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大 學
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）開 題 報 告
題 目 JH70摩托車主軸坯冷鐓模具設(shè)計
二級學院 機械學院
專 業(yè) 機械設(shè)計及自動化
班 級 機械5班
姓 名 李雨菲 學 號 10904020510
指導教師 馮文杰 系 主 任 龔海峰
時 間 2013.3
1、本課題的研究目的及意義
近些年來，冷擠壓技術(shù)成為一項在各行各業(yè)得到迅速發(fā)展的新工藝，同時還是機械產(chǎn)品零件加工中的一項重要手段，同其它制造工藝相比，冷擠壓工藝具有“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本”等優(yōu)勢。如今，在汽車、電子通信、輕工、建筑、航空航天、軍工、日用五金等制造業(yè)中都起著極其重要的作用。尤其在21世紀的零件制造業(yè)中，產(chǎn)品價格的市場競爭日益劇烈，冷擠壓技術(shù)已成為各企業(yè)繼續(xù)發(fā)展與開拓的重要指標之一。普遍認為，一個國家的冷成形（冷擠壓、冷鍛、冷鐓及沖壓等）加工技術(shù)水平，是這個國家汽車工業(yè)水平、工業(yè)化水平乃至現(xiàn)代化水平的一種重要標志和反映?？梢哉f，冷擠壓技術(shù)在一個國家的工業(yè)體系中占有舉足輕重的地位。隨著能源危機的日趨嚴重,人們對環(huán)境質(zhì)量將更加關(guān)注,加之市場競爭日益加劇,促使鍛件生產(chǎn)向高效、高質(zhì)、精化、節(jié)能節(jié)材方向發(fā)展。因此,用擠壓成形等工藝手段所生產(chǎn)的精化鍛件的產(chǎn)量,在市場競爭中將得到較大的發(fā)展。同時，汽車向輕型化、高速度、平穩(wěn)性方向發(fā)展,對
鍛件的尺寸精度、重量精度及力學性能等都提出了較高的要求。如轎車發(fā)動機用連桿鍛件除對大小頭之間的誤差有要求外,對每件的重量誤差也要求不大于8g。新產(chǎn)品的高要求,將促進精化生產(chǎn)工藝的發(fā)展?？梢哉f，冷擠壓技術(shù)有著十分廣闊的發(fā)展前景和很大的提升空間。所以，本次畢業(yè)設(shè)計意義在于：
（1） 理解掌握冷擠壓技術(shù)的原理、特點、加工過程以及冷擠壓模具的設(shè)計制造方法。
（2） 在對上述基本問題熟練掌握的基礎(chǔ)上，對冷擠壓技術(shù)領(lǐng)域的重點難點問題有一個比較深入的理解，爭取產(chǎn)生自己的想法，并針對某些缺陷和不足提出自己的改進方案。
（3） 在進行畢業(yè)設(shè)計的過程中通過對以往所學課程的運用對專業(yè)知識進行復習、重新理解和融會貫通，并最終運用到生產(chǎn)實際當中去。
（4） 在畢業(yè)設(shè)計過程中對自身的自主設(shè)計和創(chuàng)新能力得到一個質(zhì)的提升，對以后的工作有很大幫助。
2、本人對課題任務(wù)書提出的任務(wù)要求及實現(xiàn)目標的可行性分析
本人在大學期間系統(tǒng)的學習了材料成形技術(shù)基礎(chǔ)、機械制圖等相關(guān)專業(yè)課程和金工實習、生產(chǎn)實習等相應實習課程，并會熟練使用AutoCAD、Solidworks等制圖和三維建模軟件。在資料查找方面，學校圖書館提供了大量可供閱讀的相關(guān)書籍、技術(shù)手冊、圖冊等等寶貴資料，同時還可以在互聯(lián)網(wǎng)上查找到所需內(nèi)容作為補充。學校的實驗室、工程訓練中心等場所也為我們提供了充足的實驗場所，可以針對畢業(yè)設(shè)計過程中出現(xiàn)的某些技術(shù)問題進行直觀的分析和處理?？梢哉f，硬件條件是十分充足的。但在進行畢業(yè)設(shè)計的過程中還是可能遇到一些問題，比如某些難點問題不能很好的理解，第一次進行比較完整的課題研究缺乏相關(guān)經(jīng)驗等。但相信這些問題是可以通過自身努力和指導老師的引導、幫助順利解決的。綜上所述，本人認為實現(xiàn)課題任務(wù)書中提出的任務(wù)要求是可行的。
3、本課題的關(guān)鍵問題及解決問題的思路
冷擠壓時的單位及壓力很大，有時可能達到材料抗拉強度的4到6倍甚至更高，遠超一般金屬塑性加工時的單位壓力，冷擠壓模具的工作條件非常惡劣。這就對冷擠壓模具的質(zhì)量提出了很高的要求，在保證模具正常工作的情況下，還要達到規(guī)定的使用壽命。因此，本課題的關(guān)鍵問題就在于模具的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和一定使用壽命的保證。
（1） 模具的選材及熱處理工藝。冷擠壓模具工作環(huán)境要求其材料具備高硬度、高強度、高韌性、高耐壓能力、高耐磨性、足夠的耐熱性和良好的工藝性能，但是在大多數(shù)條件下，要使一種材料同時具備上述所有優(yōu)良特性是不可能，同時也是不經(jīng)濟的。所以，應該根據(jù)具體情況選擇最符合使用條件，同時又相對經(jīng)濟廉價的材料。
（2） 模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因為作用在冷擠壓凹模內(nèi)壁的壓力很大，為了防止模具產(chǎn)生縱向開裂，不宜采用整體式結(jié)構(gòu)的冷擠壓凹模，而應采取組合凹模的結(jié)構(gòu)。采用組合結(jié)構(gòu)的冷擠壓凹?？珊芎玫亟鉀Q模具縱向開裂的問題。
（3） 防止模具損壞與保證壽命。冷擠壓模具的失效形式主要有磨損、變形、破裂等。為防止模具的早期失效，可選用熱硬性好、抗壓強度高的高速工具鋼作為模具的材料，并經(jīng)淬火處理，采用圓角過渡，防止應力集中，同時提高毛坯尺寸精度和表面光潔度，采用合適的潤滑措施。
4、完成本課題所需的工作條件（如工具書、計算機、實驗、調(diào)研等）及解決辦法
工作條件：
（1） 查找工具書，有《冷擠壓實用技術(shù)》 《機械設(shè)計手冊》 《材料成型技術(shù)基礎(chǔ)》 《機械工程材料》 《沖壓模具設(shè)計與制造》 《機械制造工藝學》 等。
（2） 實驗室和工程訓練中心提供了實驗場所和設(shè)備。
（3） 相關(guān)軟件，如AutoCAD、Solidworks等。
解決方法：首先閱讀課題相關(guān)的資料、書籍，提出解決問題的可行辦法和具體步驟；然后根據(jù)掌握的相關(guān)知識制定出摩托車主軸坯冷鐓工藝方案并完成與之配套的組合凹模的設(shè)計；最后設(shè)計出冷鐓專用模架并完成三維建模。
5、工作方案分析及進度計劃
本課題的研究總共有八周的時間，劃分為四個階段。
第一階段，第1~2周，完成JH70摩托車主軸坯冷鐓工藝方案制定 。
第二階段，第3~4周，完成冷鐓專用模架設(shè)計。
第三階段，第5~6周，完成組合凹模設(shè)計。
第四階段，第7~8周，完成冷鐓專用模架的三維建模和平面圖紙的繪制，整理設(shè)計說明書和參考文獻。
報告人：
年 月 日
指導教師意見
指導教師：
年 月 日
開題報告應根據(jù)教師下發(fā)的設(shè)計（論文）任務(wù)書，在指導教師的指導下由學生獨立撰寫。
前 言
冷擠壓成型是指所成型的零件達到或接近成品零件的形狀和尺寸[1]，它是在傳統(tǒng)的金屬塑性加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)。近幾年來，冷擠壓技術(shù)是各行各業(yè)得到迅速發(fā)展的新工藝之一，也是產(chǎn)品零件加工中的重要手段，與其它制造工藝（如切削加工、鑄造、鍛造）相比，它具有“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本”的優(yōu)點。目前，在汽車、電子通信、輕工、建筑、航空航天、軍工、日用五金等制造業(yè)中都起著極為重要的作用[1]。尤其是21世紀的零件制造業(yè)中，我國加入WTO后，產(chǎn)品價格的市場競爭日益劇烈，冷擠壓技術(shù)已成為各企業(yè)繼續(xù)發(fā)展與開拓的重要指標之一[2]。普遍認為，一個國家的冷成形（冷擠壓、冷鍛、冷鐓及沖壓等）加工技術(shù)水平，是這個國家汽車工業(yè)水平、工業(yè)化水平乃至現(xiàn)代化水平的一種重要標志和反映。
1.冷擠壓基本概念
1.1冷擠壓加工簡介
冷擠壓就是把金屬毛坯放在冷擠壓模腔中，在室溫下，通過壓力機上固定的凸模向毛坯施加壓力，使金屬毛坯產(chǎn)生塑性變形而制得零件的加工方法[1]。目前，我國已能對鉛、錫，鋁、銅、鋅及其合金、低碳鋼、中碳鋼、工具鋼、低合金鋼與不銹鋼等金屬進行冷擠壓，甚至對軸承鋼、高碳高鋁合金工具鋼、高速鋼等也可以進行一定變形量的冷擠壓。在擠壓設(shè)備方面，我國已具備設(shè)計和制造各級噸位擠壓壓力機的能力。除采用通用機械壓力機、液壓機、冷擠壓力機外，還成功地采用摩擦壓力機與高速高能設(shè)備進行冷擠壓生產(chǎn)。
