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机械工程学院毕业设计(论文)题目钎套温挤压模具设计专业机电技术教育目录TOC\o1-3\h\z\uHYPERLINK\l_Toc
3892043011、前言3HYPERLINK\l_Toc3892043022温挤压工艺简介3HYPERLINK\l_Toc
3892043032.1温度范围4HYPERLINK\l_Toc
3892043042.2温挤压工艺的优点4HYPERLINK\l_Toc
3892043052.3温挤压工艺的缺点5HYPERLINK\l_Toc3892043063挤压的基本方法5HYPERLINK\l_Toc
3892043073.1正向挤压法5HYPERLINK\l_Toc
3892043083.2反向挤压法6HYPERLINK\l_Toc
3892043093.3复合挤压法6HYPERLINK\l_Toc3892043104温挤压件的工艺方案6HYPERLINK\l_Toc
3892043114.1钎套材料的选择7HYPERLINK\l_Toc
3892043124.2钎套形状设计7HYPERLINK\l_Toc
3892043134.
2.1挤压件的形状设计原则7HYPERLINK\l_Toc
3892043144.3下料9HYPERLINK\l_Toc
3892043154.4镦粗10HYPERLINK\l_Toc
3892043164.5温挤压前润滑10HYPERLINK\l_Toc
3892043174.6温挤压温度的确定及毛坯的加热11HYPERLINK\l_Toc3892043185温挤压成型13HYPERLINK\l_Toc
3892043195.2温挤压压力13HYPERLINK\l_Toc
3892043205.
2.1影响温挤压压力的因素13HYPERLINK\l_Toc
3892043215.
2.2温挤压压力的计算14HYPERLINK\l_Toc
3892043225.
2.3反挤压压力计算14HYPERLINK\l_Toc3892043236温挤压模具设计14HYPERLINK\l_Toc
3892043246.1模具材料的要求及选用14HYPERLINK\l_Toc
3892043256.2模具结构15HYPERLINK\l_Toc
3892043266.3工作零件的设计16HYPERLINK\l_Toc
3892043276.
3.1反挤压凸模16HYPERLINK\l_Toc
3892043286.
3.2反挤压凸模尺寸参数设计17HYPERLINK\l_Toc
3892043296.
3.3反挤压凸模防止失稳措施18HYPERLINK\l_Toc
3892043306.
3.4反挤压凹模19HYPERLINK\l_Toc
3892043316.
3.5组合凹模尺寸计算21HYPERLINK\l_Toc
3892043326.
3.6组合凹模的压合工艺22HYPERLINK\l_Toc
3892043346.
3.7顶杆设计23HYPERLINK\l_Toc3892043357卸件和顶出装置设计24HYPERLINK\l_Toc
3892043367.1卸件装置25HYPERLINK\l_Toc
3892043387.2顶出装置25HYPERLINK\l_Toc3892043398导向装置设计26HYPERLINK\l_Toc
3892043408.1导向方法26HYPERLINK\l_Toc
3892043418.2导柱导套导向装置26HYPERLINK\l_Toc
3892043428.
2.1导柱导套布置形式26HYPERLINK\l_Toc
3892043438.
2.2导柱导套紧固方法26HYPERLINK\l_Toc3892043509模架的选择27HYPERLINK\l_Toc38920435110压力垫板设计28HYPERLINK\l_Toc
38920435210.1压力垫板的作用28HYPERLINK\l_Toc
38920435310.2压力垫板的设计计算28HYPERLINK\l_Toc38920435411凸模和凹模的紧固方法28HYPERLINK\l_Toc389204355结论30参考文献1HYPERLINK\l_Toc389204359致谢33钎套温挤压模具设计摘要以凿岩工具中的配套件“钎套”为例进行温挤压工艺研究并据此设计出了成形模具,经实际生产证明所做的工艺理论分析正确可行选用的工艺参数温度、压力正确采用组合式凹模结构可显著提高使用寿命,模具设计合理关键词钎套、温挤压、模具设计1前言现代工业迅猛的发展使挤压提到了圩广泛的应用,对挤压模具的设计与制造要求越来越高由于挤压是挤压生产的主要工艺装备,所以其设计是否合理对挤压件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益都有很大的影响因此提高挤压模具的设计水平和挤压模具的各项技术指标,对现代工业的发展是十分必要的
[1]挤压工艺广泛应用于机械、汽车、五金制品等行业中挤压是将金属毛坯放入模具模腔内,在强大的压力和速度作用下迫使金属从模腔中挤出,从而获得达到或接近成品零件的形状、尺寸及一定力学性能的挤压件它是在传统的金属塑性加工基础上发展起来的一项新技术温挤压成形技术是近年来在冷挤压塑性成形基础上发展起来的一种少无切削新工艺,是产品零件加工中的重要手段之一,与其他制造工艺如切削加工、铸造、锻造相比它具有优质、高产、低消耗、低成本等优点在挤压过程中金属材料在三向不等的压应力作用下挤压后金属材料的晶粒组织会更加细小而密实金属流线不被切断而是沿着挤压件轮廓连续分布从而提高了零件的综合机械性能钎套是凿岩工具中的配件,其结构见图1,材料为T10碳素工具钢从零件的结构工艺上看,其内部孔的结构非常复杂变形程度较大,故采用变形抗力较小的温挤压塑性成形工艺进行成形这样即保证了零件的质量和强度,又减化了软化退火热处理工序,压力机吨位也较小,具有较好的技术经济效
[2]2温挤压工艺简介温挤压成形技术是近年来在冷挤压塑性成形基础上发展起来的一种少无切削在室温以上、再结晶温度以下某一温度范围内进行的一种挤压也有人认为,变形前将坯料加热主,变形后挤压材料只要具有加工硬化现象,在这样条件下的挤压成形均可称为温挤压新工艺是产品零件加工中的重要手段之一与其他低成本等优点一般指的是金属材料在挤压过程中金属材料在三向不等的压应力作用下挤压后金属材料的晶粒组织会更加细而密实金属流线不被切断而是沿着挤压件轮廓连续分布从而提高了零件的综合机械性能
