1、目錄前言.11冷擠壓基礎知識 .21.1冷擠壓的實質及方法分類 21.2冷擠壓工藝的優缺點及應用范圍 21.2.1冷擠壓的特點21.2.2冷擠壓的優點31.2.3冷擠壓的缺點41.2.4冷擠壓工藝的應用范圍 41.3冷擠壓技術現狀及發展方向 51.3.1冷擠壓技術的現狀51.3.2冷擠壓技術發展方向61.4冷擠壓模具設計基礎知識 61.4.1冷擠壓模具的構造及特點61.4.2模具設計基本要求71.4.3模具設計的一般程序71.5本文研究的主要內容 82冷擠壓件圖的設計及毛坯準備. 102.1冷擠壓件圖的設計 102.2毛坯的制備及處理 122.2.1坯料形狀和尺寸確定122.2.2坯料的軟化處

2、理122.2.3坯料表面處理及潤滑 132.3冷擠壓工藝方案設計 142.4冷擠壓模具材料 153擠壓力的估算及擠壓設備的選擇. 163.1影響單位擠壓力的主要因素 163.2冷擠壓力的估算及壓力機選擇184模具結構設計 .194.1凹模設計 194.1.1凹模的結構形狀設計 204.1.2凹模各部分尺寸的設計計算204.2上模部分結構設計 234.3導向裝置 244.4卸料裝置 254.5凹模壓板緊固螺釘計算 264.6模具總體結構 265凸、凹模失效形式及分析 .285.1凸模失效形式及分析 285.1.1凸模失效原因285.1.2凸模失效形式285.2凹模失效形式及分析 315.3齒輪部

3、分冷擠壓的相關問題 326技術經濟分析347 結論36致謝37參考文獻38附錄 A39附錄 B 譯文40附錄 C 外文資料51前言隨著家用電器產量的迅速猛增，對鍛壓行業的工藝技術水平提出了更高的要求，突出的問題就是以少無切屑毛坯為核心的合理選擇變形方式，提高材料利用率和制件尺寸精度、減少機械加工工時、降低能耗、提高生產率。為此，必需逐步研制和推廣應用一項先進的金屬塑性成形技術冷擠壓工藝。對于汽車齒輪軸零件，過去一直采用切削加工方法得到，其生產工藝較為復雜，成本較高，效率較低，質量也不易保證。當采用冷擠壓成形工藝后，該件制造工藝簡單，生產效率能提高20 倍以上，并且實現了少廢料加工，節約了原材料

4、，制件質量也得到了明顯改進。11 冷擠壓基礎知識1.1冷擠壓的實質及方法分類冷擠壓的加工方法是利用金屬材料塑性變形的原理，在室溫的條件下，將冷態的金屬毛坯放入裝在壓力機上的模具型腔內，在強大的壓力和一定的溫度作用下，迫使金屬毛坯產生塑性流動，通過凸模與凹模的間隙或凹模出口，擠出空心或斷面比毛坯斷面要小的實心零件，可以獲得所需一定形狀及尺寸，還具有較高力學性能擠壓件的工藝技術1 。冷擠壓是無切屑、少切屑零件加工工藝之一， 所以是近代金屬塑性加工中一種先進的加工方法。冷擠壓成型加工是靠模具來控制金屬流動，靠軟化金屬體積的大量轉移來成形所需的零件。由此可知，冷擠壓工藝的成功與失敗與模具結構設計，模具

5、材料以及金屬毛坯的軟化處理等密切相關。冷擠壓加工的成形速度范圍很廣，所用的設備可以在專用的冷擠壓壓力機上進行，也可在一般的機械壓力機（如沖床）或在液壓機、摩擦壓力機以及高速錘上進行。冷擠壓工藝可按金屬流動方向，金屬流動速度以及變形溫度等進行分類1 ：1）按金屬流動方向分類與凸模運動方向之間的相互關系，冷擠壓方法分為正擠壓、反擠壓、復合擠壓、減徑擠壓、徑向擠壓、斜向擠壓、鐓擠法。2）按金屬坯料充填模具型腔的流動速度有一般速度、低速及高速擠壓之分。3）按變形溫度狀態分，有冷擠壓（室溫擠壓）、溫擠壓（半熱擠壓） 、熱擠壓及等溫擠壓 。1.2冷擠壓工藝的優缺點及應用范圍1.2.1冷擠壓的特點冷擠壓技術

