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1、轴承套温挤模具设计及数值模拟摘 要挤压作为一种高效的精密加工技术近年来在现代工业中正发挥着越来越重要的作用。挤压可分为热挤压、冷挤压、温挤压三种。其中温挤压对无论热挤压还是冷挤压都有一定的优势。和冷挤压相比，它需要的压力小；和热挤压相比，它的氧化不严重。本设计即采用了温挤压技术并充分利用了这些优势。这次设计的内容是轴承套的温挤压。作为机械工业中常用的轴承套，要求有很高的力学性能，因此使用普通的低碳钢无法满足轴承套使用的需要，需要使用比较硬的中碳合金钢材料，因此本设计选择了40Cr，对于这样的材料只有使用温挤压才能很好的完成它的成型过程。本设计采用了复合挤压，模具均采用4Cr5MoSiV1材料制
2、造。这是一种合金工具钢，具有很高的硬度，同时它还有很好的红硬性。这很好的满足了轴承套温挤压要求温度较高的需要。本课题完成了轴承套的温挤压的整套模具的设计，对温挤压模具的各个零件都进行了设计，并给出了详细的设计过程。本套模具采用了7级精度生产，生产出来的毛坯还需要进行机加工。这里还给出了每个零件的硬度和各种零件之间的配合公差以及形位公差以确保挤压出精度合格的工件。本设计是严格按照有关标准进行的合理科学的设计，并进行了科学的数值模拟，模拟结果显示，此次设计能够满足相关工件的成型要求。此外，本人还利用数次模拟结果对模具进行了一系列优化设计。关键词：轴承套，温挤压，模拟，模具设计Die Design
11、1 数值模拟介绍214.2 模型简化及设置模拟初始条件21第五章 压力机的选择245.1 压力机的选择原则245.2 压力机的技术参数25结 论26参考文献27致 谢29前 言挤压技术作为一种现代压力加工技术在现代工业中发挥着越来越重要的作用，它以较高的生产效率和较高的加工质量正成为现代工业加工技术的新宠儿，而且现代工业的迅猛发展使挤压技术得到了越来越广泛的应用,对挤压模具的设计与制造的要求越来越高.由于掠夺模具是挤压生产的主要工艺装备，所以其设计是否合理对挤压件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等影响很大。因此提高挤压模具的设计水平和掠夺模具的各项技
12、术指标，对现代挤压工业的发展是十分必要的。挤压是金属压力加工的一种少切削和无切削加工工艺。它是将挤压模具装在压力机上，利用压力机制往复运动，在室温、中温或高温下使金属在三向压应力状态下发生塑性变形，从而挤出所需尺寸、形状及性能的零件。挤压加工的原理是金属坯料处于三向压应力状态下变形时，能大大提高金属的塑性，允许金属有较大的变形。挤压工艺不仅可以成形各种复杂的零件，而且还使低塑性金属和合金有成型加工的可能性；挤压工艺既可用于成批生产有色金属与黑色金属零件，也可用于制造模具的形腔。挤压有两种分类方法，一种是按挤压坯料的温度分为冷挤压、热挤压、和温挤压；另一种是按金属流动方向和凸模运动方向的关系分为
13、正挤压、反挤压、复合挤压（正、反挤压复合）、径向挤压、斜向挤压及镦挤等。 虽然大家知道挤压技术是一种少无切屑的压力加工技术，它具有生产效率高，生产出来的工件力学性能好等优点。但以往对它的利用主要限制在冷挤压和热挤压两种加工方法上，冷挤压和热挤压顾然有它们各自的优点，但同时它们也有各自的缺点。 温挤压是针对冷挤压和热挤压的各自的不足之处，同时充分利用它们各自的优势而发展起来的一种挤压新工艺。金属材料的冷、温、热变形通常是以金属成形过程中的加工硬化、回复和再结晶状况来判定的。金属塑性变形后，材料处于加工硬化状态，称为冷变形；金属塑性变形后，材料具有再结晶组织，称为热变形；介于冷变形与热变形之间，材
14、料处于回复状态，称为温变形。挤压工艺正是在金属材料冷变形、温挤压、热变形这三种状态下进行的，并按被挤压材料的温度分为冷挤压、温挤压、热挤压三大类。冷挤压由于加工温度低，毛坯的变形抗力非常大,因此在加工工件时所需的加工压力也是非常大，这就要增加压力机的吨位，同时降低了模具的使用寿命。同时因为它的每道工步的变形量较温挤压小，因此它的变形工步比较多,这就直接降低了生产效率。而热挤压由于工件的加热温度比较高,使得工件的氧化比较剧烈,并可能造成胶碳,这就使得加工出来的工件有很多的缺陷,而且热挤压出来的工件尺寸精度低,表面质量差。由于温挤压兼有冷、热挤压的优点，克服了冷、热挤压的不足之处，因此温挤压适用于