[15]
2.1温度范围温挤压将坯料加热到比热挤压时低的适当温度金属再结晶温度以下进行挤压一般钢材温挤压的温度范围是高于室温而低于750~850℃的,对铝及铝合金是从室温以上到达350℃以下,对铜及铜合金是从室温以上到达50℃以下
[12]
2.2温挤压工艺的优点温挤压是在冷挤压和热挤压的基础上发展起来的一种少无切削塑性成形工艺,它具有优质、高效、耗能少等优点温挤压的变形温度一般是在室温以上再结晶温度以下的温度范围内它在一定程度上兼备了冷挤压与热挤压的优点,同时也减少了它们各自的缺点这是因为温挤压是将坯料加热到某一温度进行加工,坯料的变形力比冷锻小,成形比冷锻容易可以采用比冷锻大的变形量,从而减少工序数目,减少模具费用和压力机吨位还可采用刚性不很大的通用设备,模具寿命也比冷挤压模具要高很多另一方面,与热挤压相比,由于其加热温度低,氧化脱碳减轻,产品尺寸公差等级较高,产品的力学性能也较高温挤压将坯料加热到比热挤压低的,某个适当的温度进行挤压,一般不需要进行坯料预先软化退火和工序之间的退火,也可以不进行表面之间的磷化处理1由于被挤压后金属坯料的变形抗力比冷挤压时要小(温挤压的温度在750~850℃时,材料的屈服应力大约降低成1/3)因此可以显著减小挤压时模具所受有压力;并可用于挤压难加工材料;显著提高材料挤压变形程度,因此可以减少工序和中间处理次数
(2)坯料的变形抗力减小使得成形压力的吨位也可以减小,如果控制合理,模具的寿命也比冷挤压时要高
(3)温挤压坯料在较低的温度范围内加热,使氧化,加热、脱碳大大减轻,所以产品的尺寸精度较高,表面粗糙度值降低温挤压件的力学性能比退火时要高如果在低温范围内挤压,产品的力学性能与冷挤压件的差别不大4在较高温度(650~800℃)进行温挤压时,材料不需要软化退火和各工艺之间的退火,也没需要进行表面的磷化处理,可以减少许多的工序(磷化,退火等),更便于组织连续生产5温挤压成形比冷挤压更容易,可以采用大量的变形,从而减少工序的数目使模具费用大为减少,特别是在制造工序复杂的非轴对称的异形零件时,温挤压的优势更加突出
(6)温挤压主要适用以下几种情况a、用冷挤压对高合金钢、高强度钢进行加工有困难时b、一般材料变形尺寸或零件尺寸较大,以致冷挤压时现有设备能力不足时c、打算组织连续生产时d、形状复杂或者为了改善产品综合力学性能时而不宜采用冷挤压变形时
(7)温挤压主要适用的材料a、变形时硬化剧烈或者变形抗力不高的不锈钢、高碳合金钢、轴承钢和不锈钢等b、在室温下难加工的材料,不锈蚀钢和一些铬含量高的钢、耐热钢合金、镁及镁合金、钛及钛合金等c、冷变形时塑性差,容易开裂的某些铝合金、铜合金、钛合金材料d、冷态难加工而热态易氧化,吸气的材料,如钛,钼,铬等
2.3温挤压工艺的缺点温挤压与冷挤压相比,需要增加加热装置,产品尺寸精度与表面粗糙度虽与冷挤压相近,但总不免稍差一些由于坯料需要加热,使劳动条件较冷挤压差一些温挤温度难以控制温度过高,超出再结晶温度,影响产品的机械性能;温度过低,既会影响成形,又加大了挤压力温挤润滑剂至今还未完全解决,这就影响了温挤技术的大力推广3挤压的基本方法根据挤压时金属流动方向与挤压轴运动方向之间的关系,常见的挤压方法有
3.1正向挤压法正向挤压是挤压生产中应用最广泛的一种方法,主要特点是挤压时金属的流动方向与挤压轴的运动方向一致在挤压过程中挤压筒固定不动,锭坯在挤压轴压力的作用下沿着挤压筒内壁向前移动,使得锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈的摩擦并引起锭坯的温度升高正向挤压又分为实心件正向挤压和空心件正向挤压,空心件正向挤压又分为固定针空心挤压和随动针空心挤压正向挤压生产的特点是制品的尺寸范围广,灵活性大,自动化简单,投资费用少,易分离残料;但由于挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁的激烈摩擦,从而使挤压力损失,同时,摩擦产生的温度使锭坯的温度不均匀,导致金属流动不均匀为避免由于流动不匀造成制品产生裂纹等缺陷必须降低挤压速度,从而导致生产效率降低,挤压残料较厚
3.2反向挤压法反向挤压法是针对正向挤压法在挤压过程中锭坯表面与挤压筒内壁发生激烈摩擦的情况出现的另一种挤压方法主要特点是挤压时金属的流动方向与挤压轴的运动方向相反,使挤压过程中的锭坯表面与挤压筒内壁之间无相对运动,改变了金属在挤压筒内流动的力学条件,减小了所需的挤压力,降低了变形的不均匀性常见的反向挤压法有带堵头反向挤压和双挤压轴反向挤压两种,如图c和图d所示反向挤压生产的特点是可减小总挤压力的,适用于硬合金挤压生产,金属的流动性较好,从而使挤压制品的组织和性能均匀,但由于受到挤压轴、挤压模的限制,使挤压制品的表面质量欠佳,而且对锭坯表面质量要求严格,分离残料困难由于受到设备条件及分离残料困难等因素的限制,因而使其在工业生产中的运用受到很大限制,但近年来随着生产技术的发展和设备结构的改进,在实际生产中反向挤压又有新的发展
3.3复合挤压法复合挤压法将正向挤压法和反向挤压法的特点结合起来,生产断面形状为圆形、方形、六角形、齿形、花瓣形的双杯类、杯杆类和杆杆类挤压件,也可以制造等断面的不对称挤压件复合挤压法是在挤压时使锭坯的一部分金属的流动方向与挤压轴的运动方向相同,而另一部分金属的流动方向与挤压轴的运动方向相反,如图所基于以上各挤压法的特点以及钎套的结构,在此选用反挤压法来对钎套进行塑性成形
[17]4温挤压件的工艺方案挤压件的工艺性对挤压的质量、模具的寿命和生产效率影响很大挤压件的外形多是轴对称形状,设计挤压零件时应根据其挤压变形的规律,对产品零件图进行适当的修改,使之成为具有良好挤压工艺性的适合挤压加工的零件温挤压件是适合挤压成形的零件,应依据产品零件图,考虑依据产品零件图,考虑压力工艺和机加工工艺的要求进行设计
[6]
