模具挤压成形的优化方案

1.型腔的冷挤压成形

（1）冷挤压成形的特点

1）可加工形状复杂的型腔，尤其适用于某些难以切削加工的复杂的型腔。

2）挤压过程简单迅速、生产效率高，一个凸模可多次使用。对于多型腔凹模采用这种方法，生产效率的提高更加明显。

3）加工精度高，可达IT7或更高；表面粗糙度小，可达Ra0.16μm左右。

4）冷挤压型腔的材料纤维未被切断，使得性能的方向性均匀；内部组织结构致密，强度提高。

（2）冷挤压方式 型腔的冷挤压分为：封闭式和敞开式两种。

1）封闭式冷挤压。它是将坯料放在冷挤压模套内进行挤压加工，如图4-1所示。在将工艺凸模压入坯料的过程中，由于坯料的变形受到模套的限制，坯料只能向着工艺凸模压入的相反方向产生塑性流动，迫使变形的坯料与凸模紧密贴合，提高了型腔的成形精度。

封闭式冷挤压适用于精度要求高、深度较大、坯料体积较小的型腔，如注射模、压缩模、压铸模的型腔等。

图4-1 封闭式冷挤压成形

1—垫板 2—模套 3—导向套 4—压力机上座 5—凸模 6—坯料 7—压力机下座

由于封闭式冷挤压，是将工艺凸模与坯料约束在导向套和模套内进行挤压，除使凸模获得良好的导向外，还能防止凸模断裂和坯料开裂飞出。

2）敞开式冷挤压。它是在被挤压的坯料外面不加模套，如图4-2所示。这种方法在挤压前的准备工作比较简单。被挤压的坯料塑性流动，不仅沿着工艺凸模的轴向流动，而且也沿径向流动。因此，敞开式冷挤压仅适用于精度要求不高、形状简单的锻模型腔加工。

（3）冷挤压设备的选择

1）挤压力的计算。型腔冷挤压所需的力与冷挤压方式、坯料材质及其性能以及挤压时的润滑等情况有关，其计算公式为

F=Ap

式中 F——冷挤压所需的力（N）；

A——型腔投影面积（mm²）；

p——单位挤压力（MPa），见表4-1。

图4-2 敞开式冷挤压成形

表4-1 坯料抗拉强度与单位挤压力的关系（单位：MPa）

2）设备的选择。由于模具型腔冷挤压过程具有运动简单、行程短、坯料体积小和单位压力大以及挤压速度低等特点，所以一般选用结构不很复杂的小型专用液压机作为挤压设备。这种设备应具备以下特点：刚性好、活塞运行时导向准确；工作平稳，能方便观察挤压情况和反映挤压深度；有安全防护装置（防止工艺凸模断裂或坯料崩裂时飞出）。

（4）工艺凸模和模套的设计及制造 工艺凸模和模套的设计及制造与一般冷挤压模具的设计原则和制造方法相同。

1）工艺凸模。由于其工作时承受极大的挤压力和摩擦力。因此，挤压过程中很容易产生变形、磨损、压碎或折断。为此，工艺凸模使用时，应具有很高的硬度和耐磨性以及较好的韧性。通常，冷挤压工艺凸模热处理后硬度应达到60～65HRC。

常用的冷挤压工艺凸模的材料及能承受的单位压力，见表4-2。

表4-2 冷挤压工艺凸模的材料及能承受的单位压力

冷挤压工艺凸模结构如图4-3所示。由以下三部分组成：

①成形工作部分（图4-3中的L₁段）。工作时这部分要挤压到型腔坯料中，因此这部分的尺寸应与型腔设计尺寸一致，其精度比型腔精度高1～2级，表面粗糙度为Ra0.32～0.08μm。由于挤压成形的型腔口部有塌角现象，去除塌角后，型腔的有效成形深度仅为挤压深度的70%～80%，因此一般将工作部分的长度取为型腔深度的1.1～1.3倍。

图4-3 冷挤压工艺凸模结构

图4-4 螺钉脱模

1—脱模螺钉 2—垫圈 3—脱模套 4—工艺凸模 5—模坯

图4-5 单层模套

②导向部分（图4-3中的L₂段）。与导向圈配合，保证挤压凸模能垂直挤入坯料中。导向部分的直径和导向套的高度尺寸均取模具型腔直径的1.5倍。凸模导向部分的长度应取模具型腔直径的1.5倍加上挤入深度。外径D与导向圈的配合为H8/h7，表面粗糙度为Ra1.25μm。端面的螺孔是为了便于将工艺凸模从型腔中脱出而设计的。脱模情况如图4-4所示。(www.xing528.com)

③过渡部分。冷挤压凸模的过渡部分是凸模工作段与导向段的连接部分。为了减少该处应力集中，防止挤压时断裂，过渡部分应采用较大半径的圆弧平滑过渡，一般R≥5mm。

2）模套。在闭式冷挤压时，将型腔毛坯置于模套中进行挤压。模套的作用是限制毛坯金属径向流动和防止坯料破裂。模套有两种：

①单层模套，如图4-5所示。虽然其制作简单，但所承受的挤压力较小。模套外径r₂=4r₁时能安全地承受径向挤压力1100MPa，r₁为模套内径，模套外径r₂一般取内径的4～6倍。6倍以上对提高模套的抗径向挤压能力作用不大。

