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1、冲压工艺与模具设计,四川信息职业技术学院 机电工程系 唐秀兰编制,第6章 冷挤压,目 录 6.1 概述 6.2 冷挤压的金属变形 6.3 冷挤压用金属材料及毛坯准备 6.4 冷挤压力的确定 6.5 冷挤压变形工序的制订 6.6 冷挤压模具的设计,6.1 概 述,冷挤压定义: 冷挤压是在常温下利用装在冷挤压力机上的冷挤压模具，对装在型腔内的被挤压材料施加强大的压力，使之产生塑性流动，从凹模孔中或凸、凹模间隙中挤出，从而获得所需零件的一种加工方法。 冷挤压工艺的发展，是从1886年法国用挤压法制造牙膏管开始的。在一个相当长的历史时期内，它一直局限于铅、锡等几种较软的金属。直到十九世纪末、二十世纪初
2、，才开始应用于紫铜、锌、黄铜等较硬的金属。到1938年，德国在军火工业中，采用了钢的冷挤压，用来制造引信和弹壳，钢的冷挤压才得到应用，现在可用于冷挤压钢的种类越来越多，使用日益广泛。,6.1.1 冷挤压的分类,根据冷挤压时金属流动的方向与凸模运动方向的关系，冷挤压可分为以下几种： 1)、正挤压; 2)、反挤压 ; 3)、复合挤压; 4)、径向挤压 1、正挤压 正挤压时，金属的流动方向和凸模的运动方向相同（图6-1a为正挤压实心工件情况） 。一般来说，正挤压可以挤压各种形状的实心零件，也可以挤压管状零件（图6-1b）。正挤压零件示例见图6-2所示。,a b 图6-1 正挤压示意图 1-凹模 2-
3、凸模 3-毛坯 4-零件,将毛坯3放入凹模1的型腔内，凹模底下有一个大小与所需零件外径相当的孔，当凸模2下行时，凸模的压力迫使金属进入塑性变形状态，从而从凹模孔中流出，而得到所需的零件4。,6.1.1 冷挤压的分类,2、反挤压 反挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相反，图6-3为反挤压时的情况。,图6-3 反挤压示意图 1-凹模 2-凸模3-毛坯 4-零件,把毛坯3放入凹模1型腔内，凸模2比凹模洞口小二个工件壁厚，当凸模下行时，凸模的压力使金属进入塑性变形状态，从凸模和凹模的间隙中向上流动，从而制成所需的空心杯形零件4。反挤压零件示例见图6-4所示。,6.1.1 冷挤压的分类,3、复合挤压
4、 复合挤压时，金属朝凸模运动方向和相反方向同时流动，图6-5为复合挤压零件的工作过程。复合挤压可以挤压各种形状的零件，见图6-6所示。,图6-5 复合挤压示意图 1-凹模 2-凸模 3-毛坯 4-挤压件 5-顶杆,6.1.1 冷挤压的分类,4、径向挤压 径向挤压时，金属流动的方向与凸模运动的方向垂直。图6-7为径向挤压零件的工作过程。径向挤压主要用于制造带凸缘的零件，如图6-8所示。,图6-7 径向挤压示意图 1-下模 2-顶杆 3-上模 4-推杆 5-挤压件 6-毛坯,6.1.2 冷挤压的技术效果,冷挤压有如下优点： 1、节约原材料 冷挤压是一种塑性加工工艺。它在不破坏金属的前提下使金属体积
5、作出塑性转移，达到少切屑无切屑而使金属成形。这样就避免了在切削加工时形成的大量金属废屑，从而大大节约了钢材和各种金属原材料。 2、生产率高 冷挤压一般在冷挤压机上进行，也可在普通压力机上进行。操作方便，容易掌握，生产率高。 3、可加工形状复杂的零件 冷挤压可以加工形状复杂的零件， 4、冷挤压件的强度大，刚性高而重量轻 由于冷挤压时利用了金属材料冷变形的冷作硬化特性，挤压件强度大为提高，可用低强度钢材代替高强度钢材。 5、冷挤压件的质量高 目前冷挤压件尺寸精度可达IT7级，个别尺寸公差可控制在0.015以内。表面粗糙度Ra可达1.60.2m。 6、冷挤压件成本低 冷挤压件由于节约原材料、生产率高
