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1、中北大学 2009 年课程设计说明书第 0 页 共 23 页1. 冷挤压的定义及特点冷挤压的定义及特点1. 1 冷冷挤压的定义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。1. 2 . 冷挤压的优点及技术难点目前，冷挤压技术已在紧固件、机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。二战后，
2、冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现便拓展了其发展空间。日本 80 年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有 30%40%是采用冷挤压工艺生产的。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷挤压生产工艺技术己逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。与其他加工工艺相比冷挤压有如下优点： 1）节约原材料。冷挤压是利用金属的塑性变形来制成所需形状的零件，因而能大量减少切削加工，提高材料利用率。冷挤压的材料利用率一般可达到 80%以上。 2）提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加
3、工制造零件，能使生产率提高几倍、几十倍、甚至上百倍。 3）制件可以获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。零件的精度可达 IT7IT8级，表面粗糙度可达 R0.2R0.6。因此，用冷挤压加工的零件一般很少再切削加工，只需在要求特别高之处进行精磨。 4）提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化，以及在零件内部形成合理的纤维流线分布，使零件的强度远高于原材料的强度。此外，合理的冷挤压工艺可使零件表面形成压应力而提高疲劳强度。因此，某些原需热处理强中北大学 2009 年课程设计说明书第 1 页 共 23 页化的零件用冷挤压工艺后可省去热处理工艺，有些零件原需要用强度高的钢材制造，用冷挤压工艺后就可用强度
4、较低的钢材替用。 5）可加工形状复杂的，难以切削加工的零件。如异形截面、复杂内腔、内齿及表面看不见的内槽等。 6）降低零件成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产率、减少零件的切削加工量、可用较差的材料代用优质材料等优点，从而使零件成本大大降低3 。冷挤压技术在应用中存在的难点主要有： 1）对模具要求高。冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大，这使得模具所受的应力远比一般冲压模大，冷挤压钢材时，模具所受的应力常达 2000MPa2500MPa。例如制造一个直径 38mm,壁厚 5.6mm，高100mm 的低碳钢杯形件为例，采用拉延方法加工时，最大变形力仅为 17t，而采用冷挤
5、压方法加工时，则需变形力 132t，这时作用在冷挤压凸模上的单位压力达 2300MPa 以上。模具除需要具有高强度外，还需有足够的冲击韧性和耐磨性。此外，金属毛坯在模具中强烈的塑性变形，会使模具温度升高至250300左右，因而，模具材料需要一定的回火稳定性。由于上述情况，冷挤压模具的寿命远低于冲压模。 2）需要大吨位的压力机。由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至几千吨的压力机。 3）由于冷挤压的模具成本高，一般只适用于大批量生产的零件。它适宜的最小批量是 510 万件。 4）毛坯在挤压前需进行表面处理。这不但增加了工序，需占用较大的生产面积，而且难以实现生产自动化。 5）不宜用于高强度
6、材料加工。 6）冷挤压零件的塑性、冲击韧性变差，而且零件的残余应力大，这会引起零件变形和耐腐蚀性的降低（产生应力腐蚀）4。 1. 3 冷挤压的发展趋势冷挤压的发展趋势1）随着能源危机的日趋严重，人们对环境质量将更加关注，加之市场竞争日益加剧，促使锻件生产向高效、高质、精化、节能节材方向发展。因此用挤中北大学 2009 年课程设计说明书第 2 页 共 23 页压成形等工艺手段所生产的精化锻件的产量，在市场竞争中将得到较大的发展。2）汽车向轻型化、高速度、平稳性方向发展，对锻件的尺寸精度、重量精度及力学性能等都提出了较高的要求。如轿车发动机用连杆锻件除对大小头之间的误差有要求外，对每件的重量误差也
7、要求不大于八克。新产品的高要求，将促进精化生产工艺的发展。 3）专业化、规模化的组织生产仍是冷挤压生产的发展方向和趋势。在法国，以挤压成形工艺生产锻件的专业厂家 19911994 年全员劳动生产率，即每人生产挤压件的产量及产值，均高于一般生产模锻件或者自由锻件的厂家。以 1994年为例，专业厂家挤压件人均产量为 51024KG，创产值 775688 法郎。而同期一般性生产模锻件的厂家，其人均产量仅为 39344KG，产值 592384 法郎，仅相当于挤压件专业生产厂家的 77.1%和 76.37%。自由锻件生产厂与之相比则更低。 4) 挤压专机将成为一种发展趋势。随着中小型锻件的精化生产发展及
