冷挤压模具设计的基本要求是什么

1 前言

冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的一种压力加工方法。冲压通常是在常温下对材料进行变形加工，且主要采用板料来加工成所需零件，所以也叫冷冲压或板料冲压。冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一，隶属于材料成型工程。

冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下。

(1) 冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。

（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。

（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。

（4）冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。

由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同，因而生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的。概括起来，可分为分离工序和成形工序两大类；分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压（俗称冲裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。

上述两类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形四种基本工序，每种基本工序还包含有多种单一工序。

在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时，若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。这时在工艺上多采用集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合的方法不同，又可将其分为复合-级进和复合-级进三种组合方式。

复合冲压——在压力机的一次工作行程中，在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方法式。

级进冲压——在压力机上的一次工作行程中，按照一定的顺序在同一模具的不同工位上完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。

复合-级进——在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。

冲模的结构类型也很多。通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。但不论何种类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分

组成，上模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状与尺寸的冲件。上模回升时，模具的卸料与出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压循环。

此设计针对所给的零件进行了一套冷冲压模具的设计，其中设计内容为分析零件的冲裁工艺性（材料、工件结构形状、尺寸精度），拟定零件的冲压工艺方案及模具结构，排样，裁板，计算冲压工序压力，选用压力机及确定压力中心，计算凸凹模刃口尺寸，主要零、部件的结构设计和加工工艺编制，压力机的校核。

冲裁模设计题目

如图1所示零件：垫扳

生产批量：大批量

材料：08F t=2mm

设计该零件的冲压工艺与模具

2 零件的工艺分析

2.1 结构与尺寸

该零件结构简单,形状对称。

硬钢材料被自由凸模冲圆形孔,查《冷冲压工艺及模具设计》表3-8,可知该工件冲孔的最小尺寸为1.3t,该工件的孔径为:Φ6>1.3t=1.3×2=2.6。

由于该冲裁件的冲孔边缘与工件的外形的边缘不平行,故最小孔边距不应小于材料厚度t,该工件的空边距(20)>t=2,(10)>t=2,均适宜于冲裁加工。

2.2 精度

零件内、外形尺寸均未标注公差,属自由尺寸,可按IT14级确定工件尺寸的公差,经查表得,各尺寸公差分别为：

零件外形:58 ， 38 , 30 ,16 , 8

零件内形:6

孔心距:18±0.215,

利用普通冲裁方式可以达到零件图样要求。

2.3 材料

08F，属于碳素结构钢,查《冷冲压工艺及模具设计》附表1可知抗剪强度τ=260MPa,断后伸长率=32％。此材料具有良好的塑性和较高的弹性,其冲裁加工性能好。

根据以上分析,该零件的工艺性较好,可以进行冲裁加工。

3 确定冲裁工艺方案

该零件包括落料、冲孔两个基本工序，可以采用以下几种工艺方案：

(a)先落料，再冲孔，采用单工序模生产；

(b)采用落料——冲孔复合冲压，采用复合模生产；

(c)用冲孔——落料连续冲压，采用级进模生产。

方案(a)模具结构简单，但需要两道工序，两套模具才能完成零件的加工，生产效率低，难以满足零件大批量生产的要求。由于零件结构简单，为了提高生产效率，主要采用复合冲裁或级进冲裁方式。采用复合冲裁时，冲出的零件精度和平直度好，生产效率高，操作方便，通过设计合理的模具结构和排样方案可以达到较好的零件质量。

根据以上分析，该零件采用复合冲裁工艺方案。

4 确定模具总体结构方案

4.1 模具类型

根据零件的冲裁工艺方案，采用复合冲裁模。复合模的主要结构特点是存在有双重作用的结构零件——凸凹模，凸凹模装在下模称为倒装式复合模。采用倒装式复合模省去了顶出装置，结构简单，便于操作，因此采用倒装式复合冲裁模。

4.2 操作与定位方式

虽然零件的生产批量较大，但合理安排生产，可用手工送料方式能够达到批量要求，且能降低模具成本，因此采用手工送料方式。考虑到零件尺寸大小，材料厚度，为了便于操作和保证零件的精度，宜采用导料板导向，固定挡料销挡料，并与导正销配合使用以保证送料位置的准确性，进而保证零件精度。为了保证首件冲裁的正确定距，采用始用挡料销，采用使用挡料销的目的是为了提高材料利用率。

4.3 卸料与出件方式

采用弹性卸料的方式卸料，弹性卸料装配依靠橡皮的弹力来卸料，卸料力不大，但冲压时可兼起压料作用，可以保证冲裁件表面的平面度。为了方便操作，提高零件生产率，冲件和废料采用由凸模直接从凹模洞口推下的下出件方式。

