挤压工艺及模具设计

挤压工艺及模具设计Extrusion Technology and Mould Design
一、挤压工艺分类
挤压可分为以下三类：
1）冷挤压，又称冷锻，一般指在回复温度以下（室温）的挤压。

2）温挤压，一般指坯料在金属再结晶温度以下、回复温度以上进行的挤压。

对于黑色金属，以600℃为界，划分为低温挤压和高温挤压。

3）热挤压，指坯料在金属再结晶温度以上进行的挤压。

1）冷挤压工艺
冷挤压是在冷态下，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、尺寸以及一定力学性能的挤压件。

冷挤压与热锻、粉末冶金、铸造及切削加工相比，具有以下主要优点：
1）因在冷态下挤压成形，挤压件质量好、精度高、其强度性能也好；
2）冷挤压属于少、无切削加工，节省原材料；
3）冷挤压是利用模具来成形的，其生产效率很高；
4）可以加工其它工艺难于加工的零件。

2）温挤压工艺
温挤压成形技术是近年来在冷挤压塑性成形基础上发展起来的一种少无切削新工艺，又称温热挤压。

它与冷、热挤压不同，挤压前已对毛坯进行加热，但其加热温度通常认为是在室温以上、再结晶温度以下的温度范围内。

对温挤压的温度范围目前还没有一个严格的规定。

有时把变温前将毛坯加热，变形后具有冷作硬化的变形，称为温变形。

或者，将加热温度低于热锻终锻温度的变形，称为温变形。

从金属学观点来看，区分冷、热加工可根据金属塑性变形后有无加工硬化现象存在来决定似乎更合理些。

在金属塑性变形后存在加工硬化现象这个过程称为冷变形及温变形。

3）热挤压工艺
热挤压是几种挤压工艺中最早采用的挤压成形技术，它是在热锻温度时借助于材料塑性好的特点，对金属进行各种挤压成形。

目前，热挤压主要用于制造普通等截面的长形件、型材、管材、棒料及各种机器零件等。

热挤压不仅可以成形塑性好，强度相对较低的有色金属及其合金，低、中碳钢等，而且还可以成形强度较高的高碳、高合金钢，如结构用特殊钢、不锈钢、高速工具钢和耐热钢等。

二、典型零件工艺分析及模具设计
1。

零件特点分析：
偏心轴是重要的传动零件。

在工作时承受巨大的冲击载荷，而且零件的工作环境恶劣、多粉尘，零件易磨损。

采用温塑性成形工艺，可以提高工件精度，降低材料消耗，减少或部分取消机械加工。

偏心轴由头部、盘部、杆部三部分组成，为非对称结构零件。

杆部细长，杆部与头部偏心布置，盘部的截面是非轴对称截面。

从零件结构上看，头部和杆部形状细长而狭窄，其长度明显大于其他尺寸。

由于零件各个截面积差较大，故可考虑采用挤压工艺。

该零件选用的材料为40Cr，此钢的抗拉强度与屈服强度比相应的碳素钢高20％，并具有良好的淬透性，良好的切削加工性能。

2.生产工艺方案分析
方案1：
采用温挤压成形工艺将该零件一次成形。

由于该零件变形程度较大，故可考虑采用温挤压工艺。

而且一次成形减少了零件制造工序，降低了生产成本。

加热润滑表面处理
方案2：
在挤压件最终成形前加入一道预成形工序，即先使偏心轴下部的台阶成形，由于该道工序中零件变形程度不大，故采用冷挤压成形，简化模具制造和实际生产时的步骤。

此后，采用温挤压工艺成形零件变形程度较大的凸轮部分和其上的直径8mm小台阶。

润滑表面处理表面处理
退火加热
润滑
比较：
以上两种方案各有所长，方案一制造工序少，模具制造成本低，但在实际生产中，由于该零件的凸轮部分变形程度过大，且制造精度很高，要求一次成形而不需进行后道加工，导致挤压力增大，毛坯无法完全充填型腔，零件很有可能报废。