②双层模套，如图4-6所示。将有一定过盈量的内、外层模套压合成一个整体，使内层模套在未使用前就预先受到外模套的径向压力而形成一定的预应力，如此可以比同样尺寸的单层模套承受更大的挤压力。双层模套的强度大致为单层模套的1.5倍。各层模套的尺寸分别为r₃=(3.5～4)r₁；r₂=(1.7～1.8)r₁。内模套与坯料接触部分的表面粗糙度为Ra1.25～0.16μm。

单层模套和内模套的材料一般用45钢、40Cr等材料制作，热处理后硬度为43～48HRC。外层模套的材料一般采用Q235或45钢。

图4-6 双层模套

1—内模套 2—外模套

（5）模坯的准备 冷挤压模的模坯材料性能、组织、模坯形状、尺寸和表面粗糙度等对型腔的质量均有直接影响。为了便于冷挤压加工，模坯应具有较低的硬度和较高的塑性，型腔成形后的热处理变形应尽可能小。

宜于进行冷挤压加工的材料有：铝及铝合金、铜及铜合金、低碳钢、中碳钢和部分高碳钢及合金钢，如10、20、20Cr、T8A、T10A、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、5Cr4W2MoSi等。

模坯在冷挤压前应进行预备热处理，低碳钢正火至100～160HBW，中碳钢球化退火至160～200HBW，以便提高材料的塑性，减小冷变形时的阻力。

在决定模坯的形状尺寸时，应同时考虑模具的设计尺寸要求、工艺要求、模具的厚度及模腔深度，以及模坯的端面积与模腔在端面上的投影面积之间的比值要足够大，以防在挤压时模坯产生翘曲或开裂。

封闭式冷挤压坯料的外形轮廓一般为圆柱形或圆锥形，其尺寸按以下经验公式确定，如图4-7所示。

图4-7 模坯尺寸

a）无减荷穴模坯 b）有减荷穴模坯

D=(2～2.5)d

h=(2.5～3)h₁

式中 D——坯料直径（mm）；

d——型腔直径（mm）；

h——坯料高度（mm）；

h₁——型腔深度（mm）。

有时为了减小挤压力，可在模坯底部加工出减荷穴，如图4-7b所示。减荷穴的直径d₁=(0.6～0.7)d，减荷穴切除的金属体积约为型腔体积的60%，但当底部需要同时挤出图案或文字时，坯料不能设置减荷穴。相反，模坯顶面应作成球面，如图4-8a所示，或在模底面垫上与图案大小一致的垫块，如图4-8b所示，以使图案或文字清晰。

（6）冷挤压时的润滑 在冷挤压过程中，工艺凸模和坯料通常要承受2000～3500MPa的单位压力。为了提高型腔表面的质量和便于脱模以及减小工艺凸模与坯料间的摩擦力，应在工艺凸模与坯料间施以必要的润滑。另外，为防止在高压下润滑剂被挤出润滑区，最简便的方法是将经过脱脂清洗的工艺凸模与坯料在硫酸铜饱和溶液中浸渍3～4s，并涂以凡士林或机油稀释的二硫化钼润滑剂。

图4-8 有图案和文字的模坯

a）球面模坯 b）垫块模坯

另一种较好的润滑方法是将工艺凸模进行镀铜或镀锌处理，而将坯料清洗后放在磷酸盐溶液中浸渍，使其表面产生一层不溶于水的金属磷酸盐薄膜，其厚度一般为5～15μm。这种磷酸盐薄膜与基体金属结合得十分牢固，能承受高温（耐热能力达600℃）、高压，具有多孔性组织，能储存润滑剂。使用时再加机油稀释的二硫化钼润滑剂润滑，可防止挤压过程中工艺凸模与坯料发生粘附现象。

在涂润滑剂时，要避免润滑剂在文字和花纹处堆积，以免影响其清晰度。

2.型腔的热挤压成形

这是一种将毛坯加热到锻造温度，用预先准备好的工艺凸模压入毛坯而挤出型腔的制模方法，也称作“热反印法”。热挤压制模方法简单、周期短、成本低，所成形的模具内部结构呈连续纤维状态，组织致密，强度高。因此，耐磨性好，使用寿命长。但由于热挤压温度高，型腔尺寸不易掌握，且表面容易出现氧化、脱碳，故常用于尺寸精度要求不高的锻模制造。其制模工艺过程如图4-9所示。

图4-9 热挤压制模工艺过程

（1）工艺凸模 热挤压成形可采用锻件作为工艺凸模。由于未考虑冷缩量，制作出的锻模只能加工形状、尺寸精度要求较低的锻件，如起重吊钩、吊环螺栓毛坯等产品。零件较复杂而精度要求较高时，必须事先加工好工艺凸模。

（2）热挤压工艺 图4-10为热挤压吊钩锻模的示意图，以锻件成品作工艺凸模，先将凸模表面用砂轮打磨，然后涂润滑剂；按要求加工出锻模上、下模坯，经充分加热和保温后去除氧化皮，放在型砧上；将工艺凸模放在上、下模坯之间，施加压力锻出型腔。

（3）后续加工 热挤压成形的模坯，经退火、机械加工、淬火和磨光等工序制成模具。

图4-10 热挤压吊钩锻模示意图

1—上砧 2—上模坯 3—工艺凸模 4—下模坯 5—下砧