成形工藝與模具設計第十一章課件

1、第十一章 冷鍛工藝及模具設計第一節(jié) 冷鍛工藝概述第二節(jié) 鐓鍛工藝第三節(jié) 精壓工藝及模具第四節(jié) 冷態(tài)模鍛工藝第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具第一節(jié) 冷鍛工藝概述一、冷鍛的工藝特點及分類二、冷鍛技術的發(fā)展及現狀三、冷鍛技術的未來發(fā)展趨勢第一節(jié) 冷鍛工藝概述一、冷鍛的工藝特點及分類1.冷鍛的工藝特點1)與熱鍛、鑄造等相比，冷鍛制件精度高、強度性能好。2)冷鍛是金屬在再結晶溫度下進行的鍛造加工，因此，基本不發(fā)生脫氧、脫碳現象，不存在因金屬加熱所帶來的鍛造質量和環(huán)境污染等問題。3)屬于近凈成形，材料利用率高。4)生產率高，適合于大批量生產，可加工出最終產品。5)由于金屬在冷態(tài)下鍛造成形，便于實現機械化和自動化生

2、產。第一節(jié) 冷鍛工藝概述一、冷鍛的工藝特點及分類就目前的工藝狀況，冷鍛主要適合于有色金屬鍛造，而碳鋼及其合金冷鍛時受到很多變形條件的限制。由于材料在冷態(tài)下成形，變形抗力很大，要求鍛造打擊力或壓力相對大。冷鍛加工時，金屬的變形抗力有時會超過現有模具材料的固有強度， 因此，要求模具材料具有很高的抗壓強度。2.冷鍛工藝的分類按照坯料的變形形式，冷鍛可分為鐓鍛、擠壓、型鍛、壓印和模鍛等基本工藝。第一節(jié) 冷鍛工藝概述二、冷鍛技術的發(fā)展及現狀18世紀開始，法國人在機械壓力機上反擠壓加工鉛管和錫管等。之后，第二次世界大戰(zhàn)期間，德國人成功擠壓出子彈殼。近代工業(yè)的擴張需求，為冷鍛技術提供了發(fā)展原動力。在汽車工業(yè)

3、中，冷鍛零件已達1000多種。自20世紀80年代以來，精密鍛造技術研究者開始將分流鍛造理論應用于正齒輪和螺旋齒輪的冷鍛成形，使齒輪少、無切削加工迅速達到了產業(yè)化規(guī)模，提高材料利用率近40%，生產成本大為降低。我國冷鍛技術的發(fā)展速度與先進國家有一定的差距，據統(tǒng)計，目前國產轎車中冷鍛件質量僅在20kg左右，相當于工業(yè)發(fā)達國家的一半。因此，推廣和開發(fā)冷鍛技術已經成為我國塑性成形領域中的一項重要任務。第一節(jié) 冷鍛工藝概述三、冷鍛技術的未來發(fā)展趨勢冷鍛工藝正在向切削、鑄造及熱鍛等制造領域滲透，或取而代之，或與之結合而構成新型復合加工工藝。比如，由熱鍛實現主要變形過程，而利用冷鍛精度高的優(yōu)勢來成形零件重要

4、部分，由此構成的熱-冷鍛復合成形技術應用越來越廣泛。隨著計算機技術的發(fā)展，有限元計算開始大量應用于冷鍛領域， 將有力促進冷鍛變形分析、工藝計算準確化、預示模具失效及鍛件成形缺陷等。由于先進制造技術的發(fā)展和市場需求，冷鍛材料正在由有色金屬、軟鋼逐步向碳鋼和合金鋼擴展。目前，冷鍛技術的發(fā)展主要受高強度模具材料和大噸位專用機床的制約，亟需材料制備和機床工業(yè)的有力支持。第二節(jié) 鐓鍛工藝一、冷鐓工藝分類及特征二、整體鐓粗三、頂鐓四、中間鐓粗第二節(jié) 鐓鍛工藝圖11-1鐓鍛機冷鐓鍛是在冷態(tài)下將金屬鐓鍛成形的一種鍛造工藝，是利用壓力設備通過模具對坯料施加打擊，使其軸向壓縮、徑向擴展的鍛造方法。根據鐓鍛工藝需采

5、用不同設備，主要有液壓壓力機、曲柄壓力機、螺栓鐓鍛機、二模三沖鐓鍛機及多工位鐓鍛機等。圖11-1所示為鐓鍛機的一種。第二節(jié) 鐓鍛工藝一、冷鐓工藝分類及特征1.冷鐓工藝分類按照坯料的變形位置和模具結構等，可將鐓鍛分為整體鐓粗、頂鐓、中間鐓粗等工序，如圖11-2所示。圖11-2鐓粗第二節(jié) 鐓鍛工藝一、冷鐓工藝分類及特征2.冷鐓工藝特點鐓鍛的變形特點主要是坯料橫截面或局部橫截面積增大，用于成形帶頭桿類或帶桿盤類零件。冷鐓幾乎沒有廢料，如冷鐓螺母時的材料利用率可達95%；冷作硬化效應可提高鍛件強度；可控制金屬的纖維流線，進而提高鍛件的使用性能。冷鐓還可用來制造帶有各種型孔的空心軸對稱零件、復雜頭部形狀