8、冷挤压、温挤压工艺的推广应用，多工位冷挤压压力机、精压机及针对某种锻件而设计制造的专机会得到大力发展7。2 材料分析材料分析21材料化学成分及机械性能材料化学成分及机械性能材料牌号： 2A122A12，也叫做做 LY12，相当于 2024，通用的板材标准为 AMS-QQ-A-250/4（非包铝） ；AMS-QQ-A-250/5（包铝） ，主要用于飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件，为 Al-Cu-Mg 系主要成分为：各化学成分的含量元素 百分含量（%）硅（Si） 0.5锰（Mn） 0.00.9铁（Fe）0.5铜（Cu） 3.804.90中北大学 2009 年课程设计
9、说明书第 3 页 共 23 页镁(Mg)1.21.8锌（Zn） 0.25钛（Ti） 0.15镍（Ni）0.10铬 0.10其他 0.15铝 其余22材料的力学性能分析材料的力学性能分析2A12热处理状态淬火+自然失效抗拉强度极限440-470MPa延伸率8-12%HBW110-1202 23 3 毛坯尺寸的确定毛坯尺寸的确定11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，而且还会严重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9。冷挤压坯料的形状
10、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可以选用圆柱形坯料。2 24 4 坯料制备方法坯料制备方法坯料制备方法有截切下料、冲裁下料、切削下料、锯切下料等多种方法，可按需选用。在机械压力机上用专用的截切模对棒料或管料进行截切下料是应用得最为广泛的方法。本例通过截切下料，与其他方法相比可以节省原料。2 25 5坯料的软化处理、表面处理及润滑坯料的软化处理、表面处理及润滑112 25 51 1 坯料的软化处理坯料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，提高材料的中北大学 2009 年课
11、程设计说明书第 4 页 共 23 页塑性，得到良好的显微组织，消除内应力。对于硬铝来说，应该采用高温入炉，这样可以降低硬铝的表面硬度，如在处理前2A12表面硬度为105，软化处理后的硬度在65-73之间。图一图一 2 25.5. 2 2 坯料的表面处理坯料的表面处理硬铝坯料2A12塑性差，在挤压过程中为避免产生裂纹，应使硬铝坯料表面形成一层氧化膜或者磷化膜。这是一层多孔、致密的氧化膜或者磷化膜，成灰黑色，可用氧化处理、磷化处理或者氟硅化处理来获得。由于这层氧化膜中可充填大量的润滑剂，所以在挤压时可取得较好的润滑效果。 两种表面方案：两种表面方案：方案一：氧化处理 其工艺流程如下：1）汽油清洗以
12、去除油污2)热水清洗(60100C)3)流动冷水清洗4)酸洗(工业硝酸400800g/L,2min)5)冷水清洗2次6)氧化处理(工业氢氧化钠NaOH4060g/L,温读5070C,时间14min,以表面成均匀细致的多孔灰黑色结晶膜为宜)。7）流动冷水清洗中北大学 2009 年课程设计说明书第 5 页 共 23 页硬铝除了采用氧化处理来产生润滑支撑层外，还可以采用磷化处理和氟硅化处理。实验表明，当采用磷化处理加工业菜油润滑时，挤出的零件的表面粗糙度Ra达0.8um，表面光泽。当采用氟硅化处理加工业菜油润滑时，挤出的零件的表面质量比磷化处理略有提高，但光泽不好，且氟化处理过程中会产生有毒物质，因
13、此尽量不要采用。方案二：磷化处理 配方为：磷酸二氢锌（Zn（H2PO4）2）28g，磷酸（75%）25g，铬酸（CrO3）10g，十二烷基硫酸钠， （润滑剂）0.5g，水1L。处理温度5560C,处理时间23min。纯铜、黄铜在挤压中为获得较高的表面质量，往往进行钝化表面处理，以便在坯料表面形成一层钝化膜作为润滑剂的支撑层。钝化表面处理工艺流程如下：1）汽油清洗，以去除油污。2)热水清洗(60100C)3）冷水清洗（两次） 。4）钝化。5）冷水洗。6）干燥。钝化液配方为：铬酐200250g/L,硫酸816g/L,硝酸3050g/L。处理温度为20C,时间510s。经过比较，由于方案二污染，并且
14、酸的成分比较多，所以选择方案一的表面处理。2.2. 5.5. 3 3 坯料的润滑处理坯料的润滑处理两种润滑方案：两种润滑方案：方案一：工业菜油，应用效果良好，冷挤压件内孔表面粗糙度为Ra0.1um，外表面粗糙度为Ra0.8um。方案二：皂化，应用效果尚好，冷挤压件内孔表面粗糙度在Ra0.8um以下。经比较，方案二皂化处理的效果好于工业菜油处理，耐压能力强。3成形工艺方案的制定成形工艺方案的制定中北大学 2009 年课程设计说明书第 6 页 共 23 页该实例产品成形重点是杯形件内孔，由所给配料及零件图可知是通过反挤 压成形实现的根据零件形状和材料及零件图分析制定工艺方案一如下图 1；图 二 工
15、步图1. 下料 2.反挤压方案一：第一步：下料；第二步：反挤压； 方案二：可以用机加工的方法成形，机加工会造成材料的浪费，增加了成本投入。方案三：压力铸造。不过 LY12 是变形铝合金，并且压铸性能不好。综合考虑，方案一模具结构简单，无切削加工，大大节约了原料可以作为优先选择的方案。4成形工序挤压力的计算成形工序挤压力的计算 41 变形程度的计算变形程度的计算断面减缩率 = (F0-F1)/F0*1009FO毛胚截面积； F1工件变形后的截面积；=d12/d02=10.12/122= 70.84%查资料得：2A12 反挤压变形许用变形程度是 75%-85%，所以小于该材料中北大学 2009 年课程设计说明书第 7 页 共 23 页的反挤压变形许用变形程度，另，相对孔深 h/d1 =18/12.8=1.41壁厚 S2 =1.35据上计算 可以通过一次反挤压成形。42 图算法冷挤压力的计算图算法冷挤压力的计算由断面减缩率 = 70.84% H0/S=10.5/1.354 以及 ly12 为 AL-CU-Mg 系根据有色金属反挤压时单位挤压力图表查表得：反挤压杯形件的单位挤压力Pt=123