4.1钎套材料的选择钎套是凿岩工具中的配件,其材料为T10碳素工具钢T10碳素工具钢http://zhidao.baidu.com/searchword=%E7%A2%B3%E7%B4%A0%E5%B7%A5%E5%85%B7%E9%92%A2fr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank,强度及耐磨性均较T8和T9高但热硬性低,淬透性http://zhidao.baidu.com/searchword=%E6%B7%AC%E9%80%8F%E6%80%A7fr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank不高且淬火http://zhidao.baidu.com/searchword=%E6%B7%AC%E7%81%ABfr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank变形大,晶粒http://zhidao.baidu.com/searchword=%E6%99%B6%E7%B2%92fr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank细在淬火http://zhidao.baidu.com/searchword=%E6%B7%AC%E7%81%ABfr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank加热时不易过热仍能保持细晶粒http://zhidao.baidu.com/searchword=%E6%99%B6%E7%B2%92fr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank组织;淬火http://zhidao.baidu.com/searchword=%E6%B7%AC%E7%81%ABfr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank后钢中有未溶的过剩碳化物http://zhidao.baidu.com/searchword=%E7%A2%B3%E5%8C%96%E7%89%A9fr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank,所以耐磨性高用于制造具有锋利刀口和有少许韧性的工具适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具,也可用作不受较大冲http://zhidao.baidu.com/searchword=%E5%A4%A7%E5%86%B2fr=qb_search_expie=utf8eid_gfrom=151\t_blank击的耐磨零件
4.2钎套形状设计挤压件的工艺性对挤压件的质量、模具寿命和生产效率有很大的影响
4.
2.1挤压件的形状设计原则1挤压工件横断面尽可能保持对称,侧面应保持平直,不得有凸出或凹进的形状2反挤压或复合挤压时底部厚度不应小于壁厚在内孔底面制成斜面,以利于金属流动并降低挤压力3挤压过度的截面应避免尖角,因为尖角处金属流动困难,阻力升高,模具转角处容易磨损和开裂在允许和情况下尽量将尖角改为圆角,以利于金属流动4多次挤压时要合理分配悉听各次的变形量,并考虑各次挤压的定位问题5避免内锥体形状挤压内锥体零件,模具寿命低对此应加大余量,挤压后用切削加工得到6零件径向应尽量避免有幅板、十字筋或局部凸出等形状因为成形这此形状时,金属流动非常困难7避免挤出阶梯变化小的零件当阶梯变化小时,用切削加工方法做出阶梯比较有利但当阶梯的直径较大时也可挤压阶梯8避免零件壁上有环形槽挤压时不能做出凹槽,可在挤压加工后用切削加工方法加工9避免挤小而深的孔零件有10mm以下的深孔(一般孔深大于直径的话
1.5倍),用挤压加工方法加工不经济,这类孔可在挤出后钻出10避免侧壁有径向孔
[4]设计挤压件形状时应考虑的因素工艺性挤压工艺性好,成形容易模具结构模具结构简单,加工制造容易材料利用率切削加工部位少,余量小,耗材低工艺力挤压工艺小成形工序所需的成形工序和中间退火次数少挤压设备对挤压设备的要求质量质量和精度容易控制和保证成本生产成本低图4-1钎套零件图挤压件是适合挤压成形的零件,应依据产品零件图,考虑依据产品零件图,考虑压力工艺和机加工工艺的要求进行设计钎套是凿岩工具中的配件,其结构见图1,其材料为T10碳素工具钢从零件结构上看,其内部孔的结构复杂,变形程度较大,故采用变形抗力较小的温挤压塑性工艺成形这样即保证了零件的强度的质量,又简化了软化退火热处理工序,压力机吨位也减小了,且钎套属于轴对称零件,生产手手批量较大,为了提高材料的利用率,并使材料的力学性能得到提高,采用温挤压加工钎套,具有较好的技术经济效益
[4]
4.3下料使用剪切模下料剪切下料的特点利用剪切模具或型剪机进行下料没有材料损耗,是最有效、节约的下料方式剪切坯料的形状和尺寸精度高,可满足一般温挤压的要求剪切下料又可分为冷剪切和热剪切两种为了减少剪切时的工序以及提高剪切后棒料的端面平整度,在此选用冷剪切进行下料温挤压坯料的形状应该根据零件相应横断面积来确定一般旋转体及轴对称多角类零件可以选用圆柱形坯料,毛坯用料为实心棒料,下料前先计算坯料长度毛坯的体积按体积不变条件计算,并应加上修边量,即Vo=Vp+Vs=92692mm³+3708mm³=96400mm³式中Vo是毛坯体积(mm³),Vp挤压件体积,Vs是修边量体积Vs取3%~5%的Vp毛坯的切断长度为=/=96400mm³/π/4×38²=85mm式中为坯料的长度(mm)为坯料的横断面积mm,根据市的供应情况,坯料的规格为φ38mm×85mm
4.4镦粗用剪切模制备坯料时,剪断的坯料端面比较粗糙,端面与中心轴线不能保持垂直,有一定的斜度因此坯料在剪切后,一般用镦平模将坯料端面压平后再进行挤压镦粗后,坯料规格为φ
41.5mm×
71.3mm冷镦力计算公P=pF=
0.785PD²式中p为单位挤压力,钢材取1000~2000MPa,变形程度大时取上限,变形程度小时取下限F为镦粗后工件的横断面积mm²D为工件镦粗后直径mm冷镦力P=1352KN,考虑安全系数,选设备偏心式压力机J87-160
[5]
