挤压工艺与模具课程设计任务书Word格式.docx
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进
度
安
排
时间安排
工作内容
0.5天
熟悉设计题目，查阅资料，作准备工作：
进行工艺方案分析，确定工艺方案
1天
工艺设计和工艺计算
画装配图草图
1.5天
画正式图
2天
画零件图
编写技术文件
8天
总计
说明：
全部图纸必须由指导老师检查后进行修改，夹订好才可正式提交。
主
要
参
考
资
料
[1]金仁钢实用冷挤压技术出版社：
哈尔滨工业大学出版社
[2]洪深泽编冷挤压工艺及模具设计出版社：
安微科学技术出版社
[3]冲模设计手册编写组．冲模设计手册（模具设计手册之四）．
[4]金仁钢《挤压工艺及模具课程设计指导书》.自编，2011年
指导教师：
2014年6月20日
系（教研室）主任：
2014年6月20日
反挤压工艺与模具设计
设计说明书
起止日期：
2014年6月10日至2014年6月21日
学生姓名
班级
学号
成绩
指导教师（签字）
机械工程学院（部）
2014年6月10日
第1章工艺分析及方案确定·
·
（5）
1.1零件的工艺性分析·
1.2挤压零件工艺方案的拟定·
第2章毛坯制备及压力机的选择·
（6）
2.1毛坯制备·
2.2挤压力的计算·
2.3压力机的选择·
（7）
第3章模具结构设计及固定·
（8）
3.1工作零件设计·
3.1.1凸模设计·
（9）
3.1.2凹模设计·
3.2模架的选择·
（10）
3.3模具其他部分设计·
（11）
3.3.1导向装置的设计·
3.3.2顶出装置的设计·
（12）
3.3.3卸料装置的设计·
3.3.4垫板、垫块设计·
3.3.5模具的固定及相关配合·
3.3.6模具材料的选择·
（13）
3.3.7模具的失效形式与检查·
（15）
参考文献·
第一章工艺分析及方案确定
1.1零件的工艺性分析
零件所用材料为15号钢，为低碳钢，所需制件形状为杯型件，结构较为简单，由于低碳钢材料冷挤压较为容易成型，而且挤压更节约材料、更易于成形，而且生产效率高，便于操作，因此采用冷挤工艺生产此零件较为合适。
毛坯零件（D=23mm,h=10mm）
1.2挤压零件工艺方案的拟定
由于该零件结构简单，加工比较容易，所以有很多种加工的方法：
比如切削加工，挤压加工等。
但若采用切削加工，则会浪费许多的材料，考虑到经济情况，采用挤压加工方法最合适，不仅节约了原材料，还缩短了生产周期。
所以反挤压加工位最合适的方法。
第二章毛坯制备及压力机的选择
2.1毛坯制备
2.1.1毛坯的切割
坯料直径为40mm，高度为20mm，长径比等于0.5，小于3/4，因此采用板料作为原材料。
冷挤压毛坯常用备料方法有：
锯切、车切、冲裁、剪切。
但由于车切比锯切材料利用率高且可制出尺寸和重量相当精密，端面平整光滑的毛坯，可以直接用于挤压加工，而冲裁要求直径比厚度大3倍以上，剪切毛坯形状不是很规则，所以选择车切。
2.1.2毛坯的软化处理
为了降低材料的硬度，提高材料的塑性，得到良好的金相组织与消除内应力。
降低单位挤压力，提高模具寿命，保证产品质量，所以要对毛坯进行软化处理。
由于材料是15号钢，采用的软化处理为：
冷挤压毛坯
热处理
规范
处理前硬度（HB）
处理后硬度（HB）
附注
15号钢
退火
720±
10℃保温3h，随炉冷却。
107~162
109~121
2.1.3毛坯表面处理及润滑
黑色金属冷挤压压力比较高，采用一般的涂刷润滑剂方法不能满足要求，在这样的压力下，一般润滑剂极其容易被挤掉，不能起润滑作用。
因此必须对毛坯表面进行处理，已取得一层表面支承层，一般由表面磷化处理获得。