6、、零件质量高，所以成本低。,6.2 冷挤压的金属变形,研究金属变形及压力分布的主要方法是坐标网法。把毛坯做成二块半圆柱体，其中一块刻有坐标网（见图6-9）。在拼合面上涂润滑油，拼合后即可进行各种形状的挤压试验，从试验后网格的变化情况来分析各种挤压方式的金属变形情况及各种因素对挤压变形的影响。 6.2.1正挤压的金属变形 正挤压实心件时，金属的受力情况如图6-10a所示。 作用的外力是凸模对金属的正压力及凹模壁所给予的正压力。此外还有金属与凹模和凸模间因相对移动而引起的摩擦力。 挤压时的应力状态是三向受压，即径向压应力1，切向压应力3，轴向压应力2。,6.2.1正挤压的金属变形,图6-10b为正
7、挤压实心件过程中，试样上坐标网络的变化情况。 根据坐标网格的变化情况可以看出，正挤压时金属变形是不均匀的，变形大体可分为以下几个区： 1、已变形区（挤出部分） 挤出部分的金属受拉伸变形和剪切变形,挤出金属的纵向及横向变形都是不均匀的。 2、变形区 挤出金属的变形区是在凹模出口附近，即图中I-I与-两虚线之间的区域。 3、待变形区 变形区与凸模端面之间为待变形区。随着挤压过程的进行，这部分金属逐步加入变形区。当毛坯高度降到一定值后，如继续挤压，则靠近凸模的金属也开始产生塑性变形，如图6-10c。 4、死角 凹模转角部分的金属（图中D处），在挤压过程中不参与变形，称为“死角”。,6.2.1 正挤压
8、的金属变形,a b c 图6-10 正挤压金属变形情况,6.2.2反挤压的金属变形,反挤压空心件时，金属的受力情况如图6-11a所示，受力同正挤压。挤压时的应力状态是三向受压，即径向压应力1，切向压应力3，轴向压应力2。 反挤压时，变形金属大体有以下几个区： 1、变形区 变形区不是紧贴着凸模的端面，而是处在凸模以下一段距离的地方，其余部分则几乎没有变形。 2、已变形区（挤出部分） 从图看出，反挤压件变形程度最大的地方是内表面，外表面的变形较小。 3、粘滞区 由于凸模端面与金属之间摩擦力的影响，紧靠着凸模端面的变形极少的部分称为粘滞区。粘滞区便可能产生剥落现象。 4、待变形区 变形区下面即为待变
9、形区。随着凸模的向下移动，待变形区逐步加入变形区而减小。 5、死角 处于凹模角部的金属始终不参与变形（图6-11c中D处）即为“死角”。,6.2.2反挤压的金属变形,a b c 图6-11 反挤压金属变形情况,6.2.3 冷挤压的变形程度,1、冷挤压变形程度的表示方法 冷挤压变形程度可用以下几种形式表示： （1）断面变化率,（2）挤压比:,（3）对数挤压比:,A0毛坯横断面积 A挤压件横断面积。 上述三种表示变形程度的方式中，最常用的是断面变化率。,6.2.3 冷挤压的变形程度,2、极限变形程度 冷挤压时，一次挤压加工可能达到的最大变形程度称为极限变形程度。但变形程度很大时，单位挤压力很大，会
10、显著降低模具的使用寿命，如果单位挤压力超过模具强度所许可的范围，则会造成模具的早期损坏。所以冷挤压极限变形程度实际上是受模具强度和模具寿命的影响。也就是说，冷挤压的极限变形程度实际上是指在模具强度允许条件下，保持模具有一定寿命的一次挤压变形程度。极限变形程度大，工序数目少，生产率高。,6.2.3 冷挤压的变形程度,影响极限变形程度的因素主要有二个方面： 一是模具本身的许用单位压力（承载能力），这取决于模具材料，模具结构及模具制造。 另一方面是挤压金属产生塑性变形所需的单位挤压力，这取决于挤压金属的性质、挤压方式、模具工作部分的几何形状、毛坯表面处理与润滑等。被挤压金属的强度、硬度愈大，单位挤压
11、力愈大，极限变形程度愈小；合理的模具工作部分几何参数（如正挤压时合理的凹模中心锥角，反挤压时合理的凸模端面锥角等），可以降低单位挤压力，从而提高变形程度；毛坯表面处理与润滑条件好，变形程度也可以提高。 提高变形程度的方法： 1、可以通过设计和制造耐压强度高的模具结构及正确选用模具工作部分材料与热处理方法，以提高模具本身的承载能力。 2、还可以通过正确设计挤压工艺，以减少所需的单位挤压力，使之在相同的模具承载能力下，提高挤压变形程度。,6.2.3 冷挤压的变形程度,生产中常用经验图表给出常用材料的一次挤压可能达到的极限变形程度。 表6-1为部分有色金属的极限变形程度。 图6-12、图6-13、图
