第六章 冷挤压工艺与模具设计

第6章冷挤压工艺与模具设计一、目的与要求了解冷挤压工艺方法及冷挤压模具结构组成。

二、主要内容冷挤压分类，冷挤压件工艺性分析，冷挤压模具设计。

三、难点与重点冷挤压必须解决的主要问题四、授课方式多媒体授课。

五、思考题6—1 冷挤压加工有哪些类型?各适用于什么场合？6—2 冷挤压加工有什么优点?6—3 冷挤压对毛坯有何要求？6—4 如图所示的冷挤压件，试确定坯料形状及尺寸。

6—5 如图所示的冷挤压件，材料为10号钢，试计算冷挤压力的大小。

题6—4图题6—5图6—6 预应力组合凹模是如何提高挤压凹模的整体强度的?若凹模承受的单位压力是1300MPa，通常采用几层凹模?六、小结6.1 概述冷挤压是指在室温条件下，利用压力机的压力，使模腔内的金属毛坯产生塑性变形，并将金属从凹模孔或凸、凹模的缝隙中挤出，从而获得所需工件的加工方法。

6.1.1、冷挤压的分类根据冷挤过程中金属流动的方向和凸模运动方向的相互关系，可将冷挤压分为正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压等。

1、正挤压挤压时金属流动方向与凸模运动方向一致（见图6-1）。

适用于带凸缘的空心件和杯形件、管件、阶梯轴等制件的挤压。

2、反挤压挤压时金属流动方向与凸模运动方向相反（见图6-2）。

适用于杯形件、图6-1正挤压图6-2反挤压3、复合挤压挤压时一部分金属的流动方向与凸模运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反（见图6-3）。

适用于各种断面的制件，如圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形等的挤压。

4、径向挤压挤压时金属流动方向与凸模运动方向相垂直（见图6-4）。

适用于具有3-毛坯4-凹模5-顶杆 4-毛坯5-凹模6-顶杆图6-3复合挤压图6-4径向挤压6.1.2冷挤压的优点1、节约原材料2、提高零件的机械性能3、生产率高4、可以制造用其它方法难以制作的零件。

5、尺寸精确，粗糙度值比较小粗糙度Ra可达3.2～0.4μm,最高可达0.1μm。

零件公差等级可达到IT8。

6.1.3冷挤压的主要技术问题冷挤压毛坯变形所需要的单位压力很大，可能达到毛坯材料强度极限的4－6倍或更高，有时接近甚至超过现有模具材料的抗压强度极限（2500~3000MPa），因此解决模具的强度、刚度和寿命就成为冷挤压的关键。

为此，必须对下列技术问题加以综合考虑：1、设计合理的、工艺性良好的冷挤压件结构；2、制定合理的冷挤压工艺方案；3、选用适合于冷挤压加工的材料；4、选用合理的毛坯软化热处理规范，采用理想的毛坯表面处理方法与润滑剂；5、选用耐疲劳、耐磨损的高强度模具材料，采用合理的模具加工方法与热处理方法；6、设计合理的模具结构；7、选择合适的压力机。

即把毛坯做成如图6-5所示两块半圆柱体，其中一块刻有正方形的网格，并在拼合面上涂润滑油，将两半块拼合成圆柱体的毛坯进行各种形式的挤压后再分开，便可得到各种挤压的金属流动情况。

6.2.1正挤压的金属流动正挤压实心件的金属流动情况如图6-6所示。

(d)小模锥角 (e)大模锥角 (f)非稳定变形图6-6实心件正挤压过程中的变形6.2.2反挤压的金属流动如图6-7所示达筒壁后，就不再继续变形，仅在后续变形金属的推动和流动金属本身的惯性力作用下，以刚性平移的形式向上运动。

6.3 冷挤压件的工艺性冷挤压件的表面粗糙度与模具工作表面的质量，几何形状及润滑等因素有关，一般粗糙度Ra可达3.2－0.4μm，在理想的挤压条件下，可达0.1μm。

