模具无确切的统计资料，因此未能计入上述数字之中。
近年来，我国冲压模具水平已有很大提高.大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。
为中档轿车配套的覆盖件模具内也能生产了。
精度达到1~2μm，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。
表面粗糙度达到Ra≤1.5μm的精冲模，大尺寸（φ≥300m m）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。
1、模具CAD/CAM技术状况我国模具CAD/CAM技术的发展已有20多年历史.由原华中工学院和武汉733厂于1984年共同完成的精神模CAD/CAM系统是我国第一个自行开发的模具CAD/CAM系统。
冷挤压模的设计和分析
冷挤压模的设计和分析摘要：本文以气门顶杆为例介绍了冷挤压模的制作和成形工艺，通过对毛坯尺寸、挤压件的变形程度的计算，详细讨论了冷挤压模结构及模具设计要点，最后阐述了采用冷挤压模制作各类零部件的好处。
关键词：气门顶杆；冷挤压模；模具结构一、引言冷挤压属于立体压制中的一种比较先进的加工方法，它只需要一副模具就可以加工底和壁厚不同、高度和直径之比很大的圆形件或其他各种形状的不同零件。
这种加工方式的优点在于其尺寸精度较高、表面粗糙度值比较小、力学性能较好。
以图1的气门顶杆零件为例，其材料为20钢，原先是采用的切削加工方法成形，这种方式的生产工艺比较复杂，生产效率也比较低同时成品零件的力学性能也不高。
因此采用冷挤压的加工工艺生产出来的零件就能比较好的符合各种要求。
经过分析该零件的冷挤压工艺具体流程是：先制作毛坯，然后退火、酸洗以及磷化处理，最后进行皂化润滑和发挤压成形。
二、气门顶杆冷挤压模的工艺设计1.毛坯尺寸的确定因为在实际制作过程中有可能会有挤压件顶端不平齐的现象，所以在工件的顶端要留出修边余量h∆，图2就是气门顶杆挤压件。
冷挤压模具的寿命及其纤维方向的∆，取mm=h4改善都与毛坯的形状和尺寸有着密切联系。
通过对气门顶杆的形状特点以及毛坯的定位和成形便利程度的分析，发现使用圆柱形毛坯比较合适。
挤压件毛坯体积的计算是根据制件体积与毛坯体积相等的规则来进行的。
通过计算毛坯体积p V可得：3222119267.2)25.23()7.28.351()220(51)226(mm V p =⨯⨯---⨯⨯-⨯⨯=πππ 为了使得毛坯放入凹模型腔内更加的方便，同时使得模具的磨损减少到最低，进一步提高零件的表面质量，一般凹模型腔尺寸a D 要比毛坯的外径p D 要大，相对于反挤压件来说，凹模型腔尺寸要比毛坯尺寸大mm 5.0左右。
根据这样的原则我们可以计算出毛坯的外径p D ;mm D D a p 95.2505.02605.0=-=-=毛坯长度p l 为： mm D V l p p p 55.22)92.25()119264()()4(2=⨯⨯==ππ经过试验验证，最终将毛坯的实际尺寸确定为mm mm 6.2295.25⨯φ，如图3所示。
中国冷挤压市场现状分析与前景预测报告
中国冷挤压市场现状分析与前景预测报告1 前言：近几年来随着工业生产以及科学技术的蓬勃发展，冷挤压技术也得到了迅猛发展。
不少高等学校、科研院所和企业公司都开展了冷挤压技术的实验研究，其成果已广泛应用于现代制造业。
冷挤压技术的普及和推广，已成为现代工业发展水平的标志。
目前，汽车、船舶、宇航、军工等行业的迅猛发展，为冷挤压件提供了广阔的市场空间。
2 冷挤压技术、相关设备及材料的介绍2.1冷挤压成形技术的现状冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。
冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，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，冷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的。
冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。
与热锻、温锻工艺相比，可以节材30%～50%，节能40%～80%而且能够提高锻件质量，改善作业环境。
目前，冷挤压技术已在紧固件、机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。
二战后，冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现便拓展了其发展空间。
日本80年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有30%～40%是采用冷挤压工艺生产的。
随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷挤压生产工艺技术己逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。
与其他加工工艺相比冷挤压有如下优点：1)节约原材料。
冷挤压是利用金属的塑性变形来制成所需形状的零件，因而能大量减少切削加工，提高材料利用率。
冷挤压的材料利用率一般可达到80%以上。
2)提高劳动生产率。
用冷挤压工艺代替切削加工制造零件，能使生产率提高几倍、几十倍、甚至上百倍。
冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径
冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径文章编号:1672—0121(2011)03—0071—03冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径徐胜利,苗高蕾(西安航空职业技术学院,陕西西安710089)摘要:本文系统分析了影响挤压模具寿命的各种因素,从设计选材,减少挤压件壁厚,模具表面强化处理等方面,阐述了提高挤压模具寿命的途径.关键词:机械制造;模具寿命;冷挤压;失效分析中图分类号:TG375~.41文献标识码:B1.引言冷挤压是一种先进的压力加工方法,无论在技术上和经济上都有显着特点,该工艺可以大量节约原材料,生产效率高,容易实现自动化,可加工形状复杂的零件.冷挤压件具有强度高,刚性好,重量轻,表面光洁和尺寸精度高等优点.因而,是航空,交通运输,通讯,家电,自行车等行业广泛采用的一种先进工艺技术.冷挤压模具是保证挤压件形状尺寸和精度的重要工装,是保证挤压件表面质量的重要因素之一.模具寿命长短直接影响产品质量和生产效率的提高.因此,提高挤压模具寿命对降低生产成本,提高经济效益有着十分重要意义.2冷挤压模具失效原因冷挤压模具失效概括地说包含两方面:模具本身的损坏和生产出挤压件尺寸的超差.模具本身损坏又分为正常和非正常两种损坏形式,非正常损坏既无规律可寻,又可通过人为方法加以克服.本文主要讨论正常工作条件下的损坏,即冷挤压模具的失效.模具失效的主要形式有磨损,塑性变形,疲劳破坏和断裂.冷挤压模具失效原因:挤压工艺循环过程中,变形金属和模具工作表面之间的相对运动产生剧烈摩擦导致模具表面磨损;模具内部反复引起的高压应力,使模具工作时受到非对称的交变应力作用而发生塑性变形;挤压时金属的剧烈流动产生的热效应和摩擦热使模具工作表面温度升高(可高达400℃收稿日期:2011-02—28作者简介:徐胜利(1963一),男,高工,从事材料成形及模具技术的教学与研究以上),当取出工件加润滑剂时这一工作间隙时间,这极易使模具表面散热降温.