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  （21级）课程设计说明书课程名称：挤压工艺及模具学院（部）：机械工程学院专业：材料成型及控制工程学生姓名：黄铭婵班级：材料2101学号指导教师姓名：金仁钢职称副教授最终评定成绩：湖南工业大学教务处目录第1章绪论 11.1课题的主要研究内容 1第2章冷挤压成形工艺的确定 22.1冷挤压工艺概述 22.2挤压零件工艺方案的分析 3第3章挤压工艺分析 43.1坯料尺寸的确定 43.2冷挤压毛坯表面处理与润滑 43.3变形程度计算 5第4章挤压设备选择 64.1挤压力的确定 64.2挤压设备压力机型号选择 74.3标准模架的选择 7第5章模具的结构型式及其主要零部件的设计 85.1冷挤压模具的受力特点 85.2冷挤压模具的结构特点 85.3模具材料的选择 85.3.1冷挤压模具工作零件的材料要求 85.4凸模设计 95.4.1凸模的结构及尺寸 105.5凹模的设计 115.6卸料和顶出装置的设计 125.7挤压模具模座的设计 135.7.1上模座的设计 145.7.2下模座的设计 155.8导柱导套的设计 16第6章装配图 17结论 18参考文献 19致谢 20第1章绪论1.1课题的主要研究内容研究怎么样设计合理的挤压模具整体结构，包括模架的类型选择（如卧式、立式结构模架），考虑模具的开合方式与导向装置，确保上下模座精准对合，像采用导柱导套来保证模具工作部分的相对位置精度。分析工作部件如凸模、凹模的结构及形式。凸模要考虑其形状（如简单的圆柱形、复杂的异形）、尺寸（根据挤压件的尺寸和精度要求确定），凹模则要研究其型腔的形状和尺寸精度对挤压成型的影响。针对不同的挤压工艺（冷挤压、温挤压、热挤压）和被挤压材料（如金属材料中的铝合金、铜合金、钢材等），研究适合的模具材料。例如，冷挤压模具需要模具材料有高硬度、高强度和良好的耐磨性，热挤压模具材料则要具备良好的耐热性。研究在挤压过程中金属的流动情况，这关系到挤压件的质量。通过理论分析和模拟软件，观察金属在模具型腔中的流动路径，如何填充型腔每个部分。例如，在复杂形状的挤压件生产中，防止金属流动不均匀导致的缺陷，如折叠、裂纹等。计算挤压过程所需的挤压力是关键。需要仔细考虑被挤压材料的性质（如屈服强度、加工硬化指数）、挤压比（坯料与挤压件的横截面积之比）、模具与坯料之间的摩擦系数等因素。准确的挤压力计算能够在一定程度上帮助选择正真适合的压力设备，并且优化模具结构使其可承受相应的压力。同时，对各种挤压工艺，研究合适的润滑方式（如采用润滑剂涂层、润滑脂等），降低挤压力，提高模具常规使用的寿命和挤压件表面上的质量。第2章产品冷挤压成形工艺的确定2.1冷挤压工艺概述在金属压力加工中,冷挤压是一种先进的少、无切削加工新工艺。它是在室温下,利用压力机的简单往复运动,使放在冷挤压模腔内的金属毛坯,在强大的压力和一定的速度作用下,迫使金属产生塑性变形,从而获得所需尺寸、形状并具有一定机械性能的零件。显然,冷挤压加工是靠模具来控制金属流动,靠金属体积的大量转移来成形零件。因此在锻造工艺中作为新工艺也编入冷挤压的内容;由于冷挤压加工是冷变形成形,因此又编入到冲压工艺中;但作为板料冲压则不把冷挤压编入其中。由于冷挤压技术具有冲压工艺各种成形工艺中及模具设计中的共同特点,这样,在冲压工艺分类上又把它作为冷体积成形归到冲压工艺内。