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挤压模具设计书说明书

铜合金压气缸的热挤压工艺及模具设计

摘要

铜合金压气缸的生产方法常见的有管料的切削加工，离心铸造后切削加工，热挤压法。

热挤压法生产材料利用率最高，生产效率最高，产品质量最高。

本文分析热挤压工艺及模具设计。

热挤压工艺分析综述：

铜合金的热挤压温度根据经验可以定为730℃。

压气缸的毛坯件属于杯形件的一种，因此采用的是反挤压。

若采用一次挤压成形则所需挤压力和变形程度太大。

因此采用两次反挤压，第一次将棒料挤压成为杯形件，切削加工成空心圆柱形。

再经过第二次反挤压将内孔扩大，外径不变。

经过两次反挤压得到挤压件成形毛坯。

模具设计分析综述：

两序挤压则需要两套挤压模具。

两套模具采用通用凹模，结构简单。

第一套模具凸模采用一般的反挤压凸模结构。

第二套模具需要有模芯结构，模芯可以是固定式的也可以是活动式的。

本次设计将模芯设计为固定式的即凸模和模芯一体式的。

设计成整体式的好处是结构简单，生产效率高。

与此同时，顶件器只需设计成中空的即可，当凸模压下时，模芯正好进入顶件器的内腔中。

关键词：

反挤压，压气缸，模具设计，模芯

CopperAlloyCylinderPressureofHotExtrusionTechnologyandDieDesign

ABSTRACT

Copperalloypressurecylinderproductionmethodscommonpipematerialcuttingprocessing,machiningaftercentrifugalcasting,hotextrusionmethod.Hotextrusionmethodisthehighestutilizationrateofmaterials,thehighestproductionefficiency,andthehighestqualityofproduct.Inthispaper,hotextrusiontechnologyanddiedesignisanalysed.

Hotextrusiontechnologyanalysiswerereviewed:

Copperalloycanbeclassifiedas730℃hotextrusiontemperatureaccordingtotheexperience.Pressurecylinderofablankpartsbelongtothecup,sothebackwardextrusionisused.Ifusinganextrusionforming,theneededextrusionanddeformationdegreeistoolarge.sothebackwardextrusionshoudbeusedtwice.Thefirstextrusionwillmakethebarbecomethecup,andthen,makethecupbecomethehollowcylindricalbymachining.Aftersecondbackwardextrusionwillenlargetheinnerhole,andtheoutsidediameterisconstant.Aftertwicebackwardextrusion,wecangetthebloom.

Molddesignanalysiswerereviewed:

ThetwoordersqueezingrequirestwosetsofextrusiondiesTwosetsofmouldadoptgeneralconcavedie.Thefirstsetofmouldpunchadoptsgeneralbackwardextrusionpunchdiestructure.Asecondsetofmouldneedamoldcorestructure,moldcorecanbestationaryoractivities.Thisdesignwilldesignforfixedthepunchmoldcoreandmoldcoreone-piece.Designintointegraladvantageissimplestructure,highproductionefficiencyatthesametime,toppiecessimplydesignedtobehollow,whentheconvexmold,moldcorerightintothelumenoftoppieces.

KEYWORDS:

backwardextrusion,cylinderpressure,molddesign,moldcore

前言

压气缸户外断路器中的关键零件，要求“三高”即高的导电率、高的硬度和高的强度，以降低能耗和提高产品的可靠性。

国内外均采用铬青铜QCr0.5材料制造。

研究表明，QCr0.5是一种可热处理强化的铬青铜合金，其中合金元素Cr的含量一般在0.5%左右，对铜的导电率降低很少。

在一定的温度范围内，QCr0.5具有良好的塑性，可通过锻造、挤压等变形工艺改善组织，提高性能。

另外，经固溶时效后，其切削加工性能明显优于纯铜，因而成为高压开关零部件的首选材料。

压气缸传统上采用外径Φ130mm、内径Φl00mm的挤压管切削加工成型，材料利用率只有25%左右，同时内孔加工量大，效率低。

还有一种方法是采用重力铸造或离心铸造厚壁管坯切削加工成型，这种厚壁铸管最大的缺点是内部质量差，存在气孔、夹杂等缺陷，机加工后缺陷暴露，废品率高20%-30%；成品材料利用率也低，通常在30%以下；另外机加工工作量大，热处理后的导电率、硬度及强度也普遍比较低。