6、是一種高精、高效、優質低耗的先進生產工藝技術，比較多的應用于中小型鍛件規模化生產中。與常規模鍛工藝技術相比，可以節材30%50%，節能 40%80%，而且能夠提高鍛件質量和改善作業環境。二戰后，冷擠壓技術在國外工業發達國家的汽車、摩托車、家用電器等行業得到了廣泛的發展應用，而新型擠壓材料、模具新鋼種和大噸位壓力機的出現，更拓展了其發展空間。日本80 年代自稱，其轎車生產中以鍛造工藝方法生產的零件，有 30%40%是采用冷鍛工藝生產的， 近年來生產的新型轎車則每車平均使用42kg 的冷鍛件。美國等國家的轎車生產中，每車平均使用40kg 的冷鍛件。隨著科技的進步和汽車、摩托車、家用電器等行業對產品

7、技術要求的不斷提高，冷鍛生產工藝技術已逐2漸成為中小鍛件精化生產的發展方向2 。1.2.2冷擠壓的優點近年來，在機械制造工藝方面廣泛采用冷擠壓先進技術，取得了顯著的成效。目前，隨著計算機、快速造型及數字化等現代科學的迅速發展及應用，使冷擠壓工藝進一步得到開拓及采用。與其他制造方法相比，冷擠壓工藝已成為金屬塑性變形中最先進工藝之一，在技術上和經濟上它都有很多的顯著優點。1）顯著降低原材料的消耗冷擠壓是一種金屬塑性成形加工方法。它在不破壞金屬的前提下使金屬體積作出塑性轉移，達到少無切屑而使金屬成形，制得所需的形狀及尺寸零件。這樣就避免了在切削加工時而形成的大量金屬廢屑，大大節約了各種有色金屬及鋼鐵

8、原材料。2）提高勞動生產率冷擠壓零件是在壓力機上進行的，操作方便，容易掌握，生產率很高。3）可形成復雜形狀的零件在壓力機的往復直線動作下完成復雜的加工工序，并可以制成形狀復雜的零件。4）提高零件的力學性能在冷擠壓過程中，金屬材料處于三向不等的壓應力作用下。擠壓變形后，金屬材料的晶粒組織更加致密， 金屬流線不被切斷， 成為沿著擠壓件輪廓連續分布的金屬流線。同時，擠壓利用了金屬材料冷變形的加工硬化特性，使冷擠壓件的強度大為提高，從而提供了用低強度鋼代替高強度鋼的可能性。5）可獲得較高尺寸精度及較小表面粗糙度值的零件經冷擠壓成形零件的表面質量是十分良好的。在冷擠壓過程中，金屬表面在高壓下受到模具光滑

9、表面的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面強度也大為提高。冷擠壓零件的精度可達 IT7IT8 級，表面粗糙度可達Ra0.21.63 。因此，用冷擠壓加工的零件一般很少再切削加工，只需在要求特別高之處進行精磨。冷擠壓工藝可以獲得理想的制件表面粗糙度與尺寸精度，有些零件經擠壓后可以不再進行切削加工，從而為采用冷擠壓加工代替某些零件的鍛造、鑄造與切削加工開辟了一條廣闊的道路。6）減少工序，縮短生產周期冷擠壓工藝是在閉式模具型腔中進行金屬塑性變形，所得的擠壓件是沒有飛邊的，故不再需要切邊（或沖孔）后續工序，從而縮短了生產周期。37）減少設備投資與模鍛工藝相比，因冷擠壓不產生飛邊，故可以省去切邊模及切

10、邊壓力機，明顯地減少了設備投資。另外，冷擠壓生產加工，可在專用的冷擠壓壓力機上，也可以在通用液壓機上進行，還可以在非專門為冷擠壓而設計的普通壓力機上進行，如通用沖床或摩擦壓力機。8）降低零件的生產成本由于冷擠壓可以大大節約原材料和加工工時，因此必然可降低零件的制造成本。1.2.3冷擠壓的缺點在長期的生產實踐中，與其他制造工藝相比，冷擠壓雖然表現出很多優點，但往往還存在一定的問題 1 。1）變形抗力高冷擠壓時，被擠壓材料的變形抗力較高，其中最有實用意義的是鋼的冷擠壓，其變形抗力高達 2000MPa 以上。這樣的超高壓力， 對模具材質、 結構以及加工制造等提出了更高的要求。2）模具壽命短由于冷擠壓

11、模具承受著很大的單位擠壓力作用，最高可打3000MPa，模具易磨損、易破壞；雖然在模具材料和模具結構等方面采用了很多有效的措施，但與沖壓模具相比，其使用壽命還是不高的。3）對毛坯的要求較高冷擠壓加工時對毛坯的要求比其他金屬塑性成形加工工藝都高，否則，會使模具受到損壞。對于冷擠壓毛坯，除了要求毛坯具有準確的幾何形狀和較高的尺寸精度外，還要求在冷擠壓變形之前對毛坯進行一定的軟化退火處理及表面潤滑處理。4）對冷擠壓設備要求較高當實施冷擠壓工藝過程時，除了要求冷擠壓設備應有較大的強度以外，還要求有較好的剛度。此外，還要求設備具有良好的精度并具有可靠的保險裝置。1.2.4冷擠壓工藝的應用范圍通過上述分析

