毕业论文说明书

苏州市职业大学机电工程系毕业设计说明书（论文）

1 引言

现在日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，大到机床的底座、机身外壳，小到纽扣以及各种家用电器的外壳，无不与模具有着密切的关系。模具的形状决定着这些产品的外形，模具的加工质量与精度也就决定着这些产品的质量。因为各种产品的材质、外观、规格及用途的不同，模具分为了铸造模、锻造模、压铸模、冲压模等非塑胶模具，以及塑胶模具。

锻压技术作为一种传统的制造技术，已经在工业生产中发挥了重要作用，至今仍是一种不可替代的加工方法。在科学技术日新月异的今天，继承，学习，借鉴，创新，对于从事锻压技术工作的人来说，显得十分迫切。

模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

随着我国加入WTO，我国模具工业的发展将面临新的机遇和挑战。我国的模具工业的发展，日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经取得了共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60～80%的零部件都要依靠模具成型。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。目前全世界模具年产值约为600亿美元，日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业。

国外模具技术为了适应高速、自动、精密和安全现代化生产的需要,工业先进国家发展的高效率、高精度、高寿命模具向多工位、多型腔、多功能方向发展。在冲模方面：国外多工位级进模多达50个工位。多次拉伸成形工件发展了多工位传递模。多次冷挤压工件也发展了多工位传递模。多次弯曲工件发展了前几个冲裁工位用级进模接着用多向自动弯曲模。在级进模的基础上发展了多功能模具。比我国的模具技术高出一大截。我们仍需继续努力，争取赶超国外。

此次设计任务是活塞锻压工艺规程的制定及模具设计。主要是对给定的工件进行锻压工艺分析，确定工艺方案；进行锻压工艺计算；挤压模的总体设计；模具主要工作零件的设计计算；模具参数的校核等。

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2工艺方案的确定

2.1活塞的产品图

如图1.1所示为活塞的产品图，材料为40Cr。

图1.1活塞的产品图

2.2工艺因素

(1) 形状是决定所用挤压工艺的主要因素。例如：许多杯型件是用反挤成形，而轴形件和空心件通常用正挤更容易成型。很多种形状的零件要用复合挤压或镦挤来成型。挤压给定形状的的挤压件，选用钢材的挤压性能的好坏，不仅关系到挤压工艺的简繁，而且影响着工件的公差等级。

(2) 挤压件的尺寸精度和表面粗糙度。常规挤压工艺都有一定的尺寸精度范围，采用附加工序能提高精度，但成本会随之增加。

(3) 挤压成形的最小尺寸。工件必须有过渡圆弧，在允许条件下，圆角越大越好。

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一般最小圆角半径：镦粗时R1?0.3;挤压时R2?0.5；精整时R1?R2?0.2。

(4) 生产批量。冷挤压通常是用在上万件或连续高生产率情况的生产上，而产品的 量要求是决定是否完全采用冷挤压工艺的主要因素，对零件数量较少时，考虑是否采用挤压和机加工联合工艺更经济。

单位挤压件的成本通常决定与以下因素： ①合理的自动化程度；

②对小批量生产是否应采用挤压和机加工的联合工艺；

③对于高于常规尺寸精度要求的工件，是单纯采用挤压成形，还是用第二道加工达到精度要求更经济；

④采用两种或多种不同的工艺挤压出给定形状的零件有时是可行的。在这种情况下，通常成本是决定性因素。

综合上述分析及工件的结构图，此产品类似杯形件，决定采用反挤压工艺。再由所给的工件材料40Cr,查表1-29《冷挤压常用材料牌号》知，40Cr适用与冷挤压。同时，该工件为大批量生产，冷挤压也适用了此要求。因此，确定工艺方案为冷（反）挤压。

2.3 冷（反）挤压基础

金属在室温下（具体地说是在回复温度以下）的体积变形，总称冷锻。冷锻按其金属流动的特征可分为冷挤压，冷镦粗和冷镦挤。

反挤压：当凸模开始压入坯料时，金属的变形区不是紧贴凸模工作表面的部分，而是处在凸模工作面以下一段距离的地方，如ABC与DEF之间的区域，由于该区受到的压缩应力最大，所以产生向外向上的剧烈的变形，即为最大变形区。往上是紧贴凸模工作面的部分，由于受到凸模形状和摩擦的影响，是材料的变形受到粘滞。因此，这部分金属的变形很小且不均匀。凸模端部的材料还会出现死区金属。凸模面越平，圆角越小，这种现象越显著。其结果表现在工作底部的圆角处，从材料内部出现没有润滑的材料，使凸模棱易于烧伤。FED以下的区域，越往下金属变形越小。在HEG线以下的区域，金属基本不发生变形。

