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1、 1 1 绪论.3 1.1 本课题的目的和意义.3 1.2 本课题的主要研究内容.3 1.3 小结.4 2 复杂壳体冷挤压工艺的确定.4 2.1 冷挤压工艺概述.4 2.2 挤压零件分析.5 3、挤压工艺分析.7 3.1 坯料尺寸的确定.7 3.2 毛坯软化处理.7 3.3 冷挤压毛坯表面处理与润滑.7 3.4 变形程度计算.9 3.5 确定挤压次数.9 4 挤压设备选择.9 4.1 挤压力的确定.9 4.2 挤压设备类型选择.10 4.3 液压式压力机型号选择.10 5 模具的结构型式及其主要零部件的设计.10 5.1 冷挤压模具的结构分析.10 5.1.1 冷挤压模具的组成部分.11 5.
2、1.2 对模具设计的要求.11 5.2 冷挤压模具的结构特点.11 5.3 模具材料的选择.12 5.3.1 冷挤压模具工作零件的材料要求.12 5.3.2 冷挤模零件材料选取.12 5.4 凸模设计.12 5.4.1 分流控制腔的设计.13 5.4.1.1 分流控制腔的结构形式及位置确定.13 5.4.1.2 控制腔高度尺寸（ih）的确定.13 5.4.2 凸模的结构及尺寸.14 5.5 凹模的设计.15 5.6 卸料和顶出装置的设计.15 5.7 挤压模具模座的设计.17 5.7.1 上模座的设计.17 5.7.2 下模座的设计.19 5.8 导柱导套的设计.20 6、装配图.22 7 复
3、杂壳体成形过程的有限元仿真.23 7.1 有限元分析软件的背景介绍.23 7.1.1 DEFORM 的介绍.23 7.1.2 DEFORM 的功能.23 7.1.3 DEFORM 的突出特色.24 2 7.2 有限元成形模拟技术中，几何模型的建立和网格划分.24 7.3 基本参数设定.24 7.4 冷挤压成形的模拟分析.25 8、总结.28 致谢.29 参考文献.29 复杂壳体冷挤压成形工艺及模具设计 中文摘要：冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力
4、学性能的挤压件。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的。本设计介绍了某产品上的复杂壳体的结构分析、挤压工艺过程、挤压设备选择、模具结构的设计、凸凹模设计、挤压件质量分析、棘轮套齿形模芯的结构、凸模加工工艺及模具各部件三维造型进行了叙述，并计算了毛坯体积、毛坯尺寸、变形程度、挤压比和挤压力。与常规壳体加工工艺相比，冷挤压成形的棘轮套具有齿形强度高、齿形尺寸精度较高、表面粗糙度值低、材料利用率高、生产效率高、设备投资少等优势。关键词：冷挤压 复杂壳体 反挤压 凸缘 Complicated shell Cold Extrusion of the process an
5、d die design Abstract:Volume precision plastic cold extrusion forming technology is an important component.Cold extrusion is the next in the cold metal blank into the mold cavity,the strong pressure and under a certain speed,forced metal extrusion from the mold cavity to obtain the required shape,si
6、ze,and has some mechanical performance of extrusion Obviously,the cold extrusion process is to control the metal flow by mold,by transfer to a large number of metal forming volume parts.Ratchet sets introduced structure of parts,extrusion process,extrusion equipment selection,die structure design,pu