新工艺采用热挤压加工，能使坯料尺寸精度大幅度提高，毛坯重量减轻45%以上，材料利用率可达70%以上，废品率降低到2%左右，产品的导电率、硬度及强度等零件材料为铬青铜QCr0.5，常温下QCr0.5棒料强度高、变形抗力大、塑性较差，具有加工硬化现象，难以进行大变形量的冷挤压成型加工。

在生产过程中要先对其进行加热处理，即加热到730℃，使其软化，然后再进行挤压加工。

第一章热挤压技术的介绍

§1.1热挤压工艺的实质

热挤压就是将金属材料加热到热锻成型温度进行挤压，即挤压前将坯料加热到金属的再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。

热挤压是挤压的一种，是最常见的体积成型方式之一。

和冷挤压一样，根据金属的流动方向和凸模的运动方向可以将热挤压分为正挤压，反挤压，复合挤压和径向挤压。

正挤压就是挤压时金属流动方向和凸模运动方向相一致。

正挤压又分为实心件正挤压和空心件正挤压两种。

正挤压可以制造各种形状的实心件和空心件。

反挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。

反挤压是将圆形毛坯挤压成筒形零件。

复合挤压是指是挤压时，金属的流动方向朝朝凸模的运动向和相反方向同时运动。

复合挤压可产生两端直径不同的筒形零件，也可生产双杯类零件，如汽车的活塞销，也可制造杯形零件等。

§1.2热挤压工艺的特点

热挤压与冷挤压相比，具有如下优点：

热挤压时金属的塑性好，降低了变形抗力，使总的挤压力大大下降。

加热后金属材料塑性较好，使得原来冷挤压时变形困难的材料，在热挤压时变得比较容易。

单位变形抗力的降低，使热挤压能够成型断面形状复杂或尺寸较大的零件。

挤压力的降低也可以减小设备的吨位，降低模具的单位负荷。

同时，每道变形工步的需用变形程度也比冷挤压时大得多，也可以通过增加每道工步的变形量来减少变形工步数。

热挤压时可以连续成形，有利于提高生产效率。

通常情况下，一次加热后热挤压的数道成形工步可以连续完成，不需要冷挤压使得中间退火软化工序和表面清理工序，有利于组织生产和提高生产效率。

由于连续生产，可以使各道工步的模具初始精度匹配较好，工件的尺寸稳定性较高。

与冷挤压工艺相比存在以下不足：

由于热挤压在较高温度下成形，对模具材料的耐热性提出了较高的要求。

在热挤压时，模具的温度会影响其强度和表面硬度，必须对热挤压模具进行充分冷却。

在设计时应考虑模具的冷却系统。

同时必须选合适的模具材料，提高材料的热硬性和热耐疲劳性能。

热挤压件的表面质量不佳，尺寸精度较低。

由于坯料在加热时出现的氧化脱碳，使得积压件表面粗糙度值增加，尺寸精度也较冷挤压件低得多。

经热挤压后的工件，一般需经过切削加工才能复合机器零件的质量要求。

热挤压后，工件必须进行热处理。

为了改善热挤压件的切削加工性能，调整硬度及为零件的最终热处理做组织准备，热挤压后必须对工件进行退火或正火等热处理。

§1.3热挤压工艺的主要过程：

坯料制备→坯料加热→挤压成形→后续工序→积压件热处理→表面热处理→精加工

第二章工艺分析及制定

§2.1产品零件分析

本设计的产品为筒形零件，其产品零件示意图如图2-1所示。

图2-1压气缸

压气缸（见图2-1）传统上采用外径Φ130mm、内径Φl00mm的挤压管切削加工成型，材料利用率只有25%左右，同时内孔加工量大，效率低。