12、可見，冷擠壓加工方法是一種“優質、高產、低消耗、低成本”的先進工藝，在技術上和經濟上都有很高的應用價值。目前，冷擠壓技術已經在我國汽車、摩托車、儀表、電信器材、輕工、建筑、宇航、船舶、軍工及五金等工業部門中獲得了廣泛4的應用，已成為金屬塑性成形技術中不可缺少的重要加工手段之一。冷擠壓作為一種少無切屑的新工藝，已經成為世界先進制造技術中及具特色的一個門類。冷擠壓加工的缺點和優點相比是次要的，是相對于當前技術條件而言的，隨著科學技術的迅速發展， 模具鋼新材料的研究及開發，模具結構設計的合理化， 缺點問題會被解決，優越性將會得到充分發揮。在21 世紀，這種先進的金屬塑性成形加工工藝將會起到更大的作用

13、，在各個行業中得到越來越廣泛的應用。1.3冷擠壓技術現狀及發展方向1.3.1冷擠壓技術的現狀冷擠壓加工的發展在初期是極其緩慢的，長期以來一直局限于鉛和錫等幾種較軟的金屬材料。 18 世紀末，法國人首先成功地冷擠壓出鉛棒。直到19 世紀末 20 世紀初，才開始應用于鋅、錫、純銅、無氧銅及黃銅等，如冷擠壓生產錫制牙膏管。英國于1886 年開始運用于冷擠壓加工，某一工廠先從加工軟金屬開始，后來逐步實現冷擠壓比較堅硬的有色金屬，如鋅、鋁、銅及其合金。 1903 年美國運用冷擠壓制成薄壁黃銅管。隨后，又采用預制成杯形坯料，然后再用正擠壓的方法，成功地制成深孔杯形件。第一次世界大戰期間，美國軍火商采用這種

14、擠壓方法大批量生產黃銅彈殼。第一次世界大戰后，德國用冷擠壓方法可成批生產純鋁和純鋅電容器外殼等各種有色金屬器件。至于鋼的冷擠壓，美國曾企圖通過冷擠壓法生產剛質彈殼，經過較長時間的研制，但是最終還是未獲成功。這是因為在黑色金屬冷擠壓時需要很大的壓力，而在當時的工業條件下還不能找到能承受較大壓力下的模具材料，也沒有找到良好的潤滑劑以及大噸位的冷擠壓壓力機。直到 20 世紀 40 年代，冷擠壓鋼零件的新工藝才開始在德國首先得到應用。鋼的冷擠壓正式用于國民經濟中的各行各業始于1947 年。美國于 1949 年發表了關于各種鋼材冷擠壓前后力學性能的實驗結果。德國于1950年發表了關于黑色金屬的冷擠壓試驗

15、報告，得出了一些基本工藝的技術數據，并在1953年公布了關于鋼的冷擠壓壓力和擠壓功的實驗結果。日本于 1957 年引進專用冷擠壓壓力機以后，在鐘表等精密儀器工業中開始應用冷擠壓加工。由于這種技術的經濟效益極其顯著，不久，便在大批量生產的汽車、電器及紡織等工業部門中得到了廣泛的應用。現在，這種技術已在機械零件制造行業中成為一種極重要的加工手段，并遍及于國民經濟的各個工業部門。在我國，解放前，冷擠壓加工技術是極端落后的。當時只有極少數的工廠用鉛、錫等有色金屬擠壓牙膏管、線材和管材等。解放后，冷擠壓加工技術得到了發展。在改革開放5以來，引進了一些國外先進的模具鋼種。在模具材料的使用方面， 除了采用高

16、碳高鉻鉬鋼、高速鋼、滾珠軸承鋼、彈簧鋼以外，還采用了不少新型模具鋼以及硬質合金、基體鋼、鋼結構硬質合金等。冷擠壓模具的使用壽命已從一般可達500050000 次增加到4000005000000次。在模具結構設計方面，采用近代的最優化設計計算方法、CAD/CAM系統以及數字化技術和專家系統，在保證強度、剛度等要求的前提下，充分發揮了模具材料的潛力。在模具制造方面，采用了先進的快速造型技術，并采用先進的無軸高速數控加工，既快又能精密地制得所需的冷擠壓模具。在冷擠壓壓力機方面，我國已擁有各級噸位擠壓壓力機的獨立設計和制造能力。現在，除了經常采用的冷擠壓壓力機、通用機械壓力機、液壓機之外，我國還成功地