为了使磷化液与毛坯金属表面直接接触，毛坯在磷化前应进行化学去油及酸洗去绣。
经皂化后进行加猪油拌适量的二硫化钼，以提高模具寿命。
2.2挤压力的计算
2.2.1许用变形程度计算
=（
-
）/
×
100%=（23×
23/40×
40）×
100%=33.06%
式中
——冷挤压前毛坯的横截面积，
——冷挤压后工件的横截面积，
2.2.2挤压力的计算
挤压力的计算方法包括理论计算法，图算法和经验公式法等。
用理论计算法求的单位挤压力只是近似值，图算法可以避免复杂而繁琐的计算，工程上应用极为方便，因此在世界各国均得到了广泛的应用。
。
由参考文献1中图4.29得，由毛坯直径与凸模直径在图1中找到断面收缩率大约为33.06%的点，再进入图2，与毛坯高径比为0.5的线相交得出高度修正系数K=0.90，再向上投影与15号钢相交，得未经修正的凸模单位压力P=2090MPa，，再进入图3进行毛坯高度和毛坯外径校正得到修正后的凸模单位压力为1800MPa。
最后进入图4得凸模压力为780KN左右。
2.3压力机的选择
2.2.1设备的基本要求
设备的选用必须与冷挤压工艺性质和特点相适应，对冷挤压设备有下列要求：
（1）压力机要有足够的刚性。
（2）压力机要有较大的工作行程和能量。
（3）滑块应具有良好导向精度。
（4）要有超载保险装置。
冷挤压加工，可在专用的挤压机上，也可以在液压机上进行，还可以在普通的压力机上进行。
挤压设备的工作方式和结构在很大程度上决定了生产率、工作精度、通用性和生产的安全性。
2.2.2压力机主要参数的确定及选择
由图算法算的
P=780KN
为了设备的安全以及其他因素，压力机的公称压力
F=780×
1.3=1014KN
根据算的压力机公称压力，查模具设计手册，综合各种因素的影响，初选用的压力机为J21-125开式冷挤压机，主要参数如下：
压力机型
公称压力
公称压力行程
滑块行程
滑块行程次数
封闭高度
封闭高度调节量
J21-125
1250KN
8mm
150mm
35
370mm
100mm
第3章冷挤压模具结构设计
3.1工作零件设计
3.1.1凸模设计
反挤压黑色金属凸模的型式有三种，如下图，根据零件图所示，应选用尖角锥形凸模，即第二种。
所选凸模工作端面的斜角一般取5°
-9°
，现在选取这种凸模有利于中心定位。
为了减小摩擦，已知工作端面直径d=23mm，则d1=d-（0.1-0.2）mm，工作韧带取2-4mmmm，根据上述条件，凸模工作端面斜角取7°
，d1取22.8mm，工作部分高度取10mm，非工作部分取30mm，工作韧带取3mm。
凸模两端不允许留有中心孔，因此在制造中应先留出凸出部分，作为留用顶针孔，待加工好后去掉，以免造成中心开裂。
工作部分的地方要进行自习抛光，粗糙度希望达到Ra0.1。
3.1.2凹模设计
组合凹模的优点是同样外形尺寸（包括外套在内的整个组合凹模外形尺寸）和相同内腔尺寸的条件下，其强度要比单层（即整体式）凹模的强度大得多；
结构合理、模具寿命长、挤压件底部圆角连接处的毛刺大为减少，适用于大批量生产而且它不但节省了材料，而且大大减少了模具加工的难度。
但它增加了凹模加工的工作量，主要表现在压合面的加工和装配上，而且它要求精度高，以保证同轴度，并且拼合面宽度应小于3mm，上下两面应留出0.2mm空隙，结合面的表面粗糙度取Ra0.2
凹模设计主要包括凹模型腔设计和预应力压圈的设计。
挤压凹模大体上可以分为整体凹模和组合凹模两种形式，但整体凹模无论模具强度还是挤压件的顶出都不利，使用极少，故选用组合式凹模。
组合式凹模优点：
（1）提高了模具的强度；