新工艺采用热挤压加工，能使坯料尺寸精度大幅度提高，毛坯重量减轻45%以上，材料利用率可达70%以上，废品率降低到2%左右，产品的导电率、硬度及强度等零件材料为铬青铜QCr0.5，常温下QCr0.5棒料强度高、变形抗力大、塑性较差，具有加工硬化现象，难以进行大变形量的冷挤压成型加工。

在生产过程中要先对其进行加热处理，即加热到730℃进行挤压加工。

§2.2挤压件图制定

热挤压工艺设计是整个热挤压设计工作的第一步，设计是否合理直接影响到制件质量、生产效率、模具寿命和生产成本等。

根据压气缸的图纸要求，考虑到QCr0.5在730℃会产生氧化皮和机加工应预留的余量，挤压件在其原零件的基础上内外圈各加3mm和4mm的单边余量，端部加5mm的余量，得到第2次挤压后的毛坯（如图2-2所示），体积V2≈1120123mm3。

得到挤压件图如下所示。

图2-2挤压件图

§2.3工艺方案分析

工艺方案如下述讨论：

一、一次挤压成型。

此时采用阶梯状凸模，一次挤压成型；

二、二次挤压成型。

若采用方案一凸模大致形状如（图2-3）所示。

图2-3一次挤压凸模结构

根据挤压力计算采用经验公式：

F=K×[8+1/（D/d-1）]d2σb公式2-1

式中F―反挤压时的挤压力

K—校正系数（根据试验情况而定）

d—反挤压模凸模直径，mm

D—反挤压模凹模直径，mm

σb—挤压终了温度时金属材料的强度极限，MPa

如果采用一次性挤压，模具结构简单，生产效率高，但金属的变形程度大，挤压作用面积大，此时K=0.3，σb=115MPa，挤压力约为P=0.3×[8+l／（D／d-1）]d2σb=0.3×[8+1／（129／112-1）]×l12×l15=6313321.4N，而315t万能液压机的公称压力为3150000N，500t万能液压机的公称压力为5000000N。

因此若采用一次挤压所需压力太大，不够经济。

其次若采用一次挤压变形量过大，容易出现挤压缺陷，故不适合采用一次挤压。

若采用二次挤压成形则可采用如下挤压工艺，如图2-4所示。

棒料→镦粗→第一次反挤压→机加工修正→第二次反挤压

图2-4积压工序图

§2.4毛坯形状及尺寸选择

热挤压工艺设计是整个热挤压设计工作的第一步，设计是否合理直接影响到制件质量、生产效率、模具寿命和生产成本等。

根据压气缸的图纸要求，考虑到QCr0.5在730℃会产生氧化皮和机加工应预留的余量，挤压件在其原零件的基础上内外圈各加3mm和4mm的单边余量，端部加5mm的余量，得到第2次挤压后的毛坯（如图2.4所示），体积V2≈1120123mm3。

第2次挤压前机加工整修去掉的体积V=188675mm3，所以总的体积V0=V1+V2=1308800mm3为了减少原材料的特殊订货，根据供货情况在生产中采用115mm棒料，毛坯高度应取为：

H=V0/3.14x（115/2）2≈126mm。

采用二工序挤压工艺后，1、2次挤压的凹模具有通用性。

为了使第二次挤压时能够脱模，必须限制凹模的高度，同时第一次挤压的毛坯在第二次挤压之前必须完全放入凹模内。

经计算，第一次挤压后挤成的毛坯高度可取为146mm，由此得到第一次凸模的直径为Φ73mm，可满足实际生产要求。

由于所用坯料的直径为115mm，而模具的凹模直径为Φ129mm为了保证毛坯挤压时的同心度，在第一次挤压之前须对毛坯进行镦粗，使其直径最大处为129mm。

在第二次挤压之前，为防止毛坯加热后不能放入凹模中，同时保证型芯能放入第一次挤压制件的内孔中一定要通过机加工对其进行修整，采用内镗孔外车削的方法将其加工成内外径分别为Φ74mm和Φ128mm的毛坯。