15、对常温成形时变形抗力高、塑性差、加工硬化激烈且又很难成形的高强度金属及耐蚀耐热钢、不锈钢、铁合金钢及含铬量高的钢等材料的加工，更适合于形状复杂的非轴对称异形零件的成形，在汽车、拖拉机、发动机、军工以及航空航天等领域已成了一种不可替代的成形方法，目前在国内,对于黑色金属,如纯铁、20、45、20Cr、40Cr、GCr15、12CrNi3、30CrMnSiA、2Cr13、1Cr18Ni9Ti、18Cr2Ni4WA、38CrA、T10V、T10A、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2Al以及GH140等均可成功地进行温挤压。对于冷挤压难于成形的铅黄铜HPb59-1，用温挤压成型的效果也较好。因此我们
16、应该相信温挤压的市场前景，相信在不远的将来,温挤压将作为一种不可替代的压力加工方法存在于我们工业的各个加工角落。 为了使挤压件具有良好的工艺性，做到质量好、耗材少、成本低，能够经济高效地制造。设计时必须对产品零件的性能和使用要求，产品零件的结构、形状、尺寸、公差及所采用的材料等进行全面的分析。例如，产品零件的材料是否适合挤压成形；使用何种挤压工艺；采用何种工艺路线；确定可以挤压成型的部位和要留余量由切削加工完成的部位；需要改变的尺寸注法和工艺基准；确定在哪一种设备上进行挤压成形；采用体积结构的挤压等问题。挤压成形的过程中，挤压设备通过挤压模具对挤压坯料施加挤压力使其变形，而被挤压材料对模具施以
17、反作用力以反抗变形。如果模具的承载能力大于挤压力，就可以顺利地挤出工件，如果模具的承载能力小于挤压力，将使模具损坏。为了使挤压能够顺利进行，必须合理地设计挤压工艺；合理地选择挤压模具结构；设法降低挤压工艺力，提高模具的承载能力。 因此，在挤压工艺设计时应考虑很多的问题，归纳一下，主要为以下几点，1,选用适合于挤压加工的材料；2,设计合理的、工艺性良好 的被挤压零件结构；3,采用合理的挤压工艺方案，使每道工序的挤压力均不超过模具的承载能力；4,选择合适的坯料软化热处理规范；5,采用理想的坯料表面处理方法与润滑剂；6,设计并制造适合挤压特点 的模具结构，既保证产品质量和操作安全可靠，又具有较长的工
18、作寿命和较高的生产率；7,选择合适的模具材料及热处理方法；8,选择适合于挤压工艺特点的设备。只有这些问题在设计中被充分考虑了，设计者才能设计出一套合理的挤压工艺。但只有这些还不能设计出一套很好的模具，模具的设计也要考虑一些问题：第一，我们要考虑挤压件的使用条件，如受力情况、工作温度、工作环境等；第二，挤压件的性能要求，如强度、硬度、冲击韧性、金相组织等；第三，挤压件的结构开关，如是否适合挤压工艺，脱模是不否有困难；第四，挤压件的精度要求，如尺寸精度、位置和开关等；最后，挤压件的生产量，如长远的需要情况。由于本设计为温挤压，因此，在这里对温挤的发展略作叙述，总体来说，我国最近几年的温挤压研究发展
19、比较迅速，我国上海交通大学洪慎章等人利用温挤压技术成形了一直靠进口的电机磁极和洗衣机制动轮；青岛理工大学田福祥采用浮动的上凹模与下凹模对合结构，温挤压成形了3Crl3马氏体不锈钢液压机阀瓣；燕山大学张立玲等人采用热力耦合弹塑性有限元法温挤压成形了20CrMnTi轿车等速万向节滑套；广东阳春轴承厂黄觉亮利用温挤压与冷精冲复合工艺成形了W208PPB5外球面方孔轴承。于沪平等采用塑性成形模拟软件DEFORM；结合刚粘塑性有限元罚函数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟，得出了挤压过程中铝合金的应力、应变、温度以及流动速度等的分布特点和变化规律；刘汉武等利用ANSYS软件对分流组合模挤压铝型材
