成形工艺与模具设计第十一章课件.pptx

1、第十一章第十一章 冷锻工艺及模具设计冷锻工艺及模具设计第一节 冷锻工艺概述第二节 镦锻工艺第三节 精压工艺及模具第四节 冷态模锻工艺第五节 冷挤压工艺及模具第一节第一节 冷锻工艺概述冷锻工艺概述一、冷锻的工艺特点及分类二、冷锻技术的发展及现状三、冷锻技术的未来发展趋势第一节第一节 冷锻工艺概述冷锻工艺概述一、冷锻的工艺特点及分类1.冷锻的工艺特点1)与热锻、铸造等相比，冷锻制件精度高、强度性能好。2)冷锻是金属在再结晶温度下进行的锻造加工，因此，基本不发生脱氧、脱碳现象，不存在因金属加热所带来的锻造质量和环境污染等问题。3)属于近净成形，材料利用率高。4)生产率高，适合于大批量生产，可加工出最

2、终产品。5)由于金属在冷态下锻造成形，便于实现机械化和自动化生产。第一节第一节 冷锻工艺概述冷锻工艺概述一、冷锻的工艺特点及分类就目前的工艺状况，冷锻主要适合于有色金属锻造，而碳钢及其合金冷锻时受到很多变形条件的限制。由于材料在冷态下成形，变形抗力很大，要求锻造打击力或压力相对大。冷锻加工时，金属的变形抗力有时会超过现有模具材料的固有强度，因此，要求模具材料具有很高的抗压强度。2.冷锻工艺的分类按照坯料的变形形式，冷锻可分为镦锻、挤压、型锻、压印和模锻等基本工艺。第一节第一节 冷锻工艺概述冷锻工艺概述二、冷锻技术的发展及现状18世纪开始，法国人在机械压力机上反挤压加工铅管和锡管等。之后，第二次

3、世界大战期间，德国人成功挤压出子弹壳。近代工业的扩张需求，为冷锻技术提供了发展原动力。在汽车工业中，冷锻零件已达1000多种。自20世纪80年代以来，精密锻造技术研究者开始将分流锻造理论应用于正齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形，使齿轮少、无切削加工迅速达到了产业化规模，提高材料利用率近40%，生产成本大为降低。我国冷锻技术的发展速度与先进国家有一定的差距，据统计，目前国产轿车中冷锻件质量仅在20kg左右，相当于工业发达国家的一半。因此，推广和开发冷锻技术已经成为我国塑性成形领域中的一项重要任务。第一节第一节 冷锻工艺概述冷锻工艺概述三、冷锻技术的未来发展趋势冷锻工艺正在向切削、铸造及热锻等制造领域渗透

4、，或取而代之，或与之结合而构成新型复合加工工艺。比如，由热锻实现主要变形过程，而利用冷锻精度高的优势来成形零件重要部分，由此构成的热-冷锻复合成形技术应用越来越广泛。随着计算机技术的发展，有限元计算开始大量应用于冷锻领域，将有力促进冷锻变形分析、工艺计算准确化、预示模具失效及锻件成形缺陷等。由于先进制造技术的发展和市场需求，冷锻材料正在由有色金属、软钢逐步向碳钢和合金钢扩展。目前，冷锻技术的发展主要受高强度模具材料和大吨位专用机床的制约，亟需材料制备和机床工业的有力支持。第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺一、冷镦工艺分类及特征二、整体镦粗三、顶镦四、中间镦粗第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺图11-1

5、镦锻机冷镦锻是在冷态下将金属镦锻成形的一种锻造工艺，是利用压力设备通过模具对坯料施加打击，使其轴向压缩、径向扩展的锻造方法。根据镦锻工艺需采用不同设备，主要有液压压力机、曲柄压力机、螺栓镦锻机、二模三冲镦锻机及多工位镦锻机等。图11-1所示为镦锻机的一种。第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺一、冷镦工艺分类及特征1.冷镦工艺分类按照坯料的变形位置和模具结构等，可将镦锻分为整体镦粗、顶镦、中间镦粗等工序，如图11-2所示。图11-2镦粗第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺一、冷镦工艺分类及特征2.冷镦工艺特点镦锻的变形特点主要是坯料横截面或局部横截面积增大，用于成形带头杆类或带杆盘类零件。冷镦几乎没有废料，

