(完整版)冷挤压模具设计及其成形过程_毕业设计

目录
目录 (1)
冷挤压模具设计及其成形过程 (3)
第一章绪论 (3)
1.1冷挤压成形技术发展概况 (5)
1.2选题依据和设计主要内容 (7)
1.2.1毕业设计（论文）的内容 (7)
1.2.2 毕业设计（论文）的要求 (7)
第二章冷挤压工艺设计 (8)
2.1挤压工艺步骤 (8)
2.2工艺设计步骤 (10)
2.2.1计算毛坯的体积 (10)
2.2.2确定坯料尺寸 (10)
2.2.3计算冷挤压变形程度 (11)
2.2.4确定挤压件的基本数据 (12)
2.2.5确定挤压次数 (12)
2.2.6工序设计 (12)
2.2.7工艺方案确定 (20)
2.2.8各主要工序工作特点进一步分析 (21)
第三章压力设备选择 (24)
3.1各主要工序所需镦挤力 (24)
3.2主要设备选用 (26)
4.1冷挤压模具设计要求 (28)
4.2凸模设计依据 (29)
4.3冷挤压组合凹模设计依据 (31)
4.4凸模设计 (37)
4.4.1镦平凸模设计 (37)
4.4.2凹模设计 (38)
4.5预成形模具设计 (41)
4.5.1预成形凸模设计 (41)
4.5.2预成形凹模设计 (42)
4.6终成形模具设计 (44)
4.6.1终成形凸模设计 (44)
4.6.2终成形凹模设计 (45)
4.7冷挤压模架设计 (46)
4.7.1冷挤压模架设计的基本原则 (46)
4.7.2模架的设计 (47)
4.7.3其它零件设计 (48)
第五章挤压模具零件加工工艺的编制 (53)
5.1加工工艺编制原则 (53)
5.2加工工艺的编制 (55)
第六章总结及课题展望 (58)
6.1本文工作总结 (58)
6.2课题展望 (59)
参考文献 (59)
附录一：英文科技文献翻译 (62)
英文翻译： (67)
附录二毕业设计任务书 (72)
冷挤压模具设计及其成形过程
机械与电气工程学院机械设计制造及其自动化专业
06城建机械乔红娇指导老师雷声
第一章绪论
挤压就是零件金属毛坯放在挤压模腔中，在一定温度下，通过压力机
上固定的凸模或凹模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零
件的加工方法。

