冷挤压成型工艺及模具设计作业

华中科技大学

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冷挤压成型工艺及模具设计作业

一、结构分析

此零件为一个较长的阶梯轴，单向、多阶梯、无孔，有24°倒角X2，相对简明。材料为20Cr（合金结构钢）。

二、坯料设计与挤压前处理

下料：由零件结构分析可知：加工此零件宜选用实心棒状坯料，在锯床上锯切下料。

挤压前处理

1.软化处理：查表知，加热到860℃，保温14h，随炉冷却至300℃后空冷，密封光亮退火，硬度达到120-130HBS。

2.表面处理：参选碳钢与合金钢坯料的表面处理，即采用磷化处理，把钢坯料放在磷酸盐溶液中进行处理，金属表面发生溶解和腐蚀，形成一层很薄的磷酸盐盖层。

3.润滑处理：工业猪油或机油拌二硫化钼

三、工艺设计与对比分析 工艺方案一：A 正挤压+B 镦粗

（1）由UG 三维图测得零件体积Vp=256506.9079mm ³

修边余量体积Vx=Vp*(3%~5%)

毛坯体积取V0=Vx+Vp=(264202~269322mm ³）

由零件尺寸可以初步选取毛坯直径d0=36mm , h=260mm ,经验算知所选毛坯直径在上述范围之内。则设计第一步正挤压和第二步镦粗的模

具示意图如下图所示：

毛坯 凸模1

凹模1

凸模2

凹模2

则其相应的工步图为：

成形力计算与设备选择：

A正挤压第一步：εA=（36²-27.5²）/27.5²=41.6% 由下表知，单位挤压力取下端小值p=1400Mpa

则F=pA0=1400x3.14x36²/4=1424KN

B镦粗第二步：εA=（79.1-33.3）/79.1=57.8%

由下表可知，单位挤压力p=950Mpa

则F=pA0=950x3.14x36²/4=966KN

分析：机械压力机中的通用曲柄压力机的公称压力在曲柄离下死点30°以下区段，不适合大多数的挤压过程。油压机具有均匀的动作速度，在离下死点很长的一段距离可以保持平稳的公称压力，模具寿命也较高，而且油压机一般都有安全阀，实现过载保护。结合压力机许用负荷图与工艺示功图的要求，决定选用一种合适的液压机。查挤压液压机图表可以选择压力机的型号为四柱万能液压机

YB32-200，公称压力200吨，滑块行程700mm。

（2）模拟分析

在以上设计与计算的基础上，使用AFDEX软件进行模拟分析，其结

果显示可以加工出所需零件。截图如下：

Stage1：

Stage2：

挤压过程流线分布：

挤压过程弹塑性形变区域：

接触面的力分布：

挤压完成，全部充满：

方案二：选取坯料为直径55.5mm，长111mm的圆棒。

（1）采用两步成形：A正挤压+B减径挤压

成形力计算及设备选择：

A正挤压第一步：εA=（55.5²-36²）/55.5²=57.9%

由下表知，单位挤压力取下端小值p=2000Mpa

则F=pA0=2000x3.14x55.5²/4=4836KN

B减径挤压第二步：εA=（36²-27.5²）/27.5²=41.6%

由下表知，单位挤压力取下端小值p=1300Mpa

则F=pA0=1300x3.14x36²/4=1323KN

设备选冷挤压用四柱液压机Y61-1000型，压力1000吨，行程1000毫米，压力行程可调。

模具示意图如下：

（2）以下是数值模拟的过程第一步：

在第二步时出现报错：

在第二步时软件报错，可见，第二种方案不可行。分析原因，是因为在第二步的挤压过程中，挤压力太大，使得上半截已经加工好的部分发生了变形，未约束的部分也发生了变形，影响了下一步加工。经分析，我们认为可改为分部进行减径挤压，先减径挤压下端φ27.5部分，再挤压φ30.4部分。

总结：由方案一和方案二的对比分析，最终我们确定了方案一是合适

的加工方案，即选择正挤压+镦粗两部工艺完成零件的加工工艺设计。