（2）节约了模具钢；
（3）凹模内圈尺寸减小，热处理容易；
（4）当凹模损坏后仅需调换内圈，预应力中外圈还可以继续使用。
在具体冷挤压工艺设计的条件下，根据冷挤压单位挤压力的大小决定采用整体式，两层组合凹模，三层组合凹模，由于之前算出的单位挤压P=1800MPa，在1400MPa-2500MPa之间，故选用三层组合凹模。
如下图所示：
1）预应力圈的设计
已知d1=40mm，压合角取1°
30′，d4=（4~6）d1，取a41=5，则d4=200mm，又参考文献1图5.15得
a21=1.5
a32=1.8
所以
d2=1.5d1=60mm
d3=1.8d2=108mm
轴向压合量计算
再按图5.21决定轴向压合系数δ2和δ3，
δ2=0.2，δ3=0.09
由此可得出，轴向压合量为
C2=δ2d2=0.2×
60=12mm
C3=δ3d3=0.09×
108=9.72mm
径向过盈量计算
由图5.20决定径向过盈量系数β2和β3，
β2=0.0105，β3=0.00495
由此可得径向过盈量为
μ2=β2d2=0.0105×
60=0.63mm
μ3=β3d3=0.00495×
108=0.5346mm
黑色金属反挤压凹模一般采用直筒形式，凹模内壁放出15′--30′的斜度是为了使金属流动方便，有利于降低压力。
凹模实际高度h2应超过毛坯高度6—8mm，凹模入口角处做出圆角。
在实践中应注意：
（1）三层圈都应该在一台车床上进行加工，保证三圈的压合角做到大致一样。
（2）车削加工时，对c2，c3的要求，应考虑到热处理变形及磨削的余量，即热处理与磨削后达到c2，c3的计算要求。
2）凹模尺寸设计
通过计算，零件的高度h=24mm，由参考文献1中可知，凹模的实际深度应超过毛坯6~8mm，所以凹模的高度为28mm。
3.2模架的选择
冷挤压工艺可以在油压机，冲床，摩擦压力机上进行，也可以在专用多挤压机上进行。
因此，挤压模架的结构除应根据挤压件的批量，品种不同而满足不同设备的要求外，还应满足下述几点：
（1）承压部分应具有很好的刚度及强度，使模架精度稳定。
（2）工作部分能简便而可靠地固定在模架上，便于更换。
（3）毛坯和工件进出要方便，便于实现机械化。
（4）易损部分零件尺寸应统一，便于制造和检验。
（5）保证操作人员安全。
根据以上所述，可选用四导柱模架GB/T2851.7-90。
3.3模具其他部分设计
此副模具只要将凸模，凹模，顶出器，垫块，垫板加以更换。
就能适应不同形状和尺寸的工件的挤压要求，因此除设计凸凹模之外，只需设计顶出装置，垫块，垫板以及导向装置，螺钉，螺栓，圆柱销，弹簧根据国家标准选取。
3.3.1导向装置的设计
导柱导套式的导向装置在挤压模具中应用最为广泛，一般是将导套用压配合装入上模座内，将导柱用压配合装入下模座中内，导柱与导套之间采用间隙配合，通常采用二级精度公差。
为了保证导向的稳定性，导柱和导套压入上下模座的长度要大于导柱直径的1.52倍，为了保证导向的可靠性，导柱和导套在运动过程中始终不应脱开，也就是滑块即使运动到上止点，导柱和导套也不脱开，一般选4导柱。
3.3.2顶出装置的设计
顶出装置设计原则如下；
（1）顶杆的工作部分略带五度的锥度，可延长使用寿命；
（2）顶端直径的
按
计算，下端为了能承受较大的单位挤压力，采用锥形结构，增大支撑面的面积，取
=（2～3）d，含炭量小于0.15﹪或尺寸较小的挤压件取较小值，含碳量大于0.2﹪或尺寸较大的挤压件取较大值。
（3）顶杆的长度L越短越好，能将挤压件顶出凹模的上平面即可；
装配后，顶杆的工作端面应比凹模底面高出0.1mm左右。
（4）兼作挤压凹模的顶杆，设计时必须与凹模一样考虑；