7、nch and die design,extrusion quality analysis,complicated shell of the structure of tooth punch,punch and die processing of parts,Three-dimensional modeling of the narrative,and calculate the rough size,blank size,deformation,extrusion ratio and extrusion pressure.And conventional processing technol
8、ogy compared to complicated shell,complicated shell of cold extrusion with gear,high strength,high precision gear size,low surface roughness,high utilization ratio,high efficiency,less investment in equipment and other advantages.key words:Cold extrusion Complicated shell Extrusion Flange 3 1 绪论 1.1
9、 本课题的目的和意义 该复杂壳体是某产品上的关键零件，其几何形状复杂，精度要求高，是加工难度很大的零件。目前采用的加工方法材料利用率低，后续加工难度和工作量大，不利于大批量生产随着制造水平的不断提高，近年来，它的品种不断增多，对质量的要求也越来越严格。目前采用的加工方法材料利用率低，后续加工难度和工作量大，不利于大批量生产。金属挤压成型是一种少无切削技术，利用磨具的压力使模腔内的金属毛坯产生塑性流动（变形），获得所需形状的挤压件。复杂壳体成形的锻造方法有很多，比如冷挤压、温挤压、热挤压等，各种成形方法各具优缺点，选择时应根据具体的生产条件、材料、工件的复杂性等综合考虑选择具体的成形方法，以达到
10、最好的经济性。热挤压工艺与冷挤压相比，由于毛坯加热，提高了塑性，降低了变形抗力，因此可以挤压强度较高，断面形状复杂、尺寸较大的零件。同时还可以增加每一步的变形量，减少变形工歩数，生产方法比较灵活，也可以连续生产。但热挤压也存在一些缺点：由于在热加工温度下变形，因此对模具有一定的耐热性要求；在模具设计中要求考虑冷却系统；毛坯的加热与冷却使挤压件的表面粗糙度值变大且降低了零件的尺寸精度。本次实验我们采用的是热挤压，热挤压成形方法比较优越，节省工序。但是，由于热挤压成形方法过程中金属与模具之间存在很大的摩擦力，造成金属变形大，应力分布不均匀，内圆弧处极易出现折叠现象，产生一些废品。因此，复杂壳体件内
11、圆弧挤压过程必须很好的控制摩擦力，优化内圆弧的半径，使金属流动均匀，摩擦力小，才可以形成优质的工件。然而，在实践中靠经验去优化模具的效率低，精度无法保证。但是我们可以通过 Deform2D 的有限元分析软件进行模具成形的仿真和分析，以达到优化相关参数（比如温度的设定、挤压速度、过渡圆角）的目的。这个过程中我们充分考虑影响热挤压成形的因素，进行有针对性的模拟和分析，从而选择合适的模具内圆角参数，进而提高工件的质量，到达优化的目的。1.2 本课题的主要研究内容 根据冷挤压成形理论,针对套筒扳头零件自身的特点，采用反挤压成形工艺进行热成形，借助 DEFORM-2D 有限元软件对模具成形进行了模拟分析
12、与优化。本 4 课题主要是进行挤压模具设计与优化,重点分析了成形过程中金属的流动规律及应力、应变的分布情况，得到载荷-行程曲线。同时在试验时研究了加热温度、挤压速度、过渡圆角等一些参数对金属流动、应力应变、成形质量和成形力的影响,并以此为依据，对工艺参数进行了优化，验证了数值模拟结果的正确性及该复合挤压成形工艺的可行性。利用复杂壳体反挤压工艺，不仅使复杂壳体实现了真正内孔成形，而且还实现了复杂壳体零件的内外一次成形，同时还获得了沿轴向分布的全纤维金属流线和致密的金属组织，在实际应用中验证了该工艺设计的合理性与科学性。挤压模具在设计过程中,还要考虑金属的塑性,变形抗力,应力与应变的影响因素,如化
13、学成分,组织结构的变化,变形速度,变形温度,应力状态的改变,都将决定模具的质量,精度和使用寿命的提高.1.3 小结 本章概述了复杂壳体冷挤压的有关目的和意义及DEFORM-2D的有关应用，重点指出了本课题主要研究内容。2 复杂壳体冷挤压工艺的确定 2.1 冷挤压工艺概述 冷挤压是一种金属塑性成形加工方法，它在不破坏金属的前提下，使金属体积作出塑性转移，达到少切屑无切屑而使金属成形，制得所需的形状及尺寸的零件。这样就避免了切削加工时而形成的大量金属废屑，大大节约了钢铁及有色金属原材料。冷挤压零件是在压力机上进行的，操作方便，容易掌握，生产率很高。在压力机的往复直线动作下完成复杂的加工工序，并可以
