冷挤压模具材料的选择及工艺设计活塞销冷挤压模具汇总.docx
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冷挤压模具材料的选择及工艺设计活塞销冷挤压模具汇总
目录
前言3
1.活塞销冷挤压模具工作条件及性能要求4
1.1冷挤压模具的工作条件4
1.2冷挤压模具的性能要求4
2.冷挤压模具材料的分析6
2.1冷挤压模具常用材料6
2.2冷挤压模具材料确定7
3.活塞销冷挤压模具的加工工艺路线8
3.1活塞销冷挤压模具工艺流程8
3.2W18Cr4V钢的锻造处理8
3.3W18Cr4V钢的热处理工艺及分析9
4.冷挤压模具在使用过程中可能出现的失效方式以及提高寿命的方法11
4.1磨损11
4.2塑性变形13
4.3疲劳破坏13
4.4断裂13
4.5提高冷挤压模具寿命的途径14
5.心得体会16
6.参考文献17
专业课程设计任务书
学生姓名：
班级：
设计题目：
冷挤压模具材料的选择及工艺设计（活塞销冷挤压模具）
设计内容：
1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。
2、选材，并分析选材依据。
3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。
4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器设备。
5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。
6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。
前言
活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。
是内燃机中一个重要的基础零件。
活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷（比压一般在3000~5000MPa），且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。
为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。
在一般情况下，活塞销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，可能使活塞销座损坏。
所以活塞销制造不仅要正确选择零件材料，还要正确选择加工方法。
从实际情况看，原有的车外圆再钻孔的加工方法已远远不能满足其性能要求，为此，拟采用冷挤压生产。
1.活塞销冷挤压模具工作条件及性能要求
1.1冷挤压模具的工作条件
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，同时由于金属材料的激烈流动所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。
1.2冷挤压模具的性能要求
（1）模具应有足够的强度和刚度，要在冷热交变应力下正常工作；
（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性和通用性；
（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）模具工作部分零件与上下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板，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；
（7）上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度。
下图为实心件正挤压模的图。
冷挤压活塞销上凸模
2.冷挤压模具材料的分析
2.1冷挤压模具常用材料
1.碳素工具钢碳素工具钢是冷挤压模具钢中价格最低廉的钢种。
T10A是常用的碳素工具钢牌号。
其优点是加工及热处理方便，具有良好的切削和耐磨性能，但缺点是淬透性、强韧性及耐热性能差、热处理变形大、使用寿命低。
因此只能用于尺寸较小、形状简单、负载不大的模具零件，如压力垫板、顶料杆，纯铝、紫铜等软材料挤压凹模。
2.高合金工具钢含铬量为12％的高合金工具钢是冷挤压模具材料中普遍采用的高碳高铬钢种。
Cr12、Cr12Mo和Cr12MoV是经常使用的牌号。
该类钢热处理变形小，淬透性好，耐磨性较高，韧性优良，适宜制作冷挤压凸模和凹模。
不过这类钢的碳化物偏析较为严重，尤其是大尺寸的材料，在制造模具之前要进行改锻，使碳化物分布均匀（1～3级），否则在使用中严重影响模具使用寿命，因此它比较适宜于作为有预应力圈的内凹模材料。
3.高速工具钢常用高速工具钢的牌号有：
W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等。
该类钢种具有很高的强度、良好的耐磨性和韧性，尤其是高温硬度高、热硬性极好，抗软化变形能力强，是制造凸模的优良材料。
但是高速工具钢的碳化物分布不均匀，这种不均匀性随着钢材截面尺寸的增大而提高，使其力学性能下降。
在模具结构允许的前提下，应尽量选用小尺寸的高速工具钢原始棒料来制造模具零件。
4.硬质合金一般用于冷挤压模具工作零件的硬质合金为钨钴系硬质合金，常有牌号有YG15、YG20、YG25，其中数字表示含钴量的百分比。
如YG15表示含钴量15％，其余为钛化钨。
硬质合金具有极高的硬度、良好的红硬性、较小的膨胀系数、足够的强度，并且耐磨、耐高温，是优良的模具材料。
但是硬质合金抗弯、抗拉强度低，所以常用作凹模或凹模镶块材料。
5.钢结硬质合金钢结硬质合金是以铁粉加少量的合金元素（如铬铁、钼铁、钒铁和钨等）粉末作粘结剂，以碳化钛为硬质相，用一般粉末冶金方法烧结而成。
由于其基体为钢，因此可以切削加工、焊接、热处理，甚至还可以进行一定程度的塑性变形。
同时又含有大量的碳化钛，从而保留了硬质合金的高硬度和高耐磨性，并具有硬质合金所没有的较好的抗弯强度和韧性，是一种新型的冷挤压模具材料。
2.2冷挤压模具材料确定
由于凸模所受单位挤压力较大，主要失效形式是折断，需要材料具有很高的强度和韧性，因此，选用高强度高韧性的模具材料W18Cr4V制造凸模。
热处理硬度HRC62~65，且充分回火。
W18Cr4V中各合金元素的作用
碳主要与铬、钨、钼和钒（碳化物的形成元素）等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。
钨是提高红硬性的主要元素，它在钢中形成碳化物。
加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素、有很高回火稳定性的马氏体。
在回火时，一部分钨以碳化物的形式弥散析出，造成二次硬化。
在加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大的作用.
