冷挤压模具设计 - 图文

第六章 冷挤压模具设计

本章通过一些典型的冷挤压模具结构，介绍冷挤压模具的特点、其工作零件及其它主要零部件的设计要点及步骤等。

第一节 冷挤压模具的结构及分类

一、概述

冷挤压是在常温下对金属材料进行塑性变形，其单位挤压力相当大，同时由于金属材料的激烈流动所产生的热效应可使模具工作部分温度高达200℃以上，加上剧烈的磨损和反复作用的载荷，模具的工作条件相当恶劣。因此冷挤压模具应具有以下特点：

(1)模具应有足够的强度和刚度，要在冷热交变应力下正常工作；

(2)模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性，并有一定的韧性；

(3)凸、凹模几何形状应合理，过渡处尽量用较大的光滑圆弧过渡，避免应力集中；

(4)模具易损部分更换方便，对不同的挤压零件要有互换性和通用性； (5)为提高模具工作部分强度，凹模一般采用预应力组合凹模，凸模有时也采用组合凸模；

(6)模具工作部分零件与上下模板之间一定要设置厚实的淬硬压力垫板，以扩大承压面积，减小上下模板的单位压力，防止压坏上下模板；

(7)上下模板采用中碳钢经锻造或直接用钢板制成，应有足够的厚度，以保证模板具有较高的强度和刚度。

典型的冷挤压模具由以下几部分组成：

1．工作部分 如凸模、凹模、顶出杆等； ２．传力部分 如上、下压力垫板；

３．顶出部分 如顶杆、反拉杆、顶板等；

４．卸料部分 如卸料板、卸料环、拉杆、弹簧等； ５．导向部分 如导柱，导套、导板、导筒等；

６．紧固部分 如上、下模板、凸模固定圈、固定板、压板、模柄、螺钉等。 二、冷挤压模具分类

冷挤压模具有多种结构形式，可根据冷挤压件的形状、尺寸精度及材料来选择合适的模具结构形式。冷挤压模具可以按以下几个方面来分类。

（一）按工艺性质分类

模具按工艺性质可分为：正挤压模、反挤压模、复合挤压模、镦挤压模等。 1．正挤压模 图6-1所示为实心件正挤压模。该模具更换相应的工作部分零件，可进行其它零件的正挤 ，也可用于反挤压、复合挤压和镦挤。顶出系统由零件1、2、3、4组成可调式拉杆，其中件3为调节螺母。旋转螺母可以调节拉杆长度，以适合不同零件挤压后的顶出。凸模6由活动护套加以保护，以增加凸模的强度和稳定性。此外，当该模具用于反挤压或复合挤压时，更换合适的护套还可以利用上模部分的打料系统进行卸料。

图6-1 实心件正挤压模

图6-2所示是用于黑色金属空心零件正挤压的模具图。模具的工作部分为凸模和凹模。凸模16的心部装有凸模芯轴15，芯轴15的心部设有通气孔与模具外部相通，在凸模中以便上下滑动。凸模16的上顶面与淬硬的垫板13接触，以便扩大上模板3的承压面积。凹模2经垫块8与垫板9固定于下模板11上。由图可看出，凸模与凹模的中心位置是不能调整的，凸、凹模之间的对中精度完全靠导柱7与导套6以及各个固定零件之间的配合精度来保证，因此这种模具结构常称为不可调整式模具。很明显，不可调整式模具的制造精度要求很高，但安装方便，而且模架具有较强的通用性，若将工作部分更换，这副模具可以用作反挤压或复合挤压。由图还可知，凸模回程时，挤压件将留在凹模内，因此需在模具下模板上设置顶出杆10。

2．反挤压模 图6-3所示是一种典型的具有导向装置的反挤压模。该模具是在小型（无顶出装置）压力机上使用的杯形件反挤压模。凸模7靠压环10、定位圈6和大锣母11紧固与定位，可以实现快换。凹模采用组合凹模形式。为便于反挤压件从凹模中取出，设计了间接顶出装置，反挤压力在下模完全由顶出杆17承受，顶件力由反拉杆式联动顶出装置（由件3、20、21、22、23、24组成）提供，该顶出装置在模座下方带有活动板22，当挤压件顶出一段距离后，通过带斜面的斜块24将22撑开，使顶杆23的底面悬空，使之靠自重复位，为下一次放置毛坯做好准备。而活动板22靠其外圈的拉簧21合并。上模也设计了卸件装置，由于杯形挤压件较深，为了加强凸模的强度，除工作段外，凸模的直径加粗并开出三道卸料槽，供带有三个内爪形的卸料环12卸料。