14、制成形状复杂的零件。在冷挤压过程中，金属材料处于三向不等的压应力作用下。挤压变形后，金属材料的晶粒组织更加致密，金属流线不被切断，成为沿着挤压件轮廓连续分布的金属流线。同时，由于冷挤压利用了金属材料冷变形的加工硬化特性，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。经冷挤压成形零件的表面质量是十分良好的。在冷挤压过程中，金属材料表面在高压下受到模具光滑表面的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面强度也大为提高。冷挤压零件的尺寸精度一般可达精度等级 IT8IT9 级，个别的尺寸公差范围可控制在 0.015mm 以内。冷挤压工艺可以获得理想的制件表面粗糙度与尺寸精度，有些零件
15、经冷挤压之后可以不再进行切削加工，从而为采用冷挤压方法加工代替某些零件的锻造、铸造与切削加工开辟了一条广阔的道路。冷挤压工艺是在闭式 5 模具型腔中进行金属塑性变形，所得的挤压件是没有飞边的，故不再需要切边（或冲孔）后续工序，从而缩短了生产周期。与模锻工艺相比，因冷挤压不产生飞边，故可省去了切边模及切边压力机，明显地减少了设备投资。另外，冷挤压生产加工，可在专用的冷挤压压力机上，也可以在通用液压机上进行，还可以在非专门为冷挤压而设计的普通压力机上进行，如通用冲床或摩擦压力机。由于冷挤压可以大大节省原材料和金属切削加工工时，因此必然可降低零件的制造成本。冷挤压工艺过程包括：毛坯的制备表面预处理涂
16、敷润滑剂挤压卸下模具（凸、凹模）、芯棒，清除制件上的润滑剂精加工。根据此零件的结构特点以及冷挤压工艺的要求，冷挤压工艺方案可以如下图 21 所示：下料 成形 图 21 复杂壳体冷挤压工艺简图 2.2 挤压零件分析 该壳体是某产品上的关键零件，其几何形状复杂，精度要求较高，是加工难度很大的零件。1 材料选择 该壳体选用电工纯铁，该钢材参照国家标准：GB/T 6983-2008。其化学成分（质量分数，）为：0.010 C，0.10Si，0.25Mn，0.010S，0.015P，0.10Cr，0.05Ni，0.05Cu，0.25Mo,属于低碳合金钢。该材料的强度较低、塑性很好，是典型的冷成形材料。2
17、，形状设计（a）对称性 该壳体为轴对称，对称性好。（b）断面积的差 6 根据冷挤压壳体工序，反挤压工序断面积差=1064.462mm。（c）断面过渡 此反挤压工序，由于直径54 圆柱与直径86 的中间，截面变化较剧烈，是变形和应力分布最不均匀的区域，材料在该处易产生裂纹。故应设计成圆角过渡。挤压比 G (引用挤压实用技术p113)G=10FF 式中 F0冷挤压变形前毛坯的横截面积（2mm）F1冷挤压变形后制件的横截面积(2mm)经计算得 G=3.3。过渡圆角半径 (引用挤压模具简明设计手册P26 表 2.13 冷挤压件尺寸的极限值)查表取 R=1.0mm;r=1.0mm（d）断面形状 根据零件
18、图分析知，壳体无锥形、细小深孔、通孔，故适合于冷挤压断面形状。3，尺寸分析（a）挤压件底厚 b 由于壳体采用反挤压工艺，故 bt 满足其要求。（b）挤压件最小壁厚 t 壁厚越小，挤压力越大，变形程度越大，变形抗力越大，金属流动越困难。查挤压模具简明设计手册P21 表 2-8 冷挤压工艺尺寸的极限数值，得低碳钢tD/15。根据零件图分析知，t=2mm、d=9mm 故 td/15 满足其要求。（c）挤压件内高 l 为防止过长的凸模，工作时容易弯曲，稳定性差。查挤压模具简明设计手册P38 表 1-31 冷挤压工艺尺寸的极限数值知，L（2.53.0）d 满足其要求。根据零件图分析知，L=23mm、d=
19、9mm 故 L（2.53.0）d 满足其要求。（d）挤压件内径 d 根据挤压模具简明设计手册 P21 表 2-8 得挤压件的内径 d0.86D。由零件图分析知，d=9mm、D=16mm 故 d 满足要求。（e）挤压凸模圆角半径 r 圆角越小，挤压力越大，变形程度越大，变形抗力越大。根据挤压模具简明设计手册P21 表 2-8 得 r=0.5mm 符合要求。（f）挤压凸模圆角半径 R 根据挤压模具简明设计手册P21 表 2-8 得 R=1mm 符合要求。7 3、挤压工艺分析 3.1 坯料尺寸的确定 根 据 挤 压 件 毛 坯 的 三 维 造 型 图，可 以 得 到 挤 压 件 毛 坯 体 积 为V