6、如冷镦螺母时的材料利用率可达95%；冷作硬化效应可提高锻件强度；可控制金属的纤维流线，进而提高锻件的使用性能。冷镦还可用来制造带有各种型孔的空心轴对称零件、复杂头部形状及带有非对称凸缘的杆类零件等，如图11-3所示。图11-3冷镦产品第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺一、冷镦工艺分类及特征3.成形性能评价冷镦性能是利用镦粗坯料的原始高径比h0/d0来评价的。金属在冷态镦锻时冷作硬化使其变形抗力增大，容易产生纵向弯曲且不易恢复。另外，考虑到模具强度，坯料聚集量不宜过大，要求变形部分的高径比应小于热镦时的高径比，通常取h0/d01.72.5。表11-1给出了各种冷镦变形时的许用高径比。表11-1冷镦的

7、许用高径比h0/d0镦锻形式图例高径比上、下平模镦粗h0/d02上模为平模，下模带定位套h0/d02.3上模带定位套，下模为平模h0/d02.3表11-1冷镦的许用高径比h0/d0镦锻形式图例高径比上、下模均带定位套h0/d02.5下模定位，并在其型腔内镦粗当d11.5d0时，h0/d04；当d11.5d0时，h0/d02.5下模定位，在垂直型腔内镦粗，变形初始时，坯料有一定轴向伸长当d11.5d0，ld0时，h0/d02.5；当d11.5d0，ld0时，h0/d02.3表11-1冷镦的许用高径比h0/d0镦锻形式图例高径比在锻模型腔内镦粗当l2.5d0时，h0/d04.5；当l2.5d0时，

8、h0/d02.5下模定位，上模带有锥形型腔d1=1.3d0，a=h0-1.9d0，h0/d04.5有时，也可用最大镦粗直径与坯料直径之比来表示镦头极限，通常在拉伸试验中截面的减小与上述定义的镦头极限之间存在有一定关系。第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺二、整体镦粗1.镦粗变形量整体镦粗的工艺参数主要有高径比h0/d0和镦粗率h。h0/d0的确定需根据锻件尺寸及体积不变原则计算，一般不宜超过22.5，以避免产生轴向弯扭等成形缺陷。镦粗率是衡量整体镦粗时坯料轴向变形程度的指标，h0、h分别为镦粗前、后坯料高度时可表示为00100%hhhh第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺二、整体镦粗图11-4镦粗中的轴向

9、弯曲2.变形缺陷及其防止(1)轴向弯曲根据生产经验，h0/d02.5时，多会发生轴向弯曲，如图11-4所示。当h0/d02.5时，利用图11-5所示带锥形型腔的上模先镦制成带锥形的中间坯料，再最终镦粗成形，可避免轴向弯曲。图11-5防止轴向弯曲的多次镦粗成形第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺二、整体镦粗(2)鼓凸减小模具与坯料端面的摩擦，增强润滑是减小鼓凸的主要途径之一。另外，也可由半封闭镦粗或铆镦预先将坯料两端局部镦成中间凹形，再进行整体镦粗。(3)裂纹镦粗时，坯料轴向压缩是绝对值最大的主应变，径向压应力过大会导致切向拉变形，当切向应力超过一定值时，坯料侧表面将产生纵向或倾斜裂纹。为防止产生裂纹

10、，需检查坯料是否有刮痕，尽可能采用塑性好、纤维组织较细的金属料进行镦粗。另外，采用半封闭模具或增强润滑效果，也可避免裂纹的产生。第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺二、整体镦粗(4)表面折叠镦粗变形量较大时，坯料表面与表面贴合在一起被压入表层，即形成表面折叠。因此，应确定合理的高径比，并注意使用合理的压下量。第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺三、顶镦1.顶镦工艺特点顶镦时坯料的变形与镦粗完全相同，可视为局部镦粗，因而应遵循镦粗规则。局部镦粗规则有如下两种：图11-6平冲头顶镦的成形缺陷规则：坯料局部镦粗高径比h0/d01.53时，可不经制坯一次镦成。如局部镦粗部分h0/d0大于许用值，则将产生如图11-

11、6所示轴向弯曲或折叠等缺陷。第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺三、顶镦图11-7平冲头顶镦的成形缺陷局部h0/d0较大时，应在锥形型腔约束下聚料镦粗，如图11-7所示，可防止因轴向弯曲而产生折叠。也可采用凹模圆柱形型腔聚料，但金属容易由坯料端部及分型面处挤出而影响锻件质量。第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺三、顶镦规则：当顶镦符合下列条件时，可能出现轴向弯曲但不致产生折叠：在冲头的锥形型腔内聚料时，如果dm=d0，Dm1.25d，取h3d0；如果dm=d0，Dm1.5d0，则取h2d0。在凹模内聚料时，应满足Dm(1.251.5)d0第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺三、顶镦2.顶镦的应用一次顶镦用来制造

