金属材料精密塑性加工方法：冷挤压

动力转向齿轮
飞机构件成形
钛配件的成形顺序
飞机构件成形
软件：DEFORM 3D 零件：飞机配件 尺寸：≈ 28” x 4” x 4” 阶段：预成形 材料：Ti – 6Al – 4V 初始温度： • 模具600o F • 坯料1750o F
飞机构件成形
飞机轮成形顺序
热处理分析
模糊区域是马氏体转变的体积分数，明亮区 域为贝氏体和珠光体的混合物。
模具应力和模具寿命
伞齿轮
有限元模型
凸模
冷挤压中的缺陷
- 人字形缺陷例子
汽车工业中，许多轴和轴类零件，
包括紧固件，都是正挤压。
车辆中一些零件的安全性能要严格 考虑，一定不能有任何缺陷。外部
缺陷是可见的，但是如人字纹内部
缺陷是不可见的。
缺陷的有限元模拟
- 有限元法模拟
-人字纹形成裂纹出
现在三次正挤压过
A
50
-流动应力值不仅取决材料的化学组分 0 0.0 0.1 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.9 1.0 ，而且取决象热处理和加工硬化的先前 Punch Stroke(in.) 的工艺规律。
•流动应力
A : AISI 1015, B : AISI 1035,
有限元模拟
断面收缩率 I
Load vs. %R.A.
挤压分类
• 根据挤压时金属坯料所处的温度，常用的挤压方法可以分为： ◆热挤压 挤压时，坯料变形温度高于金属材料的再结晶温度,与锻造温度相同。多用
于机械零件和毛坯的生产。
◆温挤压 挤压时，将坯料加热到再结晶温度以下高于室温的某个合适温度下进行的挤
压方法，是介于热挤压和冷挤压之间的挤压方法。
◆冷挤压 挤压时，挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的
冷挤压 Cold Extrusion
重庆工学院 材料科学与工程学院 张 驰 2006.3
前言
目前，冷挤压技术已在机械、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。
铝合金 :
●纯铝合金或接近纯铝合金 : 1285, 1070, 1050, 1100 ●不能淬硬铝合金: 3003, 5152, 5052 ●淬硬铝合金: 6063, 6053, 6066, 2017, 2024, 7075 ●其它合金：铜，钛，铅和其它室温下难锻造的金属
冷挤压变形程度
冷挤压变形程度的表示方法
0 0.0 0.2 0.4
• 坯料长度
0.5 0.6 0.7 0.8 Punch Stroke(in.)
0.9
A: B:
L2 1.5( in.) L1 0.75( in.)
开式模挤压中胀形模拟
模拟条件 材料： AISI 1045
%R.A. : 20% 入模角 : 45o 摩擦因子 : 0.08 L/D = 7
冷挤压种类
实心件正挤压
杯形正挤压
杯形正挤压
P=上模, C=container, W=工件, E=顶杆
冷挤压工艺组合
实心件正挤压和杯形件 反挤压组合
正反杯形挤压组合
P=上模, C=container, W=工件, E=顶杆
成形工序
(a) 剪切下料
(c) 正挤压 (e)法兰顶镦和轴肩压印
(b) 实心件正挤压和杯形件 反挤压组合
正挤压变形分区
反挤压变形分区
冷挤压系统
(2)
(4) (6)
(1)
(3)
(2) (5)
(7)
(1) 坯料材料 (2) 模具 (3) 模具材料界面
(4)变形区/工件 (5)设备 (6)产品(7)车间环境
冷挤压系统
材料和模具
- 影响工艺和零件质量的参数
坯料材料
•流动应力是应变、应变率、温度、和微观结构的函数 •可成形性是应变、应变率、温度、和微观结构的函数 •表面状态 •热/物理性能 •原始条件（组成、温度、规律） •微观结构和组成的改变对流动应力的影响
•模心直径 , (inch)
坯料
(4)
0.010 D Billet Dia . 0.012
•模口成型面 , (inch)
l
l1
32
~1
Container
16
d
减径挤压
载荷计算
- 总成形载荷包括以下部分:
P Pfd Pfc Pdh Pds
Pfd P fc
: 克服模具表面摩擦力所需载荷 , : 正挤压中克服挤压筒摩擦力或反挤压中克服凹模表面
制造各种断面形状的杯形件.