20、=38901.463mm。根据毛坯图最大直径为86mm,最小直径为54mm，故选用最大直径为85.8mm，最小直径为 54.2mm的铸造圆钢毛坯。经计算得毛坯下料高度H=11.40mm 3.2 毛坯软化处理 市场提供纯铁材料，硬度197HBS 相对较高，晶粒粗大不均匀，塑性较差，变形抗力较大，若不经软化退火处理而直接进行冷挤压成形，则金属流动困难，边缘部位可能会出现局部开裂，模具也很容易损坏。为了降低材料的变形抗力，提高塑性，应对坯料进行适当的退火处理。经过退火后的组织为细小均匀的晶粒组织，其硬度为HB110120。3.3 冷挤压毛坯表面处理与润滑 毛坯表面处理与润滑主要包括以下内容：（a）去
21、除表面缺陷。壳体毛坯，去除表面缺陷在冶金厂内进行，各挤压工序制件，由于润滑不当或模具的缺陷等原因往往会引起新的表面缺陷，必须在后续工序前去除表面缺陷。（b）清洁、去脂、为了清洁毛坯表面，以便经磷酸盐处理后使整个金属表面都能为磷酸盐处理层所覆盖，必须将毛坯上所有的油、沙、锈斑和垢壳彻底去掉，使全部金属表面都能够直接与磷酸盐处理液相接触。该毛坯采用化学去油的配方与工艺如下：氢氧化钠OHNa 60100g/L 碳酸钠(大苏打)32CONa 6080g/L 磷酸三钠43PONa 2680g/L 水玻璃32SiONa 1016g/L 处理温度 85C 8 处理时间 1525min 在化学去油后，应当在热
22、水中对毛坯进行冲洗。一般在温度80C 的热水中经过 46 次吊动即可。去油效果检查十分简单，只要用水直接淋在零件上，如果已彻底去油，则水能浸润所有的表面。（c）去除表面氧化层 结合冷挤压工艺，由于先热处理再下料，在机械加工中将表层热处理氧化层去除，故采用机械处理去表面氧化层。（d）磷化处理 钢毛坯经磷酸盐处理后，在表面上形成磷酸盐处理层，可以避免挤压件产生鱼鳞状裂纹，可以避免模具的擦伤与碎裂。在冷挤压变形中，其可作为润滑支承层。经过磷酸盐处理及润滑处理后的钢毛坯具有十分理想的润滑性能，因而可以降低挤压力，防止零件表面裂纹，防止材料粘在模具上，提高模具寿命。对于此零件磷化处理工艺如表 1。（e）
23、润滑处理 润滑处理能降低挤压的摩擦力是零件表面质量好，避免裂纹，提高模具寿命。表 1表面与润滑处理工艺 序号 工序 处理液 处理温度/处理时间/min 1 去油脂 氢氧化钠 60100g 碳酸钠 6080g 磷酸钠 2680g 水玻璃 1016g 水 1L 室温 90 1015 2 热水清洗 水 80100 1015 3 酸洗除锈 硫酸 12180g 食盐 810g 水 1L 室温65 10 4 冷水清洗 水 室温 12 5 中和 苏打 80100g 室温40 23 6 冷水清洗 水 室温 7 磷化处理 马日夫盐*3050g 100 2030 8 冷水清洗 水 室温 12 9 中和 氢氧化钠
24、3g/L 60 10 冷水洗 室温 12 11 冷水洗 室温 12 12 磷酸盐处理 Zn(H2PO4)2 5060 Zn(NO3)2 60120 6570 1520 13 热水洗 6570 12 14 冷水洗 室温 12 15 皂化 中华牌肥皂 200 3040 35 16 凉干 9 3.4 变形程度计算 该零件采用断面缩减率表示其变形程度。断面缩减率F F=010FFF%100 式中 F0冷挤压变形前毛坯的横断面积（2mm）F1冷挤压变形后制件的横断面积（2mm）(a)计算总变形程度 已知机加工后坯料直径D0=63.6mm,零件最大变形程度地方为零件d1=37mm，d2=23mm 环形端面
25、，故零件总变形程度为 F0=20D4 F=010FFF%100=72%3.5 确定挤压次数 假设采用一道工序，经计算得1F=72%1F=F许F=88%，其许F由表 3.3（P38挤压模具简明设计手册）查得。4 挤压设备选择 4.1 挤压力的确定 挤压力的影响因素很多，有挤压材料、变形程度、模具形状、润滑毛坯尺寸、变形方式和挤压速度等，故采用经验公式计算挤压力较准确。P=cpf 式中 P挤压力，N p单位挤压力，MPa;F凸模工作部分的投影面积，mm2;10 C安全系数（考虑到材料性质上的差异，软化热处理的质量摆动，润滑等不良影响，一般取 c=1.3）；F=3.14（41*41-30*30）=2
26、452.342mm 由上公式计算得 P=7014kN 4.2 挤压设备类型选择 由于液压式压力机工作行程长、速度和行程可调、能在下死点保压、安全性高、不存在超载问题，故选用液压式压力机。4.3 液压式压力机型号选择 由于挤压力为 7014kN、设计挤压模具行程小于 100mm,模具高度为 643mm,故选用 YA61-1000 型号液压式挤压机。其主要技术参数如下 型号 YA61-1000 标称压力 6300/10000 回程压力 1000 顶出压力 1200 液体最大工作压力/MPa 32 滑块距工作台面最大距离/mm 1800 滑块行程/mm 1000 顶出行程/mm 400 工作台距地面