20、进行了有限元分析和计算，找出了模具设计中不易发现的结构缺陷；周飞等采用三维刚粘塑性有限元方法，对连续挤压过程进行了数值模拟，分析了连续挤压的不同成形阶段，给出了成形各阶段的应力、应变和温度场分布情况；马思群等使用三线非线性有限元分析软件MSC.marc，对挤压工艺进行数值模拟研究，分析了挤压过程中金属流动分布规律，并得到了挤压过程中变形体中任一指定点应力、温度随时间变化的规律。王彦可等针对辄承保持架温挤压模具失效，利用三维绘图软件SolidWorks建立保持架凹模的三维模型，将三维模型导入ANSYS有限元软件进行模拟和分析，发现应力分布不均匀且应力集中是回模开裂的问题；李更新等人利用Pro/E
21、DEFORM软件进行温济压成形数值模拟解决了20Cr直齿圆柱齿轮齿形角限充不满的难题。因此，目前来说，在我国，温挤压应该有一个很广阔的市场前景，它的发展也必将给我国带来较好的经济效益。我个人认为如果我国在温挤压方面的研究能有所突破，这必将成为我国的的一大科学自主创新，为我国的制造业再注入一剂新的活力。第一章 零件的工艺性分析1.1 零件的工艺性零件的工艺性是指从一些工艺的角度来看零件的设计（包括选材、形状结构等等）是否合理。是否能在满足零件使用要求的前提下，以最简单、最经济的加工方法将零件做成。零件工艺性的好坏直接影响到其能否成形、成形的难易程度、所需压力机的吨位、成形质量的好坏、
22、工件的生产率等问题。1.1.1材料分析本工件的材料为40Cr,属于合金结构钢，也是常用的调质钢，同时也是中碳钢，所需压力应该较大，但考虑到使用的是温挤压，这应该能降低30%以上的挤压力，因此所需压力应该不会太大。40Cr的参考资料： 表11 40Cr的成分、力学性能主要化学成分（%）力学性能CMnSiCr/Map/MPa(%)(%)0.370.440.500.800.170.370.801.根据相关资料选定温挤压温度为800。1.1.2 零件工艺性分析挤压工艺能够加工的尺寸（直径、长度、深度、厚度等），是有一定的范围的。超出这一范围，材料稳态塑性变
23、形的遭到破坏，就会导致模具过载、挤压件形状改变和尺寸的严重波动，以及各种疵病的出现。因此，确定挤压件的尺寸特别重要。 挤压零件的设计是挤压工艺设计的基础。挤压零件图是根据产品零件图、挤压工艺和机加工工艺要求及经济原则进行设计的。设计时有一些。挤压件的设计有一些原则：1. 挤压件结构必须利于挤压工艺的变形特性，尽量达到少无切削加工。2. 设计的零件形状要宜于挤压成形，使模具受力均匀，保证足够的模具寿命。3. 对确定的零件尺寸及精度要求，应该在挤压成形可能范围之内。4. 挤压件结构在保证成形和模具寿命的条件下，应尽量减少成形工步。5. 用机加工等其它方法更适宜实现的形状、尺寸要求的零件，不应强求用
24、挤压方法；否则，经济上不一定合算。6. 非对称形状的冷挤压可合并为对称形状进行挤压。根据以上原则，设计了这个工件的工艺。图1-1 零件图断面过渡对于挤压件的工艺设计非常重要。当挤压件零件的断面有差别时，从一个断面过渡到另外一个断面就使变化缓慢进行，防止过渡变化突然，即从一个直径到另一个直径时，要避免直角转折和较小的圆弧连接。因为断面急剧过渡的转折部位，就是变形最剧烈、应力分布最不均匀的区域，该处材料容易产生裂纹。相对应的模腔部位，是热处理和挤压时应力集中的区域。因此，应将断面变化部位设计成锥形过渡。随着材料性能、零件形状和变形方式的不同，过渡锥面的数值差异比较大。过渡部位的衔接处采用充分平滑的
25、圆弧连接。为了防止金属滞流，要调整这里的圆锥半径R，断面变化较大的过渡部位，其圆角半径值应尽可能取得大些。 为了得到本工件所用的材料的精确体积，本设计先用三维造型工具将工件做出实体造型来，然后通过一些操作得到了工件的实际体积。这样就很容易就得到了坯料的尺寸。图1-2 毛坯图此零件为上下两腔，是属于杯杯类挤压件，上半部分要用反挤压，下半部分要用正挤压，因此有三种工艺方案可供选择。一、 先进行反挤压，再进行正挤压。二、 先进行正挤压，再进行反挤压。三、 采用同时正反挤的复合挤压。由于复合挤压只需一次定位，零件的精度自然比较高，并且采用复合挤压生产效率比较高，因此，在设计时就优先考虑复合挤压模。本设