12、半圆头螺钉或其他顶镦毛坯相对长度不大的工件，通常在整体凹模中完成。制件头部表面精度要求严格或变形量较大时，如图11-8所示，可预成形圆弧端面后再进行顶镦。通常，二次顶镦可以得到h0/d0=3.55.5的头部带各种形状的工件。图11-8铆钉的二次顶镦成形第二节第二节 镦锻工艺镦锻工艺四、中间镦粗图11-9中间镦粗如图11-9所示，中间镦粗是将棒料置于凹模内，利用型腔压力使坯料中部轴向压缩并向径向扩展的锻造方法。中间镦粗时，变形区金属的变形机理与普通镦粗基本相同。但因局部变形而对工艺和模具有一定要求。为防止因应力集中造成变形缺陷，凸、凹模工作肩部均需圆角过渡。特别是对中部变形区终锻形状有要求时，通

13、常需采用封闭式镦粗。另外，对中间形状复杂或不易成形的制件，应采用多道次逐步成形工艺。第三节第三节 精压工艺及模具精压工艺及模具一、精压工艺分类及特点二、精压件成形缺陷及改善措施三、精压模具及精压力计算第三节第三节 精压工艺及模具精压工艺及模具一、精压工艺分类及特点分类图例变形特点使用设备说明平面精压平面精压实质是平板间的自由镦粗，金属在水平方向流动，服从镦粗变形规律精压可使变形部分获得较低的表面粗糙度值可在精压机或曲柄压力机、液压压力机上进行；如在摩擦压力机上精压，模具应带有限制行程的结构对多平面锻件精压时容易引起平面连接部分产生弯曲变形对几何公差要求较高的零件，不宜采用体积精压利用模具使模锻

14、件整个表面受到挤压而发生少量变形，多余金属可能被挤出模膛，在分型面上形成飞边；体积精压时变形抗力较大，精压后的锻件所有尺寸精度都得到提高通常在精压机上进行，有时也可利用曲柄压力机或液压压力机进行体积精压，如在摩擦压力机上精压，所用模具应带有行程限制结构冷态体积精压多用于有色金属或经过精锻后的锻件表11-2精压分类及特点精压时，制件产生较小的压缩变形和形状变化。根据精压时金属的流动特点，可将其分为平面精压与体积精压两大类，如表11-2所示。第三节第三节 精压工艺及模具精压工艺及模具二、精压件成形缺陷及改善措施精压缺陷主要是指锻件变形过大引起的形状变化和尺寸精度不足，以及润滑不良等原因导致制件表面

15、粗糙。当同时精压多个平面时，还可能造成制件形状走样等。平面精压时，变形抗力使与制件接触的精压板表面及其附近区域易产生弹性凹陷，上垫板的支撑面积大于制件与精压板的接触面积也将产生弹性弯曲。两个弹性变形的叠加效果使得精压板工作表面向上凹入较大，导致精压件中心表面凸起，如图11-10所示。图11-10精压件表面凸起第三节第三节 精压工艺及模具精压工艺及模具二、精压件成形缺陷及改善措施精压件的表面凸起高度f=(hmax-hmin)/2可达0.130.5mm。凸起高度主要与制件所受平均单位压力及精压面积成正比，而与精压板的弹性模量成反比。因此，为了提高精压精度，需从以下三个方面采取相应措施：1.降低精压

16、时的平均单位压力1)热精压可降低平均单位压力，并减小平面凸起高度f。先热精压后再利用冷精压改善制件表面质量，可收到较好的成形效果。2)精压时制件与精压板表面摩擦使压缩应力分布不均匀，适当润滑可均化应力分布而减小凸起高度。第三节第三节 精压工艺及模具精压工艺及模具二、精压件成形缺陷及改善措施精压面积/cm2d0/h0(d0精压平面直径；h0精压平面高度)22446坯料精度级别高精度普通精度热精度 高精度普通精度热精度 高精度 普通精度 热精度100.250.350.350.200.300.300.150.250.2510160.300.450.450.250.350.350.200.300.30

17、17250.350.500.500.300.450.450.250.350.4526400.400.600.600.350.500.500.300.450.5041800.700.700.600.600.500.60811600.800.700.701613200.900.800.803)一般将变形程度控制在1%2%。表11-3列出相应的数据可供参考。表11-3平面精压的双面余量(单位：mm)第三节第三节 精压工艺及模具精压工艺及模具二、精压件成形缺陷及改善措施2.减小精压加工面积为使精压面应力分布均匀，应尽可能减小精压件的受压面积。制件允许时，在精压面中部预先锻出凹孔或凹穴，可降低精压单位压