同时在工作中零件会与模具型腔内壁剧烈摩擦，产生的力有可能使模具报废。

方案二尽管增加了一套模具，制造成本比方案一高很多，但因为加入了预成形工序，使挤压时零件的变形程度降低，挤压力也减少了很多，因此保证了零件质量，比方案一更适于实际生产。

综上所述，初定方案二。

1）挤压件的设计
在拿到零件后，应先制订出挤压件图。

挤压件图就是适合于冷挤压的零件的图形。

它是根据成品零件图，考虑到挤压工艺性和机械加工的工艺要求，进行设计的。

由于该零件的轴部带有4个连续阶梯，在挤压时很难一次成形，所以必须对轴部进行简化，改为两个阶梯；凸轮部分必须在温挤压时一次成形，直接达到零件图尺寸，所以精度要求较高。

2）工艺参数计算
1).下料：
坯料规格为Φ24×35mm，使用剪切模下料。

坯料重量为123.8g。

剪切力Q＝588.1KN，剪切设备：开式双柱可倾压力机
JB23-63。

2).镦粗：
用剪切模制备坯料时，剪断的坯料端面比较粗糙，端面与中心轴线不能保持垂直，有一定的斜度。

因此坯料在剪切后，一般用镦平模将坯料端面压平后再进行挤压。

镦粗后坯料规格为Φ27.8×26.1mm。

冷镦力F=649～670kN，考虑安全系数，选设备：开式双柱可倾压力机J23-100。

3).退火：
对于40Cr来说，其退火工艺为加热至860℃，保温14小时，再
随炉冷却至300℃后空冷,处理后硬度为HBS150～163。

温
度
时间
14h
300°C
860°C
4).表面处理：磷化处理
5).润滑：皂化
6).冷挤压预成形：
用冷挤压工艺将毛坯挤压至
如左图形状。

冷挤压力：F=1193.3KN
因为液压机在任何行程位置都能产生公称压力，所以考虑安全系数选用设备：四柱万能液压机Y32-200。

7).温挤压前润滑：水剂石墨
8).加热：
40Cr的温塑性变形温度通常在600℃～800℃之间，高于800℃时工件的氧化变得剧烈，低于600℃时工件的变形抗力迅速增大。

由于工件的变形程度较大，故将温挤压温度定在750℃，在这温度下40Cr的变形抗力为常温下的15％，氧化极微。

考虑到加热温度的波动，将温挤压温度定为750℃±20℃。

加热装置采用2500Hz、100kw的中频感应加热炉。

9).温挤压成形：
在冷挤压基础上将零件头部的小凸杆和
凸轮温挤压成形，如左图所示：
温挤压力：F=1526.5KN
考虑安全系数选挤压设备：四柱万能液
压机Y32-200。

10).车加工：
塑性成形后，由于挤压机械加工精度及零件尺寸公差无法达到图纸要求，部分尺寸需要进行切削加工至零件尺寸。

3）模具结构设计
(1).预应力圈组合凹模：
为了解决凹模的横向裂纹，
生产中采用横向或纵向剖分的
凹模结构；为了提高凹模的强
度，防止纵向裂纹产生，生产
中普遍使用预应力组合凹模。

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。

由于组合凹模中的内凹模与预应力圈采用过盈配合，压入后两者的接触面产生接触预应力。

因此，组合凹模挤压时，内凹模所产生的切向拉应力就被抵消而减小，而预应力圈上所产生的切向拉应力被叠加而增加。

这样，内凹模与预应力圈的切向应力趋于相同。

如果组合凹模预应力圈的尺寸选择得适当，其过盈量也
足够大，甚至可以使内凹模得内壁在挤压时完全没有切向拉应力。

由于单位挤压力较大，本次设计的两套模具均采用三层预应力圈结构。

(2).预成形组合凹模设计：
正挤压时，由于挤压力很大，
如果采用整体式凹模，在型腔的
直筒部分与锥角相交处会产生应
力集中，容易开裂，因此常采用
分割形式的组合凹模。