26、计也根据此原则，先设计了一套复合模具。1.2 工件的工艺尺寸设计 1.2.1 工件的连皮设计连皮平均厚度： （11）连皮的最大厚度： （12） 连皮的最小厚度： （13） 其中h为工件的成形高度，d为工件的成形内径。1.2.2 工件的过渡圆角设计 工件的其它工艺尺寸比如过渡圆角在后面的模具设计中再根据相关资料做出设计。1.3 变形程度的计算及挤压力的计算 许用变形程度是指在模具强度允许以及保持模具有一定寿命的条件下，材料一次挤压变形的程度。它与以下因素有关：（1）模具本身的许用单位压力取决于模具的材料、结构和制造工艺等因素；（2）挤压时挤压金属产
27、生塑性变形所需的单位挤压力，它取决于挤压金属的力学性能、挤压方式、模具工作部分的几何形状、毛坯的表面处理和润滑条件等因素。许用变形程度主要用来校核一次挤压变形的变形量。若变形程度小于或者等于许用变形程度时，可以一次挤压成形，否则需进行多次挤压成形。因此，需要对材料的变形程度做一下计算。反挤压时；d=46.36mm,d=39mm,d=47.8mm所以，断面缩减率: （14） 参考P152图89，得到其单位挤压力P1210MPa。根据公式计算其挤压力： （15） 正挤压力时：d=46.36mm，d=19.2，d=28.5. (1-6)根据公式计算其挤压力： （17）根据相关资料查得到其单位挤压力P
28、1110MP。式中，为材料的加工硬化系数，是毛坯及挤出部分的横断面积；为摩擦因数，h为凹模工作带长度；s为挤出件的壁厚；f凸凹模工作部分几何开关系数。第二章 装配图草图的绘制根据选定的复合挤压方案以及工件成形的需要，本设计先大致设计出了图21装配草图：图2-1 方案三的复合模具装配图复合挤压是将正挤压和反挤压两种变形方式结合在一起的一种独特的变形方式。它既要考虑正挤压的变形要求，又要考虑反挤压的变形要求，所以，复合挤压模具的凸、凹模结构，要比单一形式的正挤压或反挤压模具都复杂。由于在本设计中挤压结束时工件的大部分表面积都与下模相接触，因此，工件在挤压结束时留在下模的概率远远高于留在上模的概率，
29、所以上模不再设计卸料结构，而采用下部环形顶出器顶出结构，如图21所示顶出结构。第三章 挤压模具的设计 3.1 模具材料 在温挤压时凸模温度约可升至400430，这可能导致模具迅速磨损，这对模具的红硬性有定的要求。因此，选择模具材料就显得非常重要了。对温挤用模具材料的要求主要有以下几点。1. 挤压时，模具材料在温升以后的屈服点应高于作用在模具上的单位挤压力。2.应有足够的耐磨性，特别是高温耐磨性。3.应有较高的韧性，以便能在冲击载荷下防止裂纹产生。4. 热膨胀率小，热导率大，比热容大。本设计模具材料选择4Cr5MoSiV1，这是中合金超高强度钢,它的热处理工艺为1000淬火，580二
30、次回火。=1830MP，9%，28%，硬度为51HRC。3.2 凸模的设计 3.2.1 凸模的尺寸设计 凸模设计时要考虑使用中凸模所受应力的大小和性质，以及当使用细长凸模时，可能出现的失稳问题。造成失稳的因素有模具或挤压设备本身的对中精度；使用坯料上下断面不平行等。凸模长径比也影响凸模的稳定性，因此设计模具所用钢为模具钢，它的长径比不大于3。凸模的其它具体尺寸 参考图612及表62得：其计算过程如下： （31）取d=0.5d=0.539=19.5mm （32）取 d= d-0.2=38.8mm; （33）取d=1.5 d=1.539=58.5mm
32、模具的收缩；表734 挤压凸、凹模工作部分尺寸计算公式。3.3 凹模的设计 3.3.1 凹模的层数设计表31 组合凹模的形式单位挤压力P/MPa凹模形式P10001200单层凹模 (整体凹模)1200P14001600双层组合凹模1600P22002500三层组合凹模在挤压的生产实践中,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。为了提高挤压凹模的强度，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。所谓预应力组合凹模，就是利用过盈配合，用一个或两个预应力圈将凹模紧套起来而制成的多层凹模结构。根据单位
