1、第七章 冷挤压工艺与模具设计 7.1 典型案例典型案例7.2 概述概述7.3 冷挤压工艺性分析冷挤压工艺性分析7.4 冷挤压工艺参数计算冷挤压工艺参数计算7.5 冷挤压模具结构设计冷挤压模具结构设计 第1页，共33页。7.1 典型案例典型案例大功率电容器外壳工件名称：大功率电容器外壳工件名称：大功率电容器外壳生产批量：大批量生产批量：大批量材料：纯铝材料：纯铝1050A（L3）壁厚：壁厚：4mm+0.052 00.05第2页，共33页。7.2 概述概述7.2.1 概念概念 冷挤压是将冷挤压模具装在压力机上，利用压力机冷挤压是将冷挤压模具装在压力机上，利用压力机简单的往复运动，是使金属在模腔内产
2、生塑性变形，从简单的往复运动，是使金属在模腔内产生塑性变形，从而获得所需要的尺寸、形状及一定性能的机械零件。而获得所需要的尺寸、形状及一定性能的机械零件。7.2.2 冷挤压方法冷挤压方法（1）正挤压）正挤压 正挤压空心件a）挤压示意图 b）毛坯与挤压零件正挤压实心件 a）挤压示意图 b）毛坯与挤压零件第3页，共33页。（2）反挤压（3）复合挤压 反挤压a）挤压示意图 b）毛坯与挤压零件 复合挤压 a）挤压示意图 b）毛坯与挤压零件 第4页，共33页。（4）径向挤压）径向挤压a）b）冷模锻零件 a）毛坯 b）零件 a）b）径向挤压a）毛坯 b）零件（5）实例挤压方式的选择）实例挤压方式的选择工件
3、的冷挤压成形工艺方案有以下三种：工件的冷挤压成形工艺方案有以下三种：采用圆柱毛坯，径向挤压成形凸缘部分；反挤压成形筒部。采用圆柱毛坯，径向挤压成形凸缘部分；反挤压成形筒部。采用圆柱毛坯，预成形杯形；正挤压达到工件要求。采用圆柱毛坯，预成形杯形；正挤压达到工件要求。采用圆柱毛坯，复合挤压一次成形。（采用）采用圆柱毛坯，复合挤压一次成形。（采用）第5页，共33页。7.2.3 采用冷挤压必须解决的主要问题采用冷挤压必须解决的主要问题1)冷挤压加工的材料冷挤压加工的材料2)冷挤压工艺方案冷挤压工艺方案3)毛坯软化热处理方案毛坯软化热处理方案4)毛坯表面处理方法及润滑剂毛坯表面处理方法及润滑剂5)模具结
4、构，模具工作寿命、生产率和安全模具结构，模具工作寿命、生产率和安全6)冷挤压模具材料及热处理方法冷挤压模具材料及热处理方法7)机器与设备机器与设备第6页，共33页。7.3 冷挤压工艺性分析冷挤压工艺性分析7.3.1 冷挤压变形特征冷挤压变形特征（1）正挤压时的金属流动）正挤压时的金属流动d0l0lnl3l2l1BBII332211BA2121试件毛坯 试件挤压后的网格第7页，共33页。（2）反挤压时的金属流动）反挤压时的金属流动ECBDA反挤压杯形金属的流动情况 第8页，共33页。（3）影响金属流动的主要因素）影响金属流动的主要因素1）摩擦力的影响）摩擦力的影响2）模具形状的影响）模具形状的影
5、响3）变形程度的影响）变形程度的影响4）其它因素的影响）其它因素的影响a）b）c）d）凹模中心锥角对金属流动的影响a）-60 b）-90 c）-120 d）-180第9页，共33页。7.3.2 冷挤压工艺性要求冷挤压工艺性要求（1）冷挤压件的尺寸设计原则）冷挤压件的尺寸设计原则1）金属流动剧烈处的过渡圆角半径）金属流动剧烈处的过渡圆角半径R应尽可能增大，与挤压力应尽可能增大，与挤压力方向垂直的受力面应增大斜度方向垂直的受力面应增大斜度。2）为防止变形抗力急剧增大及延长模具寿命，应控制凹模与凸模间）为防止变形抗力急剧增大及延长模具寿命，应控制凹模与凸模间的金属在成形终了时的最小厚度的金属在成形终
6、了时的最小厚度s和和b。3）挤压件的最终尺寸）挤压件的最终尺寸d和和D不能太小或相差太大，应在允许的变不能太小或相差太大，应在允许的变形程度范围内。形程度范围内。（2）挤压件的精度和表面粗糙度）挤压件的精度和表面粗糙度精度见表精度见表7-2表表7-4表面粗糙度：表面粗糙度：有色有色金属为金属为Ra0.4mm；黑色金属为；黑色金属为Ra0.8mm。第10页，共33页。（3）实例工艺性分析）实例工艺性分析 根据零件工作图结构形状分析，该零件不能用冷挤根据零件工作图结构形状分析，该零件不能用冷挤压成形的方法完全成形，孔压成形的方法完全成形，孔23.5应采用成形后用钻销应采用成形后用钻销方法再加工成形
7、。方法再加工成形。31阶梯孔不利于挤压成形，应在成阶梯孔不利于挤压成形，应在成形后用镗销方法加工成形。因此，将该零件转换成可挤形后用镗销方法加工成形。因此，将该零件转换成可挤压成形的形状，如图所示。压成形的形状，如图所示。+0.052 00.05挤压成形形状 第11页，共33页。7.4 冷挤压工艺参数计算冷挤压工艺参数计算7.4.1 毛坯尺寸的确定毛坯尺寸的确定（1）毛坯直径）毛坯直径 采用实心圆柱毛坯，其直径为工件筒部外径，则采用实心圆柱毛坯，其直径为工件筒部外径，则D=工件外径工件外径=36（2）毛坯体积）毛坯体积 毛坯尺寸计算的原则为等体积法计算。即：毛坯尺寸计算的原则为等体积法计算。即
