挤压模具说明书

1. 绪论

1. 1 挤压的定义及分类

1. 1. 1 挤压的定义

挤压是将挤压模具装在压力机上，将金属坯料放入模腔内，利用压力机的往返运动，在强大的压力和一定的速度之下，迫使金属在挤压模的型腔内发生塑性变形，从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。挤压是在很强的三向应力状态下的成型的过程，因而允许很大的变形量，更适于低塑性材料的成型。显然，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型零件的；在整个变形过程中，其材料的体积是保持不变的[1]。

挤压成型速度范围很广，它既可在专用挤压机上进行，也可在一般的机械压力机、液压机、摩擦压力机以及高速空气锤上进行。挤压成型温度范围也很广，它既可在常温、中温下进行，也可在高温中进行。根据制品形状的要求，有各种与之相配的模具。挤压模具是挤压生产中最重要的工具，它的结构形式、各部分尺寸、模具材料、模具的装配形式等，对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳定性、制品表面质量以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响[2]。

1. 1. 2 挤压的分类

（1）按毛坯加热温度的不同分类

1）冷挤压在室温中对毛坯进行挤压。

冷挤压的特点及应用范围；采用冷挤压法加工可以降低原材料消耗，材料的利用率高达70%~90%[4]。在冷挤压中，金属材料处于三向不等的压应力作用下，挤压后金属材料的晶粒组织更加细小而密实；金属流线不被切断，而是沿着挤压件轮廓连续分布；同时，由于冷挤压利用了金属材料经冷加工而产生的加工硬化的特性，使冷挤压件的强度大为提高，从而提供了用低强度钢代替高强度钢的可能性[3]。此外，冷挤压靠强大的压力来熨平毛坯表面，因此可以获得较高尺寸精度和较低表面粗糙度的冷挤压件。

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：

●凹模一般为组合式（凸模也常常用组合式）结构；

●上﹑下模板更厚，材料选择得更好，满足模具的强度要求；

●导柱直径尺寸较大，满足模具的刚度要求；

●工作零件尾部位置均加有淬硬的垫板；

●模具易损件的更换、拆卸更方便[5]。

从上述分析可以看出，冷挤压加工具有“高产、优质、低消耗”的特点，在技术上和经济上都有很高的实用价值。目前，已在机械、仪表、电器、轻工、航宇、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。

当然，冷挤压也有一些缺点，比如，单位挤压力较大，模具使用寿命较短[11]。但是，随着科学技术的发展，模具材料的开发，模具结构的合理化，缺点会被克服，优越性会得到充分发挥。

2）温挤压将毛坯加热到金属再结晶温度以下的某个适当的温度范围内进行挤压。

3）热挤压将毛坯加热到金属再结晶温度以上的某个适当的温度范围内进行挤压。

（1）按毛坯材料种类不同分类

1）有色金属挤压被挤压毛坯材料为有色金属及其合金。

2）黑色金属挤压被挤压毛坯材料为黑有色金属及其合金[6]。

1. 1. 3 挤压基本方法

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：

（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，即在挤压时金属流动方向与凸模的运动方向相同。在挤压过程中挤压筒固定不动，毛坯在挤压轴压力的作用下沿着挤压筒内壁发生激烈的摩擦并引起毛坯的温度升高，同时毛坯沿着挤压轴运动方向发生流动变形。正向挤压又分为实心件正向挤压和空心件正向挤压。

正挤压生产的特点是：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；但由于挤压过程中毛坯表面与挤压筒内壁的激烈摩擦，从而使挤压力损失30%~40%，同时，摩擦产生的温度使毛坯的温度不均匀，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。

（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毛坯表面与挤压筒内壁的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，即在挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反，使挤压过程中的毛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。

反挤压生产的特点是：可减小总挤压力的30%~40%，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，而且对毛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，在实际生产在中反向挤压又有新发展。

（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、花瓣形的双杯类和杆类挤压件，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毛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，即在挤压时金属沿着凸模运动的方向和相反的方向同时流动。