18、力并减小精压件平面凸起高度。3.提高模具质量采用弹性模数较大的材料制造精压板，提高表面硬度，都会增强模具结构刚性，减小制件凸起高度。设计时，应使精压板具有足够的厚度和面积。此外，将精压板表面预先做成略微带有中心凸起的形状，也可抵消精压后的制件中心凸起。第三节第三节 精压工艺及模具精压工艺及模具三、精压模具及精压力计算材料单位压力平面精压体积精压LY11、Ld5及类似铝合金100012001400170010CrA、15CrA、13Ni3A及类似钢130016001800220025CrNi3A、12CrNi3A、12Cr2Ni4A21Ni5A180022002500300013CrNiWA、1

19、8CrNiWA、38CrA、40CrVA180022002500300035CrMnSiA、45CrMnSiA、30CrMnSiA、27CrNi3A250030003000400038CrmoA1A、40CrNiMoA2500300030004000铜、金和银14002000精压模具相对简单，要求刚性大，主要包括模座、垫板及精压板三种构件，具体结构应根据精压件形状尺寸并参阅有关资料确定。当锻件精压时的投影面积为A、平均单位压力(参考表11-4)为p时，可根据下述公式近似计算精压力FF=pA表11-4不同材料精压时的平均单位压力(单位：MPa)第四节第四节 冷态模锻工艺冷态模锻工艺一、冷态模锻工

20、艺特点及分类二、开式冷态模锻三、半闭式冷态模锻四、闭式冷态模锻第四节第四节 冷态模锻工艺冷态模锻工艺一、冷态模锻工艺特点及分类1.工艺特点1)冷锻时金属处于三向不等压应力状态，晶粒组织致密，纤维流线不被切断而沿零件轮廓线连续分布。2)一般冷锻在机械压力机上进行。3)在不被破坏的条件下使金属体积转移，产生塑性变形，实现少、无切屑加工。4)利用机械压力机滑块的一次行程可完成多道模锻工序。5)冷锻可减少或代替切削加工，显著降低零件的生产成本和周期。2.工艺分类根据所用模具及锻造时金属的流动方式，通常可分为开式、半闭式和闭式冷态模锻。第四节第四节 冷态模锻工艺冷态模锻工艺二、开式冷态模锻图11-11开

21、式模锻锻造时，受压缩的冷态金属可自由向横向延展的变形方式即开式冷态模锻，也称开式冷锻。开式冷锻如图11-11所示。模孔内径d，当毛坯直径D0符合dD04d且模孔内充填高度较大的锻件。如图11-12所示，半闭式冷锻金属通常经历镦粗、充填和剩余材料挤入飞边槽三个阶段。图11-12半闭式模锻第四节第四节 冷态模锻工艺冷态模锻工艺四、闭式冷态模锻闭式冷锻也称闭塞冷锻或单工位多动作冷锻，是将金属完全限制在模具型腔内且不设飞边槽的锻造工艺。图11-13所示为利用专用双动液压压力机进行闭式冷锻的工作原理。坯料置于下凹模内，上凹模向下移动使模具闭合，然后利用上、下顶杆镶块进行冷锻。这种方法常用来锻造齿轮类锻件

22、。图11-13闭式冷态模锻的工作原理第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具一、挤压加工的分类及特点二、挤压时金属的流动变形规律三、冷挤压变形力的近似计算四、冷挤压工艺设计五、冷挤压模具第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具一、挤压加工的分类及特点1.挤压加工分类根据金属变形时的温度，可分成冷挤压、温挤压和热挤压三种类型。根据挤压时金属流动方向与挤压凸模运动方向的关系，可将挤压加工分为正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压及镦挤等几种形式，如表11-5所示。图例金属流动方向正挤压实心件空心件挤压凹模出口处的金属流动方向与凸模的运动方向相同反挤压挤压凹模出口处的金属流动方向与凸模的运动

23、方向相反复合挤压挤压时，一部分金属的流动方向与凸模的运动方向相同，而另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反表11-5挤压加工分类图例金属流动方向径向挤压挤压时，金属流动方向与凸模的运动方向垂直。径向挤压还可分为分流式径向挤压和汇流式径向挤压两种镦挤挤压时，一部分材料被挤入凹模孔内，另一部分材料受到挤压方向的镦压变形表11-5挤压加工分类第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具一、挤压加工的分类及特点2.挤压加工的特点(1)挤压制件力学性能好(2)制件精度高(3)材料利用率高(4)工艺简单、生产率高(5)应用范围广图11-14挤压产品第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具二、挤压

24、时金属的流动变形规律为了解挤压过程中金属的流动情况，将圆柱形坯料沿对称轴剖分成两块，在切断面上画出方形网格，如图11-15所示，然后将两块坯料拼合成一体进行挤压加工。在成形过程中某一时刻，将试件剖分面剖开，可以观察被挤压坯料内部的金属流动情况。图11-15挤压前坯料的坐标网格第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具二、挤压时金属的流动变形规律图11-16正挤压实心件的网格变化1.正挤压(1)正挤压实心件的金属流动如图11-16所示，正挤压过程中，金属流动变形具有如下规律：第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具二、挤压时金属的流动变形规律1)由于变形时金属与挤压模内壁之间强烈的流动

