挤压模具设计书说明书.doc

铜合金压气缸的热挤压工艺及模具设计摘 要铜合金压气缸的生产方法常见的有管料的切削加工，离心铸造后切削加工，热挤压法。热挤压法生产材料运用率最高，生产效率最高，产品质量最高。本文分析热挤压工艺及模具设计。热挤压工艺分析综述：铜合金的热挤压温度根据经验可以定为730。压气缸的毛坯件属于杯形件的一种，因此采用的是反挤压。若采用一次挤压成形则所需挤压力和变形限度太大。因此采用两次反挤压，第一次将棒料挤压成为杯形件，切削加工成空心圆柱形。再通过第二次反挤压将内孔扩大，外径不变。通过两次反挤压得到挤压件成形毛坯。模具设计分析综述：两序挤压则需要两套挤压模具。两套模具采用通用凹模，结构简朴。第一套模具凸模采用一般的反挤压凸模结构。第二套模具需要有模芯结构，模芯可以是固定式的也可以是活动式的。本次设计将模芯设计为固定式的即凸模和模芯一体式的。设计成整体式的好处是结构简朴，生产效率高。与此同时，顶件器只需设计成中空的即可，当凸模压下时，模芯正好进入顶件器的内腔中。关键词：反挤压，压气缸，模具设计，模芯Copper Alloy Cylinder Pressure of Hot Extrusion Technology and Die DesignABSTRACTCopper alloy pressure cylinder production methods common pipe material cutting processing, machining after centrifugal casting, hot extrusion method. Hot extrusion method is the highest utilization rate of materials, the highest production efficiency,and the highest quality of product . In this paper, hot extrusion technology and die design is analysed.Hot extrusion technology analysis were reviewed: Copper alloy can be classified as 730 hot extrusion temperature according to the experience. Pressure cylinder of a blank parts belong to the cup, so the backward extrusion is used. If using an extrusion forming ,the needed extrusion and deformation degree is too large. so the backward extrusion shoud be used twice.The first extrusion will make the bar become the cup, and then, make the cup become the hollow cylindrical by machining. After second backward extrusion will enlarge the inner hole, and the outside diameter is constant.After twice backward extrusion,we can get the bloom.Mold design analysis were reviewed: The two order squeezing requires two sets of extrusion dies Two sets of mould adopt general concave die. The first set of mould punch adopts general backward extrusion punch