（4）其他挤压法

1）减径挤压法

它主要使毛坯断面作轻度缩减。适用于制造在径差不大的阶梯轴类挤压零件以及深孔薄壁杯形零件的休整工序。

2）径向挤压法

挤压时，金属的流动方向与挤压轴的运动方向垂直，即金属流动方向与凸模的运动方向垂直。用该挤压法可以制造十字轴类挤压件，也可以制造花键轴的齿

形部分以及直齿和小模数螺旋齿轮的齿形部分等。

3）镦挤复合挤压法

它是将局部镦粗和挤压结合在一起的加工方法，主要用于制造凸缘或粗腰形的杆类挤压件[8]。

1. 2 冷挤压定义及特点

1. 2. 1 冷挤压定义

冷挤压是利用金属材料塑性变形的原理，在室温的条件下，将冷态的金属毛坯放入装在压力机上的模具型腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属毛坯产生塑性流动，通过凸模与凹模的间隙或凸模出口，挤出空心断面比毛坯断面要小的实心零件，可获得所需一定形状及尺寸，还具有较高力学性能挤压件的工艺技术[9]。

1. 2. 2 冷挤压工艺特点

1. 2. 2. 1 冷挤压优点

近年来，在机械制造工艺方面广泛采用冷挤压先进技术，取得了显著的成效。与其他制造方法相比，冷挤压工艺已成为金属塑性变形中的最先进工艺之一，在技术上和经济上都有很多显著优点。

（1）显著降低原材料消耗

（2）提高劳动生产率

（3）可成形复杂形状的零件

（4）提高零件的力学性能

（5）可获得较高尺寸精度及较小表面粗糙度值的零件

（6）减少工序，缩短生产周期

（7）减少设备投资

（8）降低生产成本

1. 2. 2. 2 冷挤压缺点

（1）变形抗力高

（2）模具寿命短

（3）对毛坯要求较高

（4）对冷挤压设备要求高[9]

1. 3 冷挤压工艺应用范围

综上所述，冷挤压加工方法是一种“优质、高产、低消耗、低成本”的先进工艺，在技术上和经济上都有很高的应用价值。目前冷挤压技术已在我国汽车、摩托车、仪表、电信器材、轻工、建筑、宇航、船舶、军工、及五金等工业部门中获得了广泛的应用。已成为金属塑性成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。

冷挤压作为一种少无切削的新工艺，已成为先进制造技术中极具特色的一个门类。冷挤压加工的缺点与优点相比是次要的，是相对于当前技术条件而言的，随着科学技术的迅速发展，模具钢新材料的研究开发，模具结构设计的合理化，缺点问题会被解决，优越性将会得到充分发挥。因此，可以预见，在我国经济建设已跨入21世纪，并加入WTO组织及参与国际市场竞争的情况下，这种先进的金属塑性成形加工工艺将会起到更大的作用，在各个行业中得到越来越广泛的应用[9]。

2. 材料分析

2. 1 材料化学成分及机械性能

材料：20钢

各化学成份含量[12]

元素含量

碳（C ）0.17～0.24

硅（Si）0.17～0.37

锰（Mn）0.35～0.65

磷（P ）≤0.04

硫（S ）≤0.04

铬（Cr）≤0.25

镍（Ni）≤0.25

材料机械性能[12]

强度极限σb延伸率δ（%）断面收缩率φ（%）屈服极限σs（兆

帕）

230 390～420 28 55

3. 工艺方案的制定

3. 1 零件工艺性分析

气门顶杆用于发动机，受拉、压、剪、扭、弯和冲击等多种载荷作用，要求其具有较高的疲劳强度和冲击韧性。采用切削加工，不仅浪费大量的金属，而且由于零件材料为20钢，强度高，切削性差，所以生产效率低。而采用冷挤压加工，可节省金属，提高生产率，而且还可提高零件的强度和尺寸精度，适于冷挤压工艺。而且设计的零件图如图3-1所示：

图3-1

3. 2 冷挤压工艺方案的制定

3.2.1 毛坯尺寸的确定

考虑到挤压件顶端不平齐。应在工件顶端留出修边余量Δh ，取Δh =4㎜，气门顶杆挤压件如图2所示。

毛坯的形状及尺寸对模具寿命及冷挤压件纤维方向的改善有很大影响。根据气门顶杆的形状特点，同时考虑到便于毛坯的定位和成形，决定选用圆柱形毛坯。挤压件毛坯体积是根据制件体积与毛坯体积相