27、高度/mm 400 工作台尺寸（左右前后）/mm 12001200 滑块尺寸（左右前后）/mm 11001100 机器外形尺寸（左右前后地面上高度）/mm 669040506450 电机总功率/kw 167 5 模具的结构型式及其主要零部件的设计 5.1 冷挤压模具的结构分析 冷挤压模具的显著特点是单位压力很高，特别是钢的冷挤压单位压力高达2000MPa 以上。在这样高的单位压力作用下，使得冷挤压模具极易损坏。因此，为了延长模具寿命，满足使用要求，对于冷挤压模具结构强度、刚度、精度等方面的要求皆应比冷冲压模具高，为此，我们首先应特别慎重对待冷挤压模具的结 11 构设计。5.1.1 冷挤压模具的
28、组成部分 冷挤压加工时靠模具来完成的，它主要由以下几部分组成：1)工作部分，如凸模、凹模，顶出杆等 2)传力部分，如压力板等 3)顶件部分，如顶杆、反拉杆、顶板等 4)卸件部分，如卸料板、拉杆、弹簧等 5)导向部分，如导柱，导套等 6)紧固部分，如上、下底板、凸模固定圈、固定板、压板、模柄、螺钉等。5.1.2 对模具设计的要求 冷挤压模具与其他压力加工模具相比，由于冷挤压力的单位压力很高，模具处于非常恶劣的条件下工作，故极易失效。因此，在设计冷挤压模具时应满足如下要求：1)保证模具在恶劣的工作条件下工作，具有足够的强度和刚度，特别是工作部分应选择合理的几何形状，采用强韧性很好的材料。2)模具的
29、紧固应可靠，对中性能要好。3)模具的易损部分装卸方便。4)模具具有方便而灵活的卸料和顶出装置。5)具有良好的导向装置 6)便于毛坯的放置和定位；大量生产时，应具有半自动或自动送料装置。7)具有必要的防护措施，保证操作工人是我人身安全。8)模具成本低廉。5.2 冷挤压模具的结构特点 冷挤压模具与冷冲压模具相比有如下一些特点：1)模具材料的选择，特别是对模具工作部分材料的要求更高。一般要求模具工作部分的材料应具有较高的强韧性、耐磨性以及热硬性。2)模具工作部分的过渡处采用光滑的圆角过渡，以防止由于大小直径的剧烈变化而产生较大的应力集中，造成模具的早期失效。3)工作部分与上、下底板之间一定要有足够大
30、的支承面和一定厚度的淬硬压力垫板，以缓和从凸、凹模传来的超高压力，防止压坏上、下底板。4)为了提高模具工作部分的强度，冷挤压凹模多采用施加预应力的组合式结构，而不采用整体式凹模，凸模有时也采用组合式结构。5)上、下底板一般不采用铸铁材料制造，而采用具有足够厚度的中碳钢制成，以保证模具具有较好的刚性和较高的抗压强度。12 5.3 模具材料的选择 5.3.1 冷挤压模具工作零件的材料要求 冷挤压模具是在极其恶劣的条件下工作的，工作应力高达 2000-2500MPa,在连续工作下，还应具有较烈冲刷，因此，模具材料应具有一下的基本性能：1)高强度 模具材料必须具有较高的强度，在保持一定的韧性的条件下，
31、还应具有较高的硬度。2)高韧性 模具材料必须具有较高的强度和动载强度 3)高耐磨性 模具材料必须具有较高的抗磨损能力。4)高耐压性 在高的压力作用下，不墩粗，不弯曲。5)足够的耐热性 挤压使模具反复经受温度升温的作用，材料内部受拉伸压缩的交变作用，因此，要求模具在较高温度下，有较高硬度。6)良好的工艺性 这是获得高质量模具的重要因素。5.3.2 冷挤模零件材料选取 冷挤模零件常用材料主要有碳素工具钢，合金工具钢，高碳高铬模具钢，高速钢，硬质合金及部分合金结构钢。查 挤压模具简明设计手册 表 10.5 挤压时凸凹模材料均选用 W6Mo5Cr4V2,表 10.6 顶杆材料为 T12，上、下模座时冷
32、挤压压力的主要支撑部分，由于冷挤压的单位挤压力较高，上、下模座不能用铸铁材料，采用45 钢.5.4 凸模设计 设计时应注意的问题 1)为了保证凸模装卸简单，紧固可靠，凸模的夹紧部分一般做成阶梯形或锥形。2)当凸模带有导向部分时，导向部分长度按开始挤压时，伸入凹模的长度不小于 5mm 的原则来设计。3)为了防止应力集中而造成模具的早期失效，所有过渡部分皆应设有足够大的圆角半径或倒角。4)为了防止凸模产生纵向弯曲，凸模成形部分长度应尽量短一些。5)凸模与上压力板接触表面应紧密配合，不允许留有间隙。本挤压件挤出成形需两步工序，根据前面分析设计的各工序尺寸来设计本工序的凸模大小尺寸。13 5.4.1