第三章坯料的处理

§3.1坯料加热方法

一、火焰加热它是利用燃料在加热炉内燃烧产生含有大量热能的高温气体，通过对流，辐射把热能传递给坯料表面，通过由表及里的热传导而是金属坯料加热到预定的温度。

燃料有：

固体燃料，液体燃料，以及气体燃料。

火焰加热方法的优点是：

燃料来源广泛，加热炉造价较低，对坯料的适应性广等，因此应用广泛。

其缺点是：

劳动条件较差，加热速度慢，加热炉温度比较难以控制，还存在较大的金属烧损，对环境也有较大的影响。

二、电加热电加热是通过把电能转化为热能来加热金属坯料。

常见的方法有感应加热，接触电加热和电阻炉加热。

由于本次挤压坯料是铜，而铜不具有电磁感应的特性，所以不能用电磁感应加热的方法，在这里不再赘述感应加热的方法。

电阻炉加热是利用电流通入炉内的电热体所产生的热量。

电阻炉加热温度受电热体的限制，热线率要比感应加热方法低得多，加热速度也慢。

但温度控制准确。

综上所述，本次挤压工艺中坯料加热采用电阻炉加热。

§3.2加热温度

热挤压指在再结晶温度以上加热，加热温度的高低对挤压过程有较大的影响。

其一，挤压温度的高低对挤压力有较大的影响，加热温度低时挤压力较大，加热温度高时挤压力较小。

因此，在满足一定条件下宜采用较高的加热温度。

其二，加热温度过高时容易出现氧化，过热，过烧等一系列缺陷。

本次挤压坯料是铜，因此根据经验一般采用770℃加热。

§3.3坯料润滑

热挤压时，坯料处于700℃以上，任何适应于冷挤压的润滑剂都会在如此高温下发生分解，不仅不能起到润滑作用，还会因其性质的改变而增加表面与模具的摩擦力。

在高温下理想的润滑剂应具备以下条件：

一、润滑剂应具有良好的耐压性能，在高压力下作用下，润滑膜仍能吸附在表面上，保持润滑效果。

二、应具有良好的耐热性，热挤压的润滑剂在使用时应不分解，不变质。

三、为了降低模具温度，热挤压用的的润滑剂在使用时不仅有润滑作用，还要有冷却模具的作用。

四、润滑剂不应对金属和模具由腐蚀作用。

五、润滑剂应对人体无毒，不污染环境。

六、润滑剂要求使用时，清理方便，来源丰富，价格便宜等。

目前，常用的润滑剂主要有以石墨为主要润滑成分的各类石墨润滑剂，以及以玻璃为主要成分的比例润滑剂。

玻璃是一种非晶态固体材料，它在高温下是一种流体，没有固定的熔点；玻璃的导热系数小，在工作温度下玻璃是一种熔体润滑剂，当玻璃与高温坯料接触时，它可以在工具和坯料接触面间形成液体薄膜，达到隔开两接触表面的目的，从而起到润滑和绝热的作用；玻璃的粘度随温度上升而减小，并具有可逆性，玻璃成分不同，粘度-温度特性不同，因此可根据金属热加工工艺的特点，选用或设计合适的玻璃成分和粒度。

热挤压工艺用玻璃润滑剂具有以下特点：

一、在金属变形过程中具有良好的延展性和耐压性。

二、导热系数小。

当高温下熔化时，玻璃包围在坯料表面形成一层熔融状态的致密膜层，坯料与模具不直接接触，减少坯料表面温降和工模具的温升，起到绝热作用，既改善金属的塑性又提高工模具的使用寿命。