17、采用了摩擦壓力機與高速錘進行冷擠壓生產1 。1.3.2冷擠壓技術發展方向1）進一步擴大冷擠壓的應用，在一定范圍內逐步代替鑄造、鍛造、拉深、旋壓、擺輾及切削加工；2）除了上述所指的有色金屬及黑色金屬以外，進一步擴大可供冷擠壓用的材料種類；3）在合理許用的范圍內提高每次冷擠壓工序的變形量；4）滿足冷擠壓零件形狀的復雜性，使之可以成型更復雜的，甚至外形不對稱的零件；5）延長冷擠壓模具的使用壽命；6）提高冷擠壓的生產率；7）在小批量生產中擴大冷擠壓的使用；8）先進的智能化、敏捷化與數字化等現代化技術在冷擠壓生產中得到進一步應用。1.4冷擠壓模具設計基礎知識1.4.1冷擠壓模具的構造及特點1）冷擠壓模具

18、的構造2冷擠壓模具一般由以下四部分組成：工作部分（凸模，凹模，上、下模座）；導向部分（導柱，導套或導筒）；卸料和頂出部分（卸料板，頂桿） ；緊固部分（凹模壓板，螺栓，銷釘等）。冷擠模零件分為工藝零件和輔助零件。常用的模具結構有：專用反擠模，正擠模，復合模和通用模等。2）冷擠壓模具的特點冷擠模的外部輪廓形狀酷似板料沖壓模具，但它比普通沖壓模具承受的壓力要大得多。此壓力一般為20002500MPa，甚至更高，達到材料強度的46 倍，一般接近甚至超6過現有模具材料的強度極限。這種壓力又作用于冷擠模的中心，成為相當大的集中載荷，而且工作時間很長，這是區別于其他成型方法和沖壓模具最為突出的特點。另外，在

19、金屬流動過程中，模具還要承受極大的摩擦力和溫度變化的作用，在連續工作的條件下，變形熱和摩擦熱使得模具溫度達200 300以上。可見，冷擠壓模具的工作條件極其惡劣。因此，冷擠壓模具在結構上與沖壓模具又有許多不同之處，它的主要特點是： 模架剛性好，強度高；模座厚度和接觸面積大；結構較為對稱；凸出、凹進處較少；凹模多為鑲塊預應力套結構；工作部件，采取分割形式的居多；工作部件直接用螺釘緊固的情況很少，多數采用壓套和壓板的間接方法緊固；冷擠模一般具有雙重卸、頂料裝置，有時頂出和卸料裝置還兼有封壓金屬和直接參與完成工藝變形的作用。1.4.2模具設計基本要求為了保證模具的正常工作和使用壽命，模具必須能夠經得

20、住靜態高壓，經得起沖擊，經得住工件和模具表面之間的摩擦，同時要經得住疲勞。作用在模具上的壓力必須引導到壓力機工作臺面和壓力機機架上。雖然金屬在壓縮下發生塑性變形，但是模具中的工作應力卻是一個復雜的抗張、抗壓和剪切的聯合應力。由于工作應力很高，模具承載時將會產生明顯的彈性變形。因此模具設計時必須找出一個能承受和分配這種應力和變形的途徑。對于冷擠壓模具設計的基本要求如下2 ：1）保證模具在惡劣的工作條件下工作，選用具有足夠的強度和剛度、高的耐磨性材料，正確的加工方法和熱處理工藝規范。特別是模具的工作部分。 應設計合理的幾何形狀，采用強硬度很好的材料。2）模具工作部分能夠方便而可靠地固定在模架上，對

21、中性能要好。3）對尺寸精度要求高的擠壓件，模具應有良好而可靠的穩定性和導向裝置。4）模具具有方便而靈活的卸料和頂出裝置，易使零件取出。5）模具的易損部分拆換方便，在生產批量較大時要有互換性和通用性。6）便于毛坯的放置和定位，在大批量生產中要有利于實現機械化和自動化，并配有自動送料裝置。7）模架能牢固地安裝在壓力機上，具有必要的防護措施，保證操作工人的人生安全。8）模具制造要簡單，成本低廉。1.4.3模具設計的一般程序在冷擠壓模具設計之前，首先應依次進行的工作有：制定擠壓件圖；選擇成型的工藝7方案；確定毛坯的尺寸和形狀；擬定擠壓工藝過程；計算機壓力；選擇設備。然后按選取的設備確定上下模座的形式，

22、選擇模架結構，決定大致的輪廓尺寸，并進行模具封閉高度的核算。在經過必要的計算之后，便可著手繪制模具草圖。模具草圖比例由設計者自行決定。在草圖中，模具的主要零件，如凸模、凹模、墊塊、導向結構等，均應繪制到能看清、能理解的程度，外形則要求繪出較為清晰的輪廓。草圖上不僅有可供討論的模具結構與附屬裝置，還有可供參考的概略尺寸。設計前，首先按照選擇設備的裝模空間，決定模具在工作狀態，即完全閉合下的最大高度，根據設備工作臺和墊板空間的大小，決定模座的最小外形尺寸。這樣，模具的外廓尺寸便可大致確定下來。設計時首先從工作部分開始，然后根據設備的裝模空間、擠壓件類型、成型方式和擠壓工作的實際需要決定模具結構和退