冷挤压加工是在模具的强大压力作用下,迫使大截面的毛坯从凹模孔或从凸模与凹模之间的缝隙中挤出,从而获得小截面的挤压件。冷挤压加工的成形速度范围很广,常用的设备有液压机、机械压力机以及摩擦压力机,也有在高速锤上进行冷挤压加工的,如飞机零件(Al)就用了高速锤冷挤压。在摩擦压力机、高速锤上进行冷挤压加工具有较大的难度,因此用这些设备来进行冷挤压较少。2.2挤压零件工艺方案的分析1.坯料准备：依零件尺寸、精度、批量选坯料，形状为实心，材质据零件性能定，需检验质量保证后续加工。2.挤压方式：反挤压能成型深孔，孔壁质量优。3.模具设计：工作部分依内孔形状、尺寸精度设计，合理间隙控金属流动；考虑模具强度、刚度与寿命，选适配材料并优化结构。4.工艺参数：挤压力计算涉及材料、挤压比等，为选设备依据；确定挤压速度防缺陷、保效率；依材料特性设挤压温度，控温保质量稳定。5.润滑处理：选适配润滑剂，涂覆坯料、模具表面，降摩擦、防粘模，确保零件表面上的质量、延长模具寿命。第3章挤压工艺分析3.1坯料尺寸的确定坯料的选择，在很大程度上决定着挤压件的质量。同时，它对金属的冷挤压工艺过程等都有很大的影响。如果坯料尺寸选择得不合理，不但会造成金属的过分损耗，而且还会极度影响冷挤压工艺过程的顺利进行。所以说，正确地选择和计算冷挤压坯料的种类、尺寸和公差是十分重要的。冷挤压坯料的形状应该根据零件相应横截面的形状来确定。一般旋转体及轴对称多角类零件能选用圆柱形坯料。根据所作零件，选择直径为40，长22的棒料。3.2冷挤压毛坯表面处理与润滑冷挤压毛坯的质量冷挤压用毛坯表面应保持光洁，不能有裂纹、折叠等缺陷。否则，经挤压后将使上述缺陷逐步扩大而导致挤压件报废。一般要求毛坯表面粗糙度冷挤压毛坯的几何形状毛坯的几何形状应保持对称、规则，两端面保持平行。否则在单位压力很大时，将会使凸模单面受力而折断。毛坯的形状在生产实际中，常采用图3.2.1所示的四种。实心毛坯和空心环状毛坯可用于正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压；图中c、d两种毛坯是经反挤压预成形制成的，大多数都用在空心件正挤压，特殊情况下可用于径向挤压和反挤压。图3.2.1毛坯的基本形状毛坯尺寸计算毛坯尺寸是根据体积不变条件计算的。如果冷挤压压后还要进行切削加工，则计算毛坯体积还应加上修边量。毛坯体积已经确定，其高度为22mm，直径40mm。即毛坯体积为V=3.14×20×20×22=27632mm3根据模型可得中心孔体积为6441mm3由此可得原零件高度H为27.12mm3.3变形程度计算在其他条件相同的情况下,冷挤压的变形程度不同,其单位挤压力是不同的。冷挤压的变形程度越大,挤压的变形抗力也就越大,它会引起凸模、凹模等的破裂。因此对各种不同的材料,都应选择正真适合的变形程度。变形程度的表示方法最常用的有两种,即断面缩减率与挤压比,在工厂中最常用的为断面缩减率,用来表示。查阅《实用冷挤压技术》p48由上述公式可得:F第四章挤压设备的选择4.1挤压力的确定已知条件：反挤压杯形件，材料为纯铁，毛坯直径d0=40,毛坯高度ℎ0=22，凸模直径d1=23，求得断面缩减率F=求解方法：从1找凸模直径d1=23mm，作水平线mm曲线相交，从交点垂直向上投影向断面缩减率F=33.1%，由F=33.1%向上进入到2，先与毛坯高径比ℎ0/d0=0.55的曲线相交，求得毛坯高度修正系数K=0.95。