冷挤压工艺及模具设计

(3) 可加工形状复杂的零件 对复杂零件可以一次加工成型，加工十分方便，大批大 量生产时，加工成本低。
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(4) 提高零件的精度，降低表面粗糙度 由于金属表面在高压、高温（挤压过程中产生的热量） 下受到模具光滑表面的熨平，因此，制件表面很光，表面强
度也大为提高。冷挤压零件的精度可达1T8～1T9级，有色金
1500～2000 2000～2500
表5-4 冷挤压专用液压机主要技术规格 公称挤 压力/kN 10000 20000 活塞直 径/mm 360 500 最大工 作压力 /MPa 100 100 机床工 作空间 高度/mm 380 330 活塞最 大行程/ mm 165 210 活塞空 行程速 度/mm/s 4.25 4.25 2 工作行程 速度 /(mm· s-1) 0～0.2 0～0.1 总功率 /kw 4
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表5-1 碳素钢及低合金钢的许用变形程度
材料牌号
10 15 35 45 15Cr 34CrMo
反挤压ε
75～80 70～73 50 40 42～50 40～45
F
正挤压ε
82～87 80～82 55～62 45～48 53～63 50～60
F
表5-2 有色金属冷挤压的许用变形程度
属冷挤压零件的表面粗糙度可达Ra=1.6～0.4μ m。有的冷挤 压件无需切削加工。
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5.1.3 冷挤压毛坯的制备 5.1.3.1 冷挤压坯料形状与尺寸 挤压件的毛坯形状设计是否合理，将直接影响制件的形 状与尺寸，并且还将影响模具的寿命。冷挤压用毛坯通常都 是棒料或块料，其截面形状可根据制件的相应截面形状确定。 一般情况下，确定毛坯形状的原则是：旋转体及轴对称多角 类选用圆柱形毛坯；矩形零件可选用矩形毛坯。此外还应考 虑采用何种挤压方法，如图5-1所示，采用正挤压法时，用 实心毛坯能挤出实心件，用空心坯料能挤出空心件。反挤压 时，毛坯的形状采用实心和空心均可。
金属材料 铝 防锈铝 紫铜、黄铜、硬铝 镁 截面收缩率ε F（%） 正挤压 反挤压 正挤压 反挤压 95～99 90～99 90～95 75～90 备注 强度低的材料取下 限；强度高的取上 限。
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5.2 冷挤压模具设计
5.2.1 冷挤压模的特点
由于冷挤压时，单位挤压力较大，因此冷挤压模具的强 度、刚度及耐用度等方面其要求都比一般冲模高，它与一般 普通冲模相比，主要有以下特点： 1．模具的工作部分与上、下底板之间一般都设有足够 的支承面与足够厚度的淬硬垫板，以承受很大的压力，减少 上、下底板上的单位压力。
冷挤压时，一次挤压加工所容许的变形程度，称为许用 变形程度。不同材料有不同的许用变形程度。在工艺上，每 道冷挤压工序的变形程度应尽量小于许用值，使模具承受的 单位挤压力不超过模具材料许用应力（目前一般模具材料的 许用应力为2500～3000N/mm2），确定许用变形程度数值是 冷挤压工艺计算的一个重要依据，因为冷挤压许用变形程度 的大小决定了制件所需的挤压次数。若计算出的冷挤压变形 程度超过许用值、则必须用多次挤压完成，以延长模具寿命， 避免损坏模具。
5.1.2 冷挤压的特点 5.1.2.1 冷挤压的特点主要包括以下三个方面： (1) 节约原材料，生产效率高 冷挤压是少无切削加工工艺，与切削加工相比，节约原 材料，同时，冷挤压是在压力机简单的往复运动中生产零件， 生产效率高，比切削加工高30倍。
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(2)wk.baidu.com提高零件的力学性能
在冷挤压过程中，金属处于三向挤压应力状态，变形后 材料的组织致密，又有连续的纤维流向，变形中的加工硬化 也使材料的强度和刚度大大提高，从而可用低强度钢材代替 高强度钢。
2．选用合适的模具材料，工作部分必须要有相当的韧 性和耐磨性，几何形状及参数要合理、准确。有利于毛坯塑 性变形、降低单位挤压力。尽量采用光滑圆角过渡，防止应 力集中。
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3．模具的易损部位，应考虑通用性和互换性。并便于 更换、修理。 4．对于精度要求较高的挤压件，模具设计要有良好的 稳定导向装置。
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冷挤压毛坯尺寸是根据制件挤压前后体积相等的原则进 行计算的。如果挤压后还要进行切削加工，则毛坯的体积V 坯还应按制件实际体积V件再加上切削消耗量， 即