4.5温挤压前润滑由于挤压时的单次变形量很大,金属与模具接触面上的单位正压力极高,相当于金属变形抗力的3~10倍,甚至更高在此条件下,变形金属的表面发生剧烈的更新,从而使金属黏结工模具的现象严重为了减少或消除这种现象的出现,在挤压时一般要采用润滑剂温挤压前工序之间不需要进行软化退火处理,只需进行表面处理及润滑润滑剂在温挤压过程中能提高模具寿命和产品成形率,但润滑剂不同所表现的效果也不同对润滑剂有如下要求1可耐2000MPa以上的高压2能覆盖温挤压时形成的大片新生表面3尽量保持低的摩擦系数4应具有足够的热稳定性、耐热性和绝热性,在温挤压时仍能保持很好的润滑效果,良好的绝热性可防止坯料与模具接触时温度急剧降低,也避免模具温度升得太高,有利于提高模具寿命5要保证有较好的湿润性即成膜性,能均匀地扩散到坯料与模具表面,形成均匀而牢固的润滑膜,并应具有一定的冷却性能,在连续高速成形时有利于提高模具的使用寿命6在加热温度范围内,有足够的黏度和附着性能,能均匀地粘附在毛坯或模具表面上,而不形成堆积的薄膜7化学稳定性好,保证温挤时不分解,不氧化变质,无毒,无公害,对产品和模具没有腐蚀作用当挤压温度在250℃以上时,采用冷挤压时的润滑方法,会使磷化层和皂化层烧毁,使润滑条件恶化,因此,在温挤压时,对润滑剂有更高的要求在600~800℃范围内,采用水剂石墨成分石墨、二硫化鉬、滑石粉、纤维素和水为润滑剂挤压前将坯料作喷砂或抛丸等处理,清理锈迹、污垢等然后加热至200左右,出炉浸入水剂石墨润滑剂中,快速捣匀,吊起沥干残液,在干燥处摊开晾干干燥后的坯料即可进行加温挤压浸涂润滑剂后的坯料表面必须留有
0.03~
0.1mm厚的薄膜,呈黑炭色,并有明显的黑灰色小点,若不然必须重新浸涂
4.6温挤压温度的确定及毛坯的加热成形温度是温挤压工艺能否顺利进行的关键因素确定温挤压成形温度的原则是1选择在金属材料塑性好、变形抗力显著下降的温度范围2选择在金属材料发生剧烈氧化前的温度范围,以保证在非保护性气氛中加热时氧化极微3能使所用润滑剂能达到最小摩擦因数,不因高温或低于其使用温度而失效4选择在金属材料成形后能强化和不改变其组织结构的温度范围图4-2为T10A加工温度与变形抗力的关系,可知在300~450℃之间出现上升峰值,这一区间就是蓝脆区,下降较为剧烈为了降低变形力,加热温度应高于蓝脆区为满足挤压时对钢塑性的要求,在温挤压高强度的材料时往往选择在钢的相变温度进行挤压在相变区挤压,即铁—碳平衡相图Ac₁~Ac₃线之间挤压,此时很多高强度钢及合金在相变区内正处于珠光体向奥氏体转变,塑性好,变形抗力小,有利于挤压成形T10A的温塑性变形温度通常在650~750℃之间,高于750℃时工件的氧化变得剧烈,低于650℃时工件的变形抗力迅速增大由于工件的变形程度较大,故将温挤压温度定在700℃在这温度下T10A的变形抗力为常温下的10氧化极微考虑到加热温度的波动,最终将挤压温度定为700±20℃
[8]图4-2T10的温度曲线坯料加热后的直径可按公式式中——温室时毛坯直径——材料的线性膨胀系数,t——坯料高于室温的温差,查表得T10的线性膨胀系数为
13.5×10其中挤压定为720℃,室温为20℃则=38×(1+
0.0095)=
38.3mm5温挤压成型
5.1断面变形程度的计算钎套温挤压件的断面变形程度式中;Fo为温挤压变形前毛坯的横断面积mm为温挤压变形后制件的横断面积㎜²=1422-985/1422×100%=31%在700℃时T10A的许用变形程度为60%,因此可一次成形
5.2温挤压压力温挤压压力大小对温挤压变形工艺的制定、压力机的吨位的选用、模具结构的设计以及对模具寿命的影响等,都有有很大的作用
5.
2.1影响温挤压压力的因素与冷挤压一个样,影响温挤压压力和因素也很多,其主要有化学材料成分、组织状态、变形程度、挤压方式模具结构、挤压件形状尺寸及加热温度除了加热温度以外,其它影响因素与冷挤压因素相似,随着温度的升高,挤压变形抗力逐渐下降,温挤压力也明显下降与冷挤压相比,低温温挤压变形抗力要降低于15%,中温或高温温挤压变形抗力要下降50%~70%,由此可见,温挤压压力较冷挤压有明显的下降,这对于挤压加工硬化敏感材料更为突出
5.
2.2温挤压压力的计算温挤压压力计算有图算法和公式计算法,由于公式计算法相对方便一点,在此就用公式计算法,用理论计算法求得温挤压时的单位挤压力的精确值是比较困难的,在生产实际中一般用经验公式
[9],
5.
2.3反挤压压力计算T10温挤压单位挤压T10在700℃的变形程度为60%,所以由上表可以查得此时的单位挤压力为了1090Mpa则总挤压力由公式P=pF=1090××
38.36²=1259718N=
1259.7KN6温挤压模具设计
6.1模具材料的要求及选用温挤压模具在挤压成形过程中%要经受高压及变形的作用,在连续生产时模具温度可达300~500℃或更高因此作为温挤压模具材料应具备如下特点1模具温升后模具材料的屈服强度应高于挤压时作用在模具上的单位挤压力2模具材料除具有高强度高硬度一定的韧度外,还应具有高的热硬性高温耐磨及耐热疲劳性3模具材料的热膨胀率要小,热导率要大%比热容也要大4制造工艺好,有利于热锻热处理及切削加工等凸模对抗压性能有很高的要求,而且温度可300~500℃或更高,故选用W18Cr4V高速W18Cr4V具有较高的变形抗力耐磨性及断裂抗力有很高的热硬性,热处理硬度要求达到50~63HRC凹模对耐磨性有较高的要求,一般需用组合凹模凹模选用YG20硬质合金,其加热到800℃时还能保持高的热硬性和耐磨性YG20硬质合金冲击韧性很差,性脆、易开裂,所以选用三层组合式凹模结构见图4,内预应力圈与凹模和外预应力圈是过盈配合,内预应力圈的材料必须具有足够的强度与韧性,选用Cr12Mo,热处理硬度达到60~62HRC,外预应力圈选用45#钢这样提高了凹模的强度,延长了模具的寿命,还可以减少昂贵的高级模具材料的消耗,大大地降低模具成本
6.2模具结构温挤压成形用的模具,要能承受温挤压塑性成形时引起的较大轴向压力和径向压力,要求其强度高,刚度和精度都能适用各种成形工序的要求,尤其是模架,要通用性好,便于安装、调整与更换温挤压模具的结构设计如图3所示工作部分由凹模、凸模和下顶出器组成在开始温挤压之前应使用喷灯或在模具工作部分放上烧红的钢块进行预热,使模具工作部分具有约150~300℃的温度每次温挤压以后,用压缩空气冷却凸凹模等工作部分,并增加每次温挤压工序之间的间隔时间
[10]
6.3工作零件的设计正确选择凸、凹模工作部分尺寸和形状,可以保证模具有较高的寿命,降低挤压力,同时有利于挤压时金属的流动成形
6.