再向上投影与纯铁材料曲线相交，求得未修正的单位挤压力p=1700MPa，向左进入3进行修正，经毛坯高度修正系数K=0.95与毛坯直径d为安全起见，应按计算值乘上安全系数1.3，因此：P=1.3×700=910KN4.2挤压设备压力机型号选择了解和掌握冷挤压工艺特点,对于正确选择和使用压力机是十分重要的。前面已经谈到，冷挤压加工的主要特征是变形抗力大，而且这种力量几乎集中作用于台面中心，成为相当大的集中载荷，直接传给压力机的垫板和工作台，必然引起工具与设备的弹性变形。另一特点是在挤压开始时的瞬间，挤压力短时达到峰值，并保持在整个工作行程中，作用时间比较久。另外,模具寿命，制品的精度又同设备情况有直接关系。因此，设备的选择,必须与冷挤压工艺性质和特点相适应。对冷挤压设备有下列要求：(1)压力机要有足够的刚性。为了减小压力机与模具的挠曲及过大的弹性变形，确保模具的常规使用的寿命与挤压件的尺寸精度，压力机要有充足大的刚性。如果挤压时的弹性变形过大，那么这种压力机不适宜做挤压加工。为增加压力机的刚性，较大吨位的压力机的床身采用铸钢或焊接结构,偏心轴或齿轮式传动，封闭式机架,铸钢垫板,并使工作台及工作台面孔尽量小些。专用挤压机的机架结构、传动装置、力能参数等，要比普通压力机好得多，刚性高得多。因此，采用普通压力机进行冷挤压，一定要采取一些相应的技术措施，以提高其对挤压工艺的适应性。(2)压力机要有较大的工作行程和能量。冷挤压时，压力机所作的功，即压力行程曲线下所包围的面积，比其他成形方法都大得多。因此压力机要有较大的能量，即要求压力机的电机功率和工作行程要足够大，又要求压力机能够在较长的有效工作行程中,保持其公称压力。为此，提供公称压力的曲柄转角必须提前。一般冲床在离下死点前20~300才能到公称压力,对于挤压机来说，这一角度应当稍大(45或再大些）。由于机械压力机的工作能量大多是靠飞轮来蓄积的，在连续挤压时，主电机必须使飞轮由最低转速重新加速到正常转速，所以，压力机应采用高转差率、大功率的电机、并具有适当的飞轮，这样才可以保证滑块在较长的工作行程内使压力不降低。专用挤压机的电机功率要比普通压力机高50%以上。（3）滑块应拥有非常良好的导向精度。滑块的导向好坏直接影响到零件的尺寸精度、形状偏差及模具的寿命。导向精度的降低，可能会引起冲头的偏心，增加作用于冲头上的纵向弯曲应力，极易使冲头折断。因此，为实现较好的导向，要求导轨要长，以便在整个操作中有效地导引挤压冲头。采用普通压力机时，一定要采取提高导向精度的技术措施，以弥补不足。（4）要有超载保险装置。在挤压过程中，往往会因润滑条件恶化，材料性能的差异、软化处理不佳和操作失误等而使挤压力突然上升，造成压力机超载。为避免过大的应力损坏传动部件，较大的吨位压力机通常都装有机械、电气、气动、液压或过载安全保护装置。在小吨位的压力机上，常采用特种铸铁的保险垫。用于挤压的液压机最主要的优点是能在全行程内提供公称压力（如图4.37中曲线），而且行程长，很适宜挤压较长、较高的零件。液压机的挤压力，速度和行程容易改变，调节简单迅速。滑块运动时没有侧向力作用，能保压。如果发生过载，则液压机会停止工作，或在施加压力过程中，使压力缓慢下降，而不损坏模具，还有安全阀作保险，比较可靠。这种液压机适合于小批生产和试制工作。它的缺点主要是一次工作循环时间比较久，行程次数较少，生产效率低。液压机由于没像压力机可利用的飞轮来储备能量，所以油泵的电动机功率要比压力机的功率大得多（当然也有用蓄势器的，则油泵大小及电机功率均能减小）。它的另个缺点是，当冲头接近工件时有轻微停滞现象产生，在此瞬间的停滞产生中造成挤压负荷的上升，缩短模具的寿命。