4.4 模架类型及精度

考虑到送料与操作的方便性，模架采用后侧式导柱的模架，用导柱导套导向。由于零件精度要求不是很高，但冲裁间隙较小，因此采用I级模架精度。

4.5 凸模设计

凸模的结构形式与固定方法：

落料凸模刃口部分为非圆形，为便于凸模与固定板的加工，可设计成固定台阶式，中间台阶和凸模固定板以H7/m6过渡配合，凸模顶端的最大台阶是用其台肩挡住凸模，在卸料时不至于凸模固定板中拉出。并将安装部分设计成便于加工的长圆形，通过接方式与凸模固定板固定。

5 工艺设计计算

5.1 排样设计与计算

零件外形近似矩形，轮廓尺寸为58×30。考虑操作方便并为了保证零件精度，采用直排有废料排样。如图1所示：

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-13，工件的搭边值a=2，沿边的搭边值a1=2.2。级进模送料步距为S=30+2=32mm

条料宽度按表3-14中公式计算：

B -0△=(Dmax+2a1)-△0 查表3-15得：△=0.6

B=（58+2×2.2） =62.4 （㎜）

由零件图近似算得一个零件的面积为1354.8㎜2，一个进距内的坏料面积

B×S=62.4×32=1996.8㎜2　。因此一个进距内的材料利用率为：

=（A/BS）×100﹪=67.8﹪

查《冷冲压工艺及模具设计》附表3选用板料规格为710×2000×2。

采用横裁时，剪切条料尺寸为62.4。一块板可裁的条料为32，每间条可冲零件个数22个零件。则一块板材的材料利用率为：

=（n×A0/A）×100﹪

=（22×32×1354.8/710×2000）×100﹪=67.2﹪

采用纵裁时，剪切条料尺寸为62.4。一块板可裁的条料为11，每条可冲零件个数62个零件，则一块板材的材料利用率为：

=（n×A0/A）×100﹪

=（11×62×1354.8/710×2000）×100﹪=59.2﹪

根据以上分析，横裁时比纵裁时的板材的材料利用率高，因此采用横裁。

5.2 计算冲压力与压力中心，初选压力机

冲裁力：根据零件图可算得一个零件外周边长度：

L1=16π+8+28+38×2

内周边长度之和：

L=2π×3=18.84㎜

查《冷冲压工艺及模具设计》附表1可知： MPa

查《冷冲压工艺及模具设计》附表3可知：Kx=0.05, KT=0.055.

落料力：

F落=KL1 t T

=1.3×162.27×2×260

=109.69KN

冲孔力：

F孔=KL2 t T

=1.3×6 ×2×260

=12.74

KN

卸料力：

Fx=KxF落

=0.05×109.69

=5.48KN

推件力：

根据材料厚度取凹模刃口直壁高度h=6,

故:n=h/t=3

FT=nKtF孔

=3×0.055×25.47

=4.20KN

总冲压力：

FЁ= F落+ F孔+Fx+ FT

则FЁ=109.69+12.74+5.48+4.20

=132.11KN

应选取的压力机公称压力：25t.

因此可初选压力机型号为J23-25。

当模具结构及尺寸确定之后，可对压力机的闭合高度，模具安装尺寸进行校核，从而最终确定压力机的规格。

确定压力中心：画出凹模刃口，建立如图所示的坐标系：

由图可知，该形状关于X轴上下对称，关于Y轴左右对称，则压力中心为该图形的几何中心。即坐标原点O。该点坐标为（0，0）。

5.3 计算凸、凹模刃口尺寸及公差

由于模具间隙较小，固凸、凹模采用配作加工为宜，由于凸、凹模之间存在着间隙，使落下的料或冲出的孔都带有锥度。落料件的尺寸接近于凹模刃口尺寸，而冲孔件的尺寸接近于凸模刃口尺寸。固计算凸模与凹模刃口尺寸时，应按落料与冲孔两种情况分别进行。由此，在确定模具刃口尺寸及其制造公差时，需遵循以下原则：

（I）落料时以凹模尺寸为基准，即先确定凹模刃口尺寸；考虑到凹模刃口尺寸在使用过程中因磨损而增大，固落料件的基本尺寸应取工件尺寸公差范围较小尺寸，而落料凸模的基本尺寸则按凹模基本尺寸减最小初始间隙；

（II）冲孔时以凸模尺寸为基准，即先确定凸模刃口尺寸，考虑到凸模尺寸在使用过程中因磨损而减小，固冲孔件的基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸，而冲孔凹模的基本尺寸则按凸模基本尺寸加最小初始间隙；