钒能显著地提高高速钢的红硬性、硬度及耐磨性。
钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化而提高钢的红硬性。
铬在高速钢中主要是增加其淬透性，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。
钴也能显著提高钢的红硬性及硬度。
3.活塞销冷挤压模具的加工工艺路线
3.1活塞销冷挤压模具工艺流程
根据上述零件技术要求，现拟定如下工艺路线：
下料—锻造—退火—机械粗加工—淬火（1100-1150℃）—回火（540—560℃）—磨削加工—装配
工艺流程虽然不太复杂，但各工序必须有严格的详细的是施工说明，这样才有挤压模具的高质量。
如锻造时应根据W18Cr4V钢材料要求制定及执行预热—加热—始端—中锻的温度、时间及镶拔次数等技术规范。
锻后还应放入干燥的石灰粉中冷却，以防冷却速度过快。
3.2W18Cr4V钢的锻造处理
W18Cr4V钢的铸态组织中有大量粗大、不均匀分布的碳化物,必须经过反复镦粗和拔长,经验表明,锻造比达到10左右时,碳化物分布得比较均匀。
当坯料加热到要求的温度时,即开始锻造。
锻造过程中应严格执行“两轻一重”的锻造方法,在高温段1140℃~1180℃时要轻击,以防止开裂;当锻造温度在1000℃~1050℃时要重击,以保证能打碎碳化物;当坯料温度低于1000℃时要轻击,以防内裂纹出现;当坯料温度降至900℃左右时停锻。
为避免锻造时出现裂纹,镦粗阶段捶击不宜太重,必要时可先将端部“铆锻”后再镦粗,镦粗后立即拔长。
拔长时送进量要控制在锻件高度的0.6~0.8倍,送进量过小锻不透,过大则会产生“十字”裂纹。
镦粗时要避免单面变形或发生歪斜,拔长时翻转毛坯要均匀,拔圆时要先倒角,不要在同一地方多次捶击。
锻造时加热次数由镦拔次数、设备能量以及操作工人的熟练程度等来确定.但火次不宜太多,以免产生开裂。
锻造可以破碎材料中大块状、带状、网状碳化物，是碳化物呈均匀、细小分布，同时改善材料性能的方向性。
3.3W18Cr4V钢的热处理工艺及分析
3.3.1退火
锻件锻后应立即放入白灰箱或干砂箱中严埋缓冷,冷却后应立即进行退火,退火的目的是为了消除锻造应力,降低硬度以利于切削加工,同时也为随后的淬火作组织准备。
W18Cr4V钢常采用等温退火工艺,其工艺路线见图1。
3.3.2淬火
W18Cr4V属于高合金工具钢,导热性差,淬火加热时通常要在800℃~850℃进行预热,对于大截面、形状比较复杂的零件,需进行两次预热。
W18Cr4V钢的淬火加热温度很高,一般为1270℃~1280℃,在这个温度范围,溶于奥氏体中的合金元素量才会多,淬火后马氏体中的合金元素量相应也高,高速钢的热硬性才会好。
淬火冷却一般采用分级淬火或油冷淬火。
淬火作用：
改变材料内组织结构，提高钢的硬度耐磨性和韧性，使钢具有优良的机械性能。
3.3.3回火W18Cr4V钢淬火后残余奥氏体量较多可达30%,为了减少残余奥氏体量,消除应力,稳定组织,提高力学性能,淬火后要在560℃进行回火,高速钢回火时会产生“二次硬化”现象,使硬度得到提高。
由于高速钢淬火后残余奥氏体量高达30%,经一次回火是不能完全消除的,因此要在560℃进行三次回火。
回火后的组织由回火马氏体、少量残余奥氏体、块状合金碳化物组成,硬度达到65HRC以上。
淬火及回火工艺路线见图2。
回火作用：
回火的目的是消除淬火过程中产生的应力，以防止零件变形开裂。
另外，回火过程中还会有部分残余奥氏体转变成马氏体，提高零件的硬度，析出部分碳化物，可以细化晶粒，提高零件的强度和韧性。
4.冷挤压模具在使用过程中可能出现的失效方式以及提高寿命的方法
冷挤压模具在使用过程中可能出现的失效方式主要有四种，即磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂，其中磨损和疲劳破坏属正常失效形式。