die structure. A second set of mould need a mold core structure, mold core can be stationary or activities. This design will design for fixed the punch mold core and mold core one-piece. Design into integral advantage is simple structure, high production efficiency at the same time, top pieces simply designed to be hollow, when the convex mold, mold core right into the lumen of top pieces.KEY WORDS: backward extrusion, cylinder pressure, mold design, mold core目 录前 言1第一章 热挤压技术的介绍21.1 热挤压工艺的实质21.2 热挤压工艺的特点21.3 热挤压工艺的重要过程：3第二章 工艺分析及制定42.1 产品零件分析42.2 挤压件图制定42.3 工艺方案分析52.4 毛坯形状及尺寸选择6第三章 坯料的解决83.1 坯料加热方法83.2 加热温度83.3坯料润滑9第四章 变形量和挤压力114.1 影响挤压力重要因素114.2 变形限度124.3 挤压力124.4 热挤压设备选用原则134.5 热挤压设备选用14第五章 模具结构设计155.1 挤压模具设计的基本规定155.2 反挤压凸模的设计165.3热反挤压凹模的设计175.4热挤压凸模固定板的设计195.5 顶出装置的设计205.6模具结构原理215.7模具材料的选择22结 论25参 考 文 献26致 谢28 前 言压气缸户外断路器中的关键零件，规定“三高”即高的导电率、高的硬度和高的强度，以减少能耗和提高产品的可靠性。国内外均采用铬青铜QCr0.5材料制造。研究表白，QCr0.5是一种可热解决强化的铬青铜合金，其中合金元素Cr的含量 一般在0.5%左右，对铜的导电率减少很少。在一定的温度范围内，QCr0.5具有良好的塑性，可通过锻造、挤压等变形工艺改善组织，提高性能。此外，经固溶时效后，其切削加工性能明显优于纯铜，因而成为高压开关零部件的首选材料。压气缸传统上采用外径130mm、内径l00mm的挤压管切削加工成型，材料运用率只有25%左右，同时内孔加工量大，效率低。尚有一种方法是采用重力铸造或离心铸造厚壁管坯切削加工成型，这种厚壁铸管最大的缺陷是内部质量差，存在气孔、夹杂等缺陷，机加工后缺陷暴露，废品率高20%-30%；成品材料运用率也低，通常在30%以下；此外机加工工作量大，热解决后的导电率、硬度及强度也普遍比较低。新工艺采用热挤压加工，能使坯料尺寸精度大幅度提高，毛坯重量减轻45%以上，材料运用率可达70%以上，废品率减少到2%左右，产品的导电率、硬度及强度等零件材料为铬青铜QCr0.5，常温下QCr0.5棒料强度高、变形抗力大、塑性较差，具有加工硬化现象，难以进行大变形量的冷挤压成型加工。在生产过程中要先对其进行加热解决，即加热到730，使其软化，然后再进行挤压加工。第一章 热挤压技术的介绍1.1 热挤压工艺的实质热挤压就是将金属材料加热到热锻成型温度进行挤压，即挤压前将坯料加热到金属的再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。热挤压是挤压的一种，是最常见的体积成型方式之一。和冷挤压同样，根据金属的流动方向和凸模的运动方向可以将热挤压分为正挤压，反挤压，复合挤压和径向挤压。正挤压就是挤压时金属流动方向和凸模运动方向相一致。正挤压又分为实心件正挤压和空心件正挤压两种。正挤压可以制造各种形状的实心件和空心件。反挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压是将圆形毛坯挤压成筒形零件。