等的原则计算的。计算毛坯体积V p得：

V p=π×(26∕2)2×51－π×(20∕2)2×(51－3.8－2.7)－π×(23.5∕2)2×27=11 926㎜3

为了便于将毛坯放入凹模型腔内，同时考虑到减少模具的磨损，提高零件的表面质量，一般毛坯外径D 应比凹模型腔尺寸D 小，对于反挤压件，毛坯尺寸应比凹模型腔尺寸小0.05m 左右。由此可得毛坯外径D。：

D p=D n－0.05=26—0.05=25．95 ㎜

毛坯长度l p为：

l p=(4V p)∕(πD p)= (4×11926)∕(π×25．952)=22．55㎜

经试验，最后确定的毛坯实际尺寸为Φ25.95㎜×22.6㎜，如图3所示。

图3毛坯

挤压件

3.2.2

综上所述，制定的发动机气门顶杆冷挤压工序为：

（1）制备毛坯；

（2）退火处理；

（3）毛坯表面处理：酸洗-磷化-皂化等；

（4）反挤压成形：

（5）洗涤，切削加工。

3. 3 冷挤压经济效果分析

材料利用率由切削加工的42%提高到89%，并提高了零件强度，其中零件疲劳寿命提高了一倍，且模具调整方便，生产率也提高了。

4. 模具设计

4. 1 挤压模具设计基本要求

挤压模具设计的基本要求，应满足以下条件：

（1）凹模工作部分应有足够高的强度和较长的使用寿命；

（2）凹模工作部分能够简洁可靠的固定在模架上；

（3）极易损坏部分拆卸方便；

（4）毛坯放置容易，定位准确，在大量生产时可能采用半自动或全自动料；

（5）挤压的工件可以方便的取出；

（6）制造简单，成本费用低；

（7）保证操作人员的安全[9]。

4. 2 模具设计时应考虑的安全措施

在设计模具时，必须周全的从各个不同角度考虑必要的安全措施，以确保人身安全和设备安全。模具结构安全措施的一些基本要求如下：

（1）模具的结构不应使操作者有不安全感。在操作时，严禁向模具内伸手。模具结构应以操作时不必将操作者身体的一部分进入危险区为原则。

（2）模具要有足够的强度。整个模具结构的厚度不能过薄，受力部分厚度要大一些。

（3）在设计模座时，应考虑安装螺钉的槽孔尺寸，特大的上模座或具有较大的钢性卸料板的模具，应增加紧固螺钉。

（4）对具有敞开式活动卸料板的模具，应加保护板[9]。

4. 3 挤压模具整体设计

在高压力作用下，为了保证挤压模具的寿命，对模具结构的强度、刚度等方面的要求应比一般冲压模具高。该模具采用导柱导套导向，来提高导向的精度。凸模用凸模固定板固定。由于挤压时的挤压力很大，为了防止由凸模和凹模传来的高压直接作用在上、下模座上，一般是在凸模和模座之间，以及凹模和模座之

间设置垫板，来分散压力，起缓和作用。根据理论分析可知，压力在板内传播是向外扩大的，即垫板厚度增加，压力面的传递直径增大，传递的压力减少。垫板是承受高压的零件，要求有较高的强度和刚度。凹模通过预应力圈固定在下模座上。为了防止挤压件卡在凸模上，采用卸料板卸料，卸料板安装在预应力圈上，以便减少模板的横向尺寸[9]。

4. 4 冷挤压模具设计的基本要求

冷挤压时的单位挤压力很大，可达到材料抗拉强度的4～6倍或更高，接近甚至超过先有模具材料的抗拉强度，远远超出一般金属塑性加工时的单位压力。冷挤压时，单位挤压力的大小主要受模具强度的限制，现在所用的冷挤压模具的材料强度最高为2500～3000MPa。超过此值，模具将要损坏，或者寿命很低，所以，当计算的单位挤压力超过模具材料的抗拉强度时，就应采取降低单位挤压力的措施，如增加挤压次数，减小每次的变形程度等。连续的挤压操作可使金属与模具刚烈摩擦，模具的温度可升至200～300°C,甚至更高。由此可知，冷挤压模具的工作条件极其恶劣。因此，为了确保模具的正常工作和使用寿命，模具必须能够耐静态高压，耐冲击，经得住工件和模具表面之间的摩擦，同时要耐疲劳。作用在模具上的压力必须引导到压力机工作台面和压力机机架上。虽然金属在压缩下发生塑性变形，但是模具中的工作应力却是一个复杂的抗张、抗压和切应力的联合应力。由于工作应力很高，模具承载时将会产生明显的弹性变形。