23、料方式，根據變形方式和精度要求決定導向方法。模具總裝圖設計完成后，便可繪制零件圖。1.5本文研究的主要內容汽車齒輪軸零件，過去多數采用切削加工方法得到，其生產工藝較復雜，成本較高，效率較低，質量也不易保證。當采用冷擠壓成形工藝后，該件制造工藝簡單，生產率提高了約 20 倍以上，并且實現了少廢料加工，節約了原材料，制件質量也得到明顯改進。本研究工作主要有以下內容：1）制定齒輪軸冷擠壓件圖（齒輪軸材料為35 鋼）。冷擠壓件圖是根據零件圖制訂的。它是編制工藝、設計模具、檢驗冷擠壓件形狀、尺寸的重要依據。2）工藝分析。在冷擠壓生產中，往往由于變形工序設計不妥，使擠壓件成形時產生各種缺陷，如表面折疊、表

24、面折縫、表面裂紋、縮孔、內部裂縫、縱向彎曲等。因此，只有預先了解這些缺陷的成因，才能在設計變形工序時，采取有效的解決辦法，獲得合格的擠壓件。另外，在制訂擠壓件時，選擇合理的許用變形程度。許用變形程度越大，則生產率就越高，工序就越少；但許用變形程度越大，單位壓力也要增大，這就有可能超出模具所允許的單位壓力，導致模具的損壞。3）設計齒輪軸的冷擠壓模具。凹模設計。根據齒輪軸的技術要求合理設計凹模結構尺寸。凸模設計。合理設計凸模工作部分的形狀和尺寸，以保證擠壓順利進行。4）對冷擠壓凹模、凸模常見的失效形式進行分析，提出相應的改善措施，以提高設8計質量和延長使用壽命。92 冷擠壓件圖的設計及毛坯準備2.

25、1冷擠壓件圖的設計目前，一般機械零件的幾何形狀、尺寸注法和加工基準等，都是按照切削加工方法進行設計的，多數不適用于冷擠壓生產。因此，在采用冷擠壓工藝時，首先要對產品零件圖進行適當的修改，使之具有良好的擠壓工藝性，并且能夠利用最少的工序迅速而經濟地制造出來。冷擠壓件圖就是適合于冷擠壓的零件圖紙。它是根據成品零件圖，考慮到擠壓工藝性和機械加工的工藝要求而進行設計的。它還是編制冷擠壓工藝，設計冷擠壓模具，檢驗冷擠壓件形狀、尺寸的重要依據，是工廠的重要技術文件。冷擠壓件圖的制訂應考慮如下一些問題：1）根據零件的外形及所屬的類型，確定采用那種冷擠壓方法，分幾道工序。對本零件的形狀及尺寸，經過計算應選用正

26、擠壓，單道工序。2）根據冷擠壓成形的特點、加工范圍對零件進行簡化。對于不經機加工的部分，應直接按零件圖的技術要求給出公差。對于需要進行機加工的部分，應按照正擠壓實心件的要求給出機加工余量和公差。3）為了便于冷擠壓成形后取出冷擠壓件，凡凹槽，橫向孔等均不可能冷擠壓成形，需加放余塊，冷擠壓后用切削加工方法獲得。4）為了便于金屬流動，避免產生金屬流動死區，防止產生廢品以及減少模具出現在銳角出的應力集中，在零件過渡處應設有足夠大的圓角半徑。正、反擠壓時的圓角半徑可參照表1-1 近視選取。表 1-1 圓角半徑（單位：mm） 1Table.2-1 the radius of chamfer材料種類反擠壓正

27、擠壓凹角半徑 r凸角半徑 R凹角半徑 r凸角半徑 R低碳鋼0.20.50.51.00.51.03中碳鋼0.51.5121.01.535高碳鋼1.53231.52.058齒輪軸零件圖如圖 2-1 所示。零件材料為35 鋼。按照上述要求，齒輪軸零件冷擠壓件圖制訂如圖2-2 所示。10圖 2-1 產品零件圖齒數： 20模數： 1.0壓力角： 20o分度圓直徑： 14.5mmFig.2-1 the chart of the product parts圖 2-2 擠壓件圖齒數： 20模數： 1.0壓力角： 20o分度圓直徑：14.5mmFig.2-2 the chart of extrusion par