该模具具有一定的通用性，只要将凸模、凹模、顶出杆、垫块18、19加以更换，这副模具就可以挤压不同形状和尺寸的工件，也适用于正挤压和复合挤压。

３．复合挤压模 图6-4为活塞销的复合挤压的模具图。其工作部分由上凸模5、下凸模3及凹模4构成。由于上凸模回程时挤压件将留在凹模内，因此必须在下下模部分设置顶件装置（由顶杆1和顶件套2构成）。由图可看出该复合挤压模具工作部分的一个显著的特点，即在上凸模外壁上套有控制挤压件长度方向尺寸的限流套6。因为上凸模向下挤压毛坯时，金属向上流动的阻力较小，如果没有限流套的控制将使活塞销的上孔深于下孔，加限流套6后，可迫使金属向下流动，保证上、下孔深度尺寸一致。

４．镦挤模 图6-5所示为镦挤模。凸模2与外套1组成组合式凸模，以提高凸模的使用寿命。组合式凸模靠螺母4紧固在定位圈3上，以保证凸模定位准确，装卸方便。挤压结束，靠压力机顶出装置推动顶件6将挤压件顶出凹模5。

（二）按有无导向装置分

模具按有无导向装置可分为：导柱导套冷挤压模、模口导向冷挤压模、导筒导向冷挤压模及无导向冷挤压模。

1．导柱导套导向冷挤压模 该类模具如图6-1～图6-５所示，它是冷挤压模具中最常见的一种模具结构。中小型冷挤压模具一般采用两导柱导套形式，大型的冷挤压模具采用四导柱导套形式，精密冷挤压模具还采用滚珠式导柱导套。采用这类结构的模具可以保证上下模具有较好的对中性，冷挤压件同心度好，但是模具制造较复杂。

2．模口导向冷挤压模 图6-6为模口导向冷挤压模。凸模4靠凸模固定圈通过螺母固定在上模部分。凹模为硬质合金，凹模外层有预应力圈。挤压件卡在凹模内，可通过顶杆7将工件顶出。如挤压件紧包在凸模上，则通过卸料板将工件卸下。由于凸模导向部分尺寸与挤压件外径相同，因此必须在凸模上铣出三条卸料槽来作为卸料用。起到模口导向作用的导向套3与凸模的间隙一般在0.02mm以内，这样能保证挤压件的壁厚误差很小。这种导向方法简便、实用，导向效果比导柱导套式导向还要好。不过这种导向方式一般用于挤压较浅反挤压件的模具，同时对压力机导轨的导向精度要求较高。图中模口导向部分采用与凹模分体形式，也有整体式的，即凹模型腔上部分即为导向部分。

3．导筒导向冷挤压模 图6-7为摩托车主轴双端花键复合挤压模具简图，它是一副导筒导向挤压模。模具由上模固定套10与下模固定套11进行导向，主轴两端花键分别在上齿形凹模5和下齿形凹模3内挤压成形。这种采用上下同时挤压成形满足了双端齿形的形位精度要求。它实质是双向减径挤压，毛坯不能产生镦粗，因此对变形程度、模具工作段的形状、润滑条件以及毛坯材料的状态要求都很高。另外由于挤出段长度较长，很容易产生弯曲，在齿形凹模非工作段及垫块上设置校形工作带，可以克服这一问题。

第二节 模具工作部分设计

冷挤压工作部分零件是指凸模、凹模、顶杆等在挤压时直接参与挤压过程的一些零件。

一、正挤压模具工作部分零件设计 (一)正挤压凸模

正挤压凸模的作用主要是传递挤压力，其设计较为简单，因为实际上只要凸模上所受的单位挤压力不超过2500MPa 即可。在凸模和凹模之间应具有合适的间隙，这是因为：

（１）要避免在挤压后零件上形成毛刺，这就要求较小的间隙，这一点在挤比较软的有色金属材料时特别重要；

（２）必须保证挤压时，由于凸模弹性变形而产生的直径增大，凸、凹模之间仍要有一定的间隙。

１.正挤压凸模的形式 正挤压凸模基本上有五种形式，如图6-8所示。图a用于正挤压实心件，其下端面是平的，形状比较简单，制造方便。图b~图e用于正挤压空心件。其中图b为整体式结构，可用于挤压软金属,其过渡部分应用光滑圆弧连接，以避免应力集中而导致芯棒折断。图c～e为组合式凸模。其中图c的芯棒与凸模内孔之间为过渡配合，这种结构可以大大减少芯棒与凸模结合处的应力集中，不过在挤压中如金属向下流动剧烈时，摩擦力过大也可能导致芯棒拉断。这种凸模适应于芯棒直径较大，或挤压材料不太硬，或摩擦系数较小的材料挤压。图d的芯棒与凸模内孔采用间隙配合，在挤压中芯棒可以随金属材料同步向下移动，因此改善了芯棒的受拉情况，使芯棒不易拉断，这种凸模可用于挤压黑色金属。图e为浮动式凸模，其在芯棒上部放一弹簧，在挤压中芯棒受拉，弹簧被压缩，可以克服更大的拉力，能有效地防止芯棒拉断。这种凸模可以用于材料硬度和摩擦力比较大的黑色金属挤压。为了进一步防止芯棒拉断及卸料方便，芯棒一般做出10′~30′的斜度。

