挤压模具毕业设计论文

挤压工艺及

模具设计题目：棘轮套冷挤压模具设计

课

程

设

计

学院（系）：___机械与电子学院___________

专业：___模具设计与制造___________

班级：_______0540902______________

姓名：____喻庆勇______________

任课教师：_____丁常汶______________

设计时间：__二 0 一一年十月________

目录

一、冷挤压零件分析 3

1、材料选择 3

2、形状设计 3

3、尺寸分析 4

二、冷挤压工艺分析 4

1、坯料尺寸确定 4

2、毛坯软化处理 4

3、冷挤压毛坯表面处理与润滑 5

4、变形程度计算 6

5、确定挤压次数 6

6、工序设计 8

三、冷挤压设备选择12

1、挤压力的确定 12

2、压力机吨位计算12

3、挤压设备类型选择 13

4、液压式压力机型号选择 13

四、冷挤压模具结构设计13

五、凸模设计14

1、凸模的长度尺寸计算 15

2、凸模加工工艺路线 15

六、凹模设计16

1、组合凹模结构设计 17

2、棘轮套挤压齿形模芯的设计 17

3、齿形模芯加工20

七、冷挤压件质量分析20

八、凸模机加工工艺23

九、非标准件三维结构图24 致谢29 参考文献30

一、挤压零件分析

图1—棘轮套零件图

图1所示为棘齿套零件图。它是一种两端带孔，中间带凸缘的轴类齿轮零件，其各截面变化较大、直径为φ39mm的外表面为异形齿且精度要求较高，外齿齿顶圆角太小（R0.5），成形工艺性较差。内孔型腔表面要求光滑平整，无毛刺，划痕，裂纹和折叠等缺陷存在，表面粗糙度Ra3.2以下。对于这种具有外齿形、两端带孔﹑中间带凸缘轴类零件，要获得具有外齿形的精密锻件，采用单工序成形是不可能的，必须采用多工序成形工艺。根据零件的结构特点和材料的工艺特性，采用冷挤压成形工艺比较适宜。

1，材料选择

该棘轮套选用20CrMo钢，该钢材参照国家标准：GB/T 3077-1988。其化学

成分（质量分数，﹪）为：0.17～0.24C，0.17～0.37Si，0.40～0.70Mn，≤0.

035S，≤0.035P，0.80～1.10Cr，≤0.030Ni，≤0.030Cu，0.15～0.25Mo,属

于低碳合金结构钢。该材料的强度较低、塑性很好，是典型的冷成形材料。

2，形状设计

（a）对称性

棘轮套为轴对称，对称性最好，

（b）断面积的差

根据冷挤压棘轮套工序，第一道正挤压工序断面积差=1909.562

mm，第二

道工序断面积差:2513.312

mm

mm,第三道工序断面积差:1010.262

（c）断面过渡

第一道正挤压工序，由于直径φ46圆柱与直径φ63.6的中间凸缘相差较大，

截面变化较剧烈，是变形和应力分布最不均匀的区域，材料在该处易产生裂纹。故应设计成锥形过渡。

①挤压比G (引用《挤压实用技术》p113)

G=

1

0F F

式中 F 0—冷挤压变形前毛坯的横截面积（2

mm ）

F1—冷挤压变形后制件的横截面积(2

mm

)

经计算得G=2.57。

查《挤压模具简明设计手册》P25表2.13 冷挤压件尺寸的极限值，选取a=45°。

②过渡圆角半径 (引用《挤压模具简明设计手册》P26表 2.13 冷挤压件尺寸的极限值)