考虑到这些因素的影响，对冷挤压模具设计的基本要求如下。

1）保证模具在恶劣工作条件下工作，选用具有足够强度和刚度、高的耐磨性材料，正确的加工方法和热处理工艺规范。特别是模具的工作部分（凸模、凹模等），应设计合理的几何形状，采用强韧度很好的材料；

2）模具工作部分能够方便而可靠地固定在模架上，对中性要好；

3）对尺寸精度要求高的挤压件，模具应有良好而可靠的稳定性和导向装置； 4）模具具有方便而灵活的卸料和顶出装置，易使零件取出；

5）模具的易损部分拆卸方便，在生产批量较大时要有互换性和通用性；

6）便于毛坯的放置和定位，在大批量上产中要有利于实现机械化和自动化，

并配有自动送料装置；

7）模架能牢固的安装在压力机上，具有必要的防护措施，保证操作工人的人身安全；

8）模具制造要简单，成本低廉[9]。

4.5冷挤压件的变形程度

变形程度是反映冷挤压时材料塑性变形量大小。冷挤压时变形程度越大，变形抗力也越大，当超过模具钢所能承受的单位挤压力时，会影响模具寿命，甚至使模具损坏。变形程度可以用断面缩减率、挤压比、对数挤压比3种方式表示。在工厂中，大多采用断面缩减率表示：

εF=[(F0一F1)／F0]×100％

= (20／26)2×100％=59．2％

式中：εF一断面缩减率；F0—变形前毛坯的横截面积，㎜2。；F1一变形后挤压件的横截面积，㎜2。20钢反挤压的许用变形程度为68％～78％，该气门顶杆可一次挤压成形。

4.6 冷挤压力的计算

在冷挤压机上进行反挤压所需的压力由下式确定：

P =AZ nσb (4-1)

式中：P——挤压力，N；A——凸模工作部分横断面

积，mm2；Z——模具形状因数；n——挤压方式及变

形程度修正因数；σb——挤压前材料抗拉强度，

MPa。

确定各参数值为：A= π×(20／2)2 314.2 mm2,Z=1.1，n=5，σb =400MPa，由计算得P=691kN；

考虑到实际生产中材质的软化、表面润滑处理的质量等因素对挤压力的影响，在

选择挤压设备时，在计算挤压力的基础上乘以安全系数1.3。故选用标称压力为1000kN的YF32-100A型液压机。

4.7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：

（1）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。当挤压力P≤1100MPa时，可采用整体式凹模。当1100MP

（2）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，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[10]。

由式（4-1）得：单位挤压力 P=F/A=786.98MPa<1100MPa，由于凹模材料为W18Cr4V,故选用整体式凹模。

4. 8 反挤压模具设计

反挤压模具工作原理与正挤压模是很相似的，不同之处主要是凸模上面增设了一个卸件机构。反挤卸件时是用上顶杆来推挤打销使凸模外套运动完成的。4. 8. 1反挤压凸模设计

反挤模的凸模是采用法兰式，它必须与凸模外套配合使用。为了有利于金属流动和充满模具型腔，在产品零件允许的情况下，凸模的工作端最好设计成锥形。如图4.1是反挤凸模的设计结果；

图4-1 4. 8. 2反挤压凹模设计

反挤凹模的形状和尺寸如下图：

图4-2 4. 8. 3反挤压上模板设计

反挤压上模板设计如图：

图4-3

4. 8. 4反挤压凹模压紧圈设计

反挤压凹模压紧圈设计如图：

图4-4

4. 8. 5凸模固定板设计

凸模固定板设计如图：

图4-5

5 毛坯的预处理

根据冷挤压工艺要求，毛坯在冷挤压变形前需进行预处理，包括软化处理、表面处理和润滑处理。

(1)软化处理。为了提高材料塑性，降低变形抗力，改善金相组织，?肖除内应力，改善材料的冷挤压性能，在冷挤压成形前需对材料进行软化退火处理，其退火工艺如图4所示。经软化退火处理后毛坯的硬度为110～120lib。