3.1反挤压凸模反挤压凸模一般由夹紧和成形两部分组成,当反挤压凸模在挤压时靠模口导向时,则还需增加导向部分图6-1温挤压模具结构
1、反挤压凸模形式合理的反挤压凸模成形部分形状和尺寸,可以有利于金属的流动,降低单位挤压力,从而提高模具的使用寿命按反挤压凸模成形部分的形状不同有三种常用形式,图4中的尖顶锥形凸模,斜角越大则单位挤压力越小,生产中一般斜角为5~9°但是斜角越大,当毛坯表面不平时,挤压时凸模要歪斜,造成零件壁厚不均匀平底凸模用于挤压件内孔要求平底或单位挤压力较低的场合因此我们选用尖顶锥形凸模反挤压凸模的有效工作部分是图中高度为h的圆柱形表面,称之为工作带,工作带以上的凸模直径略小些,工作带的作用有以下三点
(1)减小凸模与挤压金属的接触面积,可大大降低摩擦阻力;
(2)防止挤压结束时,挤压件粘在凸模上;
(3)挤压时,不会由于凸模工作带以上部分的弹性变形而产生的直径增大,影响挤压件内孔的尺寸精度工作带又称为定径带,是模具中垂直模具工作端面并保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段,也是模孔重要的组成部分正确选择工作带长度,有利于提高挤压制品质量与金属流动的均匀性工作带长度的选择应根据挤压机的结构形式(立式或卧式)、被挤压的金属材料、制品的形状和尺寸等因素来确定若工作带长度太长,则挤压金属残料易粘结在工作带表面,使制品表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷,同时增大模具与被挤压金属的摩擦力,金属流速变慢,增大挤压力等现象;若工作带长度过短,则会加快模孔的磨损,使制品尺寸不稳定,出现超差现象,且因金属流速较快致使制品断面各部分金属流动不均匀而形成波浪、扭拧、弯曲等缺陷工作带合理长度的确定原则如下
(1)按照挤压时能保证制品断面尺寸的稳定性和工作带的耐磨性来确定的最小值一般来说,工作带的最小值为
1.5~
3.0mm
(2)根据挤压时金属与模孔工作带最大有效接触宽度来确定工作带长度的最大值超过此值的那部分工作带,就将失去塑性成形的定径和调节金属流速的作用
(3)挤压型材的模具工作带长度取值时,应视情况不同而有所区别例如,一些简单断面实心型材,如等壁厚角形、丁字形、工字形之类,模孔各部位的工作带长度可以是相同的,一般取值为;而对于建筑型材,因挤压比大,挤压速度快,制品长度较长,即使是等截面等壁厚的情况,模具工作带取值也应不相同,要参照生产实际经验确定
6.
3.2反挤压凸模尺寸参数设计反挤压凸模所受到的单位挤压力比正挤压时大同时由于坯料放偏斜或坯料端面不平整,会使凸模在反挤压时受到偏心载荷而弯曲折断所以其工作条件比正挤压凸模更为恶劣,因此必须合理设计和正确选择反挤压凸模的尺寸参数
[11]反挤压凹模各部分尺寸参数的确定如下反挤压凸模尺寸参数设计计算工作带高度h2~3mm底部平坦部分直径
0.5d锥顶角7~27°非工作部分直d1(
0.97~
0.98)d斜面与工作带交接处r
00.5~
1.5mm斜面与平坦部分交接处r
0.8~
1.8mm定位直径d
21.2~
1.4d定位高度h
20.6~
0.7d支承部分直径d
31.4~
1.6d支承部分高度h
30.5~
1.0d3支承部分锥半角5~15°支承锥面与d2交接处R
11.0d2D与d2交接处R
22.0dD与d1交接处R
31.5d依据上表可得出突模的尺寸参数如下工作带直径d=25mm工作带高度取h=4mm锥顶角取9度非工作部分直径d1=
0.98d1=
0.98×25=
24.5mm斜面与工作带交接处r0=1mm定位直径d2=
1.4d=
1.4×25=35mm定位高度h2=
0.7d=
0.7×25=
17.5mm支撑部分直径d3=
1.5d=
1.5×25=
37.5mm支撑部分高度h3=
1.0d3=
37.5mm支撑部分锥半角度10度
6.
3.3反挤压凸模防止失稳措施 反挤压凸模的成形部分长度h1应当越短越好,这样可以避免凸模在挤压时产生纵向弯曲而失稳凸模的成形部分长度按照经验数值,其许用范围如下h1/d1≤
2.5~3图6-2凸模
6.