25、摩擦，模口外与挤出方向垂直的纵坐标线产生较大的弯曲变形，越靠近模口曲率越大。2)挤出金属除受轴向拉伸外，还会因模壁摩擦而产生剪切变形，中心部分的正方形网格挤出后变成了矩形，外层网格则发生了扭曲变化。越靠近外侧，挤出摩擦越大，剪切变形也越强烈，导致3a。流动摩擦力随挤出变形逐渐增大，靠近模口，剪切角增大，即321。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具二、挤压时金属的流动变形规律3)挤出过程中，凹模孔内的金属也发生了不均匀流动。挤出轴线在进出变形区压缩锥时，发生了两次方向相反的弯曲，弯曲角度由外层向坯料中心逐渐减小。4)凹模口转角附近金属，成为不流动的“变形死区”。其范围大小受摩擦阻力、

26、凹模形状尺寸等影响，当摩擦阻力较大、凹模锥角越大时，“变形死区”范围越大。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具二、挤压时金属的流动变形规律(2)正挤压实心件的应力应变分析图11-17正挤压变形区内的应力应变状态挤压过程中，金属接受局部加载，但整体都产生内应力。正挤压实心件时，如果摩擦阻力小且坯料高径比也较小时，可将变形分为如图11-17所示的两个不同区域。上述A区是挤压加载后直接产生应力的变形区，而B区应力主要由A区金属变形和模壁制约所共同引起。对于A区rA-zA=s，B区zB-rB=s，由于rA=rB，如将两式相加可得zB-zA=2s，因此，在A、B两区的交界处可能存在轴向应力突变

27、。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具二、挤压时金属的流动变形规律2.反挤压金属流动变形分析实心坯料反挤压杯形件时，坯料纵剖分面上网格的变化情况如图11-18所示。当坯料高径比h0/d01时，挤压初、中期金属流动处于图b所示稳定变形阶段，大致分为、及三个变形区。区为难变形区，区为强烈变形区，区为刚性移动区。图11-18反挤压杯形件的金属流动第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具二、挤压时金属的流动变形规律3.复合挤压金属流动变形分析复合挤压是正、反挤压的组合变形，如图11-19所示，成形方式可有多种组合，并且具有各自独特的流动变形规律。例如，图11-19c所示带杆空心件挤压，

28、上部金属的流动变形与杯形件反挤压相似，而下部与实心件正挤压相似。图11-19复合挤压的金属流动第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算1.冷挤压变形的三个阶段图11-20冷挤压力-行程曲线冷挤压变形力随挤压行程而变化的关系如图11-20所示，一般可划分为三个不同的变化阶段。(1)急剧上升阶段挤压初期，变形导致金属冷作硬化效应迅速增强，不论正、反挤压都使挤压力急剧上升。在此阶段中，挤压力克服金属变形抗力及其与模具表面之间的摩擦力，使坯料内部组织被压紧。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算图11-20冷挤压力-行程曲线(2)缓慢上

29、升阶段随挤压凸模继续下行，变形金属开始顺序流动，通常只改变坯料高度，变形处于稳定阶段。对于正挤压，由于坯料与凹模内表面的接触面积开始减少，摩擦阻力略有降低，挤压力由a点下降至b点；而在反挤压中，挤压力由a平缓升至b点。稳定变形阶段的变形区高度不随时间变化，压力变化较缓和。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算图11-20冷挤压力-行程曲线(3)挤压终了阶段当挤压变形接近终了时，金属体积收缩使变形抗力进一步增大。因此，这一阶段的挤压力仍呈上升趋势，上升幅度因变形条件而略有不同。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算2.挤压变形程

30、度(1)当挤压变形前、后坯料的横断面积分别为A0、A1时，断面缩减率A：(2)挤压比G：(3)对数变形量G：010100%AAAA01AGA01GAlnA第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算三者之间存在如下关系不同挤压方法变形程度的具体计算见表11-6。AGGA11100%ln1ln1GG表11-6正、反挤压变形程度的计算公式坯料尺寸挤压件尺寸计算公式正挤压实心件正挤压空心件反挤压空心件22012020212021100%AGddddGddlnd220122022202221222022212100%AGddddddGddddlndd212020220120