其原因是由于油缸内油的体积在空载和负载时变化较大。普通压力机是按板料冲裁的要求设计的，工作行程很短，只在行程末端才提供出最大。综上，选液压机。由可知，选公称压力为1000KN的YQ32系列（100）四柱液压机。4.3标准模架的选择由零件及挤压特性可知，选用四导柱模架，凹模周界L=400，B=315,D0上模座GB/T2855.1--2008规格为400×315×60,下模座GB/T2855.2--2008规格为400×315×75，导柱GB/T2861.1--2008规格为45×290，导套GB/T2861.3--2008规格为45×150×58。 第5章模具的结构型式及其主要零部件的设计5.1冷挤压模具的受力特点冷挤压模具在工作时受到复杂的受力情况，最重要的包含以下几个方面：1.挤压力：冷挤压模具在挤压过程中会受到巨大的挤压力，这种力是模具设计时要重点考虑的因素之一。模具材料需要具备足够的强度和硬度，以承受这种高压力并防止塑性变形和表面磨损2。2.摩擦力：在挤压过程中，模具与金属材料之间会产生摩擦力。这种摩擦力会导致模具表面的磨损，因此模具材料需要具备较高的韧性和耐磨性，以延长模具的常规使用的寿命1。3.冷挤压模具自重：模具的自重也是受力特点之一，尤其是在大型模具中，自重可能会对模具的结构强度和稳定能力产生一定的影响。4.疲劳载荷：冷挤压模具在反复的挤压过程中会受到循环载荷，这可能会引起模具材料的疲劳断裂。因此，模具材料还需要具备良好的抗疲劳性能1。5.热效应：虽然冷挤压是在常温下进行的，但由于金属材料的激烈流动所产生的热效应，可使模具工作部分的温度高达200℃以上。这种气温变化会对模具材料的性能产生一定的影响，因此模具材料需要具备一定的耐热性1。为了应对这些受力特点，冷挤压模具一般会用高强度、高硬度、高耐磨性和良好韧性的材料制造成，如冷作模具钢。同时，模具的设计也会考虑到应力集中和温度分布等问题，以确保模具在恶劣的工作条件下能够保持稳定和高效的工作状态。5.2冷挤压模具的结构特点冷挤压时其最大的特点是单位挤压力较大，因此设计的模具应符合下列要求：（1）保证模有充足的刚度和强度，在冷热交变应力下工作，模具材料应经得起考验，因此冷挤压模具往往挤压的零件不大，但模具都比较粗大，如上、下模板比较厚，导柱导套比较粗大，工作零件的材料比较好。（2）工作部分材料必须有相当的韧性和耐磨性。如采用基体钢做凸模，硬质合金作凹模。（3）应当有合理的凸、凹模几何形状，避免应力集中，有利于挤压金属的塑性流动，降低挤压力，提高承载能力。（4）模具易损部分要拆换方便，大量生产时要有互换性。如凸模往往寿命较低，因此常进行拆换，所以在结构上常制成锥形固定，同时使承压面积增加，这与冷冲模不一样。（5）模具应拥有非常良好的导向装置。特别对于压力机导向精度较低的，又要求生产高精度的零件，必须使模具拥有非常良好的导向装置。（6）保证操作人员的安全生产，做到简单易操作，使用安全。（7）容易制造，成本费用低。5.3模具材料的选择在选择挤压模具材料时，需要仔细考虑以下因素：‌热强度和耐热性‌：确保材料能够在高温度高压力环境下保持稳定的性能。‌耐磨性和抵抗腐蚀能力‌：确保模具在使用的过程中不易磨损和腐蚀。‌成本和性价比‌：选择比较适合生产需求且成本效益高的材料。通过考虑这一些因素，可以再一次进行选择最适合的挤压模具材料，确保模具的性能、常规使用的寿命和生产效率。