3.4反挤压凹模组合凹模的优点是
(1)显著地提高内凹模在挤压时的承载能力,提高内凹模的强度
(2)节省了昂贵的模具钢原来整个凹模要用高级合金工具钢制成,现在仅内凹模用高级合金工具钢即可,预应力圈可改用较差一些的合金钢或中碳钢来制成
(3)由于内凹模尺寸小,热处理容易,提高了模具钢热处理的质量,同时小尺寸规格模具钢的碳化物偏析情况得到改善,提高了模具钢的原始材质当内凹模损坏后,仅需调换内凹模,预应力圈仍可继续使用4内凹模可以采用硬质合金,大大地延长模具使用寿命硬质合金呈脆性、抗拉性能差,其不可能作为整体式凹模的材料但当组合凹模设计得使内凹模内壁在挤压时完全没有切向拉应力或切向拉应力较小时,硬质合金就能作为内凹模的材料充分发挥其硬度高、极耐磨的特点,可广泛地应用于大批量挤压的场合反挤压凹模形式根据零件的形状、尺寸、精度及材料种类不同,反挤压凹模也有各种形式一般反挤压凹模有成形和顶出两部分组成在挤压外壁粗糙度较低,同时壁厚精度较高的有色金属零件时,可以采用在凹模口部设置盛料腔,挤压时,凸模先以略为减径的方式将坯料压入成形型腔,然后再进行反挤压这样可以减小坯料与成形型腔之间的间隙,同时坯料外周表面也通过减径挤压而粗糙度大为降低,并且盛料腔又可起到模口导向作用图5为其他一些常用反挤压凹模形式图a~图d用于有色金属薄壁件反挤压,挤压后工件不会卡在凹模内,所以不需要顶出装置其中图a为整体式,其特点是结构简单、制造方便,缺点是转角半径R处容易开裂下沉图b也为整体式,但凹模型腔底部有25°斜度,挤压时有利于金属流动图c、图d为分割式凹模,寿命比整体式凹模长图c为纵向分割式凹模,其镶块在装配前与凹模为过盈配压,压入预应力圈后,其过盈量将更大,这样可以避免在角部产生毛刺图d为横向分割式凹模,为了避免挤压时金属材料钻入上下模的贴合面,贴合面也要像前述正挤压横向式组合凹模一样,要有特殊的要求生产实践证明,就是象纯铝这样流动性好的金属也不含钻入拼缝中同时,上下凹模应有较高的制造精度,以避免挤压件底部产生联接痕迹图e、图f均带有顶出装置,以适用于黑色金属或厚壁工件的反挤压图e适用于工件底部外形呈尖角的反挤压件,图f适用于工件底部外形呈一定圆角半径的反挤压如果工件底部要求平整,其顶杆的高度要略高出凹模型腔底平面,以抵消挤压时顶杆长度由于弹性压缩变形而缩短顶杆的高出量根据材料和变形程度的不同而有所区别abcdef图6-3常用凹模形式在温挤压的生产实践中,人们经常发现,如果整体式凹模在挤压中受到的单位挤压力较大时,往往导致凹模向外扩展而产生切向开裂,如图6-20所示为了提高冷挤压凹模的强度,确保凹模在较大的单位挤压力下有较长的使用寿命,一般均采用预应力组合凹模结构形式所谓组合凹模就是利用过盈配合,用一个或两个预应力图将凹模紧套起来而制成的多层凹模结构根据单位挤压力大小,冷挤压凹模可采用三种类型,即整体式凹模图a,两层组合凹模图b,三层组合凹模图c其中左半图为末压合前,右半图为压合后为了提高反挤压凹模使用寿命,节省模具材料,一般反挤压凹模都采用组合凹模形式,内凹模外面加压上预应力预应力组合凹通过外套对内圈施加预应力,使温挤压所收起的切向拉应力被迫预压时产生的切向压应力部分或全部抵消,从而提高的模具强度通常3层组合凹模是整体式凹模的
1.8倍
6.
3.5组合凹模尺寸计算组合凹模尺寸计算首先要确定凹模的形式,即采用整体式还是采用两层或三层组合凹模;其次要确定组合凹模内凹模和各层预应力圈的直径;最后决定内凹模和各层预应力圈的径向过盈量和轴向压合量预应力组合凹模公内圈采用硬质合金,中外圈采用一般材料,从而结省了昂贵材料由于其凹模尺寸较整体式要小,从而提高了热处理的质量凹模损坏后,不不必调换外圈,节省了材料和加工费用,但组合凹模的加工面多压合工艺要求较高,因此组合凹模只在单位挤压力较大,整体式凹模强度不够的情况下使用
(1)凹模形式的确定在设计组合凹模时,根据内凹模使用材料可分为两种情况a、一般工具钢制成的内凹模,有足够的抗拉强度,允许在一定的拉应力状态下工作当单位挤压力p≤1100MPa时,可采用整体式凹模当1100MPap≤1600MPa时,可采用两层组合凹模(即具有一层预应力圈)当1600MPap≤2500MPa时,可采用三层组合凹模(即具有两层预应力圈)b、硬质合金作为内凹模材料,由于抗拉强度很低甚至为零设计时就必须设定其不允许在拉应力状态下工作当p≤1100MPa时,采用两层组合凹模;当1100MPa≤p≤1900MPa时应采用三层组合凹模整体式凹模在这种情况下没有使用价值
[12]2组合凹模各圈尺寸确定凹模的总直径比a一般取4~6的数值,但对于多层组合凹模而言,中间各圈直径的确定必须合理,否则会影响凹模的强度反挤压内层凹模尺寸确定,一般内凹模型腔尺寸参数见图6-17,其尺寸计算见表6-3对于要求不高的反挤压件,为了减小挤压时金属流动的阻力,同时也为了送料和取料的方便,凹模内孔可略带锥度,一般单边斜度为10′~20′凹模型腔抛光至Ra
0.2µm,使挤压时金属阻力减小到最低限度查表凹模入口处圆角半径r=3mm凹模型腔高度=
82.3mm顶件部分高度=D₂=68mm凹模总高度H=
2.5=170mm型腔转角处圆角半径R=2mm内应力圈内径=68mm内层预应力圈外径=
108.8mm外层预应力圈=
174.8mm预应力圈倾角γ=2°
(3)三层组合凹模径向过盈量μ₂、μ3与轴向压合量C₂、C₃的确定在决定了三层组合凹模的各圈直径之后便可查出径向过盈系数β与轴向压合系数δ然后按下式计算径向过盈量、与轴向压合量C₂、C₃由挤压模具简明设计手册查表
6.30得=
0.2004=
0.0106=
0.12=
0.006=D₂=
0.7208,C₂=D₂=
13.87=D₃=
0.6528,=D₃=
13.056式中、————D₂、D₃处的径向双向过盈量(mm);、————D₂、D₃处的轴向压合量(mm);、——D₂、D₃处的径向过盈系数;、——D₂、D₃处的轴向压合系数;
6.