复合挤压是指是挤压时，金属的流动方向朝朝凸模的运动向和相反方向同时运动。复合挤压可产生两端直径不同的筒形零件，也可生产双杯类零件，如汽车的活塞销，也可制造杯形零件等。1.2 热挤压工艺的特点热挤压与冷挤压相比，具有如下优点：热挤压时金属的塑性好，减少了变形抗力，使总的挤压力大大下降。加热后金属材料塑性较好，使得本来冷挤压时变形困难的材料，在热挤压时变得比较容易。单位变形抗力的减少，使热挤压可以成型断面形状复杂或尺寸较大的零件。挤压力的减少也可以减小设备的吨位，减少模具的单位负荷。同时，每道变形工步的需用变形限度也比冷挤压时大得多，也可以通过增长每道工步的变形量来减少变形工步数。热挤压时可以连续成形，有助于提高生产效率。通常情况下，一次加热后热挤压的数道成形工步可以连续完毕，不需要冷挤压使得中间退火软化工序和表面清理工序，有助于组织生产和提高生产效率。由于连续生产，可以使各道工步的模具初始精度匹配较好，工件的尺寸稳定性较高。与冷挤压工艺相比存在以下局限性：由于热挤压在较高温度下成形，对模具材料的耐热性提出了较高的规定。在热挤压时，模具的温度会影响其强度和表面硬度，必须对热挤压模具进行充足冷却。在设计时应考虑模具的冷却系统。同时必须选合适的模具材料，提高材料的热硬性和热耐疲劳性能。热挤压件的表面质量不佳，尺寸精度较低。由于坯料在加热时出现的氧化脱碳，使得积压件表面粗糙度值增长，尺寸精度也较冷挤压件低得多。经热挤压后的工件，一般需通过切削加工才干复合机器零件的质量规定。热挤压后，工件必须进行热解决。为了改善热挤压件的切削加工性能，调整硬度及为零件的最终热解决做组织准备，热挤压后必须对工件进行退火或正火等热解决。1.3 热挤压工艺的重要过程：坯料制备 坯料加热 挤压成形 后续工序 积压件热解决 表面热解决 精加工第二章 工艺分析及制定2.1 产品零件分析本设计的产品为筒形零件，其产品零件示意图如图2-1所示。图2-1 压气缸压气缸(见图2-1)传统上采用外径130mm、内径l00mm的挤压管切削加工成型，材料运用率只有25%左右，同时内孔加工量大，效率低。新工艺采用热挤压加工，能使坯料尺寸精度大幅度提高，毛坯重量减轻45%以上，材料运用率可达70%以上，废品率减少到2%左右，产品的导电率、硬度及强度等零件材料为铬青铜QCr0.5，常温下QCr0.5棒料强度高、变形抗力大、塑性较差，具有加工硬化现象，难以进行大变形量的冷挤压成型加工。在生产过程中要先对其进行加热解决，即加热到730进行挤压加工。2.2 挤压件图制定热挤压工艺设计是整个热挤压设计工作的第一步，设计是否合理直接影响到制件质量、生产效率、模具寿命和生产成本等。根据压气缸的图纸规定，考虑到QCr0.5在730会产生氧化皮和机加工应预留的余量，挤压件在其原零件的基础上内外圈各加3mm和4mm的单边余量，端部加5mm的余量，得到第2次挤压后的毛坯(如图2-2所示)，体积V21120233mm3 。 得到挤压件图如下所示。 图2-2 挤压件图2.3 工艺方案分析工艺方案如下述讨论：一、一次挤压成型。此时采用阶梯状凸模，一次挤压成型； 二、二次挤压成型。 若采用方案一凸模大体形状如（图2-3）所示。图2-3 一次挤压凸模结构根据挤压力计算采用经验公式：F=K8+1/(D/d-1)d2b 公式2-1式中F反挤压时的挤压力 K校正系数(根据实验情况而定) d反挤压模凸模直径，mm D反挤压模凹模直径，mm b挤压终了温度时金属材料的强度极限，MPa 假如采用一次性挤压，模具结构简朴，生产效率高，但金属的变形限度大，挤压作用面积大，此时K= 0.3，b =115MPa，挤压力约为P=0.38+l(Dd-1)d2b =0.38+1(129112-1) l12l15=6313321.4N，而315t万能液压机的公称压力为3150000N，500t万能液压机的公称压力为5000000N。因此若采用一次挤压所需压力太大，不够经济。另一方面若采用一次挤压变形量过大，容易出现挤压缺陷，故不适合采用一次挤压。若采用二次挤压成形则可采用如下挤压工艺，如图2-4所示。