不作挤压凹模用的顶杆，应根据载荷的具体情况，以保证纵向稳定的要求进行设计。
顶杆须用工具刚制造。
3.3.3卸料装置的设计
挤压结束后，挤压件由于弹性变形的恢复，有可能包紧在凸模上，这就需要将挤压件卸下，将挤压件从凸模上卸下来的装置称为卸料装置。
3.3.4垫板、垫块的设计
挤压时，模具型腔中单位冷寂压力很高，凸模或凹模所传递的轴向压力直接作用在上下模板上有可能造成模板压塌，因此必须在模板与凸凹模之间设置淬硬的压力垫板，以起减缓轴向压力的作用，降低应力密度。
挤压时凸模或凹模作用于垫板表面积上的单位挤压力应均匀分布在凸模或凹模支撑面的直径范围内，压力大致扩展成圆锥状传到垫板底面，压力分部以加压中心最小，其周边最小，垫板厚度增加时，受压面的传递直径增加，传递压力随之减小。
因此应尽量加大垫板厚度，如果垫板的厚度相同，则多层垫板力的传递范围比使用单层垫板大。
3.3.5.模具的固定及相关配合
上底板与凸模固定圈用圆柱销及螺钉连接；
卸料板和压板采用螺钉连接；
压板与下模座采用圆柱销连接；
凹模预应力圈与垫块采用螺钉连接；
垫块与下垫板用销钉连接；
下模座和下底板用销钉连接；
下模座与弯月形板及垫块用调整螺钉连接；
用4块弯月形板将凹模外圈加紧，再用压板将凹模内，中，外圈压紧；
凸模由凸模固定圈，锥形紧圈，紧固圈固定。
螺钉与下底板属于过盈配合；
顶杆与下模座属于间隙配合；
导柱导套属于间隙配合；
导柱与下底板属于过盈配合；
下模座与下底板需留有定位台阶，属于间隙配合。
3.3.6模具材料的选择
模具材料可以在低合金工具钢，高碳高铬合金工具钢，高速钢，硬质合金等较为广泛的范围内选用。
因此，按照冷挤压工艺特性的要求，合理选用模具材料，制定正确的热处理工艺，是保证获得具有较长使用寿命及经济合理性的重要环节。
一、模具在挤压过程中承受的应力
1.承受大的挤压力：
金属在冷挤压时的变形抗力是很大的，反挤压的单位挤压力可达2000～3000（兆帕），当润滑和表面处理不当时，其单位挤压力甚至高达3000～3500（兆帕），这个数值已超过了一般模具钢的弹性极限，有可能使模具在挤压过程中产生微量的塑性变形，而使挤压件尺寸精度较差，严重时将发生模具的破损，出现人员伤亡。
2.因偏心负荷而引起的弯曲应力：
因毛坯两端不平，毛坯与凹模间隙大，模具加工及装配的同轴度偏差过大等原因，都会引起凸模承受较大的偏心弯曲应力，而导致模具早期折断。
3.连续作用的冲击力：
机械式的冷挤压机，实际上是以连续的冲击式施加负荷于模具上。
近年来，虽然广泛采用了液压缓冲装置，但仍不可能完全消除这种冲击负荷。
对于高硬度（HRC≥60）的模具，当存在某些表面和内部缺陷时，会引起应力集中而过早脆裂。
4.模具表面磨损：
模腔内的金属在强大外力作用下，产生塑性流动时，会引起模具表面的磨损。
当模具表面存在贫碳、软点、组织不均匀等缺陷时，会加速模具的磨损产生模具表面早期破坏。
5.模具温度升高而加速模具的磨损：
由于金属的变形与摩擦原因而产生的热，在连续生产过程中，会使模具的温度逐步上升：
可能达到200℃甚至更高，对于一些模具材料，会产生回火作用，而降低模具的性能[9]。
二、冷挤压工艺对模具材料的要求
综合前述的冷挤压模具在工作过程中所承受的负荷情况，模具材料应能满足以下几方面的基本要求。
1.具有高的强韧性：
模具在挤压过程中要同时承受极大地挤压力、弯曲应力、冲击等复杂的负荷。
故要求所选用的材料，经过热处理后，应具有高的强韧性。
因此，模具材料应有良好的淬透性（保证模具能淬透）及均匀的组织。
大块的碳化物及严重的偏折，纤维方向性和非金属夹杂等内部缺陷，都会使模具的强韧性降低，或在受负荷时引起应力集中，造成模具早期破坏。