反挤时，如果坯料的长度大于直径，挤压会产生稳定状态，即变形区形状基本保持不变，只随凸模一起往下移动，被压缩的金属从凹模与凸模的空隙中流出。当变形超过

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稳定状态后，下移的变形区在接近模垫时，挤压进入非稳定状态。这时稳定状态时的粘滞区也参加变形，与凸模端部接触的金属迅速流出，冲头的磨损加剧。这时下部材料的尖角处又出现新的死金属区，严重时，挤压件从凹模中排出后，尖角处的金属会掉下来，所以反挤压使，杯底不能挤得太薄。

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3锻压工艺计算

3.1挤压件图的绘制

根据零件图可知，l=81mm，D=51mm， d=34mm， h=13mm，l/D=81/51>1.2，查表得： 外径偏差：?0.10 内径偏差：?0.12~?0.14 壁厚偏差：?0.10~?0.12 底厚偏差：?0.45~?0.60

绘制活塞的挤压件图如图2.1所示：

图2.1活塞的挤压件图

由于零件的尺寸精度和表面粗糙度的要求均超过了挤压所能达到的水平，故必须全部加放一定的余量，留作挤压后进行机加工。

3.2工步选择

d2D2532?2?1.57 （3-1）计算挤压比：??2?36.45%R?2 22DD?d53?32第 5 页 共 25 页

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d2322变形程度：??2?2?36.45% （3-2）

D53由于挤压比很小，且远小于7.8，所以此工件仅需一步挤压成型，便可挤成最后形状。

3.3坯料计算

锻件算料的基本原则是体积不变定律，即锻造变形前的坯料体积和锻造变形后的锻件体积相等。但是会使体积稍微减小，（有的可忽略不计）；在加热时金属的氧化会使坯料体积减小；变形过程中将产生切头，冲孔连皮，模锻飞边等多余的工艺余料。因此，坯料的体积应大于锻件的体积。

根据挤压件图的尺寸，计算活塞挤压件的质量：

?5.3??3.2?3V??R2H?????8?3???????6?8?128.359g/cm （3-3）

?2??2?

m=?V=7.82?128.359=1.004kg （3-4） 挤压件的质量加上2%的损失率，得到所需坯料的质量为1.024kg.

坯料的质量确定后，根据原材料的品种和下列关系式可选择原材料的规格和尺寸。

式中， A-原材料横截面面积（mm2） L-原材料的长度（mm）

坯料直径可根据热挤压模凹模孔直径53.636mm,决定采用?50的热轧圆钢。 然后代入上述公式，可求得坯料的长度为67mm。

22m?AL? （3-5）

3.4挤压力的计算和设备的选择

冷挤压力F的一般计算公式为：

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F=Aq=??82?4?804kN （3-6）

式中，A为冲头与工件接触处的横截面积；q为变形所需的单位压力。 q 值大小决定于下列因子：

（1）工件材料的塑性； （2）变形程度

（3）挤压模具中的实际的几何形状，特别是凹模口的锥形角 故选择3000kN的冷挤压机： 标称压力：3000kN 滑块行程：90mm 最大装模高度：360mm 装模高度调节量：40mm 滑块行程次数：50次/min 立柱间距离：500mm 顶出力：100Kn

以下是校核压力机的许用负荷是否满足要求。 设压力机的曲轴半径为R=200mm。

已知坯料的规格为?50?67mm,又根据挤压后的头部高度，可知挤压凸模从与坯料接触到挤压结束时，压力机滑块所行的距离为:

S=67－48=19mm 则比值K为:K?19?0.095 200有了K和R的值 ，利用曲轴滑块运动学公式，就可以计算压力机开始受力时，曲轴转过的角度?=36?10'。再根据总的变形力和曲轴转过的角度，查许用负荷图，可知转角许用负荷是足够的，故选用此压力机合适的。

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4挤压模的总体设计

有时不能知道作用在模具构建上的力。与金属流动，润滑以及其他工艺变量相比，模具设计更经常的是要由零件的几何尺寸来决定。虽然许多工程构件时能够按长期使用来设计，但是在受力高的构件上很少能够做到。在冷挤压模具上寿命达到十万件算是超过了平均水平。而传统的设计准则可用到受力不太高非耗损件上。