三、润滑性能好（摩擦系数约0.02～0.05）。

润滑剂能在整个挤压过程中存在于金属与工模具之间，形成有一定高温粘度的润滑膜层，并具有小的摩擦系数。

四、玻璃润滑剂对变形金属具有很好的浸润性（粘附性）和结合力，润滑膜层具有较强的自愈功能。

五、玻璃润滑剂对金属具有化学惰性：

在整个热历程中不对金属表面造成化学腐蚀。

六、环保型：

对环境和人体无毒无害。

七、玻璃的适用温度范围广，从450℃～2200℃的工作温度范围都可选用。

石墨润滑剂石墨润滑剂为片状石墨与机油、焦油或油脂等混合成的涂料，能比较容易地涂敷在工具和坯料的表面上，由于片状石墨剪切强度和硬度较低，石墨片吸附气体形成润滑膜，因而能产生良好的润滑作用。

当坯料表面具有氧化铁皮的情况下，其润滑效果较玻璃润滑好。

缺点是：

一、导热系数较大，隔热差，工模具温升大，磨损快，挤压长产品困难。

二、往往会使环境污染。

上述分析表明，目前，热挤压工况下常用石墨作为润滑剂，其一是石墨具有高温稳定性，其二是石墨易形成薄的隔离层并在模具表面有较好的吸附能力。

玻璃粉作为高温润滑剂具有很多优点，但因工艺操作十分不便，实际生产中很少使用。

可以将石墨做成水剂润滑剂，刷涂与坯料表面。

第四章变形量和挤压力

热挤压力的计算方法与冷挤压力的计算一样，也可分为理论计算法、经验计算法和图算法等。

热挤压力除了受变形速度、润滑条件、模具结构和挤压件的形状等因素有关外，成形温度对挤压力的影响非常大。

§4.1影响挤压力主要因素

在挤压过程中，影响挤压力的主要因素有：

一、材料性质。

被挤压材料的化学成分，组织结构及力学性能对单位挤压力的影响很大，是决定单位挤压力的基本因素。

例如含碳量越高的钢材，变形抗力大，不利于挤压；挤压前，对毛坯进行软化处理可以降低变形抗力等。

二、挤压前的变形方式。

对于同种金属材料来说，挤压变形方式不同，所需的单位挤压力也不同。

三、挤压的变形程度大小。

四、模具的几何形状。

挤压模的的凸模和凹模形状，对单位挤压力由很大影响。

模具几何形状设计的合理，意识毛坯在型腔中流动，可以改善摩擦情况，减少金属流动阻力，不仅能显著提高模具的使用寿命，而且能减小单位挤压力。

五、挤压毛坯的相对高度。

毛坯高度的变化，影响到毛坯与凸模真实接触率的改变，进而影响到摩擦阻力的变化，因此，毛坯的高度对单位挤压力也有一定影响。

六、润滑状态。

润滑状态对降低单位挤压力影响较大，良好的润滑状态，介意使其真实接触面积率大大减小，摩擦阻力也大大减小，因此单位挤压力较低。

七、加热温度。

热挤压的加热温度对挤压力的影响非常大。

热挤压与冷挤压相比做大的不同就在于加热温度的不同，热挤压高的加热温度最大的目的就在于降低挤压力，因此温度越高挤压力越低。

§4.2变形程度

每道热加油能挤出合格产品的最大变形程度称为许用变形程度。

在保证产品质量，模具寿命的前提下，按照使冷挤压工序数减小到最低限度的原则来选用热挤压的变形程度。

采用热挤压成型工艺，需要验证材料的挤压许用变形程度，许用变形程度用断面收缩率ε来表示。

两次挤压的过程中毛坯的变形程度为ε1和ε2，经计算得：

ε1=（A0-A1）/A0=[3.14×1292/4-3.14×（1292-732）/4]/3.14×1292/4=32.0％

ε2=（A3-A4）/A3-[3.14×（1282-742）/4-3.14×（1292-1122）/4]/3.14×（1282-742）/4=

63％

经试验完全满足要求。

§4.3挤压力

热挤压力即热挤压变形所需要的作用力。

