冷挤压模具设计

冷挤压模具设计冷挤压模具与一般冷冲模相比，工作时所受的压力大得多，因而在强度、刚度和耐磨性 等方面的要求都较高。

冷挤模不同于冷冲模的地方主要有： 1）凹模一般为组合式（凸模也常常用组合式）结构； 2）上 ﹑ 下模板更厚，材料选择得更好，满足模具的强度要求； 3）导柱直径尺寸较大，满足模具的刚度要求； 4）工作零件尾部位置均加有淬硬的垫板； 5）模具易损件的更换、拆卸更方便。

7.5.1 典型冷挤压工艺模具结构 1. 正挤压模具 图 7.5.1 是用于黑色金属空心零件正挤压的模具简图。

模具的工作部分为凸模和凹模。

凸模 16 的心部装有凸模芯轴 15，芯轴 15 的心部设有通气孔与模具外部相通。

凸模 16 的上 顶面与淬硬的垫板 13 接触，以便扩大上模板 3 的承压面积。

凹模 2 经垫块 8 与垫板 9 固定 于下模板 11 上。

由图可看出，凸模与凹模的中心位置是不能调整的，凸、凹模之间的对中 精度完全靠导柱 7 与导套 6 以及各个固定零件之间的配合精度来保证， 因此这种模具结构常 称为不可调整式模具。

很明显，不可调整式模具的制造精度要求很高；但安装方便，而且模 架具有较强的通用性，若将工作部分更换，这副模具可以用作反挤压或复合挤压。

由图还可知， 凸模回程时， 挤压件将留在凹模内， 因此需在模具下模板上设置顶出杆 10。

2.反挤压模具图 7.5.2 所示的是在小型（无顶出装置）冲床上使用的黑色金属反挤压模具的,它是一 种典型的具有导向装置的反挤压模。

为便于反挤压件从凹模中取出，设计了间接顶出装置， 反挤压力在下模完全由顶出杆 25 承受，顶件力由反拉杆式联动顶出装置（由件 3、28、30、 31、32、33 组成）提供，该顶出装置在模座下方带有活动板 31，当挤压件顶出一段距离后， 通过带斜面的斜块 33 将 31 撑开，使顶杆 32 的底面悬空，使之靠自重复位，为下一次放置 毛坯做好准备。

而活动板 31 靠其外圈的拉簧 30 合并。

上模也设计了卸件装置，由于杯形挤 压件较深，为了加强凸模的强度，除工作段外，凸模的直径加粗并开出三道卸料槽，供带有 三个内爪形的卸料圈 17 卸料。

只要将凸模、凹模、顶山杆、垫块 26、27 加以更换，这副模具就可以挤压不同形状和 尺寸的工件；也适用于正挤压和复合挤压。

7.5.2 冷挤压凸模、凹模结构设计 1．冷挤压凸模结构型式 1）正挤压凸模 图 7.5.3 是常用的正挤压凸模结构型式。

其中，a 型用于实心件的正挤 压，b 型用于空心件的正挤压。

其芯轴与凸模间为动配合，在工作时芯轴可随金属一起向下 移动一定的距离， 可减少挤出件的孔壁与芯轴表面间的摩擦力， 从而也改善了芯轴在挤压过 程中的受力条件。

凸模过渡部分应光滑过渡，防止应力集中。

另外，当挤压不通孔的空心件时（参见图 7.5.1），其芯轴心部需有通气孔，以利于挤 压件的成形和退件。

2）反挤压凸模 常用的反挤压凸模结构型式如图 7.5.4 所示。

与正挤压凸模相比较，各 种型式的反挤压凸模的共同特点是具有一段长约 2～3mm 的工作带（见图 7.5.4 中的尺寸 t ）。

工作带的公称直径与杯形件内孔的公称直径相等。

工作带以上部分的直径比工作带直 径小 0.1～0.2mm，其目的是为了减少挤压过程中凸模与挤出件孔壁间的摩擦。

反挤压凸模有三种型式，锥台底式有利于金属流动，是最常用的一种结构型式；锥底式 有利于金属流动，多用于深孔件的挤压；平底式虽然不利于金属流动，但当挤压件要求孔底 必须为平底时，则应采用平底式凸模。