33、挤压力大小，挤压凹模可采用三种类型，即：整体式凹模；两层组合凹模；三层组合凹模。根据材料的变形度和材料的性质: 反挤压所需的单位挤压力P11210MPa.正挤压所需的单位挤压力P21110MPa.根据所需挤压力与模具层数的关系，本设计选择使用双层组合凹模。3.3.2 内外应力圈的设计 根据本设计的需要(P1200),选择双层组合凹模,设计如下:挤压件断面有差别时，通常应设计从一个断面缓慢地过渡到另一个断面，避免急剧变化，可用锥形面或中间台阶来表叔过渡，且过渡处要有只够大的圆角。其型腔尺寸与工件的外形尺寸相对应。图3-2 凹模的设计图3-3 外应力圈的设计如上两图所示，内应力
34、圈设计：温挤压的模具工作部分零件，如凸模、凹模等基本上沿用了冷挤压模具的设计原则。二层组合凹模设计参数如下表所示，其中d是凹模内径，也即挤压件的最大外径。d为组合凹模的内应力圈的外径。d是组合凹模的外预力圈的外径，一般d=(46) d，在这里，取d4 d414.2557。是各应力圈的压合斜度，在这里130。表32 二层组合凹模设计参数dd4 d1.8 d0.160.00835 d2.0 d0.1630.00856 d2.2 d0.1660.0088组合凹模内应力圈外径也即d=1.8 d90mm，在本设计中，内预应力圈与外预应力圈的配合采用H7/p6的过盈配合。 参考P附
35、表21 标准公差数值得在基本尺寸在80mm120mm之间时，IT7的数值为0.035mm,又查得下偏差为0。所以凹模外应力圈的内径D90mm。 外应力圈与凹模固定套的配合，同样采用过盈配合，并且沿用了内应力圈和外应力圈的公差配合H7/p6过盈配合。外应力圈的外径为191.2mm，查同书得基本尺寸在180mm250mm之间时IT7的公差数值为0.049mm。又查得此时的下偏差为+0.05，易得外应力圈的外径D191.2mm。同理得到内应力圈和外应力圈之间的配合也定为H7/p6过盈配合。圆角半径的设计：圆角的半径特别是过渡圆角半径的设计对于挤压工艺来说是非常重要，它的大小对挤压阻力有很重要的影响。
36、圆角半径越大则挤压阻力越小，圆角半径越小则挤压阻力越大。参考P表6.33 温挤压模具设计：表3-3 温挤压模具设计参数温正挤压凹模圆锥部分与工作带部分的圆角r取r=14mm(当挤压温度高时，取较大值)工作带长度h取35mm直径D比d大0.20.4mm温挤压凸模工作带宽度S35mm直径d比d值大0.61.2mm凸模端面凸模端面应有510的斜度圆角部分R与R在满足零件条件要求的条件下，应尽可能大些。一般可取23mm,不能小于1mm长度与直径比单位挤压力大时，应不大于2.53（对钢）时，以增加其稳定性。参考P表54 圆角半径得复合挤压时中碳合金钢的凹角半径r为1.0mm1.5
37、mm，凸角半径R为23mm。断面过渡的过渡锥角设计根据P图示1 温正挤压凹模 将断面过渡锥角设为63；根据下表将凹模圆角半径设为2mm，凸模圆角半径也设为2mm。3.4 其它零件的设计 下模垫块的设计：参考压力垫板的设计计算得： （39）得P/P=222000/859669=0.32。再查图6-44得：d/d=1.2， t/d=0.8。 所以： d=46.8mm,t=31.2mm.模座的选择：模座是模具与压力机进行连接的基础零件，又是承受较大集中载荷并传递压力的重要零件。由凸模或凹模传来的迫使材料产生塑性变形的挤压力，将直接传到模座上，并通过模座传递到压力机的工作台面上
38、。所以，模座的结构设计相当重要。由于挤压的是40Cr,属于中碳合金钢,但考虑到使用的是温挤压,所以模座受力不大,可以采用45或55钢,本设计采用45钢,硬度要求为为43HRC48HRC。厚度要求为上模座为80mm，下模座为90mm。模座的直径根据需要设计。上模座的直径为360mm，下模座的直径也根据要求设计为460mm。下凸模的设计：下凸模由于只受压力，不对工件的成形起直接影响，因此这里可以对材料的抗拉强度不做过高要求，但材料的抗拉强度一定不能太低，还有就是由于下凸模的设计形状为细长杆，因此要有一定的韧性要求。为了便于卸料，下凸模的下端不能太大，上部要和顶件器形成动配合，表面粗糙度要设为0.8
39、。此凸模的设计根据常用顶杆设计，顶杆要有一定的垂直度要求，防止出现废品。图3-4 下凸模顶杆的各个尺寸要求参考有关资料。为了便于成形，顶杆的上端要做成尖头状，尖角处用圆角过渡，圆角半径为3,斜角定为164,对于黑色金属，锥顶角要在153173之间，避免应力集中。 组合凹模的支撑垫板设计：挤压时作用在凹模上的压力相当高，一般可达16002200MPa，甚至更高。这样大的压力如果直接传给模座，在模座上就要产生弹性变形和局部塌陷。为了防止发生这种情况，必须在凹模底面和模座之间，设有一个工具钢的凹模支撑垫块，以便把加工压力均匀分布传输给压力机本体，起到支撑和缓冲作用