棒料镦粗第一次反挤压机加工修正第二次反挤压图2-4 积压工序图2.4 毛坯形状及尺寸选择热挤压工艺设计是整个热挤压设计工作的第一步，设计是否合理直接影响到制件质量、生产效率、模具寿命和生产成本等 。根据压气缸的图纸规定，考虑到QCr0.5在730会产生氧化皮和机加工应预留的余量，挤压件在其原零件的基础上内外圈各加3mm和4mm的单边余量，端部加5mm的余量，得到第2次挤压后的毛坯(如图2.4所示)，体积V21120233mm3 。第2次挤压前机加工整修去掉的体积V=188675mm3，所以总的体积V0= V1+V2=1308800mm3为了减少原材料的特殊订货，根据供货情况在生产中采用 115mm棒料，毛坯高度应取为： H= V0/3.14x(115/2) 2126mm。 采用二工序挤压工艺后，1、2次挤压的凹模具有通用性。为了使第二次挤压时可以脱模，必须限制凹模的高度，同时第一次挤压的毛坯在第二次挤压之前必须完全放入凹模内。经计算，第一次挤压后挤成的毛坯高度可取为146mm，由此得到第一次凸模的直径为73mm，可满足实际生产规定。由于所用坯料的直径为 115mm，而模具的凹模直径为129mm为了保证毛坯挤压时的同心度，在第一次挤压之前须对毛坯进行镦粗，使其直径最大处为129mm。在第二次挤压之前，为防止毛坯加热后不能放入凹模中，同时保证型芯能放入第一次挤压制件的内孔中一定要通过机加工对其进行修整，采用内镗孔外车削的方法将其加工成内外径分别为74mm和128mm的毛坯。第三章 坯料的解决3.1 坯料加热方法一、火焰加热 它是运用燃料在加热炉内燃烧产生具有大量热能的高温气体，通过对流，辐射把热能传递给坯料表面，通过由表及里的热传导而是金属坯料加热到预定的温度。燃料有：固体燃料，液体燃料，以及气体燃料。火焰加热方法的优点是：燃料来源广泛，加热炉造价较低，对坯料的适应性广等，因此应用广泛。其缺陷是：劳动条件较差，加热速度慢，加热炉温度比较难以控制，还存在较大的金属烧损，对环境也有较大的影响。二、电加热 电加热是通过把电能转化为热能来加热金属坯料。常见的方法有感应加热，接触电加热和电阻炉加热。由于本次挤压坯料是铜，而铜不具有电磁感应的特性，所以不能用电磁感应加热的方法，在这里不再赘述感应加热的方法。电阻炉加热 是运用电流通入炉内的电热体所产生的热量。电阻炉加热温度受电热体的限制，热线率要比感应加热方法低得多，加热速度也慢。但温度控制准确。综上所述，本次挤压工艺中坯料加热采用电阻炉加热。3.2 加热温度热挤压指在再结晶温度以上加热，加热温度的高低对挤压过程有较大的影响。其一，挤压温度的高低对挤压力有较大的影响，加热温度低时挤压力较大，加热温度高时挤压力较小。因此，在满足一定条件下宜采用较高的加热温度。其二，加热温度过高时容易出现氧化，过热，过烧等一系列缺陷。本次挤压坯料是铜，因此根据经验一般采用770加热。3.3坯料润滑热挤压时，坯料处在700以上，任何适应于冷挤压的润滑剂都会在如此高温下发生分解，不仅不能起到润滑作用，还会因其性质的改变而增长表面与模具的摩擦力。在高温下抱负的润滑剂应具有以下条件：一、润滑剂应具有良好的耐压性能，在高压力下作用下，润滑膜仍能吸附在表面上，保持润滑效果。二、应具有良好的耐热性，热挤压的润滑剂在使用时应不分解，不变质。三、为了减少模具温度，热挤压用的的润滑剂在使用时不仅有润滑作用，还要有冷却模具的作用。四、润滑剂不应对金属和模具由腐蚀作用。五、润滑剂应对人体无毒，不污染环境。六、润滑剂规定使用时，清理方便，来源丰富，价格便宜等。目前，常用的润滑剂重要有以石墨为重要润滑成分的各类石墨润滑剂，以及以玻璃为重要成分的比例润滑剂。玻璃是一种非晶态固体材料，它在高温下是一种流体，没有固定的熔点；玻璃的导热系数小，在工作温度下玻璃是一种熔体润滑剂，当玻璃与高温坯料接触时，它可以在工具和坯料接触面间形成液体薄膜，达成隔开两接触表面的目的，从而起到润滑和绝热的作用；玻璃的粘度随温度上升而减小，并具有可逆性，玻璃成分不同，粘度-温度特性不同，因此可根据金属热加工工艺的特点，选用或设计合适的玻璃成分和粒度。热挤压工艺用玻璃润滑剂具有以下特点：一、在金属变形过程中具有良好的延展性和耐压性。