JB／T 5112-1991 冷挤压预应力组合凹模设计计算图.pdf

中华人民共和国机械行业标准 冷挤压预应力组合凹模 设计计算图 J B / T 5 1 1 2 一 9 1 1 主题内容与适用范围 本标准规定了冷挤压预应力组合凹模设计计算图。 本标准适用于设计冷挤压预应力组合模 2 结构和设计 凹模内圈是挤压模具的工作部分， 它接纳毛坯件并成形工件的外部形状。根据实际提出的各种要 求， 凹模内圈可以做成不同形式。图 1 表示凹模内圈 4 种构成。 a 实心件正挤压 b 杯形件反挤压 图 1 凹模构成 1 -凹模内圈， 2 一凹模内圈， 上部分， 3 一凹模内圈， 下部分; 4 - - 凹模垫块; 5 -预应力圈; 6 一凹模内圈内径 7 一凹模内圈人口圆角半径; 8 - - 凹模内圈人口锥面泪 一密封锥面; 1 。 一凹模底部人口口角半径， 1 1 一凹模锥角; 1 2 一凹模底部出口圆角半径; 1 3 一凹模成形工作带; 1 4 -出日直径: 1 5 一非磨削圆角半径， 1 6 -非磨削部分; 1 7 一非磨削锥面 2 . 1 凹模 内圈和预应力圈的设计 中华人民共和国机械电子工业部1 9 9 1 一 0 7 一 1 5 批准1 9 9 2 一 0 7 一 0 1 实施 11 1 J B / T 5 们 2 - - 9 1 2 . 1 . 1 变形力 变形力主要取决于工件材料的流动应力、 上件变形程度、 加工时温度、 变形速度、 变形方法的类型、 凹模内圈的几何形状、 坯件的几何形状、 润滑和外摩擦 2 . 1 . 2 凹模内圈的结构和预应力圈 挤压凹模一般要承受很高的负载。所以挤压凹模常常做成凹模内圈通过个或两个预应力圈来预 紧的组合形式 2 . 1 . 3 材料的选择 凹模内圈和预应力圈材料的选抒。除应考虑强度和磨损性能等问题外、 经济观点也很重要。 2 . 2 挤压凹模典型结构 挤压凹模典型结构列于表 认 表 t 挤压凹模典型结构 类型 横向分割型 反挤 压 凹模 纵向分割型 反挤帐I 9 模 横向 纵向分割 型反挤压凹模 gv V 1，一 丰 一一f#1 5 * bE 1 k A , I dh卜 fa 用 上 压 需 用 挤 压 力 F, 14 的 fH ,R CJFfLIx L1 1 ix t Hfl T *- # r f, h i 在装配之前无内应力。 若把凹模视为厚壁空心圆筒， 根据这些假设就可以进行计算。在不考虑轴向应力的情况下， 对承受 内压力作用的单层厚壁空心圆筒， 可得到切向应力 a , 和径向应力 a , ， 如图 2 所小 - 9 . 5 图 2 在内压力作用下， 厚壁空心圆筒中的理论应力曲线 其最大的主应力差a , = ; a , 十( a , I ， 因为a , 和。有不同的符号， 故在孔壁上它的数值达到最大。若 按T r e s c a剪应力假说) 屈服条件， 为了避免塑性变形， 则其等效应力。 、 就不得大于模具钢的屈服极限。 在单层厚壁空心圆筒的内壁上， 应力叮 ， 和。几乎是同样大的， 并看作是内压力值。 如果圆筒为无限 厚的， 则内压力不得大干模具钢的屈服极限的一半。亦即， 当钢的屈服极限 a s 为 2 0 0 0 N / m m 时， 内压 力P不 得超过1 0 0 0 N / m m . 为了挤压凹模能在较高的内压力下工作， 就必须考虑不受力的状态下其内壁上 能有切向预压应力， 使得在内压应力作用下产生少于无预压应力时的切向拉应力。这样的预应力是通过 一 个或多个预应力 圈由过盈配合得到的口 2 . 3 . 2 挤压时内压力的大小 为了计算应力， 必须采用的内压力大小， 取决于成形时的挤压力， 即凸模单位压力P . 当相对断面减缩率 e , 3 0 %， 在杯形件反挤压时， 挤压凹模内壁上的径向压力大约与凹模垫块的压 力相等。依图 3中所示的符号可得出: 1 1 3 J s / T 5 1 1 2 - - 9 1 p -P u =E r.p ( 1 ) 凸模 凹 ! d F 1 . 1 模塾块 图 早 模具 卜 的压力 户 凸模单位压力;、 一工( f 底邻压力; j. 一内压力 该前提也适用于实心件和空心件的挤压， 其内压力很容易从变形力亦即凸模力凡.、 除以原毛坯横 截面面积 几 。 得到， 即 I ,., p .一 瓦 ( 2 ) 2 . 