所以模具在完成一个工艺循环时,需经受一次热循环引起的交变应力作用,导致疲劳裂纹破坏.特殊的是挤压凸模比较细长,工作循环过程中,由于受侧向力和附加弯曲应力的作用,根部产生很大的交变弯曲应力,也易发生疲劳破坏.因此,弯曲应力对凸模的疲劳破坏不可忽视.3影响冷挤压模具寿命因素分析3.1模具材料对寿命的影响挤压工艺循环中,模具工作环境较差,要保证挤压模具能够长时间可靠工作,所选择的模具材料必须具备高硬度,高强度,高耐磨性和良好的韧性,足够的热稳定性,热硬性,耐热疲劳性.如果模具材料选用不合理,即使价格昂贵的模具钢其效果也难以奏效.例如,挤压铅,铝等软材料零件,选用高速钢(如W18~raV~来制作模具,其寿命并不理想.若选用优质碳素工具钢,可以达到理想效果.反之,挤压硬材料的钢件时,选择Crl2MoV这类高铬工具钢或W18Cr4V这类高速工具钢,热处理后,不仅强度高,硬度高,而且韧性,热硬性和耐磨性也好,完全可满足钢件挤压模具的要求.因此,根据挤压件材料种类和复杂程度,挤压方式,模具结构形就会受到侧向力作用;毛坯两端面不平行或与外圆不垂直,毛坯在凹模内因间隙大而放偏,挤压时凸模会受到侧向力的影响;模架中心与压力机中心不重合,或模具结构不对称,使压力机台面和模板弹性压缩变形不对称,压力机本身刚性和精度差等都是产生侧向力的来源;凸凹模紧固不牢靠,在上述侧向力作用下,模具发生”移动”使凸模中心错开.凸模在这些侧向力作用下,会发生弹性弯曲,在凸模弯矩最大处,弯曲应力最高,有:or弯=一(1)式中:一凸模最大弯矩,产生在凸模根部;——凸模抗弯截面模量.一=otcQZ(2)式中:(_应力集中系数;p——0向力;z——凸模杆部长度.如果or峦远大于凸模的疲劳强度时,在较少的挤压次数后就会引起一条或数条疲劳裂纹,此时,称为高应力疲劳破坏;若弯很小,多次挤压后也会引起疲劳裂纹,此时称为低应力疲劳破坏.因此,or弯的大小直接影响挤压次数Ⅳ,即凸模寿命.设凸模的裂纹长度a,根据断裂力学Paris—E卜dongan公式,有da/dN=C(AK)m(3)式中:da/dⅣ_一亚临界扩张速率(即0<裂纹临界长度珥时);△卜应力强度因子振幅值;c,,r一材料常数,查表或试验确定.△K=y(1T口)(4)式中:y——裂纹荷因子;一交变应力幅值..=1/2(一一)=l/2tr弯(5)将式(4)代入式(3),可得:do/dN=C[Ycr.(叮Tn)(6)因y与a无关,积分后得:N=2/[(m一2)c订(1,)1[1n:--2)f21,2](7):nf-一裂纹初始尺寸.由式(7)可知:1~Not=11,Ⅳ.c器(8)由上式可以看出,Ⅳ与or弯的某次方成反比.可膏的大小对凸模疲劳寿命的影响是很大的.热处理工艺对模具寿命的影响模具的使用寿命在很大程度上取决于热处理的质量.热处理的目的不仅是为了提高模具的硬度,也是为了改善钢的组织和性能,以获得理想的热强度和韧性.为确保热处理质量,近年来普遍采用可控气氛和真空热处理工艺,对温度,温升和冷却速度,淬火介质,回火次数等参数进行大量研究,并取得良好的效果.例如:滚动触头零件冷挤压模具,模具材料为Crl2钢,采用普通的一次硬化热处理工艺,寿命仅为6000～8000件,主要失效形式为开裂;改为锻热固溶淬火(1050~(2油淬)+等温淬火(780~{2)双重热处理工艺方法,可使模具寿命提高1.5倍以上.采用双重淬火工艺,可使碳化物呈弥散析出,均匀分布于钢的基体中,最终组织为10%下贝氏体+回火马氏体和弥散分布的碳化物及少量残余奥氏体.硬度58～62HRC,这种组织细密,有高的强韧性,耐磨性和良好的断裂韧性.3.4模具加工方法对模具寿命影响电火花切割已广泛用于模具加工.由于线切割加工一般都是在热处理后进行,从而避免了热处理变形,表面脱碳等弊端.