挤压的加工原理是金属坯料处于三向压应力状态下变形时，
能大大提高金属的塑性，允许金属有较大的变形。

挤压变形的特征是由大
截面向小截面的变形。

挤压即可在专用挤压机上进行，也可在一般的机械
压力机、液压机、摩擦压力机以及高速锤上进行。

挤压加工有许多特点，
主要表现在挤压变形过程的应力应变状态、金属流动行为、产品的综合质量、生产的灵活性与多样性、生产效率与工艺流程简单、设备投资较少等
方面。

而冷挤压除了前面列出的共性优点外，还有它自己独特的优点。

如
能够得到强度大、刚性好而质量轻的零件；零件的精度等级较高、表面粗
糙度值较低；节约能源，工作环境得到较大改善。

挤压按照挤压坯料的温度分类一般可分为冷挤压、温挤压、热挤压三
类，而其中冷挤压应用范围最广。

冷挤压一般是指在回复温度以下的挤压，对于黑色金属常指在室温中对坯料进行的挤压。

由于冷挤压具有很多优点，所以它已越来越多地用来大量生产软质金属、低碳钢、低合金钢零件。

但是冷挤压的优点往往不能用简单的方法发挥出来，因为冷挤压是金属在冷态下、强烈的三向压应力状态下变形的，变形抗力较大。

因此它也有些自己的缺点。

如模具易磨损，易破坏，因此要求模具材料好、对挤压设备要求较高、对所加工的原材料要求高；挤压前坯料处理复杂；工艺流程设计技术水准较高，研发过程周期长，投入大。

金属材料的冷、温、热变形通常是以金属成形过程中加工硬化、回复和再结晶状态来判定的。

金属塑性变形后，材料处于加工硬化状态，称为冷变形；金属塑性变形后，材料具有再结晶组织，称为热变形；介于了冷变形与热变形之间，材料处于回复状态，称为问温变形。

各种塑性变形的温度范围见图1.1。

图1.1 各种塑性变形的温度范围
挤压工艺正是在金属材料冷变形、温变形、热变形这三种状态下进行，并按被挤压材料的温度分为了冷挤压、温挤压、热挤压三大类。

在此我们主要用到的是冷挤压加工。

1.1冷挤压成形技术发展概况
挤压技术的发展经历了漫长的历史过程。

19世纪末，法、英、美、德等国开始用冷挤压法生产软质有色金属零部件。

第一次世界大战期间，美国采用冷挤压法大批量生产黄铜弹壳，并企图用冷挤压法生产钢质弹壳，但未获得成功，原因是当时不能用工具钢作为模具材料，也没有找到良好的表面处理方法和润滑剂。

第一次世界大战以后，德国人于1921年制造出冷挤钢管压力机，经
过进十年的研究及实验，知道1931年冷挤钢管才在实验室里试制成功，但不能正式投入生产，其原因也是由于钢冷挤压时变形抗力过大，找不到用于生产的模具材料和表面润滑处理方法。

第二次世界大战前夕，德国对弹壳的需求量猛增，但是用黄铜材料制造弹壳，因原料来源不足，满足不了战争的需要。

为了扩大弹壳的生产量，德国秘密试验用冷挤压法生产钢弹壳，但一直没有成功，直到1942年德国人找到了采用表面磷化、皂化处理法，并用合金工具钢作为模具材料，成功地用冷挤压法大批量生产了钢弹壳，当时在战场上引起了极大的震动和惊诧。

第二次世界大战一结束，美国查明了德国人关于钢的冷挤压的全部资料，并聘用德国专家，继续深入地研究钢的冷挤压，大规模地开办了用冷挤压法生产弹壳和弹体的军工厂。

第二次世界大战以后冷挤压工艺的应用开始由军工向民用转化。

从949年开始，美、德等国在民用工业中采用冷挤压法加工各种钢质零件，并进一步开展了钢的冷挤压研究工作。

日本于1957年引进第一台专用冷挤压力机，首先在钟表等精密仪器工业中采用冷挤压加工。

由于这种加工方法的经济效益显著，不久，便在大批量生产的汽车和电器等工业部门中得到广泛应用，现在已成为一种重要的加工手段，遍及于各个工业部门。

在我国，解放前的冷挤压技术是很落后的，当时只有极少数工厂用铅、锡等有色金属挤压牙膏管、线和管材等。

解放后冷挤压技术得到了一定不敢程度的发展，20世纪50年代开始了铜及其合金的冷挤压，60年代开始了黑色金属的冷挤压，近年来随着我国工业生产和科学技术的蓬勃发展，冷挤压技术也得到了迅猛发展。

这种先进的压力加工工艺已在我国的工业建设中起着令人瞩目的作用。

目前，我国已对铝、锡、银、纯铜、无氧铜、黄铜、锡青铜、锌及其合金、纯铝、防锈铝、锻铝、硬铝、可伐合金、泊莫合金、低碳钢以及中碳钢等多种金属进行冷挤压，甚至对轴承钢、高速钢等也可进行一定变形量的冷挤压。

我国可以制造的冷挤压件及型材的品
种也多种多样。

在模具材料的使用方面，除了采用高速钢、高碳高铬钼钢、滚珠轴承钢、弹簧钢等以外，还采用不少新型模具钢、硬质合金以及钢结硬质合金等。

在模具结构方面，采用近代的最优化设计方法以及计算机辅助设计，在保证强度、刚度、可靠性等要求的提下充分发挥了模具材料的潜力。

在冷挤压技术的理论研究方面，国内不少高校和研究院所正在采用有限元等计算方法、数值模拟冷挤压成形全过程，以及揭示冷挤压时的金属流动规律及应力应变规律，这些都会对冷挤压技术的发展这更大的推动作用。

综上所述，我国冷挤压技术的研究水平还是较高的，在冷压技术推广方面曾一度达到轰轰烈烈的局面，但发展速度较为缓慢。

其主要原因有：作为作为冷挤压零件最广泛应用领域的汽车工业尚不发达，汽车零部件生产厂点多、批量小，达不到规模经济生产；缺少专用冷挤压力机，用通用压力机又满足不了冷挤工艺的特殊要求；缺少冷挤压专用钢种，虽有标准件拥抱过冷镦钢，但品种少，规格小，不能满足较大零件冷挤压的要求等。