（III）凸模与凹模的制造公差，根据工件的要求而定，一般取比工件精度高2~3级的精度，考虑到凹模比凸模的加工稍难，凹模比凸模低一级。

a): 落料凹模刃口尺寸。按磨损情况分类计算：

i)凹模磨损后增大的尺寸，按《冷冲压工艺及模具设计》公式：DA=(Dmax-X△)计算，取 δA=△/4，制件精度为IT14级，故X=0.5

58 : DA1 =(58-0.5×0.74 ) =57.63 （㎜）

38 : DA2=（38-0.5×0.62） =37.69 （㎜）

30 : DA3=（30-0.5×0.52） =29.74（㎜）

16 : DA4=（16-0.5×0.43） =15.785 （㎜）

8 : DA5=（8-0.5×0.36） =7.18 （㎜）

ii)凹模磨损后不变的尺寸，按《冷冲压工艺及模具设计》公式：CA=（Cmin+X△）±0.5δA: 计算，取δA=△/4 ，制件精度为IT14级，故X=0.5

18±0.215:Cd1=(17.785+0.5×0.43)±0.43/8=18±0.05375（㎜）

冲裁间隙影响冲裁件质量，在正常冲裁情况下，间隙对冲裁力的影响并不大，但间隙对卸力、推件力的影响却较大。间隙是影响模具寿命的主要因素。间隙的大小则直接影响到摩擦的大小，在满足冲裁件质量的前提下，间隙一般取偏大值，这样可以降低冲裁力和提高模具寿命。

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-3可知Zmax=0.360㎜ , Zmin=0.246㎜

相应凸模按凹模实际尺寸配作，保证最小合理间隙为0.246mm

冲孔凸模刃口尺寸。冲孔凸模为圆形，可按《冷冲压工艺及模具设计》公式dT=(dmin+x△)计算，取δT=△/4，制件精度为IT14级，故X=0.5

12 : dT1=(6+0.5×0.30) =6.15

6 设计选用零件、部件，绘制模具总装草图

6.1 凹模设计

凹模的结构形式和固定方法：凹模采用矩形板状结构和通过用螺钉、销钉固定在凹模固定板内，其螺钉与销钉与凹模孔壁间距不能太小否则会影响模具强度和寿命，其值可查《冷冲压工艺及模具设计》表3-23。

凹模刃口的结构形式：因冲件的批量较大，考虑凹模有磨损和保证冲件的质量，凹模刃口采用直刃壁结构，刃壁高度取6mm, 漏料部分沿刃口轮廓单边扩大0.5 mm

凹模轮廓尺寸的确定：

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-24，得：K=0.28

查《冷冲压工艺及模具设计》表3-25, 得: s2=36

凹模厚度H=ks=0.28×58=16.24（㎜）

B=s+（2.5～4.0）H

=58+（2.5～4.0）×16.24

=98.6～122.96 （㎜）

L=s1+2s2

=30+2×36

=102 （㎜）

根据算得的凹模轮廓尺寸，选取与计算值相接近的标准凹模板轮廓尺寸为L×B×H=125×125×28.5（㎜）

凹模材料和技术要求：凹模的材料选用T10A。工件部分淬硬至HRC58~62。外轮廓棱角要倒钝。

如图2所示：

图2 落料凹模

6.2 凸模设计

6.2.1 凸模的结构形式与固定方法

冲孔部分的凸模刃口尺寸为圆形，为了便于凸模和固定板的加工，将冲孔凸模设计成台阶式。

为了保证强度、刚度及便于加工与装配，圆形凸模常做成圆滑过渡的阶梯形，小端圆柱部分。是具有锋利刃口的工作部分，中间圆柱部分是安装部分，它与固定板按H7/m6配合，尾部台肩是为了保证卸料时凸模不致被拉出，圆形凸模采用台肩式固定。