２.正挤压凸模尺寸参数设计 以图6-８e的凸模为例，凸模各部分尺寸参数见表6-1。

表6-1 正挤压凸模（图6-9e）尺寸参数设计计算表 名 称 尺 寸 参 数 芯棒直径d2 按空心件孔径最大尺寸设计 芯棒长度 l 空心毛坯高度+凹模工作带高度 凸模工作部分高度h 挤压工作行程+卸料板厚+10mm 凸模工作部分直径d 凹模型腔-0.02mm 定位部分直径d3 (1.2~1.4) d 支承部分直径d4 (1.8~2.0) d 支承部分高度h1 (0.3~0.5) d 圆角半径R1 (0.5~1.0) d 二）正挤压凹模

正挤压凹模根据单位挤压力大小可选择单层整体凹模或组合凹模。有时单位挤压力小时也可采组合凹模，以降低模具制造成本。

１.凹模型腔尺寸确定 图6-９为正挤压凹模形状尺寸。其外圆形状做成一定斜度的锥形，以便装上预应力圈。凹模型腔深度h3根据毛坯长度和挤压前凸模需进入凹模导向深度（一般10mm）来决定。凹模的入模锥度一般采用60～126°较合理（对于较软的材料，也可采用180°）。凹模入模锥度大，挤压力增加，如超过126°，金属挤压时易成“死区”，不利于金属的流动。塑性差的金属挤压后，“死区”的材料会脱落。锥角小于60°时，金属挤压时摩擦阻力增加，使挤压力也增加，同时顶件力也增加。凹模收口部分应采用适当的圆角半径过渡。

（

圆角半径的大小对模具的使用寿命影响很大。一般圆角半径越大，凹模的使用寿命越长，当然圆角半径的值受到挤压零件形状的限制。凹模型腔的工作带长度h1应适当选择：

纯铝： h1=1~2 mm；硬铝、紫铜、黄铜：h1=1~3 mm；低碳钢: h1=2~4 mm。

在工作带以下的孔径D2应使挤出的零件不再与凹模接触，以免增加摩擦力，需扩大为D2=D1+（0.2~0.4）mm。由D1到D2也应光滑过渡。底厚h2应以强度要求进行选择，一般可取 h2=(1.1~1.2)D。

２.凹模结构形式 正挤压组合凹模的结构形式有六种，如图6-10所示。图a的内层凹模为整体式，结构简单，制造安装方便，但在单位挤压力较大情况下，型腔转角处由于应力集中较大，易产生横向开裂。图b~图f的内层凹模为分割式结构，其中图b、图c为纵向分割式，最内层凹模镶圈与凹模之间采用0.02mm的过盈配合，当凹模与外面两层预应力圈压合后实际过盈将进一步增大，因此凹模镶圈的尖角处不会崩裂，在挤压中也不会产生钻料现象。图c的凹模内孔末端10mm处加工出5°斜度，便于将凹模镶圈压入凹模内孔中。图d是将内层凹模做成横向分割式，但这种形式由于内层凹模轴向压紧力不够大，在单位挤压力较大情况下，被挤金属容易钻料。图e、图f是将内层凹模和预应力圈均做成横向分割式，虽然结构复杂些，但由于轴向压紧力大，可以有效地防止被挤金属钻料。横向分割凹模的贴合面宽度一般为1~3mm为宜，贴合面以外应将其中一块加工成1°的斜角，或加工成0.2mm深的不接触面。贴合面一定要平整，并进行研磨抛光，这样可以防止被挤金属钻料。横向分割面一般取在凹模内壁圆角半径上切点以上1mm处为佳，如图f所示。图e 、图f所示的横向分割凹模还应加压套，在模具上把上下两部分紧压在一起。

二、反挤压模具工作部分零件设计 （一）反挤压凸模

反挤压凸模一般由夹紧和成形两部分组成，如图6-11a所示，当反挤压凸模在挤压时靠模口导向时，则还需增加导向部分，如图6-11b所示。

１.反挤压凸模形式 合理的反挤压凸模成形部分形状和尺寸，可以有利于金属的流动，降低单位挤压力，从而提高模具的使用寿命。按反挤压凸模成形部分的形状不同有三种常用形式，见图6-12。图a和图b两种凸模使用效果较好，可降低单位挤压力。尤其是图b中的尖顶锥形凸模，斜角越大则单位挤压力越小，生产中一般斜角为5~9°。但是斜角越大，当毛坯表面不平时，挤压时凸模要歪斜，造成零件壁厚不均匀。图c中平底凸模用于挤压件内孔要求平底或单位挤压力较低的场合。

反挤压凸模的有效工作部分是图中高度为h的圆柱形表面，称之为工作带，工作带以上的凸模直径略小些，工作带的作用有以下三点：

（1）减小凸模与挤压金属的接触面积，可大大降低摩擦阻力； （2）防止挤压结束时，挤压件粘在凸模上； （3）挤压时，不会由于凸模工作带以上部分的弹性变形而产生的直径增大，影响挤压件内孔的尺寸精度。