图 7.5.4a 的凸模端面斜角 a 一般取 3°～25°； 图 7.5.4b 的凸模端面斜角 a 一般取 。

同样，凸模过渡部分也应光滑过渡，防止 应力集中。

2. 冷挤压凹模的结构型式1）凹模的型式：分整体式凹模和组合式凹模两大类。

组合凹模又分预应力组合凹模和 分割型组合凹模。

整体式凹模 图 7.4.5a 所示，此种凹模加工方便，但强度低。

在凹模内孔 转角处有严重的应力集中现象，容易开裂。

预应力组合凹模 图 7.5.4b 所示，冷挤压时，凹模内壁承受着极大的压力，挤压黑色金 属时，凹模内壁的单位压力高达 1500～2500MPa。

在这样高的内壁压力下，单靠增加凹模的 厚度已不能防止凹摸沿纵向开裂。

而在凹模的外壁上套装具有一定过盈量的预应力套， 可以 提高凹模的整体强度，详见 7.5.3 节 为了消除整体式凹模转角处的应力集中，可将整体式凹模于内孔转角处剖分为两部分，即为分割式组合凹模。

图 7.5.5c、d 分别为横向分割式和纵向分割式。

2）正挤压凹模 其结构尺寸如图 7.5.6 所示。

凹模入口角 a = 90 ° ～ 126 ° ；凹 模工作带长度 h 3 =2～4mm；凹模的过渡部分均用圆角连接； .常用正挤压凹模型式见图 7.5.5。

3)反挤压凹模 反挤压凹模结构尺寸如图 7.5.7 所示。

模腔深度主要决定于毛坯高度；凹模底部高度 h1 =(1/2～1/3)D；凹模入口处圆角半径 r1 =2～3mm；模腔内壁可做成 10 ￠ ～ 30 ￠ 的斜度。

反挤压凹模型式如图 7.5.8 所示。

图中 a、b、c 用于不需顶件装 置的挤压件，如用于反挤压有色金属薄壁件。

凹模 a 结构简单，但底部 R 处易开裂下沉，适 用于批量不很大的条件。

凹模 b 的寿命比 a 长得多。

凹模 c 的寿命更长，但模具的制造精 度要求高，否则难于保证同心度，凹模 d 有顶出装置，常用于黑色金属挤压。

7.5.3 预应力组合凹模的设计 将凹模分层，使外层（压套）与内层（凹模）过盈装配并对内层产生很大预加压力的组 合式凹模结构型式叫预应力组合凹模（简称组合凹模）。

它广泛应用于钢铁材料的冷挤压。

组合凹模的优点是同样外形尺寸 （包括外套在内的整个组合凹模外形尺寸） 和相同内腔 尺寸的条件下，其强度要比单层（即整体式）凹模的强度大得多。

而且也节省了模具钢。

但 它增加了凹模加工的工作量和难度，主要表现在压合面的加工和装配上。

1.组合凹模的型式 根据理论分析可知：对于同一尺寸的凹模，两层预应力组合凹模的 强度是整体式凹模强度的 1.3 倍；三层预应力组合凹模的强度是整体式凹模的强度的 1．8 倍。

层数愈多，凹模补强愈大，但是，其加工及装配也愈复杂。

故二层、三层预应力组合凹 模应用较多。

图 7.5.10 绘出了冷挤压凹模的型式。

由于凹模总直径比 a 越大，凹模强度越 大，但在 a 增加到 4 - 6 以后，再继续加大 a 便没有多大意义。

因此，在生产中常采用的总 直径比 a=4 - 6。

当 a=4 - 6 时，各种凹模的许用单位压力的大致范围为： p ￡ 1100Mpa时用 整体式凹模；当 p =1100 - 1400 Mpa 时采用两层式凹模； 当 p ￡ 1400 - 2500 Mpa 时采用三层式凹模。