3.6组合凹模的压合工艺根据组合凹模过盈量的大小及具体的生产条件,选用适当的压合工艺目前在生产实践中主要有以下三种方法
1、热压配合法先将外圈加热后再套到内圈上,利用热胀冷缩的原理使外圈在冷却后将内圈包紧,也俗称为“红套”采用这种方法,各圈的配合面均为圆柱面,加工容易但当预紧过盈量较大时,预应力圈的加热温度可能高于材料的回火温度(一般回火温度为500~600℃),就会使材料的硬度下降,缩短凹模的使用寿命外圈加热选择的热膨胀变形要比实际所需的热膨胀变形大10%对于加热温度高于450℃时,必须采用防氧化措施因此热压配合法仅适用于小过盈量的压合
2、冷压配合法采用干冰或低温处理装置将内凹模冷却,然后再将预应力圈套在内凹模外这种方法各圈的配合面也均为圆柱面由于冷却温度有一定限制,该法也仅适用于小过盈量的压合
3、常温强力压合法常温强力压合时各圈的配合面均为锥面,锥面配合斜度γ一般采用1º30,不宜超过3°,否则在使用过程中会自动松脱各圈配合面要有70%以上的面积相贴合,否则将造成预紧力达不到要求而使得内凹模开裂三层组合凹模压合时,各圈的压合次序是自外向内,即先将中预应力圈压入外预应力圈中,再将内凹模压入中预应力圈中压出次序则相反压合后的内凹模的型腔尺寸有所收缩,必须进行修正,也可以对收缩量进行理论计算或凭经验数据,预先把收缩量计入,以便压入后内凹模型腔尺寸为所需的尺寸常温压合法一般在油压机上进行,压合时必须采用一些必须的防护装置,如有机玻璃挡板,以保证操作者的安全图6-4凹模
6.
3.7顶杆设计反挤压顶件在挤压中直接承受较大的单位挤压力,设计时应考虑其有足够的强度,同时为了使较大的单位挤压力能和缓地传递给下压力垫板,其支承部分的直径应适当放大,挤压黑色金属冷挤压件用的顶杆,其杆部直径一般比凹模型腔直径小
0.1mm,这样既不会产生很大的纵向毛刺,又能使顶部及时退回便于送料其支承部分直径d=
1.3~
1.5,过度圆弧应尽可能大图7顶杆是考虑到其因弹性变形而产生横向变粗而卡死在凹模内,顶杆与凹模顶出孔配合部分不做成直径相同的圆柱体顶杆仅在直径=D2凹模顶出部分孔径、高度h′=5~10mm处与凹模顶出孔配合,以下做出一定的退让量=-
0.5~1mm如在挤压有色金属时,要求不产生纵向毛刺,顶杆与凹模顶出部分孔径的配合可采用基孔制间隙配合顶件上端面在挤压时,其中心处的单位压力最大如挤压件下端面的平整度要求高时,可以在顶杆上端面做成圆锥面,如图7所示,其顶部中心处高出
0.05~
0.1mm,这样可以抵消单位挤压力造成的弹性变形,以确保挤压件得到平整的底平面
[13] 图6-5顶杆7卸件和顶出装置设计挤压结束后,挤压件由于弹性变形的恢复,有可能紧包在凸模上,也有可能卡在凹模型腔内,需要将挤压件卸下或顶出将挤压件从凸模上卸下的装置称为卸件装置,将挤压件从凹模型腔内顶出的装置称为顶出装置
7.1卸件装置当凸模向下运动进行挤压时,卸料板下面的弹簧被压缩当挤压结束后凸模向上运动时弹簧恢复,使卸料板与固定螺栓的螺母端面相靠紧凸模继续向上运动时,挤压件碰到卸料板被卡下这种结构可以减小凸模的长度装在卸料板内的卸件环经热处理淬火,提高其耐磨性,延长卸料板的使用寿命,同时使卸料板具有通用性,通过更换卸件环来满足不同尺寸挤压件的需要黑色金属反挤压件的壁部较厚,一般选用整体式卸件环还有一种采用固定卸料板进行刚性卸料如图8所示此形式结构简单、卸料力大、动作可靠多用于工件尺寸不大浅形杯形反挤压件图a用支杆支承;图b用套管支承图7-1卸料板的固定方式
7.2顶出装置如果挤压件卡在凹模内就需要专用的顶出装置将之顶出顶出装置一般装在下模部分如压力机上没有专用顶出机构就需要设计如图9那样的顶出装置,通过安装在上模板上的反拉杆当上模回程时带动顶板、顶杆、推动顶出杆顶出挤压件当压力机备有专用顶出机构模具的顶出装置就较简单常见的顶出装置主要有三种基本类型1垫块顶料;2顶杆顶料;3套筒顶料垫块顶料其利用装在凹模型腔中的扁形垫块和顶杆将挤压件从凹模内顶出这种顶出形式结构简单便于加工节省材料,但顶出挤压件时有可能将垫块一起顶出凹模顶杆顶料见将顶料杆安置在下凸模中,这种形式用于大型正挤压的空心或筒形件图b用于杆径较小的长杆形件的正挤压,为了便于加工和更换方便,将顶料杆2做成圆柱形镶在顶杆5的凹窝内这种结构使用可靠、调整方便、经济耐用图c是使用得最为广泛的顶出装置结构简单使用方便不仅用于正挤压和反挤压也可用于复合挤压模具还有为套筒顶料方式套在下凸模上的具有粗大端部的筒状环形顶出器兼有从下凸模上卸料和与凹模中顶出的双重功能主要用下部带孔零件的卸料和顶出该装置借助下部三个均布的圆柱销带动环形顶出器将挤压件从凹模中顶出
[14]8导向装置设计为了保证冷挤压时凸、凹模的同心度要求,减少因偏心负荷所产生的弯曲力矩而损坏凸模,并提高温挤压件的精度,一般在温挤压模具上都设有必要的导向装置
8.1导向方法常用的温挤压模具的导向方法主要有导柱导套导向、模口导向和导筒导向由于导柱导套导向精度高,安装方便,使用寿命长,其应用得最为广泛,在此我们就用这种导向方法
8.2导柱导套导向装置
8.