２.反挤压凸模尺寸参数设计 反挤压凸模所受到的单位挤压力比正挤压时大。同时由于坯料放置偏斜或坯料端面不平整，会使凸模在反挤压时受到偏心载荷而弯曲折断。所以其工作条件比正挤压凸模更为恶劣，因此必须合理设计和正确选择反挤压凸模的尺寸参数。

以图6-12中应用得最广泛的带平底锥形凸模为例，其各部分尺寸参数的确定如表6-2。

表6-2 反挤压凸模尺寸参数设计计算表 名 称 工作带直径d1 工作带高度h 底部平坦部分直径锥顶角 被 挤 压 毛 坯 材 料 种 类 黑 色 金 属 等于挤压件孔径最大尺寸 2~3mm 0.5d1 7～27° （0.97～0.98）d1 0.5～1.5mm 0.8～1.8mm (1.2～1.4) d1 (0.6～0.7) d1 (1.4～1.6) d1 有 色 金 属 等于挤压孔径最大尺寸 0.5～1.5mm 0.7 d1 3～25° (0.85～0.95) d1 0.3～0.5mm 0.5～1.0mm （1.1～1.3）d1 (0.55～0.65) d1 (1.2～1.5) d1 非工作部分直径d 斜面与工作带交接处r0 斜面与平坦部分交接处r 定位直径d2 定位高度h2 支承部分直径d3

支承部分高度h3 支承部分锥半角 支承锥面与d2交接处R1 d与d2交接处R2 d与d1交接处R3 (0.5～1.0) d3 5～15°1.0d2 2.0d 1.5d1 (0.5～1.0) d3 5～15° 1.0d2 2.0d 1.5d1 ３.反挤压凸模防止失稳措施 反挤压凸模的成形部分长度h1应当越短越好，这样可以避免凸模在挤压时产生纵向弯曲而失稳。

凸模的成形部分长度按照经验数值，其许用范围如下：

反挤压纯铝时：h1/d1≤7~10；反挤压紫铜时：h1/d1≤5~6；反挤压黄铜时：h1/d1≤4~5；反挤压低碳钢时：h1/d1≤2.5~3。

反挤压塑性较好的有色金属时，为了增加凸模纵向稳定性，可以在凸模的工作端面上开出工艺凹槽。工艺凹槽的形状见图6-1３。凸模在刚开始挤压时借助凹槽可“咬住”毛坯，从而提高其纵向稳定性。工艺凹槽必须对称于凸模中心，使凸模在挤压中保持与凹模的良好同心度，否则在挤压时会产生偏移而折断凸模。工艺凹槽的尺寸一般为1～1.5mm宽，0.3～0.6mm深，工艺凹槽的尖顶处应用圆弧相连。

用于挤压纯铝的细长反挤压凸模工作端面不必抛光，过分光滑的端面容易使凸模在挤压时产生漂移，从而发生弯曲以致折断。

对于黑色金属反挤压凸模，由于其单位挤压力大，工作端面不允许开出工艺凹槽，否则会在凹槽处由于应力集中而产生开裂。

（二）反挤压凹模

１．反挤压凹模形式 根据零件的形状、尺寸、精度及材料种类不同，反挤压凹模也有各种形式。一般反挤压凹模有成形和顶出两部分组成。如需要模口导向，可采用如图6-14所示的典型结构。在挤压外壁粗糙度较低，同时壁厚精度较高的有色金属零件时，可以采用如图6-15所示在凹模口部设置盛料腔，挤压时，凸模先以略为减径的方式将坯料压入成形型腔，然后再进行反挤压。这样可以减小坯料与成形型腔之间的间隙，同时坯料外周表面也通过减径挤压而粗糙度大为降低，并且盛料腔又可起到模口导向作用。

图6-16为其他一些常用反挤压凹模形式。图a~图d用于有色金属薄壁件反挤压，挤压后工件不会卡在凹模内，所以不需要顶出装置。其中图a为整体式，其特点是结构简单、制造方便，缺点是转角半径R处容易开裂下沉。图b也为整体式，但凹模型腔底部有25°斜度，挤压时有利于金属流动。图c、图d为分割式凹模，寿命比整体式凹模长。图c为纵向分割式凹模，其镶块在装配前与凹模为过盈配压，压入预应力圈后，其过盈量将更大，这样可以避免在角部产生毛刺。图d为横向分割式凹模，为了避免挤压时金属材料钻入上下模的贴合面，贴合面也要像前述正挤压横向式组合凹模一样，要有特殊的要求。生产实践证明，就是象纯铝这样流动性好的金属也不含钻入拼缝中。同时，上下凹模应有较高的制造精度，以避免挤压件底部产生联接痕迹。图e、图f均带有顶出装置，以适用于黑色金属或厚壁工件的反挤压。图e适用于工件底部外形呈尖角的反挤压件，图f适用于工件底部外形呈一定圆角半径的反挤压。如果工件底部要求平整，其顶杆的高度要略高出凹模型腔底平面，以抵消挤压时顶杆长度由于弹性压缩变形而缩短。顶杆的高出量根据材料和变形程度的不同而有所区别。