今年来，我国汽车工业、摩托车工业得到迅速发展，给冷挤压技术应用带来了新的机遇。

当代轿车某些关键部件，从设计开始就是立足于精密成形，从结构反方面很难用机加工方法来代替，这些关键零件的国产化，大大促进了精密锻造特别是冷挤压技术的发展。

1.2 选题依据和设计主要内容
1.2.1毕业设计（论文）的内容
螺钉是重要连接零件，要求结构强度高，宜采用冷精锻成形。

杆部变截面，采用正挤压工步；头部采用先聚料后镦挤的方法。

挤压变形力较大，模具设计时要保证模具有足够的强度。

1.2.2 毕业设计（论文）的要求
1)正确排工步，在满足工艺要求的前提下，采用最少的工步；
2)模具结构要合理；
3)掌握组合凹模优化设计方法；
4)手绘总装图1副和主要工作零件图；
5)使用三维造型软件, 画局部总装图；
第二章冷挤压工艺设计
从坯料变为挤压件成品需要一系列工序。

挤压工艺设计要确定一系列必要的工序，达到以最少的工序，最短的流程，使坯料逐步变形成要求的挤压件形状，经济合理地生产出符合质量要求的挤压件。

典型的挤压工艺过程，由许多工序组合而成，其中包括下料、镦粗、校形（坯料准备工序），预成形工序和最终成形工序（正挤压、反挤压、复合挤压或镦挤相结合的组合工艺），以及中间的辅助工序（除油、酸洗、退火、润滑）和最后的机械加工工序。

无论是制坯工序、中间工序还是成形工序都是冷挤压过程中的重要组成部分。

冷挤压适合加工软质且延展性好，硬度大致在100HBS一下的金属材料。

冷挤压件的形状应保证金属在挤压方向的变形均匀，流速一致，同时使单位挤压力较低，使模具寿命较高。

最好的挤压件形状是轴对称的回转体。

挤压件内、外型面应避免直角过渡，直径变化小的零件不应采用挤压工艺成形，用切削加工方法较为有利。

挤压零件应尽量避免壁面上的环形槽和径向孔，避免挤压成形小直径的深孔。

冷挤压工艺设计是在确定挤压件形状、尺寸、精度和材料之后着手设计模具之前的一个阶段，在此之前要拟定制定的挤压加工工艺和有关的工艺顺序和数量，并研究如何具体实现符合要求的质量控制、经济性问题。

2.1挤压工艺步骤
工艺设计时，从研究产品图进行工艺分析开始，首先根据变形前后材
料体积不变法则及所设计的挤压件图形，计算出坯料体积，并由挤压件尺寸或中间工序尺寸，按照体积公式确定毛坯尺寸，再按变形程度，挤压力大小和形状复杂程度，确定工序数目，然后进行工序设计，决定中间成形工序的成形预备形状和尺寸，并选定成形方法，安排加工工序。

最后决定工艺方案，即选定材料和设备，编制工艺流程和构思模具结构，同时进行全面工艺评价和核算技术、经济指标。

挤压工艺设计程序可用以下一个工艺流程图来表示：
图2.1 工艺设计程序
在模具设计的过程中，还可能反过来对初始的工艺方案进行修正；在试验过程中进一步补充完善，并就实际作业条件，重新评价工艺设计。

在挤压工艺方案设计中，需要做出下述的评价和估算：
1、工艺性评价
（1）挤压件形状复杂程度；
（2）挤压件成形难易程度；
（3）挤压件变形程度的大小；
（4）挤压件的尺寸范围；
（5）挤压件的精度等级；
（6）挤压件性能指标；
（7）挤压件质量标准；
（8）挤压材料的工艺性能；
2、估算项目
（1）总变形程；
（2）总工序数目；
（3）总工装套数；
（4）效果分析及评价
根据上面这些评价和估算，便可确定一种经济合理的最佳工艺方案。

2.2 工艺设计步骤
2.2.1计算毛坯的体积
22128.4+6
78=3798.144+8817.12
3
=12615.264mm 312616mm =∏⨯⨯∏⨯⨯≈
根据挤压件图，按照坯料体积等于挤压件体积的原则进行计算。