4.1磨损
冷挤时，由于被挤材料在模具表面激烈地流动，造成模具工作表面容易磨损，按照磨损机理的不同，冷挤压模具的磨损又分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。
4.1.1粘着磨损
由于冷挤时被挤金属在模具表面的激烈流动，所以被挤金属与凹凸模工作表面产生相对运动，于是分别构成了滑动摩擦付，当表面不平时，便会出现峰顶接触，由于接触面积小，峰顶压力很高，足以引起塑性变形，导致接触还发生粘着现象。
在相对滑动情况下，粘着点被剪切，塑性材料就会转移到另一工件表面上，于是出现粘着─剪切─再粘着的循环过程，这就形成了粘着磨损，我们的凹模芯及凹模出现的“拉毛”现象就属于此类。
引起粘着磨损的有以下几个因素：
材料特性
脆性材料比塑性材料的抗粘能力强。
性大的材料组成的摩擦付粘着倾向大，互容性小的材料（异种金属或晶格不相近的金属）组成的摩擦付粘着倾向力小。
从金相组织上看，多相金属比单相金属粘着倾向力小，化合物相比单相固溶体粘着倾向小。
因此，对冷挤压毛坯及模具进行表面处理来避免金属相互摩擦。
挤压速度
一般来讲，挤压过程中，挤压速度主要取决于被挤材料的可塑性所允许的变形速度。
对火花塞壳体冷挤压来讲，其速度不宜太快。
表面光洁度
表面光洁度越高，抗粘着磨损能力越强。
提高模具表面光洁度，可使接触面积增大，各点接触压力减小，但过高地提高表面光洁度，因润滑剂不能存储于摩擦付表面内，反而促进粘着。
温度
由于冷挤时金属流动速度很快，所以产生的热量很大，通常达200-400℃以上，因此模具材料必须具备高的热稳定性，否则将因模具材料处于回火状态而降低强度，并促使粘着磨损的产生。
润滑油脂
润滑状态对粘着磨损影响较大，能适应高强度、重载荷的冷挤压油。
目前国内尚在研制中，还有部分依赖进口解决，目前采用的MoS2就是一种良好有润滑剂。
4.1.2磨粒磨损
冷挤时由于润滑油的不清洁等因素，带有硬的颗粒进入模腔，于是产生微量切削或刮擦作用而引起模具表面脱落。
一般情况，模具材料硬度越高，耐磨性越好，但在火花塞壳体冷挤中，必须先考虑提高材料强度和毒性，再考虑材料的硬度，以防脆断或早期破坏。
4.1.3腐蚀磨损
冷挤压中的腐蚀磨损主要是氧化磨损，它是通过氧化物的磨损过程进行的。
金属表面与氧化膜被磨损后又形成新的氧化膜，然后又被磨掉。
它与滑动速度、接触压力、介质状态等有直接关系。
在冷挤过程中，粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损往往是相互伴随发生的。
冷挤压的磨损实际上是一种复合磨损形式，如果稍微处理不当，磨损是相当厉害的。
减少磨损的办法主要是良好合理的设计，降低摩擦，使金属流向合理，提高模具光洁度，选择合适润滑剂，选用耐磨性好的材料，以提高模具的耐磨性。
4.2塑性变形
火花塞壳体所需的单位挤压力是很大的，尤以四序为最大，共有420KN，而凸模主要工作截面直径不到15mm，且最小处仅为Φ8.6mm，在冷挤时所受的负荷很大，在材料一定的情况下，只要热处理稍有不慎，即可能发生镦粗、折断的现象。
四序冲头发生镦粗的现象是由于挤压时，它所受的工作应力超过弹性极限，在最初的几次或几十次便会出现直径漲大0.1或更多，曾发生由于冲头涨大而卡死，造成模具损坏。
镦粗部位一般发生在距工作端部长约1/3-1/4凸模长度的地方。
防止模具产生塑性变形的方法是选择合适的模具材料，采用先进的热处理工艺，使其在保持韧性的前提下，尽可能具有足够的强度和硬度。
4.3疲劳破坏
疲劳破坏属于冷挤压模具一种正常的失效形式，它是由于应力的反复作用，在应力集中部位造成疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展而造成断裂破坏，这在凸凹模随处可见。