1.2冷加壓加工的分類[1]
1.2.1正擠壓 正擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向一致。正擠壓可以制造各種形狀的實心件和空心件，如螺釘、芯軸、頂桿、支架、管子、套管、彈殼及襯套等。
1.2.2反擠壓 反擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向相反。反擠壓可以獲得各種形狀的杯形空心工件，如罩殼、外殼、套筒、套管、屏蔽罩及燈座等。
1.2.3復合擠壓 擠壓時，毛坯一部分金屬流動方向與凸模運動方向相同，而另一個部分金屬流動方向與凸模運動方向相反。這是正擠壓和反擠壓組合在一起的一種擠壓方法。復合擠壓方法可以制造雙杯類零件，如汽車活塞銷[4]；也可以制造杯桿類零件，如縫紉機梭芯。
1.2.4徑向擠壓 擠壓時，金屬的流動方向與凸模運動方向相垂直。徑向擠壓又可分為向心擠壓和離心擠壓，徑向擠壓用來制造斜齒輪、花鍵盤等零件。
1.2.5減徑擠壓 它是變形程度較小的一種變態(tài)正擠壓法，毛坯截面僅作輕度的縮減。減徑擠壓主要用于制造直徑差不大的階梯軸類零件以及作為深孔杯形件的修整工序。
1.2.6斜向擠壓 擠壓時，金屬的流動方向傾斜或彎曲于凸模的運動方向。斜向擠壓主要用于制造具有傾斜或彎曲枝芽的各種復雜形狀零件。
1.2.7鐓擠法 變形時，金屬的流動具有擠壓和鐓粗的特點，即一部分金屬沿凸模軸向流動，另一部分金屬則沿徑向流動[2]。它是冷鐓與冷擠壓相結(jié)合的一種成形方法，稱為鐓擠法。鐓擠法主要用于制造大頭類零件及階梯軸類零件。
正擠壓、反擠壓、復合擠壓與減徑擠壓是冷擠壓方法中應用最廣的四種成形方法。這四種方法的金屬流動方向都與凸模的軸線平行，因此又統(tǒng)稱為軸向冷擠壓。
2. 冷擠壓工藝的特點
2.1冷擠壓工藝的優(yōu)點
2.1.1擠壓零件尺寸準確表面光潔。目前我國研制的冷擠壓件一般尺寸精度可達8～9級，隴度一般可達，若采用理想的潤滑可達(指純鋁和紫銅零件)，僅次于精拋光表面[2]。因此用冷擠壓方法制造的零件，一般不需要再加工，少量的只需精加工(磨削)。
2.1.2節(jié)約原材料。冷擠壓件材料利用率通?？梢赃_到80%以上。如解放牌汽車活塞銷動切削加工材料利用率為43.3%，而用冷擠壓時材料利用率提高到92%；又如萬向節(jié)軸承套改用冷擠壓后，材料利用率由過去的27.8%提高到64%?？梢?，采用冷擠壓方法生產(chǎn)機械零件，可以節(jié)約大量鋼材和有色金屬材料。
2.1.3生產(chǎn)率高。用冷擠壓方法生產(chǎn)機械零件的效率是非常高的，特別是生產(chǎn)批量大的零件，用冷擠壓方法生產(chǎn)可比切削加工提高幾倍、幾十倍、甚至幾百倍。例如，汽車活塞銷用冷擠壓方法比用切削加工制造提高3.2倍，目前又用冷擠壓活塞銷自動機，使生產(chǎn)率進一步提高。一臺冷擠壓自動機的生產(chǎn)率相當于100臺普通車床或10臺四軸自動車床的生產(chǎn)率。
2.1.4可加工形狀復雜的零件。如異形截面、內(nèi)齒、異形孔及盲孔等，這些零件采用其它加工法難以完成，用冷擠壓加工卻十分方便。所示的零件，能方便的擠出。
2.1.5冷擠壓件強度高、剛性好而重量輕。由于冷擠壓采用金屬材料冷變形的冷作強化特性，即擠壓過程中金屬毛坯處于三向壓應力狀態(tài)，變形后材料組織致密、且具有連續(xù)的纖維流向，因而制件的強度有較大提高。這樣就可用低強度材料代替高強度材料。例如過去采用20Cr鋼經(jīng)切削加工制造解放牌活塞銷，現(xiàn)改用20號鋼經(jīng)冷擠壓制造活塞銷，經(jīng)性能測定各項指標，冷擠壓法高于切削加工法制造活塞銷。
從以上特點，可以看出，冷擠壓技術(shù)與目前各種加工方法比較，具有突出的優(yōu)越性。這就為冷擠壓代替切削加工、鍛造、鑄造和拉深工藝來制造機器零件，開辟了一條廣闊的道路。
2.2冷擠壓工藝的缺點
2.2.1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[3]。這樣的超高壓力，對模具材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及加工制造等提出了更高的要求。
2.2.2模具壽命短 由于冷擠壓模具承受著很大的單位壓力作用，最高可達3000MPa，模具易磨損、易破壞；雖然在模具材料和模具結(jié)構(gòu)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。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，正擠壓用的鋼制凸模平均壽命為2萬件左右，凹模為3萬件左右[8]；而沖裁或拉深的模具壽命一般高達10萬件以上。
2.2.3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，會是模具受到損壞。對與冷擠壓毛坯，除了要求毛坯具有準確的幾何形狀和較高的尺寸精度外，還要求再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。
2.2.4對冷擠壓設(shè)備要求較高 當實施冷擠壓工藝過程時，除了要求冷擠壓設(shè)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(shè)備具有良好的精度并具有可靠的保險裝置。
3.1冷擠壓模具設(shè)計
冷擠壓時的單位及壓力很大，有時可能達到材料抗拉強度的4到6倍甚至更高，遠超一般金屬塑性加工時的單位壓力。在冷擠壓過程中，單位及壓力大小主要是受模具強度的限制，當今所用的冷擠壓模具材料強度最高為2500到3000MPa。如果超過這個值，模具就將被破壞，或降低模具壽命。由此可見，冷擠壓模具的工作條件極其惡劣[7]。所以，為了確保模具的正常工作和使用壽命，模具必須能耐靜態(tài)高壓，耐沖擊，經(jīng)受得住工件和模具表面之間的摩擦，同時要耐疲勞。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(fā)生塑性變形，但是模具中的工作應力卻是一個復雜的抗張、抗壓力和切應力的聯(lián)合應力[5]。由于工作應力很高，模具承載時將會產(chǎn)生明顯的彈性變形。因此，模具設(shè)計者必須找出一個能承受和分配這種應力和應變的途徑。綜上所述，對于冷擠壓模具設(shè)計的基本要求如下：
（1） 冷擠壓模具部分的材料應具有高強度、高硬度、高耐磨性、一定的韌性以及良好的熱硬性、熱穩(wěn)定性、耐熱疲勞性等性能，并應選用合適的加工方法和熱處理規(guī)范。
（2） 模具工作部分的過渡處應采用光滑的圓角過渡，以防止產(chǎn)生較大的應力集中而開裂，造成模具的早期失效[11]。
（3） 模具工作部分上下底板之間一定要設(shè)有厚實的經(jīng)淬硬的壓力墊板以承受壓力，擴大承壓面積，使從凸模或凹模傳來的高壓力得到較大程度的緩和，防止壓壞上下底板[6]。
（4） 冷擠壓時，凹模內(nèi)腔要受到很大的徑向應力作用，在強度不足時就會發(fā)生切向破裂，為了提高模具工作部分的強度，冷擠壓凹模一般不采用整體式結(jié)構(gòu)，而采用施加預應力的組合式結(jié)構(gòu)[12]，凸模有時也采用組合式結(jié)構(gòu)。
（5） 上下底板一般不采用鑄鐵材料制造，而采用足夠厚度的中碳鋼經(jīng)鍛造或直接用鋼板制成，以保證模具具有較高的強度和剛性。
4.1冷擠壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向
4.1冷擠壓的發(fā)展概況
冷擠壓技術(shù)發(fā)展的初期是非常緩慢的，長期以來只對幾種軟金屬（鉛和錫）進行擠壓。直到19紀末20世紀初，才開始擠壓較硬的有色金屬（鋅、鋁、紫銅、黃銅等）至于鋼的擠壓，由于冷擠壓時需要很大的壓力，在當時不能解決擠壓鋼用的模具材料、合適的潤滑劑與大噸位的壓力機等問題，長時間一直認為擠壓鋼是十分困難甚至是不可能的。
1906年，英國人科斯利特（T.W.coslett）發(fā)現(xiàn)用磷酸鹽處理鋼件制品是一種較理想的防銹方法，但工序繁多，而經(jīng)濟效益又差，故未被廣泛采用。不過，這種防銹法的出現(xiàn)卻極大地激發(fā)了人們?nèi)パ芯扛唵味行У男路椒ǖ姆e極性。到后來，用自動連續(xù)裝置對鋼毛坯進行磷酸鋅防銹處理只需要兩分鐘。經(jīng)磷酸鋅處理過的毛坯表面附有脂肪潤滑劑或鈉皂薄膜，且這層薄膜不易脫落，擠壓這種毛坯時，壓力較小。這個發(fā)現(xiàn)使人們找到了一種理想的鋼毛坯表面處理法一磷化皂化法。
磷化皂化處理鋼毛坯表面方法的出現(xiàn)使鋼的擠壓成為可能。1934年，德國人采用磷化皂化法成功地冷擠出鋼管[9]。二次世界大戰(zhàn)期間，德國人需要大量彈殼，當時黃銅又供應不足，于是德國人秘密試驗用冷擠壓生產(chǎn)鋼彈殼、后來，采用合金工具鋼作模具材料，用冷擠壓成功地擠出大批量鋼彈殼類零件。