V坯=V件+V修。
（5-1）
其中V修为修边余量或切削加工量（mm3），一般取挤压 件体积的3～5%。
求得的毛坯体积与毛坯横截面积后之比即为毛坯的高 度h0­， 即
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(2) 挤压面积比
F0 G F1
（5-4）
式中 G——挤压面积比；
F0——冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2； F1——冷挤压变形后工件的横截面积，mm2；
F 与G之间存在如下关系：
F (1
1 ) 100% G
（5-5）
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5.1.4.2 许用变形程度
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冷挤压的许用变形程度取决于下列各方面的因素： (1) 可挤压材料的力学性能 材料越硬，许用变形程 度就越小，塑性越好，许用变形程度越大。
(2) 模具强度 选用的模具材料好，且模具制造中冷、 热加工工艺合理，模具结构也较合理，其模具强度就越高， 许用变形程度就越大。 (3) 冷挤压的变形方式 在变形程度相同的条件下， 反挤压的力大于正挤压的力。反挤压的许用变形程度比正挤 压小。
5．坯料取放应方便，毛坯易放入模腔。
6．模具应安全可靠，制造工艺简便，成本低，使用寿 命长。 为满足以上各项要求，必须慎重考虑模具结构的设计、 材料的选择、制造工艺及其热处理等问题。
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5.1.3 冷挤设备的选用与压力计算 5.1.3.1 对冷挤压设备的基本要求： (1)刚性好，活塞导向精度高； (2)活塞空行程和回程速度较快； (3)活塞工作行程速度较低，不能有“脉冲”现象； (4)有安全防护装置，防止冲头断裂或坯料崩裂溅出伤 人； (5)便于观察挤压情况和控制挤压深度。
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对于有些材料，为了确保冷挤压过程中的润滑层不被过 大的单位接触压力所破坏，毛坯要经过表面化学处理。例如 碳钢的磷酸盐处理（磷化）、奥氏体不锈钢的草酸盐处理、 铝合金的氧化、磷化或氟硅化处理、黄铜的钝化处理等。经 化学处理后的毛坯表面，覆盖一层很薄的多孔状结晶膜，它 能随毛坯一起变形而不剥离脱落，经润滑处理后在孔内吸附 的润滑剂可以保持挤压过程中润滑的连续性和有效的润滑效 果。
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黄铜常用加热到250～300。C，保温两小别缓慢冷却至 室温的退火方法消除内应力；不锈钢1Crl8Ni9Ti的消除内应 力退火温度为750℃，对于硬铝挤压件，常用加热到110℃， 保温6小时缓冷至室温的去应力退火处理，以便消除冷挤压 所产生的残余应力。
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4.1.3.4 毛坯的表面处理与润滑 润滑对冷挤压的影响十分重要。毛坯与凸、凹模和芯抽 接触面上的摩擦，不仅影响金属的变形和挤压件的质量．而 且直接影响挤压单位压力的大小、模具的强度和寿命等。所 以冷挤压时的润滑常常可能成为冷挤压成败的关键。为尽量 减小摩擦的不利因素影响、除模具工作表面粗糙度要求高外、 还要采用良好而可靠的润滑方法。 常用的润滑剂有液态的(如动物油、植物油、矿物油等)， 也有固态的（如硬脂酸锌、硬脂酸钠、二硫化钥、石墨等）， 它们可以单独使用．也可以混合使用。
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5.1.3.2 冷挤压力的计算
P KqF 10000
(5-1)
式中
P ——挤压应力，kN； K ——安全系数，取1.2；
2 F ——型腔在挤压方向上的投影面积，mm ；
q ——单位挤压力,。见表5-3。
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表5-3 材料单位挤压应力q的值 材料的抗拉强度/ （N/mm2） 单位挤压应力 /MPa 250～300 300～500 500～700 2500～3000 700～800 3000～3500 800～900 3500～4000
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第五章
冷挤压工艺及模具设计
5.1 冷挤压工艺
5.2 冷挤压模具设计
5.3 冷挤压模的典型结构