28、t制訂本擠壓件時，為了方便卸料，將齒輪軸直徑為18mm 的部分做成錐度為1 度的斜面。另外，將加工余量留在直徑為25mm 的尾端。112.2毛坯的制備及處理2.2.1坯料形狀和尺寸確定坯料形狀和尺寸對冷擠壓件的充填性能和模具壽命影響很大。根據齒輪軸的形狀特點，同時為了便于送料以及有利于坯料的定位，故選用圓柱形坯料。毛坯的體積是根據變形前后的體積不變定律計算的。計算過程如下：1 252 L4= 1 252 10+ 1 18238+ 1 14.5215444其中： L 坯料長， mm經計算得 L=35mm即坯料尺寸為： 2535mm等體積計算說明：本等體積計算是將輪齒部分近視為以分度圓直徑為直徑的

29、圓柱體，此體積略大于輪齒部分體積，加工余量留在尾端部。齒輪軸的冷擠壓毛坯為 2535mm 的圓柱體，因此我們采用在壓力機上用截切模截切棒料的方法獲得。用截切模剪截毛坯，材料最為節約，材料利用率幾乎可以達到100%，生產率也高， 但剪截毛坯的端面比較粗糙，端面與中心軸不能保持垂直， 帶有一定的斜度。因此在剪切之后，需用鐓平模將端面壓平后再進行冷擠壓。2.2.2坯料的軟化處理中等強度的 35 號碳素鋼在供應狀態下的硬度為HB 180，材料晶粒粗大不均，塑性較差，變形抗力大，若不經過軟化退火處理而直接進行冷擠壓，則成形困難，模具極易損壞。因此，為降低坯料變形抗力， 提高塑性， 在冷擠壓成形前需對材料

30、進行軟化退火處理，其退火規范如圖2-3 所示。經軟化退火后坯料硬度為HB145。圖 2-335 號鋼退火規范1Fig.2-3 the standard of the 35 # annealing122.2.3坯料表面處理及潤滑齒輪軸的冷擠壓成形，其金屬流動劇烈，變形量較大，坯料表面要求良好的凈化和潤滑處理。在冷擠壓中，為了降低坯料與模具之間的摩擦，減小模具磨損，延長模具使用壽命，改善和提高擠壓零件的表面質量，必須采取有效的潤滑手段。目前在碳素鋼冷擠壓中廣泛采用磷化皂化處理的潤滑方法。磷化，就是將經過除油和酸洗、表面潔凈的鋼料放入磷酸錳鐵鹽或磷酸二氫鋅水溶液中，是金屬與磷酸相互作用生成不溶于水的

31、磷酸鹽膜層的過程。膜層的主要成分是磷酸鐵和磷酸鋅，膜層厚度一般為 1015 微米，摩擦系數一般在 0.05 以下。磷酸鹽膜層有細小片狀結晶組成， 它堅實的粘附在鋼材表面， 與其牢固地結合在一起。這層膜層相當軟，耐熱、呈多孔狀態，對潤滑劑具有相當高的吸附作用。這種膜層還具有一定的塑性，能同鋼坯一起塑性變形。由于它同鋼的堅固結合，或者由于它實際上具有成為鋼坯一部分的性質，所以在擠壓時，遇到高的壓力也能夠承受得住，不會剝落。它能夠在變形金屬與模具之間起非金屬隔離層的作用，防止金屬與模具的直接接觸，減少表面摩擦和防止模具的磨損、擦傷和粘結。磷化膜本身的摩擦系數并不低，因此磷酸鹽處理不能單獨使用，在磷化

32、的基礎上，普遍采用皂化處理。皂化時，皂液深深地滲入到磷化層的毛細孔內，并且一部分達到基體金屬。肥皂同時和晶體表面形成鋅皂。皂化后的潤滑層的厚度，取決于不同擠壓工序的不同需要。在擠壓階梯形及深孔零件時，潤滑層的連續性是否被破壞和轉角處還殘留有多少潤滑膜，是判定潤滑處理優劣的重要標志。如果在零件的局部或轉角部位出現發亮的現象，說明該處無潤滑膜存在，產生的主要原因是潤滑膜的連續性遭到破壞或工藝方案及模具形狀設計不合理。典型的磷化皂化處理基本過程為：除油冷水洗熱水洗酸洗冷水洗熱水洗磷化冷水洗熱水洗中和皂化干燥2 。35 號碳素鋼毛坯潤滑處理，其皂化配方及工藝如下4 ：硬脂酸鈉（ C17H35COONa