6、及帶有非對稱凸緣的桿類零件等，如圖11-3所示。圖11-3冷鐓產品第二節(jié) 鐓鍛工藝一、冷鐓工藝分類及特征3.成形性能評價冷鐓性能是利用鐓粗坯料的原始高徑比h0/d0來評價的。金屬在冷態(tài)鐓鍛時冷作硬化使其變形抗力增大，容易產生縱向彎曲且不易恢復。另外，考慮到模具強度，坯料聚集量不宜過大，要求變形部分的高徑比應小于熱鐓時的高徑比，通常取h0/d01.72.5。表11-1給出了各種冷鐓變形時的許用高徑比。表11-1冷鐓的許用高徑比h0/d0鐓鍛形式圖例高徑比上、下平模鐓粗h0/d02上模為平模，下模帶定位套h0/d02.3上模帶定位套，下模為平模h0/d02.3表11-1冷鐓的許用高徑比h0/d0鐓

7、鍛形式圖例高徑比上、下模均帶定位套h0/d02.5下模定位，并在其型腔內鐓粗當d11.5d0時，h0/d04；當d11.5d0時，h0/d02.5下模定位，在垂直型腔內鐓粗，變形初始時，坯料有一定軸向伸長當d11.5d0，ld0時，h0/d02.5；當d11.5d0，ld0時，h0/d02.3表11-1冷鐓的許用高徑比h0/d0鐓鍛形式圖例高徑比在鍛模型腔內鐓粗當l2.5d0時，h0/d04.5；當l2.5d0時，h0/d02.5下模定位，上模帶有錐形型腔d1=1.3d0，a=h0-1.9d0，h0/d04.5有時，也可用最大鐓粗直徑與坯料直徑之比來表示鐓頭極限，通常在拉伸試驗中截面的減小與上

8、述定義的鐓頭極限之間存在有一定關系。第二節(jié) 鐓鍛工藝二、整體鐓粗1.鐓粗變形量整體鐓粗的工藝參數主要有高徑比h0/d0和鐓粗率h。h0/d0的確定需根據鍛件尺寸及體積不變原則計算，一般不宜超過22.5，以避免產生軸向彎扭等成形缺陷。鐓粗率是衡量整體鐓粗時坯料軸向變形程度的指標，h0、h分別為鐓粗前、后坯料高度時可表示為第二節(jié) 鐓鍛工藝二、整體鐓粗圖11-4鐓粗中的軸向彎曲2.變形缺陷及其防止(1)軸向彎曲根據生產經驗，h0/d02.5時，多會發(fā)生軸向彎曲，如圖11-4所示。當h0/d02.5時，利用圖11-5所示帶錐形型腔的上模先鐓制成帶錐形的中間坯料，再最終鐓粗成形，可避免軸向彎曲。圖11-

9、5防止軸向彎曲的多次鐓粗成形第二節(jié) 鐓鍛工藝二、整體鐓粗(2)鼓凸減小模具與坯料端面的摩擦，增強潤滑是減小鼓凸的主要途徑之一。另外，也可由半封閉鐓粗或鉚鐓預先將坯料兩端局部鐓成中間凹形，再進行整體鐓粗。(3)裂紋鐓粗時，坯料軸向壓縮是絕對值最大的主應變，徑向壓應力過大會導致切向拉變形，當切向應力超過一定值時，坯料側表面將產生縱向或傾斜裂紋。為防止產生裂紋，需檢查坯料是否有刮痕，盡可能采用塑性好、纖維組織較細的金屬料進行鐓粗。另外，采用半封閉模具或增強潤滑效果，也可避免裂紋的產生。第二節(jié) 鐓鍛工藝二、整體鐓粗(4)表面折疊鐓粗變形量較大時，坯料表面與表面貼合在一起被壓入表層，即形成表面折疊。因此

10、，應確定合理的高徑比，并注意使用合理的壓下量。第二節(jié) 鐓鍛工藝三、頂鐓1.頂鐓工藝特點頂鐓時坯料的變形與鐓粗完全相同，可視為局部鐓粗，因而應遵循鐓粗規(guī)則。局部鐓粗規(guī)則有如下兩種：圖11-6平沖頭頂鐓的成形缺陷規(guī)則：坯料局部鐓粗高徑比h0/d01.53時，可不經制坯一次鐓成。如局部鐓粗部分h0/d0大于許用值，則將產生如圖11-6所示軸向彎曲或折疊等缺陷。第二節(jié) 鐓鍛工藝三、頂鐓圖11-7平沖頭頂鐓的成形缺陷局部h0/d0較大時，應在錐形型腔約束下聚料鐓粗，如圖11-7所示，可防止因軸向彎曲而產生折疊。也可采用凹模圓柱形型腔聚料，但金屬容易由坯料端部及分型面處擠出而影響鍛件質量。第二節(jié) 鐓鍛工藝

