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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。一般情况下可以用断面缩减率、挤压比以及对数挤压比这三种方式来表示冷挤压件的变形程度。而实际的生产生活中大多采用断面缩减率来表示：

上式中：——断面缩减率；——毛坯在变形前的横截面积，——挤压件在变形后的横截面积，。20钢反挤压的需用变形程度是68%--78%，则通过一次挤压可使得该气门顶杆成形。
3.关于冷挤压力的确定。
在校核凸模强度和选用设备时一般都是以冷挤压力作为依据的，而对于冷挤压力的计算则通常采用图算法和经验公式法这两种方式，这其中经验公式法具有计算精度高和应用方便的特点。那么计算冷挤压力的经验公式如下：
； 该公式中：P表示的是挤压力，N；A表示的是凸模工作部分的横断面积，;Z表示的是模具形状因数；n指的是挤压方式以及变形程度修正因数；表示的是挤压前材料抗拉强度。
经过测算各个参数的数值为：,记过计算可以得到。
在实际的生产中还应该考虑挤压力还会受到各种材质的软化、表面润滑处理的质量等因素的影响，所以在对挤压设备进行选择时，应该在计算出来的挤压力基础之上再乘以安全系数1.3.因此选用的型号为YF32-100A的液压机其标称压力为1000kN。
4.关于毛坯的预处理。
根据冷挤压工艺的设计要求，毛坯要经过预处理才能进行冷挤压变形，这些预处理包括软化处理、表面处理以及润滑处理。
4.1软化处理。在冷挤压前对材料进行软化处理的目的在于提高材料的可塑性、降低变形抗力以及消除内应力，一般采用的方式为软化退火处理。进过软化退火处理后的毛坯其硬度一般都在110—120HB。
4.2表面处理。在气门顶杆冷挤压成形过程中，材料的变形量比较大，因此需要对毛坯表面进行很好的处理。一般的毛坯处理过程包括：将表面缺陷去除，然后进行清洁、去脂以及清洗，第三步为将毛坯表面的氧化层去除，最后进行磷化处理。
4.3润滑处理。为了使得毛坯与模具间的摩擦力降低到最小值，变形抗力和变形功也得到最大限度的减少，并提高模具的使用寿命，就必须对经过表面处理后的毛坯进行润滑处理。一般采用皂化处理的方式进行毛坯的润滑处理。
三、冷挤压模具的设计重点
首先，一定要保证凸模的工作端面加工成与气门顶杆内底面相同的形状。由于气门顶杆的内腔比较的深，为了使得凸模的强度得以加强，要将工作段上的直径进行加粗处理同时铣出三条卸料槽，有效保证三个内爪形的卸料圈进行卸料。
其次，一定要确保在气门顶杆冷挤压时其单位挤压力达到2200,为了使得凹模强度得以加强，同时降低凹模的制造成本，进一步延长模具的使用寿命，一般采用三层应力组合凹模结构。同时将各圈配合面做成一定锥度（一般是），用液压机在室温的情况下进行压合。
最后，为了确保坯料的放置以及工件的取出有充足的空间而又不至于使得凸模的长度增加，同时还要保证工件从凸模上卸下时有足够的卸料力，要将弹性卸料装置引进到模具中来。
四、总结
与传统的切削加工生产气门顶杆相比，采用冷挤压工艺生产气门顶杆既改善了气门顶杆的力学性能，有使得生产效率得到大幅度提升，同时还在很大程度上减少了原材料和能源的消耗，其经济效果特别显著。因此，冷挤压工艺在各类零配件生产中具有很强的推广意义。

参考文献：
1.李良福.冷挤压模结构的改进.模具技术.1998（03）
2.刘永.汽车轮胎螺栓冷挤压模设计.模具制造.2010（09）
3.高汉华.冷挤压模受内力压作用应力分布规律的研究.中国制造业信息化.2006（07）

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