33、）：59g/L水（H2O）：1L處理溫度： 60oC 70oC處理時間： 10min132.3冷擠壓工藝方案設計冷擠壓的加工方式可分為三種：用盤料進行多工位連續加工；棒料切斷，經校形、退火、磷化后，在專用擠壓機或者普通壓力機上擠壓成形；在坯料直徑與高度比大于三以上時，采用板料沖裁制坯，經退火、磷化后在普通壓力機上擠壓成行。正擠壓實心件的工藝設計要點2 ：1）實心件的擠壓工藝參數應限定在下列范圍內：a 尾端厚度大于桿徑之半；b 最大擠出長度在桿徑的 10 倍之內；c 低碳鋼材料的許用變形程度約為 75%；2）與擠壓模腔尺寸接近的坯料，可以不經校形直接擠壓；如果尺寸相差太大，以及變形程度或擠壓件精

34、度很高，坯料還要校形。3）原則上，正擠壓的尾端與桿形部分之間應采取錐角過渡。如果擠壓件是平面的直角過渡時，為了避免擠壓斷面塌下和產生縮孔，應采取帶凹窩的凸模擠壓。4）桿形部分的彎曲是不可避免的，工藝設計時，應從進一步提高坯料精度、采取有效的潤滑方法等方面想辦法來減小彎曲。5）尾端厚度尺寸和公差能夠保證時，加工余量只留在桿形件的端頭，否則兩端都要進行加工。冷擠壓變形程度的計算公式2 為：A=A0 A1 100%（2-1）A0其中： A許用變形程度A0冷擠壓變形前毛坯的橫斷面積，mm2A1冷擠壓后工件的橫斷面積，mm2齒輪軸的最大變形程度由式（2-1）計算得：1252114.52A = 41425

35、24= 25214.52252=59%14而 35 碳素鋼的許用變形程度為 Amax=0.550.631 ，所以可以一次擠壓成形。因此，本設計中的齒輪軸采用第二種加工。2.4冷擠壓模具材料冷擠壓模具是在極其惡劣的條件下工作的，工作應力高達200250kg/mm2，在連續工作條件下變形熱與摩擦熱可使模具溫度高達 300左右，同時模具還要經受流動金屬的強烈沖刷，因此模具材料必須具備以下的基本性能 1 ：1）高強度。模具材料必須具有較高的強度，在保持一定的韌性的條件下，還應具有較高的硬度，凸模熱處理后，要求硬度在HRC61 以上，凹模在HRC5862 之間。2）高韌性。模具材料必須具有高的韌性和動載

36、強度。這對于克服由沖擊、偏心彎曲載荷、應力集中引起的折斷破壞是很重要的。3）高耐壓能力。模具材料必須具有極好的耐壓能力，在高的壓力作用下不墩粗、不彎曲。這對于承受很高的軸向壓力作用的構件來說非常重要。4）高的耐磨性。模具材料必須具有較高的抗磨損能力，以便獲得最高的模具壽命。5）足夠的耐熱性。擠壓使模具反復的經受溫度升降的作用，材料內部受到拉伸和壓縮的交變應力，從而使金屬組織里的結晶產生間隙和局部的變形，結構產生裂紋。因此要求模具材料在工作溫度下的硬度不變，具有良好的紅硬性。6）良好的工藝性能。這是獲得高質量模具的重要因素。要求材料的脫碳敏感性小，熱塑性高，鍛造容易，切削加工和磨削性能良好。熱處

37、理時，應有寬的溫度區間，變形和熱裂傾向小。常用的冷擠壓模具材料主要有碳素工具鋼、合金工具鋼、高碳高鉻模具鋼、高速鋼、硬質合金及部分合金結構鋼。 碳素工具鋼主要用來制作凸模墊塊、 支撐、頂桿、退料器等；高碳高鉻模具鋼主要用來制造各種擠壓材料的凹模；高速工具鋼是制造凸模的理想材料；硬質合金鋼用來制作凹模鑲塊；合金結構鋼主要用來制造壓套。本設計中，凹模齒形鑲塊采用牌號為 YG20 的硬質合金，其熱處理硬度在 HRC65 以上，另外兩個鑲塊采用 Cr12MoV ，熱處理硬度為 HRC60HRC62；凹模壓套中層采用合金結構鋼 35CrMoA ，最外層也采用合金結構鋼 35CrMoA ，其熱處理硬度為

38、HRC40HRC47；凸模采用 Cr12MoV 的模具鋼，其熱處理硬度為 HRC60HRC62；凹凸模墊塊采用 T 10A 碳素工具鋼 4 。為了達到硬度要求，除材料要選用適當外，還必須正確選擇和制定熱處理工藝。153 擠壓力的估算及擠壓設備的選擇冷擠壓的擠壓力是設計模具的基礎，選擇設備的依據，并可借以衡量擠壓成形的難易程度。因此，擠壓力是一個重要的參數。3.1影響單位擠壓力的主要因素在工程計算中，常用單位擠壓力（即平均單位壓力）來表示，單位擠壓力就是壓力機通過模具施加于毛坯單位面積上的平均作用力，它與變形抗力的概念是不相同的。變形抗力是毛坯反抗于模具作用的反作用力，但是兩者的大小相等，方向正