查表取R=1.0mm;r=3.0mm

（d ）断面形状

根据零件图分析知，棘轮套无锥形、细小深孔、通孔，故适合于冷挤压断面形状。 3，尺寸分析

（a ）最小压余厚度t

由于棘轮套采用正挤压工艺，故t ≥d/2满足其要求。 （b ）最小壁厚s

壁厚越小，挤压力越大，变形程度越大，变形抗力越大，金属流动越困难。查《挤压模具简明设计手册》P38表1-31 冷挤压工艺尺寸的极限数值，得低碳钢S ≥d/5。

根据零件图分析知，S=7mm 、d=23mm 故S ≥d/5满足其要求。 （c ）最大挤压深度L

为防止过长的凸模，工作时容易弯曲，稳定性差。查《挤压模具简明设计手册》P38表1-31 冷挤压工艺尺寸的极限数值知，L ≤（2.5～3.0）d 满足其要求。

根据零件图分析知，L=26mm 、d=23mm 故L ≤（2.5～3.0）d 满足其要求。 （d ）最大挤出长度L

为防止挤出部分过长，润滑和退料将发生困难。查《挤压模具简明设计手册》P38表1-31 冷挤压工艺尺寸的极限数值知，L ≤10d

根据零件图分析知，L=23mm 、d=46mm 故L ≤10d 满足其要求。

二、挤压工艺分析

1，坯料尺寸的确定

根据挤压件毛坯的三维造型图，可以得到挤压件毛坯体积为96941.71853

mm

。

市场出售标准圆钢直径有φ45，φ48，φ50，φ60，φ65mm 等，根据毛坯图

最大直径为φ63.6mm,故选用直径为φ65mm 的圆钢。下料方式采用带锯下料，因为剪切下料H/d ≥0.8(H —下料的高度；d —下料的直径)而板料冲裁下料利用率很低，带锯锯切的断面比较平整，一般不需要整形就可直接进行挤压，且材料利用率较高。

经计算得毛坯下料高度H=30.53mm 2，毛坯软化处理

市场提供20CrMo 材料，硬度≤197HBS 相对较高，晶粒粗大不均匀，塑性较差，变形抗力较大，若不经软化退火处理而直接进行冷挤压成形，则金属流动困难，棘轮套凸缘部位可能充填不饱满而法兰的边缘部位可能会出现局部开裂，模具也很容易损坏。为了降低材料的变形抗力，提高塑性，应

对坯料进行适当的退火处理，其退火规范如右图所示。经过退火后的组织为细小均匀的晶粒组织，其硬度为HB130～140。 3，冷挤压毛坯表面处理与润滑

毛坯表面处理与润滑主要包括以下内容： （a ）去除表面缺陷。

棘轮套毛坯，去除表面缺陷在冶金厂内进行，各挤压工序制件，由于润滑不当或模具的缺陷等原因往往会引起新的表面缺陷，必须在后续工序前去除表面缺陷。 （b ）清洁、去脂、

为了清洁毛坯表面，以便经磷酸盐处理后使整个金属表面都能为磷酸盐处理层所覆盖，必须将毛坯上所有的油、沙、锈斑和垢壳彻底去掉，使全部金属表面都能够直接与磷酸盐处理液相接触。该棘轮套采用化学去油的配方与工艺如下： 氢氧化钠OH N a 60～100g/L 碳酸钠(大苏打)32CO N a 60～80g/L 磷酸钠43PO N a 25～80g/L 水玻璃32SiO N a 10～15g/L

处理温度 ≥85°C 处理时间 15～25min

在化学去油后，应当在热水中对毛坯进行冲洗。一般在温度≥80°C 的热水中经过4～6次吊动即可。去油效果检查十分简单，只要用水直接淋在零件上，如果已彻底去油，则水能浸润所有的表面。 （c ）去除表面氧化层

结合棘轮套冷挤压工艺，由于先热处理再机械加工后下料，在机械加工中将表层

热处理氧化层去除，故采用机械处理去表面氧化层。 （d ）磷化处理

钢毛坯经磷酸盐处理后，在表面上形成磷酸盐处理层，可以避免挤压件产生鱼鳞

状裂纹，可以避免模具的擦伤与碎裂。在冷挤压变形中，其可作为润滑支承层。经过磷酸盐处理及润滑处理后的钢毛坯具有十分理想的润滑性能，因而可以降低挤压力，防止零件表面裂纹，防止材料粘在模具上，提高模具寿命。对于棘齿轮套磷化处理工艺如表1。

（e ）润滑处理

润滑处理能降低挤压的摩擦力是零件表面质量好，避免裂纹，提高模具寿

命。

表1—表面与润滑处理工艺

4，变形程度计算

该零件采用断面缩减率表示其变形程度。

断面缩减率F

ε

F

ε

=0

10F F F -%100?

