摩托车单向器飞轮冷挤压成形工艺及模具设计Word下载.doc

1、2.4复合挤压 92.5径向挤压 9 2.6冷挤压变形程度的表示方法 102.7反挤压变形程度表示方法 102.8正挤压实心件变形程度表示方法 112.9正挤压空心件变形程度表示方法 113、冷挤压毛坯的制备 123.1坯料形状和尺寸 123.2冷挤压件图的制定 123.3毛坯尺寸的计算 133.4工件冷挤压流程简介 144、坯料的软化处理.表面处理和润滑处 154.1毛坯的软化处理 154.2毛坯的表面处理 154.3毛坯的润滑处理 155、冷挤压工艺 185.1冷挤压零件的分类 185.2冷挤压件结构要素 186、冷挤压模具设计 206.1冷挤压模具的结构分析 206.2模具工作部分的设计

2、 216.3组合凹模的设计 226.4模具材料的选用 236.5凸模和凹模的加工工艺热处理 246.6模具安装 247、内齿冷挤压件可能出现的缺陷和产生的原因 258、致谢 269、参考文献 2710、附录 28 三维造型图361、 前 言 通过设备施加作用力，压缩金属坯料使之从冲头或凹模的型腔孔或空隙中挤出成形的一种冷锻加工方法叫冷挤压。 从不同的角度、按照不同的特征，冷挤压有不同的分类。（1） 按照金属被挤出的方向与加压的方向的关系分为：正挤压，反挤压，复合挤压等。（2） 按照挤压毛坯和工件形状来分，有：棒料挤压，管材挤压，杯形件挤压，竿-竿挤压，杯-杯挤压，扁平齿形挤压。冷挤压属于静形或

3、近似静形加工的金属塑性加工先进工艺。它具有生产效率高、节约成本，节约原材料、提高产品质量、降低成本等优点。冷挤压工艺的发展是从1886年法国用冲挤法制造牙膏管开始的。但其后的发展极其缓慢，在一个相当长的历史时候一直处于局限于铅、锡等几种较软的金属挤压。19世纪末,法.英.美.德等国开始用冷挤压法生产软质有色金属零部件，第一次世界大战期间，美国采用冷挤压法大批量生产黄铜弹壳，并曾企图用冷挤压生产钢制弹壳，但未获得成功。冷挤压的真正实用是在1935年，德国人采用了新的表面处理方法，使低炭钢工件表面形成磷酸盐薄膜，大大减少了挤压力，改善了挤压条件，才使他们用挤压方法制造钢质枪弹壳获得了成功，使冷挤压

4、技术达到了实用的地步。二次世界大战以后，冷挤压成为冷锻技术中应用最为广泛的一种方法，并逐步推广应用到民品工业。近半个世纪来，欧、美各国的冷挤压技术得到了持续的发展。冷挤压技术逐步应用在自行车和摩托车制造行业、然后推广到纺织机械、照相器材、电器工业。冷挤压技术在标准紧固件行业的应用尤其广泛，如螺钉、螺母和销钉一般都是采用冷挤压成形。冷挤压材料由铝、铜极其合金、软钢逐步发展到中碳钢。低碳钢几不锈钢等。 我国现代冷挤压技术的发展比外国要慢，于50年代才开始从国外引进了冷锻技术和冷镦机进行了黑色金属冷镦并开始挤一些铝、铜极其合金零件。黑色金属的冷挤压技术起步于1958年，由上海交大阮雪榆院士做了开创性

5、的研究和应用工作。经过10年多的发展，60年代和70年代我国在拖拉机、仪表仪器及电子元件等行业得到了较多的应用。近几年来，冷挤压产品由于其独特的优越性，已在机械、冶金、航天航空、汽车、兵器等众多领域内得到了广泛的应用，在国民经济中起着举足轻重的作用。随着竞争的日益激烈，冷挤压产品正朝着“多品种、小批量”的方向发展，并且更新周期要求逐渐提高。因此，冷挤压技术借助于当前先进的CA、CAD、CAE和CAPP等技术来为国民经济服务已成为潮流，同时，它还在不断向切削、粉末冶金、锻造、热锻成形工艺等领域渗透或取而代之，也可以和这些工艺相结合构成复合工艺。冷挤压在各类加工方法中脱颖而出，其几何形状变化与机械