在计算坯料体积时，可以近似计算其体积。

参照其最终成品图，可以将它最终冷挤压成型的零件图绘制出来（如图2.2）。

图2.2 所给挤压件图
2.2.2确定坯料尺寸
有零件图可知:
=20mm, =12mm, =24mm ；
但是在此我们要计算一下预成形后零件头部的高度。

根据变形前后体积不变的原理可得：
222267810H =12616
H =12.1mm
∏⨯⨯+∏⨯⨯ 解得 式中 ──毛坯直径，mm ；
──毛坯变形后杆部直径，mm ；
──
毛坯变形后头部直径，mm ； ──毛坯高度，mm ；
──
毛坯变形后杆部高度, mm ； ──毛坯终成形后头部的高度，mm ；
──
毛坯的横截面积，； ─毛坯变形后杆部横截面积，；
─毛坯变形后头部横截面积，；
2.2.3计算冷挤压变形程度
由于下面的杆部是正挤压成形的，上面的头部是镦挤压成形的，所以在计算时都要分成两部分进行计算。

变形程度是冷挤压工艺设计与计算的重要参数，其表示方法有三种: ①杆部断面缩减率
头部断面缩减率
②杆部挤压比
头部挤压比
③杆部对数挤压比
头部对数挤压比
的关系是
与
或
由以上公式和结合零件尺寸，可以明显看出杆部的正挤压部分比头部的镦挤部分变形程度大。

冷挤压时，模具单位面积承受很大的压力，当压力在模具内的合成应力超过模具钢的许用应力（一般为2000～2500MPa）时，模具就容易破坏或降低模具使用寿命。

因此，对于各种材料都有一个许用变形程度。

即对于不同的挤压材料在不同的工艺参数条件下，应按同一许用单位挤压力来决定其冷挤压变形程度，这就是等压原则。

2.2.4确定挤压件的基本数据
（1）挤压件的体积；
（2）坯料规格；；
2.2.5确定挤压次数
在上述的计算变形公式中得到：再按照挤压次数确定方案得知可以进行一次性挤压成型。

然而为了有利于卸件，使凸模不易折断，提高模具使用寿命和改善加工工艺，根据初始坯料经受正挤压，挤压一次；由于螺钉的头部变形量很大，不能够一次成形，考虑到模具的强度和设备吨位，头部分两次成形；螺钉头部先聚料和六边形部分成形，各挤压一次，共挤压的次数是3次。

2.2.6工序设计
变形工序的设计是否合理，应看挤出零件的质量是否合格以及模具使用寿命长短。

从生产的角度来看，工序越少越好，最好一次挤成，这样可减少附加的中间工序。

但有时采用一次成形，会出现挤压件开裂或模具过早地损坏。

究竟设计几道挤压工序合理，应根据零件形状、尺寸不同，所用材料性能不一样，变形程度大小、零件质量要求和现有设备综合考虑。

综上所述，在拟定工艺方案时，即要考虑技术上的可能性和先进性，又要注重经济效益。

为此，在设计工艺方案时，应该拟定两个或两个以上的工艺方案，然后对这些方案进行经济效益、技术可行性和先进性分析，以便得出最佳方案。

在选定最佳方案后，进行挤压件图设计，确定毛坯尺寸和形状，设计变形工序的尺寸。

当然要做到这一步，应拟定的工艺方案进行大致的计算，才能将各种方案的主要指标进行比较，才能选出最佳方案。

在此依照上述理念，对本次冷挤压工序数目进行确定。

依据螺钉的形状尺寸计算其总变形程度，得出其应变不超过一次冷挤压工序的许用应变，从这一点考虑该零件可以一次挤压成形。

然而为了利于卸件，使凸模不易折断，提高模具使用寿命和改善加工工艺，在生产中采用三次挤压成形方案。

另外在挤压成形前，坯料准备阶段还要进行一次整平。

具体有以下几道工序：
（1）制坯工序设计
挤压是一种高效率工艺，特别是对于大批量零件的生产，一旦采用冷挤压方法投产，那么挤压前毛坯的下料，对实际生产来讲具有重要意义。

