第六章 冷挤压模具设计

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3、复合挤压模
图6-4为活塞销 的复合挤压模 具图。
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第二节 模具工作部分的设计
冷挤压模具工作部分是指凸模、凹模、顶杆等在挤压时直接 参与挤压过程的一些零件。 一、正挤压模具工作部分零件设计 (一) 正挤压凸模 正挤压凸模的作用主要是传递压力，设计时应考虑其强度。 在凸模与凹模之间应具有合适的间隙，这是因为： 1) 要避免在挤压后零件上形成毛刺，这就要求较小的间隙，这一 点在挤压比较软的有色金属材料时特别重要。 2) 由于凸模弹性变形而产生的直径增大，凸凹模之间仍要有一定 的间隙。
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二、冷挤压模具分类
冷挤压模具有多种结构形式，可根据冷挤压件的形状、尺寸 精度及材料来选择合适的模具结构形式。 (一) 按工艺性质分类
正挤压模： 反挤压模： 复合挤压模： 镦挤压模：
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1、正挤压模
图6-1为实心 件正挤压模。
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图6-2为空心件正挤压模(坯料为黑色金属)。
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(二) 正挤压凹模 正挤压凹模根据单位挤压力大小可选择整体凹模和组合凹模。 1、凹模型腔尺寸的确定 图6-9为正挤压凹模的形状尺寸。
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(1) 凹模型腔深度h3要根据毛坯长度 和挤压前凸模需进入凹模导向深度 (一般10mm)来决定。 (2) 凹模的入模锥度一般采用 60o~126o较合理(对于较软的材料， 也可采用180o)。 (3) 凹模收口部分应采用适当的圆 角半径过渡。圆角半径r的大小对模 具使用寿命有很大影响，一般圆角 半径越大，凹模的使用寿命越长。
图e为浮动式凸模，其在芯棒上部放一弹簧，在挤压中芯棒受拉，弹簧被压缩， 可以克服更大的拉力，能有效地防止芯棒拉断。这种凸模可以用于材料硬度和摩 擦力比较大的黑色金属挤压。 为了防止芯棒拉断及卸料方便，芯棒一般做出10’~30’的斜度。
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2、正挤压凸模尺寸参数设计 凸模各部分尺寸参数见表6-1。
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2、反挤压模
图6-3为一种 典型的具有 导向装臵的 反挤压模。
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3、复合挤压模
图6-4为活塞销 的复合挤压模 具图。
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4、镦挤模
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图6-5所示 为镦挤模。
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(二) 按有无导向装置分类 1、导柱导套导向冷挤压模 该类模具如图6-1～图6-5所示，它是冷挤压模具中最常见的一 种模具结构。
(7)上下模板应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度。
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2、组成 典型的冷挤压模具由以下几部分组成： 1) 工作部分：如凸模、凹模、顶出杆等； 2) 传力部分：如上、下压力垫板； 3) 顶出部分：如顶杆、反拉杆、顶板等；
4) 卸料部分：如卸料板、卸料环、拉杆、弹簧等；
5) 导向部分：如导柱，导套、模口、导筒等； 6) 紧固部分：如上、下模板、凸模固定圈、固定板、压板、模柄、 螺钉等。
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1、正挤压凸模的形式 正挤压凸模基本有五种形式，见图6-8。
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图a用于正挤压实心件，下端面是平的，形状比较简单，制造方便。
图b为整体式结构，可用于挤压软金属，其过渡部分应用光滑圆弧连接，以避免 应力集中而导致芯棒折断。 图c的芯棒与凸模内孔之间为过渡配合，这种结构可以大大降低凸模不同截面间 的应力集中，不过在挤压中如金属向下流动剧烈时，摩擦力过大也可能导致芯棒 拉断。因此这种凸模适应于芯棒直径较大，或挤压材料不太硬，或摩擦因素较小 的材料挤压。 图d的芯棒与凸模内孔采用间隙配合，在挤压中芯棒可以随金属材料同步移动， 因此改善了芯棒的受拉情况，使芯棒不易拉断，这种凸模可用于挤压黑色金属。