6、加工有根本的不同：1） 过程冷挤压变形中，金属材料体积保持不变。2） 冷挤压变形时是金属的“流动”而不是金属的“去除”，而且金属流动时会引起材料性能的变化。3） 金属成形过程受材料的“变形极限”的约束，即某些挤压件一次成型不能完成，需要中间过度状态，而且在挤压过程中的挤压件某些区域的变化往往不能孤立于其它相邻领域。锻件的圆角容易成形，往往在成形主要区域时一起被成形出来，不需要单独成形工艺，而这些圆角用切削加工成形是很困难的。尽管如此，由于工作条件极其恶劣，变形时放出的热量使模具的温度升高，由于模具和工件的热胀冷缩和弹性变形，冷挤压变形力大，采用冷挤压工艺时要注意下面几点：1） 模具容易磨损，容

7、易破坏，特别是凸模，它的损坏主要是断裂、变形和压碎3种。因此，模具的材料好，目前一般模具钢，如Cr12MoV的许用应力为2500MPa,好的模具钢，如硬质合金可承受的单位挤压力在3500MPa左右。为了解决冷挤压的主要矛盾，就得采用各种技术措施，在尽力降低冷挤压材料变形抗力的同时，设法提高模具的承受能力，以利于冷挤压生产的顺利进行。2） 设备精度的要求高、吨位大。除了要求挤压设备应有较大的强度以外，还要有较好的刚性，此外，还要求设备具有可靠的保险装置，保证操作者的安全和设备的安全。设计冷挤压零件图时，必须遵循下面的原则：1） 设计的冷挤压件要容易成形，尽量使模具受力均匀。2） 确定的冷挤压件的

8、尺寸及精度要求应该在冷挤压成形范围之内。冷挤压件具有以下典型的特征：1） 阶梯轴和带有锥度的轴；2） 薄壁和厚壁件；3） 底厚而壁薄件；4） 带法兰杆状件；5） 端部为平直、锥形及球形零件；6） 端部带有小头的轴类零件。2、冷锻技术简介2.1冷锻技术的概念冷挤压是根据金属的塑性变形原理，利用装在压力机上的模具，在相当大的单位挤压力作用下以一定的速度运动，使金属毛坯在模腔内产生塑性变形，从而变成所需的形状、尺寸并具有一定力学性能要求的零件。 冷锻零件 冷锻属于在室温下的体积塑性成形，其变形方式有：冷挤压、 冷镦挤。冷挤压包括正向挤压、反向挤压等；冷镦挤包括镦挤复合和镦粗等。2.2正挤压 金属流动

9、的方向与凸模运动的方向相同 2.3反挤压 金属流动的方向与凸模的运动方向相反。 2.4复合挤压一部分金属流动的方向与凸模运动方向相同，而另一部分金属的流动方向则相反。2.5径向挤压 金属流动方向与凸模的运动方向垂直。2.6镦挤复合金属的流动方向与凸模的运动方向垂直；镦挤复合时金属的流动方向除了与镦粗相同外，还有一部分金属沿着凸模的方向或者相反的方向运动。 2.6冷挤压变形程度的表示方法1）断面收缩率 F= （1）2）挤压比 R=FO/F1 （2） 3）两者关系 F =1-1/R （3）2.7反挤压变形程度表示方法1）断面收缩率 2）挤压比3）对数挤压比 2.8正挤压实心件变形程度表示方法1）断

10、面收缩率 2.9正挤压空心件变形程度表示方法！）断面收缩率2）挤压比 3.冷挤压毛坯的制备3.1坯料形状和尺寸 冷挤压坯料的形状应该根据零件相应横断面的形状来确定.一般旋转体及轴对称多角类零件可以选用圆柱形坯料,矩形横断面零件可以采用矩形坯料.有时再挤压塑性较好的有色金属板料时,为了提高材料的利用率,可以采用六方或者其他与凹模内腔现状不一致的多边形坯料.3.2冷挤压件图的制定冷挤压件图是根据零件图制定的。它是编制工艺、设计模具、夹具、量具和刀具的原始依据，是机械加工工艺取得协调的重要技术文件。如图3.1所示，冷挤压零件是种杯状零件，下面对零件的加工进行简单的分析。工件的一端为扇形齿，中间是通孔

11、,另一端是凸台，在进行冷挤压时，只挤压一端的扇形齿.在冷挤压之前,先对坯料进行热处理及表面润滑处理,从而降低毛坯的硬度和提高模具的使用寿命.在进行冷挤压之后再采用机械加工的方法把内孔和凸台车出。图3.1摩托车单向器飞轮轮零件图在进行冷挤压工艺设计之前，要研究制件的挤压工艺性，并对不适合挤压加工的形状与尺寸进行修改，确定挤压件图（如图3.2），然后根据挤压件图计算毛坯的尺寸。冷挤压件成型要受到其形状和尺寸的影响和限制，一般有以下的情形不宜采用挤压成型或需要改变结构尺寸:a.具有锐角的非对称形状易产生不均匀流动，且不易充满转角处，模具的横向又作用着不平衡的力，极易损坏模具。因此，非对称的零件不适宜