33、分流控制腔的设计 5.4.1.1 分流控制腔的结构形式及位置确定 流动控制成型工艺的实质是闭式模锻成型，该工艺重点是判断最后充满模膛的位置，控制金属在模膛中的流动方向和模锻成形力的大小，其关键技术是模膛分流控制腔的设计。因此必须先判断出哪个模膛（模膛厚度不同，高度不同）最后充满。根据塑性成形最小阻力定律和实验观测，应当根据模膛对变形金属产生的流动阻力的大小来判断，即:K=h/t 式中：h模膛高度；t模膛宽度；这里首先分别介绍计算内、外筒的 h1/t1、h2/t2，得到 k1=7.67、k2=8.5，然后根据数值的大小做出判断。显然，k 值最大的圆筒模膛端部才是模锻时最后充满的部位。因为在所有圆
34、筒形模膛尺寸精度，尤其是模膛表面粗糙度一致的条件下，越是窄而深的模膛其流动阻力越大，无论是冷态挤压模锻还是热挤压模锻均是如此。5.4.1.2 控制腔高度尺寸（ih）的确定 当圆筒形模膛中最后充满的模膛被确定后，若其外径为id，则相应的控制腔的内径为2iidt。因此，尺寸ih即可根据控制腔的体积约等于坯料上多余金属体积（kV）的 2 被来确定，有：22224iiiikddthV 2kiiiiVht dt 壳体零件成型难易可通过计算断面收缩率来判断，计算出压盖的断面收缩率为69.73%，根据经验的反挤压断面收缩率成型力图，断面收缩率在40%50%时，成型力增长缓慢，超出这一范围，成型力急剧增加。因
35、此，控制压盖成型力的大小是该工艺的关键问题。14 5.4.2 凸模的结构及尺寸 查挤压工艺及模具设计p104-105 设计如图：图 4 挤压凸模 此模具的各项参数由经验可得：工作带直径d1=82mm 工作带高度 h4=16.5mm,h5=23mm 非工作部分直径 d=90mm 定位直径 d2=1.2 d1=92mm 定位高度 h2=27mm 支撑部分直径 d3=1.4d1=107.53mm 支撑部分高度 h3=0.5d1=30.98mm 支撑部分锥半角=150 其他尺寸如图所示 总高度 H=h1+h2+h3=96.53+27+30.98=154.5mm 15 5.5 凹模的设计 冷挤压时挤压力
36、较大，凹模根据冷挤压的单位压力p 的大小来决定选择凹模，凹模材料 W6Mo5Cr4V2 高速钢。在模座侧壁上用螺钉通过压力板直接拧紧的方向，对凹模进行固紧。查挤压模具简明设计手册表6.29 设计如图：图 6 挤压凹模 查挤压模具简明设计手册表6.29 表 6.30 经验公式可得：凹模内径 d1=86mm 凹模的外径 d2=150.78mm 凹模工作部分的高度 h1=22mm 凹模的总高度 h=h1+h2=44mm 其他尺寸如图所示 5.6 卸料和顶出装置的设计 卸料装置和推顶机构应具有在任何情况下，都能切实可靠地将挤压模件从凸模中卸脱出，或从凹模中推顶出来，并在回程时，保证不与其他零件相干扰地
37、复位的功能。还应以不使成型件产生变形或卡住现象，迅速地进行卸料和推杆，而 16 不影响制件质量。查挤压模具简明设计手册表 6.58 设计卸件装置如图：图 8 卸料板 设计顶出装置如图：17 图 9 顶出器 5.7 挤压模具模座的设计 查挤压模具简明设计手册和冲压手册等资料并结合本次设计的具体情况，选择了如图所示的模座结构。5.7.1 上模座的设计 18 图 10 上模座 19 5.7.2 下模座的设计 图 11 下模座 20 5.8 导柱导套的设计 冷挤压模具工作部分的准确导向，可使凸模在工作时对准中心，减少由于偏心负荷时产生的弯曲力矩损坏凸模的危险，并能提高挤压件的精度。对导向装置设计的基本
38、要求：结构合理，导向准确可靠，导向作用发生在挤压开始之前，并在整个 过程中实行导向：导向部分与工作部分之间的配合间隙合理。常见的导向装置有：导柱导套间的滑动导向，凸模导向，模口导向，和导套导向四种。本设计选择导柱导套导向。如图所示：导柱 21 22 导套 6、装配图 根据以上分析，设计壳体挤压的装配图如下：图 12 1-导套 2-上模座 3-螺钉 4-凸模固定圈 5-紧固圈 6-螺钉 7-凸模 8-销钉 9-垫块 10-特形螺母 11-卸料螺钉 12-衬套 13-卸料板 14-压板 15-弹簧 16-导柱 17-凹模固定圈 18-销钉 19-组合凹模 20-顶出器 21-推杆 22-垫块 23