第二次世界大戰(zhàn)以后，美國人竊取了德國人關(guān)于鋼的冷擠壓的全部資料，開始在美國用冷擠壓秘密生產(chǎn)軍火，開辦了很多生產(chǎn)鋼彈殼和彈體的軍工廠。鋼的冷擠壓于1947年才正式用于民用工業(yè)。美國于1949年發(fā)表了各種鋼材冷擠壓后機械性能的實驗數(shù)據(jù)。德國于1950年、1953年先后公布了鋼的冷擠壓的基本技術(shù)數(shù)據(jù)及冷擠壓力和擠壓功的實驗結(jié)果。
1957年，日本引進了專用冷擠壓機，開始在精密儀器和儀表中采用冷擠壓技術(shù)。日本見這種新技術(shù)經(jīng)濟效益顯著，很快把這種技術(shù)用于制造汽車和電氣制件。現(xiàn)已成為遍及各個工業(yè)部門的重要加工手段。
3.2冷擠壓技術(shù)發(fā)展趨勢
隨著能源危機的日趨嚴重，人們對環(huán)境質(zhì)量將更加關(guān)注，加之市場競爭日益加劇，促使鍛件生產(chǎn)向高效、高質(zhì)、精化、節(jié)能節(jié)材方向發(fā)展。因此用擠壓成形等工藝手段所生產(chǎn)的精化鍛件的產(chǎn)量，在市場競爭中將得到較大的發(fā)展。
汽車向輕型化、高速度、平穩(wěn)性方向發(fā)展，對鍛件的尺寸精度、重量精度及力學性能等都提出了較高的要求。如轎車發(fā)動機用連桿鍛件除對大小頭之間的誤差有要求外，對每件的重量誤差也要求不大于八克[10]。新產(chǎn)品的高要求，將促進精化生產(chǎn)工藝的發(fā)展。
專業(yè)化、規(guī)?；慕M織生產(chǎn)仍是冷擠壓生產(chǎn)的發(fā)展方向和趨勢。在法國，以擠壓成形工藝生產(chǎn)鍛件的專業(yè)廠家1991－1994年全員勞動生產(chǎn)率，即每人生產(chǎn)擠壓件的產(chǎn)量及產(chǎn)值，均高于一般生產(chǎn)模鍛件或者自由鍛件的廠家。以1994年為例，專業(yè)廠家擠壓件人均產(chǎn)量為 51024KG，創(chuàng)產(chǎn)值775688法郎。而同期一般性生產(chǎn)模鍛件的廠家，其人均產(chǎn)量僅為39344KG，產(chǎn)值592384法郎，僅相當于擠壓件專業(yè)生產(chǎn)廠家的77.1%和76.37%。自由鍛件生產(chǎn)廠與之相比則更低。
擠壓專機將成為一種發(fā)展趨勢。隨著中小型鍛件的精化生產(chǎn)發(fā)展及冷擠壓、溫擠壓工藝的推廣應用，多工位冷擠壓壓力機、精壓機及針對某種鍛件而設(shè)計制造的專機會得到大力發(fā)展。新昌軸承套圈的冷擠大面積應用是在邵銀標工程主導下發(fā)展起來，目前國內(nèi)軸承套圈的冷擠壓成型占了較大份額。
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重 慶 理 工 大 學
文 獻 翻 譯
二級學院 機械學院
班 級 機械5班
學生姓名 李雨菲 學 號 10904020510
長梯形花鍵的冷擠壓及其成形分析
Yuan Anfu
收稿日期：2007.8.21，接受日期：2008.3.10，網(wǎng)上發(fā)表日期：2008.4.15
施普林格出版社倫敦有限公司2008年版權(quán)所有
摘要：由于剛度的原因，長梯形花鍵的加工時十分困難的。在本文中，一種基于三維速度場的分析和對分析模擬軟件Deform-3D 5.0的應用的特殊冷擠壓技術(shù)已經(jīng)應用于加工一種合格的Φ12×840的16齒梯形花鍵上。
關(guān)鍵詞：冷擠壓，矩形花鍵，成形極限，變形
1. 介紹
由于矩形花鍵的根部很厚，故一般被應用于傳遞較大載荷的場合。因此，它被廣泛應用與汽車工業(yè)中力的傳遞。本文主要聚焦于一個機械工業(yè)中的難題——長梯形花鍵的加工。傳統(tǒng)的機械加工手段，如銑、滾齒等由于其低下的效率和加工質(zhì)量而不能不能用于批量生產(chǎn)這種花鍵。所以一些特殊制造方法如扭轉(zhuǎn)、擠壓等已經(jīng)越來越被廣泛應用。即便如此，正如圖1中看到的那樣，
對于長梯形花鍵來說，二者在成形 [1–7]部分的時候仍存在一些難題。
2. 成形的細節(jié)部分
圖1指的是將要被加工的長梯形花鍵，其詳細信息如下：
齒數(shù)：16 齒厚：1.3 材料：20Cr（GB）
彈性模量：205Gpa 泊松比：0:29 密度：7850Kg/m3
屈服強度：685Mpa 齒頂圓直徑：Dt=12.8mm 齒根圓直徑：10.86mm
3. 解決步驟：對于制造出一個合格的產(chǎn)品來說，存在兩個待解決的問題：
3.1模腔的結(jié)構(gòu)：在擠壓的過程中，模腔的結(jié)構(gòu)直接影響變形的工件和應力應變分布。因此，有必要設(shè)計一種合理的模具結(jié)構(gòu)，以適應實際成形條件來獲得盡可能低的成形力?；趯D壓過程中金屬流動規(guī)律的研究，可以設(shè)計出一種較為合理的模具結(jié)構(gòu)。然后在相同實際條件下擠壓的情況用Deform軟件模擬。最后根據(jù)上述兩個結(jié)果制造出擠壓模具。
3.2成形部分的剛度：至于本文中細長工件的成形，如何保證工件在冷擠壓過程中剛度足夠成為了一個壓倒性的問題。所以，在實際擠壓的過程中，傳統(tǒng)的推壓力被改變?yōu)槔?，同時被特殊機構(gòu)支撐。上述這些技術(shù)被證明是行之有效的。
圖1
4. 擠壓分析
在本文中，所有的分析都是在開模擠壓的基礎(chǔ)上進行的。
4.1花鍵軸的形狀函數(shù)
由于梯形曲線的對稱性，只有一半的形狀繪制在圖2中。根據(jù)此梯形花鍵的工作原理，得到它的表面形狀函數(shù)如下：
（1）
其中，L為模具型腔工作區(qū)的有效長度；Rb為基圓半徑；g(θ)的定義如下：
（2）
其中Rt為花鍵的齒頂圓半徑；Rr為花鍵的齒根圓半徑；SR(θ)為描述梯形花鍵的方程，如下：
（3）
其中，αk為花鍵的壓力角；θt當花鍵頂圓是極半徑時為角。
圖2 圖3
4.2實際角度
根據(jù)梯形花鍵的實際尺寸，式子（1）（2）（3）可被轉(zhuǎn)化如下：
Φ1=5.83。 φ2=6.88。 φ3=12.3。
區(qū)域1： （4）
區(qū)域2： （5）
區(qū)域3： （6）
5. 擠壓仿真
本文中，應用了Deform軟件模擬擠壓過程，從而得出上述結(jié)論。仿真環(huán)境與下述實際情況是相似的：
5.1仿真的目的
為了降低制造成本，節(jié)約時間和盡快獲得一個合格花鍵，在本文中，對擠壓的仿真已經(jīng)完成。所以，仿真的目的在于獲得基于工件在擠壓過程中的應力應變光導角α（如圖5所示）。
5.2仿真環(huán)境
分析軟件：Deform-3D 5.0 分析模式：傳熱和形變
工件材料：AISI-1045（與Cr20類似） 目數(shù)：70000
節(jié)點：14452↑ 元素：62766 分析步驟數(shù)：100
頂部和工件的摩擦系數(shù)：0.3 底部和工件的摩擦系數(shù)：0.08
5.3設(shè)置模型和仿真
仿真模型如圖5所示，該結(jié)構(gòu)底模為圖4。底模和頂模的直徑分別為Φ45和Φ25，厚度均為10mm。在這個模型中，底模和頂模都是剛性的，工件的材料為塑料。在擠壓過程中，頂模以0.1mm/s恒定的速度向下移動。工件的直徑和長度分別為Φ12.9和25mm。在相同的條件下，對三組角度不同底模進行了仿真，分別為20°,25°和30°。
圖4 圖5
5.4仿真結(jié)果
步驟10的應變分布和步驟24的應力分布分別如圖6、7所示。其他的最大應力和應變在這兩個步驟中的值在表1中列出。圖8是步驟82的仿真結(jié)果。
圖6
圖7
從上述這些結(jié)果可以得出以下幾個點：
（1） 不同導角的應力差異不明顯，而不同導角的應變差異明顯，而且最佳底模導角是25°。
（2） 通過擠壓點可以看出，當導角為25°時最佳，而且在此角度下沒有出現(xiàn)“鍛壓損失”且工件的擠壓質(zhì)量最高（見圖8）。
圖8
6. 實際擠壓成型
結(jié)核和分析結(jié)果，我們以25°的導角打開底模。實際加工條件如下：
擠壓機：特殊目的加工機 傳力介質(zhì)：高壓液壓油
油缸尺寸：Φ400×1000 工作壓力：15 Mpa
工件材料：20Cr 潤滑：油潤滑 速度：約1.4 mm/s
模具材料：燒結(jié)合金 負載模式下的擠壓力：拉而不是推
為了得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，有一點值得注意的地方是：如何使工件在擠壓過程中保持穩(wěn)定。在該實驗中，專用設(shè)備組裝的部分可以保持穩(wěn)定，且在擠壓過程中不變形。此外，導向精度也十分重要，否則擠壓力不能保持穩(wěn)定，工件表面可能還會出現(xiàn)裂紋（如圖9所示）。
圖9