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二、反挤压模具工作部分零件设计 (一) 反挤压凸模 反挤压凸模一般由夹紧与成形两部分组成，见图6-11a。当反挤 压凸模在挤压时靠模口导向时，则还需增加导向部分，见图6-1lb。
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1、反挤压凸模形式 按反挤压凸模成形部分的形状不同有三种常用形式，见图6-12。 图a和图b两种凸模使用效果较好，可降低单位挤压力。 图c为平底凸模，用于挤压件内孔要求平底或单位挤压力较低 的场合。
这种导向方法简便、实用， 但这种导向方式一般用于挤压 较浅反挤压件的模具。
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3、导筒导向冷挤压模
图6-7为摩托车主轴双端花 键复合挤压模具简图，它是一 副导筒导向挤压模。 它实质是双向减径挤压， 毛坯不能产生镦粗，因此对变 形程度、模具工作段的形状、 润滑条件以及毛坯材料形状态 要求都很高。
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反挤压凸模的有效工作部分是图中高度为h的圆柱形表面，称 之为工作带，工作带以上的凸模直径略小些。工作带的作用有以 下三点： 1) 减小凸模与挤压金属的接触面积，可大大降低摩擦阻力; 2) 防止挤压结束时挤压件粘在凸模上; 3) 挤压时，不会由于凸模工作带以上部分的弹性变形而产生直 径的增大，影响挤压件内孔的尺寸精度。
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1—上模座；2、12—垫板；3—凸模；4—紧固套圈；5—螺母；6—预应力组合凹 7、14—压板；8—顶杆；9、10—调节螺钉；11—垫座；13—推杆；15—卸料板 图 可调式反挤压模
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反挤压模 图可调式反挤压模，凸模固定端为锥形，凸模3和紧固 套圈4由螺母5锁紧固定在上模部分。由于挤压力通常较大， 因此，在凸模固定端设置淬硬的垫板2、凹模采用三层预应 力组合形式，预应力组合凹模的中心位置可通过若干组螺钉 和9和压板7予以调整。整个三层凹模在压合靡平后，由压板 14将其紧压在下模座中。顶杆8与预应力组合凹模圈构成了 反挤压凹模的模腔，顶杆承受整个轴向反挤压力，其底部设 置垫板12。顶杆的中心位置也可通过若干组螺钉10予以调整。 挤压后工件易滞留在凹模中，由顶杆和推杆13将零件顶推出 模腔。挤压件也可能紧箍在凸模上，则由卸料板15将其卸下。
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图是用于带凸缘铝管正挤压 的导柱通用模架。不可调整 式通用模架的特点基本上与 图12—3的反挤模相同。它 通过凸模27与凹模7将垫圈 样毛坯正挤成带凸缘的管状 零件。考虑到工件挤压后卡 在凹模内，一副拉杆式顶件 机构，顶出器11将加工好的 工件顶出。模具的导柱安装 在上模，导套则装在下模， 也可以根据需要将导柱导套 反过来安放。
(1)中小型冷挤压模具一般采用两导柱导套形式；
(2)大型的冷挤压模具采用四导柱导套形式； (3)精密冷挤压模具还采用滚珠式导柱导套。
主要特点：保证上下模具有较好的对中性，冷挤压件同心度好， 但是模具制造较复杂。
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2、模口导向冷挤压模
该类模具如图6-6所示，起 模口导向作用的导向套3与凸 模的间隙一般在0.02mm以内， 这样能保证挤压件的壁厚精度。
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2、反挤压凸模尺寸参数设计 以应用得最广泛的带平底锥形凸模为例，其部分尺寸参数的 确定见表6-2。
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3、反挤压凸模防止失稳措施 反挤压凸模的成形部分长度h1应当越短越好，这样可以避免 凸模在挤压时产生纵向弯曲而失稳。 凸模的成形部分长度按照经验数值，其许用范围如下： 反挤压纯铝时：h1/d1≤7~10；反挤压纯铜时h1/d1≤5~6；反挤 压黄铜时：h1/d1≤4~5；反挤压低碳钢时：h1/d1≤2.5~3。
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反挤压塑性较好的有色金 属时，为了增加凸模纵向稳定 性，可以在凸模的工作端面上 开出工艺凹槽。工艺凹槽必须 对称于凸模中心，使凸模在挤 压中保持与凹模有良好同心度。 对于黑色金属反挤压凸模， 由于其单位挤压力大，端面不 允许开出工艺凹槽；否则，会 在凹槽处由于应力集中而产生 开裂。
