冷挤压凹模的设计方案

冷挤压模的设计和分析

摘 要：本文以气门顶杆为例介绍了冷挤压模的制作和成形工艺，通过对毛坯尺寸、挤压件的变形程度的计算，详细讨论了冷挤压模结构及模具设计要点，最后阐述了采用冷挤压模制作各类零部件的好处。

关键词：气门顶杆 冷挤压模 模具结构

一、引言

冷挤压属于立体压制中的一种比较先进的加工方法，它只需要一副模具就可以加工底和壁厚不同、高度和直径之比很大的圆形件或其他各种形状的不同零件。这种加工方式的优点在于其尺寸精度较高、表面粗糙度值比较小、力学性能较好。

以图1的气门顶杆零件为例，其材料为20钢，原先是采用的切削加工方法成形，这种方式的生产工艺比较复杂，生产效率也比较低同时成品零件的力学性能也不高。因此采用冷挤压的加工工艺生产出来的零件就能比较好的符合各种要求。经过分析该零件的冷挤压工艺具体流程是：先制作毛坯，然后退火、酸洗以及磷化处理，最后进行皂化润滑和发挤压成形。

二、气门顶杆冷挤压模的工艺设计

1.毛坯尺寸的确定

因为在实际制作过程中有可能会有挤压件顶端不平齐的现象，所以在工件的顶端要留出修边余量，取，图2就是气门顶杆挤压件。冷挤压模具的寿命及其纤维方向的改善都与毛坯的形状和尺寸有着密切联系。通过对气门顶杆的形状特点以及毛坯的定位和成形便利程度的分析，发现使用圆柱形毛坯比较合适。

挤压件毛坯体积的计算是根据制件体积与毛坯体积相等的规则来进行的。通过计算毛坯体积可得：

为了使得毛坯放入凹模型腔内更加的方便，同时使得模具的磨损减少到最低，进一步提高零件的表面质量，一般凹模型腔尺寸要比毛坯的外径要大，相对于反挤压件来说，凹模型腔尺寸要比毛坯尺寸大0.5mm左右。根据这样的原则我们可以计算出毛坯的外径；

毛坯长度为：

经过试验验证，最终将毛坯的实际尺寸确定为，如图3所示。

2.关于冷挤压件的变形程度分析。

冷挤压件的变形程度指的就是材料在冷挤压时其塑性变形量的大小。冷挤压件的变形抗力是和其冷挤压时的变形程度成正比的，但是当冷挤压压力大于模具钢所能承受的单位挤压力时，模具的使用寿命会受到影响，甚至有可能造成模具的损坏。而实际的生产生活中大多采用断面缩减率来表示：