7. 結(jié)論
基于其效率高、精度高的優(yōu)點，擠壓技術(shù)在制造業(yè)中越來越多的引起了人們的關(guān)注。擠壓也被稱為無屑加工。尤其在某些部分的批量生產(chǎn)中擠壓成為唯一的成形方式。從本文中可以得出如下結(jié)論：
（1）上界分析是一種有用且有效的方法來計算在擠壓過程中所需的理論功率，而且只要建立的模型與實際生產(chǎn)條件形似，則分析結(jié)果是準確的。
（2）在一些合適的軟件（如Deform）的幫助下，成型過程模擬已經(jīng)被廣泛應用與日常生活中。根據(jù)仿真結(jié)果，在擠壓模具投入生產(chǎn)之前可以對一些結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行必要的調(diào)整或修改。
（3）關(guān)于細長花鍵的成形，除了擠壓加工都要考慮的因素之外首先需要考慮的問題是剛度和穩(wěn)定性，否則無法制造出合格的產(chǎn)品。
（4）CAE技術(shù)是個非常有用的工具，可以節(jié)省很多時間和成本。
（5）到目前為止，在測試期間，雖然存在一些問題（如生產(chǎn)效率和找到最佳的擠壓技術(shù)），一個合格的產(chǎn)品是可以被加工出來的。
重慶理工大學畢業(yè)論文 JH70摩托車主軸坯冷鐓成形模具設(shè)計
編號
畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）
題目：JH70摩托車主軸坯冷鐓成形模具設(shè)計
二級學院 機械工程學院
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 機械設(shè)計六班
學生姓名 李雨菲 學號 10904020510
指導教師 馮文杰 職稱 教授
時 間 2013.6
目 錄
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ
1.緒論…………………………………………………………………………………… 1
1.1概述………………………………………………………………………………1
1.2冷擠壓技術(shù)的分類及簡介………………………………………………………1
1.3冷擠壓技術(shù)的特點………………………………………………………………2
1.3.1冷擠壓的優(yōu)點………………………………………………………………2
1.3.1冷擠壓的缺點………………………………………………………………3
1.4冷擠壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向……………………………………………………4
1.5本課題要求………………………………………………………………………5
1.6預期目標及效果…………………………………………………………………5
2.冷擠壓零件……………………………………………………………………………6
2.1零件基本尺寸及三維模型………………………………………………………6
2.2毛坯零件的選擇及其性能指標…………………………………………………7
2.3零件加工前準備…………………………………………………………………8
2.4毛坯變形程度……………………………………………………………………9
3.冷擠壓模具設(shè)計………………………………………………………………………11
3.1冷擠壓模架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………11
3.2 模具主要零部件的設(shè)計…………………………………………………………13
3.2.1上模板的設(shè)計………………………………………………………………13
3.2.2上模座的設(shè)計………………………………………………………………14
3.2.3墊板的設(shè)計…………………………………………………………………15
3.2.4下模座的設(shè)計………………………………………………………………15
3.2.5下模預應力圈的設(shè)計………………………………………………………16
3.2.6下模板的設(shè)計…………………………………………………………17
3.2.7模圈導向套的設(shè)計……………………………………………………18
4.組合凹模設(shè)計……………………………………………………………………19
4.1組合凹模結(jié)構(gòu)形式的確定…………………………………………………20
4.2組合凹模各圈直徑的確定…………………………………………………20
4.3組合凹模徑向過盈量及軸向壓合量的確定………………………………21
5.模具及其零部件的三維建?！?3
5.1冷鐓模具裝配體三維模型…………………………………………………23
5.2非標準零部件三維模型……………………………………………………24
6.總結(jié)………………………………………………………………………………30
7.致謝………………………………………………………………………………31
參考文獻……………………………………………………………………………32
重慶理工大學畢業(yè)論文 JH70摩托車主軸坯冷鐓成形模具設(shè)計
摘要
本文主要針對JH70摩托車主軸坯冷鐓成形模具的設(shè)計。本課題研究的核心問題是冷擠壓組合凹模的設(shè)計。通過被加工零件的尺寸以及變形程度確定冷擠壓的單位擠壓力，從而確定冷擠壓組合凹模的結(jié)構(gòu)形式以及各圈直徑，最后確定組合凹模的徑向過盈量以及軸向壓合量。再通過組合凹模的尺寸、形狀確定冷鐓模架其它零部件的形狀及尺寸，從而最終確定整個模架結(jié)構(gòu)、尺寸以及組合形式等要素。通過查閱設(shè)計手冊確定各個模架零部件的材料。本模具采用?？趯虻男问奖ＷC在上、下模合模過程中的同軸度。本文還對整個冷擠壓模具進行了三維建模，以便直觀的表達冷擠壓模具零部件的外形以及零件之間裝配關(guān)系，方便讀者對整個模具的工作原理及過程有一個清晰的了解。
關(guān)鍵詞：冷擠壓、主軸坯、組合凹模、三維建模
Abstract
This paper focuses JH70 Motorcycle spindle blanks cold upsetting mold design. The core problem of this research is a combination of cold extrusion die design. By the size of parts to be machined as well as to determine the degree of deformation of cold extrusion extrusion pressure units, in order to determine a combination of cold extrusion die of the structure as well as the diameter of the circle, and finally determine the composition of the die and the amount of interference radial axial compressive aggregate amount. Die through a combination of size, shape, cold heading mold to determine the shape and size of other components, which ultimately determine the overall mold structure, size and combination of other factors. Researching Design Manual to determine the various parts of the mold material. The mold is made in the form of the guide die to ensure the upper and lower mold clamping process of the concentricity. This paper also carried out throughout the cold extrusion dies three-dimensional modeling, there is a clear understanding to express the intuitive parts of cold extrusion die assembly relations between parts shape and allow readers to work on the whole principle and process of the mold .