11、三、頂鐓規(guī)則：當頂鐓符合下列條件時，可能出現軸向彎曲但不致產生折疊： 在沖頭的錐形型腔內聚料時，如果dm=d0，Dm1.25d，取h3d0；如果dm=d0，Dm1.5d0，則取h2d0。 在凹模內聚料時，應滿足Dm(1.251.5)d0第二節(jié) 鐓鍛工藝三、頂鐓2.頂鐓的應用一次頂鐓用來制造半圓頭螺釘或其他頂鐓毛坯相對長度不大的工件，通常在整體凹模中完成。制件頭部表面精度要求嚴格或變形量較大時，如圖11-8所示，可預成形圓弧端面后再進行頂鐓。通常，二次頂鐓可以得到h0/d0=3.55.5的頭部帶各種形狀的工件。圖11-8鉚釘的二次頂鐓成形第二節(jié) 鐓鍛工藝四、中間鐓粗圖11-9中間鐓粗如圖11-9

12、所示，中間鐓粗是將棒料置于凹模內，利用型腔壓力使坯料中部軸向壓縮并向徑向擴展的鍛造方法。中間鐓粗時，變形區(qū)金屬的變形機理與普通鐓粗基本相同。但因局部變形而對工藝和模具有一定要求。為防止因應力集中造成變形缺陷，凸、凹模工作肩部均需圓角過渡。特別是對中部變形區(qū)終鍛形狀有要求時，通常需采用封閉式鐓粗。另外，對中間形狀復雜或不易成形的制件，應采用多道次逐步成形工藝。第三節(jié) 精壓工藝及模具一、精壓工藝分類及特點二、精壓件成形缺陷及改善措施三、精壓模具及精壓力計算第三節(jié) 精壓工藝及模具一、精壓工藝分類及特點分類圖例變形特點使用設備說明平面精壓平面精壓實質是平板間的自由鐓粗，金屬在水平方向流動，服從鐓粗變形

13、規(guī)律精壓可使變形部分獲得較低的表面粗糙度值可在精壓機或曲柄壓力機、液壓壓力機上進行；如在摩擦壓力機上精壓，模具應帶有限制行程的結構對多平面鍛件精壓時容易引起平面連接部分產生彎曲變形對幾何公差要求較高的零件，不宜采用體積精壓利用模具使模鍛件整個表面受到擠壓而發(fā)生少量變形，多余金屬可能被擠出模膛，在分型面上形成飛邊；體積精壓時變形抗力較大，精壓后的鍛件所有尺寸精度都得到提高通常在精壓機上進行，有時也可利用曲柄壓力機或液壓壓力機進行體積精壓，如在摩擦壓力機上精壓，所用模具應帶有行程限制結構冷態(tài)體積精壓多用于有色金屬或經過精鍛后的鍛件表11-2精壓分類及特點精壓時，制件產生較小的壓縮變形和形狀變化。根

14、據精壓時金屬的流動特點，可將其分為平面精壓與體積精壓兩大類，如表11-2所示。第三節(jié) 精壓工藝及模具二、精壓件成形缺陷及改善措施精壓缺陷主要是指鍛件變形過大引起的形狀變化和尺寸精度不足，以及潤滑不良等原因導致制件表面粗糙。當同時精壓多個平面時，還可能造成制件形狀走樣等。平面精壓時，變形抗力使與制件接觸的精壓板表面及其附近區(qū)域易產生彈性凹陷，上墊板的支撐面積大于制件與精壓板的接觸面積也將產生彈性彎曲。兩個彈性變形的疊加效果使得精壓板工作表面向上凹入較大，導致精壓件中心表面凸起，如圖11-10所示。圖11-10精壓件表面凸起第三節(jié) 精壓工藝及模具二、精壓件成形缺陷及改善措施精壓件的表面凸起高度f=

15、(hmax-hmin)/2可達0.130.5mm。凸起高度主要與制件所受平均單位壓力及精壓面積成正比，而與精壓板的彈性模量成反比。因此，為了提高精壓精度，需從以下三個方面采取相應措施：1.降低精壓時的平均單位壓力1)熱精壓可降低平均單位壓力，并減小平面凸起高度f。先熱精壓后再利用冷精壓改善制件表面質量，可收到較好的成形效果。2)精壓時制件與精壓板表面摩擦使壓縮應力分布不均勻，適當潤滑可均化應力分布而減小凸起高度。第三節(jié) 精壓工藝及模具二、精壓件成形缺陷及改善措施精壓面積/cm2d0/h0(d0精壓平面直徑；h0精壓平面高度)22446坯料精度級別高精度普通精度熱精度高精度普通精度熱精度高精度普

16、通精度熱精度100.250.350.350.200.300.300.150.250.2510160.300.450.450.250.350.350.200.300.3017250.350.500.500.300.450.450.250.350.4526400.400.600.600.350.500.500.300.450.5041800.700.700.600.600.500.60811600.800.700.701613200.900.800.803) 一般將變形程度控制在1%2%。表11-3列出相應的數據可供參考。表11-3平面精壓的雙面余量(單位：mm)第三節(jié) 精壓工藝及模具二、精壓件成