2.足够的热稳定性：
当连续生产时，模具的温升有时达到或超过200℃，这对用160～180℃作回火温度的模具材料，会使强度、硬度下降，故用于温升较高的模具材料，应具备良好的抗回火稳定性。
3.良好的耐磨性。
模具应有高的耐磨性，才能保证正常的使用寿命，生产出大批量合格的挤压件。
一般来说，钢的硬度与耐磨性在一定条件下是成正比的。
故要求模具材料不但要有足够的淬透性，还要有高的淬硬性。
但除了硬度外，决定钢的耐磨性的还有热处理后基体组织的粗细，成分、过剩与口火析出碳化物相多少、大小、类型、分散度及红硬性等。
4.良好的工艺性：
冷挤压模具的制造周期长，工艺复杂，精度要求高。
一般均须经过锻造、切削加工、热处理、磨削或其它精加工等。
故只有工艺性比较良好的材料，才能满足生产上的需要。
常用冷挤压模具材料[8]
零件名称
材料牌号
硬度
模板、模座
45
凹、凸模垫板
T10A
淬硬
58～62
凸模压套
45/T8A
43～48（45），58～62（T8A）
退料杆、环形顶出器
顶杆、打杆、垫板
43～48
压板、卸料板
定位钉、定位块、挡料销
内预应力圈
5CrNiMo,
42～44
外预应力圈
38～40
导柱导套
20，
表面渗碳，淬火
56～60
螺钉螺栓
35，45
弹簧
65Mn
40～48
圆柱销
卸料螺钉
头部淬硬
35～40
3.3.7模具的失效形式与防止方法
模具失效的根本方式有：
塑性变形，磨损，疲劳，断裂。
（1）塑性变形。
塑性变形即接受负荷大于屈从强度而产生的变形。
（2）磨损失效。
磨损失效是指刃门钝化、棱角变圆、平面下陷、外表沟痕、剥落粘膜（在摩擦中模具工作表而粘了些坯料金属）。
另外，凸模在工作中，由于光滑剂熄灭后转化为高压气体，对凸模外表停止猛烈冲刷，构成气蚀。
（3）疲倦失效。
疲倦失效的特征：
模具某些部位经过一定的退役期，萌发了细小的裂纹，并逐步向纵深扩展，扩展到一定尺寸时，严重削弱模具的承载才能而惹起断裂。
（4）断裂失效。
断裂失效常见方式有：
崩刃、脶齿、劈裂、折断、胀裂等，不同模具断裂的驱动力不同。
冷作模具、所受的主要为机械作用力（冲压力）。
热作模所受除机械力外，还有热应力和组织应力，有许多热作模具的工作温度较高，又采用强迫冷却，其内应力可远远超越机械应力，因而，许多热作模的断裂主要与内应力过大有关。
模具失效缘由及预防措施
（1）构造设计不合理惹起失效。
锋利转角（此处应力集中高于均匀应力十倍以上）和过大的截面变化形成应力集中，常常成为许多模具早期失效的本源。
并且在热处置淬火过程中，锋利转角惹起剩余拉应力，缩短模具寿命。
预防措施：
凸模各部的过渡应平缓世故，任何役小的刀痕都会惹起激烈的应力集中，其直径与长度应契合—定请求。
（2）模具资料质量差惹起的失效。
A．夹杂物过多惹起失效。
B．外表脱碳惹起失效。
C．碳化物散布不匀，惹起失效。
钢在缎轧时，模具应重复多方向锻造，从而钢中的共晶碳化物击碎得更细小平均，保证钢碳化物不平均度级别请求。
（3）模具的机加工不当。
①采用切削力强的粗砂轮或粘结性差的砂轮；
②减少工件进给量；
③选用适宜的冷却剂；
④磨削加工后采用250~350℃回火，以除磨削应力。
（4）模具热处置工艺不适宜。
可采用装箱维护处置，箱内填充防氧化和脱碳的填充资料。
参考文献
1．金仁钢编著---《实用冷挤压技术》哈尔滨工业大学出版社。
2.郝滨海编著---《挤压模具简明设计手册》化学工业出版社。
3.李绍林、马长福主编---《实用模具技术手册》
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