Keywords：cold extrusion，spindle blanks，conbination die，Three-dimensional modeling
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1.緒論
1.1概述
冷擠壓成型是指所成型的零件達到或接近成品零件的形狀和尺寸，它是在傳統(tǒng)的金屬塑性加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)。近幾年來，冷擠壓技術(shù)是各行各業(yè)得到迅速發(fā)展的新工藝之一，也是產(chǎn)品零件加工中的重要手段，與其它制造工藝（如切削加工、鑄造、鍛造）相比，它具有“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本”的優(yōu)點。目前，在汽車、電子通信、輕工、建筑、航空航天、軍工、日用五金等制造業(yè)中都起著極為重要的作用。尤其是21世紀的零件制造業(yè)中，我國加入WTO后，產(chǎn)品價格的市場競爭日益劇烈，冷擠壓技術(shù)已成為各企業(yè)繼續(xù)發(fā)展與開拓的重要指標之一。普遍認為，一個國家的冷成形（冷擠壓、冷鍛、冷鐓及沖壓等）加工技術(shù)水平，是這個國家汽車工業(yè)水平、工業(yè)化水平乃至現(xiàn)代化水平的一種重要標志和反映。
1.2冷擠壓技術(shù)的分類及簡介
冷擠壓就是把金屬毛坯放在冷擠壓模腔中，在室溫下，通過壓力機上固定的凸模向毛坯施加壓力，使金屬毛坯產(chǎn)生塑性變形而制得零件的加工方法。目前，我國已能對鉛、錫，鋁、銅、鋅及其合金、低碳鋼、中碳鋼、工具鋼、低合金鋼與不銹鋼等金屬進行冷擠壓，甚至對軸承鋼、高碳高鋁合金工具鋼、高速鋼等也可以進行一定變形量的冷擠壓。在擠壓設(shè)備方面，我國已具備設(shè)計和制造各級噸位擠壓壓力機的能力。除采用通用機械壓力機、液壓機、冷擠壓力機外，還成功地采用摩擦壓力機與高速高能設(shè)備進行冷擠壓生產(chǎn)。冷加壓按金屬流動方向可分為以下幾類：
正擠壓 正擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向一致。正擠壓可以制造各種形狀的實心件和空心件，如螺釘、芯軸、頂桿、支架、管子、套管、彈殼及襯套等。
反擠壓 反擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向相反。反擠壓可以獲得各種形狀的杯形空心工件，如罩殼、外殼、套筒、套管、屏蔽罩及燈座等。
復合擠壓 擠壓時，毛坯一部分金屬流動方向與凸模運動方向相同，而另一個部分金屬流動方向與凸模運動方向相反。這是正擠壓和反擠壓組合在一起的一種擠壓方法。復合擠壓方法可以制造雙杯類零件，如汽車活塞銷；也可以制造杯桿類零件，如縫紉機梭芯。
徑向擠壓 擠壓時，金屬的流動方向與凸模運動方向相垂直。徑向擠壓又可分為向心擠壓和離心擠壓，徑向擠壓用來制造斜齒輪、花鍵盤等零件。
減徑擠壓 它是變形程度較小的一種變態(tài)正擠壓法，毛坯截面僅作輕度的縮減。減徑擠壓主要用于制造直徑差不大的階梯軸類零件以及作為深孔杯形件的修整工序。
斜向擠壓 擠壓時，金屬的流動方向傾斜或彎曲于凸模的運動方向。斜向擠壓主要用于制造具有傾斜或彎曲枝芽的各種復雜形狀零件。
鐓擠法 變形時，金屬的流動具有擠壓和鐓粗的特點，即一部分金屬沿凸模軸向流動，另一部分金屬則沿徑向流動。它是冷鐓與冷擠壓相結(jié)合的一種成形方法，稱為鐓擠法。鐓擠法主要用于制造大頭類零件及階梯軸類零件。
正擠壓、反擠壓、復合擠壓與減徑擠壓是冷擠壓方法中應用最廣的四種成形方法。這四種方法的金屬流動方向都與凸模的軸線平行，因此又統(tǒng)稱為軸向冷擠壓。
1.3冷擠壓技術(shù)特點
1.3.1冷擠壓的優(yōu)點
擠壓零件尺寸準確表面光潔。目前我國研制的冷擠壓件一般尺寸精度可達8～9級，隴度一般可達，若采用理想的潤滑可達(指純鋁和紫銅零件)，僅次于精拋光表面。因此用冷擠壓方法制造的零件，一般不需要再加工，少量的只需精加工(磨削)。
節(jié)約原材料。冷擠壓件材料利用率通?？梢赃_到80%以上。如解放牌汽車活塞銷動切削加工材料利用率為43.3%，而用冷擠壓時材料利用率提高到92%；又如萬向節(jié)軸承套改用冷擠壓后，材料利用率由過去的27.8%提高到64%?？梢姡捎美鋽D壓方法生產(chǎn)機械零件，可以節(jié)約大量鋼材和有色金屬材料。
生產(chǎn)率高。用冷擠壓方法生產(chǎn)機械零件的效率是非常高的，特別是生產(chǎn)批量大的零件，用冷擠壓方法生產(chǎn)可比切削加工提高幾倍、幾十倍、甚至幾百倍。例如，汽車活塞銷用冷擠壓方法比用切削加工制造提高3.2倍，目前又用冷擠壓活塞銷自動機，使生產(chǎn)率進一步提高。一臺冷擠壓自動機的生產(chǎn)率相當于100臺普通車床或10臺四軸自動車床的生產(chǎn)率。
可加工形狀復雜的零件。如異形截面、內(nèi)齒、異形孔及盲孔等，這些零件采用其它加工法難以完成，用冷擠壓加工卻十分方便。所示的零件，能方便的擠出。
冷擠壓件強度高、剛性好而重量輕。由于冷擠壓采用金屬材料冷變形的冷作強化特性，即擠壓過程中金屬毛坯處于三向壓應力狀態(tài)，變形后材料組織致密、且具有連續(xù)的纖維流向，因而制件的強度有較大提高。這樣就可用低強度材料代替高強度材料。例如過去采用20Cr鋼經(jīng)切削加工制造解放牌活塞銷，現(xiàn)改用20號鋼經(jīng)冷擠壓制造活塞銷，經(jīng)性能測定各項指標，冷擠壓法高于切削加工法制造活塞銷。
從以上特點，可以看出，冷擠壓技術(shù)與目前各種加工方法比較，具有突出的優(yōu)越性。這就為冷擠壓代替切削加工、鍛造、鑄造和拉深工藝來制造機器零件，開辟了一條廣闊的道路。
1.3.2冷擠壓的缺點
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(zhì)、結(jié)構(gòu)以及加工制造等提出了更高的要求。
模具壽命短 由于冷擠壓模具承受著很大的單位壓力作用，最高可達3000MPa，模具易磨損、易破壞；雖然在模具材料和模具結(jié)構(gòu)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。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，正擠壓用的鋼制凸模平均壽命為2萬件左右，凹模為3萬件左右；而沖裁或拉深的模具壽命一般高達10萬件以上。
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，會是模具受到損壞。對與冷擠壓毛坯，除了要求毛坯具有準確的幾何形狀和較高的尺寸精度外，還要求再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。
對冷擠壓設(shè)備要求較高 當實施冷擠壓工藝過程時，除了要求冷擠壓設(shè)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(shè)備具有良好的精度并具有可靠的保險裝置。
1.4冷擠壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向
冷擠壓技術(shù)發(fā)展的初期是非常緩慢的，長期以來只對幾種軟金屬（鉛和錫）進行擠壓。直到19紀末20世紀初，才開始擠壓較硬的有色金屬（鋅、鋁、紫銅、黃銅等）至于鋼的擠壓，由于冷擠壓時需要很大的壓力，在當時不能解決擠壓鋼用的模具材料、合適的潤滑劑與大噸位的壓力機等問題，長時間一直認為擠壓鋼是十分困難甚至是不可能的。