火花塞壳体冷挤压中，疲劳破坏最多的是四序冲头及四序凹模，这跟它们的受力状况有关。
四序属于复合挤压，先正挤、随后反挤，正挤时，冲头承受压应力，当同心度不是很高时，还受弯曲应力。
反挤时，先承受压应力和弯曲应力，在回程时还受到拉应力，即冲头呈不对称循环的交变应力作用，从而导致疲劳裂纹的产生。
同时冲头在冷挤过程中，由于火花塞壳体变形时的热效，应和流动金属与模具表面的摩擦，都有大量的热产生，使冲头温度升高，通常都在200-400℃以上，从冲头工作端部色看，甚至可达500℃以上。
当退出工作，加润滑剂及工作间隙，模具表面散热降温，这就使冲头表面受到交变的热应力作用，将导致热疲劳裂纹的产生。
凹模在挤压过程中，同时受到径向、轴向和切向拉应力。
径向和切向拉应力是金属变形时对凹模型腔内壁的压力所造成的，轴向拉应力是由于由于金属剧烈流动与凹模内表面发生强烈摩擦形成的。
同冲头一样，还受到热应力的作用。
在这四种应力的反复作用下，在凹模的内壁易造成径向疲劳裂纹，一般发生在应力集中的部位。
4.4断裂
断裂是冷挤压发生的一种不正常的失效形式，按断裂的性质有韧性断裂和脆性断裂两种。
韧性断裂是应力超过屈服极限，这在冷挤压中不存在。
冷挤压模具基本上属于脆性断裂，在断裂前没有屈服现象。
在火花塞壳体冷挤压的实践中，我们见到的脆性断裂主要有两种情况：
一种情况是机械手失灵造成冲头及凹模不正常断裂及前序冲头断头被送入后一工序而引起冲头折断。
另一种是由于设计及热处理原因造成不能使用而产生的断裂，四序凹模芯就经常发生。
根据几处的生产实践，冷挤压模具的损坏都与上面所述的四种失效形式相联系，有的是几种失效形式结合起来产生破坏的，所以提高模具寿命的途径也与克服和防止这四种失效形式分不开
4.5提高冷挤压模具寿命的途径
4.5.1模具设计和制造应尽可能避免应力集中
在模具设计时，凸凹模的过渡部位应避免夹角，采用适当的圆弧过渡，以减少应力集中，模具寿命可大幅度提高。
4.5.2正确选用模具材料和热处理工艺
Cr12类钢模具，抗冲击性高，但它的抗弯强度、耐磨性和高温抗磨性较差。
W18Cr4V及W6Mo5Cr4V2高速钢的抗压强度、抗弯强度、耐磨性、红硬性均高于Cr12类钢。
高速钢在过去主要是用于刀具，做模具少有应用，这是由于人们一直沿用老工艺，所以寿命总是很低。
只是近廿十年来，亚温淬火风行世界各国。
实践证明，高速钢模具亚温淬火后，晶粒度一般在11.5-12级，可获得很高的韧性，而其它性能指标并不低于老工艺所获得的性能指标。
亚温淬火就是将淬火温度降低20-80℃，此外，采用贝氏体等温淬火也是获得高韧性的一种热处理方法，使用效果很好。
4.5.3提高模具表面光洁度
提高模具表面光洁度，可以减少突然折断的不正常破坏，特别可以大大提高疲劳强度。
非工作面的光洁度也应达到Ra0.8左右，这样可以避免非工作部位疲劳裂纹的产生。
4.5.4使模具表面保留残余压应力
由于模具间隙不均或毛坯端面不平等多种原因，导致凸模承受很高的弯曲应力，使模具表面保留残余压应力有利于防止疲劳破坏。
有以下几种方法可使表面获得残留压应力。
喷丸处理
对模具进行正规淬火回火后，对粗加工表面进行喷丸硬化，然后进行磨光，使表面具有压应力，其抗弯能力和耐磨性有显著提高。
滚压表面
对模具表面进行滚压，使其光洁度高且有压应力，可明显增加疲劳强度。
4.5.5对凸凹模经常进行去应力回火
疲劳破坏是积累引起的，凸凹模在使用一段时间后，最好能进行消除应力回火，这对防止疲劳裂纹的产生、提高模具寿命有利。
在模具入库前，也应进行一次去除应力回火，延长模具寿命。
4.5.6进行表面处理
对模具进行表面处理不但可提高耐磨性，而且由于表面处理后，表面留有残余压应力，疲劳强度也得到改善。
表面处理有以下几种方法：