但由于线切割工艺大多采用快走丝方法,线切割后工件表面粗糙度R>2.5m,硬度分布和内应力状态都较差.所以不经研磨或稍加研磨就装配使用,结果经常出现崩刃,折断,碎裂等现象.正常使用情况下,模具寿命也很低.模具寿命低的原因主要是:线切割加工时,放电区电流密度很大(10000A/mm2),温度很高(10000℃～12000qC),加注的介质液急剧冷却,使切割表面层硬度仅有20HRC左右.其后为热影响区,再后才是原硬度区,而内部淬火层硬度高达70HRC以上.更为严重的是原材料内部因淬火呈拉应力状态,线切割所产生的热应力状态也是拉应力,两种拉应力叠加的结果很容易达到材料抗拉强度而产生微裂纹,从而大大缩短模具寿命.因此,线切割工艺不能作为挤压凸,凹模的最终加工工序.必须采取其他工艺方法消除应力.目前,最有效的消除应力措施有以下两种.(1)研磨+回火处理线切割加工后,用研磨的方法去掉表面20HRC的白层,再经160℃～180℃回火处理2h,则白层下面的高硬层可降低6～8HRC,线切割产生的热应力得以消除.从而提高了钢的韧性,延长了模具使用寿命.(2)研磨+低温时效处理线切割加工表面经研磨后,白层和高硬层基本去掉.再进行120~C～150~C下5h～10h低温时效处理(低温回火处理),或采取160℃～180oC下4h～6h低温回火处理,可消除淬火层内部的拉应力.而硬度降低甚微,却大大提高了钢的韧性,降低了脆性,挤压模具寿命可提高4倍以上.若挤压模具在生产若干零件后,内部应力已经积聚很高.也可用此方法消除内应力,提高韧性从而提高模具寿命.4提高挤压模具寿命途径4.1正确选用模具材料模具材料是影响冷挤压模具寿命的关键因素之一,模具制造周期长,成本高,材料费用仅为模具费用的10%～15%左右,因此,要尽可能选用品质优良钢材制造挤压模具.例如:①挤压形状较为复杂材质为20钢的支撑块零件时,选用3Cr2W8V材料,热处理硬度为48～52HRC,模具寿命仅为6000件左右,主要破坏形式为型腔角部破裂,模具工作表面磨损.改变工艺方法,进行气体碳氮共渗,模具表面硬度提高到60～62HRC后,模具使用寿命超过2万件;②挤压材质为Q235钢的轴挡和轴管类零件时,选用强度高,塑性和韧性好的7crSiMnMoV(CH)材料.采用560~C预热+880~C油~+200~C回火热处理工艺,其模具使用寿命可达到9000件左右.4.2减少挤压件壁厚差前述分析可知,侧向力的来源很多,它们之间又有复杂的交互作用.因此,弯很难用精确计算求得,而且育还与应力集中有关,所以,模具材料,加工方法和工作状况及凸模形状都会影响or弯的大小. 试验分析表明,凸模的or弯与挤压件的偏心量e成正比.因此,可以用挤压件偏心量e来反映o-弯的大小.为便于分析,忽略工件内孔和外圆形状误差,偏心量就等于壁厚差之半.显然,测量工件壁厚差比测量弯曲应力o-弯简单多了.设挤压件壁厚差为艿.则由式(8)可得:}Noc即说明挤压次数(模具寿命)与挤压件壁厚差的某一次方成反比,若其他情况不变,则减小挤压件壁厚差,凸模的疲劳寿命可得到很大提高.因此,壁厚差较小的挤压件不仅可提高挤压件精度,而且可大大地提高模具使用寿命.4.3表面强化处理为进一步提高挤压模具寿命,可对挤压模具工作表面进行碳氮共渗,离子氮化,渗碳,渗硼及局部刷镀,喷涂等表面处理方法,使模具工作表面生成一层高强度,有极好耐磨性的化合物,从而增加模具耐磨性,以提高挤压模具寿命.表面强化工艺中的PVD,CVD,PCVD技术均可用于模具工作表面处理,运用PCVD沉积工艺,可在模具工作表面形成TiC,TiN镀膜,模具寿命可提高几倍到几十倍.5结束语综上分析可知,选用品质优良的冷挤压模具材料,正确合理的设计挤压凸模结构,采用先进的热处理工艺和表面强化处理技术,规范冷挤压模具使用过程控制,可有效的提高冷挤压模具使用寿命,从而达到提高冷挤压件生产率,节约材料,降低生产成本的目的.