3 . 3 设计参考值 片d ,d .11.d 门 龚 羹 _鑫 Il 裴 龚 图 沈 加双层预应力圈的四模 图 n中列出的有关名称的参考数值列于表 2中， 可用做粗略的估计 表 2 预应力圈设计参考值 内压力 户 N1 -2 一 卢整 哩 “ 臀 要求的直径比 乃了 d F合 肖径 d . d 丁十 一- - - 一 _ z一s 、 一 6一 、 一 、 d ， I ! 丫 ， n - a !U s 了 t z气 万2 J / c 4 - - 6 ) Illes 簇 1 o n o 1 0 0 0 - 1 t 6 0 ( 卜 z6 000010 土_: 过盈尺寸( 压缩量)d或d的0 . 2 一 。 2 . 3 . 4 单层和双层预应力圈计算 依照 2 ， 31 所述的假设前提. 就能找到应用预应力圈的最佳尺 j 。 最佳” 尺寸应该是能承受一定压 力所具有的最小尺寸。亦即， 让每一个圈在它所受的压户 ， 下达到它的极限负荷 这时， 必须区别过盈配合的两种形式。一种形式允许在凹模内壁 卜出现切向拉应 力， 另一种则不允 许在凹模内圈内壁上出现切向拉应力。 对十钢质的凹模内圈计算如下: 已知参数 : p 内 压力N l m m a Q s r凹模内圈的属服极限N / mm 6 . ?第一个预应力圈的屈服极限N r r t m a Q .a第三个预应力圈的屈服极限N mm d凹模内圈的内径m m E弹性模量( 假设所有过盈配合件都相同)k N mm = P .相 对 内 压 应 力p , - p ,! a .i J B / T 5 1 1 2 一9 1 m即功 mmm K K=屈服极限比K, -a . , / Q a z Kz =o a / a s a 所求参数 : d ,第一个结合面直径 d ,第二个结合面直径 D最外部直径 Z ,第一个结合面的过盈尺寸 2 。第一个结合面的过盈尺寸 2 . 3 - 4 . 1 允许a模内圈承受切向拉应力 预应力圈的直径和理论过盈量可用式( 3 ) 确定 : a . 单层预应力圈 d , =d / Q I (5)(6) 2 , = D=d / Q d,-,，1_、 台二 ( - -创宝 ) 乙 、1 : : 式 中:Ql =捞 (1 + K ) 一 p s . Q : 一 Q ， , 1 K , Q 一 QQ ， ” b . 双层预应力圈 d , -d / Q : d z =d i / Q z D=d / Q :; : ( 9 ) ( 1 0) ( 1 1 ) 。成a . , , 2 p+牙一1 , 乙 . 一 一 六二-一 - 丁 - - ， 二 二 芯 芍 丁 -少 乙1 - 以, 以i ( 1 2) d氏， .1_、 =一 几 ; 仁 于 ， 一以扫 乃J 、2 又 1 3) 式 中:Q l 一 ， 粤 ( 1 十 咨 十 去 一 2 p 丫J， 、 . 、 , ( 1 4 ) ( 1 5) Q=Q I Q， Q: : : : 用上述公式计算的单层预应力圈的结果以图形示于图 5中。 屈服极限比K, =1 . 2的双层预应力圈 的结果示于图 6 ， 依法可以作出 K, 为其他数值的相应图形 对于双层预应力圈必须验算， 凹模内圈以过盈配合安装在一起时， 是否预压应力过大。 如果P ， 值为 0 . 9 5 -1 时， 必须检验P是否小于1 -Q ， 否则， 由于凹模内圈不允许有高的预应力， 就必须用较大的 K , 或K : 的值进行计算 应用举例 : 已知值: 。=2 0 0 0 N / mm a , 2 =1 4 0 0 N / m m p , =1 4 0 0 N / m m d =2 5 m m E =2 1 0 k N / m m 计算得: P , =0 . 7 K 一1 . 4 3 以P , 与K， 作为自变量和变化参数， 在图中查得对应的直径比及过盈量导值并计算之。 1 1 5 J s / r 5 1 1 2 一 9 1 即可得 : d , 一 D 一 21 = . 6 X2 5 = 6 5 mm . 7义2 5 = 1 4 2 . 5 mm 6 . 8 X2 5 X20 0 0 X1 0 -二3 4 0 k m 以下诸图用法相同。 42 不允许凹模内圈承受切向拉应力 直径和理论过盈量可用下面的公式来确定 a . 