本模具结构如图3.1所示：

上下模板是冷挤压压力的主要支撑部分，由于冷挤压的单位压力较高，上下模板不能用铸铁材料。上下模板加上导柱，导套就构成了由导向装置的冷挤压模。

卸料板与顶件板：挤压件有时粘在凸模上，有时粘在凹模中，卸料板与顶件板必须用工具钢制造。

凸模与凹模垫板：在通用冷挤压模具中，采用了多层垫板。为了防止高的挤压压力直接传递给模板而造成局部凹陷或变形，必须在凹模底端加上垫板，以便把加工压力均匀分散传递，起到减缓作用。在垫板表面上，有单位挤压力d0p0均匀分布在直径d0范围内，压力大致扩展成圆锥状传到垫板底面，压力分布以加压中心最大，其周边最小，传递距离比T/d0越大，传递范围d/d0越大，而传递压力就减小。因此，垫板厚度增加时，受压面的传递直径增加，传递压力随之减小。如果垫板厚度相同，则使用多层垫板要比使用单层垫板扩大一些传递力的范围。因此，垫板必须采用工具钢制造。

由图3.1可以看出，凹模21以凹模垫板13与下模板11定位。凹模与凹模压紧圈16采用锥面配合，用内六角螺钉17与下模板紧紧连接。

由顶杆导向套14和顶杆15组成顶出机构，在气垫的作用下将挤压件从凹模内顶出。顶杆导向套的一部分伸出下模板，主要是为了解决压力机闭合高度不够而采取的措施，将挤压模安装到压力机上时，它将伸进压力机工作台孔内。

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图3.1反挤压模结构图

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图3.1说明 1靠模柄 8下砧块 15顶杆 2上模板 9高度调节块 16凹模压紧圈 3内六角螺钉 10导柱 17内六角螺钉 4凸模压紧圈 11下模板 18凸肩 5上砧块 12凸肩螺钉 19脱料板 6导套 13凹模垫板 20凸模 7弹簧 14顶杆导向套 21柱销

脱料板19和带凸肩螺钉12及弹簧7组成卸料机构，用于将箍在凸模20上的挤压件脱下，弹簧的作用是支承脱料板，并能保证脱料板和带凸肩螺钉上下移动，从而减少凸模的长度，弥补压力机行程不够大的不足。 凸模20与凸模压紧圈4也采用锥面配合，以凸模压紧圈的凸肩18和上模板2的凹槽定位，用内六角螺钉3与上模板紧紧连接。导套6和导柱10用压配合分别压入上模板和下模板而组成导向系统，使挤压模有较高的精度和工作可靠。由于导向系统的连接，从而构成了一套完整的反挤压模。在反挤压模的侧面，由上砧块5，下砧块8，高度调节块9，柱销21和调节螺钉等组成镦粗台。设置镦粗台的目的，主要是为了清除氧化铁皮和改变坯料直径。整副反挤压模在压力机上安装时，是靠模柄1与压力机定位的。由图3.1可以看出，只要更换凸模，凹模和脱料板，便可生产不同规格的反挤压杯形挤压件。

4.1凸模设计

在冷挤压模具中，凸模是最关键的零件之一。凸模在冷挤过程中，承受单位挤压力最大，极易磨损与损坏。为此，凸模的设计与制造就显得特别重要。凸模设计的主要问题是估算凸模使用中所受应力的大小和性质。由于动态应力，疲劳现象会出现，而且疲劳还会和硬化了的模具钢内在的脆性耦合，所以在模具设计时必须小心，以免产生应

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力集中。当使用细长凸模时，还可能出现失稳问题。造成失稳的原因有模具装置或压力机本身的调准精度，或者由于操作上的问题，如凸模摆动，初始对中和使用扭曲变形的毛坯等。通常凸模长径比也影响凸模的稳定性，对用模具钢凸模挤压钢质零件来说，最大的长径比要控制在3左右。在进行反挤压凸模主要尺寸的计算时，首先必须满足挤压件图的要求，在确定凸模工作直径d的基础上才能计算其余各部分尺寸。凸模结构如图4.1所示：

图4.1反挤压凸模

(1)凸模工作直径

d＝D＂+δD＂ =32+1.2%?32=32.384mm 式中D＂——挤压件的内径，mm

(2)凸模端部直径

d2＝(0.5～0.7)d =0.5?32.384=16.192mm 第 11 页 共 25 页

4-1） 4-2）

（ （苏州市职业大学机电工程系毕业设计说明书（论文）

(3)凸模杆部直径

d1＝0.95d =0.95?32.384=30.7648mm （4-3） (4)凸模紧固部分直径

D＝d+(1+2htanα) =32.384+(1+2?48.576?tan10?)=96.375mm （4-4） (5)凸模自由部分高度

H＝(2～7)d1 =5?30.7648=153.824mm （4-5） (6)凸模紧固部分高度

h＝(1.3～1.8)d =1.5?32.384=48.576mm （4-6） (7)凸模工作部分高度

h1＝(0.3～0.5)d=0.5 ?32.384=16.192mm （4-7） (8)凸模变径过渡部分高度

h2＝(0.3～0.7)d1 =0.5?30.7648=15.3824mm （4-8） (9)凸模紧固部分锥度 α＝(10°～15°) (10)凸模工作锥度 β＝(120°～160°)