12、6-14分别为碳钢正挤压实心件、正挤压空心件、反挤压空心件时的极限变形程度。这些极限变形程度值是按模具钢许用单位压力为2500MPa、正挤压凹模中心锥角为120、毛坯相对高度ho/do=0.71.0并经退火、磷化、润滑处理后进行挤压实验得到的。 使用图6-12、图6-13、图6-14图表时应该注意：图中斜线以下是许用变形区，斜线中间是过渡区，其上限适用于模具钢质量高，挤压条件好的情况，下限适用于一般情况。斜线以上是待开发区。,6.2.3 冷挤压的变形程度,图6-12 正挤压黑色金属实心件极限变形程度,图6-13 正挤压黑色金属空心件极限变形程度,6.2.3 冷挤压的变形程度,图6-14 反挤压
13、黑色金属杯形工件的极限变形程度,6.3 冷挤压用金属材料及毛坯准备,6.3.1 冷挤压对原材料的要求 为了稳定和提高挤压件的质量，防止或减少废品，减少生产中的故障，提高模具寿命，必须对原材料提出一定要求。这些要求有： 1、材料机械强度，冷挤压时材料变形抗力应尽可能地低，这样可以使冷挤压时的单位挤压力相应减小，以延长模具寿命。 2、材料的冷作硬化敏感性越低越好，这样不致使变形过程中的挤压力变得太大。 3、冷挤压材料应具有较好的塑性。 4、冷挤压材料化学成份要求较严格。如钢的含碳量应5%,含锰量1.2%,含磷,硫量小于0.06%。黄铜中的含铜量大于62%.,6.3.2 目前常用的冷挤压材料,目前常
14、用于冷挤压材料有铝（L1-L5）、铝合金（LF1-LF5、LY1-LY12、LD10）、紫铜与无氧铜（T1-T4、TU1-TU2）、黄铜（H62、H68、H80）、锡磷青铜QSn6.5-0.15、锌及其合合、铅及其合金、锡及其合金、银、镍（Ni1、Ni2）、纯铁、碳素钢（Q195、Q235、O8、10、15、20、25、30、35、40、45、50），低合金钢（15Cr、20Cr、20MnB、16Mn、30CrMnSiA、12CrNiTi、35CrMnSi）和不锈钢 （1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9Ti）。,6.3.3 冷挤压毛坯形状和尺寸的确定,1、毛坯的形状 冷挤压毛坯的形状主要
15、根据挤压件的截面形状和挤压方式而定。毛坯的横截面轮廓形状应与挤压件轮廓形状相同，并与挤压模凹模型腔相吻合，以便定位。毛坯的几何形状应保持对称，两端面应平行光滑，毛坯整个表面应光滑。 图6-15为冷挤压中常用的毛坯形状，实心毛坯可用于正挤压实心工件，也可用于反挤压筒形件，空心毛坯用于正挤压空心件，也可以用于反挤压筒形件。,图6-15 毛坯形状,6.3.3 冷挤压毛坯形状和尺寸的确定,2、毛坯尺寸的确定 确定毛坯尺寸时，主要根据体积不变的原则，即毛坯的体积应等于工件的体积加修边余量，如挤压后还需切削加工时，还需要加上切削量。 冷挤压件修边余量按表6-2选取。 毛坯的直径： 为了便于将毛坯放入凹模，
16、毛坯的直径一般比凹模小0.10.2mm。内孔一般比挤压件内孔（或芯轴直径）小0.010.05mm。当工件内孔粗糙度要求不高时，毛坯内孔也可以比挤压件内孔大0.10.2mm。 毛坯的高度：,例6-1,6.3.4 冷挤压毛坯加工方法,有色金属的冷挤压毛坯及黑色金属厚度不大时，大多采用光洁冲裁法冲制，光洁冲裁法见第二章第十四节，用光洁冲裁法制造毛坯，不但生产率高，而且断面光滑，是冷挤压理想的毛坯。 黑色金属当毛坯厚度较厚时，可采用棒料用截断模截断方法制造毛坯。也可采用切削加工或其它方法制造毛坯。 6.3.5 冷挤压毛坯的软化处理 冷挤压毛坯在挤压前必须进行软化处理，其目的是降低毛坯材料的硬度，提高塑性，获得良好的金相组织，消除内应力，以降低变形抗力，提高挤压件质量和模具寿命。 冷挤压常用的毛坯软化处理规范见表6-3。,6.3.6 冷挤压毛坯的表面处理与润滑,1、黑色金属的表面处理与润滑 黑色金属冷挤压时，用一般的润滑剂在挤压过程中容易被挤掉。起不到润滑效果。因此，黑色金属的冷挤压，