二、导热系数小。当高温下熔化时，玻璃包围在坯料表面形成一层熔融状态的致密膜层，坯料与模具不直接接触，减少坯料表面温降和工模具的温升，起到绝热作用，既改善金属的塑性又提高工模具的使用寿命。三、润滑性能好(摩擦系数约0.020.05)。润滑剂能在整个挤压过程中存在于金属与工模具之间，形成有一定高温粘度的润滑膜层，并具有小的摩擦系数。四、玻璃润滑剂对变形金属具有很好的浸润性（粘附性）和结合力，润滑膜层具有较强的自愈功能。五、玻璃润滑剂对金属具有化学惰性：在整个热历程中不对金属表面导致化学腐蚀。六、环保型：对环境和人体无毒无害。七、 玻璃的合用温度范围广，从4502200的工作温度范围都可选用。石墨润滑剂 石墨润滑剂为片状石墨与机油、焦油或油脂等混合成的涂料，能比较容易地涂敷在工具和坯料的表面上，由于片状石墨剪切强度和硬度较低，石墨片吸附气体形成润滑膜，因而能产生良好的润滑作用。当坯料表面具有氧化铁皮的情况下，其润滑效果较玻璃润滑好。缺陷是：一、导热系数较大，隔热差，工模具温升大，磨损快，挤压长产品困难。二、往往会使环境污染。 上述分析表白 ，目前，热挤压工况下常用石墨作为润滑剂，其一是石墨具有高温稳定性，其二是石墨易形成薄的隔离层并在模具表面有较好的吸附能力。玻璃粉作为高温润滑剂具有很多优点，但因工艺操作十分不便，实际生产中很少使用。可以将石墨做成水剂润滑剂，刷涂与坯料表面。第四章 变形量和挤压力热挤压力的计算方法与冷挤压力的计算同样，也可分为理论计算法、经验计算法和图算法等。热挤压力除了受变形速度、润滑条件、模具结构和挤压件的形状等因素有关外，成形温度对挤压力的影响非常大。4.1 影响挤压力重要因素在挤压过程中，影响挤压力的重要因素有：一、材料性质。被挤压材料的化学成分，组织结构及力学性能对单位挤压力的影响很大，是决定单位挤压力的基本因素。例如含碳量越高的钢材，变形抗力大，不利于挤压；挤压前，对毛坯进行软化解决可以减少变形抗力等。二、挤压前的变形方式。对于同种金属材料来说，挤压变形方式不同，所需的单位挤压力也不同。三、挤压的变形限度大小。四、模具的几何形状。挤压模的的凸模和凹模形状，对单位挤压力由很大影响。模具几何形状设计的合理，意识毛坯在型腔中流动，可以改善摩擦情况，减少金属流动阻力，不仅能显著提高模具的使用寿命，并且能减小单位挤压力。五、挤压毛坯的相对高度。毛坯高度的变化，影响到毛坯与凸模真实接触率的改变，进而影响到摩擦阻力的变化，因此，毛坯的高度对单位挤压力也有一定影响。六、润滑状态。润滑状态对减少单位挤压力影响较大，良好的润滑状态，介意使其真实接触面积率大大减小，摩擦阻力也大大减小，因此单位挤压力较低。七、加热温度。热挤压的加热温度对挤压力的影响非常大。热挤压与冷挤压相比做大的不同就在于加热温度的不同，热挤压高的加热温度最大的目的就在于减少挤压力，因此温度越高挤压力越低。4.2 变形限度每道热加油能挤出合格产品的最大变形限度称为许用变形限度。在保证产品质量，模具寿命的前提下，按照使冷挤压工序数减小到最低限度的原则来选用热挤压的变形限度。 采用热挤压成型工艺，需要验证材料的挤压许用变形限度，许用变形限度用断面收缩率来表达。两次挤压的过程中毛坯的变形限度为1和2 ，经计算得： 1=(A0-A1)/A 0=3.141292/4-3.14(1292-732 )/4/3.141292/4=32.02=(A3-A4)/A3-3.14(1282-742)/4-3.14(1292-1122)/4/3.14(1282-742)/4=63经实验完全满足规定。 4.3 挤压力热挤压力即热挤压变形所需要的作用力。它是设计模具，选择设备的依据，并可衡量热挤压变形的难易限度。必须对热挤压的单位挤压力和总变形力进行计算，以便为设计热挤压模具和选用设备提供依据。本次设计采用经验公式法和图算法两种方法计算。1）经验公式法计算挤压力：经验公式如下： F=K8+1(Dd-1)d2 b 公式4-1式中F 反挤压时的挤压力 K校正系数(根据实验情况而定) d反挤压模凸模直径，mm D反挤压模凹模直径，mm b挤压终了温度时金属材料的强度极限，MPa 第一工序：d=73mm，D=129mm，终挤温度700。