1906年，英國人科斯利特（T.W.coslett）發(fā)現(xiàn)用磷酸鹽處理鋼件制品是一種較理想的防銹方法，但工序繁多，而經(jīng)濟效益又差，故未被廣泛采用。不過，這種防銹法的出現(xiàn)卻極大地激發(fā)了人們?nèi)パ芯扛唵味行У男路椒ǖ姆e極性。到后來，用自動連續(xù)裝置對鋼毛坯進行磷酸鋅防銹處理只需要兩分鐘。經(jīng)磷酸鋅處理過的毛坯表面附有脂肪潤滑劑或鈉皂薄膜，且這層薄膜不易脫落，擠壓這種毛坯時，壓力較小。這個發(fā)現(xiàn)使人們找到了一種理想的鋼毛坯表面處理法一磷化皂化法。
磷化皂化處理鋼毛坯表面方法的出現(xiàn)使鋼的擠壓成為可能。1934年，德國人采用磷化皂化法成功地冷擠出鋼管。二次世界大戰(zhàn)期間，德國人需要大量彈殼，當時黃銅又供應不足，于是德國人秘密試驗用冷擠壓生產(chǎn)鋼彈殼、后來，采用合金工具鋼作模具材料，用冷擠壓成功地擠出大批量鋼彈殼類零件。
第二次世界大戰(zhàn)以后，美國人竊取了德國人關(guān)于鋼的冷擠壓的全部資料，開始在美國用冷擠壓秘密生產(chǎn)軍火，開辦了很多生產(chǎn)鋼彈殼和彈體的軍工廠。鋼的冷擠壓于1947年才正式用于民用工業(yè)。美國于1949年發(fā)表了各種鋼材冷擠壓后機械性能的實驗數(shù)據(jù)。德國于1950年、1953年先后公布了鋼的冷擠壓的基本技術(shù)數(shù)據(jù)及冷擠壓力和擠壓功的實驗結(jié)果。
1957年，日本引進了專用冷擠壓機，開始在精密儀器和儀表中采用冷擠壓技術(shù)。日本見這種新技術(shù)經(jīng)濟效益顯著，很快把這種技術(shù)用于制造汽車和電氣制件?，F(xiàn)已成為遍及各個工業(yè)部門的重要加工手段。
隨著能源危機的日趨嚴重，人們對環(huán)境質(zhì)量將更加關(guān)注，加之市場競爭日益加劇，促使鍛件生產(chǎn)向高效、高質(zhì)、精化、節(jié)能節(jié)材方向發(fā)展。因此用擠壓成形等工藝手段所生產(chǎn)的精化鍛件的產(chǎn)量，在市場競爭中將得到較大的發(fā)展。
汽車向輕型化、高速度、平穩(wěn)性方向發(fā)展，對鍛件的尺寸精度、重量精度及力學性能等都提出了較高的要求。如轎車發(fā)動機用連桿鍛件除對大小頭之間的誤差有要求外，對每件的重量誤差也要求不大于八克。新產(chǎn)品的高要求，將促進精化生產(chǎn)工藝的發(fā)展。
專業(yè)化、規(guī)模化的組織生產(chǎn)仍是冷擠壓生產(chǎn)的發(fā)展方向和趨勢。在法國，以擠壓成形工藝生產(chǎn)鍛件的專業(yè)廠家1991－1994年全員勞動生產(chǎn)率，即每人生產(chǎn)擠壓件的產(chǎn)量及產(chǎn)值，均高于一般生產(chǎn)模鍛件或者自由鍛件的廠家。以1994年為例，專業(yè)廠家擠壓件人均產(chǎn)量為 51024KG，創(chuàng)產(chǎn)值775688法郎。而同期一般性生產(chǎn)模鍛件的廠家，其人均產(chǎn)量僅為39344KG，產(chǎn)值592384法郎，僅相當于擠壓件專業(yè)生產(chǎn)廠家的77.1%和76.37%。自由鍛件生產(chǎn)廠與之相比則更低。
擠壓專機將成為一種發(fā)展趨勢。隨著中小型鍛件的精化生產(chǎn)發(fā)展及冷擠壓、溫擠壓工藝的推廣應用，多工位冷擠壓壓力機、精壓機及針對某種鍛件而設(shè)計制造的專機會得到大力發(fā)展。新昌軸承套圈的冷擠大面積應用是在邵銀標工程主導下發(fā)展起來，目前國內(nèi)軸承套圈的冷擠壓成型占了較大份額。
1.5本課題要求
1、完成JH70摩托車主軸坯冷鐓工藝方案制定 。
2、完成冷鐓專用模架設(shè)計。
3、完成組合凹模設(shè)計。
4、完成冷鐓專用模架的三維建模。
1.6預期目標及效果
1、掌握冷鐓專用模架的設(shè)計方法。
2、掌握組合凹模的設(shè)計方法。
3、熟練應用三維軟件對冷擠壓模具進行三維建模。
2. 冷擠壓零件
2.1零件基本尺寸及三維模型
冷鐓零件如下圖所示：
圖1
由二維零件圖建立三維模型如下：
圖2
2.2毛坯材料的選擇及其性能指標
毛坯零件圖如下圖所示：
圖3
毛坯材料選取20CrMo鋼，材料的基本情況如下：
牌號：20CrMo
標準：GB/T 3077-1988
對應標準：JIS G4053：2003
ASTM A29M：2005
ISO 683-18：1996
統(tǒng)一數(shù)字代號：A30202
20CrMo鋼的淬透性較高，無回火脆性，焊接性相當好，形成冷裂的傾向很小，可切削性及冷應變塑性良好。一般在調(diào)質(zhì)或滲碳淬火狀態(tài)下使用，用于制造在非腐蝕性介質(zhì)及工作溫度低于 250℃、含有氮氫混合物的介質(zhì)中工作的高壓管及各種緊固件、較高級的滲碳零件，如齒輪、軸等。
化學成份：
碳 C ：0.17～0.24 硅 Si：0.17～0.37 錳 Mn：0.40～0.70
硫 S ：允許殘余含量≤0.035 磷 P ：允許殘余含量≤0.035
鉻 Cr：0.80～1.10 鎳 Ni：允許殘余含量≤0.030
銅 Cu：允許殘余含量≤0.030 鉬 Mo：0.15～0.25
力學性能：
抗拉強度 σb (MPa)：≥885(90) 屈服強度 σs (MPa)：≥685(70)
伸長率 δ5 (%)：≥12 斷面收縮率 ψ (%)：≥50
沖擊功 Akv (J)：≥78 沖擊韌性值 αkv (J/cm2)：≥98(10)
硬度 ：≤197HB 試樣尺寸：試樣毛坯尺寸為15mm
2.3零件加工前準備
毛坯軟化處理
為了改善材料的冷擠壓性能，提高塑性降低硬度和變形抗力，消除內(nèi)應力和得到良好的金相組織，以降低單位擠壓力和提高模具使用壽命，在冷擠壓加工之前或多道冷擠壓工序之間，必須對毛坯進行軟化處理。
20CrMo鋼采用球化退火作為其軟化熱處理工藝，使珠光體中的滲碳體及二次滲碳體球化而進行的一種退火。20CrMo鋼的退火規(guī)范如下圖所示：
圖3 20CrMo鋼的球化退火規(guī)范
毛坯表面處理與潤滑
為了降低冷擠壓件與冷擠壓模工作部分的摩擦，降低冷擠壓的單位擠壓力，提高冷擠壓件的表面質(zhì)量，減少模具的磨損，對冷擠壓毛坯進行潤滑與表面處理。
對該冷擠壓零件潤滑于表面處理主要包括以下內(nèi)容：
（1）去除表面缺陷。
（2） 清潔、去脂、濯洗。
（3）去除表面氧化層（用酸洗或機械處理）
（4）在毛坯表面形成特殊的潤滑支撐層——磷酸鹽處理。
（5）潤滑處理。
其中（1）~（3）項處理的目的是改善表面質(zhì)量，并為以后的磷酸鹽處理和潤滑處理做好準備。
具體操作如下：采用軟軸砂輪或拋光輪進行機械的清理以實現(xiàn)去除表面缺陷。在清潔、去脂和濯洗工序，采用以下配方作為清洗劑：
氫氧化鈉 60~100g/L 碳酸鈉（大蘇打） 60~80g/L
磷酸鈉 25~80g/L 水玻璃 10~15g/L
處理溫度為85℃，處理時間控制在15~25分鐘。在進行去油處理后要對效果進行檢查，用水直接淋在零件上，如果已徹底去油，則誰能浸潤所有表面。在化學去油后，要在熱水中對毛坯進行沖洗，在80℃的熱水中進過4~6次吊動。在去除表面氧化層工藝中，采用酸洗處理。將毛坯浸入硫酸、鹽酸或其混合液中，使銹層逐漸剝落或溶解。酸洗溶液成分及處理工藝如下：
硫酸 ：120~180g/L，鹽：8~10g/L，處理溫度為65~75℃，處理時間控制在5~15分鐘。
2.4毛坯變形程度
冷鐓時，毛坯高度減小，直徑增大，變形程度用下式表示：
，式中，
——冷鐓時變形程度（%）；——毛坯鐓粗前的高度（mm）；H——毛坯鐓粗后的高度（mm）。
根據(jù)上式計算出本次冷鐓的毛坯變形程度為=16.15%
3.冷擠壓模具設(shè)計