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(4) 凹模型腔的工作带长度h1应适当 选择：纯铝h1＝1~2mm；硬铝、纯铜、 黄铜h1=1~3mm；低碳钢h1＝2~4mm。 (5) 在工作带以下的孔径D2应使挤出 的零件不再与凹模接触，以免增加摩 擦力，需扩大为D2= D1+(0.2~0.4)mm。 D1到D2也应光滑过渡。
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(二) 反挤压凹模 1、反挤压凸模形式 图6-16为一些常用反挤压凹模形式。
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图a~图d用于有色金满薄壁件反挤压，挤压后工件不会卡在凹模内，所以不需 要顶出装臵。其中图a为整体式，其特点是结构简单、制造方便；缺点是转角 半径R处容易开裂下沉。图b也为整体式，但凹模型腔底部有25o斜度，挤压时 有利于金属流动。 图c、图d为分割式凹模，寿命比整体式凹模长。图c为纵向分割式凹模，镶块 在装配前与凹模为过盈配压，压入预应力圈后其过盈量将更大，这样可以避 免在角部产生毛刺。图d为横向分割式凹模，为了避免挤压时金属材料钻入上 下模的贴合面，贴合面也要像前述正挤压横向式组合凹模一样，要有特殊的 要求。生产实践证明，就是像纯铝这样流动性好的金属也不会钻入拼缝中。 图e、图f均带有顶出装臵，以适用于黑色金属或厚壁工件的反挤压件。图e适 用于工件底部外形呈尖角的反挤压件。图f适用于工件底部外形呈一定圆角半 径的反挤压件。如果工件底部要求平整，其顶杆的高度要略高出凹模型腔底 平面，以抵消挤压时顶杆长度由于弹性压缩变形而缩短。
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本章通过一些典型的冷挤压模具结构，介绍冷挤压模具的特 点、其工作零件及其它主要零部件的设计要点及步骤等。
第一节
冷挤压模具的结构及分类
一、概述 1、特点 冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形，其单位挤压力 相当大，剧烈塑性变形产生的热效应可使模具工作部分温度高达 200℃ 以上，加上剧烈的磨损和反复作用的载荷，模具的工作条 件相当恶劣。 因此冷挤压模具应具有以下特点：
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(1)模具应有足够的刚度和抗热疲劳性； (2)模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性，并有 一定的韧性； (3)凸、凹模几何形状应合理，过渡处尽量用较大的光滑圆弧过渡， 避免应力集中； (4)模具易损部分更换方便，对不同的挤压零件要有互换和通用性； (5)为提高模具工作部分强度，凹模一般采用预应力组合凹模，凸模 有时也采用组合凸模； (6)模具工作部分与上下模板之间要设臵淬硬压力垫板，以扩大承压 面积，减小上下模板的单位压力，防止压坏上下模板；
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2、反挤压内层凹模尺寸确定 其尺寸计算见表6-3。
一般内凹模型腔尺寸参数见图6-17，
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(三) 反挤压顶杆 反挤压顶杆在挤压中直接承受较大 的单位挤压力，设计时应考虑其有足够 的强度，同时为了使较大的单位挤压力 能和缓地传递给下压力垫板，其支承部 分的直径应适当放大。 图6-18为常用的顶杆形式。图a为挤 压黑色金属冷挤压使用的顶杆，其杆部 直径 d1 一般比凹模型腔直径小 0.1mm ， 这样既不会产生很大的纵向毛刺，又能 使顶部及时退回。其支承部分直径 d=(1.3~1.5)d1，过渡圆弧应尽可能大。
(6) 底厚h2应以强度要求进行选择， 一般可取h2＝(1.1~1.2) D。
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2、凹模的结构形式 正挤压凹模的结构形式有六种，见图6-10。
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图a的内层凹模为整体式，结构简单。制造安装方便，但在单位挤压力较大 情况下，型腔转角处由于应力集中较大，易产生横向开裂。 图b、图c为纵向分割式，最内层凹模镶圈压入凹模之间采用0.02mm的过盈 配合，当凹模与外面两层预应力圈压合后实际过盈将进一步增大，因此凹模镶 圈的尖角处不会崩裂，在挤压中也不会产生钻料现象。图c的凹模内孔末端 10mm处加工出5o斜度，便于将凹模镶圈压入凹模内孔中。 图d是将内层凹模做成横向分割式，但这种形式由于内层凹模轴向压紧力不 够大，在单位挤压力较大情况下被挤金属容易钻料。 图e、图f是将内层凹模和预应力圈均做成横向分割式，虽然结构复杂些， 但由于轴向压紧力大，可以有效地防止被挤金属钻料。横向分割凹模的贴合面 宽度一般为1～3 mm为宜，贴合面以外应将其中一块加工成1o的斜角，或加工 成0.2 mm深的不接触面。贴合面一定要平整，并进行研磨抛光，这样可以防止 被挤金属钻料。图e、图f所示的横向分割凹模还应加压套，在模具上把上下两 部分紧压在一起。