查表可得QCr0.5在700时的强度极限为115MP ，此时D=129mm，d=73mm，校正系数为0.3，则第一工序挤压力F为:F=0.38+l/(D/d-1)d2b=0.38+1/(129/73-1)732115=1710466.3N 第二工序：第二工序采用新的模具结构，压力计算 采用新的计算公式： F=K8+1/D/(d2-d1)-1(d22d12)b 公式4-2式中F反挤压的挤压力 K校正系数(根据实验情况而定) d2组合式凸模的固定部分 d1组合式凸模的活动部分 D反挤压模凹模直径，mm b 挤压终了温度时金属材料的强度极限，MPa。查表可得QCr0.5在700时的强度极限为115MPa。此时的校正系数K=0.4，D=129mm，d2 =112mm，d1=73mm。F=K8+1/D/(d2-d1)-1(d22-d12)b=0.48+1/129/(112-73)-1(1122732)115=2799420N2）图算法计算挤压力由挤压工艺及模具P163页 热反挤压压力计算图可查单位挤及力及总挤压力。第一序反挤压：由（A=36.3%、hx =80）k=1.5 ， 由（A=36.3%、d0/h0 =1.7、b =115Mpa 、d1）F12500000N、p600MPa 同理可求得第二序反挤压F22900000N，P500Mpa4.4 热挤压设备选用原则挤压设备选择是挤压成型工艺过程中的重要环节，挤压设备选择是否合适直接影响到设备的安全和合理使用，同时也关系到挤压工艺过程能否顺利完毕及模具的使用寿命，产品质量，生产效率，成本高低等一系列问题。在选择挤压设备时，应当注意到以下几点：一、应根据所要完毕的挤压工序的性质，生产批量的大小，挤压件的几何尺寸及精度规定来选择挤压设备的类型。二、由于在挤压过程中，机械的个部分都会受力变形，因此在选择挤压设备时，应充足注意到其精度和刚度。三、挤压全过程的变形力应低于压力机的许用压力。四、所选的压力机装模高度应与模具闭合高度相适应。挤压设备的选择，还需要考虑到压力机台面的尺寸应足以安装模具，以便于安放压板固定，压力机有无气垫等弹顶装置，工作台孔大小是否适于出料等等。4.5 热挤压设备选用考虑到本零件和模具的具体情况，既尺寸很大，必须选择滑块行程大的压力机，以保证本模具的顺利工作。本例拟选用YT32-500B四柱液压机标称压力 5000KN滑块行程 900mm最大闭合高度 1500mm闭合高度调节量 70mm工作台尺寸 14001400mm顶出缸行程 355mm根据经验压力机最低压力不小于标称压力的一半，对此压力机来说最低压力不小于Fg/2=2500KN，即可以认为滑块在下行时任一时刻均可承受2500KN的力，过标称点之后可承受5000KN的力，也就是说任意时刻均能提供大于2500KN的力，所以此压力机可以用来本例的反挤压设备，但是安全区的面积并非压力机工作时对工件做的功。采用YT32-500B四柱液压机理论上符合本次挤压所有参数：标称压力5000KN2800KN滑块行程900mm凸模+挤压件+挤压行程顶出缸行程355mm凹模高度第五章 模具结构设计5.1 挤压模具设计的基本规定一、挤压模具设计的基本规定，应满足以下条件：1.凹模工作部分应有足够高的强度和较长的使用寿命；2.凹模工作部分可以简洁可靠的固定在模架上；3.极易损坏部分拆卸方便；4.毛坯放置容易，定位准确，在大量生产时也许采用半自动或全自动送挤压的工件可以方便的取出；5.制造简朴，成本费用低；6.保证操作人员的安全。 二、模具设计时需考虑的安全措施在设计模具时，必须周全的从各个不同角度考虑必要的安全措施，以保证人身安全和设备安全。模具结构安全措施的一些基本规定如下：1.模具的结构不应使操作者有不安全感。在操作时，严禁向模具内伸手。模具结构应以操作时不必将操作者身体的一部分进入危险区为原则。2.模具要有足够的强度。整个模具结构的厚度不能过薄，受力部分厚度要大一些。3.在设计模座时，应考虑安装螺钉的槽孔尺寸，特大的上模座或具有较大的钢性卸料板的模具，应增长紧固螺钉。4.对具有敞开式活动卸料板的模具，应加保护板。