◆复合挤压 挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同，而另
一部分金屑流动方向则与凸模的运动方向相反，复合挤压法可以制 造双杯类零件。
◆减径挤压 变形程度较小的一种变态正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩减。
可挤出形状
挤出的形状通常为带有非对称特征的轴对称， 挤压不会产生飞边。
- 挤压载荷随着面积减小而增加， 因为随着面积减小大量变形或应 力增加。
A - 30%, B - 45%, C - 60%
有限元模拟
断面收缩率 II
刚性 区域
应变 vs. 半径 行程=1.0 in.
A %R.A. = 30% C
%R.A. = 60%
max 0.898
max 1.188
5)复杂高精度零件虚拟原型制作的CAE的应用.
6)计算机信息管理系统的采用和发展
冷挤压的应用
挤压定义
• 挤压是迫使金属块产生塑性流动，通过凸模与凹模间的间隙或凹模
出口，制造空心或断面比毛坯断面要小的零件的一种工艺方法。如 果毛坯不经加热就进行挤压，便称为冷挤压。冷挤压是无切屑、少
切屑零件加工工艺之一，是金属塑性加工中一种先进的工艺方法。
如果将毛坯加热到再结晶温度以下的某一温度进行挤压，便称为温 挤压。温挤压仍具有少无切屑的优点。
单位:in.
- 面积减小越大，应变也越大
有限元模拟
入模角
坯料
-断面缩减率一定，模口角度越大， 发生剪切变形金属体积增加， 导致剪切变形载荷增加。
筒壁 坯料
筒壁
1
2
-另一方面，凹模的接触长度增加， 导致凹模摩擦载荷增加。
l1
入模角和接触长度 之间的关系:
l2
-因此，有一个使挤压载荷 最小的最优的模口角度。
程中，第一步用热 扎的SAE 1137材料 的球形凹模，并且 相应地会破坏数值 的分布。
-临界损坏值是与材料的可成形性有关的数值。
冷挤压模拟实例
汽车、摩托车齿形（花键）零件，汽车启动机内齿轮轴、锥齿弧 齿轮等零件成功应用了先进的精密体积成形技术以及复动成形 （闭塞锻造）技术。即模具设计、工艺参数设计、精密体积成形 的计算机仿真、锻压过程控制等技术。
冷挤压技术发展趋势
1）锻件生产向高效、高质、精化、节能节材方向发展。
2）汽车向轻型化、高速度、平稳性方向发展，对锻件的尺寸精度、 重量精度及力学性能等都提出了较高的要求。新产品的高要求，将促 进精化生产工艺的发展。 3）专业化、规模化的组织生产仍是冷挤压生产的发展方向和趋势。 4) 挤压专机将成为一种发展趋势。
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。
挤压分类
根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，常用的挤压方法 可以分为： ◆正挤压 挤压时，金属的流动方向与凸横的运动方向相一致。 ◆反挤压 挤压时，金屑的流动方向与凸模的运动方向相反，反挤压法可以
•模拟条件
Load(klb) 140 120 100 80 60 40 20 0 30% 45% 60% Reduction in Area (%R.A.)
•断面收缩率 (%R.A.)
材料 AISI 1035 入模角 : 30o 尺寸(L x D) : 1.5 x 1.0 in. 摩擦因子 : 0.08
冷挤压系统
设备，产品和车间环境
- 影响工艺和零件质量的参数
设备
•速度/生产率 •力/能量 • 刚性和精度
产品
•几何形状 •尺寸精度，公差，表面光洁度 •微观组织，力学和金属性能
车间环境
•人力 •空气，噪音和废水污染 •工厂和生产设施控制
冷挤压应用
双杯形冷挤压件
冷挤压应用
螺旋齿轮杯形件
冷挤压应用
模具
•模具几何形状 •表面状态（表面精度、涂层） •材料/热处理/硬度 • 温度
冷挤压系统
界面和变形区
- 影响工艺和零件质量的参数
模具/材料边界条件
•滑润剂和温度条件 •边界层的绝缘和冷却特性 •润滑性和摩擦切应力 •关于润滑剂应用和去处的特性
变形区
•形变力学；分析模型 •金属流动，速度，应变率和应变 • 应力（变形过程中的变化） •温度（热量产生和转移）
和凸模表面之间的所需载荷
:均匀变形所需载荷
:不均匀变形也引起内部剪切力所需载荷
Pdh Pds
有限元法进行参数评价
坯料直径固定为 1.0 in.