预成形件由于要成形两个台
阶轴，如采用整体式凹模很容易
开裂，故将凹模和预应力圈作横
向分割。

为了防止金属挤入接合
面间，应精心设计并仔细加工分
割处的接合平面。

4.）模具结构
(1).预成形：
根据预成
形件的特点，
设计了如左图
的模具结构。

该套模具
主要由下顶杆
6，凹模垫块7，
凹模8、16，
中套9、17，
外套10、18，
凸模15，凸模
套14，凸模垫块13，斜楔21等主要零件和一些大小螺钉组成。

预成形模具装配动画：（直接在光盘双击打开）
预成形模具工作动画（直接在光盘打开，用IE打开）：
预成形模具特点：
凸模快速换装结构
由于凸模要经常更换，故
其拆装方便、固定可靠显得尤
为重要。

传统的凸模固定有许
多方式，如压板式、螺纹固定、
过盈紧配等。

但是，它们都存
在着一个共有的缺点：那就是
不便于凸模的快速更换。

当凸
模的直径较大时，如果采用
上述结构，衬套、固定螺母和凸模三者的总重量会很大，不利于操作人员拆装和更换。

而采用斜楔固定的方法，则要省力方便得多。

该结构的特点是利用斜楔的自锁现象来锁紧凸模。

其固定方法：将斜楔插入上模座的导槽，用锤子敲击斜楔，使得斜楔的斜面与凸模套的斜面配合，并利用自锁现象来固定凸模，这种设计的优点是：定位准确且更换方便，更换时无须卸下斜楔，只要将螺母拧松，敲松并略退出斜楔便可卸下凸模。

凸模快速换装动画：（直接在光盘双击打开）
(2).成形：
根据成形
件的特点，设
计了如左图的
模具结构。

该套模具
主要由下顶杆
6，凹模垫块7，
凹模9，中套
10，外套11，
凸模20，上顶
杆19，凸模垫
块16，上螺母
13，下螺母8，
管接头21等主要零件和一些大小螺钉、销组成。

成形模具装配动画：（直接在光盘双击打开）
成形模具工作动画：（直接在光盘用Internet Explorer打开）
成形模具特点：
凹模冷却
在温挤压时，使模具充分冷却，又不使坯料过度降温是设计温挤压模具结构时必须认真考虑的问题。

特别是在中高温温度下（500～800℃）的温挤压成形，模具冷却系统的设计显得尤其重要。

合理的冷却方法可以保证温挤压的连续成形并有利于延长模具寿命。

成形模的凹模冷却机构是在预应力圈（外圈）的内壁开设若干圈环形水槽，并凿通竖槽和开通出水孔，使冷却水往进水管注入，在外圈和内圈内部分别环绕数周，带走凹模的热量，由出水口流出再进入冷却装置。

为了便于安装冷却系统，并且不影响预应力圈的强度，在设计预应力外圈时，外形尺寸应推荐值的上限。

在该模具中，冷却水流动方向为下进上出，冷却水管用同口径软管与管接头相连。

凸模冷却
该副模具对喷雾冷却方法。

冷却喷雾是冷却水和压缩空气混合而成的一种水汽，此装置安装在凸模上方，呈环形布置。

开模时，雾汽从若干个喷嘴喷出，对凸模进行冷却，工作时需要外接管道。

它的特点在于：首先，由于喷出的是水汽，而凸模在温挤后，此时的温度较高，冷却雾汽遇到凸模后，在对凸模冷却的同时马上会蒸发，因此不会造成坯料的过冷；其次，由于雾汽是冷却水和压缩空气混合而成的，通过调节汽、液阀门可以控制冷却水和压缩空气的比例，从而可以达到最佳的冷却效果；再者，由于冷却喷雾通过铜管上若干个喷嘴喷出，对凸模的冷却均匀，不会形成较大的温度应力，从而有利于延长凸模的使用寿命。

此外，由于偏心轴为非对称零件，上、下模相对位置必须固定可靠，因此为了防转，在上、下模相应零件都加了Φ6mm的圆柱销，凸
模和凹模使用大螺母固定。

4挤压过程数值模拟
（直接在光盘双击打开）
1)工序1：冷挤压成形数值模拟及温度场分布
2)工序2：冷挤压成形数值模拟及温度场分布
3)工序3：温挤压成形数值模拟及温度场分布。