39、-螺钉 24-螺钉 25-下模座 该模具带有导柱导套的导向装置。为了提高凸模 7 的强度，延长凸模的使用寿命，采用紧固圈 5 和凸模 7 组成组合式的结构。当挤压件卡在组合凹模19内时，可由安装在下模座上的推杆 21 推杆，带动顶出器 20，推动挤压件而实现顶出。为了防止挤压件卡在凸模上而导致卸料困难，故设计了卸料板 13 和相应 23 的卸料螺钉 11、弹簧 15.该模具还有一个特点是采用了组合式凹模，提高了强度，延长了凹模的使用寿命。7 复杂壳体成形过程的有限元仿真 7.1 有限元分析软件的背景介绍 金属塑性成形技术作为金属加工的主要方法之一，已被广泛地应用于实际生产中，它实际上是一个复杂
40、的大变形问题，既有几何非线性问题，又有物理非线性问题，加上复杂的边界条件，使得变形机理十分复杂。其成形过程是一个受多种因素的影响的复杂过程，材料性能、模具形状、坯料形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响，但是随着计算技术和计算机应用的日益普及，尤其是有限元技术的不断完善，金属塑性成形过程的数值模拟技术得到了飞速发展，使塑性成形理论向实际应用方向迈进了一大步。针对具体的产品和材料，应用数值模拟技术可以定量地分析各种成形工序的应力、应变分布情况，了解塑性流动规律、温度场分布情况以及各变形参数的影响作用。本章基于刚塑性有限元分析方法，以 DEFORM（Design Environment for
41、Forming）数值模拟软件为工具，对成形过程及各成形参数对成形过程的影响进行了模拟。7.1.1 DEFORM 的介绍 DEFORM 是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺，它是专为金属成形而设计的，具有非常友好的图形用户界面，可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场实验成本；提高工模具设计效率，降低生产和材料成本；缩短新产品的研究开发周期。DEFORM 是专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统。DEFORM 是一个高度模块化、集成化的有
42、限元模拟系统，它主要包括前处理、模拟器、后处理器三大模块。7.1.2 DEFORM 的功能 Deform-3D是专门分析各种金属成形过程中三维流动的理想模拟工具。其界面友好，易于使用，能提供极有价值的工艺分析数据，有关成形过程中的材料和温度流动3。其功能有:可进行成形分析（包括:锻造、挤压等）和热传导耦合分析；允许用户自定义子函数，定义自己的材料模型、压力模型、破裂准则和其他 24 函数；材料模型包括刚性、弹性和热粘塑性，特别适用于大变形成形分析；在任何必要时能够自行触发自动网格重划分器，生成优化的网格系统。在变形精度要求较高的区域，可以进行网格细划分，从而降低题目的规模，显著提高计算效率；质
43、点跟踪可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布。针对金属大变形问题，采用基于热力耦合粘塑性有限元分析技术，将工件视为刚塑性体，将上、下模具视为刚性体。利用 PRO/E 软件实现套筒扳头模具的三维造型，而模拟软件采用美国 SETC 公司开发的 DEFORM-3D 软件模拟，该软件是一套基于有限元的工艺仿真系统，主要用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。该软件是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，进行金属加热、成形过程的分析及成形工艺和热处理工艺的仿真。7.1.3 DEFORM 的突出特色 DEFORM软件具有以下突出特色：模拟范围广，有材料流动，锻造负荷，模具应力，晶粒流动
44、，缺陷成因等；适用工艺广，有冷、热、温过程，锻造，拉拔，挤压，墩头，镦粗，轧制，摆碾，机加工车削，冲切，正火，退火，淬火，回火，时效，渗碳，蠕变，硬化处理等；适用设备多，可以模拟液压锻机，锻锤，螺旋压力机，机械压力机，轧机，摆碾机等；材料库很丰富，大约有149种材料流动应力数据组，其它材料需要时可自行添加。7.2 有限元成形模拟技术中，几何模型的建立和网格划分 几何模型的生成可以在 PRO/E 等三维建模软件中实现，然后以 STL 二进制文件的格式保存，作为有限元分析与模拟过程的调用的模型。在前处理模拟过程中，开始需要调入工件模型并划分工件（一般是毛坯）的网格，其目的是为了更加直观地看到工件的
