柴油机0109上座挤压模具设计及数值模拟Word文档下载推荐.docx
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前言
金属材料的冷、温、热变形通常是以金属成形过程中的加工硬化、恢复和再结晶状况来判定的。
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；
介于冷变形与热变形之间，材料处于恢复状态，称为温变形。
各种塑性变形的温度范围如图1。
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的，并按被挤压材料的温度分为冷挤压、温挤压、热挤压三大类。
图1各种塑性变形的温度范围
一、挤压简介
表1挤压简介
项目
简介
挤压加工方法
挤压是金属压力加工的一种少切削加工工艺。
将挤压模具装在压力机上，利用压力机的往复运动，在室温中温和高温下使金属在三向压力状态下发生塑性变形，从而挤出所需尺寸形状及性能的零件。
挤压加工原理
金属坯料处于三向应力状态下变形时，能大大提高金属的塑性，允许金属有较大的变形。
挤压加工适用范围
金属挤压工艺不仅可以成形各种复杂的零件，而且还使低塑性金属和合金有成形加工的可能性；
挤压工艺既可用于成批生产有色金属与黑色金属零件，也可用于制造模具的型腔。
挤压加工分类
1.按挤压坯料的温度分为冷挤压温挤压和热挤压
2.按金属流动方向和凸模运动方向的关系分为正挤压法挤压复合挤压，径向挤压斜向挤压及镦挤等
正挤压反挤压与复合挤压是冷挤压中应用最广泛的三种方法。
他们共同的特点是金属的流动方向与凸模的轴线相平行，因此又通称为轴向冷挤压。
挤压加工使用的设备
挤压加工可以在专用挤压压力机上进行，也可在通用曲柄压力机通用液压机，螺旋压力机，热模锻压力机，电液锤及高速锤上等进行。
实现径向挤压既可使用专用压力机（双动锻压机）,也可在通用压力机上装上径向挤压专用模具，一般使用后者较多。
挤压加工的优点
1.节约原材料，提高生产率
2.提高零件的力学性能切削加工时，将金属内部的纤维割断，从而降低了零件的力学性能。
挤压过程中，金属处于三向压应力状态，变形后零件内部的纤维组织是连续的，基本上沿外形分布，提高了零件的力学性能。
另外，冷挤压成形过程中，金属材料冷变形的冷作硬化特性，使制件的强度大为提高，可用低强度钢材替代高强度钢材
3.可加工形状较复杂的零件一些形状复杂的零件，采用其他方法制作是十分复杂的，而采用挤压却十分方便
4.提高零件的精度及表面粗糙度挤压过程中，金属表面在高压下，受到模具表面的挤压作用，其表面粗糙度可达R
1.6～0.2.尺寸精度的公差范围最高可控制到
0.015mm。
二、挤压的应用
1.侧向挤压十字轴接头的重量大约在30g~1000g。
十字轴接头由传统热锻改为径向挤压，节约了大量材料并实现了锻造自动化，大大减少了机械切削加工工序。
径向挤压也应用于生产三通（TripodofCVJ）的侧向挤压。
2．背压成形当在金属流动方向或反方向施加适当的辅助压力时，可使原来不易锻造成形的零件变得可以锻造成形，这种成形法可称为背压成形。
离合器齿轮，在径向挤压的变形过程中，加进背压可以防止金属朝一个方向单向流动,从而成形出最佳齿轮齿形。
三、挤压发展的趋势
1.进一步提高成形件的强度，以取得最好的经济效益。
2.扩大冷温挤压工艺的应用范围，使挤压成形件树质的含碳量及合金元素更高，形状更复杂，尺寸更大。
3.研究挤压成形的新技术，即新工艺、新模具、新设备及其应用。
4.冷温复合挤压工艺的研究。
采用先温挤压后冷锻的复合工艺可得到单用冷挤压所能达到的尺寸精度和表面粗糙度，同时能减少上序数目，使用小吨位的压力机。
5.加强高精度复杂形状及难成形材料零件的冷温精密成形工艺开发。
对于形状复杂难成形材料的零件，冷锻成形工艺的主要技术难点是要优化模具承受的压力，摩擦条件，材料流动情况和速度。
6.改进模具制造技术、提高模具寿命。
挤压模具工作负荷大，磨损快，除开发更好的模具材料外，还要开发无污染的白色润滑剂和冷却液，并开发研究模具精密加工、模具精密测量技术及装备。
7.开发新型的挤压压力机和自动传送设备。
挤压压力机尤其是多工位自动挤压压力机在国外发展较快。
其设备的特性是：