【参考文献】【l】卢吉连.花键套筒冷挤凸模的正确选材.机械工程材料,1998,(5): 4l一43.【2]2彭成允,等.3Cr2W8V钢用于冷挤压模.金属热处理,2001,(7):33—35.[3]王德文.钢的冷挤压模具材料及其热处理.中国热处理年鉴,20o3.【4】王德文,主编.提高模具技术应用实例.北京:机械工业出版社, 20o4.【5]钱苗根,主编.材料表面技术及应用手册.北京:机械工业出版社, 】998. Failureanalysisofcoldextrusiondielifeandimprovementsolution XUShengli.MIA0Gaolei(Xi’anAeronautic alPolytechnicInstitute,Xian710089,ShanxiChina) Abstract:Variousfactorswhichimpactthelifeofextrusiondiehavebeensystem aticallyanalyzed.TheW improvethelifeofextrusiondiehasbeenintroducedfromthematerialselection, reductionoftheextrusionpartthickness,anddiesurfacehardeningaspects.Keywords:Dielife;Coldextrusion;Failureanalysis。
冷冲压模具发展现状
冷冲压模具发展现状模具是高新技术产业的一个组成部分,是工业生产的重要基础装备,用模具生产的产品,其价值往往是模具价值的几十倍。
模具技术是一门技术综合性强的精密基础工艺装备技术,涉及新技术、新工艺、新材料、新设备的开发与推广应用,是冶金、材料、计量、机电一体化、计算机等多门学科以及铸、锻、热处理、机加工、检测等诸多工种共同打造的系统工程。
用模具生产制品具有高效率、低消耗、高一致性、高精度和高复杂程度等特点,这是其他任何加工制造方法所不及的。
目前,模具制造业已成为与高新技术产业互为依托的产业,模具工业技术水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。
对任何国家来说,制造产业是综合国力及技术水平的体现,而模具行业的发展是制造产业的基础和关键。
针对这种情况,国家出台了相应的政策,正积极发展模具制造产业。
一、冷冲模具工业历史悠久冷冲压加工工艺在我国已有悠久的历史。
据文献记载:我国劳动人民远在青铜时期就发现了金属具有锤击变形的性能,到了战国时代(公元前403～前221年)已经能炼剑淬火。
我们的祖先在2300年前已掌握了锤击金属制造兵器和各种日用品技术。
在漫长的封建社会时期,我国劳动人民在金、银、铜装饰品和日用品的制作中,更是显示出了精巧的工艺技术和高超的艺术水平,令人叹为观止。
近代,从上个世纪20年代开始,金属制品、玩具和小五金等行业就开始使用冲床、压力机等简易机械设备及相应的模具加工产品的毛坯或某些零部件,其中的“刀口模子”专门用于落料、冲孔,“坞工模子”可用于金属拉伸。
由于生产力较为低下,技术水平不够,当时各厂使用的冲压设备功率都不大,甚至大多还是手扳脚踏。
模具加工业以手工为主,故而模具的精度不高,损坏率大。
直到20世纪40年代初,出现水压机冷冲模具。
50年代公私合营后,增添了磨床、铣床和锯床等设备,又配上硬度计、外径内径测定器和块规等较为精密的测量设备,冷冲模具的精度得以提高。
六七十年代,随着产品生产大量使用冲压机床,冷冲模具已从原来单冲落料、单冲孔模具发展为落料、冲孔复合模。
基于小弹塑性变形的冷挤压凹模结构优化设计的开题报告
基于小弹塑性变形的冷挤压凹模结构优化设计的开题报告一、研究背景在现代制造业领域中，冷挤压成型技术是一种广泛应用的成型工艺。