8、：毛坯体积毛坯体积=工件体积工件体积工件筒部体积工件筒部体积22215.81944)15301536(mmV第12页，共33页。筒部凸缘部分体积筒部凸缘部分体积毛坯高度尺寸毛坯高度尺寸HVVHD124)(8.635443044818032.612018068.2889.21)9.2112(2132222mmVoooommVH3.14414.3368.63544.81954DV2221mm9.2168.281268.282512arcsino1o1tgAOOAOoo1o凸缘部分毛坯尺寸计算图 第13页，共33页。7.4.2 冷挤压变形程度的计算冷挤压变形程度的计算 常用断面缩减率常用断面缩减率S
9、来表示，也可用挤压比来表示，也可用挤压比R或对数或对数挤压比挤压比来表示，计算方法见表来表示，计算方法见表7-4。实例采用端面缩减率实例采用端面缩减率S计算挤压变形程度。计算挤压变形程度。径向挤压部分的变形程度径向挤压部分的变形程度S反挤压部分的变形程度反挤压部分的变形程度 S SS，故可一次挤压成形。，故可一次挤压成形。%1.56%1004365.2295436%10022010SSSS%4.69%100436)430436(436%1002222010SSSS第14页，共33页。7.4.3 冷挤压力的计算冷挤压力的计算实际工作中以查图表确定为主。实际工作中以查图表确定为主。（1）有色金属单
10、位挤压力）有色金属单位挤压力p的确定的确定有色金属单位挤压力 第15页，共33页。（2）黑色金属挤压力）黑色金属挤压力F的确定的确定黑色金属反挤压力图算表第16页，共33页。总挤压力总挤压力F的计算的计算 有色金属挤压力有色金属挤压力F单位挤压力单位挤压力p凸模工作部分横凸模工作部分横截面积截面积S 例题中引用工件的挤压力例题中引用工件的挤压力F=pS=3002295.2=688560（N）关于关于S的计算参见毛坯尺寸确定部分，可知的计算参见毛坯尺寸确定部分，可知S2295.2 考虑一定的安全系数可选用考虑一定的安全系数可选用1000kN压力机。压力机。第17页，共33页。7.5 冷挤压模具结
11、构设计冷挤压模具结构设计7.5.1 冷挤压必须解决的主要问题冷挤压必须解决的主要问题对冷挤压模具结构的要求对冷挤压模具结构的要求 1）模具要有足够的强度和刚度，垫板有足够的厚度和硬度，上、下）模具要有足够的强度和刚度，垫板有足够的厚度和硬度，上、下模座都由碳钢制作；模座都由碳钢制作；2）模具工作部分的形状和尺寸合理，有利于金属的塑性变形，从而）模具工作部分的形状和尺寸合理，有利于金属的塑性变形，从而降低挤压力；降低挤压力；3）模具的材料选择、加工方案和热处理规范的确定都应合理；）模具的材料选择、加工方案和热处理规范的确定都应合理；4）模具的安装牢固可靠，易损件的更换、拆卸、安装方便；）模具的安
12、装牢固可靠，易损件的更换、拆卸、安装方便；5）模具导向良好，以保证制件的公差和模具寿命；）模具导向良好，以保证制件的公差和模具寿命；6）模具容易制造，成本低；）模具容易制造，成本低；7）放、取制件方便，操作简单、安全。）放、取制件方便，操作简单、安全。第18页，共33页。7.5.2 冷挤压凸、凹模设计冷挤压凸、凹模设计（1）凸模）凸模121a）b）c）反挤压凸模工作部分形状a）锥形带平底的凸模 b）尖角锥形凸模 c）平底凸模近似抛物线pp有色金属反挤压凸模 第19页，共33页。当挤压纯铝薄壁件凸模工作部分长度较长时，为增当挤压纯铝薄壁件凸模工作部分长度较长时，为增加凸模的稳定性，可将凸模下端面
13、开出工艺凹槽。实例加凸模的稳定性，可将凸模下端面开出工艺凹槽。实例采用该种结构。采用该种结构。a）b）c）凸模工作端面工艺凹槽的形状a）圆形 b）方形 c）矩形第20页，共33页。实例用凸模结构实例用凸模结构 0.320.320.160.16 0-0.021 0-0.03 0-0.030.16 0-0.021500.02R8R207510307066R1.5R2140.05R1R130材料：Cr12MoV 热处理：6064HRC挤压凸模第21页，共33页。（2）凹模）凹模1）反挤压）反挤压 RRDhh12313230.25 a）b）c）d）e）f）反挤压凹模的基本形式第22页，共33页。2）正