单层预应力圈 d , =d l Q D=d l Q: : 21 一d , ?- , p , 11Q、 乙1 -6 2 , , ( 2 0) ti t , = N , 2 ( K , p ,卜 1 ( 2 1 ) Q二 Q , 甲 K , p Q-QQ ,: : b . 双层预应力圈 d , =d l Q l d 2 =d/ Q : D =d l Q ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 21 =d , a p ,( 11qE ( I - Q -Q ) d ,- ( 1F ( K , 一 p ,Q ) ( 2 7 ) Z 2 - ( 2 8 ) 象中中 2式式 Q ，一 3 ( K ,p ,+ K p ,一 ( 2 9 ) Q ， 一Q : V K , p ， ( 3 0 ) Q 3 二Q : N K_ p . ， ( 3 1 ) Q=QQ : Q: ( 3 2 ) 用上述公式计算的单层预应力圈的结果以图形示于图7中， 屈服极限比K , =1 . 2 的双层顶应力圈 的结果示十图 8 ， 同样可作出K: 为其他数值的相应图形。 这里也必须检验应力是否过大。要不出现超负荷， 若p = 值为。 . 8 9 -1 ， 则: p , G 1 一Q , ) / ( 1 4 - 0 ， ) ， ( 3 3 ) 2 . 3 . 5 加工精度对过盈量的影响 理论上的过盈量， 在实际加I - 中是不能够准确地得到的。因此， 在一般的制造精度中要求凹模装配 中的实际过盈量与计算过盈量之差小于计算过盈量的 1 0 。如果实际过盈量小于计算量， 则预应力圈 能承受较少的内应力， 由于凹模内圈没有过高的预应力， 致使提前出现流动变形。 另一方面， 当实际过盈 量比计算量大时， 预应力圈上就可能提前达到屈服极限， 所以， 加工的公差带应尽可能的窄 推荐直径公 差为 I T 6 级 J B / T 5 1 1 2 一 9 1 了0 趁 沈0卜O 日日之老买。闺 绒物髦姗名亚只匀冥迎哥名只洲畏华酬嚼甘粼子 叹 60仍0 留0吹0 嘴O o .t - x z 诀 考乏 介 r_71-7- 1 ，卜 份 一 8 卜 r 夕 攀灸 熬 0乙 = N - - f - - A 、 、氛 呱 2、叫已已灼一OL丫 、1有 们T 内困 卜C忆0盯0甘0 一 一 . .，.，一，- 卜 一一ll _ _ 】水二 一 七_ 、 一匕 b t _一生 C 、 、!扩 狱、 、， 一 ， 0乙 乏 r之-l一 一 一一 . 一. 一. 卜 一一 扮orte LZ gr, o-Y.- 、 、 、 、 一.勺.一叫 ，-卜- 、 瑟凉 丫 、 . 爪 、 、 b飞 自窗 一 、 仁 N巍协 准1 11X11 1 兴 1 1 7 J B / T 5 1 1 2 一9 1 气 N已日2召。刹。叫 绷确称姗密眨只侧滚噢岌名长侧橄职肠险酬之9田 扮孙!、 E - :4 换 叹 氰愁、 ) 一: 丈 小 六飞 。 卜 、 户 I 袱 V 布 汗 、 服 匕 砂1 Y、 吃呢沪. . . 闷、几 、 、 _ ， 、 、 叫1“卜袱 甲。狱 心“知袱 的1引卜狱 州眨任”乙一丫 、一、凶2 、，勺2 溉 z , - 了C r , t x .V 8 I _ t1资鳃撇涛问 0羹象 -vs y =y_0z y 0 - , s 泛 、 汾呀 饭0 议 咯C 飞-飞，、 飞、，飞! 、闷! 引TliT狱 飞、百 边、 飞、Q 1 1 8 J B / T 5 1 1 2 一 9 1 “ z 卜C 裕偏卑坍名砚只创膝噢挤定只倒撼酬喊口垮酬长 叭气 匕口 02 今1 x 喻礴 巧母 呀O N日已71月OtZ”闰 2，巴日闻。1火 、内/12 出U 留O 卜圈 9O卯0 . 01 Y 、， 、 ， 、 、 v ? Qa 、一 水 y、 i 之 亏 ， 、 、 乐 、 ; 、 D I 二二了 ， 、 、 、 9 介 了 忿 了 一月 一 一一一 一 . 1 ， 一， 、 阮 .耳 、架河 、 、， 、 、 、一，份 。z 二x 一 一 一一一 一 一 、 、 、 落郊一 闰0 b_ ba b 1 1 9 J B / T 5 1 1 2 - 9 1 JC ，已已之洲。目。