工作行程较长，设备刚性好，滑块运动精度高；
滑块行程速度合理，即在工作行程范围内速度低，而在非工作行程范围内速度高；
压力机滑块带有温度补偿系统等。
四、应用前景及效益
径向挤压系统可以生产汽车差速器伞齿轮、等速方向节套筒、三销轴、汽车轮毂螺母等形状十分复杂、产品性能要求较高、高精度高难度的汽车关键零部件。
具有节省材料、降低成本、提高生产效率、降低能源消耗、节省设备投资，而且模具寿命高、成形件形状复杂、尺寸精度高,产品性能好等优点。
齿轮是机械行业中应用最广的零件之一，汽车、拖拉机中的直锥齿轮常采用机械加工和精锻工艺来生产。
机械加工费时、费料，效率低；
直锥齿轮精锻工艺坯料需进行加热，齿形表面精度可达8级，表面粗糙度Ra3.2μm，锻坯需进行切边，钻孔等后续加工，材料利用率为76%。
直锥齿轮若采用径向挤压齿形表面精度可达7级，表面粗糙度Ra1.6μm，无飞边，材料利用率为90%以上，且模具寿命高，经济效益十分显著。
国外径向挤压技术已广泛应用于汽车零件的生产，由于径向挤压的许多有利条件，以及锻模制造技术的发展，径向挤压技术在近年内还可很快向闭塞温锻和闭塞热锻领域推广，并延伸至铜合金、铝合金和镁合金锻件以及汽车行业以外的产品领域。
所以，应加大研究和推广径向挤压的力度，它不仅有着巨大的经济效益，而且也有着广阔的发展前景。
第一章任务零件的工艺分析及方案选择
§
1.1任务零件
图1-1为柴油机气门弹簧上座，材料为20CrMnTi，主要应用在柴油机气门上。
而本文则针对此零件的温挤成形方法进行研究。
图1-1柴油机气门弹簧上座
1.2任务零件的工艺分析及工艺参数的计算
1.2.1任务零件工艺分析
此零件若采用传统机械加工方法加工，不但材料利用率极低，而且工件强度弱，加工起来费时费工，即使大批量加工，成本也会很高。
如果使用温挤压的方法对此类零件进行制造，可以提高生产率、材料利用率，改善零件组织性能，也能使工件的精度得到提高。
零件钢种为20CrMnTi，合金渗碳钢，该钢的渗碳与热处理工艺性能良好，在≤960℃为细晶粒组织，在常用的渗碳温度下长期加热，晶粒无长大倾向，淬火后的残余奥氏体甚少，因此，该钢具有较高的强度和耐磨性，切削性能良好，主要性能20CrMnTi和20CrNi钢相似。
抗拉强度≥1080MPa，屈服强度≥885MPa，伸长率≥10%，断面收缩率≥45%，冲击韧性值（冲击韧度）≥69J/cm2，硬度≤207HB，试样毛坯尺寸为15mm。
供货状态：
正火、退火、高温回火，或不热处理状态标准GB/T3077-1988钢的化学成分如表1-1（质量分数，%）：
表1-120CrMnTi化学成分
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ti
Cu
0.17-0.23
0.17-0.37
0.8-1.10
0.013
1.0-1.3
0.04-0.1
0.09
该钢的加工工艺路线：
下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配淬火、回火规范淬火温度860℃
10℃，油冷，回火温度200℃，水冷或空冷。
金相组织为回火马氏体。
由于零件有多处尺寸在挤压成形中，难以实现，遂将零件尺寸修改，内圆角R0.2修改为R1，零件上部2mm厚的薄壁部分加厚，乃至以使内孔为一整体，再留一定的加工余量，还有零件上下端口部分，挤压成形后，可能不会非常光滑，从而不能达到要求，遂上下各留一定的机加工余量，多余部分最后以机加工方式实现，修改后具体的尺寸如图1-2。
图1-2柴油机弹簧上座尺寸修改图
1.2.2工艺参数的计算
采用Solidworks三维作图得到图1-2锻件的体积V=9033mm3。
根据挤压工艺的特点和零件的外形、尺寸，选择筒形坯料，内径D=10mm，外径D=30mm，由体积相等的原则，算得坯料长度L=14.5mm，为使充型充分，可取L=16mm。
如图1-3
图1-3坯料示意图
1.3任务零件方案初步选择及坯料前期准备
1.3.1任务零件方案初步选择
冷挤、温挤、热挤的优缺点如表1-2
表1-2冷温热挤优缺点
冷挤复合挤
温挤复合挤
热挤复合挤
温度
20-25度
650-800
940-1200
优点
1.无需加热
2.少切削工艺
3.节约材料，生产率高