45、变形，更好地研究工件的表面受力及内部的应力应变情况。7.3 基本参数设定（1）零件材料为 10 钢，其热物理参数取值如下，退火是在约 750 快冷或800900 缓冷，经退火处理后的伸长率为 20，硬度不大于 200HB，始锻温度1050 1100，终锻温度850，装炉温度 900，最高炉温 1200，泊松比3.0，密度 33/108.7mkg4。（2）模具材料选取 AISIH1316502200F(9001200C),为刚性体 工件网格单元数 8000 个；m 为剪切摩擦因子，取 0.15；k 为屈服强度；25（3）工件初始温度为 20，上模具取 20，下模具 20；（4）压力机为水压机，工
46、作速度取 200-380mm/sec。7.4 冷挤压成形的模拟分析 damage a)4 步 b)8 步 c)13 步 d)15 步 图 3-6 等效应力分布图 从上面的应力分布图中，可以看到在形成倒角的处应力开始变大，在形成筒壁的过程中应力较为平稳。这是因为在形成拐角处，金属的流动情况更为复杂，26 变形较为剧烈，导致应力相对集中。热挤压过程中取第 4、8、13、15 步的工件和上模具的载荷-行程曲线变化如下图：a)4 步 b)8 步 c)13 步 d)15 步 图 3-7 行程-载荷曲线图 从上图可以看到挤压行程的增加，工件和上模具承受的载荷逐渐变大，随着变形程度的增加，最终挤压力达到最大
47、值。27 在全过程中的流动速度情况如下图，我们取第 4、8、13、15 步作为参考 a)4 步 b)8 步 c)13 步 d)15 步 图 39 流动速度变化图 28 8、总结 我的论文题目是“复杂壳体冷挤压成形工艺及模具设计”，刚一拿到这个题目。我真的是很茫然，不知道怎么着手去弄，有时候感觉自己就快坚持不下去了，感觉很辛苦，还产生了放弃了的念头，但是我还是坚持下来了，因为我知道它对我来说具有很大的挑战性，我要去克服我的薄弱环节，我选择了拼搏，后来就慢慢的进入了状态，思路也逐渐的清晰了，历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设
48、计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。开始是搜集资料，在指导老师的指点下，通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、核心期刊、书籍等。通过一个月的深入学习，搜集了一大堆与毕业设计相关的资料，在刘老师的指导下，摒弃了一些无关紧要的内容，保留了有参考价值的资料作为备用。在这段时期，在学校图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，在中国知网上，我搜索了一些学术论文和期刊文章；在常见的搜索引擎中，我了解到一些相关的知识，全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后，我将收集到的资料仔细整理分类。接下来，我开始对所搜集的资料进行整理、分析研究，对比，并
49、制作了课题研究的方案，开题报告完成之后随即进入紧张而有序的写作之中。并进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。为了画出自己满意的装配图和零件图等，我又仔细复习和学习了 CAD 的绘图技术。掌握了许多的细节问题。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。在设计模具初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，后来经过仔细的对比，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。感觉自己做的差不多的时候，我就将初稿拿给了我的老师，老师对我的设计进行了仔细的研究，一项一项的对我讲解，每一个部分都讲解的很详细透彻
50、，对我提出了宝贵的意见，后来刘老师将初稿修改后及时反馈给我，看了之后才发现论文中的论文漏洞很多，老师给了我很好的建议。至此，我发现，要干好一件事并非那么简单，但也不是很难，敷衍了事是万万不可的，对待任何事情都要认真去思考，用思想来完成任务。一篇优秀的毕业论文不是写出来的，而是修改出来的，这需要的是耐心，还要用心。在网站的制作过程中，我遇到的问题很多，有些是在自己技术所在范围之外，每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，我就会出现浮躁的情绪，但是我没有放弃，而是适时地调节自己的心态，在同学老师的帮助下，完成了初次的设计。越是不懂的东西才要去学，在学习的过程中你会收获很多，其中一点就是互相学习