目前原材料一般采用棒料、板料、线料及管材等，而多数采用棒料。

在此选为棒料。

而棒料一般采用切削下料或剪切下料。

由于棒材用切削下料，材料利用率可达70%-90%,而用剪切下料，材料利用率可达95%-100%。

故从材料利用率上考虑，棒料冷态剪切是生产毛坯方法中最迅速和最便宜的一种，其中包括全封闭式截切模和半封闭式截切模。

它们常常用于生产中小尺寸直径的毛坯,它具有以下一些优点：1.剪切断面质量好，2.废料损失小，3.生产效率高.但相比较而言前者截切端面质量好一点，故在此采用全封闭式截切模。

用截切模制备坯料，生产效率高，材料利用率高，但截断面比较粗糙，
端面与中心轴线不能保持垂直，有一定的斜度，尤其是半封闭截切模，这种情况尤为严重。

因此坯料在截切后，一般用镦平模将坯料端面压平并校形后再进行挤压。

（下料由于H0／D0=40.2／20=2.01≥0.8
故选用剪切下料
即采用全封闭式截切模来剪切下料；）
综上所述，得出：
1.原料采用棒料；
2.采用全封闭式截切模来剪切下料；
3.制坯工序包括：剪切下料─镦平─校形。

（2）预成形工序设计
预成形工序是指得到半成品冷挤压件的工序，它主要是进行材料体积变形量的分配，为成品冷挤压件作形状和尺寸方面的准备。

它对冷挤压工艺的成败和冷挤压件的质量以及尺寸精度都有重要的影响。

确定预成形工序半成品的形状和尺寸，主要是要符合金属变形的规律和冷挤压变形的具体要求。

要求如下：
A．预成形工序半成品的设计，应该最大限度地满足工艺和质量要求。

B．选择预成形工序半成品形状时，要保证其在变形过程中与模壁之间的接触面最大。

C．在确定半成品的形状与尺寸时，应该考虑冷挤压件局部成形的工艺需要及所需要的材料储备。

D．采用多道工序挤压锥形件时，预成形工序半成品形状不应与成品的锥体形状一致，而且一般是前者的锥形角要大些，这样能使半成品放入凹模后与模壁及模腔下部有一定空隙存在、使得在成形过程中成形力减小，最后又能提高成形件锥体部分的表面质量。

（3）终成形设计
终成形工序是将预成形产品最终一次性成形为所需成品的最终工序。

在这个工序里，将挤出带有一定余量或没有余量，符合挤压件图形状、尺寸及质量要求的挤压完成品。

终成形工序是按照挤压件图进行设计的。

设计时除考虑挤压件图上形状和尺寸要求，满足变形需要外，还应考虑预成形工件形状及尺寸对它的影响以及它们之间的配合关系。

（4）辅助工序设计
辅助工序设计是指除坯料准备和成形之外的其他工序，如除油、酸洗、退火、润滑和机械加工等。

接着将分别对这些工序讲述一下：
1）软化处理
为了改善材料的冷挤压性能和提高模具寿命，大部分材料在冷挤压前需要进行软化处理。

过去对软化的要求，主要是降低材料的硬度，实际上材料的显微组织对挤压性能的影响也是很重要的。

挤压时，一般都在三向压应力状态下使金属产生塑性变形，金属流动十分强烈，冷挤压时变形抗力大，冷作硬化严重。

因此，钢质坯料在冷挤压前必须进行软化处理。

其目的是降低材料的硬度，提高塑性，消除内应力并得到良好金相组织。

软化处理有以下两个方面的内容：
①坯料的软化处理是为了降低强度和硬度，提高塑性，改善金相组织；
②工序间的软化热处理，主要是为了消除加工硬化和内应力。

钢材不同，所选用的软化热处理的方法也不同。

一般碳的质量分数在0.3%以下的碳钢和合金钢，多采用球化退火。

等温退火一般用在合金钢，它比完全退火的时间短，氧化部脱碳较轻，内部组织和硬度分布较均匀。

低温退火只能作为变形工序间的消除应力退火。

固溶处理适用于奥氏体不锈钢
的软化热处理。

奥氏体型合金（例如GH140）也可用淬火软化。

铝、铜有色合金则有的用淬火软化，有的用退火软化。

此外，有时还要对冷挤压后的成品进行适当的热处理（例如不锈钢、黄铜件为防止开裂的热处理）。

常用冷挤压钢退火后的硬度要求见表2-1
表2-1 常用冷挤压钢退火后的硬度要求
对于钢材来说，珠光体组织成为影响挤压性能的重要因素，从降低冷挤压力来看，球化退火后，组织不仅硬度小，强度低，而且塑性较高，并随着钢材中含碳量的增加显得越明显。

