冷挤压模具材料的选择及工艺设计活塞销冷挤压模具 2概要.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2概要
专业课程设计任务书
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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。
目录
0前言………………………………………………………3
1活塞销冷挤压模具工作条件及性能要求………………4
1.1活塞销冷挤压模具工作条件……………………4
1.2冷挤压模具的性能要求…………………………4
1.2.1冷挤压模具的机械性能要求……………4
1.2.2冷挤压模具的技术性能要求……………5
2.活塞销冷挤压模具材料及选用方法……………………………6
2.1活塞销冷挤压模具材料的要求………………………….6
2.2活塞销冷挤压模具常用材料及选择……………………6
3活塞销冷挤压模具热处理工艺制定及分析……………9
3.1活塞销冷挤压模具的加工工艺路线…………9
3.2锻造………………………………………………9
3.320CrMnTi热处理…………………………………9
3.3.120CrMnTi退火（预处理）………………9
3.3.220CrMnTi工艺（渗碳及回火淬火等工艺）…10
4活塞销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…………………………………………………………12
5心得体会…………………………………………………16
6参考文献.…………………………………………………17
0前言
活塞销（英文名称：
Piston Pin）是装在活塞裙部的圆柱形销子，它的中部穿过连杆小头孔，用来连接活塞和连杆，把活塞承受的气体作用力传给连杆。
为了减轻重量，活塞销一般用优质合金钢制造，并作成空心。
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。
活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，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.。
活塞销孔是活塞推动点的回转部位，它是直线运动与旋转运动的交换点。
通过它将活塞与连杆小头组合起来，将直线运动转换为圆周运动。
由此可见，销孔在活塞连杆机构中十分重要。
它的正常与否关系到活塞在气缸内能否耐久运行。
在更新活塞时应注意以下要求，才能保障活塞销孔及销在发动机里起到应有的作用。
绞削全浮式活塞销孔时应保证两孔的同心度，两孔的偏摆和不同心度应控制在0.015毫米之内。
销与孔的间隙应在冷态时不可转动，在热态时（水沸点）可转动。
销与孔的接触面应在800/0以上，要光洁、平整。
这样就可避免活塞销敲击装配。
销与孔靠合面不良会加速磨损，造成活塞销异响。
两孔不同心而摆差较大者，不但活塞销与孔磨损加速，而且活塞与气缸壁磨损增加。
如果销与孔过紧，就会产生活塞粘缸，导致气缸拉缸。
如果活塞销孔长期松旷不加纠正，那就会导致销磨断卡簧，出现活塞销拉缸的严重故障。
活塞销是一种细长和空心的零件，若采用切削加工方法制造，将耗费大量的金属新材料和工时。
为了提高材料利用率和生产效率，采用了先进的冷挤压新工艺。
采用这种工艺，能使金属的纤维组织在强压力作用下不被破坏，并使金属产生适宜的塑形流动，形成所需要的形状，达到少无切削的目的。
此外，冷挤压模具寿命较高，零件质量稳定，故采用冷挤压生产活塞销是既经济又合理的先进加工方法。
1活塞销冷挤压模具工作条件及性能要求
1.1活塞销冷挤压模具工作条件
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。
活塞的工作条件十分恶劣。
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。
活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。
活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。
它要承受高温（最高达2500℃以上）、高压（大气压力的40～60倍）、高速（12～20m/s）、周期性冲击及化学腐蚀。
例如一个直径90mm的活塞，大约要承受3吨的压力，可见活塞确实是重担在肩。
为了减轻重量和惯性力，活塞一般用铝合金铸造，有些赛车的活塞采用锻造，结实耐用。
1.2冷挤压模具的性能要求
1.2.1冷挤压模具的机械性能要求
（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。
1.2.2冷挤压模具的技术性能要求
（1）对模具要求高。
冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大，这使得模具所受的应力远比一般冲压模大，冷挤压钢材时，模具所受的应力常达2000MPa～2500MPa。
（2）需要大吨位的压力机。
由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至几千吨的压力机。
（3）毛坯在挤压前需进行表面处理。
（4）不宜用于高强度材料加工。
典型的冷挤压模具由以下几部分组成：
工作部分如凸模、凹模、顶出杆等；
传力部分如上、下压力垫板；
顶出部分如顶杆、反拉杆、顶板等；
卸料部分如卸料板、卸料环、拉杆、弹簧等；
导向部分如导柱，导套、导板、导筒等；
紧固部分如上、下模板、凸模固定圈、固定板、压板、模柄、螺钉等。
下图为实心件正挤压
图1典型冷挤压模具
2.冷挤压模具材料及选用方法
冷挤压时，模具型腔中单位挤压力可高达2000～2500MPa，还要经受着极高的摩擦阻力和温度变化，因此冷挤压模具的工作条件是十分恶劣的。
合理的选择冷挤压模具的材料比起其他模具显得更为重要。
2.1冷挤压工作零件材料的要求
（1）必须具有高强度和高硬度，这样在挤压中可以避免工作零件本身的塑性变形、破坏和磨损。
（2）应具有相当高的韧性，可以避免由于冲击、偏心载荷，疲劳应力集中而引起的折断和开裂破坏。
（3）必须具有较高的耐磨性，使模具具有较高的使用寿命，以保证挤压件的尺寸精度。
（4）具有足够的耐热性能。
在冷挤压中，模具工作零件的局部温度可高达300℃左右，有时甚至更高，因此要求材料在这样的高温状态下硬度保持不变。
（5）材料必须有良好的加工性能，如在热加工时，锻造性能要好；机加工时要容易进行切削；热处理时，应有较宽的温度区间，变形和热裂倾向小。
当然，在大多数情况下，某种模具钢材不可能全部满足上述要求，应该根据具体的挤压情况来选择最能符合使用条件的材料。
2.2冷挤压工作零件常用材料及选择
（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。
（6）合金碳素工具钢在碳素工具钢的基础上加入合金元素，性能与碳素钢类似。
2.320CrMnTi性能特点
2.220CrMnTi的成分分析
20CrMnTi的化学成分（wt%）
C
Si
Mn
Cr
P
S
Ni
Cu
Ti
0.17～0.23
0.17～0.37
0.80～1.10
1.00～1.30
≤0.035
≤0.035
≤0.030
≤0.030
0.04～0.10
各合金元素的作用：
C的作用：
钢中含碳量增加，硬度、屈服点和抗拉强度升高，但延展性、磁性、可锻性、电导性、塑性、塑性应变比R和冲击性降低。
当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢的含碳量一般不超过0.20%。
碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀。
此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
Si的作用：
在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15～0.30%的硅。
如果钢中含硅量超过0.50～0.60%,硅就算合金元素。
硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。
在调质结构钢中加入1.0～1.2%的硅，强度可提高15～20%硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。
含硅1～4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
Mn的作用：
在炼钢过程中，锰是
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