式中 F 0—冷挤压变形前毛坯的横断面积（2

mm

） F1—冷挤压变形后制件的横断面积（2

mm

）

(a)计算总变形程度

已知机加工后坯料直径ΦD0=63.6mm,零件最大变形程度地方为零件φd1=37mm ，φd2=23mm 环形端面，故零件总变形程度为

F0=∏2

D ／4

ε

F

=

10F F F -%100?=78.29%

5，确定挤压次数

假设采用一道工序，经计算得ε

1

F =78.29%

ε

1

F =ε

F

<ε

许

F =80%，

其ε

许

F 由表3.3（P38《挤压模具简明设计手册》）差得。

考虑挤压件尺寸因素，挤压件形状复杂程度，采用一次挤压难以保证精度和形

状，故选用多道工序进行挤压。 假设采用三道挤压工序 工序3变形程度：

已知D0=63.6mm,d1=46mm,d2=23mm 。

F0=∏2

D ／4

F1= ∏（2

1

d -2

d ）/4 F

ε

=

10F F F -%

100?=60.77%

工序4变形程度：

已知D0=63.6mm,d1=37mm,d2=23mm 。 F0=∏2

D ／4

ε

F

=

10F F F -%

100?=78.29%

总的变形程度af=78.29%，由于20CrMo 钢含C 量为0.008%～0.20%属于低强度钢，查表3.3（P38《挤压模具简明设计手册》）得af 许为78%～88%.故各工序af

图2—第一次正挤压

图3—第二次正挤压

图4—第三次正挤压

6，工序设计

冷挤压生产零件，从毛坯变为成品要以系列工序。挤压工艺的设计的实质，在于确定一系列必要的工序，使毛坯逐步接近挤压件形状。棘齿套的形状复杂，其个部位变形程度较大，变形工序较复杂，根据冷挤压工艺的特点，采用冷挤压成形工艺可以成形出此零件φ37mm、φ49.5mm的环形凸台,两端φ23mm的不通孔和齿形。

为了保证冷挤压工艺的顺利进行，在制定冷挤压件图时必须考虑棘轮套各部分的尺寸结构及技术要求和冷挤压工艺性问题：

（a）对于棘轮套零件的φ37mm凸缘部分，由于尺寸公差要求不高，可以直接冷挤压成形。

（b）对于大头直径为φ39mm凸缘、零件齿形，由于尺寸精度要求也不高，只要预成形凸缘大小，深度适当，完全可以冷挤压成形。

（c）对于φ49.5mm凸缘与零件最大外径φ63.6mm相差较大，变形程度大，截面变化较剧烈，是变形和应力分布最不均匀的区域，材料在该处易产生裂纹需采用过渡断面。

（d）对于φ49.5mm端面圆角R1.5部分，考虑节约成本，模具寿命，不必要用冷挤压成形工艺直接加工出来，待成形加工后再进行切削加工。

（e）为了保证各工序间，上工序成形间便于放置于下工序凹模，应该考虑各工序间的合理间隙。

综合考虑以上因素，对于图1所示挤压零件，成形工艺制定为机械加工棒材、

下料、正挤压φd=49.5mm端、正挤压φd=37mm端、正挤压齿形（如图5-图10）

、图5—机械加工毛坯

图6—下料

图7—第一次正挤压

图8—第二次正挤压

图9—齿形挤压

图10—机械加工R1.5圆角

三、挤压设备选择

1,挤压力的确定

挤压力的影响因素很多，有挤压材料、变形程度、模具形状、润滑毛坯尺寸、变形方式和挤压速度等，故采用经验公式计算挤压力较准确。

P=Zn

b

σ

式中p—单位及压力，MPa;

b

σ—被挤压材料的强度极限，MPa;