6.4 冷挤压件坯料的制备及处理方法6.4.1冷挤压对毛坯的要求1、冷挤压用毛坯表面应保持光滑，不能有裂纹、折叠等缺陷。

一般要求毛坯表面粗糙度Ra在6.3μm以下。

2、毛坯的几何形状应保持对称、规则，两端面保持平行。

否则，易使凸模单面受力（图6-10）而折断。

毛坯高度 0000F VF V h ==（6—2）式中 V 0———毛坯体积(mm)V ———包括修边余量（或切削耗量）的制件体积（可将制件分成若干个简单几何体，分别计算后再求其和）（mm 3）; F ０———毛坯横断面积（mm ２）； h 0———毛坯高度（mm ）毛坯外经d 0，一般比凹模内径D d 小，以便毛坯放入凹模，通常d 0=D d -（0.1～0.3）。

挤压空心件时，采用带内孔的毛坯，其毛坯内径d 2可按如下确定： 制件内孔要求精度不高时 d 2=d p +（0.1～0.3） 制件内孔要求精度较高时 d 2=d p +（0.01～0.05）d p ———凸模直径 6.4.3毛坯的制取方法原材料为板材的毛坯，可采用小间隙圆角凹模落料获得，毛坯质量好，效率高。

原材料为棒料的毛坯，可用切削加工和冲剪获得，前者毛坯质量好，后者效率高且省料。

杯形和预成形的毛坯是用反挤或拉深而成的毛坯。

6.4.4坯料的软化、表面处理和润滑为了改善材料的挤压性能、降低冷挤压时的单位挤压力、提高零件表面质量和延长模具使用寿命，必须对坯料进行合理的软化处理、表面处理和润滑。

表6-5列出常用冷挤压材料的软化退火范围及所能达到的硬度，表中所列规范是一些工厂生产实践的总结。

表6-6列出几种材料的冷挤压坯料的表面处理方法和常用润滑剂。

6.5 变形程度和挤压力计算6.5.1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，常用断面缩减率F ε表示：00010100⨯-=F F F F ε （6—3）式中 F 0——冷挤压变形前毛坯的横断面积（mm 2）F 1——冷挤压变形后制件的横断面积（mm 2）6.5.2许用变形程度许用变形程度是指冷挤压时材料的许用变形程度，实际上是指在模具强度允许的条件下，能保持模具有合理寿命的一次挤压的变形程度。

表6-7为正挤压35号钢时变形程度对模具寿命的影响。

有色金属的许用变形程度见表6-8。

碳钢的许用变形程度，如图6-12、图6-13、图6-14所示。

图中斜线以下是许用区，斜线以上是待发展区，斜线范围内是过渡区（当模具钢质量较好，润滑良好时取上线，反之，取下线）。

许用变形程度，主要用来校核一次挤压的变形量。

当计算变形程度εF小于或等于许用变形程度时，则可一次挤压成形。

否则，必须分成两道或多道挤压工序完成。

图6-14 反挤压碳钢的许用变形程度 图6-15 复合挤压件例6-1 图6-15所示挤压制件为黄铜H62，校核其变形程度。

解：为计算简便起见，可将环状毛坯外径视为与制件大端外径相等，环状毛坯孔径视为与制件小端内径相等，故()()()676.1444.3446.144222222101≈----=-=πππεF F F F %()()()836.1446.12.246.144222222202≈----=-=πππεF F F F % 由表6-6可知，黄铜正挤压许用变形程度90%～95%，反挤压为75%～90%1F ε=67% < 75% 2F ε=83% < 90%因此，可以一次挤压成形。

由于复合挤压的变形力略小于单纯的单向挤压变形力，因此复合挤压的变形程度可取较单纯的单向挤压时略大的许用值。

6.5.3挤压力的计算确定挤压力的目的：一是确定此工序凸模上所承受的单位压力p ，以此作为设计模具的重要依据；二是确定此工序变形所需的压力P （单位压力p 乘凸模工作部分的投影面积F ），以此作为选择设备的依据。