Ｄｉ篡　栏目主持　卢燕明　

有心棒管件开式冷挤压凹模受力分析　

的数值模拟　

河北理工大学　（唐山０６３００９）　高小会孟献举李军　

开式冷挤压技术是一种高效、低耗的先进生产　

工艺技术，通常应用于中小型锻件的规模化生产中。　

目前，这项技术在国内外受到了普遍重视，如今更　

以其成形力低、工艺流程简化、无污染等诸多优势　

在汽车、摩托车以及家电生产等行业中得到了广泛　

的应用。数值模拟作为一种综合应用计算力学、计　

算数学、信息科学的综合工程技术，是支持工程技　

术人员进行创新研究和创新设计的重要工具和手段。　

开式冷挤压模具的寿命是关系到经济效率的重　

要因素，由于开式冷挤压过程中作用在凹模内壁的　

单位压力非常大，如果凹模采用整体式就有可能产　

生开裂缺陷。实践与理论皆证实，采用单纯增大壁　

厚的办法达不到提高凹模强度的目的，为了延长模　

具的使用寿命，就必须使模具结构设计合理，因此　

采用组合式凹模结构。而合理的设计首先要知道凹　

模内壁上的压应力，这就是说研究作用在凹模内壁　

压应力的大小和分布规律是对凹模进行优化设计的　

前提条件。冷挤压时的单位挤压力很大，远远地超　

过一般塑性成形方法的单位压力。由此可见，冷挤　

压模具的工作条件是极其恶劣的，对模具也就提出　

了更高的要求。　

本文即对有心棒管件开式冷挤压过程中坯凹模　

的受力情况进行了研究，为模具的优化设计提供了　

帮助。　

一、有心棒开式冷挤压　

有心棒管材开式冷挤压的变形如图１所示，其　

中Ｄｆ１和Ｄ　是挤压毛坯的原始外径和挤出外径，２　

是模具锥角，Ｒ　和　：是模具过渡圆角，ｄ０和ｄ　分　

别为挤压毛坯的原始内径和挤出内径，ｂ为工作带长　

度。　

５０　参磊　棚工　开式冷挤压常用的工艺类型有棒材缩径、管件　

有心棒缩径、管件无心棒缩径、管件扩径、深小锥　

孑Ｌ成形、花键轴开式冷挤压等，本文对管件有心棒　

缩径工艺进行研究。　

图１开式冷挤压示意图　

１．挤压设备压头２．挤压毛坯３．挤压凹模４．挤压心棒　

＜模具Ｉ业》２００２　Ｎｏ　４总２５４　

热胀冷缩效应及弹性回复对齿轮尺寸精度的影　

响。在该模具的设计过程中，通过对齿轮温变形时　的热胀冷缩情况和弹性回复情况进行有限元模拟，　

给出了公式（１），该公式能在齿轮精锻成形时对模　具尺寸进行比较精确的修正。　

△＝　ｒ＋　￡　

＝　（Ｔ　一　）一ｋＥ（导一导）　（１）　

式中△——模具的修正量　ｋ　——温度修正系数　

了、　——零件终成形温度　

——模具终成形温度　

——零件材料线膨胀系数　

——模具材料线膨胀系数　

——弹性修正系数　

——齿轮材料在成形温度下的屈服应力　Ｅ　——齿轮材料的弹性模量　

——模具材料在成形温度下的屈服应力　

Ｅ　——模具材料的弹性模量　△　——模具的温度修正量　△Ｅ——模具的弹性修正量　

５结柬语　

实验证明，用该模具完全可以成形出啮合套的齿　形和键形，并能达到比较满意的效果。二段成形工　

艺成形啮合套打破了镦挤成形齿轮的传统观念，将　镦挤成形工艺、缩挤成形工艺和分流方法有机地结　合在一起，对内直齿轮精锻技术的发展和生产应用　

有一定的借鉴作用。　

参考文献：　［１】厄尔贾维克汽车手动变速器和变速驱动桥［Ｍ】北　

京：机械工业出版社。１９９７　

【２】锻模设计手册编写组　锻模设计手册［Ｍ】北京：机械　工业出版社，１９９１　

【３１冯冲前浮动凹摸镦挤直齿圆柱齿轮成形原理及工　艺研究【Ｃ】．燕山大学硬：　论文，２００１　

［４】李洪破直齿圆柱齿轮辙挤成型１艺【Ｃ】燕山大学　碗士论文．１９９１　

油缸二工位冷挤压工艺及模具设计　

王志东　，朱止芳　，陈新波　（１新　千斤７页厂，河南新　４５３００２；２新　内燃机厂，河南新　４５３００２）　

摘要：结合油缸二工位冷挤压（光）工艺及模具设计实践　及工艺特点，并对该工艺及模具设计作了较详细的介绍　形零件　Ｉ参考。　论述了冷挤压，特别是二工位冷挤压的优越性　可供千斤顶行业及其它内孔要求较高的长筒　

关键词：千斤顶油缸；二工位冷挤压；跹层预应力组合凹模　中圈舟类号：ＴＧ３７５　．４１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１　

Ｂ　ＵＲＩ由国趋１田国赶１目ｒ檩具　ＣＨＩＮＡ．￣Ｕ—ＲＩ　Ｎ。Ｉ　ＭＯＵＬＤ　・挤压模技术・　

冷挤压平端面组合凹模有限元优化设计　

江苏信息职业技术学院（江苏无锡２１４０６１）　纪永超任建伟　王南根　

【摘要】在ＡＮＳＹＳ下建立了三层组合凹模参数化有限元优化设计模型，并对算例作了优化　设计，将结果与传统优化设计结果作了比较，优化结果正确，为进一步分析斜端面组合凹模　的优化提供了依据。　关键词：冷挤压；组合凹模；有限元；优化设计　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｃａｖｅ　Ｄｉｅ　ｏｆ　Ｃｏｏｌ　Ｅｘｔｒｕｄｉｎｇ　Ｌｅｖｅｌ　Ｅｎｄ　Ｆａｃｅ　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅ　ｄ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｌａｙ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｃａｖｅ　ｄｉｅ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｕｎｄｅｒ　ＡＮＳＹＳ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ａ　ｒｉｇｈｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｗｈｅｎ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｂａｓｉｓ　ｔｏ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｌａｎｔｉｎｇ　ｅｎｄ　ｆａｃｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｃａｖｅ　ｄｉｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｌ　ｅｘｔｒｕｄｉｎｇ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｃｏｎｃａｖｅ　ｄｉｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｏｐｔｉｍａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　

１　引言　冷挤压本身的特点决定了它对横具的要求很高，　凹模承载大、内壁易开裂或失效，如果选材、设计、制　造、使用不当，将会大大缩短模具的使用寿命，造成很　大的浪费。因此，如何对凹模进行合理的设计以提高模　具的强度和使用寿命，是冷挤压工艺的关键问题之一。　提高挤压凹模强度和寿命的途径较多，但优化改　进模具结构是改善冷挤压凹模工作性能的根本。在凹　模结构优化方面，传统的优化设计方法是把组合凹模　看作厚壁圆筒，基于经典解析法拉美（１ａｍｅ）公式求解　的，但实际上，组合凹模并非无限长圆筒体，而且一般　的凹模结构都比圆筒复杂，把它视作厚壁圆筒是一种　较大的近似，为此必须寻求新的、更合理的优化方法。　现以自行车倒牙钢碗冷挤压中采用的三层组合　凹模为例，在ＡＮＳＹＳ下建立有限元模型，进行有限元　优化设计。其中承受内压　，凹模内半径　内层凹模　材料Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２，许用应力　ｌ】、预应力圈材料　３０ＣｒＭｎＳｉ，许用应力　２］、【州、弹性模量Ｅ、泊松比　，　各参数如表１所示。