6.2.2 凸模长度计算

凸模的长度是依据模具结构而定的。

采用弹性卸料时，凸模长度按公式L=h1+h2+h3计算，

式中 L---凸模长度，mm；

h1---凸模固定板厚度，mm

h2----卸料板厚度，mm

h3----卸料弹性元件被预压后的厚度

L=22mm+10mm+18.5mm

=50.5mm

6.2.3 凸模的强度与刚度校核

一般情况下，凸模强度与刚度足够，由于凸模的截面尺寸较为积适中，估计强度足够，只需对刚度进行校核。

对冲孔凸模进行刚度校核：

凸模的最大自由长度不超过下式：

有导向的凸模Lmax≤1200 ，其中对于圆形凸模Imin=∏d4/64

则Lmax≤1200 =24.00mm

由此可知：冲孔部分凸模工作长度不能超过24.00mm，根据冲孔标准中的凸模长度系列，选取凸模的长度：50.5

6.2.4 凸模材料和技术条件

凸模材料采用碳素工具钢T10A，凸模工作端（即刃口）淬硬至HRC 56～60，凸模尾端淬火后，硬度为HRC 43～48为宜。

如图3所示：

图3 冲孔凸模

6.3 凸凹模的设计

6.3.1 凸凹模的结构形式与固定方法

凸凹模的结构简图如图4所示：

图4 凸凹模

凸凹模与凸凹模固定板的采用H7/m6配合。

6.3.2 校核凸凹模的强度

冲孔边缘与工件外开边缘不平行时，凸凹模的最小壁厚不应小于材料厚度t=2mm，而实际最小壁厚为5mm，故符合强度要求。

6.3.3 凸凹模尺寸的确定

凸凹模的外刃口尺寸按凹模尺寸配作并保证最小间隙为Zmin=0.246mm,内形刃口尺寸按凸模尺寸配做并保证最小间隙为Zmin=0.246mm。

6.3.4 凸凹模材料和技术条件

凸凹模材料采用碳素工具钢T10A，淬硬至56～60HRC。

6.4 定位零件

定位零件的作用是使坯料或工序件在模具上相对凸、凹模有正确的位置。

选用固定挡料销一个。挡料销的作用是挡住条料搭边或冲件轮廓以限定条料送进的距离，固定挡料销固定在位于下模的凸凹模上，规格为GB/T7694.10-94，材料45号钢，硬度为43～48HRC

选用导料销两个。导料销的作用是保证条料沿正确的方向送进，位于条料的后侧（条料从右向左送进）尺寸规格为6X2，如图5所示：

图5 导料销

6.5 卸料与出件装置

出件方式是采用凸模直接顶出的下出料方式。

由于卸料采用弹性卸料的方式，弹性卸料装置由卸料板、卸料螺钉和弹性元件组成。

卸料板：

弹性卸料板的平面尺寸等于或稍大于凹模板的尺寸，厚度取凹模厚度的0.6～0.8倍, 卸料板与凸模的单边间隙按《冷冲压工艺及模具设计》表3-32选取,t＞1mm时,单边间隙为0.15mm。

为了便于可靠卸料，在模具开启状态时，卸料板工作平面应高出凸模刃口尺寸端面0.3～0.5，卸料板的尺寸规格为：125mmX125mmX10mm，材料为:45#钢。如图6所示：

图6 卸料板

卸料螺钉：

卸料螺钉采用标准的阶梯形螺钉，根据卸料板的尺寸选择4个卸料螺钉，规格为，JB/T7650.5-94。如图7所示：

图7 卸料螺钉

卸料装置：

由于橡皮允许承受的负荷较大，安装调整方便，因此选用橡皮作为弹性元件，

卸料橡皮的选择原则：

为了保证卸料正常工作，应使橡皮工作时的弹力大于或等于卸料力FX

FXY=AP≥FX=5.48KN

式中FXY—橡皮工作时的弹力，A—橡皮的横截面积，P—与橡橡皮压缩量有关的单位压力，一般预压时压缩量为10%～15%。由《冷冲压工艺及模具设计》图3-64知，取P=0.6MPa，求得A=91.3cm2,由《冷冲压工艺及模具设计》表3-33中的公式求得橡皮尺寸规格为35×26×24

根据工件材料厚度为2mm，冲裁时凸模进如凹模的深度为1mm，模具维修时刃磨留量为2mm，开启时卸料板高于凸模1mm，则求得总工作行程：h工件=6mm,

使用橡皮时，不应使最大压缩量超过橡皮自由高度的35%～45%否则是皮的自由高度应为：

H=h/(0.25～0.30)

=6/(0.25～0.30)

=20～24mm

模具组装时的预压缩量为：

H预=（10%～15%）H

=2.4～3.6mm

取H预=3mm

由此可知：安装橡皮高度尺寸为21mm,

式中的H———所需的工作行程。

由上式所得的高度，还在按下式进行校核:

0.5≤H/B≤1.5

如果H/D超过1.5,应把橡皮分成若干段,并在橡皮之间垫上钢圈。

由《冷冲压工艺及模具设计》表3-33中的公式求得橡皮尺寸规格为35×26×24

6.6 模架及其它零件的选用

6.6.1 模柄

模柄的作用是把上模固定在压力机滑块上，同时使模具中心通过滑块的压力中心，模柄的直径与长度与压力机滑块一致，模柄的尺寸规格选用凸缘模柄，用3～4个螺钉固定在上模座上。

如图8所示:

图8 模柄

6.6.2 模座

标准模座根据模架类型及凹模同界尺寸选用，

上模座：125mm ×125mm×35mm；

下模座：125mm×125mm×45mm；

模座材料采用灰口铸铁，它具有较好的吸震性，采用牌号为HT200。

6.6.3 垫板

垫板的作用是承受并扩散凸模或凹模传递的压力，以防止模座被挤压损伤。

是否要用板，可按下式校核：

P=F12/A

式中P—凸模头部端面对模座的单位面积压力；

F12—凸模承受的总压力；

A—凸模头部端面与承受面积。

由于计算的P值大于《冷冲压工艺及模具设计》表3-34模座材料的许应压力，因此在工作零件与模座之间加垫板。

垫板用45号钢制造，淬火硬度为HRC43～48，其尺寸规格为：

125mm×125mm×10mm。

上下面须磨平，保证平行。

如图9所示：

图9 垫板

模架选用后侧导柱标准模架：

上模座：L×B×H =125mm×125mm×35mm

下模座：L×B×H=125mm×125mm×45mm

导柱：D×L=￠22mm×150mm

导套：d×L×D=Φ35mm×85mm×Φ38mm

模架的闭合高度：160～190mm

垫板厚度：10mm；

凸模固定板厚度：22 mm

上模底板厚：35 mm，

凹模厚度：28.5mm

橡皮厚：24mm

卸料板厚度10 mm

凸凹模固定板厚度：45 mm，

下模底板厚：45 mm

模具的闭合厚度：

Hd=35+10+22+28.5+2+1+45+45

=188.5mm

6.6.4 冲压设备的选择

选用开式双柱可倾压力机J23-25。

公称压力为25t，

滑块行程为65mm,

最大闭合高度270mm,

滑块中心线至床身距离200 mm，

工作台尺寸：370 mm×560 mm，

垫板厚度：50 mm，

模柄孔尺寸：Φ40 mm×60 mm.

6.6.5 紧固件的选用

上模螺钉：螺钉起联接紧固作用，上模上6个，45钢，尺寸为M8X70下模螺钉：6个，45钢，尺寸为M6X55.销钉起定位作用，同时也承受一定的偏移力.上模3个，45钢，尺寸为Φ6X60.

7 压力机的校核

7.1 公称压力

根据公称压力的选取压力机型号为J23-25,它的压力为25t>15.79t,所以压力得以校核

7.2 滑块行程

滑块行程应保证坯料能顺利地放入模具和冲压能顺利地从模具中取出.这里只是材料的厚度t=2mm,卸料板的厚度H=10mm,及凸模冲入凹模的最大深度2mm,即S1=2+10+2=14mm<S=65mm,所以得以校核.

7.3 行程次数

行程次数为105次/min.因为生产批量为中批量,又是手工送料,不能太快,因此是得以校核.

7.4 工作台面的尺寸

根据下模座L×B=125mm×125mm,且每边留出60~100mm,即L1×B1=325mm×325mm,而压力机的工作台面L2×B2=560mm×370mm,冲压件和废料从下模漏出, 漏料尺寸小于58mm×30mm,而压力机的孔尺寸为250×250,故符合要求,得以校核

7.5 滑块模柄孔尺寸

滑块上模柄孔的直径为40mm,模柄孔深度为60mm,而所选的模柄夹持部分直径为30mm,长度为48mm,故符合要求,得以校核

7.6 闭合高度

由压力机型号知Hmax=270mm M=80H1=70

Hmin=Hmax–M= 270-80=190

(M为闭合高度调节量/mm,H1为垫板厚度/mm)

由公式得:( Hmax–H1)-5≥H≥( Hmin–H1)+10,得

(270–70)-5≥188.5≥(190–70)+10

即 195≥188.5≥120 ,所以所选压力机合适,即压力机得以校核.

8 模具主要零件加工工艺规程的编制

8.1 冲压模具制造技术要求

模具精度是影响冲压件精度的重要因素之一，为了保证模具精度，制造时应达到以下技术要求：

a、组成冲压模具的所有零件，在材料加工精度和热处理质量等方面均应符合相应图样的要求。

b、组成模架的零件应达到规定的加工要求，装配成套的模架应活动自如，并达到规定的平行度和垂直度要求

c、模具的功能必须达到设计要求.