4.产品强度高，表面光洁
1.挤压力小，易于加工，减少工序和中间处理
2.模具寿命高
3.氧化脱碳大大减轻
4.产品精度近于冷挤
5.无需预先软化退火
6.便于连续生产
7.20CrMnTi不适于冷挤
1.抗力降低，产品广泛
2.设备要求低
3.投资小
4.单边余量0.5-2.5mm
5.Ra达3.2，IT6-IT7
6.力学性能好
缺点
1.变形力大，模具寿命低
2.固定投资大
1.增加加热装置
2.尺寸精度稍差
3.劳动条件差些
1.由于加热产生氧化，脱碳及热膨胀问题，降低了产品的尺寸精度和表面质量
鉴于冷温热挤压方案的各优缺点，及20CrMnTi的特点，试选用温挤压方案进行。
根据坯料以及零件形状，试采用上部反挤，中间墩挤，下部正挤的复合挤压法成形。
1.3.2挤压力的计算
由体积相等原则计算各部分变形程度：
变形程度公式：
（1-1）
式中：
—挤压件的变形程度
—毛坯的横断面积（mm
）
—挤压件变形的最小横断面积（mm
计算为：
反挤部分：
=
56.1%
墩挤部分：
78.8%
正挤部分：
62.5%
1.公式计算法：
由挤压手册53页，温挤压力图算法：
18CrMnTi在800度时，抗拉强度为140Mpa。
由于墩粗和挤压变形的力大致相同，故计算温挤压力可按“冷挤压技术”推荐公式计算。
即：
P=C×
q×
F（1-2）
C—安全系数，取C=1.3
q—单位面积挤压力（kg/mm
F—模具受力面积（mm
因为
=78.875%，故取q=105kg/mm
（取自简易手册53页40CrNi的数值，1030MPa，并转换单位）。
所以
F
=1.3×
105×
1123.335
=153289.5kg
=153.2895t
2.图算法：
图1-4温挤压钢件单位挤压力的计算图表
由图1-4图算法也可知，凸凹模具的受力均在1200-1300MPa，与坯料受力面积乘积为
P=p×
S（1-3）
式中P为模具载荷
p为模具截面单位面积的挤压力
S为模具受力面积。
将由图中查的的数据代入式1-3得：
P=1250×
=1403750N=140.375t
与以上计算值153.2985t误差为：
1.3.3坯料的前期处理
一、下料
可选用带锯床下料，切口损耗小（0.8～2.2mm），生产率高，切口端面平整，精度较高，投资不大，适用于各类锻工车间，可作为主要的下料设备。
二、加热
采用中频感应加热，有利于操作自动化，而且能够有效地减少坯料的降温，是用于批量大的生产，但大型零件加热时，如采用感应加热，由于坯料直径较大，沿坯料界面的温度难以达到均匀一致，，因此，在采用中频感应加热以后，再经厢式电炉均热，以保证坯料界面温度均匀，感应炉加热至800度。
三、坯料表面处理与润滑
坯料在加热前涂上固体润滑剂，有助于防止坯料加热时的氧化。
入炉加热前，应将坯料在炉前预热至160度左右，使其表面上形成薄而均匀的保护层，然后再入炉加热。
在以后的挤压工序中，遗留下来的保护膜还能起到润滑作用。
一般来讲，润滑剂的润滑效果是随着温度的上升而降低的。
被冷挤压广泛采用并能取得满意效果的磷化—皂化润滑方式，只适用于较低温度的温挤压（100—200℃），较高温度的温挤压就不能采用厂。
当温度在250—300Y以上时，由于磷化层与皂化层被烧坏，使润滑条件恶化，所以在250—300℃以上温挤时，必须采用与冷挤压不同的润滑方法。
温挤压时对润滑剂的要求：
1.温挤压时单位挤压力较大，要求表面润滑层必须能够承受2000MPa以上高压，而不被迫坏。
在高压下挤压成形过程中能起到润滑作用。
2.润滑剂在一定的温度下能均匀地粘附在坯料或模具表面上，而不堆积或形成厚的皮膜
3.润滑剂应具有一定的绝热作用，这样可以减少坯料的温度降低和模具的温度升高。
4.要求润滑剂在相应的温挤压温度下能具有较好的润滑行，黏附性和良好的热稳定性。
适合大约800度以下的温度范围，要求在该温度范围内性能不产生变化，保持稳定。
5.润滑剂在温挤时能防止金属质点粘附到模具上去的现象。
6.润滑剂价格便宜，操作方便，无毒且不产生有害的气体。
目前使用的适用于较高温度的无机固体润滑材料有石墨、二硫化钥、碱式碳酸铅（铅白）、滑石、云母、硝石等，有机润滑材料有异丁烯石油聚合物、硫化蜡油等。
坯料和模具的温度对润滑剂的附着性和稳定性有很大影响。
