第六章冷挤压.ppt

第6章 冷 挤 压¡冷挤压是在常温下对挤压模模腔内的金属坯 料施加强大的压力，使之从模孔或凸、凹模 间隙中挤出，从而获得所需零件的一种加工 方法6.1 概 述¡6.1.1 冷挤压的分类¡ 1．正挤压¡挤压时，金属流动的方 向与凸模运动的方向一 致（见图6.1）¡正挤压可以利用实心或 空心坯料制造各种形状 的空心件和实心件，如 图6.2所示冷挤压可分为以下几种方式（a）实心 （b）空心 图6.1 正挤压示意图 1. 坯料 2. 挤压件 3. 凹模 4. 凸模图6.2 正挤压零件实例¡2．反挤压¡挤压时，金属流动的方向与凸模运动的方向相 反（见图6.3）反挤压可以制造各种形状的杯 形零件和空心零件，如图6.4所示¡3．复合挤压¡挤压时，金属朝与凸模运动方向相同和相反方 向同时运动（见图6.5）复合挤压可以制造各 种形状的零件，如图6.6所示¡以上三种挤压方式的金属流动方向都与凸模运 动的方向平行，故称为轴向挤压¡4．径向挤压¡挤压时，金属流动的方向与凸模运动的方向垂 直¡它又分为离心挤压和向心挤压两种：¡离心挤压是金属在凸 模作用下沿径向外流动 （见图6.7）；¡向心挤压则是沿径向 内流。

¡冷镦工艺实际上就是离 心径向挤压径向挤压 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¡把上述轴向挤压和径向挤压结合在一起的加工 方法称为镦挤法¡镦挤法使冷挤压工艺的应用范围进一步扩大， 图6.9所示支承杆的制造过程就是采用镦挤法 镦挤法能成形较为复杂的零件.（a） （b） 图6.3 反挤压示意图图6.4 反挤压零件实例（a） （b） 图6.5 复合挤压示意图图6.6 复合挤压示意图 图6.8 径向挤压件实例（a） （b） （c） 图6.9 镦挤件实例6.1.2 冷挤压的特点及应用¡冷挤压的特点如下¡① 变形区内坯料塑性好，变形抗力大由于挤压坯料处于很强的静水压力（三向压应 力）作用下，因而塑性变形程度可以很大，但 塑性变形所需的力亦很大¡② 挤压件质量高目前冷挤压件尺寸公差一般可以达到IT7，表 面粗糙度Ra可达1.6～0.2µm¡③ 生产率高它与切削加工相比，生产率可提高几十倍甚至百倍以 上。

¡④ 节约原材料冷挤压件可实现少切削或无切削加工，材料利用率达 70%～95%¡采用冷挤压成形具有很大优势，原因在于其 变形程度大，成形工序少，生产率高¡例如6.11所示零件，用传统工艺需五道工序 ，而采用冷挤压，一道工序即可图6.11 纯铝仪表零件6.1.3 当前应用冷挤压技术应解决的主要问题¡当前冷挤压技术的应用必须解决强大的变形 抗力与模具承载能力的矛盾为此，必须做到：¡① 设计合理的、工艺性良好的冷挤压件¡② 恰当选择冷挤压金属材料，正确确定坯料 形状尺寸及热处理规范，要特别注意坯料表面 处理与润滑方式¡③ 制定合理的冷挤压工艺方案，合理选择冷 挤压方式，适当控制冷挤压变形程度¡④ 采取有效措施解决模具的强度、刚度和寿 命问题¡⑤ 选用合适的挤压设备¡研究挤压金属变形最简便的实验方法是坐标 网格法即由两个半圆柱组成圆柱体试样（见图6.12 ），其中一块刻有正方形网格，在拼合面上 涂润滑油，拼合后即可进行各种形式的挤压 变形试验6.2 冷挤压时金属的变形¡从试验后网格的变化情况，可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图6.12 挤压试样¡图6.13（a）为正挤压过程的应力应变状态。