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5.1 冷挤压工艺 冷挤压是一种先进的少无切削加工工艺之一。它是在常 温下，使固态的金属在巨大压力和一定的速度下，通过模腔 产生塑性变形而获得一定形状零件的一种加工方法。冷挤压 的工艺过程是：先将经处理过的毛坯料放在凹模内，借助凸 模的压力使金属处于三向受压应力状态下产生塑性变形，通 过凹模的下通孔或凸模与凹模的环形间隙将金属挤出。它是 一种在许多行业广泛使用的金属压力加工工艺方法。 冷挤压过程的关键问题是想法降低材料的变形抗力，提 高模具的承载能力。
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5.1.4 冷挤压变形程度 在冷挤压过程中，变形程度是决定使用设备压力大小及 影响模具寿命的主要因素之一，若要提高生产率，就必须增
大每次挤压的变形程度，以减少挤压次数。但变形程度越大，
其变形抗力也越大，就会降低模具的寿命，甚至引起凸模折 断或凹模开裂。因此对各种挤压材料，都应选择合适的变形
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2．模具的工作部分都采用光滑的圆角过渡，以预防由 于应力集中而导致其本身的损坏。 3．冷挤压模的上、下模板，应有足够的厚度及刚性。
一般采用45钢或铸钢。
4．模具工作部分材料及热处理要求，应比一般普通冲 模要求高。
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5.2.2 冷挤压模设计要求 1．模具应具有足够的刚度和强度，并且能在冷热交变 应力的情况下，模具应保证正常工作，模具结构要合理，如 采用组合式模具。
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3．复合挤如图5-3所示，挤压时，金属流动方向相对于 凸模运动方向，一部分相同，另一部分相反，适用于各种复 杂形状制件的挤压；改变凹模孔口或凸、凹模之间缝隙的轮 廓形状，就可以挤出形状和尺寸不同的各种空心件和实心件。
图5-1 正挤压图
5-2 反挤压图
5-3 复合挤
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程度。
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4.1.4.1 变形程度的表示方法 变形程度是表示挤压时金属塑性变形量大小的指标，其 最常用的表示方法有两种：截面收缩率和挤压面积比。 (1) 截面收缩率 式中
F0 F1 F 100% F0
（5-3）
F ——冷挤压的截面收缩率，见表5-1、表5-2；
F0——冷挤压变形前毛坯的横截面积，mm2； F1——冷挤压变形后工件的横截面积，mm2。
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5.1.1 冷挤压的分类 根据金属被挤出的方向与凸模运动方向的关系，冷挤压 一般可分为正挤压、反挤压、复合挤压三种基本方式。 1．正挤压如图5-1所示，挤压时金属流动方向与凸模流 动方向相同，适用于各种形状的实心件、管件和环形件的挤 压； 2．反挤压如图5-2所示，挤压时金属流动方向与凸模运 动方向相反，适用于各种截面形状的杯形件的挤压；
h0 V坯 。 F0
（5-2）
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5.1.3.2 坯料的制备
冷挤压坯料制作要求十分细致、严格，有一定的平面度， 表面粗糙度、精度要求。可采用剪切加工、板料落料加工、 切削加工及其它特殊方法加工，毛坯的上、下端面必须平整。
5.1.3.3 毛坯的软化热处理 对毛坯进行软化热处理的目的是降低材料硬度，提高塑 性，得到良好的金相组织，消除内应力，以降低材料的变形 抗力，提高模具的寿命和零件质量。
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(4) 毛坯表面处理与润滑 毛坯表面处理越好，润滑 越好，许用变形程度也就越大。 (5) 冷挤压模具的几何形状 冷挤压模具工作部分的 几何形状对金属的流动有很大影响。形状合理时，有利于挤 压时的金属流动，单位挤压力降低，许用变形程度可以大些。 在一般生产条件下，模具强度、润滑条件及模具的几何 形状都是尽量做到最理想的状态，因此许用变形程度主要取 决于被挤压材料和变形方式两个因素。
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毛坯软化热处理规范可从相关手册中查到。但是，由于 保温时间同被处理毛坯尺寸、毛坯放置方法及装炉量等诸多 因素有关，因此在实际生产流程中，应根据具体情况确定保 温时间。
在冷挤压工序之间，还应根据变形程度和冷作硬化程度 的大小适当安排工序间软化热处理工序。
对于黄铜与硬铝挤压件，挤压后务必进行消除内应力的 退火。对于要求高的碳钢和不锈钢件，挤压后也需进行消除 应力退火的工序。