39、好相反。因此，影響變形抗力的因素可以認為就是影響單位擠壓力的因素。單位擠壓力是擠壓工藝中的重要參數。無論是設計模具或者是選擇壓力機，都需要對單位擠壓力進行分析和計算。生產實踐表明，要精確估算各種因素對單位擠壓力的影響，是非常困難的。單位擠壓力首先取決于材料的變形抗力，而這兩種力的影響因素是相同的。1）材料性質理論和實踐都表明，擠壓力隨金屬坯料的變形抗力的增加成線性的增加。擠壓力與坯料狀態有關。當坯料內部組織性能均勻時，所需的擠壓力較小；經充分均勻退火的比退火不均勻的擠壓力要小，且這一效果在擠壓速度越低時越明顯。擠壓力還與擠壓變形歷史有關。在相同工藝下，二次擠壓時所需的單位擠壓力比一次擠壓大。金

40、屬材料經過軟化熱處理后， 其抗拉強度和硬度都顯著下降，因而變形抗力也就降低。因此，在冷擠壓前，對毛坯進行軟化處理是降低變形抗力的有效措施。2）變形方式當斷面縮減率相同時，反擠壓的單位擠壓力最高，正擠壓實心件與空心件比較接近，皆比反擠壓低。3）變形程度變形程度是衡量擠壓力的重要因素。隨著變形程度的提高，變形抗力不斷增加，擠壓力越來越大。4）擠壓速度在擠壓過程中， 除毛坯產生塑性變形外， 部分變形能轉換為溫升， 而且擠壓速度越大，溫升現象越明顯。擠壓速度對擠壓力的影響為：當斷面縮減率 F 40%時，熱效應的影響較小，加工硬化占優勢，隨擠壓速度增加，單位擠壓力略有增加；而當F 40%時，熱效應的影響

41、越來越大，毛坯溫度升高，加工硬化得到一定程度的軟化。因此，隨著擠壓速度16的增大，單位擠壓力反而減小。 國內外資料及有關試驗指出， 要制成直齒齒面的精密形狀，必須采用較高的變形速度才能擠壓成形 5 。5）模具幾何形狀擠壓模的凸模和凹模形狀，對單位擠壓力有很大的影響。模具幾何形狀設計得合理，易使毛坯在型腔中流動，可以改善摩擦情況，減少金屬流動阻力，不僅能顯著地提高模具的使用壽命，還能減少單位擠壓力。對于正擠壓凹模，在成形零件結構允許的情況下，正擠壓凹模的出口一般做成錐形，如圖 3-1 所示。錐形凹模對單位擠壓力影響最大的是凹模錐角的大小，當 =60o 左右時，單位擠壓力最小；當 60o 或 60

42、o 時，單位擠壓力皆較大。圖 3-1 凹模的形狀Fig.3-1 the shape of female die單位擠壓力為最小時的合理錐角，是隨變形程度的增加而增大的。當凹模錐角大于60o 時，擠壓力隨 增大而增加，這是由于增大時，被擠毛坯在錐面處不易流動，因此形成了較大的流動阻力，導致擠壓力增大。當=180o 時，會形成較大的金屬流動死區，此時擠壓力最大。但另一方面，考慮到 較小時，擠壓余料增加，這就會增加后續機加工工序的工時、加大材料的消耗。 因此，綜合考慮多方面因素， 取凹模錐角 =90o120o 為宜，其中 =120o 最為常用。本設計中也選擇其角度為120o9。6）毛坯高度毛坯高度的

43、變化，影響到毛坯與凹模真實接觸面積率的改變，進而影響到摩擦阻力的變化，因此，毛坯的高度對單位擠壓力也有一定的影響。7）潤滑狀態17潤滑狀態對降低單位擠壓力影響較大，良好的潤滑狀態，可使真實接觸面積率大大減小，摩擦阻力也大大減小，因此，單位擠壓力較低。正擠壓實心件時，潤滑狀態對單位擠壓力的影響如表3-1。1表 3-1 正擠壓鋼實心件時，潤滑狀態對單位擠壓力的影響Table.3-1 when extruding the steel solid parts, the influence that came from lubricating state on per pressure全損耗潤滑磷化加磷化加無潤滑系統用鍍鋅鍍銅磷化狀態石灰水皂化油單位擠10.950.750.630.560.550.50壓力3.2冷擠壓力的估算及壓力機選擇針對前面一節提到的影響因素，利用簡易計算法對擠壓力進行估算。其公式為：P=pF1（ 3-1）其中： F擠壓的作用面積（ mm2），形狀