反挤压凸模的材料，一般可用3Cr2W8V和5CrMnMo，热处理硬度HRC55～60，模具使用寿命可达3000～5000件。

4.2凹模设计

组合式挤压凹模如图4.2所示。其尺寸的计算，通常是根据挤压件的外径先算出凹模型腔的工作直径，然后根据凹模型腔的工作直径算出其它各部分尺寸。

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图4.2 反挤压模凹模

(1)凹模内腔直径(即工作直径)

D＝D`+δ`D` =53+?1.2%?53=53.636mm 式中D——挤压件的外径，mm

δ`——钢的收缩率，可取δ`＝1.2%～1.5%

(2)凹模外套底部外径

D1＝(2.5～3.0)D =2.5?53.636=134.09mm (3)凹模外套底部垫板孔直径

D2＝D1-(20mm～30mm)=134.09-20=114.09mm (4)凹模内套承压面直径

D3＝(1.3～1.7)D=1.5 ?53.636=80.454mm (5)凹模内套外径

D4＝(1.2～1.3)D=1.2 ?53.636=64.3632mm (6)凹模外套底部外径 D5=D1-(10mm?20mm)=13-10=124.09mm (7)凹模内套高度

h＝h0+(3～5)R =65+3?2=71mm 第 13 页 共 25 页

（4-9）4-10）4-11）4-12）4-13）4-14）4-15）

（ （ （ （ （

（

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式中h0——坯料在模腔中的高度，本模具取h0＝65mm R——凹模入口处圆角半径，一般取2～5mm (8)凹模与模板定位高度

h`＝(0.1～0.2)D =0.1?53.636=5.3636mm （4-16） (9)凹模外套高度

H＝h+h=71+5.3636=76.3636mm （4-17） (10)凹模外圆锥度 α＝(10°～15°)

(11)凹模型腔的内壁锥度(即出模斜度) β＝(0°10`～0°20`)

反挤压凹模的材料，一般可以用3Cr2W8V和5CrMnMo，热处理硬度为HRC50～55，模具寿命一般可达3000件左右。

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5工艺过程的确定

5.1产品加工过程

5.1.1下料

采用剪切下料，在剪床上剪切棒料尺寸为?50的圆棒料。在剪切前，将棒料加热到

250?~350?C的兰脆区会提高材料的抗剪强度，但可以得到匀整的切割端面。冷切会在

切割端面上产生裂纹，造成不可返修的废品，而且耗费的剪切功率大。在这种情况下，可以将坯料加热至 450?~550?C后再度。

5.1.2退火处理

低碳钢完全退火至硬度HB100~160,中碳钢球化处理至HB160~200。在最大单位压力下还不能达到所需挤压件深度的型腔，需进行中间退火。但两次挤压时，在型腔壁部周围容易出现接痕。 5.1.3润滑处理

润滑处理的方法为：

①将硫酸铜水溶液加入20%稀硫酸后，把经过去油的挤压冲头与坯料浸渍3~4秒，并涂以凡士林或用机油稀释的二硫化钼润滑剂；

②挤压冲头进行镀铜或镀锌处理，而坯料进行磷酸盐表面处理，在挤压时用二硫化钼等固体润滑剂的浓缩剂加机油稀释后作为润滑剂。坯料的磷酸盐处理是将坯料放入磷酸盐溶液中进行浸渍，是金属表面形成一层不溶于水的金属磷酸盐薄膜。在磷化前坯料可用于手工以汽油，煤油，四氯化碳等有机溶液除油，也可化学除油。 5.1.4装模反挤压成型

杯型件长度与所用工步数（预成型数目）没有一定的关系。是否需要预成型制坯主要取决于成品件的形状，尤其是封闭端的形状。用可热处理的合金，如果断面收缩率在

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700?C或更高的温

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预成型中等于或大于25%，则工件在预成型和终挤之间应重新退火和润滑。因此，对这类合金尽量采用一击反挤成型。 5.1.5冷挤压型腔精度