31、2201100%AGdddGdddlndd第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算3.冷挤压许用变形程度挤压过程中允许金属产生的最大变形量称为许用变形程度。(1)影响许用变形程度的因素1)模具许用单位压力模具许用单位压力越大，允许的冷挤压变形程度也越大。2)被挤压金属的强度被挤压金属强度越高，挤压变形抗力越大，其许用变形程度就越小。3)挤压方式同种材料在不同挤压条件下的许用变形量不同。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算4)模具工作部分形状尺寸合理设计挤压凸、凹模，有利于挤压金属在型腔中变形流动、改善摩擦状况，不仅可提高模具使

32、用寿命，还可有效降低单位挤压力。5)坯料高度坯料高度决定其与凸模真实接触面积的大小，进而也影响到挤压时的摩擦阻力及其单位挤压力。6)润滑状态良好的润滑状态，可降低变形摩擦阻力和单位挤压力，因而可增大许用变形程度。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算(2)不同材料的许用变形程度常用金属的单位挤压力及许用变形程度(断面缩减率A)的近似值列于表11-7中，可供参考。正挤压反挤压封闭校形断面缩减率A(%)单位挤压力p/MPa断面缩减率A(%)单位挤压力p/MPa断面缩减率A(%)单位挤压力p/MPa纯铝979960080097998003050铝合金92958001

33、00075828001200305010001600黄铜758780012007578800120030501000160010钢30钢50钢508050704060140020001600250020002500407540703060160022001800250020002500305030503050100016001600200018002500表11-7常用材料的许用变形程度及单位挤压力第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具三、冷挤压变形力的近似计算4.总挤压力的近似计算冷挤压力是设计模具和选择设备的重要依据。当凸模工作部分的投影面积为A、安全系数为c(通常取1.3)、单位

34、挤压力为p时，可按下式近似计算F=cpA单位挤压力的算法比较复杂，采用主应力法、滑移线法、上限法和变形功法等只能作近似计算。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计1.选用冷挤压材料(1)冷挤压用金属材料应具备的性能1)较低的机械强度金属的机械强度越低，冷挤压变形抗力越低，可降低单位挤压力，提高模具使用寿命。2)较低的硬化效应硬化效应较低的金属材料，冷挤压时变形抗力不致过快增大，可避免挤压力急剧上升。3)较好的塑性通常认为屈服极限s越低，伸长率和断面收缩率越高的材料，越适合于冷挤压。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计(2)金属的化学成分及冶

35、炼方法等的影响1)化学成分对冷挤压性能的影响材料中的硫、磷等非金属夹杂物应尽可能少，碳的质量分数在0.33%以下的碳钢、猛的质量分数小于1.5%、铬的质量分数小于1.5%、镍的质量分数小于0.75%、钼的质量分数小于0.5%、硅的质量分数小于0.3%的低合金钢挤压性能较好。2)冶炼方法对挤压性能的影响通常认为镇静钢的流动性较好，硬度也低于沸腾钢，因而常用镇静钢进行冷挤压加工。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计(3)常用冷挤压材料目前常用于冷挤压加工的金属材料如表11-8所示，可供参考选用。材料种类材料牌号产品举例铅、锡及其合金各种管件锌及其合金干电池电极铝及其合金

36、1017A1200、5A02、5A03、2A012A12各种管件、食品容器、电容器、照相机零件、飞机零件铜及其合金T1T4、TU1、TU2、H96、H90、H85、H80、H70、H68、H62、H59等电器零件、钟表零件、仪表零件碳素钢10、15、20、25、30、35、40、45、50合金钢18Cr、20Cr、30Cr、40Cr、45Cr、30CrMo、35CrMo、40CrMnMo、18CrMnTi不锈钢奥氏体系0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti电器零件、航空零件马氏体系2Cr13、Cr14、3Cr13、Cr17Ni2铁素体系Cr17镍及其合金电器零件表11-8常用冷挤压金属材料第五

37、节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计2.制定冷挤压变形工序(1)冷挤压制件的工艺性分析1)适合于挤压加工的零件形状表11-9所示为生产中总结出适合于冷挤压的最佳形状。表11-9适于冷挤压成形的最佳形状挤压件形状特性图例推荐挤压形式带盲孔杯形件可通过正、反分步挤压，或采用复合挤压获得高精度内孔和外表面带深孔双杯形件可采用两次反向挤压或对向反挤压成形挤压件形状特性图例推荐挤压形式带法兰轴类件采用闭式镦挤成形方法，比切削加工节省材料且生产效率高多阶梯轴类件可用正挤压或减径挤压，尽管工序较多，但成形容易，挤压精度高、质量好，适合于大批量生产小型花键轴和齿轮轴采用复合挤压，可获得