2.1导柱导套布置形式温挤压模具的导柱导套布置方式有
(1)双导柱中间布置;
(2)双导柱对角布置;
(3)四导柱封闭布置其中四导柱封闭布置适用于模板面积较大,受力不均匀有偏心载荷的场合,是冷挤压模具中采用得较多的一种布置形式
8.
2.2导柱导套紧固方法
1、导柱导套与模板的紧固方法主要有三种
(1)基孔制过渡配合该方法采用压板螺钉将导柱、导套紧固在上、下模板上,
(2)基孔制过盈配合,将导柱、导套直接压入上、下模板
(3)采用低熔点合金、环氧树脂或无机粘结剂将导柱导套直接紧固在上、下模板上在此我们选用第一种紧固方法,如图
92、导柱导套尺寸为了克服挤压时可能产生的偏心负荷,导柱导套的刚性要尽可能设计得高些根据模具的结构,导柱直径d一般取φ40~60mm,有时压入模板长度l不得小于
1.5d,总长度L一般按模具的结构尺寸来确定,但必须保证凸模进入凹模之前,导柱伸入导套10mm以上导套内孔径与导柱直径d的配合为基孔制间隙配合由于导套压入上模板后其内孔要略有缩小,因此尺寸应比导柱直径d大
0.5mm以上导套压入段的长度l及其外径D不得小于
1.5d;导向段长度(L-l)=(2~3)导柱直径d=40mm压入模板长度L=
1.5d=60mm导向断长度=
2.5=100mm图8-1导柱导套的固定方式滑动式导柱导套在工作时为了保持良好的润滑状态,要在导柱或导套上开油槽,以便贮存润滑油当挤压件精度要求高时,可采用滚珠式导柱导套来确保上、下模更高的导向精度导柱导套材料常用渗碳钢来制造,经表面渗碳淬火处理,以保证其表面硬度高而耐磨性好、同时其芯部又有较高的韧性导柱导套相配合部分的表面粗糙度不高于Ra
0.2μm9模架的选择依据凹模的最大直径为
174.8mm,以及最小闭合高度H为170mm查模具简明设计手册表
15.
1.选择模架为L=200mmB=200mm闭合高度H为200~240mm.上模座规格为200×200×45,下模座规格为200×200×50,导柱为32×190,导套为32×105×4310压力垫板设计
10.1压力垫板的作用冷挤压时,模具型腔中的单位挤压力很高,如凸模或凹模所传递的轴向压应力直接作用在上下模板上,有可能要造成模板的压塌因此必须在模板与凸、凹模之间设置淬硬的压力垫板,有时简称垫板,以起到减缓轴向压应力的作用设垫板在直径为的范围内作用着均布的单位压力根据弹性理论对垫板的分析可知,压力在板内传播像截头锥体一样向外扩大,传到垫板与模板接触面上时,压力的分布以加压中心为最大,周边为最小根据计算结果,将传递压力比、、传递直径比与相对板厚的关系作出曲线,如图6-44所示由图中可见,当增加时,则5r增加,即压力的作用范围扩大,而传递压力比、却急剧下降,也就是单位压力得到较大的和缓
10.2压力垫板的设计计算已知从凸模或凹模传递来的压力/p、作用范围直径及模板的材料种类,要确定压力垫板的最小厚度Tmin及最小直径dmin由模板的材料种类查得其挤压强度σbc或者考虑一个安全系数后得到许用抗压强度〔〕;然后查图6-44得到比值T/及d/,进而算得Tmin及dmin实际取用时,只要使压力垫板厚度T及直经d大于算得的Tmin及dmin即可11凸模和凹模的紧固方法凸模和凹模应采用合理的紧固方法,以确保冷挤压件的挤压精度,延长模具的使用寿命,并便于模具的安装、调整及迅速地更换零件
1、凸模的紧固方法常用的凸模紧固方法,一种是利用螺栓将凸模和垫块直接紧固在上模板上还有是利用圆形外螺帽和内螺帽,通过压套,将凸模固定在凸模座上还有是利用压板,通过压套用螺钉紧固到凸模座上是种快速更换凸模形式,其通过紧固螺钉将凸模直接紧固在模柄中这种方法一般只适用于单位挤压力较小的有色金属挤压模具上
[16]
2、组合凹模紧固方法常用的组合凹模紧固方法是用螺钉直接将外预应力圈固定在凹模座上对于非圆形截面型腔的模具,为了防止其转动,需采用定位销进行定位这种紧固方法紧固可靠、装卸方便,应用较广采用压板通过螺钉紧固在凹模座上,凹模的对中可以用四个调节螺钉进行调整该法对中调整方便,装卸快捷,应用也较广还有是采用大螺母将外预应力圈直接与凹模座固定,这种方法紧固可靠、装卸方便,但加工略复杂结论采用温挤压工艺成形钎套,只要工艺方案和模具设计合理,可以成功挤出钎套中的六方形孔,大幅度提高了生产效率,节约原材料,降低生产成本,对硬度强度高的材料和变形程度大的零件采用温挤压是一次技术突破,采用硬质合金做内套的组合式凹模,可增强模具的耐磨性,提高使用寿命,为企业类似零件的生产提供借鉴致谢本课题从选题、开题、设计资料的收集,到论文的撰写、修改无不饱含着导师魏宝丽老师的智慧和心血这期间,导师在学术上给了我热情的指导和关心,其广博的知识、严谨的作风深深地感染了我,使我终身受益在此毕业设计完成之际,谨向导师及各科老师致以崇高的敬意和衷心的感谢!在毕业设计过程中,要特别感谢同学和朋友们给予的无私帮助和很多有效的建议同时设计还参阅了大量的文献资料,在此也一并向这些文献的原作者表示感谢!由于这是我的第一次实体设计,时间也比较仓促,对一些知识也只是一知半解,里面难免有很多错误和不足,望指导老师和评阅老师给予批评指正!谢谢!参考文献
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