为了进一步提高冷挤压成型工艺的效率和生产质量，需要对凹模结构进行优化设计和改进。
然而，凹模结构的设计和优化并非易事，需要考虑多种因素的综合作用。
基于小弹塑性变形的凹模优化设计具有广泛应用价值，其能够充分考虑冷挤压成型过程中的变形和强度特性，使凹模的设计更加科学、合理、优化。
二、研究目的本研究旨在通过基于小弹塑性变形的数值模拟方法，对冷挤压凹模的结构进行优化设计，提高冷挤压过程中凹模的使用寿命和成型质量。
三、研究内容和方法1. 研究内容（1）分析冷挤压成型工艺的工作原理和凹模的应力特征；（2）建立基于小弹塑性变形的凹模优化设计模型；（3）通过有限元数值模拟方法，对不同凹模结构进行分析和比较；（4）提出优化方案，并进行仿真验证。
2. 研究方法（1）理论分析法：通过文献研究和理论计算方法，分析冷挤压过程中凹模的应力变化规律；（2）有限元模拟法：建立凹模模型，采用ANSYS有限元软件进行模拟分析，计算凹模的应力、应变等力学性能数据；（3）优化设计方法：根据理论计算和有限元模拟结果，提出凹模的优化设计方案，并进行仿真验证。
四、预期研究结果和意义本研究预期通过基于小弹塑性变形的冷挤压凹模优化设计，提高凹模的使用寿命和成型质量。
其具有如下意义：1. 对提高冷挤压成型工艺效率和生产质量有积极意义；2. 对优化凹模结构的设计和制造有实际意义；3. 对推动制造业的创新和发展有重要作用；4. 对拓展工程结构应用领域和开发新的商业机会具有潜在价值。
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自增强预应力凹模结构
• 通过自增强处理, 可以使凹模内壁处的切向 应力大大减小, 从而提高了凹模的弹性承载 能力, 扩大了凹模的弹性操作范4 可以使 凹模在工作时的内壁平均应力降低, 显著提 高疲劳强度4 可以避免组合式凹模在加工和 装配时带来的种种误差4 可望用性能较低的 模具材料取代高性能的模具材料4 可以使模 具结构简化
提高冷挤压凹模强度方法的研 究现状与进展
石然然 2011.11.1
目录
• • • • 研究背景 提高冷挤压凹模强度的方法 三种预应力冷挤压凹模结构介绍 总结
研究背景
在金属冷挤压成形过程中，挤压凹模需 要承受较高的单位挤压力，可高达 2000~2500MPa，服役条件差，容易失效。 因此，提高挤压凹模的强度和寿命是冷 挤压凹模设计时需重点考虑的问题。
常见的3 种预应力冷挤压凹模结构
• 多层套缩组合 • 钢带缠绕 • 自增强结构
组合式预应力凹模结构
• 优点：与整体式凹模相比，， 组合式凹模强度高、外形尺寸 小、节省材料等 • 结构优化思路：一是在凹模内 外径尺寸一定时，二是凹模内 径尺寸一定时 • 改进措施：如图二所示，凹模 尺寸减少较多，降低了模具成 本。过实验测定出挤压过程中 凹模内壁的受力情况，并将结 果作为有限元模拟的边界条件 进行计算。
•
面临的问题：凹模组合层数和外形 尺寸达到一定数值时，预应力改变 的空间受到限制，难以满足凹模在 超高压工作条件下的需要。
钢带缠绕式预应力凹模
• 与组合凹模相比，钢带缠 绕预应力凹模结构如图3 所示 • 缠绕式凹模有独特的优势， 表现为：承载能力高，外 形尺寸小，尺寸精度高， 预应力大小易调控，不易 整体失效等。钢带缠绕式 凹模是制造形状复杂和变 形程度大的冷挤压件的理 想结构。
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提高冷挤压凹模强度的方法
• 提高模具材料的性能 • 改善模具结构两方面
整体式凹模受力分析
• 整体式凹模的受力结构和 厚壁圆筒类似，可采用 Lame 公式分析，其应力 分布如图1 所示。 • 整体式凹模在工作时内壁 处的周向拉应力和等效应 力都较大，易导致凹模从 内壁处开始破坏或纵向开 裂。解决办法：增大模具 厚径比