17、形缺陷及改善措施2.減小精壓加工面積為使精壓面應力分布均勻，應盡可能減小精壓件的受壓面積。制件允許時，在精壓面中部預先鍛出凹孔或凹穴，可降低精壓單位壓力并減小精壓件平面凸起高度。3.提高模具質量采用彈性模數較大的材料制造精壓板，提高表面硬度，都會增強模具結構剛性，減小制件凸起高度。設計時，應使精壓板具有足夠的厚度和面積。此外，將精壓板表面預先做成略微帶有中心凸起的形狀，也可抵消精壓后的制件中心凸起。第三節(jié) 精壓工藝及模具三、精壓模具及精壓力計算材料單位壓力平面精壓體積精壓LY11、Ld5及類似鋁合金100012001400170010CrA、15CrA、13Ni3A及類似鋼1300160018

18、00220025CrNi3A、12CrNi3A、12Cr2Ni4A21Ni5A180022002500300013CrNiWA、18CrNiWA、38CrA、40CrVA180022002500300035CrMnSiA、45CrMnSiA、30CrMnSiA、27CrNi3A250030003000400038CrmoA1A、40CrNiMoA2500300030004000銅、金和銀14002000精壓模具相對簡單，要求剛性大，主要包括模座、墊板及精壓板三種構件，具體結構應根據精壓件形狀尺寸并參閱有關資料確定。當鍛件精壓時的投影面積為A、平均單位壓力(參考表11-4)為p時，可根據下述公式

19、近似計算精壓力FF=pA表11-4不同材料精壓時的平均單位壓力(單位：MPa)第四節(jié) 冷態(tài)模鍛工藝一、冷態(tài)模鍛工藝特點及分類二、開式冷態(tài)模鍛三、半閉式冷態(tài)模鍛四、閉式冷態(tài)模鍛第四節(jié) 冷態(tài)模鍛工藝一、冷態(tài)模鍛工藝特點及分類1.工藝特點1)冷鍛時金屬處于三向不等壓應力狀態(tài)，晶粒組織致密，纖維流線不被切斷而沿零件輪廓線連續(xù)分布。2)一般冷鍛在機械壓力機上進行。3)在不被破壞的條件下使金屬體積轉移，產生塑性變形，實現少、無切屑加工。4)利用機械壓力機滑塊的一次行程可完成多道模鍛工序。5)冷鍛可減少或代替切削加工，顯著降低零件的生產成本和周期。2.工藝分類根據所用模具及鍛造時金屬的流動方式，通?？煞譃殚_

20、式、半閉式和閉式冷態(tài)模鍛。第四節(jié) 冷態(tài)模鍛工藝二、開式冷態(tài)模鍛圖11-11開式模鍛鍛造時，受壓縮的冷態(tài)金屬可自由向橫向延展的變形方式即開式冷態(tài)模鍛，也稱開式冷鍛。開式冷鍛如圖11-11所示。?？變葟絛，當毛坯直徑D0符合dD04d且?？變瘸涮罡叨容^大的鍛件。如圖11-12所示，半閉式冷鍛金屬通常經歷鐓粗、充填和剩余材料擠入飛邊槽三個階段。圖11-12半閉式模鍛第四節(jié) 冷態(tài)模鍛工藝四、閉式冷態(tài)模鍛閉式冷鍛也稱閉塞冷鍛或單工位多動作冷鍛，是將金屬完全限制在模具型腔內且不設飛邊槽的鍛造工藝。圖11-13所示為利用專用雙動液壓壓力機進行閉式冷鍛的工作原理。坯料置于下凹模內，上凹模向下移動使模具閉合，然

21、后利用上、下頂桿鑲塊進行冷鍛。這種方法常用來鍛造齒輪類鍛件。圖11-13閉式冷態(tài)模鍛的工作原理第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具一、擠壓加工的分類及特點二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律三、冷擠壓變形力的近似計算四、冷擠壓工藝設計五、冷擠壓模具第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具一、擠壓加工的分類及特點1.擠壓加工分類根據金屬變形時的溫度，可分成冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓三種類型。根據擠壓時金屬流動方向與擠壓凸模運動方向的關系，可將擠壓加工分為正擠壓、反擠壓、復合擠壓、徑向擠壓及鐓擠等幾種形式，如表11-5所示。圖例金屬流動方向正擠壓實心件空心件擠壓凹模出口處的金屬流動方向與凸模的運動方向相同反擠壓擠壓凹模出口處的金屬流動方