38、优质挤压件，与切削加工相比，节省材料、性能好，生产效率高多边形空心薄壁件采用空心毛坯正、反挤压，或复合挤压一次成形(续)第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计2)冷挤压工艺对制件的基本要求冷挤压工艺对制件形状的基本要求列于表11-10中，可供参考。基本要求图例说明不合理设计合理设计应尽可能避免非对称形状非对称制件在挤压成形时，金属流动性差，载荷集中作用，凸模受力不平衡，易产生弯曲或折断对于非对称部分，可在对称成形后再局部切除或补焊，以满足制件结构设计要求和使用性能特别当制件材料变形抗力较大时，考虑到模具寿命，应避免非对称结构表11-10冷挤压工艺对制件形状的基本要求避

39、免制件断面急剧变化制件断面急剧变化时，会使挤压过程中金属流动和充型受到影响，因此应避免制件直径、断面面积和壁厚突然变化；制件具有特殊使用性能要求时，可采用缓慢过渡的方法避免突变避免制件带右侧凹形状制件带有侧凹形状时，会使挤压过程中金属流动受到影响，对整体成形不利；如果产品的侧凹形状不宜用成形方法制出时，可考虑挤压成形后，采用切削或其他加工方法做出避免细长孔成形一般，直径小于10mm以下或长径比大于1.5时，不宜采用冷挤压方法制出，应在挤压后利用钻孔或其他方法制出(续)断面过渡应平缓制件的断面形状变化应平缓过渡，否则挤压时金属变形不均匀，易产生应力集中而引起裂纹；相对应的型腔部分正是热处理和挤压

40、时应力集中的区域，很容易导致模具早期破坏采用平底凹模和直角过渡的阶梯冲头挤压成形的杯形件，均属于不合理的断面过渡形式，必须改进，将断面变化部位设计成锥形过渡，过渡部分的衔接处应采用充分平滑的圆弧连接(续)第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计(2)制定变形工序在制定变形工序时，通常需要考虑如下问题：1)带阶梯孔的制件，应根据各阶梯孔的长径比确定挤压工序如图11-21所示制件阶梯孔的长径比较大，不宜一次挤出，而应每次挤出一个阶梯孔，并将孔连接处设计成适当倾斜或圆角过渡形状。图11-21带阶梯孔制件的变形工序第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计

41、2)制件相邻横截面积差过大时，会增大过渡区不均匀变形程度，引起模具局部过载、磨损，甚至早期破坏。如图11-22所示具有较大凸缘的空心件，上、下面积A2和A1相差较大，采用横截面积A1的管坯很难一次成形。选用如图11-22a所示横截面积为A0的管坯两次成形，正挤压预成形为图11-22b所示形状，然后再冷镦凸缘成形为图11-22c所示的最终制件。图11-22减小断面积差的工序设计第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计3)设计冷挤压工序时，应按最小阻力定律合理控制中间工序的金属流动，使挤压变形顺利进行。如图11-23所示带凸缘双孔制件，可先将圆柱坯料反挤成图11-23b所示

42、杯形中间坯料，之后有和两种工艺方案可实施。图11-23考虑金属流动的冷挤压工序设计第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计4)如图11-24所示，挤压带凸缘深孔制件时，应考虑中间坯料的过渡形状对后续成形质量的影响。图11-24a所示中间坯料为平底，最终成形时孔底转角很可能产生收缩而导致底部不平。如图11-24b所示，若将中间坯料侧壁与底部交接处设计成内凹形，并使底部小端外径d2与最终制件外径一致，则可获得较好的形状、尺寸精度。图11-24中间坯料对最终挤压制件成形精度的影响第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计3.冷挤压毛坯的制备图11-25用

43、于正挤压的毛坯形状(1)冷挤压毛坯形状及下料1)毛坯形状正挤压毛坯一般外形为圆形，可采用如图11-25所示的四种形状。反挤压时采用实心毛坯或空心毛坯，需根据挤压件形状结构和具体尺寸确定。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计2)毛坯下料实心毛坯可由棒料剪切下料。但剪切端面比较粗糙，端面与中心轴线的垂直较差，因此，常须镦平端面后用于挤压。挤压毛坯也可利用冲裁板料，端面相对平整，但材料利用率较低。精密挤压用毛坯由切削制备，端面质量好，通常用于制备厚径比大于0.5的毛坯。(2)毛坯软化处理冷挤压毛坯的软化处理主要是退火。通常有完全软化退火(Ac3以上3050，保温后炉冷)、

44、球化退火(使珠光体中的渗碳体和二次渗碳体球化)和不完全退火处理。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具四、冷挤压工艺设计(3)毛坯表面处理及润滑毛坯的表面和润滑处理通常采用磷化后皂化，其工艺流程为：清除表面缺陷、化学去油、热水清洗、酸洗、流动水清洗，然后进行磷化处理。磷化膜的厚度在1020m之间，它与金属表面结合很牢，而且有一定塑性，因而挤压时可随钢材一起变形。磷化处理后的坯料还需进行润滑处理，通常利用硬脂酸钠或肥皂，即所谓皂化处理。使金属表面牢固地覆上一层硬脂酸钠做润滑或涂敷润滑剂，实现变形金属与模具工作表面隔离，减少磨损，提高模具使用寿命。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及