有限元模拟 的四个参数
考虑过的机械压力机的速度分布图
Punch
4. 坯料长度 (1.5 in., 0.75 in.)
Billet
L
(4)

3. 开口角 (5o, 10o, 15o, 30o, 45o, 55o, 70o)
•坯料长度 , •挤出直径,
D
Punch
D L
Billet
d
L
R

•入模（开口）角, •模口成型面， l •凹模入口半径, R •过渡半径,
r
l
r
d
Container
减径挤压
闭式模挤压准则
普通挤压尺寸
• 最大面积减小,
凸模
D
%R.A. 70 ~ 75%
D2 d 2 %R .A . 100 2 D
冷挤压变形程度表示方法有三种：
1）断面缩减率：
式中： A 0 ——挤压变形前毛坯的横断面积（ mm2 ）； A 1 ——挤压变形后工件的横断面积（ mm2 ）。
2 ）挤压比：
3 ）对数变形程度：
冷挤压金属的变形分析
挤压变形分析
挤压时变形区的应力状态是三向受压。其变形是两向收 缩、一向伸长的应变状态。
(d) 杯形反挤压
几种工序可以达到所需性状
冷挤压工艺优点
与其它机加工艺相比冷挤压有如下优点：
1）节约原材料。 2）提高劳动生产率。 3）制件可以获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。 4）提高零件的力学性能。 5）可加工形状复杂的，难以切削加工的零件。 6）降低零件成本。
冷挤压常用材料
钢：
●表面淬火钢：非合金- 1010, 1015; 合金 - 5115, 5120, 3115 ●可热处理钢：非合金- 1020, 1035, 1045; 合金 - 5140, 4130, 4140, 8620 ●不锈钢：珠光体 - 410, 430, 431;奥氏体- 302, 304, 316, 321
1. 材料 (流动应力) (AISI 1015, 1020, 1035) Container
d
2. 端面收缩率 (30%, 45%, 60%)
有限元模拟
材料
Load-Stroke Curve
Load(klb)
• 模拟条件
200 150 100
B
%R.A. : 60%, 入模角 : 45o 尺寸 (L x D) : 1.5 x 1.0 in. 摩擦因子 : 0.15
CAE在冷挤压中的应用
例子:
●微成形 ●斜齿轮精密成形 ●挤压中缺陷的预测 ●热处理 ●飞机构件成形
●模具应力和模具寿命
微成形Baidu Nhomakorabea
（零件厚度为0.1mm； 飞边厚为0.01mm）
切削刀片的微成形
微成形
切削刀片的微成形
微成形
模具应力分析
◆模具最大拉伸主 应力=955MPa (138.45 ksi) ◆模具主应力小于 其屈服极限 主应力 x 104 MPa
轴类零件
冷挤压应用
齿形零件
轴类零件正挤压
Trapped Die Extrusion
轴类零件正挤压模具装配图
正挤压
轴类零件正挤压
减径挤压
- 几何变量的定义 - 闭式模挤压标准 - 闭式模负载计算
-通过有限元法进行参数赋值
•材料 •面积减小 • 入模角 •坯料长度
减径挤压
几何变量定义
• 凹模内径
如果 1 2
则 l1 l 2
有限元模拟
坯料长度
•模拟条件
Load(klb)
Load-Stroke Curve
250 200 150 100 50
材料 AISI 1035 入模角 : 30o 尺寸(L x D) : 1.5 x 1.0 in. 摩擦因子 : 0.08
A
B
-情况B，因为挤压筒壁摩擦载荷减 少，最大挤压载荷减少了30(kbl)