22、向與凸模的運動方向相反復合擠壓擠壓時，一部分金屬的流動方向與凸模的運動方向相同，而另一部分金屬的流動方向與凸模運動方向相反表11-5擠壓加工分類圖例金屬流動方向徑向擠壓擠壓時，金屬流動方向與凸模的運動方向垂直。徑向擠壓還可分為分流式徑向擠壓和匯流式徑向擠壓兩種鐓擠擠壓時，一部分材料被擠入凹模孔內，另一部分材料受到擠壓方向的鐓壓變形表11-5擠壓加工分類第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具一、擠壓加工的分類及特點2.擠壓加工的特點(1)擠壓制件力學性能好(2)制件精度高(3)材料利用率高(4)工藝簡單、生產率高(5)應用范圍廣圖11-14擠壓產品第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律為了解擠壓

23、過程中金屬的流動情況，將圓柱形坯料沿對稱軸剖分成兩塊，在切斷面上畫出方形網格，如圖11-15所示，然后將兩塊坯料拼合成一體進行擠壓加工。在成形過程中某一時刻，將試件剖分面剖開，可以觀察被擠壓坯料內部的金屬流動情況。圖11-15擠壓前坯料的坐標網格第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律圖11-16正擠壓實心件的網格變化1.正擠壓(1)正擠壓實心件的金屬流動如圖11-16所示，正擠壓過程中，金屬流動變形具有如下規(guī)律：第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律1)由于變形時金屬與擠壓模內壁之間強烈的流動摩擦，?？谕馀c擠出方向垂直的縱坐標線產生較大的彎曲變形，越靠近?？谇试酱?/p>

24、。2)擠出金屬除受軸向拉伸外，還會因模壁摩擦而產生剪切變形，中心部分的正方形網格擠出后變成了矩形，外層網格則發(fā)生了扭曲變化。越靠近外側，擠出摩擦越大，剪切變形也越強烈，導致3a。流動摩擦力隨擠出變形逐漸增大，靠近?？?，剪切角增大，即321。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律3)擠出過程中，凹?？變鹊慕饘僖舶l(fā)生了不均勻流動。擠出軸線在進出變形區(qū)壓縮錐時，發(fā)生了兩次方向相反的彎曲，彎曲角度由外層向坯料中心逐漸減小。4)凹?？谵D角附近金屬，成為不流動的“變形死區(qū)”。其范圍大小受摩擦阻力、凹模形狀尺寸等影響，當摩擦阻力較大、凹模錐角越大時，“變形死區(qū)”范圍越大。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模

25、具二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律(2)正擠壓實心件的應力應變分析圖11-17正擠壓變形區(qū)內的應力應變狀態(tài)擠壓過程中，金屬接受局部加載，但整體都產生內應力。正擠壓實心件時，如果摩擦阻力小且坯料高徑比也較小時，可將變形分為如圖11-17所示的兩個不同區(qū)域。上述A區(qū)是擠壓加載后直接產生應力的變形區(qū)，而B區(qū)應力主要由A區(qū)金屬變形和模壁制約所共同引起。對于A區(qū)rA-zA=s，B區(qū)zB-rB=s，由于rA=rB，如將兩式相加可得zB-zA=2s，因此，在A、B兩區(qū)的交界處可能存在軸向應力突變。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律2.反擠壓金屬流動變形分析實心坯料反擠壓杯形件時，坯料縱剖分面上

26、網格的變化情況如圖11-18所示。當坯料高徑比h0/d01時，擠壓初、中期金屬流動處于圖b所示穩(wěn)定變形階段，大致分為、及三個變形區(qū)。 區(qū)為難變形區(qū)， 區(qū)為強烈變形區(qū)， 區(qū)為剛性移動區(qū)。圖11-18反擠壓杯形件的金屬流動第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具二、擠壓時金屬的流動變形規(guī)律3.復合擠壓金屬流動變形分析復合擠壓是正、反擠壓的組合變形，如圖11-19所示，成形方式可有多種組合，并且具有各自獨特的流動變形規(guī)律。例如，圖11-19c所示帶桿空心件擠壓，上部金屬的流動變形與杯形件反擠壓相似，而下部與實心件正擠壓相似。圖11-19復合擠壓的金屬流動第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算1.冷擠壓變

27、形的三個階段圖11-20冷擠壓力-行程曲線冷擠壓變形力隨擠壓行程而變化的關系如圖11-20所示，一般可劃分為三個不同的變化階段。(1)急劇上升階段擠壓初期，變形導致金屬冷作硬化效應迅速增強，不論正、反擠壓都使擠壓力急劇上升。在此階段中，擠壓力克服金屬變形抗力及其與模具表面之間的摩擦力，使坯料內部組織被壓緊。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算圖11-20冷擠壓力-行程曲線(2)緩慢上升階段隨擠壓凸模繼續(xù)下行，變形金屬開始順序流動，通常只改變坯料高度，變形處于穩(wěn)定階段。對于正擠壓，由于坯料與凹模內表面的接觸面積開始減少，摩擦阻力略有降低，擠壓力由a點下降至b點；而在反擠壓中，擠壓力