2. 组合凹模尺寸设计 a) 组合凹模各圈直径的决定 如上所述，凹模总直径比一般取 a=4 - 6。

对两层组合凹模 (图 7.5.9b),可取: 对三层组合凹模(图 7.5.9c),可取 ,； , ；b)预应力组合凹模径向过盈量 u 和轴向压合量 c 的决定 两层组合凹模的径向过盈量 u 2 轴向压合量 c 2 可用下式求出： ； 其中 分别为 处的径向过盈系数和轴向压合系数，其值由图 7.5.10 查出。

与轴向压合量 ； ; 以上系数均按图 7-7 查取。

可按下式求出：三层组合凹模径向过盈量3)预应力组合凹模的压合工艺压合方法 一般采用加热压合（俗称红套）和在室温下用压机冷压合两种方法。

对于冷 压合来说，压合角 g 一般采用 1 度 30 分 ，最大不宜超过 3 度。

否则在使用过程中各圈会 自动松脱。

压合时，各圈的压合顺序原则上是应由外向内压，即先将中圈压入外圈后，再将 内圈压入。

拆卸时顺序刚好相反。

加热压合是先将外圈加热后再套到内圈上， 利用热胀冷缩原理使外圈在冷却后将内圈压 紧，也叫“红套”。

压合后凹模内腔直径会缩小，必须对之进行修正。

冷挤压工艺设计7.4.1 冷挤压件的结构工艺性分析冷挤件的形状应尽量有利于金属变形均匀，在挤出方向上流速一 致。

1. 对称性 冷挤压件的形状最好是轴对称旋转体，其次是对称的非旋转体，如方形、矩形、正多边 形, 齿形等。

冷挤压件为非对称形时，模具受侧向力，易损坏 ( 图 7.4.1) 。

2. 断面积差 零件不同断面上， 特别是相邻断面上的断面积差设计得愈小愈有利。

断面积差较大的冷 挤压件，可以通过改变成形方法，增加变形工序而获得（图 7.4.2）。

3．断面过渡及圆角过渡 冷挤压件断面有差别时， 通常应设计从一个断面缓慢地过渡到另一个断面， 避免急剧变 化，可用锥形面或中间台阶来逐步过渡(图 7.4.3)，且过渡处要有足够大的圆角。

4．断面形状 1）锥形 锥形件冷挤压会产生一个有害的水平分力，故冷挤时应先冷挤加工成圆筒形； 然后单独镦出外部锥体或切削加工出内锥体（图 7.4.4）。

2） 阶梯形 图 7.4.5 所示的阶梯形件适宜于的正挤压或减径挤压。

但差异很小的阶梯冷 挤压则不经济；图 7.4.6 所示为空心阶梯形件，其阶梯之间的尺寸相差很小，最好挤成大阶 梯形或简单空心件，然后切削出来。

3）避免细小深孔 冷挤压直径过小的孔或槽是很困难的，也是不经济的，应尽量避免。

5. 挤压压余厚度 挤压的压余厚度不宜过小， 否则会使单位挤压力急剧增大， 并且会产生缺陷 （如缩孔） 。

图 7.4.5 实心阶梯形件图 7.4.6 空心阶梯形件图 7.4.7 挤压缩孔 7.4.2 冷挤压工艺方案的制定 对于任何一种冷挤压件，从不同的角度和设计观点出发，会有多个工艺方案。

在制定工 艺方案时，既要考虑到技术上的可能性和先进性，又要注重经济效益。

应核拟定两个或更多 个工艺方案，然后进行经济技术分析，以便得出合理的工艺方案。

1．冷挤压件图的制订 冷挤压件图根据零件图制订，以 1：1 比例绘制。

其内容包括： l）确定冷挤压压和进一步加工的工艺基准。

2）对于不经机械加工的部位，不加余量，应按零件图的技术要求直接给出公差，而对 于需进行机械加工的部位，应按冷挤压可以达到的尺寸精度给出公差。

3）确定挤压压完成后多余材料的排除方式。

4） 按照零件的技术要求及冷挤压可能达到的精度， 确定表面粗糙度等级和形位公差值。

2．制定冷挤压工艺方案的技术经济指标：为了确保冷挤压工艺方案在技术经济上的合 理性和可行性，通常采用下述几个指标来衡量： 1）挤压件的尺寸 越大，所需设备吨位随之增大，采用冷挤压加工的困难性增加。