为了提高反挤压凹模使用寿命，节省模具材料，一般反挤压凹模都采用组合凹模形式，内凹模外面加压上预应力图，如图6-14所示。

２．反挤压内层凹模尺寸确定 一般内凹模型腔尺寸参数见图6-17，其尺寸计算见表6-3。对于要求不高的反挤压件，为了减小挤压时金属流动的阻力，同时也为了送料和取料的方便，凹模内孔可略带锥度，一般单边斜度为10′~20′。凹模型腔抛光至Ra0.2μm，使挤压时金属阻力减小到最低限度。

表6-3反挤压内层凹模型腔尺寸确定表 名称 设计计算 凹模型腔内经D 等于挤出件外径的最小尺寸 凹模入口处圆角半径r 2～3mm h0+h+r+2～4mm 凹模型腔高度H2 h0为毛坯高度，h为凸模工作带高度 当D=2D2时，H1=2D2 顶件部分高度H1 当D=1.5D2时，H1=D2 凹模总高度H H1+ H2 必须大于2.5H2 型腔转角处圆角半径R 0.5～2mm （三）顶杆设计

反挤压顶件在挤压中直接承受较大的单位挤压力，设计时应考虑其有足够的强度，同时为了使较大的单位挤压力能和缓地传递给下压力垫板，其支承部分的直径应适当放大。图6-18为常用的顶杆形式。图a为挤压黑色金属冷挤压件用的顶杆，其杆部直径d1一般比凹模型腔直径小0.1mm，这样既不会产生很大的纵向毛刺，又能使顶部及时退回便于送料。其支承部分直径d=(1.3～1.5)d1，过度圆弧应尽可能大。图b顶杆是考虑到其因弹性变形而产生横向变粗而卡死在凹模内，顶杆与凹模顶出孔配合部分不做成直径相同的圆柱体。顶杆仅在直径d1=D2(凹模顶出部分孔径)、高度h′=5～10mm处与凹模顶出孔配合，d1以下做出一定的退让量：d2=d1-(0.5～1)mm。如在挤压有色金属时，要求不产生纵向毛刺，顶杆与凹模顶出部分孔径的配合可采用基孔制间隙配合。

顶件上端面在挤压时，其中心处的单位压力最大。如挤压件下端面的平整度要求高时，可以在顶杆上端面做成圆锥面，如图b所示，其顶部中心处高出0.05～0.1mm，这样可以抵消单位挤压力造成的弹性变形，以确保挤压件得到平整的底平面。

三、反挤凸模与凹模制造尺寸与公差

反挤压时，模具工作部分的间隙，决定了挤压件壁厚的大小。由于挤压时模具工作部分的磨损，这个间隙就会越来越大，因此挤压件的壁厚尺寸也越来越大，在设计模具工作部分的尺寸和公差时，必须考虑模具有一定的磨损量，同时又不影响挤压件的尺寸精度要求。这样既可以挤出合格的产品，又可以提高模具的使用寿命。下面分两种情况来进行计算。

挤压件尺寸公差如图6-19所示。

第三节 预应力组合凹模设计

在冷挤压的生产实践中，人们经常发现，如果整体式凹模在挤压中受到的单位挤压力较大时，往往导致凹模向外扩展而产生切向开裂，如图6-20所示。为

了提高冷挤压凹模的强度，确保凹模在较大的单位挤压力下有较长的使用寿命，一般均采用预应力组合凹模结构形式。所谓组合凹模就是利用过盈配合，用一个或两个预应力图将凹模紧套起来而制成的多层凹模结构。

根据单位挤压力大小，冷挤压凹模可采用三种类型（图6-21），即：整体式凹模图a，两层组合凹模图b，三层组合凹模图c。其中左半图为末压合前，右半图为压合后。

一、整体式凹模受力分析

冷挤压时，整体式凹模内腔受到变形金属材料的径向压力，这种受力状况近似于厚壁圆筒承受径向内压的受力状态。其之所以是近似，是因为冷挤压时凹模不在厚壁圆筒内壁整个高度上受压力，另外据有限元数值计算及实测，凹模内壁所受的单位挤压力低于凸模端面上的单位挤压力，因此用这种假设所计算的凹模应力值是偏大的，设计是安全的。

先分析厚壁圆筒的受力情况。当厚壁圆筒的内半径为r1、外半径为r2、受内压力p1、外压力p2、而无轴向力作用时，厚壁圆筒筒壁任意一点r处的应力可由拉美（Lame）公式求得.