28、由a平緩升至b點。穩(wěn)定變形階段的變形區(qū)高度不隨時間變化，壓力變化較緩和。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算圖11-20冷擠壓力-行程曲線(3)擠壓終了階段當擠壓變形接近終了時，金屬體積收縮使變形抗力進一步增大。因此，這一階段的擠壓力仍呈上升趨勢，上升幅度因變形條件而略有不同。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算2.擠壓變形程度(1)當擠壓變形前、后坯料的橫斷面積分別為A0、A1時，斷面縮減率A：(2)擠壓比G：(3)對數變形量G：第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算三者之間存在如下關系不同擠壓方法變形程度的具體計算見表11-6。表11-6正、反擠壓變

29、形程度的計算公式坯料尺寸擠壓件尺寸計算公式正擠壓實心件正擠壓空心件反擠壓空心件第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算3.冷擠壓許用變形程度擠壓過程中允許金屬產生的最大變形量稱為許用變形程度。(1)影響許用變形程度的因素1)模具許用單位壓力模具許用單位壓力越大，允許的冷擠壓變形程度也越大。2)被擠壓金屬的強度被擠壓金屬強度越高，擠壓變形抗力越大，其許用變形程度就越小。3)擠壓方式同種材料在不同擠壓條件下的許用變形量不同。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算4)模具工作部分形狀尺寸合理設計擠壓凸、凹模，有利于擠壓金屬在型腔中變形流動、改善摩擦狀況，不僅可提高模具使用壽命，

30、還可有效降低單位擠壓力。5)坯料高度坯料高度決定其與凸模真實接觸面積的大小，進而也影響到擠壓時的摩擦阻力及其單位擠壓力。6)潤滑狀態(tài)良好的潤滑狀態(tài)，可降低變形摩擦阻力和單位擠壓力，因而可增大許用變形程度。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算(2)不同材料的許用變形程度常用金屬的單位擠壓力及許用變形程度(斷面縮減率A)的近似值列于表11-7中，可供參考。正擠壓反擠壓封閉校形斷面縮減率A(%)單位擠壓力p/MPa斷面縮減率A(%)單位擠壓力p/MPa斷面縮減率A(%)單位擠壓力p/MPa純鋁979960080097998003050鋁合金92958001000758280012003

31、05010001600黃銅758780012007578800120030501000160010鋼30鋼50鋼508050704060140020001600250020002500407540703060160022001800250020002500305030503050100016001600200018002500表11-7常用材料的許用變形程度及單位擠壓力第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具三、冷擠壓變形力的近似計算4.總擠壓力的近似計算冷擠壓力是設計模具和選擇設備的重要依據。當凸模工作部分的投影面積為A、安全系數為c(通常取1.3)、單位擠壓力為p時，可按下式近似計算F=cpA單位擠壓力的

32、算法比較復雜，采用主應力法、滑移線法、上限法和變形功法等只能作近似計算。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計1.選用冷擠壓材料(1)冷擠壓用金屬材料應具備的性能1)較低的機械強度金屬的機械強度越低，冷擠壓變形抗力越低，可降低單位擠壓力，提高模具使用壽命。2)較低的硬化效應硬化效應較低的金屬材料，冷擠壓時變形抗力不致過快增大，可避免擠壓力急劇上升。3)較好的塑性通常認為屈服極限s越低，伸長率和斷面收縮率越高的材料，越適合于冷擠壓。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計(2)金屬的化學成分及冶煉方法等的影響1)化學成分對冷擠壓性能的影響材料中的硫、磷等非金屬夾雜物應盡可能少，碳的質量分數

33、在0.33%以下的碳鋼、猛的質量分數小于1.5%、鉻的質量分數小于1.5%、鎳的質量分數小于0.75%、鉬的質量分數小于0.5%、硅的質量分數小于0.3%的低合金鋼擠壓性能較好。2)冶煉方法對擠壓性能的影響通常認為鎮(zhèn)靜鋼的流動性較好，硬度也低于沸騰鋼，因而常用鎮(zhèn)靜鋼進行冷擠壓加工。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計(3)常用冷擠壓材料目前常用于冷擠壓加工的金屬材料如表11-8所示，可供參考選用。材料種類材料牌號產品舉例鉛、錫及其合金各種管件鋅及其合金干電池電極鋁及其合金1017A1200、5A02、5A03、2A012A12各種管件、食品容器、電容器、照相機零件、飛機零件銅及其合金T1

34、T4、TU1、TU2、H96、H90、H85、H80、H70、H68、H62、H59等電器零件、鐘表零件、儀表零件碳素鋼10、15、20、25、30、35、40、45、50合金鋼18Cr、20Cr、30Cr、40Cr、45Cr、30CrMo、35CrMo、40CrMnMo、18CrMnTi不銹鋼奧氏體系0Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti電器零件、航空零件馬氏體系2Cr13、Cr14、3Cr13、Cr17Ni2鐵素體系Cr17鎳及其合金電器零件表11-8常用冷擠壓金屬材料第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計2.制定冷擠壓變形工序(1)冷擠壓制件的工藝性分析1)適合于擠壓加工的零件形狀表