d、为了鉴别冲压件的质量，装配好的模具必须在生产条件下试模，并根据试模存在问题进行修整，直至试出合格的冲压件为止。

8.2 总装工艺

总装图如图15所示：

图15 总装图

1— 下模座 2—导柱 3—内六角螺钉￠8×70 4—内六角螺钉￠8×60

5—导套 6—凸模固定板 7—冲孔凸模 8—垫板 9—上模座 10—销钉

11—模柄 12—打料杆 13—连接推杆 14—凸凹模 15—卸料板

16—推件块 17—凹模 18—活动挡料销 19—推板 20—弹性橡胶

21—凸凹模固定板 22—卸料螺钉 23—导料销

摩托车化油器柱塞冷挤压新工艺，详细介绍了零件材料选择、模具设计、机加工方法、表面硬质阳极氧化处理工艺。与国内对此类零件通常采用的压铸毛坯、机加工成形工艺相比，大大提高了零件质量和使用寿命。 ­­ ­­­­-------------------------------------------------------------------------------- ­汽油发动机是摩托车的心脏，有人称化油器为摩托车发动机的心脏，而柱塞又是柱塞式化油器的心脏。因此，作为化油器心脏的柱塞，其材质的选用、工艺方法、表面处理水平，对化油器总成的性能有直接影响。本文就是对一种新工艺方法--冷挤压柱塞的研制成果进行简单的总结，与同行们共同探讨。 ­1　冷挤压柱塞的研制 ­­工业发达的日本，摩托车化油器柱塞早就全部采用冷挤压毛坯和表面硬质阳极氧化工艺。其毛坯材料的化学成分如表1所示。表面处理后，硬度HV＞440。 ­­表1　日本加工柱塞的化学成分 ­­材料代号 化学成分(%) ­Cu Mg Mn Fe Si Zn Ti ­A6061 0.15～0.4 0.8～1.2 0.15以下 0.7以下 0.4～0.8 0.25以下 0.7以下 ­­要提高国产化油器柱塞的设计水平，我们对原材料的选用和成形方法、机加工和表面处理工艺进行了探索与研究。 ­1.1　柱塞成品所需的工艺过程 ­由于柱塞是化油器总成中的关键零件，其形状较为复杂，精度要求高。因此，它的生产过程较长，其大致的工艺过程为：原材料选用�冷挤压毛坯�机械加工�表面处理。 ­­1.2　材料的选用 ­为了加快试制进程，按照日本柱塞材料的化学成分，我们选取了两种与之相近的锻铝进行试制，其化学成分如表2所示。这两种锻铝的变形抗力较小，塑性好。我们与铝材厂共同设计模具，专门配制，使毛坯用料的表面质量和尺寸精度都符合设计要求。 ­­表2　试制加工柱塞的化学成分 ­­­材料代号 化学成分(%) ­Cu Mg Mn Fe Si Zn Ti ­LD2 0.2～0.6 0.45～0.9 0.15～0.35 0.5以下 0.5～1.2 0.2以下 0.5以下 ­LD31 0.1以下 0.45～0.9 0.1以下 0.35以下 0.2～0.6 0.1以下 0.1以下 ­­ ­1.3　冷挤压毛坯 ­柱塞的冷挤压工艺，在我国的化油器行业中是一项新工艺，无成功的先例。因此，柱塞的冷挤压工艺的成败，直接决定着冷挤压柱塞研制工作的成败。 ­冷挤压毛坯的工艺流程如图1。 ­­­­图1　冷挤压毛坯的工艺流程 ­­1.3.1　检查材料 ­每批订购的材料应抽查化学成分、表面质量和尺寸。符合要求的原材料才能投入生产。 ­1.3.2　切断 ­由于毛坯用料为实心的棒料，切断前先计算坯料长度。毛坯的体积按体积不变条件计算，并应加上修边量，即 ­­V0=Vp+Vs(1) ­­式中：V0为毛坯体积，mm3；Vp挤压件体积，mm3；Vs为修边量体积，mm3。一般情况下，Vs取Vp的3%～5%。 ­毛料的切断长度为 ­­h0=V0/A0　(2) ­­式中：h0为坯料长度，mm；A0为坯料横断面积，mm2。 ­1.3.3　去毛刺 ­去除坯料切断时产生的毛刺。 ­1.3.4　软化处理 ­为了降低毛坯的变形抗力，提高塑性，改善组织，细化晶粒，使坯料易于冷挤压，在冷挤压前进行软化处理。具体的退火规范为：410℃±10℃，保温4h，随炉冷却到150℃。检测软化处理前后的硬度结果：处理前坯料硬度为HB68～72；处理后坯料硬度为HB38～40。 ­1.3.5　涂润滑剂 ­冷挤压时，单位挤压力很大。涂润滑剂可减少挤压力， ­使金属流动性好，挤压壁厚均匀，卸料力小，提高冷挤压件的表面光洁度。使用润滑剂为硬脂酸锌粉。使用方法：将坯料清洗干净，与粉状硬脂酸锌粉一起放在滚筒内滚动15min，使毛坯料牢固而均匀地涂上一层硬脂酸锌。 ­1.3.6　冷挤压毛坯 ­冷挤压就是金属坯料放入模具腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定的力学性能的挤压件。显然，冷挤压是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来形成零件毛坯的。 ­采用冷挤压工艺，可以降低原材料消耗，材料利用率高达80%～90%；冷挤压是在压力机上进行的，压力机的一次行程就可以完成简单零件的成形。因此，与切削加工相比，生产率可以大幅度提高，生产成本也大为降低。在冷挤压过程中，金属材料处于三向不等的压应力作用下，挤压后金属材料的晶粒组织会更加细小而密实；金属流线不被切断，而是沿着挤压件轮廓连续分布(如图2)；同时，由于冷挤压利用了金属材料经冷加工而产生加工硬化的特性，使冷挤压件的强度大为提高。 ­ ­­­­图2　冷挤压时的金属流线图 ­­1.3.6.1　冷挤压毛坯图的设计 ­根据产品图(如图3)的设计要求，同时考虑尽量减少加工余量和不需要加工的原则。 ­ ­­­­图3　试制产品图 ­­由于柱塞的形状不算太复杂，且用塑性好的锻铝进行冷挤压，因此按一次挤压成形的方案进行设计。毛坯图具体尺寸及形状见图4。 ­­­­­图4　试制毛坯图 ­­验算断面缩减率： ­­εA=(A0-A1)/A0×100%=d12/d02×100%= ­132/17.72×100%=54% ­­未超过许用断面缩减率的75%～90%，因此，可以一次成形。 ­零件上半部的内腔，可以考虑按照不用切削加工的方式，直接由冲头的形状与尺寸精度来保证。而零件下半部的内腔及外圆精度要求较高，必须留有余量，最终由切削加工来保证。在长度方向上也应给出金属流动的变化范围，由切削加工来达到成品的精度要求。 ­1.3.6.2　冷挤压模具的设计 ­冷挤压时的单位压力很大，模具必须经得住静态高压，经得起冲击，经得住毛坯与模具接触面的摩擦，同时还要经得起疲劳。因此，为了确保模具的正常工作和使用寿命，冷挤压模具应具有如下一些特点。 ­a.工作部分的材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性、一定的韧性以及良好的热应性、热稳定性、耐热疲劳性等性能。 ­b.模具工作部分的过渡处皆应采用光滑的圆角过渡，以防止产生较大的应力集中而开裂，造成模具的早期失效。 ­c.模具工作部分与上、下底板之间一定要有厚实淬硬的压力垫板，以缓和从凸模凹模传来的超高压力，防止压坏上、下底板。 ­d.为了提高模具的工作部分的强度，冷挤压凹模一般不采用整体式结构，而采用加预应力的组合式结构。 ­e.下底板采用具有足够厚度的中碳钢经锻造制成，以保证模具具有较高的强度和刚性。 ­模具的结构设计如图5所示。工作部分由模套(凹模)、上冲头(凸模)和下冲头(反向凸模)组成。 ­­­­­图5　试制冷挤压模具图 ­­模套(凹模)：决定着毛坯的外圆尺寸精度，内表面必须光滑(Ra0.4μm)�1�7