对含碳量较高的材料，除了考虑到改善挤压性能外，也为改善挤压后的加工性、热处理质量及力学性能，均应采用球化退火。

碳钢的硬度与热处理关系如图2.3所示。

其中1表示正火（片状珠光体）；2表示退火（片状珠光体）；球化退火（球状珠光体）。

图2.3 碳钢硬度与热处理的关系
碳素钢和合金钢的球化退火工艺规范如图2.4所示。

图2.4 碳钢和合金钢热处理规范
2）表面预处理及润滑
冷挤压前，应当对钢坯料进行表面处理。

至于在各变形工序之间是否要重新进行表面处理，则应更具变形条件来决定。

冷挤压时，金属材料会产生强烈的塑性变形，单位挤压力很大，特别是钢的冷挤压，最大的单位挤压力可达2500MPa。

在这么高的单位压力下，如果没有进行好表面预处理和良好的润滑是不行的。

剧烈的冷挤压变形后，在下一道冷挤压工序前应当再进行磷酸盐与润滑表面处理。

但对于变形并不剧烈的拉延，压底以及镦粗等工序，则不必在每道工序间都进行表面处理。

表面处理的主要内容有：去除表面缺陷；清洁、去脂、清洗；去除表面氧化层；在坯料表面形成特殊的润滑支承层——磷酸盐处理和润滑处理。

其中前三项处理的目的是改善表面质量，并为以后的磷酸盐与润滑处理做好准备。

表面处理及润滑的目的是除掉毛坯的缺陷，除掉氧化层与油污，便于润滑，从而减小摩擦，降低挤压力。

如钢在冷挤压时，毛坯与模具的接触压力往往高达2500Mpa，远远超过了一般压力加工的接触压力。

在这种情况下，必需进行良好的润滑，否者将严重破坏零件的表面质量，并使模具很快地磨损，以致冷挤压工艺无法实现。

如果将普通的润滑剂直接涂在毛坯或模具表面上，则在挤压过程中不能形成连续的润滑薄膜，不起润滑作用。

在毛坯表面上镀铜、镀锌等，
虽然能过解决冷挤压润滑问题，但其成本较高，效果又不是非常让人满意。

后来经过研究发现，能过牢固地黏附在一般金属表面上的磷酸盐薄膜可以作为润滑剂的支持层，使施加在经磷化处理后的毛坯表面上的润滑剂，在整个挤压过程中具有良好的润滑效果。

黑色金属冷挤压时，其润滑作用为：
①降低冷挤压时被挤压零件与模具的摩擦力；
②避免被挤压材料表面与模具具有直接摩擦引起的黏结现象，提高挤
压件表面质量；
③降低挤压时变形力和变形功消耗；
④提高模具寿命。

黑色金属毛坯表面的处理及润滑，包括钢的表面磷化处理（不锈钢采用草酸盐处理）和磷化处理前的除油脂、清洗、清除氧化皮和磷化处理后的润滑。

针对本零件材料（为45#），故而在此采用磷化处理。

磷化就是在钢毛坯表面上生成一层不溶磷酸盐薄膜。

磷化膜具有以下一些特性：
①磷化膜是无机盐，由细小片状结晶组织构成，它成多孔状态，
对润滑剂有吸附作用，薄膜的厚度为7-50微米；
②磷化膜与钢表面结合很牢固，因为钢表面转变成磷酸盐。

此结
合层具有一定塑性，在冷挤压时能与钢一起变形；
③经过表面磷化处理的钢材，其力学性能，如硬度、韧性等没有
改变，而耐磨性大大提高；
④磷酸盐处理层使变形金属与模具隔开，避免了他们之间直接接
触，不会撕坏模腔表面，因而模具工作寿命得到提高；
⑤磷化膜随着模温提高，性能也发生改变，只能短时间耐温400-。