5.3.1冷挤压模具工作零件的材料要求冷挤压工作零件材料的要求与选择:(1)一定要有高强度和高硬度，这样在挤压中能够尽可能的防止工作零件本身的塑性变形、破坏和磨损。(2)应具有相当高的韧性，能够尽可能的防止由于冲击、偏心载荷，疲劳应力集中而引起的折断和开裂破坏。(3)一定要有较高的耐磨性，使模具具有较高的常规使用的寿命，以保证挤压件的尺寸精度。(4)有充足的耐热性能。在冷挤压中，模具工作零件的局部温度可高达300℃左右，有时甚至更高，因此要求材料在这样的高温状态下硬度保持不变。(5)材料必须有良好的加工性能，如在热加工时，锻造性能要好；机加工时要容易进行切削；热处理时，应有较宽的温度区间，变形和热裂倾向小。当然，在大多数情况下，某种模具钢材不可能全部满足上述要求，应该根据具体的挤压情况来选择最能符合使用条件的材料。5.4凸模设计反挤压黑色金属凸模的型式有三种，如图5.4所示。实践证明图中左面与中间的两种凸模对金属流动有利，使用效果较好，右边的平底凸模挤压力较高。在通常的情况下选用图5.4(a)的型式，凸模的工作端面的斜角αβ取22°~27。有的也常采用图5.4(b)的型式，凸模工作端面的斜角αβ一般取5°~9，这种凸模型式有利于中心定位，凸模不易折断。随着αβ的增大。变形阻力则减小，金属流动容易，但是顶角过尖时毛坯表面不平度对凸模的不良影响就较大，另外挤压出的零件壁厚差也增大，容易使凸模在工作中折断，因此一般斜角5.4.1凸模的结构及尺寸由零件尺寸及挤压特性可知，选用尖角锥形凸模，αβ=7.5°，g=3，d=23，d5.5凹模的设计黑色金属反挤压凹模一般采用直筒形式，如图5.8所示。凹模内壁放出15～30的斜度是为了使金属流动方便，有利于降低压力。凹模腔的实际深度h2应超过毛坯高度6～8mm，凹模入口处作出圆角r。顶块可向上运动，在挤压完毕后将工件从模腔内顶出。由图算法可知，经修正后的单位挤压力p=1580MPa，在a=4~6的范围内；整体式凹模的许用单位挤压力为p≤1100MPa。两层组合凹模的许用单位挤压力为1100MPa≤三层组合凹模的许用单位挤压力为1400MPa≤p≤组合凹模的优越性：(1)提高了凹模的强度；(2)节约了模具钢，原整个凹模都用高级合金工具钢制成，现在仅内圈用高级合金工具钢材料，中圈及外圈可改用一般合金钢或合金结构钢材料；(3)凹模内圈尺寸减小，使热处理容易，提高了模具钢热处理质量，也提高了模具钢的原始质量（如碳化物偏析及其分布的级别能够获得提高)；(4)当凹模损坏后，仅需调换内圈，预应力的中、外圈还可接着使用，整个凹模不致报废。在大量生产中用硬质合金凹模时，由于硬质合金抗拉能力差、性脆，更应当采用多层组合凹模。当然预应力多层组合凹模也存在一定的缺点，如加工面增加，加工压合工艺要求高等。组合凹模的计算由工件外径∅40mm决定，d4一般取（4~6）d1,我们采用通用四导柱模架，由模架决定取d4计算总直径比a41为a41=d4按图5.15，查出合理的直径比a32r与a21r,由图5.15查出得到a21r由此能够得到d2=a21rdd3=a32rd再按图5.21决定轴向压合系数δ2与δ3，当a41=5时，则得到δ由此算出轴向压合量为c2=δ2dc3=δ3d再按图5.20决定径向压合系数β2与β3，当a41=5时，则得到β由此算出径向压合量为μ2=β2d2=0.63mm，5.6卸料和顶出装置的设计

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