图6.13（b）为正挤压实心件过程中试样上坐 标网格的变化情况¡变形金属大体可以分为以下几个区：6.2.1 正挤压的金属变形¡由已变形区网格变化情况可以看出，沿着横截面 ，金属变形是很不均匀的（1）已变形区（挤出部分）（2）变形区¡挤压金属的变形区是在凹模口部附近，即图中的 I—I与Ⅱ—Ⅱ两虚线之间的区域金属在这个区 域产生剧烈的塑性变形，结果纵向坐标线向挤出 方向弯曲，纵向坐标线自I—I线开始向中心弯曲 ¡（3）待变形区¡变形区与凸模端面之间为待变形区其坐标网格没有什么变化，说明这部分金属未 产生塑性变形当坯料高度降到一定值后，如果 继续挤压，则靠近凸模的金属也开始产生塑性变 形[图6.13（c）]¡（4）死角¡凹模转角部位的金属（图中D处），在挤压过程 不参与变形，称为“死角”图6.13 正挤压的金属流动情况¡① 模具与挤压金属间摩擦力的影响¡摩擦系数越大即变形不均匀性加大影响金属变形的主要因素有以下几种¡② 模具几何参数的影响¡图6.14表示凹模中心锥角对金属变形的影响 当中心锥角αA较小时， “死角”最小¡当中心锥角αA增大时变形区范围扩大，死角也 相应增高¡当中心锥角αA达到180°时，变形区及变形的不 均匀性达到最大。

¡凹模挤出口部的圆角半径RA （图6.14）,变形 程度、坯料形状和尺寸、等都对挤压变形有影 响图6.14 凹模中心锥角对金属流动的影响¡图6.15（a）为反挤压过程的应力应变状态 图6.15（b）为高度大于直径的坯料反挤压过 程中的稳定挤压阶段¡此时，变形金属大体有以下几个区：6.2.2 反挤压的金属变形¡① 粘滞区：该区是紧靠凸模端面的部分，由于凸模端面与 金属之间摩擦力的影响，这个区域金属变形极小 ，故称粘滞区• ② 变形区： • 图6.15（b）中两虚线之间即为反挤压金属的强 烈变形区¡③ 待变形区：变形区下面即为待变形区随着凸模向下移动， 待变形区逐步加入变形区而减小¡④ “死角”：处于凹模角部的金属始终不参与变形[图6.15（c ）中D处]，即为“死角”图6.15 反挤压的金属流动情况¡反挤压金属变形也是很不均匀的¡在横向（直径方向），内表面变形程度大于外 表面；¡在轴向，中部变形最大，口部和底部较小¡反挤压凸模的几何参数和凸、凹模间隙的均匀 性对反挤压变形影响甚大¡所以，采用合理的反挤压凸模形状及参数， 有利压凸、凹模间隙沿周边必须均匀6.2.3 复合挤压的金属变形¡图6.16为复合挤压金属变形情况。

¡图6.16（a）是正挤压和反挤压金属变形规律 的综合；¡图6.16（b）是上、下两个杯形反挤压变形规 律的综合；¡图6.16（c）是上、下两个杆形正挤压变形规 律的综合图6.16 复合挤压的金属变形情况¡为使冷挤压金属产生较为理想的变形，即产生 匀速流动和均匀变形，保证挤压件质量，必须 正确设计凸、凹模的几何形状及参数，尽量减 少摩擦力，注意改善润滑条件和对模具工件表 面的粗糙度提出严格要求¡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6.2.4 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¡冷挤压极限变形程度实际上是受模具强度和模 具寿命的限制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 ¡影响极限变形程度的因素很多，主要有两个 方面：¡一是模具本身的许用单位压力（承载能力）， 目前，模具钢的单位压力一般不宜超过2500～ 3000MPa¡另一方面是挤压金属产生塑性变形所需的单位 挤压力¡所以可以通过设计和制造耐压强度高的模具结 构及正确选用模具材料与热处理方法，以提高 模具本身的承载能力¡还可以通过正确设计挤压工艺，以减少所需要 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。