14、挤压）正挤压 3）凸、凹模工作部分尺寸计算：凸、凹模工作部分尺寸计）凸、凹模工作部分尺寸计算：凸、凹模工作部分尺寸计算公式见表算公式见表7-9。a）b）c）d）反挤压凹模的基本形式 R15101313第23页，共33页。4）组合凹模）组合凹模凹模的总体结构凹模的总体结构 分为整体式和预应力组合凹模。组合凹模可分为两分为整体式和预应力组合凹模。组合凹模可分为两层和三层结构式。层和三层结构式。单位压力（p凹/MPa）凹模形式简 图10001200整体凹模1200p14001600二层组合凹模1400p22002500三层组合凹模组合凹模的选择第24页，共33页。二层组合凹模二层组合凹模 三层组合凹
15、模三层组合凹模 C2d1d3d2u2/2二层组合凹模 d1d2d3d4C3C2u3/2u2/2三层组合凹模 第25页，共33页。组合凹模压合方法组合凹模压合方法a）加热压合（热装）加热压合（热装）将外圈加热到适当温度，套装到内圈上，待外圈冷将外圈加热到适当温度，套装到内圈上，待外圈冷却后将内圈压紧。热装时可不必加工出斜度。却后将内圈压紧。热装时可不必加工出斜度。b）强力压合）强力压合 将各配合面做成一定的锥度，在室温下用液压机进将各配合面做成一定的锥度，在室温下用液压机进行压合。行压合。a）b）预应力圈的装法a）由内到外 b）由外到内第26页，共33页。5）冷挤压凸、凹模材料选择的要求）冷挤压
16、凸、凹模材料选择的要求1）凹模与凸模必须具有很高的强度和硬度，在高温下仍能保持足够）凹模与凸模必须具有很高的强度和硬度，在高温下仍能保持足够的强度与硬度。的强度与硬度。2）凸模与凹模在冲击条件下工作，应具有相当的韧性。）凸模与凹模在冲击条件下工作，应具有相当的韧性。3）凸模材料应当有较好的抗弯强度。）凸模材料应当有较好的抗弯强度。4）模具是在冷热交变应力的条件下工作，所以模具的材料应能经受）模具是在冷热交变应力的条件下工作，所以模具的材料应能经受这种考验。这种考验。5）模具材料必须是较易于切削加工。）模具材料必须是较易于切削加工。第27页，共33页。（4）凹模结构设计实例）凹模结构设计实例 模
17、具工作时凸模进入凹模后必须形成封闭的模腔。模具工作时凸模进入凹模后必须形成封闭的模腔。外圈凹模d1d2d32u2实用两层组合凹模结构u2径向过盈量 装配斜角，取=0.5第28页，共33页。预应力组合凹模的设计步骤1）根据单位挤压力选择凹模结构形式2）选择确定总直径比a根据前面的推荐值，实例组合凹模选择a3143）确定各图的直径外圆外径d3，由步骤2，已知d3=a31d1=466=264 d3取260mm内圆半径d2d2=a21d1 a21根据a31的取值，查右图由凹模结构图，取a21=1.8 d2=a21d1=1.866=118.8取d2=120mm u2=2d2 c2=2d241331dda
18、a21=0.2a31+103456789100.51.01.52.02.53.03.54.0a21=d2/d1a31=d3/d1a21maxa21maxa21max两层组合凹模的a31与a21的关系第29页，共33页。4）确定组合凹模的轴向、径向过盈量c2和u2、2、2为过盈量系数20.008 20.16则u2=2d2=0.008120=0.96mmc2=2d2=0.16120=19.2mm0.0060.0070.0080.0090.01045678910径向过盈系数20.120.140.160.180.2045678910径向过盈系数2a31=d3/d1两层组合凹模轴向过盈量系数2两层组合凹
19、模径向过盈量系数2 第30页，共33页。5）确定凹模各图结构尺寸0.320.1612.52.50.322.50.160.160.16 0-0.04+0.025 0+0.025 0+0.03 066360.5R5R1R1.51.532124.215内圈（凹模）工作图+0.04 00.25其 余1.52.52.52.52080123.2260+0.015 04 184 111.62 10材料：40Cr 热处理：4547HRC外圈工作图第31页，共33页。6）模具结构）模具结构顶件块顶件块1.250.320.160.160.16其余30320.5651510M164515材料：Cr12 热处理：5862HRC顶件块第32页，共33页。冷挤压模具结构图冷挤压模具结构图123456789101112131415161819202117冷挤压模具结构图1、2拉板 3、21螺母 4、20垫圈 5下模座 6弹簧 7导柱 8、12垫板 9导套 10上模座11拉杆 13凸模 14固定板 15组合凹模外圈 16凹模内圈 17顶件块 18空心垫板 19顶杆第33页，共33页。