35、11-9所示為生產中總結出適合于冷擠壓的最佳形狀。表11-9適于冷擠壓成形的最佳形狀擠壓件形狀特性圖例推薦擠壓形式帶盲孔杯形件可通過正、反分步擠壓，或采用復合擠壓獲得高精度內孔和外表面帶深孔雙杯形件可采用兩次反向擠壓或對向反擠壓成形擠壓件形狀特性圖例推薦擠壓形式帶法蘭軸類件采用閉式鐓擠成形方法，比切削加工節(jié)省材料且生產效率高多階梯軸類件可用正擠壓或減徑擠壓，盡管工序較多，但成形容易，擠壓精度高、質量好，適合于大批量生產小型花鍵軸和齒輪軸采用復合擠壓，可獲得優(yōu)質擠壓件，與切削加工相比，節(jié)省材料、性能好，生產效率高多邊形空心薄壁件采用空心毛坯正、反擠壓，或復合擠壓一次成形(續(xù))第五節(jié) 冷擠壓工藝及

36、模具四、冷擠壓工藝設計2)冷擠壓工藝對制件的基本要求冷擠壓工藝對制件形狀的基本要求列于表11-10中，可供參考?；疽髨D例說明不合理設計合理設計應盡可能避免非對稱形狀非對稱制件在擠壓成形時，金屬流動性差，載荷集中作用，凸模受力不平衡，易產生彎曲或折斷對于非對稱部分，可在對稱成形后再局部切除或補焊，以滿足制件結構設計要求和使用性能特別當制件材料變形抗力較大時，考慮到模具壽命，應避免非對稱結構表11-10冷擠壓工藝對制件形狀的基本要求避免制件斷面急劇變化制件斷面急劇變化時，會使擠壓過程中金屬流動和充型受到影響，因此應避免制件直徑、斷面面積和壁厚突然變化；制件具有特殊使用性能要求時，可采用緩慢過渡

37、的方法避免突變避免制件帶右側凹形狀制件帶有側凹形狀時，會使擠壓過程中金屬流動受到影響，對整體成形不利；如果產品的側凹形狀不宜用成形方法制出時，可考慮擠壓成形后，采用切削或其他加工方法做出避免細長孔成形一般，直徑小于10mm以下或長徑比大于1.5時，不宜采用冷擠壓方法制出，應在擠壓后利用鉆孔或其他方法制出(續(xù))斷面過渡應平緩制件的斷面形狀變化應平緩過渡，否則擠壓時金屬變形不均勻，易產生應力集中而引起裂紋；相對應的型腔部分正是熱處理和擠壓時應力集中的區(qū)域，很容易導致模具早期破壞采用平底凹模和直角過渡的階梯沖頭擠壓成形的杯形件，均屬于不合理的斷面過渡形式，必須改進，將斷面變化部位設計成錐形過渡，過渡

38、部分的銜接處應采用充分平滑的圓弧連接(續(xù))第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計(2)制定變形工序在制定變形工序時，通常需要考慮如下問題：1) 帶階梯孔的制件，應根據各階梯孔的長徑比確定擠壓工序如圖11-21所示制件階梯孔的長徑比較大，不宜一次擠出，而應每次擠出一個階梯孔，并將孔連接處設計成適當傾斜或圓角過渡形狀。圖11-21帶階梯孔制件的變形工序第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計2)制件相鄰橫截面積差過大時，會增大過渡區(qū)不均勻變形程度，引起模具局部過載、磨損，甚至早期破壞。如圖11-22所示具有較大凸緣的空心件，上、下面積A2和A1相差較大，采用橫截面積A1的管坯很難一次成形。選

39、用如圖11-22a所示橫截面積為A0的管坯兩次成形，正擠壓預成形為圖11-22b所示形狀，然后再冷鐓凸緣成形為圖11-22c所示的最終制件。圖11-22減小斷面積差的工序設計第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計3)設計冷擠壓工序時，應按最小阻力定律合理控制中間工序的金屬流動，使擠壓變形順利進行。如圖11-23所示帶凸緣雙孔制件，可先將圓柱坯料反擠成圖11-23b所示杯形中間坯料，之后有和兩種工藝方案可實施。圖11-23考慮金屬流動的冷擠壓工序設計第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計4)如圖11-24所示，擠壓帶凸緣深孔制件時，應考慮中間坯料的過渡形狀對后續(xù)成形質量的影響。圖11-2

40、4a所示中間坯料為平底，最終成形時孔底轉角很可能產生收縮而導致底部不平。如圖11-24b所示，若將中間坯料側壁與底部交接處設計成內凹形，并使底部小端外徑d2與最終制件外徑一致，則可獲得較好的形狀、尺寸精度。圖11-24中間坯料對最終擠壓制件成形精度的影響第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計3.冷擠壓毛坯的制備圖11-25用于正擠壓的毛坯形狀(1)冷擠壓毛坯形狀及下料1)毛坯形狀正擠壓毛坯一般外形為圓形，可采用如圖11-25所示的四種形狀。反擠壓時采用實心毛坯或空心毛坯，需根據擠壓件形狀結構和具體尺寸確定。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計2)毛坯下料實心毛坯可由棒料剪切下料。但剪