12、进行冷挤压成形。b.对于需要镦挤成形的零件来说，头部直径与高度之比不宜过大，否则则会在冷挤压的后期引起压力急剧上升，使头部侧表面作用着较大的拉应力，从而产生纵向开裂。c.当挤压件出现锐角时，模具在相应的部分也是锐角，该处就会产生较大的应力集中，且不利于金属流动，也难以充满锐角处。d.挤压件出现的横向不能有凹入或凸出的形状，否则会影响冷挤压件的顺利取出。e.直径的变化不大的多台阶零件不易采用冷挤压成形，因为此时的变形程度太小而使模具的寿命缩短。f.小于10mm的小孔不用冷挤压成形，因为此时需要小直径凸模，这种凸模的寿命短，不经济。e.螺纹不能冷挤压成形。根据上面的原则，对飞轮零件图3.1所示的结

13、构进行改进。零件的扇形齿，通过冷挤压成形的，但外圆的台阶以及直径为25mm的内孔是通过冷挤压件的机械加工所得。3.3毛坯尺寸的计算冷挤压的尺寸是根据制件的体积与毛坯体积相等的原则计算。如果挤压后还要进行切削加工，则毛坯的体积应该是V件再加上切削消耗量，即V坯=V件+V修。其中V修为修边余量体积或是切削消耗体积，一般取挤压件体积的35%，旋转体的修边余量H的修边余量可以通过查表得到。本设计中的零件是一个旋转体，因为其制件的高度为15mm，故H=2.5mm。求得毛坯体积与毛坯横断面积F0之比即为毛坯的高度h0=V坯/F0。在冷挤压过程中，为了使毛坯顺利放入凹模，毛坯的外径d坯应比凹模内径d凹小，通

14、常取d坯=d凹-（0.10.3）。挤压空心时，采用内孔的毛坯，其毛坯内径d坯可以按照如下确定：制件内孔要求精度不高时 d坯=d件+（0.10.3）；制件内孔要求精度较高时 d坯=d件+（0.010.05）。3.4工件冷挤压流程简介 毛坯在进入冷挤压工序前，需要进行毛坯制作，前面已经介绍过。在进行冷挤压之前还须准备毛坯。冷挤压毛坯的制作比较简单,可以直接在车床上锯切而来.4.坯料的软化处理.表面处理及和润滑4.1毛坯的软化处理 为了改善冷挤压坯料的挤压性能和提高模具的使用寿命.大部分材料在挤压前和多道挤压工序之间必须进行软化处理,以降低材料的硬度,提高材料的塑性,得到良好的显微组织,消除内应力.

15、从挤压性能上看,球化退火组织为最佳.球化退火组织不仅硬度.强度低,而且塑性较高,特别是随着钢材中的含碳量增加,其影响作用也越来越大.对含碳量较高的材料,除了考虑改善其挤压性能外,也要改善挤压后的机加工性.热处理质量及力学性能,故均采用球化退火.提高、恢复材料塑性，降低变形应力，改善金相组织，消除内应力。 针对工序间的硬化，有时也需要进行软化热处理。表面处理包括：去除表面缺陷、清洁、去脂、洗涤、去除表面氧化皮层、在毛坯表面形成特殊的保护层。润滑对冷挤压是非常重要的，需要采用良好的并且可靠的润滑方法。 工件在进行冷挤压前必须进行软化处理，以降低材料的硬度、提高塑性，消除内应力和得到良好的金相组织，

16、并且还能降低挤压力，提高模具的寿命。摩托车单向器飞轮采用的材料是20Cr，退火处理的规范是加热到860，保温4小时，随炉冷至700，保温12小时，随炉冷却。4.2毛坯的表面处理冷挤压时，金属材料产生剧烈的塑性变形，单位挤压力很大，特别是钢的冷挤压，最大的单位挤压力可达2500MPa。在这么高的单位压力下，如果没有良好的润滑，钢坯料的微粒就会与模具型腔焊合而导致工件表面严重刮伤，使得挤压力急剧增加，模具使用寿命大大下降，甚至碎裂。因此，在冷挤压钢前必须将坯料进行表面处理，以取得表面支撑层，以便在后道的润滑处理时起到储存润滑剂的作用。碳钢和合金钢坯料冷挤压前的表面处理为磷化处理，也就是把钢坯料放在