由于冷挤压时单位压力与变形力通常都是很大的，所以正确确定挤压力对模具和设备的安全使用都有很大的意义。

计算冷挤压力的方法较多，现介绍一种比较简单近似地计算方法。

即pF P 3.1= （6—4）式中 p ——总挤压力（N ）P －—单位面积上的挤压力（MPa ）查表6-9 和表6-10F ——凸模横断面面积（mm ）6.6冷挤压模具及主要零件设计6.6.1模具设计要求及结构1、模具设计要求冷挤压模具是批量较大的生产中使用的模具，单位挤压力很大，因此对冷挤压模具有一些特殊要求：（1）模具要有足够的强度和刚度，垫板要有足够的厚度和硬度，上、下模座都用碳钢制作；（2）模具工作部分的形状和尺寸合理，有利于金属的塑性变形，从而降低挤压力；（3）模具的材料选择、加工方案和热处理规范的确定都应合理；（4）模具的安装牢固可靠，易损件的更换、拆卸、安装方便；（5）模具导向良好，足以保证制件的公差和模具寿命；（6）容易制造，成本低；（7）进、出件方便，操作简单、安全。

2、模具结构1）反挤压模具图6-16是不可调整式反挤压通用模。

该模具虽然加工要求较高，但在变更挤压件或凸，凹模损坏时，更换凸，凹模简便迅速不需调整上下模的同轴度，故应用较广。

（1）反挤压凸模反挤压凸模的基本类型如图6-19所反挤压纯铝、纯铜等有色金属工件用的凸模较细长时，为了增加其纵向稳定性，凸模的端面加工出如图6-20的工艺凹槽，以提高凸模的稳定性，工艺凹槽必须对称、同轴。

其宽度一般取0.3～0.6mm。

对于黑色金属反挤压深孔工件，可在凸模工作部分以上的直径加粗，并且铣出三条凹槽，如图6-21所示。

表6-13有色金属正挤压凸、凹模工作部分设计3、冷挤压凸凹模制造尺寸的计算冷挤压凸、凹模制造尺寸是指凸、凹模工作部分的横向尺寸。

在冷挤过程中，除凸、凹模磨损后尺寸有变化以外，还有一些不易掌握的因素影响零件尺寸的准确性。

例如凸、凹模式中 max D ——制件外形最大极限尺寸（mm ） min d ——制件内形最小极限尺寸（mm ）d D ——冷挤压凹模的基本尺寸（当采用组合凹模时，应增加0.005～0.01d D 的收缩量）(mm)p d —冷挤压凸模的基本尺寸(mm) d δ——凹模的上偏差，一般取5/∆=dδ (mm)p δ——凸模的下偏差，一般取d p δδ= (mm) ∆——零件公差对于正挤压凹模和芯轴，也可参照上述公式计算 4、冷挤压凸凹模的常用材料目前常用的模具材料，用于凸模的有W18Cr4V 、Cr12MoV 、、W6Mo5Cr4V2、9CrWM 、、5CrW2Si 等；用于凹模的有Cr12MoV 、W6Mo5Cr4V2、YG15、YG20、YG25等。

6.6.3卸料和顶出装置 1、卸料装置卸料装置是将工件从凸模卸下的装置。

卸料板的孔形应该与挤压件外形相适应。

②由于内圈尺寸较小，热处理容易，提高了模具热处理质量；③预应力组合凹模仅内圈采用合金工具钢，中、外圈可采用一般材料，从而可节约贵重材料。

但预应力组合凹模存在加工面多，压合工艺要求较高等缺点。

6.7.2层数的选择及各圈尺寸的确定1、层数的选择凹模的层数按单位挤压力p确定。

p≤1100MPa时，采用整体式凹模；1100MPa≤p≤1400MPa时，采用两层组合凹模；1400MPa≤p≤2500MPa时，采用三层组合凹模。

2、各圈尺寸的确定对于整体式凹模，其外径应为内径的4～6倍，即d2=(4~6)d1 （见图6-29a）对于两层组合凹模各圈尺寸如图6-29b所示，其中d3=(4~6)d1，根据d3与d1可在表6-15中查得d2与d1的关系，计算出d2的值。