45、模具四、冷挤压工艺设计4.选择冷挤压设备常用冷挤压设备主要有普通曲柄压力机、肘杆压力机、摩擦压力机、液压压力机及专用压力机等。按传动方式可分为机械与液压两大类型。机械挤压机的特点是挤压速度快，但挤压速度是变化的，对模具使用寿命和挤压制件性能的均匀性有不利影响，因此应用有限。对于大批量生产，通常采用液压压力机。冷挤压设备的选择需满足冷塑性变形工艺要求，变形力应低于设备的名义吨位，根据挤压工作行程校核设备的输出力-行程曲线。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具1.冷挤压模设计(1)凸模1)正挤压凸模正挤压凸模通常可分为11-26a所示的实心件挤压凸模和图11-26b所示的空

46、心件挤压凸模两种类型。为了便于维修和更换芯棒，可将空心正挤压凸模做成图11-26c所示组合形式。图11-26正挤压用凸模的结构尺寸第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具图11-27反挤压用凸模的结构尺寸2)反挤压凸模反挤压时，凸模同时承担传递压力和控制金属流动的双重作用。图11-27a所示为锥形平底凸模，挤压时，利用锥形底端面减轻金属横向流动摩擦阻力。图11-27b所示圆角锥底凸模可以降低单位挤压力，但不能保证壁厚均匀。图11-27c所示平底凸模主要用于制件内表面要求平底面或单位挤压力较小的情况。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具反挤压凸模通常带

47、有减压结构即工作带，工作带以上凸模直径d小于挤压件内径d1，可减小与流动金属的接触面积，进而减轻流动摩擦及制件粘模现象。夹紧部分做成锥形或阶梯形，增加强度且便于拆卸。为减轻应力集中，沿凸模轴向应避免断面突然变化，过渡部分均采用圆角连接。用反挤压软金属薄壁制件时，应开设通气孔，以避免卸料困难。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具(2)凹模1)正挤压凹模正挤压凹模主要需容纳变形金属，同时还兼有控制金属流动的作用，通常有整体和组合两种形式。整体式凹模整体式正挤压凹模的结构尺寸如图11-28所示。整体式凹模加工容易，但在凹模内孔转角处因应力集中很容易劈裂。因此，挤压加工黑色金属

48、时，不宜采用。图11-28正挤压整体凹模的结构尺寸第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具图11-29分体式正挤压凹模 组合式凹模为避免挤压凹模内孔转角处劈裂，可将凹模在易劈裂处分割开，做成组合凹模。图11-29a为横向分体式凹模；图11-29b为纵向分割式凹模；图11-29c将挤压筒和凹模镶块分别配入各自的预应力圈内，然后压入外预应力圈中；图11-29d采用硬质合金凹模镶块，增加凹模强度和硬度，并将其配入挤压筒体内。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具2)反挤压凹模反挤压凹模也分为整体和组合两种类型。图11-30a为整体凹模，用于带下顶料装置的反挤

49、压。图11-30b所示两种凹模也是整体式；图11-30c是上、下分体式结构，可用于大批量生产；图11-30d、e所示贯通式分体凹模可避免应力集中导致的劈裂，但需保证模具制造调试精度，以防挤压制件底部形成毛刺。图11-30反挤压凹模的结构形式第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具3)组合凹模中的预应力圈1)冷挤压凹模受力分析冷挤压时的凹模受力与受内压厚壁筒相似，凹模内、外壁及其间任意点处半径分别为r1、r2、r，内、外径比=r2/r1，凹模内壁所受单位径向压力为p时，根据受内压厚壁筒的分析理论，可以给出径向压应力r和周向拉应力分别为222211rprr222211prr第五

50、节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具由上式可以看出，|r|和均随=r2/r1增大而减小，如图11-31所示，产生在凹模内壁处。如果忽略凹模侧壁所受轴向应力，认为z0，则处于平面应力状态时凹模侧壁的等效应力为max4222rr21 31rpr 上式表明，凹模的应力强度 与内、外径之比成反比。第五节第五节 冷挤压工艺及模具冷挤压工艺及模具五、冷挤压模具增大凹模内、外径比可以增加凹模强度。但当增大到一定值后(如=46)，的减小已经不明显。仅靠增加壁厚来提高凹模抗断裂能力，在实际生产中是不现实的。因此，通常采用如图11-32所示预应力组合凹模结构来解决。图11-32预应力组合凹模结