40、。支撑垫块是凹模与模座相互连接和传递压力的中间过渡零件，它对于消除模座变形，确保挤压件尺寸和稳定性和提高模具寿命十分有利。支撑的结构虽然并不复杂，但对它的要求很严格，主要要遵照以下原则：1.具有足够的抗压强度，能够经受一定的压力作用，并确保在长期使用中不压塌变形，不发生损坏。因此，要求选择优质材料，并经热处理后使其硬度达到58HRC60HRC。2. 具有足够的厚度和较大的接触面积，能够将集中载荷分散并均匀地传递到模座和压力机工作台上，而不发生塑性变形，并将弹性变形限制在最低限度。3. 具有较好的精度，支撑的精度必须保证凹模和模座的正常工作，为此要求支撑的上下两端面就平行。组合凹模的垫板下部内径
41、要满足与顶件器形成动配合。其外形尺寸与组合凹模保持一致，垫板的上表面由于要与凹模接触，要求上下表面光滑，粗糙度设为0.8,上下面要有一定的平行度要求。图3-5 凹模垫板顶件套的设计：顶出部件是挤压模具中一个重要部件，它具有从凹模中将零件顶出的作用。挤压杯形件时，下部顶料杆同坯料直接接触，并承受变形金属的挤压作用，在有些挤压模具中，顶料杆除顶出零件外，还协助完成某些局部成形工作。顶出部件一般装在下部的凹模或垫板中，它的有效工作部位则直接与凹模或凸模进行配合。在这套模具中，顶件套的作用不仅仅是把工件从组合凹模中顶出来，它还有一个作用是与内应力圈共同组成凹模，要求有一定的抗压能力和一定的韧性要求。由
42、于也属于细长件，所以也要有一定的垂直度要求。顶件器的下端由于可能要与组合凹模的内孔形成配合，也做成一定的斜度。它和下凸模的配合为过渡配合。图3-6 顶件套凸模固定板的设计：凸模固定板是将凸模坚固于模座上的重要辅助零件由于凸模柄部开关和固定方法的不同，固定圈具有各种各样的结构。常见的固定圈结构形式，主要有两类三种形式，它们的外部形状主要有圆柱形、阶梯形和锥形三种。当采取螺栓直接坚固时还应考虑安装螺钉孔和销孔的位置。固定圈的厚度不能过薄，否则就不能充分满足凸模的功能要求（凸模位置精度、凸模垂直度、故障时的强度），这对模具的寿命有一定影响。所以通常规定其厚度在13mm以上。固定圈孔与凸模的有效配合高
43、度h，一般在（1.61.7）d范围内，通常不小于孔径的1.5倍。材料选择45钢，由于不直接受很大的力，所以不用很大的强度，但要固定好凸模，不能在凸模工作时让凸模产生摇动或者偏差，造成挤压时工件的废品。因此，设计了固定用的内孔的斜度，要与凸模的斜面形成过盈配合。图3-7 凸模固定板凸模垫块的设计：为了把凸模工作压力均匀分散传递给模板和压力机机架，缓和由于加工压力引起的接触压力，防止模座产生局部的凹陷或变形，改善凸模的工作条件，必须在凸模的底部端面与模板之间，设有一块工具钢淬硬的垫块。这样可对凸模进行强有力的支撑，分散作用在凸模上的压力，借以起到缓冲的作用，提高凸模工作的稳定性及其寿命。由于凸模垫
44、块是承受较大集中载荷和传递压力的重要工作零件，因此，垫块的面积必须足够大以便适当的分布负载。图3-8 凸模垫板设计时，凸模底面的压力希望控制在凸模工作压力的1/3到1/4左右,即500700MPa，据此决定垫块的平面尺寸。垫块的厚度一般在1530mm之间。此外，在保证垫块具有足够厚度和一定接触面积的前提下，还必须使其直径与厚度保持最有利的比例关系，也就是说不能设计得大而薄。下凸模垫块的设计：下凸模垫块的设计与凸模垫块的设计一样，这里也就不多介绍了。各尺寸如下图所示：图3-9 下凸模垫块第四章 数值模拟4.1 数值模拟介绍在现代工业中，很多的比如材料成形、热处理、机加工等领域已经在采
45、用有限元模拟设计和优化模具。DEFORM3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料温度场的变化。它包括了锻造、挤压、镦头、轧制，自由锻、弯曲和其它成形加工方法。DEFORM3D是一个非常好的模拟金属流动和金属热扩散的软件，他不仅功能强大，而且便于使用。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。不同的区域可以划不同密度的网格，比如在圆角处等要求精度较高的地方可以划比较密的网格以便于成形，并降低计算机的计算规模，并显著提高计算效率。4.2 模型简化及设置模拟初