可以看出：

（1）当作用在整体式及凹模内壁的最大切向拉应力超过凹模材料抗拉强度时，就要从凹模内壁处产生裂纹而造成切向开裂。

（2）当作用在整体式凹模内壁的最大等效应力超过凹模材料许用应力时，就要从凹模内璧处开始产生破坏。

综上所述，在冷挤压单位挤压力较高的情况下，凹模不宜采用整体式凹模。通过理论分析和试验验证，为了提高凹模强度，防止凹模的切向开裂及凹模内壁的破坏，采用预应力的组合凹模是种行之有效的方法。

二、组合凹模受力分析

为了分析问题简单起见，这里对两层组合凹模（即内凹模和预应圈）的受力进行分析。

１．未挤压时组合凹模预应力分布

（１）内凹模受接触预压力p作用时的预应力分布 （２）预应力圈受接触预压力作用时的预应力分布 （３）组合凹模组合后而未挤压时的预应力分布

组合凹模组合后而未挤压时的预应力等于内凹模受接触预压力p2k作用产生的预应力与预应力圈受接触预压力p2k′作用产生的预应力相叠加而成，其分布情况如图6-26所示。

２．组合凹模挤压时的应力分布

（１）组合凹模作为整体凹模时应力分布 （２）组合凹模挤压时的实际应力分布

组合凹模挤压时的实际应力应为未挤压时预应力与挤压时不考虑接触预应力时的应力相叠加而成，其分布情况见图6-28。从图中可以看出，由于组合凹模中的内凹模与预应力圈采用过盈配合，压入后两者的接触面产生接触预应力，该接触预应力使内凹模上产生切向压应力；而预应力圈上产生切向拉应力。因此，组合凹模挤压时，内凹模所产生的切向拉应力就被抵消而减小，而预应力圈上所

产生的切向拉应力被叠加而增加。这样，内凹模与预应力圈的切向应力趋于相同。如果组合凹模预应力圈的尺寸选择得适当，其过盈量也足够大，甚至可以使内凹模的内壁在挤压时完全没有切向拉应力。

对一定尺寸的组合凹模进行强度分析可得知：三层组合凹模的强度是整体式凹模强度的1.8倍，两层组合凹模的强度是整体式凹模强度的1.3倍。

组合凹模的优点是：

（1）显著地提高内凹模在挤压时的承载能力，提高内凹模的强度。

（2）节省了昂贵的模具钢。原来整个凹模要用高级合金工具钢制成，现在仅内凹模用高级合金工具钢即可，预应力圈可改用较差一些的合金钢或中碳钢来制成。

（3）由于内凹模尺寸小，热处理容易，提高了模具钢热处理的质量，同时小尺寸规格模具钢的碳化物偏析情况得到改善，提高了模具钢的原始材质。当内凹模损坏后，仅需调换内凹模，预应力圈仍可继续使用。

(4)内凹模可以采用硬质合金，大大地延长模具使用寿命。硬质合金呈脆性、抗拉性能差，其不可能作为整体式凹模的材料。但当组合凹模设计得使内凹模内壁在挤压时完全没有切向拉应力或切向拉应力较小时，硬质合金就能作为内凹模的材料充分发挥其硬度高、极耐磨的特点，可广泛地应用于大批量挤压的场合。

三、组合凹模尺寸计算

组合凹模尺寸计算首先要确定凹模的形式，即采用整体式还是采用两层或三层组合凹模；其次要确定组合凹模内凹模和各层预应力圈的直径；最后决定内凹模和各层预应力圈的径向过盈量和轴向压合量。

１．凹模形式的确定 在设计组合凹模时，根据内凹模使用材料可分为两种情况：

（１）一般工具钢制成的内凹模，有足够的抗拉强度，允许在一定的拉应力状态下工作。 当单位挤压力p≤1100MPa时，可采用整体式凹模。当1100MPa

（2）硬质合金作为内凹模材料，由于抗拉强度很低甚至为零。设计时就必须设定其不允许在拉应力状态下工作。当p≤1100MPa时，采用两层组合凹模；当1100MPa≤p≤1900MPa时应采用三层组合凹模。整体式凹模在这种情况下没有使用价值。

２．组合凹模各圈尺寸确定 凹模的总直径比a一般取4～6的数值，但对于多层组合凹模而言，中间各圈直径的确定必须合理，否则会影响凹模的强度。 ３．组合凹模径向过盈量μ与轴向压合量C的确定