它是设计模具，选择设备的依据，并可衡量热挤压变形的难易程度。

必须对热挤压的单位挤压力和总变形力进行计算，以便为设计热挤压模具和选用设备提供依据。

本次设计采用经验公式法和图算法两种方法计算。

1）经验公式法计算挤压力：

经验公式如下：

F=K×[8+1／（D／d-1）]d2σb公式4-1

式中F―反挤压时的挤压力

K—校正系数（根据试验情况而定）

d—反挤压模凸模直径，mm

D—反挤压模凹模直径，mm

σb—挤压终了温度时金属材料的强度极限，MPa

第一工序：

d=73mm，D=129mm，终挤温度700℃。

查表可得QCr0.5在700℃时的强度极限为115MP，此时D=129mm，d=73mm，校正系数为0.3，则第一工序挤压力F为:

F=0.3×[8+l/（D/d-1）]d2σb=0.3×[8+1/（129/73-1）]×732×115=1710466.3N

第二工序：

第二工序采用新的模具结构，压力计算

采用新的计算公式：

F=K×{8+1/[D/（d2-d1）-1}×（d22－d12）×σb公式4-2

式中F反挤压的挤压力

K—校正系数（根据试验情况而定）

d2—组合式凸模的固定部分

d1—组合式凸模的活动部分

D—反挤压模凹模直径，mm

σb—挤压终了温度时金属材料的强度极限，MPa。

查表可得QCr0.5在700℃时的强度极限为115MPa。

此时的校正系数K=0.4，D=129mm，d2=112mm，d1=73mm。

F=K×{8+1/[D/（d2-d1）-1×（d22-d12）×σb=0.4×{8+1/[129/（112-73）-1]}×（1122－732）×115=2799420N

2）图算法计算挤压力

由《挤压工艺及模具》P163页热反挤压压力计算图可查单位挤及力及总挤压力。

第一序反挤压：

①由（εA=36.3%、hx=80）→k=1.5，②由（εA=36.3%、d0/h0=1.7、σb=115Mpa、d1）→F1≈2500000N、p≈600MPa

同理可求得第二序反挤压F2≈2900000N，P≈500Mpa

§4.4热挤压设备选用原则

挤压设备选择是挤压成型工艺过程中的重要环节，挤压设备选择是否合适直接影响到设备的安全和合理使用，同时也关系到挤压工艺过程能否顺利完成及模具的使用寿命，产品质量，生产效率，成本高低等一系列问题。

在选择挤压设备时，应该注意到以下几点：

一、应根据所要完成的挤压工序的性质，生产批量的大小，挤压件的几何尺寸及精度要求来选择挤压设备的类型。

二、由于在挤压过程中，机械的个部分都会受力变形，因此在选择挤压设备时，应充分注意到其精度和刚度。

三、挤压全过程的变形力应低于压力机的许用压力。

四、所选的压力机装模高度应与模具闭合高度相适应。

挤压设备的选择，还需要考虑到压力机台面的尺寸应足以安装模具，以便于安放压板固定，压力机有无气垫等弹顶装置，工作台孔大小是否适于出料等等。

§4.5热挤压设备选用

考虑到本零件和模具的具体情况，既尺寸很大，必须选择滑块行程大的压力机，以保证本模具的顺利工作。

本例拟选用YT32-500B四柱液压机

标称压力5000KN

滑块行程900mm

最大闭合高度1500mm

闭合高度调节量70mm

工作台尺寸1400×1400mm

顶出缸行程355mm

根据经验压力机最低压力不小于标称压力的一半，对此压力机来说最低压力不小于Fg/2=2500KN，即可以认为滑块在下行时任一时刻均可承受2500KN的力，过标称点之后可承受5000KN的力，也就是说任意时刻均能提供大