46、始条件由于有限元模拟是对工件的一次仿真模拟，真实情况下的很多条件及周围情况在仿真里必须加以假设，用刚塑性有限元法分析塑性变形问题时的基本假设有：1. 忽略材料的弹性形变；2. 不计体积力（重力和惯性力等）的影响；3. 材料均匀且各向同性；4. 材料的变形服从于Levy-Mises流动理论；5. 材料不可压缩，体积保持不变。而模拟时又有不同的方案，为了选定方案,先用DEFORM先对工件进行数值模拟，这里有两种模拟方案：一是做成完全封闭的模具。二做成上模不封闭的模具。但考虑到闭式模具要求毛坯的体积要与工件的体积高度相等，这一点在实际中是非常不好控制的，因此，可先考虑用不完全封闭的模具进行模拟,如果
47、能成形，则要优先考虑不完全封闭的的挤压模具方案。模拟温度设为800，网格划分采用绝对网格划分，网格的最小长度设为0.1mm，大约生成了21500个网格，分为68步走完。模具材料采用4Cr5MoSiV1，模拟过程及结果如下： 图41 应变模拟图像 图4-2应力模拟图像图图43 温度模拟图像图44 凸模压力与时间关系图因为复合挤压的生产效率较高，因此可优先考虑做复合挤压的模拟，如图所示，结果显示，通过改进挤压件的过渡斜角和圆角，开式模具完全能满足工件的成型要求，采用复合挤压的工艺方案是可行的。因此选定方案三。分为两步工序的数值模拟在这里就不再做了。第五章 压力机的选择 5.1 压力机的
48、选择原则为了保证顺利地实施挤压生产加工,除了具有一副附合技术要求的挤压模具外,还应按生产的需要,选用相匹配的挤压设备型号及规格,因此,选择挤压设备型号及规格是十分重要的。生产试验表明，挤压过程与冲载过程有很大区别,它要求的单位挤压力很大,挤压件的精度要求高。因此,挤压使用的压力机有一些特殊的要求。1. 能量要大 挤压加工的压力大，行程也很长，所以需要很大的能量。2. 刚性要好 挤压时，由于单位挤压力大及载荷集中，极易使模具和压力机产生变形。单靠模具导柱导套的导向是不能满足要求的，必须加强压力机床身和曲轴的刚性。3. 导向精度要高 因为对挤压件的精度要求较高，因此，单靠模具的导向装置来导向是不能
49、满足要求 的。另外，当压力机的导向精度较低时，尚志下平面与工作台平面之间会产生倾斜，凸模会因受到附加弯曲应力的作用而折断。因此，为了保证挤压件的尺寸精度和较长的模具寿命，就必须要求压力机和滑块的导向精度要高。4. 要具备顶出装置 挤压后，掠夺件可能残留在凹模中，需要把从凹模中顶出来。因此，要求压力机有结构简单的，在不拆卸下模的情况下能精确调节的顶出装置。顶出力一般应为压力机公称压力的10%左右，对于自动挤压机，顶出力为公称压力的5%。5. 备有可靠的超载保险装置 在挤压过程中，往往由于预告未能估计到的原因而使压力机超载，如毛坯尺寸超差及材质热处理不合理等。为了保证在超载时压力机不致损坏，必须使
50、压力机具有非常可靠的超负荷保险装置。小吨位通用曲柄压力机中，普遍采用压环式保险装置，放在连杆和滑块之间超载时，保险装置被剪断，保护压力机零件不损坏。6. 能提供合适的挤压速度 挤压加工是将大断面的毛坯压缩成小断面的挤压件。因此，在挤压过程会有冲击作用；特别是当挤压速度较高时，上模接触金属毛坯的瞬间速度迅速降低而产生冲击。所以，要求用于挤压的压力机能提供合适的挤压速度。一般要求压力机具胡较高的容积向下和回程速度，而当上模接触金属毛坯前，其速度能迅速下降，在掠夺过程中，挤压速度应尽可能保持均匀。一般认为较好的挤压速度在0.10.4m/s范围内。7. 具有润滑冷却装置 掠夺时单位压力大，且在掠夺过程
51、中又会产生大量的热量。因此，用于挤压的压力机要求具有良好的润滑冷却装置，及时地向模具及被挤毛坯喷射润滑冷却液，进行强制性的润滑和冷却，从而延长模具使用寿命。5.2 压力机的技术参数综合以上原则，再根据模具的闭合高度和所需的压力，本设计选择了公称压力为100吨的双柱万能液压机，型号是Y31100。它的主要技术参数如下表所示：表5-1 压力机的技术参数公称压力/kN1000工作行程速度/(mm/s)6活动横梁至工作台最大距离/mm780工作台尺寸(前后/mm)(左右/mm)500600液体工作压力/MPa32电动机功率/kW7.5重量/kN25外形尺寸(前后/m