脱模后应将挤压凸模进行低温回火处理，以消除内应力。 影响冷挤压型腔精度的因素主要有：

①坯料硬度越低，弹性变形越小，则挤压凸模与型腔的尺寸差异越小； ②挤压深度越大，型腔精度越高；

③较深的型腔在接近底部处尺寸少有扩大。挤压凸模成型圆角半径越大，型腔底部尺寸扩大尺寸越小。但圆角半径较大时，型腔口部精度较差；

④挤压凸模端部带有1：50的斜度对型腔精度有力，斜度对挤压力的塌角的影响都很小；

⑤在圆柱形坯料上挤压矩形型腔时，如不改变矩形面积而改变其长宽比，则长宽比愈大精度愈差，中部扩大量愈大。 5.1.6检验

根据挤压见图，技术条件和工厂验收标准，对排气门挤压件的尺寸精度，表面质量等进行逐项检验，完全合格后方可入库。

5.2冷挤压型腔废品分析

5.2.1 废品类型：型腔底部凸起部分凸起量不足

产生原因：

① 坯料形状不合适，排气不好； ② 润滑油太多。 防治措施： ①改变坯料形状； ②不用或少用润滑油。

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5.2.2废品类型：型腔鼓胀

产生原因： ① 凸模墩粗； ② 套圈变形。

防治措施：选择较好的材料，进行合理的锻造和热处理，增加凸模和套圈的强度。 5.2.3废品类型：型面麻点

产生原因：

① 皮料组织为片状珠光体； ② 坯料表面不清洁。 防治措施：

①坯料作球化退火处理； ②对坯料进行表面处理。 5.2.4废品类型：型面侧壁拉毛

产生原因：

① 挤压凸模光洁度不够； ② 坯料表面未研光； 防治措施：

①研光挤压凸模和坯料； ②改善润滑条件。 5.2.5废品类型：型腔侧壁裂纹

产生原因：

①. 减荷穴开得不当； ②. ②润滑条件差； ③. 挤压凸模不光洁；

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④. 坯料内含有杂质或退火不均匀。 防治措施：

① 改进减荷穴设计； ② 改善润滑条件; ③ 研光挤压凸模； 提高坯料质量并均匀退火。

5.3针对对此反挤压杯型件的调整

5.3.1弊病类型：反挤压件内孔产生环状裂纹

产生原因：

①毛坯表面处理及润滑不好； ②凸模表面不光洁； ③毛坯塑性不好。 调整方法：

①采用良好的毛坯表面处理及润滑方法； ②抛光凸模；

③采用最好的软化热处理规范，提高毛坯的塑性。 5.3.2弊病类型：反挤压件表面产生环状裂纹

产生原因： ①毛坯直径太小； ②凹模型腔不光洁； ③毛坯表面处理及润滑不良； ④毛坯塑性太差。 调整方法：

①增加毛坯直径，使毛坯与凹模内孔配合紧一些；最好使毛坯直径大于型腔直径0.01~0.02mm;

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②抛光凹模；

③采用良好的表面及润滑技术；

④采用最好的软化处理规范，提高毛坯的塑性。 5.3.3弊病类型：反挤压件挤压后壁部缺少金属

产生原因：

①凸凹模间隙不均匀；

②上下模不垂直度及不平行度不好； ③润滑剂太多； ④凸模细长，稳定性差。 调整方法：

①重新调整间隙使之均匀；

②重新装配，调整不垂直度及不平行度； ③少涂润滑剂；

④在凸模工作面加工艺槽。 5.3.4 弊病类型：反挤压件单面起皱

产生原因： ①间隙不均匀； ②润滑不好，不均匀。 调整方法：

①调整凸凹模，使之间隙均匀； ②保证均匀的润滑。 5.3.5 弊病类型：挤压表面被刮伤

产生原因： ①模具硬度不够；

②毛坯表面处理及润滑不好。

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调整方法：

①重新淬火，提高硬度；

②模具工作部分镀硬铬或软氮化，渗硼等； 5.3.6 弊病类型：反挤压件外表产生环状波纹

产生原因：润滑不良。

调整方法：改用肥皂液润滑方法。

5.3.7 弊病类型：反挤压件上端壁厚大于下端壁厚

产生原因：凹模型腔退模锥度太大。 调整方法：减少或不采用退模锥度。 5.3.8 弊病类型：反挤压件上端口部不直

产生原因： ①凹模型腔太浅； ②卸件板安装高度低。 调整方法：

①增加凹模型腔深度；

②提高卸件板安装高度，避免工件上端与卸件板相碰。 5.3.9 弊病类型：反挤压件侧壁底部变薄及高度不稳定

产生原因： ①底部厚度不够； ②毛坯退火硬度不均匀； ③润滑不均； ④毛坯尺寸超差。 调整方法： ①增加底部厚度；

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