阅 粼确早坍名圈只侧降迎隧名只侧粼献肠险岭酬橙 、 味 一 队 热、 义 镶 朴 热 一 准 ; 卜 月 七 戈 N , 。 勺1冲狱 已一 2中已兹宁。1义 性囚抽 理 全 之 袱 1 J一一 的圈 义口留C瞬O 势 8 -r 乓 i 入、入今 介 愁气 、二 入 矛 入公 论 六 丈 之 r , 冬、 、 、 、 、 、 、 :、 、 狱 知 叭 尽 、 、 、 称 。 、 抓 a a a 二胃石 一 1一 愁概孙呱 、咬 姗认 1,11 Y 1 2 0 J B / T 5 1 1 2一9 1 3 材料的选择 3 门凹模内圈用钢 一般说来， 韧性和强度应尽可能高 对所有淬透的模具钢中， 包括高速钢在内， 在室温时的加压屈服 极限主要是与硬度和显微组织有关。 此外必须了解凹模内圈用的钢对温度升高有何反应。 工作时， 局部 温度能达到 2 0 0 或者更高， 特别是大批量多工位挤压生产。若热处理没有选择足够高的回火温度， 则 会导致硬度值下降 在大多数情况下， 凹模内圈推荐使用的钢种有 W6 M必C r4V Z 和C r 12Mo V。 硬质合金也可以用做凹模内圈。 但选用时必须认真地考虑其优缺点， 简要的说， 其优点: 耐磨强度很 高， 抗压极限和刚性很高; 缺点 韧性低， 抗拉强度低， 应力集中敏感性高， 价格高。 因此， 只有在大批量生产， 制件公差很窄时 才使用硬质合金模具 若选用硬质合金模具， 就要选择最合适的品种， 在大多数情况下， 推荐含钻 25%一30%的最软硬质 合金( 9 5 0 一7 5 0 H V) 口 如果要求较高的耐磨强度， 可选用含钻 19肠2 4 %的较硬的品种( 1 o 5 。 一9 5 o H V) 但只有在应力比 较低的凹模内圈中才能轴向或纵向分割。冷挤压模具几乎不使用低于含钻 19%的较硬的品种。 3 . 2 预应力圈用钢 32 . 1 预应力圈用钢的选择与所希望的圈的强度、 形状、 材料和热处理等有关。同样淬透性也很重要， 因为要求的机械性能必须在预应力圈的整个截面上是均匀的。 用于一般要求的推荐钢种以及选择预应力圈的主要参数见表3 表 3 用于预应力圈的钢种 要求的强度 口 。艺 N了 mmZ 直径” 簇 nl l l l 一 硬度 I I B 回火温度 C 一 一 2 0 至各温度的膨胀系数 1 0 一 月 厂 七 给定硬度 下的伸长率 % 弹性棋t E k N/ mm名 2 O o c 1 3 0 0仁4 O OC5 0 0 笼 、 1 4 0 0 一 1 2 0 0 9 0 0 9 0 0 7 0 0 7 0 0 一 : 1 4 0 2 5 0 1 0 0 一 4 C r 5 Mo S I VI 4 C r 5 Mo s l VI 4 C 丁 S Mo s l VI 4 1尤r NI Mo 4 汉一 r NI Mo 4 0 Cr Mn Mo :骡. 3 3 0 一 “ 9 0 一 :7)一 330 一 一 :) . 6 2 0 一5 0 0 一55。 6 7 0 5 5 0 1”7 一 2 1 2 . 了一 1 3 . 2 11 8 11:.4 1 2 . 、 1 一 一 13.。 一 13，。 1 1 1 : . 。 一 一，3.9 一13.6 一 7 7 l 0 l 0 一 : 21 2 2 1 2 21 2 2 0 6 2 0 6 2 0 4 1)对于方形和矩形截面可用等效直径。 3 . 22 等效截面为正方形或矩形的钢材横截面转换成在油中淬火具有同样淬透性的等效圆截面的直 径， 如图 9 所示 在个别情况下， 需要选用的其他钢种， 本标准中不作为推荐钢种口 1 21 J B / e 5 1 1 2 - -9 1 等效直径 飞/ 滤 。 。 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 3 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 几 而 一|1卜一一1八崖 260川卿200Js0琳140哟10080幼钧20 E已，侧叔 长度 m m 图 9 正方形和矩形钢材横截面转换成在油中淬火 具有同样淬透性的圆截面积的等效直径 附加说明: 本标准由机械电子工业部北京机电研究所提出并归口。 本标准由机械电子工业部北京机电研究所负责起草 本标准起草人武榕、 刘蓓令、 张蕾