¡表6.l为部分有色金属的极限变形程度¡图6.17、图6.18、图6.19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许用单位压力为 2500MPa、正挤压凹模中心锥角为120°、坯料相 对高度为h0/d0＝0.7～1.0并经退火、磷化、润 滑处理后进行挤压实验得到的表6.1 有色金属一次挤压的极限变形程度图6.17 正挤压碳素钢实心件极限变形程度¡图中斜线以下是许用变形区，它可以保证模具 工作寿命达到1万件至10万件¡如果需要模具寿命达到10万件以上，则斜线就 得降低，即变形程度就得减少¡斜线中间为过渡区，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图6.18 挤压碳素钢空心件极限变形程度图6.19 反挤压碳素钢空心件极限变形程度6.3 冷挤压的材料与坯料准备¡1．冷挤压工艺对金属材料的要求强度、硬度低，硬化模数小，有一定的塑性；化学成分要求较严格，钢中硫、磷含量少，冷挤压 工艺性好6.3.1 冷挤压用原材料¡2．可用于冷挤压的金属材料¡目前可用于冷挤压的金属主要是有色金属 及其合金、纯铁、碳素钢、低合金钢、不 锈钢,轴承钢（GCr9、GCrl5）和高速钢（ W6Mo5Cr4V2）,钛和某些钛合金。

6.3.2 冷挤压坯料形状和尺寸的确定¡1．冷挤压坯料的形状¡冷挤压坯料的形状主要是根据挤压件的截面形 状和挤压方式决定坯料的横截面轮廓形状应尽量与挤压件轮廓 形状相同，并与挤压模型腔吻合，以便定位 坯料表面应光滑，不能有裂纹、折叠等缺陷¡常用的冷挤压坯料如图6.20所示对于正挤 压和径向挤压，这几种坯料都可用，实心坯 料用于正挤实心件，空心坯料用于正挤空心 件¡反挤压常用图6.20（a）、（b）所示的两种 坯料图6.20 反挤压碳素钢空心件极限变形程度¡2．坯料尺寸的确定¡坯料的体积（V0）等于零件的体积加上修边 余量和切削量（需要时）¡不同挤压件的修边余量可参照表6.2和表6.3 选取坯料横截面尺寸按下述原则确定： 外径（d0）一般比凹模小0.1～0.2mm，以便放入 凹模； 内径（d2）一般比挤压件内孔（或芯轴直径）小 0.0l～0.05mm当挤压件内孔表面粗糙度要求不高时，坯料内孔 也可以比挤压件内孔大0.1～0.2mm¡坯料的高度为¡h0＝（6.4）¡式中¡h0——坯料高度；¡V0——坯料体积；¡A0——坯料横截面积¡例6.1 确定图6.21挤压件的坯料形状及尺寸¡解：¡查表6.2取修边余量Δh＝3mm。

¡按图求得坯料体积V0＝2278mm3；坯料外径取d0 ＝44-0.2＝43.8mm；坯料内径取d2＝10mm；则 坯料高度为¡采用这样尺寸的坯料进行正挤压成形，其变形 程度为： 图6.21 冷挤压件图查表6.1 纯铝正挤压极限变形程度为95%～99% 这说明:挤压变形程度接近极限变形程度上限为了减少变形程度，将坯料外径减小到φ38mm ，采用正挤压和径向挤压复合成形此时，坯料高度为6.3.3 冷挤压坯料的加工和处理¡1．冷挤压坯料的加工¡坯料的加工方法有：切削加工、减切、冲裁、拉深或反挤压等¡2．冷挤压坯料的软化处理¡冷挤压坯料软化处理的目的降低材料的硬度，提高塑性，获得良好的金相 组织（晶粒度大小适中的球状组织最好），消 除内应力，以降低变形抗力，提高挤压件质量 和模具寿命¡3．冷挤压坯料的表面处理与润滑¡目的是减少模具表面与金属间的摩擦力¡（1）表面处理¡碳素钢和合金结构钢通常采用磷化处理； ¡黄铜消除应力退火的加热温度为250～300℃；¡lCrl8Ni9Ti不锈钢消除应力退火的加热温度为 750℃¡不锈钢（1Crl8Ni9Ti）采用草酸盐处理；¡硬铝采用氧化、磷化、氟硅化处理中的一种。

¡经处理后，获得与坯料表面牢固结合的润滑覆盖 层这个覆盖层能吸附润滑剂，还能随挤压金属 一起塑性变形，保证挤压过程的有效润滑¡例如钢通过磷化处理，在坯料表面形成—层细致的 很薄的磷酸盐薄膜覆盖层¡（2）润滑处理¡为了进一步降低摩擦因数，需要对坯料进行润滑 处理¡经磷化处理后的碳素钢和合金结构钢坯料需进行 皂化润滑处理¡实践证明，它吸附润滑油的能力为光滑钢表面的 1～3倍；磷化层还有400～5。