冷擠壓的最大特點之一是單位擠壓力很大，可能達到材料抗拉極限的4到6倍甚至更高，遠超一般塑性加工過程的單位擠壓力。冷擠壓模具連續(xù)工作時溫度可達200-300℃，有時還可能更高?？梢?，冷擠壓模具的工作環(huán)境是相當惡劣的。這就對模具的結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝等方面提出了比較高的要求，以使其具有耐高壓、耐沖擊和耐摩擦等特點，從而在惡劣的工作條件下能過正常工作，同時保證一定的使用壽命。所以，所設(shè)計的冷擠壓模具應具有以下特點：
（1） 模具應具有足夠的剛度及強度，在冷熱溫度及交變應力環(huán)境下，模具所選用材料應保證不被破壞或變形而失效。所以如上、下模板等模具零件應保證有足夠的厚度，直接工作的零件應選用較好的材料。
（2） 模具的工作部分要有足夠的韌性及耐磨性，如采用專用模具鋼作為上、下凹模的材料。
（3） 易損零件應保證拆卸及安裝快捷，便于更換，在大量生產(chǎn)過程中，要保證易損件具有較好的互換性。
（4） 凸、凹模應具有合理的幾何形狀，以避免產(chǎn)生應力集中，有利于金屬在擠壓過程中的塑性流動，降低單位及壓力，提高模具的承載能力。
（5） 模具應具有比較精確的導向裝置，以使模具從開始擠壓到擠壓結(jié)束的整個過程中都能有比較良好的對中性和同軸度，如此才能保證制造出符合要求的擠壓件。尤其是當壓力機導向精度較低，而產(chǎn)品要求精度要求又較高時，一個合適模具導向裝置則顯得更為重要。
（6） 必須保證操作人員在使用模具生產(chǎn)過程中的安全，盡量使安裝、拆卸模具的過程簡化，易于操作。
（7） 在保證使用要求和一定使用壽命的前提下，盡量降低模具的生產(chǎn)成本。如在模具材料，制造工藝，加工精度的選擇上嚴格控制成本。
綜合以上設(shè)計要求，并結(jié)合具體模具的實際情況，JH70摩托車主軸坯冷鐓模具模架及主要零部件設(shè)計如下：
3.1冷擠壓模架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
JH70摩托車主軸坯冷鐓模具整體結(jié)構(gòu)如下圖所示，模具采用模口導向的冷鐓模架。由于上、下凹模所承受單位及壓力很高，一般使用壽命較低，需要經(jīng)常更換，故將上、下凹模設(shè)計成錐形固定，以方便裝卸。同時，這樣設(shè)計也使模具的承壓面積增大，使壓力不至過于集中。同時，在上模及上模座之間設(shè)計有淬硬墊板，以防止過大的壓力將上模座壓潰，整個上模用一個特型緊固螺母包裹住。為了便于將擠壓完成的工件從模具中取出，設(shè)計了頂出裝置——下模座中的頂桿。工件擠壓完成后，頂桿通過向上頂頂料桿，頂料桿再最終將工件從模具中頂出。在設(shè)計頂料桿的過程中著重考慮了它的長度，使頂料桿的大頭接觸到模座墊板之前能保證將工件完全從模具中頂出。由于冷擠壓力過程中下模部分的的壓力幾乎完全由頂料桿承擔，故在頂料桿下方與下模座之間設(shè)計有墊塊及墊圈，從而將壓力均勻分散到下模座上，增大了傳力面積，同時放置于下模座中的墊圈還起到支撐頂桿的作用。此模架采用較為簡便的?？趯颍@種通過模具自身實行導向的設(shè)計使上、下模對正簡單，導向精度高且簡單方便，是冷鐓模具較理想的導向方式。在上、下模合模的過程中模圈導向套先與下模固定套接觸并配合導向，導向一段距離之后上凹模再與工件接觸，此后的整個擠壓過程中模圈導向套始終與下模固定套配合導向，從而保證了擠壓過程中上、下模的同軸度。
此模具具有導向良好簡便，易于拆裝換模，模具零件制造簡單等優(yōu)點，基本上滿足了設(shè)計要求。下圖即為模具裝配圖：
圖4
1-上模板 2-上模座 3-上模座 4-模圈導向套 5-六角頭螺釘 6-下模預應力圈 7-頂料桿 8-下模座 9-墊圈 10-內(nèi)六角圓柱頭螺釘 11下模板 12-內(nèi)六角圓柱頭螺釘 13-墊板 14-桿芯 15-上凹模 16-上模預應力圈 17-下凹模 18-墊板 19-墊塊 20-頂桿
3.2模具主要零部件的設(shè)計
3.2.1上模板的設(shè)計
材料基本尺寸的確定
通過查閱手冊，確定上模板的材料為45鋼。根據(jù)上模尺寸確定上模板長寬尺寸為580×455，確定厚度為70mm，保證了上模板的強度，使其在很高的擠壓力作用下不會失效。
螺釘孔及定位凹槽的設(shè)計
根據(jù)上模座的尺寸確定螺釘連接的位置，從而確定出上模板上螺釘孔的位置。根據(jù)擠壓力的大小，為保證上模板與上模座之間足夠的連接強度，也考慮到二者連接后必須保證上模板是一個平面以便上模板能順利地與壓力機連接，故確定采用M12內(nèi)六角圓柱頭螺釘連接。為保證上模座與上模板連接位置的正確，避免在連接過程中二者出現(xiàn)滑移，在上模板上設(shè)計了用于固定上模座的的凹槽，從而確保了上、下模具的同軸度。
U形槽的位置及尺寸的確定
U形槽用于上模板與壓力機的連接，其距離是根據(jù)壓力機上T形槽之間的距離確定的，此模具采用的是200T油壓機，T形槽之間的最小距離是200mm，再綜合上模板的尺寸，最終確定了兩個U形槽的距離為200mm。再根據(jù)模板的尺寸確定U形槽寬度為30mm，長度為40mm。
起吊孔的設(shè)計
為了便于模板的移動、起吊，在板的側(cè)面設(shè)計了兩個M20的起吊孔，也可用于上模板角度、位置的調(diào)整。這里確定起吊孔的深度為20mm。上模板零件圖如下圖所示：
圖5
3.2.2上模座的設(shè)計
上模座在整個模具中起著十分重要的作用。不僅固定著整個上模，使上模固定在上模板上，而且保證了上、下模的同軸度，起到了至關(guān)重要定位作用。為了使上模座準確固定在上模板上，在模座上方設(shè)計了與上模板凹槽配合的凸臺，凸臺不僅起到了固定及定位的作用，還滿足了制造工藝的要求。由于上模座外緣有于上模緊固螺母嚙合的螺紋，螺紋應避免一直延伸到模座根部，故凸臺的設(shè)計實現(xiàn)了這一要求。上模座如下圖所示：
圖6
3.2.3墊板的設(shè)計
為了將擠壓力均勻分散到上、下模座上，避免被集中的壓力壓潰，在上、下與上、下模座之間分別設(shè)計了淬硬墊板，其中位于下模與下模座之間的墊板通過6顆M10的六角頭螺釘將上模固定套一起固定到下模座上。兩塊墊板的厚度為20mm，使其具有了足夠的強度。同樣，墊板上也設(shè)計了起吊孔，以便于墊板的起吊和移動。墊板零件圖如下圖所示：
圖7
3.2.4下模座的設(shè)計
與上模座一樣，下模座在整個模具結(jié)構(gòu)中同樣起著至關(guān)重要的作用。除了承載下模，連接下模與下模板之外，與上模板類似的，下模板也擔負著定位的任務(wù)，保證了下模與上模的同軸度。下模中心位置設(shè)計有凹槽，用于承載和定位下模。凹槽底部開有螺紋孔，用于連接固定墊板和下模預應力圈。根據(jù)下模預應力圈的尺寸確定了螺紋孔的位置，進而確定了下模座凹槽內(nèi)螺紋孔的位置。下模固定套尺寸查手冊決定采用M10六角頭螺釘作為連接緊固件。同時，下模座的底部也設(shè)計有6個均布螺紋孔，用于模座與下模板的連接固定。同樣，根據(jù)模座尺寸確定了螺紋孔的位置，此處采用M16內(nèi)六角圓柱頭螺釘連接。凹槽中心開有通孔，用于容納頂料桿及其墊塊，通孔直徑取決于頂料桿大頭部分的直徑，由于通孔和頂料桿大頭之間應留有間隙，故通孔直徑應略大于頂料桿大頭直徑。下模座如下圖所示：
圖8
3.2.5下模預應力圈的設(shè)計
下模預應力圈用于承載、固定下模。同時，在上、下模合模的過程中還通過與模圈導向套的配合起到導向的作用。預應力圈內(nèi)孔尺寸根據(jù)下凹模外圓尺寸確定。為了增大傳力面積，防止過大的集中力將固定套壓潰，將下模固定套內(nèi)圈設(shè)計成錐面形狀。其外全尺寸與模圈導向套尺寸相符，以保證精確導向。根據(jù)固定套的尺寸確定出螺釘通孔的位置，通過M10六角頭螺釘將其固定在下模座上。內(nèi)圈具體尺寸等設(shè)計詳見下章。下模固定套如下圖所示：
圖9
3.2.6下模板的設(shè)計
下模板在擠壓過程中起到支撐整個模具的作用，其設(shè)計過程與上模板類似。簡述如下：