52、m)(左右/mm)(高/mm)123515402560结 论 本文对温挤压的相关设计原则作了深入的探讨和研究，并严格按照相关原则设计了轴承套的温挤压模具。本设计还利用DEFORM软件对轴承套的温挤压过程进行了有限元模拟，并通过多次模拟对轴承套的温挤压模具进行了优化设计。以前的轴承套有用机加工成形的，但机加工成形的轴承套的力学性能远远低于通过塑性变形得到的工件。而通过不同塑性变形得到的产品的力学性能也不同，而尤以通过温挤压成形的产品力学性能最好。本设计更是通过多次有限元模拟对温挤压模具进行了多处圆角的优化设计，使得这次设计不同于以往的传统设计。这里
53、主要有以下几点是本设计的创新之处：首先，本设计大胆地加大了轴承套断面过渡处的过渡斜面角度，虽然只是一次小小的改进，但这却大大的减小了挤压过程中的变形阻力，直接将变形用的挤压力降到很多；其次，本设计还根根据模拟优化的结果采用了开式模具，开式模具和闭式模具相比有很多优势，开式模具不但降低了挤压力，还避免了因毛坯体积与工件体积不易调整相等而导致的不必要的飞边或因毛坯体积大于工件体积而导致压力突然变大而损坏模具。总之，本次设计有很多设计者本人的独特设计之处，但本人因经验的不足，相信仍有很多需要很多改进之处，还望各位同行高手多多指教。参考文献 1 沈莲.机械工程材料.西安:西安交通大学出版社,1990:
54、1032贾俐俐.挤压工艺及模具.北京:机械工业出版社,2004:73,155,134,119,1153 王仲仁.锻压手册.第二版.北京:中国机械工程学会锻压学会,2002:1-9034 翟德梅，罗大金.挤压工艺及模具.北京:化学工业出版社出版，2007:152,155,152,1155 王孝培.冲压手册.第二版.北京:机械工业出版社,1988:406,4536 许洪斌，谭险峰.金属体积成形工艺及模具.北京:化学工业出版社出版,200:242,2197 郝滨海.挤压模具简明设计手册.北京:化学工业出版社出版 8 洪慎章.冷挤压实用技术.北京:机械工业出版社出版,2005:6169 A. C. U
56、王树勋，吴裕农，朱亚林.典型模具结构图册.广州:华南理工大学出版社,2005:1-17814 侯洪生，董国耀.机械工程图学.北京:科学出版社,2005:1-37815 金仁钢.实用冷挤压技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005：114716 夏燕，郑风，李光耀.Solidworks装配和二维工程图.北京:清华大学出版社，2002：119217 张国强，赵宪明，刘晓涛.材料成形模具设计.沈阳: 东北大学出版社，2006：1251 18 彭建声,秦晓刚.模具技术问答.北京:机械工业出版社,2003:1-114319 何永熹,武充沛.几何精度规范学.第二版.北京:北京理工大学出版社,2006:1
57、-29320 魏军.金属挤压机.北京:化学工业出版社,2006.1:1-53021 葛正浩,赵雪妮.金属材料成型与模具.北京:化学工业出版社,2006:1-28322 钟毅.连续挤压技术及其应用.北京:冶金工业出版社,2004:1-240致 谢由于本人能力的不足,在这次设计过程中,很多难题仅仅靠本人一个人很难解决。本课题在设计过程中,得到了很多老师和同学以及一些师兄师姐们的帮助,在此我衷心感谢他们。尤其需要的感谢的是我的指导老师陈学文博士。陈老师是毕业于上海交通大学的博士,学识渊博,眼界开阔,陈老师在我的设计中给了我很多耐心而有益的指导,这让学生受益匪浅,在这里我真心的谢谢陈老师。还有在设计中本人还得到了宋自真老师和刘汀老师的指导,在这里,我也衷心的感谢他们。还有就是在课题设计过程中,我还得到了赵俊伟师兄和张淇学姐的帮助,在这里我也要诚心的谢谢他们。
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