三、挤压模具的整体设计在高压力作用下，为了保证挤压模具的寿命，对模具结构的强度、刚度等方面的规定应比一般冲压模具高。该模具采用导柱导套导向，来提高导向的精度。凸模用凸模固定板固定。由于挤压时的挤压力很大，为了防止由凸模和凹模传来的高压直接作用在上、下模座上，一般是在凸模和模座之间，以及凹模和模座之间设立垫板，来分散压力，起缓和作用。根据理论分析可知，压力在板内传播是向外扩大的，即垫板厚度增长，压力面的传递直径增大，传递的压力减少。垫板是承受高压的零件，规定有较高的强度和刚度。凹模通过预应力圈固定在下模座上。为了防止挤压件卡在凹模内，采用顶杆顶出零件，应尽量减少顶杆的长度。5.2 反挤压凸模的设计热反挤压的凸模形式与冷挤压凸模的形式相同。由于被挤压金属与凸模的摩擦比冷挤压时小得多，热反挤压凸模的工作带宽度要比冷挤压大，以提高凸模的耐磨性。也可不设工作带，模具中采用下顶料结构。一、一序反挤压凸模的设计一序反挤压是最常见最普通的反挤压类型，即将圆柱形坯料挤压成杯形。凸模设计如图5-1。基本参数已在图中标出。图5-1 一序凸模二、二序反挤压凸模的设计二序反挤压是将空心圆柱形内孔扩大的挤压，因此要设计模芯。模芯的设计基本上有两种方式：一种是将凸模做成两部分，即活动式的。凸模设计成中空的，当凸模压下时模芯进入到凸模内，回程的顶料装置设计成顶杆顶管组合式的，先将模芯与制件分离再将制件定出凹模。此种设计较为常用，可以减少模具的整体高度，但是加工复杂，生产效率低，顶料装置设计更为复杂，因此不优先考虑此种方法。第二种是将模芯与凸模设计成整体式的，此种方式结构简朴，生产效率高。因此本次设计用第二种方法，如图5-2所示。模具基本参数已经标注在图中，不在文中详述。图5-2 二序凸模5.3热反挤压凹模的设计凹模的设计重要涉及凹模型腔的设计和预应力圈的设计。挤压凹模大体上可分整体凹模和组合凹模两种形式，但整体凹模无论从模具强度，还是挤压件的顶出都不利，使用很少，反而组合凹模用的比较普遍。组合凹模的优点是同样外形尺寸（涉及外套在内的整个组合凹模外形尺寸）和相同内腔尺寸的条件下，其强度要比单层（即整体式）凹模的强度大得多；结构合理、模具寿命长、挤压件底部圆角连接处的毛刺大为减少，合用于大批量生产并且它不仅节省了材料，并且大大减少了模具加工的难度。但它增长了凹模加工的工作量，重要表现在压合面的加工和装配上，并且它规定精度高，以保证同轴度，并且拼合面宽度应小于3mm，上下两面应留出0.2mm空隙，结合面的表面粗糙度取Ra0.2。本例设计中将凹模设计成通用式的，可以简化结构，减少成本。凹模设计为组合式凹模。一、凹模的设计坯料的的高度分别为80mm、128mm。因此凹模高度应高于此高度，顶件器也要进入凹模一部分。因此将凹模设计为高145mm。内径为129mm。具体如图5-3所示。图5-3 凹模二、预应力圈的设计为了简化结构，将预应力圈和压边圈设计成整体式的结构图如图5-4示。图5-4预应力圈预应力的产生是靠过盈量产生的，需要将凹模加热后加压将预应力圈和凹模压合后产生过盈配合，如图5-5所示是压合后的凹模示意图。图5-5组合式凹模5.4热挤压凸模固定板的设计一、一序挤压凸模固定板的设计如图5-6图5-6 一序凸模固定板二、二序挤压凸模固定板的设计如图5-7图5-7 二序挤压凸模固定板5.5 顶出装置的设计为了能共用模架将第一序的顶件器外轮廓及尺寸设计成与二序顶件器同样。一、一序顶件器设计如图5-8图5-8 一序顶件器二、二序顶件器设计二序顶件器设计成中空的，当二序凸模压下时模芯可以刚好进入顶件器中。具体形式如图5-9图5-9 二序顶件器5.6模具结构原理本例设计中共用凹模及模架，二序的顶件器与一序不同，凸模不同。其他部分均为共用。一、一序挤压装配图设计如图5-101-下模座2-下垫板 3-垫块4-顶件器5-凸模6-凹模 7-预应力圈 8-凸模固定板9-垫板10-上模板图5-10 一序挤压装配图二、二序挤压装配图设计如图5-111-下垫板 2-下模座3-垫块4-顶件器5-凹模6-预应力圈7-凸模8-固定板9-垫板10-上模板图5-11二序反挤压装配图5.7模具材料的选择由于热挤压模具在高温下工作的特点，决定了其土木，凹模等模具工作部分零件材料的特殊性，热挤压用模具必须具有高温抗变形能力、高温耐磨性、抗热疲劳能力、抗回火能力和良好的加工性等性能。