（１）两层组合凹模径向过盈量μ2与轴向压合量C2见(图6-21)的确定

在决定了各圈直径后,可按图6-31与图6-32决定d2处的径向过盈量μ2与轴向压合量C2。

先按图6-31与图6-32查出径向过盈量系数β2与轴向压合量系数δ2,然后按下式计算径向过盈量μ2(双向)与轴向压合量C2。

μ2=β2ｄ2 ， C2=δ2ｄ2

式中 ｄ2——预应力圈内径(mm)；

μ2——ｄ2处的径向双向过盈量(mm) ；

β2——径向过盈系数；

C2——ｄ2处的轴向压合量(mm)； δ2——ｄ2处的轴向压合系数。

（２）三层组合凹模径向过盈量μ2、μ3与轴向压合量C2、C3(见图6-21)的确定

在决定了三层组合凹模的各圈直径之后,便可按图6-33与图6-34查出径向过盈系数β与轴向压合系数δ,然后按下式计算径向过盈量μ2、μ3与轴向压合量C2、C3 。

μ2=β2ｄ2 ， C2 =δ2ｄ2 μ3=β3ｄ3 ， C3 =δ3ｄ3

式中 μ2、μ3————ｄ2、ｄ3处的径向双向过盈量（ｍｍ）；

C2、 C 3————ｄ2、ｄ3处的轴向压合量（ｍｍ）； β2、β3——ｄ2、ｄ3处的径向过盈系数； δ2、δ3——ｄ2、ｄ3处的轴向压合系数；

四、组合凹模的压合工艺

根据组合凹模过盈量的大小及具体的生产条件，选用适当的压合工艺。目前在生产实践中主要有以下三种方法：

１．热压配合法 先将外圈加热后再套到内圈上，利用热胀冷缩的原理使外圈在冷却后将内圈包紧，也俗称为“红套”。采用这种方法，各圈的配合面均为圆柱面，加工容易。但当预紧过盈量较大时，预应力圈的加热温度可能高于材料的回火温度（一般回火温度为500～600℃），就会使材料的硬度下降，缩短凹模的使用寿命。外圈加热选择的热膨胀变形要比实际所需的热膨胀变形大10％。对于加热温度高于450℃时，必须采用防氧化措施。因此热压配合法仅适用于小过盈量的压合。

２．冷压配合法 采用干冰或低温处理装置将内凹模冷却，然后再将预应力圈套在内凹模外。这种方法各圈的配合面也均为圆柱面。由于冷却温度有一定限制，该法也仅适用于小过盈量的压合。

３．常温强力压合法 常温强力压合时各圈的配合面均为锥面，锥面配合斜度γ一般采用1o30'，不宜超过3°，否则在使用过程中会自动松脱。各圈配合面要有70％以上的面积相贴合，否则将造成预紧力达不到要求而使得内凹模开裂。

三层组合凹模压合时，各圈的压合次序是自外向内，即先将中预应力圈压入外预应力圈中，再将内凹模压入中预应力圈中。压出次序则相反。

压合后的内凹模的型腔尺寸有所收缩，必须进行修正，也可以对收缩量进行理论计算或凭经验数据，预先把收缩量计入，以便压入后内凹模型腔尺寸为所需的尺寸。

常温压合法一般在油压机上进行，压合时必须采用一些必须的防护装置，如有机玻璃挡板，以保证操作者的安全。

第四节 卸件和顶出装置设计

挤压结束后，挤压件由于弹性变形的恢复，有可能紧包在凸模上，也有可能卡在凹模型腔内，需要将挤压件卸下或顶出。将挤压件从凸模上卸下的装置称为卸件装置，将挤压件从凹模型腔内顶出的装置称为顶出装置。

一、卸件装置

当凸模向下运动进行挤压时，卸料板下面的弹簧被压缩。当挤压结束后凸模向上运动时弹簧恢复，使卸料板与固定螺栓的螺母端面相靠紧。凸模继续向上运动时，挤压件碰到卸料板被卡下。这种结构可以减小凸模的长度。装在卸料板内的卸件环经热处理淬火，提高其耐磨性，延长卸料板的使用寿命，同时使卸料板具有通用性，通过更换卸件环来满足不同尺寸挤压件的需要。黑色金属反挤压件的壁部较厚，一般选用图6-３中所示的整体式卸件环；当壁厚小于0.5mm时，应选用图6-35所示的组合式卸件环结构形式。这种卸件环周边凹槽处圈有弹簧,以确保卸件环始终紧贴在凸模上。

还有一种采用固定卸料板进行刚性卸料,如图6-36所示。此形式结构简单、卸料力大、动作可靠,多用于工件尺寸不大,浅形杯形反挤压件。图a 用支杆支承;图b 用套管支承。

二、顶出装置

如果挤压件卡在凹模内,就需要专用的顶出装置将之顶出。顶出装置一般装在下模部分。如压力机上没有专用顶出机构,就需要设计如图6-1、图6-３那样的顶出装置，通过安装在上模板上的反拉杆,当上模回程时带动顶板、顶杆、推动顶出杆顶出挤压件。当压力机备有专用顶出机构,模具的顶出装置就较简单,如图6-２、图6-４、图6-5所示。

常见的顶出装置主要有三种基本类型:(1)垫块顶料；(2)顶杆顶料；(3)套筒顶料。垫块顶料见图6-3７,其利用装在凹模1型腔中的扁形垫块2和顶杆4将挤压件从凹模内顶出。 这种顶出形式结构简单,便于加工,节省材料,但顶出挤压件时有可能将垫块一起顶出凹模。顶杆顶料见图6-38，图a将顶料杆安置在下凸模 中,这种形式用于大型正挤压的空心或筒形件。图b用于杆径较小的长杆形件的正挤压,为了便于加工和更换方便,将顶料杆2做成圆柱形,镶在顶杆5的凹窝内。这种结构使用可靠、调整方便、经济耐用。图c是使用得最为广泛的顶出装置,结构简单,使用方便,不仅用于正挤压和反挤压,也可用于复合挤压模具。图6-39为套筒顶料方式。套在下凸模3上的具有粗大端部的筒状环形顶出器2兼有从下凸模3上卸料和与凹模1中顶出的双重功能,主要用下部带孔零件的卸料和顶出。该装置借助下部三个均布的圆柱销4带动环形顶出器,将挤压件从凹模中顶出。