冷挤压模具损坏分析要谨慎

冷挤压模具损坏分析一定要谨慎

模具是实现少、无切削加工的重要工艺装备，在现代生产中日益得到广泛的应用。

在冷挤压加工时，常常遇到一些妨碍正常投产的重要问题，就是模具受到损坏，主要表现有如下三种失效类型：

(1)断裂失效，如，塑性断裂失效、疲劳断裂失效、 蠕 变断裂失效、低应力脆断失效、介质加速断裂失效等。

(2)过量变形失效，主要包括过量的弹性和塑性变形失效。

(3)型腔表面损伤失效，如，磨损失效、腐蚀失效、表面疲劳(点蚀或剥落)失效等。

当凸、凹零件产生上述这种缺陷时，那就不能制造出合格的挤压件，严重影响工厂的生产计划，为此，工程技术人员应要及时解决造成这些缺陷的关键问题。

生产实践指出，每副模具的承载能力、工作使用寿命、制造精度及产品合格率，在很大程度上取决于模具钢的化学成分、模具零件的加工质量及热处理工艺等。

为了生产出高质量、高经济效益的产品挤压件，必须从模具结构设计、选用模具材料、机械加工、热处理、生产成本等方面全面进行考虑，才能达到应有的技术经济效果。

1.模具早期失败的统计数据

任何一种失败原因，都需要了解及分析模具损坏的根本因素，应从生产实践中收集第一手资料，即社会调查。

以模具外表和内部检验结果为依据，找出其中影响模具失效的决定性因素，就可以查明模具失效的特征和损坏的根本原因。当然，模具失效往往是由几个因素综合作用的结果，在进行具体分析时，必须充分考虑各个因素之间的相互影响和有机联系。

模具早期失效是由原材料质量不好、模具使用条件不好、模具加工方法不好、模具毛坯锻造工艺不好、模具热处理工艺不佳及模具结构设计不合理等原因造成的。因此，为了防止模具早期失效，延长模具使用寿命，应从上述几方面采取有效的、相应的预防措施。