41、切端面比較粗糙，端面與中心軸線的垂直較差，因此，常須鐓平端面后用于擠壓。擠壓毛坯也可利用沖裁板料，端面相對平整，但材料利用率較低。精密擠壓用毛坯由切削制備，端面質量好，通常用于制備厚徑比大于0.5的毛坯。(2)毛坯軟化處理冷擠壓毛坯的軟化處理主要是退火。通常有完全軟化退火(Ac3以上3050，保溫后爐冷)、球化退火(使珠光體中的滲碳體和二次滲碳體球化)和不完全退火處理。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計(3)毛坯表面處理及潤滑毛坯的表面和潤滑處理通常采用磷化后皂化，其工藝流程為：清除表面缺陷、化學去油、熱水清洗、酸洗、流動水清洗，然后進行磷化處理。磷化膜的厚度在1020m之間，它與金屬

42、表面結合很牢，而且有一定塑性，因而擠壓時可隨鋼材一起變形。磷化處理后的坯料還需進行潤滑處理，通常利用硬脂酸鈉或肥皂，即所謂皂化處理。使金屬表面牢固地覆上一層硬脂酸鈉做潤滑或涂敷潤滑劑，實現變形金屬與模具工作表面隔離，減少磨損，提高模具使用壽命。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具四、冷擠壓工藝設計4.選擇冷擠壓設備常用冷擠壓設備主要有普通曲柄壓力機、肘桿壓力機、摩擦壓力機、液壓壓力機及專用壓力機等。按傳動方式可分為機械與液壓兩大類型。機械擠壓機的特點是擠壓速度快，但擠壓速度是變化的，對模具使用壽命和擠壓制件性能的均勻性有不利影響，因此應用有限。對于大批量生產，通常采用液壓壓力機。冷擠壓設備的選擇需滿足冷塑

43、性變形工藝要求，變形力應低于設備的名義噸位，根據擠壓工作行程校核設備的輸出力-行程曲線。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具五、冷擠壓模具1.冷擠壓模設計(1)凸模1)正擠壓凸模正擠壓凸模通常可分為11-26a所示的實心件擠壓凸模和圖11-26b所示的空心件擠壓凸模兩種類型。為了便于維修和更換芯棒，可將空心正擠壓凸模做成圖11-26c所示組合形式。圖11-26正擠壓用凸模的結構尺寸第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具五、冷擠壓模具圖11-27反擠壓用凸模的結構尺寸2)反擠壓凸模反擠壓時，凸模同時承擔傳遞壓力和控制金屬流動的雙重作用。圖11-27a所示為錐形平底凸模，擠壓時，利用錐形底端面減輕金屬橫向流動摩擦阻力。圖1

44、1-27b所示圓角錐底凸?？梢越档蛦挝粩D壓力，但不能保證壁厚均勻。圖11-27c所示平底凸模主要用于制件內表面要求平底面或單位擠壓力較小的情況。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具五、冷擠壓模具反擠壓凸模通常帶有減壓結構即工作帶，工作帶以上凸模直徑d小于擠壓件內徑d1，可減小與流動金屬的接觸面積，進而減輕流動摩擦及制件粘模現象。夾緊部分做成錐形或階梯形，增加強度且便于拆卸。為減輕應力集中，沿凸模軸向應避免斷面突然變化，過渡部分均采用圓角連接。用反擠壓軟金屬薄壁制件時，應開設通氣孔，以避免卸料困難。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具五、冷擠壓模具(2)凹模1)正擠壓凹模正擠壓凹模主要需容納變形金屬，同時還兼有控制金屬

45、流動的作用，通常有整體和組合兩種形式。 整體式凹模整體式正擠壓凹模的結構尺寸如圖11-28所示。整體式凹模加工容易，但在凹模內孔轉角處因應力集中很容易劈裂。因此，擠壓加工黑色金屬時，不宜采用。圖11-28正擠壓整體凹模的結構尺寸第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具五、冷擠壓模具圖11-29分體式正擠壓凹模 組合式凹模為避免擠壓凹模內孔轉角處劈裂，可將凹模在易劈裂處分割開，做成組合凹模。圖11-29a為橫向分體式凹模；圖11-29b為縱向分割式凹模；圖11-29c將擠壓筒和凹模鑲塊分別配入各自的預應力圈內，然后壓入外預應力圈中；圖11-29d采用硬質合金凹模鑲塊，增加凹模強度和硬度，并將其配入擠壓筒體內。第五節(jié) 冷擠壓工藝及模具五、冷擠壓模具2)反擠壓凹模反擠壓凹模也分為整體和組合兩種類型。圖11-30a為整體凹模，用于帶下頂料裝置的反擠壓。圖11-30b所示兩種凹模也是整體式；圖11-30c是上、下分體式結構，可用于大批量生產；圖11-30d、e所示貫通式分體凹?？杀苊鈶袑е碌呐?，但需保證模具制造調試精度，以防擠壓制件底部形成毛刺。圖