图4 加钢退火工艺

(2)表面处理。气门顶杆冷挤压成形过程中，材料变形量较大，毛坯需进行良好的表面处理。毛坯处理过程为：去除表面缺陷一清洁、去脂、清洗一去

除表面氧化层一磷化处理。其中前三项处理是为了改善毛坯表面质量，并为磷化处理做准备。

(3)润滑处理。为了最大限度地减小毛坯与模具间的摩擦力，减小变形抗力和变形功，提高模具使用寿命，经表面处理后的毛坯还需进行润滑处理。该毛坯润滑处理采用皂化处理的方法。

6. 润滑剂的选择

除了应对成形材料作进一步性能研究以外，还应该考虑改善温挤时挤压凸模的工作条件这个因素，如果能有效地降低挤压力和控制凸模的温升，那么模具寿命和产品质量都可以得到提高，因而，为挤压全过程提供有效稳定的润滑也是非常重要的[9]。

6.1 润滑剂的要求

为了减少摩擦对冷挤压成形过程的不良影响，必须选用合适的润滑剂。冷挤压加工中使用的润滑剂一般应符合以下要求。

1）润滑剂应有良好的附压性能，在高压作用下，润滑剂仍能吸附在接触表面上，保持润滑效果。

2）应有良好的耐热性。由于冷挤压变形会产生热能，使毛坯温度升高，此时润滑剂应不分解、不变质。

3）润滑剂不应对金属毛坯和模具有腐蚀作用。

4）润滑剂应对人体无毒，不污染环境。

5）润滑剂要求使用、清理方便，来源丰富，价格便宜等[9]。

6.2 润滑剂的种类

冷挤压加工时，常用的润滑剂有液体润滑剂和故土润滑剂两大类。

（1）液体润滑剂液体润滑剂包括矿物油、植物油、动物油、乳液等。矿物油多是全损耗系统用油，全损耗系统用油的化学成份稳定，与金属不起化学作用，但摩擦因数比动、植物油大，因此，常把全损耗系统用油作配置润滑油的基油，再加入各种添加剂以制成所需的润滑油。动、植物油含有脂肪酸，和金属起反应后在金属表面生成脂肪酸的润滑膜，润滑性能良好；动、植物油与矿物油相比，化学成分不稳定，还带有酸性。

（2）固体润滑剂冷挤压常用的固体润滑剂有石墨、二硫化钼和肥皂类[9]。

综上所述，考虑到经济因素，坯料在磷化处理后可以采用猪油或或机油拌二硫化钼做润滑，也可取得较好效果，其中猪油的效果最好[10]。

7. 挤压设备的选择

挤压设备选择是挤压成型工艺过程中的重要环节，挤压设备选择是否合适直接影响到设备的安全和合理使用，同时也关系到挤压工艺过程能否顺利完成及模具的使用寿命，产品质量，生产效率，成本高低等一系列问题。在选择挤压设备时，应该注意到以下几点：

（1）应根据所要完成的挤压工序的性质，生产批量的大小，挤压件的几何尺寸及精度要求来选择挤压设备的类型。

（2）由于在挤压过程中，机械的个部分都会受力变形，因此在选择挤压设备时，应充分注意到其精度和刚度。

（3）挤压全过程的变形力应低于压力机的许用压力。

（4）所选的压力机装模高度应与模具闭合高度相适应。

挤压设备的选择，还需要考虑到压力机台面的尺寸应足以安装模具，以便于安放压板固定，压力机有无气垫等弹顶装置，工作台孔大小是否适于出料等等。

考虑到本零件和模具的具体情况，既尺寸很大，必须选择滑块行程大的压力机，以保证本模具的顺利工作。

综上所述：选用THp32-3000通用液压机[9]。

标称压力 30000KN

滑块行程 1500mm

滑块开口高 2800mm/s

滑块工作速度 1-6mm

工作台尺寸 2200×2200

液压垫力 6300KN

液压工作压强 25MPa

电动机功率 269.5K