2.冷挤压模具的工作条件

冷挤压模具工作条件极其恶劣。冷挤凸模的受力情况随挤压方法的不同而异。

正挤压凸模主要承受压应力的作用，而反挤压凸模或复合挤压凸模，在挤压工作行程时，承受着很大的.压应力作用，在回程时则承受较小的拉应力，这个拉、压应力是交变产生的。不论是正挤压还是反挤压，往往还受到偏心负荷所引起的弯曲应力的作用。由此可以看出，冷挤压凸模受到拉、压和弯曲应力的综合作用，其受力状态是比较复杂的。

冷挤压凹模内壁由于承受着较大的内压力的作用，从而使凹模的圆周方向上作用着较大的拉应力。

此外，冷挤压成形是在很短时间内完成的，且将大截面的坯料变成小截面的挤压件，从而使模具承受着交变的冲击载荷。

冷挤压过程中的热效应以及模具工作表面受到的剧烈磨擦作用，使挤压件温升高达300~400℃，从而使模具在工作时温度升高，不工作时温度又有下降，这就是说，模具还承受着冷热交变应力的作用。

如此苛刻的工作条件，使得冷挤压模具的使用寿命比其它模具要短得多。因此，为了延长模具的使用寿命，降低产品成本，提高经济效益，查明模具失效的根本原因，并采取得力的措施加以解决，对于冷挤压模具显得比其它的模具更为重要。

3.模具损坏的各种具体因素

冷挤压模具因受使用情况不同，使用的钢种复杂，加工工序多等，可将影响模具使用寿命的各种具体因素分为如下六个方面：

(1)挤压件方面

在挤压件设计时，与模具失效有关的有：

①原材料钢号

②制件形状及尺寸

③挤压方式

④变形程度

⑤制件尺寸精度。

(2)模具设计方面

冷挤压时，影响模具使用寿命的有：

①模具材料使用不当

②硬度不合理

③面与面相交处有尖角

④厚薄壁相差过大

⑤连接圆角半径过小

⑥材料纤维取向不合理

⑦配合精度不当。

(3)模具材质方面

在选用模具材质时，密切有关的有：

①钢的纯净度差

②化学成分偏析

③钢内疏松

④带状(网状)碳化物

⑤带状组织

⑥球化退火质量不好。

(4)机械加工方面

模具零件金属切削加工时，影响模具失效的有：

①磨削损伤，形成微裂纹痕迹

②电加工质量差

③连接圆角半径较小

④表面粗糙度差

⑤尺寸精度差

⑥加工应力未除去。

(5)热处理方面

在热处理模具零件时，影响模具失效的有：

①加热速度不当

②淬火温度不当

③冷却速度不当

④保温时间不当

⑤炉内气氛不当

⑥回火次数不够

⑦表面硬度不够

(6)使用操作方面

在冷挤压加工生产时，与模具失效有关的有：

①模具安装不当

②润滑条件差

③冷却条件不当

④设备状况不好

⑤实际操作不按要求。

通过如上所指出的，影响冷挤压模具使用寿命的各种各种诸多因素，使我们清楚地看到，对具体的实际生产问题，需采用相应的措施来逐步解决。

4.结束语

挤压模具对模具钢的韧性，表面硬度，强度以及抗回火性能要求比较高。

Toolox系列材料中的Toolox44材料，非常适合用于铝挤压模具，原因如下：

Toolox44材料，由于已经在钢厂就进行了热处理，内应力非常小，Toolox44具备了很高的韧性，比较同等硬度的H13系列材料，韧性有大幅度的提高，Toolox44回火温度达到640摄氏度左右，在600度以下保证Toolox44的力学性能不变。

由于Toolox44是全新的冶金成分设计，氮化性能非常优异，氮化层和Toolox基体材料结合非常好，Toolox44表面氮化的硬度可以达到HRC65。

Toolox44材料的氮化性能还体现在Toolox44可以多次氮化，可以达到10次以上。

Toolox44材料的抛光性能非常好，能得到很光滑的模具表面，在挤压时候的阻力能大大降低，因此Toolox44材料应用在铝挤压模具时，配合良好的表面氮化，能够得到非常理想的效果，从客户的实际使用情况来开，相比较欧洲的1.2344ESR“(8047)”模具寿命一般来说能提高一倍，即Toolox44的寿命是1.2344ESR“(8047)”材料的约2倍寿命，而且由于省去了热处理费用和时间，大大缩短了模具加工的时间，节省了很多费用。

冷挤压模具的工作条件极为复杂和恶劣，一副模具在使用过程中往往交织着各种损伤情形，这些损伤相互作用、相互促进，最后以一种或多种形式失效。为此，对冷挤压模具使用寿命的影响因素，应进行认真细致研究及分析，如有丰富的实践经验，可直接选用有效的方法，应以不断探索、不断更新、不断提高、不断总结的精神来完成现代模具生产。