目前，模具材料可以在低合金工具钢，高碳高铬合金工具钢，高速钢，硬质合金等较为广泛的范围内选用。因此，按照热挤压工艺特性的规定，合理选用模具材料，制定对的的热解决工艺，是保证获得具有较长使用寿命及经济合理性的重要环节。为了合理选用模具材料，一方面应对模具在挤压过程中的工作情况及所规定的性能进行分析。一、 模具在挤压过程中承受的应力 1. 承受大的挤压力：金属在冷挤压时的变形抗力是很大的，如挤压低碳钢（b=400（兆帕）反挤压的单位挤压力可达20233000（兆帕），当润滑和表面解决不妥时，其单位挤压力甚至高达30003500（兆帕），这个数值已超过了一般模具钢的弹性极限，有也许使模具在挤压过程中产生微量的塑性变形，而使挤压件尺寸精度较差，严重时将发生模具的破损。2. 因偏心负荷而引起的弯曲应力：因毛坯两端不平，毛坯与凹模间隙大，模具加工及装配的同轴度偏差过大等因素，都会引起凸模承受较大的偏心弯曲应力，而导致模具初期折断。3. 模具表面磨损：模腔内的金属在强大外力作用下，产生塑性流动时，会引起模具表面的磨损。当模具表面存在贫碳、软点、组织不均匀等缺陷时，会加速模具的磨损产生模具表面初期破坏。4.模具温度高而加速模具的磨损。二、 热挤压工艺对模具材料的规定综合前述的冷挤压模具在工作过程中所承受的负荷情况，模具材料应能满足以下几方面的基本规定。1.具有高的强韧性：模具在挤压过程中要同时承受极大地挤压力、弯曲应力、冲击等复杂的负荷。故规定所选用的材料，通过热解决后，应具有高的强韧性。因此，模具材料应有良好的淬透性（保证模具能淬透）及均匀的组织。大块的碳化物及严重的偏折，纤维方向性和非金属夹杂等内部缺陷，都会使模具的强韧性减少，或在受负荷时引起应力集中，导致模具初期破坏。2.足够的热稳定性：挤压时零件温度也许一千度以上，势必导致模具升温。3. 良好的耐磨性。模具应有高的耐磨性，才干保证正常的使用寿命，生产出大批量合格的挤压件。一般来说，钢的硬度与耐磨性在一定条件下是成正比的。故规定模具材料不仅要有足够的淬透性，还要有高的淬硬性。但除了硬度外，决定钢的耐磨性的尚有热解决后基体组织的粗细，成分、过剩与口火析出碳化物相多少、大小、类型、分散度及红硬性等。4. 良好的工艺性：冷挤压模具的制造周期长，工艺复杂，精度规定高。一般均须通过锻造、切削加工、热解决、磨削或其它精加工等根据经验常用的热挤压模具用钢如表5-1所示。表5-1 常用模具材料选择模具零件名称模具材料硬度（HRC）凹模4Cr5MoSiV,3Cr2W8V4244凹模垫块及凹模环4Cr5MoSiV1,4Cr5MoSiV4044心棒4Cr5MoSiV1,4Cr5MoSiV4650心棒头及镶块6W6Mo5Cr4V,镍基高温合金挤压缸内套4Cr5MoSiV1,4Cr5MoSiV4247垫块4Cr5MoSiV1,4Cr5MoSiV4044本次设计中考虑到经济性及生产规模采用如下模具材料，如表5-2所示表5-2 模具材料模具名称材料硬度（HRC）凹模3Cr2W8V4244凸模3Cr2W8V4244预应力圈4Cr5MoSiV4244垫块45（调质）28顶件器3Cr2W8V4244上下压力垫板45（调质）28下模座及上模板45（调质）28结 论压气缸的成形采所用的工艺师热挤压技术，这与离心铸造和直接管料切削加工相比而言，热挤压技术比较先进，它具有离心铸造所不具有的的独特性。从工序上讲，采用热挤压技术，大大简化了工序，不仅提高了生产效率，同时也减少了模具制导致本。另一方面，由于热挤压过程中三向压应力，改善了成型后的物理性能，同时也大大提高了产品的质量，且提高了材料运用率。这是离心铸造和纯切削加工所达不到的。压气缸的成形模具采用了两序挤压成型模具，第一序挤压后冲去连皮切削加工修正为圆柱形，这是由于若直接去买管料的话成本太高，这样可以节省成本。第二序挤压是在第一序挤压的基础上保持外径不变，使内径变大的挤压，同时留一部分内径不参与挤