第五节 第五节 导向装置设计

为了保证冷挤压时凸、凹模的同心度要求,减少因偏心负荷所产生的弯曲力矩而损坏凸模,并提高冷挤压件的精度,一般在冷挤压模具上,都设有必要的导向装置。

一、导向方法

常用的冷挤压模具的导向方法主要有导柱导套导向(图6-1～５)、模口导向（图6-6）和导筒导向（图6-7）。由于导柱导套导向精度高，安装方便，使用寿命长，其应用得最为广泛。

二、导柱导套导向装置

１.导柱导套布置形式冷挤压模具的导柱导套布置方式如图6-40所示有（1）双导柱中间布置；（2）双导柱对角布置；（3）四导柱封闭布置。其中四导柱封闭布置适用于模板面积较大，受力不均匀有偏心载荷的场合，是冷挤压模具中采用得较多的一种布置形式。

２.导柱导套紧固方法 导柱导套与模板的紧固方法主要有三种：（1）基孔制过渡配合。该方法采用压板螺钉将导柱、导套紧固在上、下模板上，见图6-41。（2）基孔制过盈配合，将导柱、导套直接压入上、下模板，见图6-1～３、５。（3）采用低熔点合金、环氧树脂或无机粘结剂将导柱导套直接紧固在上、下模板上。

３.导柱导套尺寸 导柱导套尺寸见图6-42。为了克服挤压时可能产生的偏心负荷，导柱导套的刚性要尽可能设计得高些。根据模具的结构，导柱直径d一般取φ40～60mm，有时

压入模板长度l不得小于1.5d，总长度L一般按模具的结构尺寸来确定，但必须保证凸模进入凹模之前，导柱伸入导套10 mm以上。导套内孔径d0与导柱直径d的配合为基孔制间隙配合。由于导套压入上模板后其内孔要略有缩小，因此d１尺寸应比导柱直径d大0.5 mm以上。导套压入段的长度l及其外径D不得小于1.5d；导向段长度（L-l）＝（2～3）d0。

滑动式导柱导套在工作时为了保持良好的润滑状态，要在导柱或导套上开油槽，以便贮存润滑油。当挤压件精度要求高时，可采用滚珠式导柱导套来确保上、下模更高的导向精度。

导柱导套材料常用渗碳钢来制造，经表面渗碳淬火处理，以保证其表面硬度高而耐磨性好、同时其芯部又有较高的韧性。导柱导套相配合部分的表面粗糙度不高于Ra0.2μm。

第六节 压力垫板设计

一、压力垫板的作用 冷挤压时，模具型腔中的单位挤压力很高，如凸模或凹模所传递的轴向压应力直接作用在上下模板上，有可能要造成模板的压塌。因此必须在模板与凸、凹模之间设置淬硬的压力垫板，有时简称垫板，以起到减缓轴向压应力的作用。

板、凹模座、凸模固定座等零件为45 钢锻件,经调质处理以提高其综合机械性能。

整个正挤压花键模具的设计,下图为该模具的示意图：

3.7 挤压模具材料的选用

零件名称 上、下模板 导柱、导套 模座 凸模 凸模压套、拼帽 正挤花键凹模 凹模 凸、凹模垫块 顶料杆 顶出杆 内预应力圈 外预应力圈 螺钉、螺栓 圆柱销

材料牌号 45 20 45 W18Cr4V 45 YG20 Cr12MoV GCr15 GCr15 45 40Cr 40Cr 45 45 热处理 调质 表面渗碳、淬火 调质 淬硬 调质 淬硬 淬硬 淬硬 调质 淬硬 淬硬 淬硬 硬度HRC 28--32 56--60 28--32 61--63 28--32 42--44 61--63 61--63 28--32 38--40 38--40 43--48 紧固圈 45 调质 28--32 4 结论 对于轴承钢摆杆体,采用合适的变形程度和工艺流程，可以对复杂形状的GCr15 轴承钢摆杆体进行冷挤压成形。挤压工序只要是第一道正挤压花键，摆杆体花键挤压的尺寸精度可达0. 1 mm，第二道球体部分的镦挤。 5参考文献

[1] 贾俐俐主编. 挤压工艺及模具[M]. 北京：机械工业出版社，2004. [2] 杨长顺. 冷积压模具设计[M]. 北京：国防工业出版社，1994. [3] 翟德梅编. 挤压工艺及模具[M]. 化学工业出版社，2004. [4] 吴诗编著. 温挤技术[M]. 北京：国防工业出版社，1979.

[5] 洪深泽. 挤压工艺及模具设计[M]. 北京：机械工业出版社，

1996.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uguf.html