17、磷酸盐溶液中进行处理。处理时金属表面发生溶解和腐蚀。由于化学反应的结果，在金属表面上形成一层很薄的磷酸盐覆盖层。经磷化处理后，可减少坯料与模具间的接触摩擦，降低单位挤压力，提高冷挤压件的表面质量和模具使用寿命。磷化处理的具体工艺如下：1）化学去油（氢氧化钠60-100 gL，碳酸钠60-80 gL，磷酸钠25-80 gL，水玻璃10-15 gL，处理温度85C，处理时间15-25分钟）。2）流动冷水洗3）酸洗（硫酸120-180gL，氯化钠8-10 gL，处理时间65-75C。处理时间为5-10分钟）.4）流动冷水洗，是为了防止在坯料表面的酸洗液带入下道磷化液中。5）热水洗，为磷化处理预热。6

18、）磷化处理7）流动冷水洗8）中和处理，采用氢氧化钠溶液对坯料磷酸盐薄膜上附着的酸性物质进行中和，防止残留的磷酸对润滑液产生不良影响，保证润滑质量。4.3毛坯的润滑处理为了降低单位挤压力，以提高制件的表面质量和延长模具的使用寿命。必须对冷挤压毛坯进行合理的润滑处理。冷挤压的润滑处理，用一般的刷涂方法虽然简单，但是效果不好。因为在高挤压的作用，润滑剂被挤掉，起不到润滑的作用。目前比较常用的方法是，先对毛坯进行表面处理，如钝化处理、氧化处理、磷酸盐处理、草酸盐处理等。经过表面处理，形成一层多孔状的薄膜，具有良好的塑性，可以容纳一定量的润滑剂。然后，在经过处理的毛坯表面涂上猪油、羊毛脂、豆油、菜油、矿

19、油、硬脂酸钠、硬脂酸锌及皂化液等润滑剂，使其表面上形成固定的润滑膜。本制件毛坯的表面处理：a.采用滚筒消除表面缺陷。b.去除表面的氧化层。一种常用的方法是机械处理，即进行滚筒磨或是采用喷沙法除锈。另一种是化学处理，即酸洗。c.流动冷水清洗。把残留在毛坯表面的化学液体洗掉。d.中和处理。把毛坯投入温度为3550、浓度为80100g/L的碳酸钠溶液中处理23min。e.流动冷水处理。把残留在毛坯表面的碳酸钠溶液洗掉。f.磷化处理（磷酸盐处理）。使毛坯表面生成一层不溶性磷酸盐簿膜。 毛坯经过磷化处理后，用水洗干净后进行润滑处理。皂化后的毛坯还须干燥处理。5.冷挤压工艺5.1冷挤压零件的分类 适合于进

20、行冷挤压加工的零件是很多的，为了根据冷挤压件的形状和尺寸合理地决定变形工序，可把冷挤压进行分类，凡遇到相近形状的零件，可以采用相类似的变形工序。按照冷挤压件主轴线尺寸的特征及其轮廓形状，可以分为：1） .阶梯轴类2） .空心类3） .凸缘类4） .盘型类5） .锥形类6） .齿形类5.2冷挤压件结构要素 确定结构要素的一般原则 a.冷挤压件的结构必须利用冷挤压工艺的变形特性，尽量达到少无切削； b.冷挤压件的结构要考虑冷挤压工艺变形特性所产生的物理和机械性能变化； c.冷挤压件的结构必须保证成型和模具寿命的条件下，应尽量减少成型的工步。 d.冷挤压件的结构在保证足够的模具寿命； e.冷挤压件的

21、结构要考虑材料极其后续热处理工序的影响因素； f.非对称形状的冷挤压件可合并为对称的形状进行挤压。 冷挤压结构要素一般要考虑以下几种情况：a. 反挤压杯形件长径比杯形反挤压件内孔长径比L1/d1见下表。对钢质反挤压采用特殊装置时，其长径比L1/d1可达到5 表一 b.杯形反挤压件底厚和壁厚 杯形反挤压底厚h和壁厚s的h/s比见下表 表二 摩托车单向器飞轮的冷挤压成形工艺属于一种先进的工艺，在国内还很少应用，更没有现成的经验可寻，这里可以借鉴与其类似的杯状工件的挤压工艺，从而可以得出模具设计是否可靠和能否实现。 根据以上数据，显然摩托车单向器飞轮冷挤压成形是可行的。下面进入模具设计部分。6.冷挤压模具设计6.1冷挤压模具的结构分析及分类1. 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200C以上，加上剧