如果温度过低，呈分散状态的润滑物质就会流走，不能形成润滑薄膜而失去润滑效果；
如果温度过高，润滑剂就会在挤压之前十裂脱落，有的润滑剂在商温下发生化学反应，降低或失去润滑能力。
只有在适宜的温度下，润滑剂才能充分发挥其润滑效能。
但是，这种符合润滑剂的适宜温度往往不能同从降低挤压力角度出发所确定的温度一致。
因此，在确定挤压温度时，也要考虑润滑剂所能适应的温度，必要时适当降低挤压温度将挤压力提高一些也是可以的。
所以，选取的润滑方法为：
石墨+油剂（调和比为1：
2）。
四、挤压模具预热温度与预热目的
除了坯料在挤压前要加热以外，挤压模（包括上模、凹模、顶杆等工作部分）均要进行预热。
预热温度一般在150-300℃，应按挤压坯料的温度作调整。
预热的目的如下。
1.使挤压坯料故人模具时降温不致过大，以免使塑性降低，变形力增加料表面和中心的温差过大，增加变形不均匀性，以致造成挤压件或模具损坏。
2.减小模具与坯料的接触温差。
生产中，常因挤压前没有预热模具或模具预热不够，使模具与坯料的温差太大，造成模具表面温度迅速上升，使模具表面层和中心层的温差过大，产生很大的内应力，加上挤压时变形力对模具造成的应力很大，从而使模具开裂破坏。
第二章任务零件的数值模拟及设备选取
2.1Solidworks平台上凸凹模及坯料的数值模拟设计
Solidworks是一种三维设计软件，属于CAD/CAM类软件。
SolidWorks已成功地用于机械设计、机械制造，电子产品开发、模具设计、汽车工业和产品外观设计等方面
一、凹模设计
使用DEFORM-3D软件数值模拟挤压时，金属以微小网格的状态向凹模侧向型腔流动，凹模工作部位的尖角与棱角都应该倒为圆角，以减小凹模型腔对对金属流动的均匀性的影响。
即使在挤压的实际生产中，凹模的工作部位也是不应该出现尖角与棱边的。
但选择圆角的半径大小要适当，圆角半径过小时，不仅影响金属流动的均匀性，且易降低模具的使用寿命；
圆角过大时，虽有利于金属流动，但却会在此处产生过大的毛刺，影响零件的后续加工。
故在这里，选取圆角半径为1mm左右。
凸模的边缘也应该倒上R1的圆角。
在SolidWorks中设计用于数值模拟凹模如图2-1所示。
（a）3D全视示意图（b）3D半剖示意图
图2-1数值模拟用凹模示意图
二、凸模（冲头）设计
在挤压的实际生产与数值模拟时，凸模设计都应该考虑到凸凹模间隙。
间隙过大时，坯料在受到三向挤压力时，会向凸凹模的大间隙流动，同时也会产生附加应力，影响工件成形；
间隙过小时，会增大凸凹模之间的摩擦力，降低模具寿命，也会在凸凹模装配时造成困难。
试验证明，冷挤压时可以选取凸凹模间隙（双边）为0.1~0.3mm，在这里选取0.1mm。
在SolidWorks中设计用于数值模拟凸模（冲头）如图2-2所示。
（a）（b）
（a）3D示意图（b）3D剖面示意图
图2-2数值模拟用凸模（冲头）示意图
三、坯料设计
坯料的尺寸对挤压成形过程有较大的影响，当坯料的截面积尺寸过小时，会因坯料在挤压筒中摆放位置的偏差而造成叉臂的两个侧腔中金属分配不均。
一般，坯料侧壁与挤压工作筒侧壁的径向间隙（双边）为0.5~1mm左右，水平侧腔的金属分配无明显差异。
参考§
1.2.2工艺参数的计算和凸凹模的设计尺寸，设计坯料尺寸为外径30mm，内径10mm，高16mm。
2.2DEFORM-3D平台上的挤压
DEFORM-3D是由SFTC公司（ScientificFormingTechnologiesCo.）开发，集成了原材料、成形、热处理和机加工，用于模拟3D材料流动的软件。
DEFORM-3D强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。
系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。
在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的运算规模，并显著地提高计算效率。
典型的DEFORM-3D应用包括锻造、挤压、墩头、轧制、自由锻、弯曲和其他成形加工方法。
本设计主要使用DEFORM-3D系统中的挤压模拟功
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