材料及基本尺寸的的確定
通過查閱手冊，確定下模板材料為45鋼。長寬尺寸為700×550，厚度定為100mm，較上模板增加了厚度。
定位凹槽及螺紋孔的設(shè)計
下模板上表面設(shè)計有定位凹槽，用于定位和固定下模座，直徑由下模座外圓直徑確定。定位凹槽底部開有6個均布螺紋孔，用于與下模座的連接緊固，螺釘采用M16內(nèi)六角圓柱頭螺釘。
起吊孔的設(shè)計
和上模板一樣，下模板側(cè)面也開有起吊孔，所不同的是下模板起吊孔設(shè)計有4個，這是由于下模板體積、重量較上模板大，故起吊孔的數(shù)量有所增加。起吊孔采用M20螺紋孔，深度為20mm。下模板如下圖所示：
圖10
3.2.7模圈導向套的設(shè)計
模圈導向套是整個模具導向裝置的核心，起著保證上、下模同軸度的的關(guān)鍵作用。模口導向通過模具自身零件實現(xiàn)導向，導向簡便、實用、可靠，導向效果優(yōu)于導柱導向，是冷鐓模具常采用的導向方式。?？趯虻年P(guān)鍵是，在冷鐓之前要保證讓下模進入上模的?？趯蛱紫葘蛞欢尉嚯x，所以，要計算?？趯蛱讓虿糠值母叨取＞唧w計算過程如下：下凹模腔高度為100mm，毛坯高度為130mm，當把毛坯裝入下模腔中后，毛坯高出下凹模上表面的距離為30mm，擠壓之前又要先導向一段距離。所以，確定模圈導向套導向部分的高度為65mm。模圈導向套與下凹模預應力圈采用基孔制間隙配合H7/h6。模圈導向套如下圖所示：
圖11
4. 組合凹模設(shè)計
如前所述，作用在冷擠壓凹模內(nèi)壁的單位擠壓力是非常大的，如果冷擠壓凹模采用整體式結(jié)構(gòu)就有可能產(chǎn)生縱向開裂。實踐和理論分析都證明，采用單純增大壁厚的辦法打不到提高凹模強度的目的，而采用組合式結(jié)構(gòu)是一種解決凹模縱向開裂行之有效的辦法。因此，組合凹模在冷擠壓技術(shù)中得到了廣泛應用。本模具就采用了雙層組合凹模的設(shè)計，設(shè)計過程如下：
4.1組合凹模結(jié)構(gòu)形式的確定
冷鐓單位壓力的確定：根據(jù)公式式中：P——自由鐓粗的單位壓力（MPa）；σ——變形終了時變形抗力（MPa）,由值查圖；f——摩擦因數(shù)，一般取f=0.1；——鐓粗變形后的直徑（mm）；——鐓粗變形后的高度（mm）。
查圖并計算得單位擠壓力為p=1235MPa，查《實用冷擠壓技術(shù)》知，兩層組合凹模的許用單位擠壓力為1400MPa≤p≤2500MPa，故采用兩層組合凹模。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖12 兩層組合凹模結(jié)構(gòu)
4.2組合凹模各圈直徑的確定
查閱《冷擠壓實用技術(shù)》得如下公式：
根據(jù)所加工零件的尺寸確定兩層組合凹模各圈直徑的大小。為保證凹模強度要求，各直徑盡量取較大值。即上組合凹模：=17.5mm，=5=87.5mm，=2=175mm；考慮到此模具?？趯虻脑O(shè)計，下模圈直徑應小于上模圈，故下模組合凹模各圈直徑為=17.5mm，=4=70mm，=2=140mm。
4.3組合凹模徑向過盈量與軸向壓合量的確定
以上組合凹模為例計算過程如下：在確定了各圈直徑之后，便可確定處的徑向過盈量與軸向壓合量先從兩層組合凹模徑向過盈系數(shù)與直徑比的關(guān)系查出徑向過盈系數(shù)=0.0095，又按兩層組合凹模軸向壓合系數(shù)與直徑比的關(guān)系查出軸向壓合系數(shù)=0.18.則，
==0.83mm，==15.75mm
采用基孔制過盈配合取H7/s6，
孔=，軸=
由此可得出徑向過盈量的范圍為：。
本組合凹模采用室溫壓合，壓合斜度取1.5°，由此可計算出軸向壓合范圍為：mm。
同理，查圖得下組合凹模徑向過盈系數(shù)=0.0091，軸向壓合系數(shù)=0.17，所以徑向過盈量==0.637mm，軸向壓合量==11.9mm。同樣采用基孔制過盈配合取H7/s6，孔，軸。由此算出徑向過盈量的范圍為：mm。同樣采用室溫壓合，壓合斜度取1.5°，由此算出軸向壓合范圍為：mm。
查表知，選用Cr12MoV作為凹模材料，選用35CrMoA作為凹模預應力圈材料。組合凹模見下圖：
圖13 上組合凹模
圖14 下組合凹模
5.模具及其零部件的三維建模
此模具使用了Solidworks2012軟件對其進行三維建模。Solidworks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產(chǎn)品市場占有率居世界前列。Solidworks 功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學易用。Solidworks系統(tǒng)自帶的標準件庫，其包含螺栓，螺母，螺釘，螺柱，鍵，銷，墊圈，擋圈，密封圈，彈簧，型材，法蘭等常用零部件，模型數(shù)據(jù)可被直接調(diào)用。
5.1冷鐓模具裝配體三維模型
5.2非標準零部件三維模型
墊板
頂桿 頂料桿
模圈導向套
上凹模
上模板
上模緊固螺母
上模座
下凹模
下凹模預應力圈
下模座
上組合凹模預應力
桿芯
6. 總結(jié)
本文是對JH70摩托車主軸坯冷鐓模具的設(shè)計。針對JH70摩托車主軸坯的制造，采用冷擠壓加工方法相較傳統(tǒng)的加工手段（如銑）有很大的技術(shù)優(yōu)勢。采用冷擠壓技術(shù)，大大簡化了工序，提高了生產(chǎn)效率，降低了加工難度和生產(chǎn)制造成本。
在設(shè)計中首先對擠壓件進行了外形和力學性能的分析，進而對模架整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和確定，分析了模具各個零部件的設(shè)計目的，確定了各個零部件尺寸材料等要素，最后對一些模具設(shè)計過程中的細節(jié)問題進行了解決。為了更加充分的表達模具外形和工作原理，在完成模具設(shè)計之后又對其進行了三維建模。
通過本次畢業(yè)設(shè)計，對冷擠壓模具的結(jié)構(gòu)和工作原理有了比較深刻的認識。通過指導老師的講解和對查閱相關(guān)書籍，對冷擠壓模具設(shè)計的重點問題和注意事項有了較為全面的了解。在模具的設(shè)計過程中，應用了大學所學的相關(guān)專業(yè)課程如理論力學、材料力學、機械制圖、互換性與技術(shù)測量、機械設(shè)計、機械原理、機械工程材料等內(nèi)容，在用的過程中又實現(xiàn)了對舊知識的復習和更深入地理解。在三維建模的過程中，又對相關(guān)軟件的操作進行了熟悉?？傊?，畢業(yè)設(shè)計是對大學所學知識的一次系統(tǒng)應用，使我們做到將知識融會貫通并應用于應用到了實踐中，真正做到格物致知，知行合一。在畢業(yè)設(shè)計過程中積累的設(shè)計思想、方法、過程等寶貴經(jīng)驗將在后的學習工作過程中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。
7. 致謝
本研究及論文是在我的導師馮文杰老師的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。馮老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹向*老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢業(yè)論文小組的同學們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!
最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！
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