Z—模具形状的修正系数；

n—变形程度系数；

已知

b

σ=580MPa（表4-1 挤压材料的强度极限《挤压工艺及模具》p60），z=1.0(图

4-33模具形状修正系数《挤压工艺及模具》p60)，n=4.5(图4-34变形程度系数《挤压工艺及模具》p60)。

由上公式计算得p=2610MPa

2,压力机吨位计算

P=CpF

式中P—所需压力机吨位，KN;

p—单位挤压力，MPa；

F—凸模工作部分的投影面积，2

mm；

C—安全系数（考虑到材料组织不均匀，确定单位及压力的方法不精确等），一般取C=1.2～1.3

F=∏(

26.

63

)2=3175.292

mm,取C=1.2。

经计算得P=9945KN

3,挤压设备类型选择

由于液压式压力机工作行程长、速度和行程可调、能在下死点保压、安全性高、不存在超载问题，故选用液压式压力机。

4,液压式压力机型号选择

由于挤压力为9945kN、设计挤压模具行程小于100mm,模具高度为643mm,故选用

四、冷挤压模具结构设计

棘轮套的冷挤压模具结构如图11所示，该模具采用简易封闭式通用模架，在导柱模架上，安装有下顶出装置。模板和模座，均分割开来进行加工，然后用螺栓和销钉紧固联接在一起。具有制造简单、拆卸方便等优点。在模架上只要更换凸凹模等几个工作部件，便可进行较高精度的反挤压、正挤压、复合挤压等多种挤压。

该模具采用螺栓将模具与压力机联接在一起。当开模时，安装于压力机T型

图12—模具结构三维图

槽的螺钉带动上模向上运动，当运动一段距离后，液压装置顶住定杆，通过推板，顶料杆，环形顶出套一起向上运动，将制件顶出模具。当合模时，液压装置减压，定出装置受力回程。上模通过压力机回程，向下运动将压力传递给坯件使坯件变形达到要求尺寸、形状，然后开模。

图11—模具结构二维图

1-凸模紧固螺母 2-导套 3-内六角螺钉 4-上模板 5-凸模垫板 6-凸模 7-圆柱销 8-凸模固定架 9-凸模固定板 10-压板 11-凹模 12-凹模垫板13-凹模芯 14-环形顶出套 15-圆柱销 16-垫环 17-顶料杆18-顶杆19-推板 20-凹模芯垫板 21-内六角螺钉 22-下模板 23-凹模芯固定板 24-定位套 25-导柱 26-预应力圈 27-内六角螺钉

五、凸模设计

采用整体式凸模，其形状和尺寸如图13所示。凸模顶部的形状尺寸与挤压件凸缘的形状和尺寸相同；为了保证凸模装卸简便，紧固可靠凸模的夹持部分设计成锥形；为了防止应力集中而造成模具早期失效，过渡部分要设有足够大的圆角半径；为了防止凸模产生纵向弯曲，凸模成形部分长度L应尽量小些，以提高凸模强度。

查《挤压模具简明设计手册》表6.10—正挤压凸模的设计p100,经计算得表3

1，凸模的长度尺寸计算

凸模的长度尺寸包括夹持部分、导向部分和凸模的全长尺寸。凸模长度尺寸由《挤压模具简明设计手册》表6.5—凸模的长度尺寸的确定p97查得。

L=H1+H2+H3+H4+H L—凸模长度;

H1—凸模固定套厚度;

H2—凸模进入模腔的深度;

H3—卸料板厚度;

H—考虑到磨损、调整和安全因素附加的

数值，一般取10～15mm;