软氮化处理
软氮化处理即低温渗氮。
它具有不受钢种限制和处理温度低、时间短等优点，经软氮化处理的模具表面可获得一层硬而不脆、并有一定韧性的组织（Fe3N的ε相），因而模具寿命可提高。
滲硼
渗硼是使模具表面获得一层高硬度的金属硼化物，因而能显著提高模具的耐磨性。
气相沉积
使用气相沉积的方法，使TiC或TiC化合物560℃涂覆在模具表面，能显著提高模具表面硬度（HV1500以上），且能大大降低摩擦系数，故能有效提高模具寿命。
5.心得体会
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。
我在今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
此次设计也让我明白了思路即出路，在做之前一定要有一个自己的思路，对整体一定要有一个提纲，然后一步一步稳稳做下来就一定会漂亮的完成。
有什么不懂不明白的地方要及时请教或翻阅书籍或上网查询，经过自己的认真思考和大量查阅整理，完成了此次课程设计，在完成设计之前感觉无从下手，但是经过彭老师耐心的讲解，是我对整个过程有了一个整体的把握，然后一步一步深入查找与思考，慢慢的完成了整个课程设计。
过程中遇到很多困难，但是也都一一克服了，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，在这次课程设计中我收获颇丰。
从课程设计中也可以领悟到在以后工作生活中的一些事，不管是做什么，一定要在开始时有目标，有整体性的把握，有方向。
这是不管最什么事的大前提，否则，不管你多努力都是在盲目的白费力气，或者你会多绕好多弯。
就像现在我们在找工作的过程，首先一定要有一个大方向，根据自己的爱好兴趣或者自己未来的发展方向，然后去找相关的工作，绝对不可以眉毛胡子一把抓，没有目标像无头苍蝇一样乱撞。
其次就是按照你的计划你的目标，稳扎稳打，踏踏实实去学习，去钻研，去积累自己应该掌握的知识或者经验，在这个过程你的心里是有目标的，那么做什么事情就都有动力了，因为你的目标就在前方，你所做的一切都是值得去做，去努力，去付出的。
此次课程设计也是暨毕业论文之前的最后一次需要我们自己设计的课程了，虽然和毕业设计比起来这个或许简单很多，但是也是做了很多努力才做出来的。
也为之后做毕业设计奠定了基础，以后做起来也会更顺利些，很感谢老师们给我们的这次机会。
在本次课程设计中，彭老师给我们了很多知道，在公布课题的时候就给我们细细的讲解了需要的步骤以及要求。
在做得中间大家也去找彭老师答疑，很感谢老师也给我们的疑问做出了耐心的解答，让我们对自己的课题有了更深入的了解，做起来也容易了很多。
6.参考文献
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机械工业出版社,2004.9
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化学工业出版社，2009.
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化学工业出版社，2009：
84-86.
中原工学院
热处理工艺卡
编号
共1页
第1页
工艺路线
退火-淬火-回火
产品名称
发动机
技术要求
退火：
HBS≤255
零件名称
活塞销
材料
W18Cr4V
操作说明
每台件数
1
工序
工序名称
设备
工夹具
装炉
加热规范
冷却规范
温度℃
时间
冷却剂
时间
1
球化退火
SXZ-25-12
880
5h
散开空冷
2
淬火
1220～1250
油冷
硬度
洛氏硬度计
63-66HRC
3
回火
560
1h
更改
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