冷挤压十字轴套杯模具设计及数值分析（论文）

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故可得：质量m???v?383.0g

3.3 毛坯尺寸计算

① 金属坯料直径选取原则

由于坯料重量控制较严，余料很少。坯料放入凹模孔后如有较大间隙则坯料可能偏歪，造成锻件局部缺料而充不满。这就对坯料直径有一定要求，其选取原则是:在放入模孔顺利的前提下，其放料间隙尽可能小，即坯料直径尽量接近挤压凸模直径。在实际应用中，放料间隙单边在0.25mm时，经润滑后的坯料即可顺利放入凹模孔。考虑到原始棒料直径规格可能不尽合适，故可适当放宽放料间隙，但最大不宜超过单边0.5mm。

② 由此可给出所需坯料直径计算式:

d0?d?2t?(0.5~1.0)mm （3-1）

式中: d0一坯料直径；d一挤压凸模直径；t一磷、皂化层厚度

由式3-1可得，坯料的直径:d0?58.0mm 根据式2-1和式2-2可得：

毛坯体积：mm3v坯?v件?v修?v件?s0??h?58681.106mm 毛坯高度：h坯?v坯s坯?4v坯?d0?22.22mm

233.4 本章小结

本章主要是对十字轴套杯零件进行了进一步的分析，根据已知条件以及辅助软件剖析了其各项属性，完成了二维三维零件图，并且确定了毛坯的尺寸。通过本章内容的阐述，深入地了解了挤压件的相关信息，为接下来的模具工作部分的设计奠定了良好的基础。

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第四章 十字轴套杯模具工作部分设计

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。凸模与凹模是冷挤压模的主要工作零件，其工作部分的形状和尺寸设计得合理，会使金属流动阻力减少，挤压力降低和延长模具的使用寿命。根据对十字轴套杯零件的分析以及该零件在实际生活中的加工方法，选用正挤压法进行模具工作部分的设计。

4.1 凸模设计

4.1.1 凸模材料

正挤压凸模的作用主要是传递挤压力，其设计较为简单，由挤压件辅助处理后的σb≧635 MPa以及根据表2-1可知，实际上只要凸模上所受的单位挤压力不超过3000MPa 即可。凸模材料的抗拉强度不超过700N/mm2。

根据挤压件属性，查附表A-1【14】可得，凸模材料选Cr12MOV，材料性能见表4-2，热处理硬度60-62HRC。

4.1.2 凸模设计计算

（1）设计时应注意一些问题：

? 为了保证凸模装卸简便，紧固可靠，凸模的加紧部分一般做成阶梯型或锥形；

? 当凸模带有导向部分时，导向部分长度按刚开始挤压时，伸入凹模的长度不小于5mm的原则来设

计；

? 为防止应力集中而造成模具早期失效，所有过渡部分皆应有足够大的圆角半径或倒角； ? 为了防止凸模产生纵向弯曲，凸模成形部分长度应尽量短一些；

? 凸模与上压力板接触表面应紧密配合，不允许留有间隙；为了提高凸模的强度，当凸模承受的单位

挤压力较大时，应尽量做成组合式结构。 （2）其主要尺寸如下：

① 凸模工作部分直径d

凸模工作部分的直径d，即凸模的有效工作尺寸，其名义尺寸等于凹模内径D。相互配合关系为基孔制间隙配合

H7H7或。 g6h6② 凸模工作部分高度h

凸模的有效长度要合适，太长易产生纵向弯曲失稳。凸模的有效长度与直径之比（L/d），一般可参考下列数据：

反挤压纯铝时：

hd?7~10

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反挤压紫铜时：

hd?5~7

反挤压黄铜时： hd?3~5 反挤压低碳钢时： hd?2.5~3

由于20Cr钢属于低碳钢，由上式可得，取hd?2.5，即h?2.5d?150mm 正挤压凸模的尺寸可按照表3-1经验公式选取【15】。

表4-1 正挤压凸模（图4-1）尺寸参数设计计算表

名 称 凸模工作部分直径d 定位部分直径d2 支承部分直径d3 支承部分高度h2 圆角半径R1 尺 寸 参 数 凹模型腔D-0.02mm (1.2~1.4) d (1.8~2.0) d (0.3~0.5) d (0.5~1.0) d

图4-1 凸模示意图

由上表可得：d2?1.4d?84.00mm，d3?2.0d?120.00mm，

h2?0.4d?24.00mm，h3?0.5d?30.00mm

4.2 凹模设计

凹模设计时应注意一些问题与凸模设计基本相同。挤压时，凹模在静态高压、强烈冲击和巨大摩擦作用下，其工作条件十分恶劣。因此模具设计时必须找出一个能承受和分配这种载荷的途径。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。

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4.2.1 凹模材料

在挤压过程中,凹模起着容纳变形金属坯料和控制金属流动的双重作用。凹模内腔壁承受着强大的压力，很容易产生开裂[16]。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。在满足强度要求的情况下，根据附表A-1，凹模内层材料仍采用耐磨性较高的硬质合金钢Cr12MOV，而凹模的外层预应力加强圈材料选用AISIH13，材料的基本特性见表4-2所示。热处理硬度60-64HRC。

表4-2 材料部分机械性能

材料型号 Cr12MOV AISIH13 弹性模量（E/MPa） 225400 212000 屈服强度（σs/MPa） 1500 1200 泊松比 0.25 0.3 4.2.2 凹模结构型式设计

1) 凹模的结构形状

根据单位挤压力大小，冷挤压凹模可采用三种类型[17]，即： 整体式凹模图4-2，两层组合凹模图4-3，三层组合凹模图（略）。

图4-2 整体式凹模 图4-3 两层组合凹模

2) 整体式凹模受力分析[18]

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，因此假设：所计算的凹模应力值是偏大的，设计是安全的，则：

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：

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