H4—凸模过渡部分

由模具结构图知，无卸料板结构，故H3=0mm。H1=86mm,H2=80mm,H4=60mm。经计算得凸模长度L=226mm。

2，凸模加工工艺路线

下料——热处理（等温退火）——粗车——车退刀槽——半精车——倒圆角——车端面凹槽——热处理（中温淬火、中温回火）——检验——粗磨——精磨——检验

图14—凸模结构二维图

六、凹模设计

1、组合凹模结构设计

为了提高凹模的承载能力，有效延长模具的使用寿命；减小凹模内径拉应力，内壁切向拉应力；减缓径向裂纹的开展；提高凹模采用的材料Cr5Mo1V的脆性、抗拉性能。凹模结构采用两层组合式凹模结构。

6-3）

d1为凹模内径（挤压件最大外径）=Φ63.6mm;

d3为预应力圈外径=Φ254mm；

r为凹模具配合斜度=1°30′。

最内层凹模与预应力圈采用过盈配合（过盈量取为0.35mm），以保证过盈收缩产生

一定的预紧力。

图15—两层凹模结构图

2，棘轮套挤压齿形模芯的设计

棘轮套挤压齿形模芯如图19所示。对模芯的设计主要包括选择合适的齿形参数和齿形直径、确定挤压过渡段、挤压段和顶出回程段的角度、长度和圆角大小。

（a）齿形模芯的齿形设计

图16-两层组合式凹模爆炸结构图

图17—凹模结构二维图

模芯的齿形设计要求能够按规定的齿厚和齿高冷挤出符合要求的工件齿形来，所以模芯齿形的模数和工件相同；考虑到挤压工件的热胀冷缩以及模具和挤压工件的弹性回复问题，模芯齿形的压力角和变位系数都要作适当的调整。另外考虑到降低冷挤

图18—凹模结构三维图

压成形力以及挤压齿形不再后续加工就可以装配的问题，需使模芯的齿顶高小于

工件齿形的齿根高而挤压模芯的齿根高大于工件齿形的齿顶高。

图19—棘轮套挤压齿形模芯结构

（b）齿形模芯的挤压过渡段设计

结合棘轮套零件结构，齿形模芯的挤压过渡段设计主要是选取合适的圆角。在模腔凸角半径上，被挤压的金属发生剧烈的流动。圆角太小时，会使模腔的锐棱咬住被挤压的金属，导致挤压件的纤维被割断，在表面上形成波纹或微裂纹和模具凸角的锐棱磨损很快，而发生塌陷或剥

离。在本工艺中，圆角半径不

影响零件功能，因此尽可能选

大，取其半径R=2mm。

（c）齿形模芯的挤压段长度设计

齿形模芯挤压段的长短对挤

压后的齿形零件质量有一定的影

响。挤压段过长时，金属流动时

的摩擦力大大增加，金属流动困

难，从而影响挤压的正常生产；

而挤压段过短时，虽然金属流动

容易，成形力也很小，但是挤压

成形的齿形零件容易扭曲变形。

（d）齿形模芯的顶出回程段设计

齿形模芯的顶出回程段设计

方法与挤压过渡段设计类似，主

要是选取合适的锥度。锥度太大时，虽然金属流动的流程短、摩擦力较低，容易挤压成形，但在顶出回程过程中由于导向段较小，容易造成挤压件的“镦粗”，使挤压件难以顶出。锥度过小时，顶出的导向段较长，挤压件顶出容易，但是由于在积压过程中金属的流动路程较长、摩擦力很大，使挤压过程中难于正常进行。在本工艺中，模芯的顶出

回程段锥度为90°～120°比较适宜]17[。

（e）齿形模芯的加工

齿形模芯材料采用Cr5Mo1V。材料必须经过充分锻造，使金属基体致密，碳化物不均匀性得到充分改善，从而提高其工艺性和使用性能，延长齿形模芯的使用寿命。模芯经热处理后硬度为HRC60～62。

3，齿形模芯加工

齿形模芯是非标准的特殊内齿形零件，因而其内齿形的加工必须在专用的线切割加工机床设备才能完成。

其加工工艺路线如下：

下料→十字改锻→球化退火→粗车加工→淬火、回火→精车加工→线切割内齿形→抛光内齿形→去应力退火→检验

七、冷挤压件质量分析